2018年IFLA競賽一等獎作品：干旱與半干旱地區(qū)的瞬時集中雨洪調(diào)控策略

王宏達

周 超

李 爽

趙可極

王亞迪

馮 瀟*

1 2018年第55屆國際風(fēng)景園林師聯(lián)合會(IFLA)國際大學(xué)生風(fēng)景園林競賽主題解析

2018年第55屆IFLA國際大學(xué)生風(fēng)景園林競賽的主題是“彈性景觀”，題目描述了2類當(dāng)代問題：1)自然災(zāi)害和極端天氣事件對人居環(huán)境造成的破壞；2)城市化進程對自然或社會帶來的負面影響。競賽鼓勵學(xué)生探討如何來演繹“彈性景觀”這一主題，從預(yù)防性、預(yù)見性、緩解性和適應(yīng)性設(shè)計等方面入手，通過風(fēng)景園林的方式對以上問題進行緩解或修復(fù)[1]。

我們對競賽主題彈性景觀進行了如下的理解與演繹：首先，彈性是基于變化而產(chǎn)生的，具有彈性的景觀應(yīng)能夠?qū)ψ匀粚用婧蜕鐣用娴淖兓c變革進行適應(yīng)和利用，并以此來緩解或解決區(qū)域中自然或社會的沖突矛盾；其次，具有彈性的風(fēng)景園林的功能應(yīng)該能夠跨越一定的時間尺度，不僅在項目完成后的短時間內(nèi)發(fā)揮作用，還應(yīng)自發(fā)形成良性生長的系統(tǒng)，對日后產(chǎn)生持久的效益；最后，風(fēng)景園林師的操作對象是空間物質(zhì)形態(tài)，彈性的景觀應(yīng)通過空間物質(zhì)形態(tài)的改變，來觸發(fā)社會經(jīng)濟政策及其他衍生要素的變化。

2 問題與選址

水災(zāi)害問題是長久以來各類環(huán)境學(xué)科所關(guān)注的重點，目前學(xué)者對其的研究大多集中于水資源豐富的河湖海島等區(qū)域所發(fā)生的暴雨、洪澇、泥石流及海嘯等災(zāi)害。一個容易被人們忽略的情況是，在干旱與半干旱地區(qū)同樣面臨著洪澇的問題，并且這種問題帶來的結(jié)果更加嚴峻與復(fù)雜。

通過世界洪澇災(zāi)害多發(fā)地分布和世界干旱區(qū)域分布疊加可以發(fā)現(xiàn)干旱和半干旱地區(qū)也會發(fā)生洪澇災(zāi)害這一事實，這樣的區(qū)域包括中國北部、伊朗、埃及、阿根廷、南非、墨西哥、美國西部和澳大利亞南部等地(圖1)。我們發(fā)現(xiàn)在這些區(qū)域中干旱問題與雨洪問題常有著密切的關(guān)聯(lián)?？陀^因素層面，干旱與半干旱地區(qū)難以存貯水資源的地質(zhì)特征和不穩(wěn)定的氣象特征，導(dǎo)致當(dāng)?shù)卦谘雌谒馐艿亩虝r間高流量雨洪災(zāi)害更加嚴重，同時在非汛期的缺水狀況也異常嚴重[2]； 主觀因素層面，干旱與半干旱地區(qū)的人們對洪水風(fēng)險認知較低，城市規(guī)劃人員對于可能發(fā)生的嚴重洪澇災(zāi)害缺乏足夠的關(guān)注和應(yīng)對處理措施。對這樣的問題進行協(xié)調(diào)，與我們理解的彈性主題不謀而合。因此，我們認為有必要對干旱和半干旱地區(qū)的瞬時集中雨洪問題與長期干旱問題進行探討，探索雨洪與干旱之間的彈性調(diào)控策略，并通過符合當(dāng)?shù)匾?guī)劃實踐的方法來落實。

