綠色基礎(chǔ)設(shè)施水文調(diào)節(jié)服務的供給機制及提升途徑

劉頌 諶諾君

城鎮(zhèn)化和工業(yè)化造成了城市下墊面不透水層面積的增加，破壞了自然系統(tǒng)的水循環(huán)，導致城市飽受洪澇災害、水體污染等困擾。綠色基礎(chǔ)設(shè)施（Green Infrastructure，以下簡稱GI）作為由綠道、濕地、雨水花園、林地等組成的各種開放空間和自然區(qū)域及其相互連接的網(wǎng)絡(luò)，被認為是控制雨水徑流、減少城市洪澇災害和保護水環(huán)境等水文調(diào)節(jié)服務的主要供給者而越來越受到重視[1-2]。

國內(nèi)外許多學者分別從環(huán)境、水文、地理、社會經(jīng)濟、規(guī)劃設(shè)計等各個領(lǐng)域?qū)G色基礎(chǔ)設(shè)施的水文調(diào)節(jié)服務水平提升進行了研究，筆者對國外1998—2018年期間發(fā)表的相關(guān)文獻進行了研究，發(fā)現(xiàn)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的水文調(diào)節(jié)服務供給是一個系統(tǒng)的過程，只有全面了解其作用機制、評估方法、影響因素，才能找到提高水文調(diào)節(jié)服務水平的系統(tǒng)化途徑。

1 GI水文調(diào)節(jié)服務作用機制示意圖Schematic diagram of GI hydrological regulation service mechanism

1 GI水文調(diào)節(jié)服務作用機制

根據(jù)“千年生態(tài)系統(tǒng)評估”（Millennium Ecosystem Assessment，簡稱MEA），水文調(diào)節(jié)服務包括水量調(diào)節(jié)和水質(zhì)調(diào)節(jié)2個方面，其核心思想都是通過可持續(xù)的自然手段解決城市雨洪及水污染問題，保護區(qū)域水循環(huán)過程，構(gòu)建良性的城市水文循環(huán)[3]。

在不同尺度下，GI發(fā)揮水文調(diào)節(jié)服務時的作用機制不盡相同，并表現(xiàn)為不同的形式[4]。其中，微觀層面的GI（如雨水花園、植草溝、生物滯留池、草洼地等）由于可實施性強，便于收集相關(guān)數(shù)據(jù)，是發(fā)揮水文調(diào)節(jié)服務效果最明顯的尺度[6]。因此大多數(shù)文獻從微觀層面入手，通過實例驗證或模型模擬，監(jiān)測GI作用之后水體發(fā)生的變化，并評估其生態(tài)與環(huán)境效益。

1.1 水量調(diào)節(jié)

綠色基礎(chǔ)設(shè)施對水量的調(diào)節(jié)主要體現(xiàn)在洪水控制、雨水儲蓄、水源涵養(yǎng)、地下水補給以及水體的循環(huán)利用等方面，可總結(jié)為“滲、滯、蓄、用、排”五大關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]（圖1）。其中，“滲”是通過改善下墊面結(jié)構(gòu)以滲透雨水的過程，如通過增加綠地面積等從源頭減少徑流，補充地下水?！皽笔峭ㄟ^具有較高地表粗糙度的GI如半自然草原、荒地、沼澤地、灌木叢、濕地、林地等減緩徑流流速[7]，從而延緩徑流聚集時間以及徑流峰值出現(xiàn)時間，為雨水爭取更多的滯留空間，有效抑制洪水形成?！靶睢眲t是通過如濕塘、下凹綠地、雨水濕地等實現(xiàn)雨水的自然積存，既可以在暴雨時期有效減少徑流量，又可以為干旱時期的水資源利用提供支持?！坝谩敝饕w現(xiàn)在雨水的循環(huán)利用方面，通過“蓄”積存下來的雨水經(jīng)GI凈化處理后用于景觀用水、農(nóng)業(yè)灌溉等。此外，“排”是指在滯留、儲蓄功能的GI達到飽和的情況下，將傳統(tǒng)的灰色基礎(chǔ)設(shè)施與河道水系或天然濕地結(jié)合起來，形成雨水的排放通道。以上5個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是相互聯(lián)系，相輔相成的，實踐中并不是通過單一的GI發(fā)揮某一作用，而是通過多種GI組合發(fā)揮全面的水量調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)水文的良性循環(huán)[8]。

