城市綠地類型差異及其海綿城市建設技術途徑

朱 義 時珍寶

城市綠地作為重要綠色基礎設施，在改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、減輕城市熱島效應、調(diào)節(jié)城市生態(tài)平衡等方面具有重要的生態(tài)功能，“滲、滯、蓄、凈”等海綿功能提升應與城市綠地類型的主導功能相協(xié)調(diào)。本文基于城市最小匯水單位的城市綠地類型“滲、滯、蓄、凈”等功能差異，通過分析國家統(tǒng)計局關于城市化、綠地、污水、排水等海綿城市近15年相關數(shù)據(jù)，結合國外發(fā)達城市在低影響開發(fā)技術領域研究和實踐，提出將城市綠地劃分為兩大類并實施分類海綿城市功能提升的徑流系統(tǒng)管控策略。

城市綠地類型；海綿城市建設；低影響開發(fā)；適宜性技術篩選；雨洪源頭控制

1.上海浦東金海濕地景觀

城市化作為近百年來全球重大事件之一，城市作為全球人口聚焦的主要區(qū)域，根據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟和社會事務部（UN DESA）公布的《2018年世界城市化趨勢》報告表明：目前世界55%的人口居住在城市，預計到2050年全球城市化率達到68%。中國是近30年來城市化率增長最快的區(qū)域，從1992年小城鎮(zhèn)發(fā)展理念提出以來，城市化率每年提高1.19%，2012年城鎮(zhèn)人口達到7.1億；截至2019年底，中國城市常住人口8.48億，城市化率達到60.6%，預計2020～2035年中國城鎮(zhèn)化率的平均增長率約為1%。新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略確立了強化發(fā)展城市群、都市圈和核心城市建設，發(fā)揮中心城市聚集效應及其對周邊的輻射影響力。城市化伴隨的生態(tài)環(huán)境負面效應日益受到關注，特別是水文和水質(zhì)對人居環(huán)境影響尤為突出[1-4]。由于硬質(zhì)下墊面增加，其地表產(chǎn)匯流效應與非硬質(zhì)化區(qū)域存在較大差異：一是地表徑流水文方面。研究表明當?shù)乇碛操|(zhì)化率超過30%（植被覆蓋區(qū)低于70%）是水文情勢發(fā)生突變的重要值，暴雨徑流產(chǎn)匯流量急劇增長導致雨洪內(nèi)澇成為重要威脅；二是地表徑流沖刷攜帶非點源污染方面。人口聚集的城市區(qū)域是污染物排放高負荷區(qū)，水污染防治建設和管理滯后造成非點源污染問題，嚴重影響城市水域人居環(huán)境；三是城市水域及其濱水生態(tài)空間面積縮減與破碎化方面。水域和綠林地等藍綠生態(tài)空間是維持城市生態(tài)系統(tǒng)彈性的重要自然資源，城市化造成建成區(qū)的水面率和植被覆蓋率面積總量降低、空間分布破碎化，進一步加劇了城市局部區(qū)域地表徑流導致的水文和水質(zhì)問題[5-6]。

城市綠地是城市自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、減輕城市熱島效應、調(diào)節(jié)城市生態(tài)平衡等方面具有重要的生態(tài)功能（圖1），城市濕地作為典型的“土壤—植被—水域”自然海綿體[7-10]，具有符合海綿城市建設要求 “滲、滯、蓄、凈、用、排”六字方針的前四個功能。近幾年來各地在開展海綿城市試點中積累了較多實踐經(jīng)驗，也存在一些違背海綿城市建設“源頭削減”提高海綿體初衷的問題，比如將城市綠地原有植被破壞，以“末端處理”思維開挖調(diào)蓄塘，大幅降低了綠地主導功能，也難以實質(zhì)性承擔起緩解內(nèi)澇的功能。本文在回顧海綿城市的核心技術體系——低影響開發(fā)技術基礎上，根據(jù)城市綠地的不同類型進行海綿城市建設的“滲、滯、蓄、凈”等功能分析，開展不同低影響開發(fā)技術的適宜性選擇研究，為實踐中提供相關依據(jù)和參考。