本次項目的選址為中國山西省大同市。筆者在之前曾參與過大同市古長城文化遺產(chǎn)廊道課題，大同市璀璨的歷史文化使我們深感陶醉，但同時當(dāng)?shù)赜蓸O端氣候帶來的嚴峻問題也讓我們印象深刻：數(shù)據(jù)顯示，自1999—2017年以來，大同市夏季日均最高氣溫整體呈上升趨勢，且年降水總量下降，極端干旱氣候愈加嚴重[3]；農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)作為大同鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的重要產(chǎn)業(yè)，其經(jīng)濟占有量呈逐年萎縮狀態(tài)，而工業(yè)和旅游業(yè)進展不大；與此同時，人口的老齡化占比逐年增加，具有勞動能力的青壯年愈加流失[4]。這樣的數(shù)據(jù)背后顯示著極端氣候與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)、業(yè)態(tài)、人口和文保的密切關(guān)聯(lián)及令人擔(dān)憂的前景：1)氣候惡化、干旱導(dǎo)致土壤退化，雨水災(zāi)害進一步加重了水土流失的情況，致使當(dāng)?shù)刂脖蝗笔?、環(huán)境惡化，干旱加劇，如若不采取治理措施將導(dǎo)致大同境內(nèi)生態(tài)嚴重惡化[5]；2)不加治理的雨水徑流對長城遺跡造成嚴重破壞，干旱的環(huán)境導(dǎo)致長城被風(fēng)蝕，若不對長城進行保護，其遺跡將難以維存，相關(guān)旅游業(yè)更無從開發(fā)[6]；3)在干旱的氣候下農(nóng)作物生長受限，且對于僅有的少量降雨資源沒有加以利用，若不加調(diào)整，最終將使耕地和草場荒廢，導(dǎo)致業(yè)態(tài)更加萎縮[7]；4)由于環(huán)境惡化和農(nóng)作物減產(chǎn)，以農(nóng)耕為主要生產(chǎn)方式的村鎮(zhèn)居民紛紛離開家鄉(xiāng)到外地工作，村內(nèi)留守大量老人和兒童，年輕勞動力的減少使家園難以發(fā)展[8](圖2)。可以看出，極端天氣導(dǎo)致的系列問題在當(dāng)?shù)匾呀?jīng)互相關(guān)聯(lián)形成惡性循環(huán)。

圖1 世界干旱區(qū)域分布與洪澇災(zāi)害多發(fā)地分布疊加

圖2 生態(tài)文保業(yè)態(tài)人口的憂患前景

3 場地分析

選擇了大同市陽高縣守口堡區(qū)域進行具體規(guī)劃設(shè)計。守口堡是古時蒙漢邊界的山口水路要塞鎮(zhèn)關(guān)口堡，所處區(qū)域為山西長城典型的山前區(qū)段，其空間格局、氣候環(huán)境、業(yè)態(tài)民生均具有典型意義[9](圖3)。

3.1 空間格局

場地空間結(jié)構(gòu)由山系、坡地、河道組成。在山系天際線之前存有隨山奔走的土夯明長城遺址，與山系開口交匯形成守口堡；河道與山系之間的坡地以農(nóng)耕經(jīng)濟用地為主，荒地和沖溝穿插遍布其中；毗鄰河道和城墻之下的區(qū)域則分布有大小不一的聚落，并沿溝谷與平原的方向蔓延生長(圖4)。

3.2 降水時間分布

基于大同市氣象數(shù)據(jù)，對2015—2017年當(dāng)?shù)亟邓闆r進行統(tǒng)計，可知場地降水的季節(jié)性分布相當(dāng)顯著，降水大多集中于7和8月，此2個月份的降水量約占到全年降水總量的60%，整個夏季的降水量遠超過當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件與基礎(chǔ)設(shè)施所能承載的程度，尤以2015年為甚；夏季以外的全年大多數(shù)時間里，場地降雨量明顯不足，居民的生產(chǎn)和生活用水難以得到保障，當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有院偷刭|(zhì)地貌特征也因缺水受到侵害，致使夏季的超量降水會造成更為嚴重的后果[3](圖5)。