1.2 水質(zhì)調(diào)節(jié)

綠色基礎(chǔ)設(shè)施對水質(zhì)的調(diào)節(jié)主要表現(xiàn)為水體凈化功能。水體中的污染物主要包括固體污染物、重金屬、可降解有機質(zhì)、有機微量污染物、病原微生物以及營養(yǎng)物質(zhì)六類（表1）。GI主要通過物理過程（沉降、過濾、揮發(fā)等）、化學過程（吸附、絮凝、沉淀、光解等）以及生物過程（植物和藻類攝取等）3種方式發(fā)揮水質(zhì)調(diào)節(jié)作用[9]。物理過程諸如過濾和沉降臨時存儲與顆粒物結(jié)合的金屬等過程[10]，化學過程諸如反硝化除去硝酸鹽等過程[11]，生物過程諸如利用微生物吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)等。以上3種過程又可分為兩類水質(zhì)凈化機制：一類是直接去除，包括沉降、吸附到基質(zhì)、微生物降解、過濾、植物吸收以及揮發(fā)等過程；另一類是間接去除，例如沉淀、吸附到懸浮固體等過程。而間接去除通常發(fā)生在沉降或過濾之前，有助于污染物的徹底凈化。

對于同一地點，不同的降雨事件中某一特定的污染物濃度會存在很大的差異，例如在干旱時期，雨水污染物濃度可能會增加，對處理設(shè)施和受水體造成影響[12]。對于同一降水事件，污染物的濃度在不同時間也會表現(xiàn)出明顯的差異，通常在暴雨事件的初期，雨水中的污染物濃度最高[13]。有學者研究發(fā)現(xiàn)，臺風前6～8mm的雨水中的污染物含量占工業(yè)園區(qū)總污染負荷的60%以上[14]。因此，GI設(shè)計需以多年的統(tǒng)計信息為依據(jù)。

許多學者通過實驗監(jiān)測發(fā)現(xiàn)了不同GI的水質(zhì)凈化能力。如Davis[15]研究發(fā)現(xiàn)雨水花園對總磷和凱氏氮的去除率較高，但對硝酸氮的去除率較低。Barkdoll等[16]則發(fā)現(xiàn)，植草溝渠可通過曲折的流動路徑有效去除雨水中的懸浮固體和其他污染物。Barrett等[17]通過研究說明，植草溝凈化重金屬、固體污染物以及可降解有機質(zhì)等污染物的能力非常強，尤其是在具有一定坡度時。

2 GI水文調(diào)節(jié)服務評估方法

對于綠色基礎(chǔ)設(shè)施的績效評估有助于GI類型的選擇，尤其是在不清楚某一類GI具體能發(fā)揮多大的水文調(diào)節(jié)服務功能時，可通過模型模擬的方法進行評估，并通過各種GI組合模擬情景分析的方式得出最佳的組合類型，從而提升GI水文調(diào)節(jié)服務功能。評估的關(guān)鍵是評估指標和評估方法的選擇。

2.1 常用的評估指標

2.1.1 水量調(diào)節(jié)評估指標

在發(fā)揮水量調(diào)節(jié)作用時，主要的評估指標包括徑流量、年徑流總量、峰值流量、徑流比、峰值時間、暴雨持續(xù)時間、基流量、地下水補給量、地下水位變化以及蒸散量，等等。Jefferson等[18]通過對100項實例和模型中GI的水文指標總結(jié)發(fā)現(xiàn)，徑流量和峰值流量是常見的指標，而基流、地下水位變化和蒸散量則相對較少受到關(guān)注（表2）。氣象水文條件、土地利用類型、地形地貌以及GI規(guī)模和類型等因素都會對水量調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響，進而決定了指標的選取。