1 海綿城市低影響開發(fā)技術研究和實踐進展

城市排水管網(wǎng)作為維持城市安全的重要環(huán)境基礎設施，建設滯后性、高成本以及在非點源污染防治方面的技術失靈性，促使1980年代發(fā)達國家陸續(xù)開展城市可持續(xù)性雨水管理研究和實踐，其核心思維轉變是“集中收集—快速排水—末端處理”向“源頭削減—增加滯滲—分散處理”，主要采取增加濕地、蓄水池、土壤滲透和植被緩沖帶等技術措施，分散式切斷或延滯暴雨徑流的連續(xù)水利連通性，在源頭上達到雨水徑流產(chǎn)匯流和污染排放負荷接近開發(fā)前特征[11-14]，由此可見將開發(fā)場地硬質(zhì)化率提升產(chǎn)生的暴雨徑流問題，匯流排放到城市綠地解決依然是“末端處置解決問題”的思維，違背了海綿城市建設自然海綿體的基本初衷。

海綿城市是新一代城市雨洪管理的概念，是指城市能夠像海綿一樣，在適應環(huán)境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的彈性，也可稱之為“水彈性城市”。城市雨洪管理的實踐需求基礎是城市化造成的暴雨徑流及其非點源污染問題，美國環(huán)保署（EPA）在2000年的國會報告中指出：在11類主要污染途徑中，城市雨水徑流污染對河流水體污染中列第4位，湖泊污染中列第3位，河口地區(qū)污染中列第2位。以美國馬里蘭州為代表的城市群地區(qū)，在城市降水徑流非點源污染控制的技術與管理體系，即最佳管理措施（Best Management Practices,BMPs）基礎上，1999年研究和應用低影響發(fā)展（Low Impact Development, LID）技術，強調(diào)將城市雨水管理與植物、土壤和水體等自然景觀相結合，強調(diào)場地尺度的自然水文循環(huán)恢復和重建，實現(xiàn)開發(fā)場地雨水徑流和污染負荷的“零增長”[15]。LID技術主要包括透水鋪裝、屋頂綠化、生物滯留設施（包括雨水花園、生物滯留帶、高位花壇、生態(tài)樹池等）、植草溝、土壤滲濾設施、初期雨水棄流設施、下凹式綠地、雨水濕地、蓄水池等。上述LID技術的選擇和集成組合的基礎是根據(jù)典型降雨事件的場地徑流產(chǎn)匯流特征及其“產(chǎn)流—遷移—匯流”暴雨徑流鏈，進行開發(fā)前后的土地利用類型下墊面產(chǎn)流特征值（Curve Number, CN）和場地產(chǎn)流曲線擬合，達到控制場地開發(fā)前后暴雨徑流的水文和水質(zhì)負面效應最大化降低。

2 中國近15年城市綠地與污水處理系統(tǒng)建設情況

海綿城市建設涉及排水相關的較多部門，是防洪排澇、污染治理、園林綠化相互協(xié)調(diào)的綜合性事務，在技術性管控方面存在共同點和相互沖突點，中國城市化進入大規(guī)模發(fā)展時期是從2002年小城鎮(zhèn)戰(zhàn)略提出以后，從2004～2018年國家統(tǒng)計局公布的城市化率、建成區(qū)綠化覆蓋率、城市建設用地、城市綠地面積、污水日處理能力、城市排水管道長度等指標分析（圖2），結果表明：城市化率和城市建設用地分別從41.76%、30 781.28 km2提升到59.58%、56 075.9 km2；而城市綠化覆蓋率和城市綠地面積則分別從35.1%（2006年）、13 219 km2，提高到41.1%和30 471 km2。說明近15年中國城市綠化事業(yè)隨著城市化得到快速發(fā)展，但是與國外城市綠化覆蓋率進行比較依然存在較大差距，城市開發(fā)過程中非綠化覆蓋率比例處在較高數(shù)值，將使城市暴雨徑流在水文和水質(zhì)方面負荷較重，從城市污水日處理量和城市排水管道兩項指標分析可反映該情況：2004年污水日處理量為7 384 萬m3，排水管道長度21.9 萬km2，至2018年兩項數(shù)值分別為17 145 萬m3和68.3 萬km2，增長率分別為2.32和3.12。