3.3 徑流分析

通過無人機低空遙感獲取高精度場地高程信息模型，載入Grasshopper作為計算基礎(chǔ)，使用Landsat衛(wèi)星遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)為場地賦予地表信息，并載入大同市陽高縣氣象數(shù)據(jù)，對場地的徑流進行粗略模擬計算。計算顯示，在1—3、11和12月的極端干旱與干旱情況下，場地中僅有河道本身可以維持微弱的水系；在4—6、9和10月的正常情況下，少量徑流可匯集到河道之中，但其脫節(jié)于農(nóng)耕生產(chǎn)水網(wǎng)和聚落用水基礎(chǔ)設(shè)施，且對現(xiàn)有遺址、沖溝和荒地進行沖刷；在7和8月的洪澇情況下，大量徑流匯涌至河道，若干條徑流主干已將長城遺址沖出缺口，并繼續(xù)沖擊著遺址和土壤瘠薄地帶，超量的徑流在河道附近匯集形成水澇，對聚落的安全和農(nóng)耕經(jīng)濟用地的生產(chǎn)造成嚴重威脅(圖6)。

圖3 場地區(qū)位

圖4 地形與空間格局

圖5 降水時間分布

3.4 旱澇模式

對場地中發(fā)生的旱澇災(zāi)害進行總結(jié)，可將其分為極端干旱、雨水洪澇、局部暴雨3類情況。極端干旱表現(xiàn)為一年大多數(shù)時節(jié)里全域干旱少雨，導(dǎo)致土質(zhì)受損、農(nóng)田減產(chǎn)、生態(tài)退化，為雨洪的破壞埋下伏筆；雨水洪澇表現(xiàn)為夏季大面積降雨并殃及農(nóng)田與村鎮(zhèn)，導(dǎo)致水土流失、長城侵蝕、作物損毀，聚落受到安全威脅；局部暴雨表現(xiàn)為同一時間山區(qū)下暴雨、平原區(qū)干旱，導(dǎo)致山地水土流失現(xiàn)象愈加嚴重，平原處農(nóng)田聚落的干旱得不到緩解，寶貴的雨水沒有產(chǎn)生正面效益，反而加劇了災(zāi)害(圖7)。

4 策略與規(guī)劃

對近年來IFLA競賽作品進行總結(jié)分析，將其中涉及的雨洪災(zāi)害調(diào)控策略大體分為以下4類。1)設(shè)置人工構(gòu)筑觸發(fā)自然過程改變：例如使用多段弧形壩引導(dǎo)洪水流向從而影響泥沙沉積過程和蓄水過程；通過計算威脅因子設(shè)置適應(yīng)性墻體來干預(yù)引導(dǎo)自然滑坡過程；通過大壩的介入對潮汐和洪水進行調(diào)控。2)通過功能系統(tǒng)對雨洪進行適應(yīng)：例如使用水渠快速響應(yīng)系統(tǒng)在排水同時存儲雨水用以旱期使用；運用2種特殊地形的組合來適應(yīng)干旱和洪水；使用灌溉條帶實現(xiàn)旱季供水、雨季排洪；使用一系列漂浮技術(shù)設(shè)施使當(dāng)?shù)鼐幼?、生產(chǎn)、游憩與洪水和諧共處；通過一系列人工濕地單元將過剩雨洪收集凈化并導(dǎo)向地下含水層以備旱季使用。3)常澇兩態(tài)的循環(huán)利用：例如通過對不同等級洪水的區(qū)別處理使岸區(qū)在引導(dǎo)緩沖洪水的同時得到彈性利用；通過4類系統(tǒng)的周期輪作將洪水作為生態(tài)過程和人類活動的輪回動力。4)基于豎向關(guān)系的徑流處理系統(tǒng)：例如在礦坑坡面設(shè)置集水面、擋墻、滲水管和生態(tài)沖溝等系列設(shè)施來調(diào)控徑流；使用滯留池、生物洼地等水體單元組合成的雨洪控制體系對重力自流的溪水進行收集、過濾和回收；將坡面改造成為梯田濕地來防止山洪并減輕水土流失[10]。