表1 水體中常見污染物種類及凈化方法Tab.1 Types of common pollutants in water bodies and purification methods

表2 對100項實例和模型中GI的水文指標總結(jié)Tab.2 Summary of hydrological indicators of GI in 100 examples and models

2.1.2 水質(zhì)調(diào)節(jié)評估指標

在發(fā)揮水質(zhì)調(diào)節(jié)作用時，主要評估指標則為對各類污染物的去除程度。常見的指標有營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬、病原體和其他污染物等單位面積的濃度，但因區(qū)域不同，重點指標也不同。如在美國，營養(yǎng)物質(zhì)和固體污染物的輸出濃度一直是水質(zhì)的主要關(guān)注焦點，如TSS去除率、TP去除率和TN去除率等；而在歐洲和澳大利亞，金屬尤其是那些與沉積物有關(guān)的金屬受到了更多的關(guān)注，如Cu、Pb以及Zn等濃度的減少率[18]。

2.2 基于模型模擬的評估方法

在對水文調(diào)節(jié)服務評估的過程中發(fā)現(xiàn)，綠色基礎(chǔ)設(shè)施并不像預期那樣能在短期內(nèi)取得明顯作用。因此，在實際研究中，常常使用模型模擬的方法評估GI的水文調(diào)節(jié)服務功能，以尋求不同尺度與情境下最優(yōu)的GI規(guī)劃方案。表3列舉了GI水文調(diào)節(jié)服務評估常用模型。

可以看出，常用的水量調(diào)節(jié)模型有SWMM、HEC-HMS、CNT、LIDRA 等，MUSIC、MOUSE主要用于水質(zhì)調(diào)節(jié)作用的評估，PCSWMM、L-THIA-LID、SUSTAIN、P8等模型則兼具評估水量調(diào)節(jié)和水質(zhì)調(diào)節(jié)兩種功能（表3）。其中，SWMM是水資源專業(yè)人員和研究人員中最受歡迎的模型之一，相比于其他模型可以應用于更多的尺度，包括GI的詳細設(shè)計；MUSIC模型也由于支持各種GI實踐并適用于多種尺度范圍而受到研究人員的青睞。從整體研究趨勢來看，由于用于校準模型的水質(zhì)數(shù)據(jù)少于水量數(shù)據(jù)，水質(zhì)調(diào)節(jié)的評估相較于水量調(diào)節(jié)的評估更加困難[19]。在之后的研究中，可以通過實驗或多設(shè)水質(zhì)監(jiān)測點以獲取更多水質(zhì)調(diào)節(jié)的相關(guān)數(shù)據(jù)，完善水質(zhì)調(diào)節(jié)作用的評估體系。

3 GI水文調(diào)節(jié)服務影響因素

綠色基礎(chǔ)設(shè)施水文調(diào)節(jié)服務水平的高低受眾多因素制約，主要包括3個方面：GI自身限制因素，地域特征因素以及社會、經(jīng)濟與政策因素。

3.1 GI自身限制因素

GI的自身特點如規(guī)模、布局、坡度以及連通性等都可能限制水文調(diào)節(jié)作用的發(fā)揮。Hunt等[20]通過研究發(fā)現(xiàn)，生物滯留池能有效減少小于40mm的降水事件中的徑流量，但對于較大的降雨事件中徑流控制的作用有限。 Freni等[21]的案例研究表明，以儲蓄為主要功能的GI集中式分布更有利于減少污染物濃度，以下滲為主要功能的GI則在分散式排列時能更好地發(fā)揮水文調(diào)節(jié)服務。Ghavasieh等[22]通過模擬發(fā)現(xiàn)，在粗糙程度一致的情況下，GI的坡度較大，減少徑流量的效果越差。張彪等[23]則在研究中證實，流域內(nèi)GI網(wǎng)絡(luò)的連通性會影響其控制徑流的能力，連通性越低，減少徑流量越少。

表3 GI水文調(diào)節(jié)服務評估常用模型Tab.3 Common model of GI hydrological regulation service evaluation