2.中國2004-2018城市化與綠地面積、污水日處理能力、排水管道長度等數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況

3.城市綠地類型及其海綿城市建設技術篩選與集成

綜合上述城市化、綠化、污水、排水等數(shù)據(jù)進行暴雨徑流相關分析，說明近15年城市化快速發(fā)展在城市基礎設施投入方面（包括綠化、污水、排水）取得較大增長，僅從規(guī)?？偭繑?shù)據(jù)方面與國外發(fā)達城市比較：一是城市化發(fā)展水平依然處在較快增長率階段，城市基礎設施配套投入存在差距；二是城市綠化與污水、排水等城市基礎設施投入相比較，雖然取得較快發(fā)展，但是增長率遠低于其他兩項城市基礎設施；三是城市化中建設用地占比處在較高水平，非綠化覆蓋的面積比例在城市開發(fā)中依然處在較高數(shù)值，城市排水管網(wǎng)建設雖然增長率最高，但依然難以滿足城市地表徑流帶來的排水負荷。近年來頻頻發(fā)生的城市內(nèi)澇事件更證實了海綿城市建設需要從提高城市綠化覆蓋率和開發(fā)地塊徑流系數(shù)控制兩個方面，加強城市綠地在水文和非點源污染控制的功能提升。

3 基于城市綠地類型的海綿城市建設重點分析及其引導

徑流系數(shù)是估算降雨徑流量的基礎水文要素，也是研究城市地面積水和降雨非點源污染形成機制的基礎。SCS-CN（Soil Conservation Service Curve Number）水文模式是20世紀50年代初美國水土保持局構建的估算降雨徑流的統(tǒng)計經(jīng)驗模型，綜合考慮了匯水區(qū)降雨、土壤類型、土地利用方式及管理水平、前期土壤濕潤狀況（AMC類型）與徑流間的關系，其中CN值是反應降雨前匯水區(qū)特征的重要參數(shù)，是低影響開發(fā)技術應用的重要基礎[16-17]。海綿城市建設的尺度應在片區(qū)和地塊尺度上對徑流系數(shù)進行管控，分別在開發(fā)區(qū)域的總體規(guī)劃和控制性詳細規(guī)劃予以明確。城市區(qū)域的匯水路徑網(wǎng)絡具有自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)共同疊加組成的特征，城市建成區(qū)突出表現(xiàn)為河網(wǎng)水系和排水管網(wǎng)疊加形成了匯水區(qū)，對其邊界劃分不僅僅依賴于高程數(shù)據(jù)，還與排水管網(wǎng)、出水口、雨水收集口的位置有關。城市最小匯水區(qū)單元應涵蓋多級排水管網(wǎng)和自然河網(wǎng)，具體面積劃分單元與水利控制片的最小子單元相銜接比較便于實際管理應用。海綿建設規(guī)劃在城市總體規(guī)劃層面應結合水利控制片的現(xiàn)狀，制定區(qū)域徑流控制功能區(qū)，劃分最小匯水區(qū)單元，在控制性詳細規(guī)劃中應明確不同類型匯水區(qū)的綜合徑流系數(shù)，分解形成地塊尺度的徑流控制指標體系。

城市綠地類型主要分為公園綠地、防護綠地、廣場綠地、附屬綠地和區(qū)域綠地5大類，根據(jù)低影響開發(fā)的源頭削減核心策略，不同城市綠地類型在海綿城市建設中的提升重點存在差異（表1），根據(jù)城市綠地類型的硬質(zhì)化率比例等級，可實施2類海綿城市低影響開發(fā)技術建設引導（圖3）：

（1）城市綠地類型中硬質(zhì)化比例較高的主要是附屬綠地、廣場綠地和防護綠地3大類，硬質(zhì)化比例達到65%以上。對此，海綿城市建設低影響開發(fā)技術的引導策略主要是：將各種低影響開發(fā)設施按照“源—遷移—匯”的功能需求進行設施單元組合，達到海綿城市地塊管理的綜合徑流系數(shù)和水質(zhì)控制指標。在建設用地及附屬綠地內(nèi)主要通過綠色屋頂、透水鋪裝、雨水收集罐、生物滯留池（雨水花園）、植草溝、滲管/井/渠、地下蓄水罐和池塘水景進行場地分散式暴雨徑流“處理鏈”組合；針對條線狀的道路附屬綠地，其直接面對城市非點源污染負荷最嚴重的用地類型，一般采用分段式初期雨水棄流設施、生物滯留池、植草溝、滲管/井/渠和植被緩沖帶等組成帶狀城市暴雨徑流“處理鏈”。