4.1 整體策略

基于以上分析總結(jié)，本次方案設(shè)置了一套適應(yīng)降雨變化的彈性治水系統(tǒng)來協(xié)調(diào)旱澇。這套系統(tǒng)使用低技的方式，通過對空間形態(tài)的操作導(dǎo)入自然過程[11]，緩解雨洪和干旱的問題，同時將降雨過程與徑流體系導(dǎo)入?yún)^(qū)域的生產(chǎn)、生活和生態(tài)，改善當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)耕業(yè)與畜牧業(yè)狀況，優(yōu)化聚落的生活用水條件，恢復(fù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)狀況與地貌特征，保護古跡遺址不受侵蝕，并產(chǎn)生良性循環(huán)以維持長遠正面效益(圖8)。

這套彈性治水系統(tǒng)以一組徑流體系作為空間基礎(chǔ)，并以一組彈性技術(shù)設(shè)施作為適應(yīng)性機制。

4.2 徑流體系

圖6 徑流分析

圖7 旱澇模式

徑流體系是一組基于現(xiàn)狀徑流情況優(yōu)化改造而成的徑流點網(wǎng)，具有嚴謹?shù)纳舷掠侮P(guān)系，并與當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、生活、生態(tài)結(jié)合緊密(圖9)。體系由以下三部分功能組成。

4.2.1 引導(dǎo)

在徑流形成伊始的山系區(qū)域，首要考慮的是減少雨水沖刷造成的山地水土流失，并使徑流規(guī)避長城。通過彈性地形設(shè)施將徑流疏導(dǎo)進入現(xiàn)狀植被狀況較好的沖溝內(nèi)以減緩流速，并將這些沖溝作為專用水道，把徑流收歸于長城上現(xiàn)存的若干開口，防止其對遺跡進一步?jīng)_刷。

徑流通過長城之后繼續(xù)延現(xiàn)狀較好的沖溝中流動，將這些沖溝改造形成凈化通道，通過植物根系的吸附作用、微生物的反硝化作用、跌層的曝氣作用，使雨水從上游流至下游的過程中被愈加凈化，作為徑流體系的基礎(chǔ)水系[12]；在水系最上游將其部分引流進入規(guī)劃的田埂水道之中直接用作生產(chǎn)用水，形成生產(chǎn)水網(wǎng)，其余徑流將繼續(xù)流向下游，直至進入其他支流或最終匯入河道。

從基礎(chǔ)水系的上游分流一部分進入瘠薄區(qū)域，通過臺層的滯留和植被的配合形成生態(tài)水網(wǎng)。生態(tài)水網(wǎng)同基礎(chǔ)水系為串聯(lián)關(guān)系，且作為基礎(chǔ)水系上游的盡端支流而存在，因此經(jīng)過富營養(yǎng)化的生態(tài)用水不至回流污染基礎(chǔ)水網(wǎng)，保證了有限水資源的安全。

從基礎(chǔ)水系的下游分流一部分進入聚落區(qū)域，與現(xiàn)狀基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合作為生活水網(wǎng)。生活水網(wǎng)位于基礎(chǔ)水系的下游盡端，使雨水在凈化水道中得以充分凈化，為進入人工凈化設(shè)施做好準(zhǔn)備，同時保證生活水網(wǎng)與生態(tài)水網(wǎng)為并聯(lián)平行關(guān)系，2類用水互不干擾。