此外，GI在發(fā)揮某一水文調(diào)節(jié)服務功能時，可能會影響其他水文調(diào)節(jié)服務功能的發(fā)揮。例如，濕地和滯留池等GI可以有效減少雨水徑流的有機污染物負荷，但它們可能在高流量期間釋放腸道生物，特別是在夏季暴雨時期[24]。另外，Tsavdaris等[25]的研究也表明，滯留池中的植被有凈化水質(zhì)的作用，但會增加湍流，影響其水量調(diào)節(jié)。

3.2 地域特征因素

每個地區(qū)都有相應的地域特征，包括氣候氣象、水文狀況、土壤和土地利用狀況、地形地貌狀況以及適宜的植被類型等等，這些地域特征都會制約和影響水文調(diào)節(jié)服務功能。

1）氣候氣象與水文因素。由氣候變化引起的極端降水不僅會造成水量問題（尤其是城市洪水），而且還會使雨水未經(jīng)處理就排入下游水體，影響水質(zhì)。水文狀況主要對水量產(chǎn)生影響，也會因此影響水質(zhì)。Cobbina[26]等認為氣候變化可能會導致許多GI的有效性降低甚至變得無效。Brezonik和Stadelmann[27]通過多元回歸分析發(fā)現(xiàn)，對污染物濃度影響最大的變量是降雨量、降雨強度以及流域面積。Qin等[28]用SWMM模型模擬了中國深圳城市化集水區(qū)GI的降雨效應，發(fā)現(xiàn)降雨量、持續(xù)時間和峰值比都會影響草洼地等GI的水文調(diào)節(jié)服務性能。

2）土壤和土地利用要素。土壤的理化性質(zhì)會影響雨水的下滲速率以及污染物的去除效率。Xiao等[29]通過模擬發(fā)現(xiàn)土壤的物理性質(zhì)和有效深度對滲透和地表徑流過程有顯著的影響。此外，土壤的類型和厚度會影響其下滲速率，進而影響其對徑流量和污染物的去除[30]。一般來說，黏土的滲透性最差，而砂土的滲透性最強[31]。土地利用類型則主要影響水質(zhì)，也會影響水量。Arabi等[34]的研究說明，農(nóng)業(yè)用地由于存在施用肥料，燃燒桔梗等情況，會對水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。Meierdiercks等[33]則發(fā)現(xiàn)，在美國馬里蘭州巴爾的摩市，一個高密度GI實施的流域相比于一個低密度GI實施的城市流域，年徑流量較低；但相比于森林流域，年徑流量較高。

3）地形要素。地形也會影響GI的選擇，進而對水文調(diào)節(jié)服務產(chǎn)生一定影響。Binstock[34]認為地形將影響應該實施的GI類型，平坦的地區(qū)可能不得不更多地依賴滯留功能強的GI。Trinkaus[35]通過實驗發(fā)現(xiàn)生物滯留系統(tǒng)在由潮汐沼澤組成的平坦地形中能更好地發(fā)揮防洪減災的作用。

4）植被類型。在降雨到達地面之前，植物會對雨水進行第一次攔截，滯留部分雨水，植被類型的差異是其冠層攔截率的關(guān)鍵因素，進而影響徑流量[36]。有研究發(fā)現(xiàn)，闊葉林和針葉林對水量的調(diào)節(jié)作用不同，闊葉林約可截流降水量的71%～82%，而針葉林對總降水量的截流可達55%～82%[37]。

3.3 社會、經(jīng)濟與政策因素

1）社會參與因素。當采用分散的源頭控制方法進行水文調(diào)節(jié)時，公眾的參與度顯得尤為重要。Montalto等[38]認為利益相關(guān)者參與可能會成為GI實施的制約因素。一方面，公眾并沒有充分注意到雨水的污染問題，甚至認為雨水是“干凈”的[39]，沒有必要對其進行處理。另一方面，人們已經(jīng)習慣了傳統(tǒng)的雨水管理控制措施比如排水溝和管道排水，如果布置新的GI，他們可能會面臨地下室被淹沒或者地下的一些工程性結(jié)構(gòu)被破壞的風險[40]。