4.2.2 儲蓄

在長城以北的山地，首先需結(jié)合徑流路徑設(shè)置彈性集水地形，用以在徑流量超過臨界值時存儲雨水，減輕中下游蓄水壓力。

在中游坡地處的基礎(chǔ)水系上設(shè)置一級存水點，為生產(chǎn)用水和下游用水提供原生水源，其高程可保證對下游的重力輸送，也使其能根據(jù)上游的彈性集水地形對徑流不同的處理情況產(chǎn)生彈性聯(lián)動作用，以適應(yīng)不同降雨量的存儲，保證旱季有水，雨季不澇。

在下游的生態(tài)水系和生活水系上設(shè)置二級存水點，為生態(tài)和生活用水提供次生水源。

4.2.3 利用

水網(wǎng)和存水點收集的雨水可做以下使用：1)生產(chǎn)用水，將基礎(chǔ)水系分流進入規(guī)劃田埂水道和蓄水池用作農(nóng)耕畜牧用水；2)生態(tài)用水，將基礎(chǔ)水系分流至瘠薄地上游，通過設(shè)置臺層創(chuàng)造滯留雨水的濕生環(huán)境，并使用水網(wǎng)將濕生滯水區(qū)的富營養(yǎng)化水體引入瘠薄地內(nèi)，涵養(yǎng)水文循環(huán)的同時增補土壤有機質(zhì)，恢復(fù)區(qū)域生態(tài)物質(zhì)基礎(chǔ)；3)生活用水，在緊鄰聚落上游的基礎(chǔ)水系上設(shè)置蓄水與人工凈化裝置，并通過現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施將其引入聚落中形成生活水網(wǎng)。

4.3 古長城的保護

守口堡區(qū)域現(xiàn)存長城為黃土夯筑明長城，墩臺城墻遺跡斷續(xù)破損。查閱大同市長城學(xué)會提供的歷史資料并進行現(xiàn)狀調(diào)查與聚落走訪，得知水蝕、風(fēng)蝕和人為損毀為當(dāng)?shù)亻L城受損的主要原因，尤以水蝕為最。因此，確定了以下2種低干擾策略對長城進行保護：1)規(guī)避徑流侵蝕，即上文提及的對徑流進行減速及引導(dǎo)，使徑流收歸于特定水道并從現(xiàn)存開口通過長城；2)強化長城本體，使用自愈混凝土愈合原理對長城本體進行微修復(fù)，填補疏松的縫隙和瘡孔，強化土墻質(zhì)地，提升抗沖刷能力，在保護長城的同時維持遺跡原有風(fēng)貌。

5 彈性技術(shù)設(shè)施——從單體到系統(tǒng)

方案在架設(shè)完成的徑流體系之上添加彈性技術(shù)設(shè)施，通過個體單元對不同降雨量的彈性適應(yīng)利用來觸發(fā)區(qū)域徑流的彈性，從而進一步賦予整個治水系統(tǒng)對場地生產(chǎn)、生活、生態(tài)的彈性效應(yīng)(圖10)。

5.1 自觸發(fā)的蓄水開關(guān)——彈性集水地形設(shè)施的個體彈性機制

彈性集水地形位于長城以北徑流最上游的路徑上。彈性集水地形設(shè)施原型由一處凸起、一處凹陷蓄水區(qū)、一圈半圍合擋墻組成。

圖9 徑流體系

圖10 彈性技術(shù)設(shè)施

彈性集水地形設(shè)施的個體彈性機制如下：1)在小雨時，徑流流速及水位不足以漫過凸起地形與擋墻形成的蓄水區(qū)入口，徑流因此會減速后沿擋墻外側(cè)的水道流向下游；2)在暴雨時，徑流量超過特定臨界值后，徑流即會因較高的流速和水位得以漫過蓄水區(qū)入口，進入凹陷地形中被儲存起來；3)在雨后，存入凹陷蓄水區(qū)的水作為滲透塘并創(chuàng)造小型濕生環(huán)境，改善生物多樣性同時涵養(yǎng)水土。

5.2 自調(diào)節(jié)的旱澇系統(tǒng)——區(qū)域徑流設(shè)施的整體彈性機制

上游成組的彈性集水地形設(shè)施與中游一級存水點共同形成區(qū)域的整體彈性機制：1)在缺水的旱季，少量的雨水徑流無法進入上游彈性集水地形，而流向低處進入中游一級存水點，作為旱季寶貴的水資源為下游使用；2)在暴雨時節(jié)，上游徑流達到臨界值即可進入彈性集水地形內(nèi)部，從而緩解中游存水點的蓄水壓力，保護中下游免受洪澇災(zāi)害。徑流量臨界值的設(shè)定與中游存水點的承載能力須密切相關(guān)，原則上中游存水點在當(dāng)前雨量將面臨滿載的情況下，上游彈性集水地形才接受徑流的存儲；3)在雨后，中游存水點滯留的雨水被長期存儲，以備旱季時下游的生產(chǎn)生活生態(tài)使用，余量的雨水被截獲在上游存水地形中，用以涵養(yǎng)旱季山地區(qū)域的生境(圖11)。

5.3 自愈合的生長膠劑——古長城的低干擾微修復(fù)彈性機制

代爾夫特理工大學(xué)的微生物學(xué)家Hendrik Jonkers和混凝土技術(shù)專家Erik Schlangen在2010年開始對自愈混凝土進行研究與實驗，這種混凝土的自愈劑是一種遇水即可激活并產(chǎn)生石灰石的桿菌，石灰石可將混凝土的裂縫填補修復(fù)[13]。本次方案將該機制引入古長城遺址的保護中，旨在保護長城的同時維持遺址原有風(fēng)貌。為避免將桿菌和石灰石帶向下游，方案將桿菌通過小型裝置存儲于長城地下，并使用U形管將其同最近的彈性集水地形進行聯(lián)系。每當(dāng)大雨導(dǎo)致彈性集水地形中滯留雨水時，連通器效應(yīng)即可觸發(fā)桿菌的激活，并通過毛細現(xiàn)象由內(nèi)到外強化長城遺址。通過這樣的方式，長城保護機制與整套彈性治水系統(tǒng)融為一體，原本沖刷遺跡的徑流由此作為了保護長城的激活劑。

6 展望與結(jié)語

實現(xiàn)極端天氣問題的解決和當(dāng)?shù)匕l(fā)展的良性循環(huán)是一個從人工干預(yù)到自然演化的漫長過程，期望在實施規(guī)劃的5年后，彈性治水設(shè)施的建立使當(dāng)?shù)剞r(nóng)田和聚落面臨洪澇災(zāi)害時可進行一定的適應(yīng)，旱季用水緊俏的狀態(tài)開始緩解，水土流失不再加劇，現(xiàn)有植物群落退化減緩，人工建植的次生生境初步形成。20年后，水環(huán)境的改善使當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕生產(chǎn)土地得到優(yōu)化，種植業(yè)與畜牧業(yè)由此得以發(fā)展，外流人口開始回歸；同時植被群落與生物多樣性開始回升。50年后，水文循環(huán)的優(yōu)化使當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件與氣候特征趨向穩(wěn)定，水土流失與雨洪災(zāi)害不再頻發(fā)，次生植被向原生植被的演化使地質(zhì)與水文更加優(yōu)化，由此區(qū)域的發(fā)展進入良性循環(huán)，使聚落有序生長，產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟煥發(fā)，自然過程與人類活動交融互助(圖12)。

干旱與半干旱區(qū)域的瞬時雨洪調(diào)控涉及復(fù)雜的區(qū)域地表狀況、水文條件和生態(tài)過程，通過本次學(xué)生競賽提出了一種嘗試性的調(diào)控設(shè)想，但設(shè)計深度只能作為概念方案，其中的彈性技術(shù)設(shè)施也僅通過實際模型進行了粗略的物理實驗，未來還需基于嚴謹科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐、水文模擬計算與生態(tài)評價來進行更為深入的探討。

圖11 從個體到系統(tǒng)的彈性

圖12 展望