2）經(jīng)濟因素。實施GI需要經(jīng)濟投入，不僅包括土地征用、建設(shè)、運營、維護和監(jiān)測費用，還有些費用容易被忽視，比如GI的維護與員工的技術(shù)培訓費用[41]。所以在決策過程的早期階段，GI的實施成本對于發(fā)展中國家來說尤為重要。

3）管理政策因素。相對獨立的GI單元與城市行政管理邊界往往存在矛盾，尤其是在宏觀尺度上，GI一般表現(xiàn)為跨行政區(qū)域的綠地空間組成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。但是地方政府的管理范圍是有局限的，這就會影響區(qū)域GI的完整性與連續(xù)性，從而影響水文調(diào)節(jié)服務的發(fā)揮。Roy等[42]通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)在許多流域內(nèi)分配水資源管理的責任和權(quán)力方面存在問題。Lloyd等[43]調(diào)查了專業(yè)人士在實施GI的阻礙排序，結(jié)果顯示，缺乏有效的監(jiān)管和經(jīng)營環(huán)境占76%，機構(gòu)職責分散占67%。

政策法規(guī)既對GI實施方案的選擇與過程進行約束，又為GI順利實施提供保障，并鼓勵GI的實施，驅(qū)動GI更好的發(fā)揮水文調(diào)節(jié)服務。美國、德國和日本是較早頒布相關(guān)法規(guī)的國家，為了增加雨水管理措施的使用，繼美國開始實施《清潔水法》（Clean Water Act，1948年制定，1972年正式頒布）后，德國的《聯(lián)邦水法》（ Federal Water Act，1957年），日本的“雨水貯留滲透計劃”（1980年）相繼面世，它們的實施對水文管理提出了更高的要求，提高了各利益相關(guān)方參與水文管理的積極性，同時也加強了社會對水文管理的認識。此外，新加坡于2006年啟動了ABC水計劃，中國提出了“海綿城市”建設(shè)指南（表4）。

4 提升GI水文調(diào)節(jié)服務的啟示

通過深入剖析綠色基礎(chǔ)設(shè)施的水文調(diào)節(jié)服務供給的作用機制、評估方法和影響因素，為在規(guī)劃實施管理全過程提升綠色基礎(chǔ)設(shè)施的水文調(diào)節(jié)服務水平提供了全息視角，由此可以得到以下啟示。

1）因地制宜，合理選擇GI。GI的類型與規(guī)模、單體或組合等應建立在場地或區(qū)域?qū)λ恼{(diào)節(jié)服務需求的客觀判斷、結(jié)合尺度特征和自然條件的分析，也要考慮經(jīng)濟投入的可行性。

表4 國內(nèi)外GI水文調(diào)節(jié)相關(guān)政策法規(guī)Tab.4 Domestic and foreign GI hydrological regulation related policies and regulations

2）精準模擬，多方案比選。選擇或建立適宜的GI水文調(diào)節(jié)效益評估模型，通過參數(shù)化調(diào)整，實現(xiàn)多情景分析，多方案比選，以提高方案實施的可能性和可靠性。而對既有GI的水文調(diào)節(jié)水平進行監(jiān)測，建立數(shù)據(jù)庫是對模型校正的前提。

3）加強公眾參與，全過程政策保障。通過公眾參與讓公民認識到水文調(diào)節(jié)服務對生態(tài)、人類健康和生活質(zhì)量的長期影響，將分散式的雨水管理作為自覺的行動。而在GI的規(guī)劃設(shè)計、施工管理、后期維護全過程中，制定相關(guān)政策作為GI發(fā)展的指南，保障實施的法規(guī)條例、鼓勵機制等是GI發(fā)揮其水文調(diào)節(jié)服務的保障。

注釋：

圖1由作者自繪，表1由作者根據(jù)參考文獻[9]整理；表2由作者根據(jù)參考文獻[18]整理；表3、4由作者整理。