表1 城市綠地類型的主導功能及其海綿城市建設引導分析

4.上海世博后灘濕地公園植物冠層設計

（2）公園綠地和區(qū)域綠地。公共開放空間綠地，除了與硬質(zhì)廣場連接的綠地空間采用上述暴雨徑流“處理鏈”組合外，更重要的是發(fā)揮植物冠層攔截、植被蒸騰、綠地土壤下滲和濱水區(qū)綠地對徑流水質(zhì)的防護緩沖功能（圖4）。在確保城市生態(tài)空間面積的基礎上，加強城市生態(tài)空間豎向結構對海綿城市功能的提升途徑。針對城市森林應重點加強人工林復層植被群落的營建和撫育，增強城市森林水文調(diào)節(jié)（特別是植被冠層降雨截留）功能；在城市園林綠地的植物配置中應大力推廣喬、灌木比例，控制草坪占地比例。加強城市濕地在海綿城市建設中控制徑流量和改善水質(zhì)方面的重要功能，尤其強化水位變幅區(qū)和小微濕地資源的保護利用。

（3）增強土壤下滲功能及其排水管網(wǎng)的水力連通。土壤作為城市生態(tài)空間的載體和基石，在調(diào)節(jié)城市徑流方面具有重要作用，促進城市綠地土壤下滲是海綿城市建設的重要內(nèi)容，目前海綿城市普遍采用下凹式綠地技術模式，但在一些平原河網(wǎng)地區(qū)存在地下水位較高和城市土壤結構緊實兩個關鍵限制性條件，城市土壤下滲補充地下水、增加土壤水庫功能的數(shù)值潛力分析表明：在降雨量較大地域的土壤含水率較大，土壤持水能力已經(jīng)接近飽和，增強土壤水源的蓄水庫容量很小，關鍵在于土壤層厚度、土壤結構和底部滲透排水是否通暢，將土壤滲濾“慢排”系統(tǒng)與城市排水管網(wǎng)“快排”系統(tǒng)有機結合，必須警惕單一強調(diào)增加土壤下滲功能，忽視綠化植物生長也需要透氣透水的基本生境需求。

4 結論

綜上所述，本文通過對海綿城市低影響開發(fā)技術的研究和實踐進展進行回顧，明確了在城市可持續(xù)雨洪管理建設方面的核心：“集中收集—快速排水—末端處理”向“源頭削減—增加滯滲—分散處理”轉變，強調(diào)的是在片區(qū)總體規(guī)劃和控制性詳細規(guī)劃方面實施徑流系數(shù)管控，應重點強化城市開發(fā)場地自身的源頭削減能力提升，而不是在城市綠地甚至公共綠地上，延續(xù)“末端處理”徑流消納建設管理方式。

通過分析近15年中國城市化、綠地、污水和排水等海綿城市相關環(huán)境基礎設施的國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，與國外發(fā)達城市的相關環(huán)境基礎設施進行現(xiàn)階段和未來發(fā)展分析，前一階段中國城市化發(fā)展存在非綠化覆蓋的面積比例在城市開發(fā)中依然處在較高數(shù)值，傳統(tǒng)城市排水管網(wǎng)建設難以滿足未來城市地表徑流排水負荷需求，在海綿城市建設的綠化覆蓋率及其水文和非點源污染控制的提升。

根據(jù)城市匯水區(qū)產(chǎn)匯流是自然匯流和人工管網(wǎng)疊加形成的特征，基于最小匯水基本單元的城市綠地類型的功能定位差異，分析了海綿城市建設的重點及其管控引導。一是針對附屬綠地、廣場綠地和防護綠地等3大類硬質(zhì)化率較高的城市綠地，根據(jù)硬質(zhì)地面產(chǎn)流進行條帶狀或塊面狀技術組合，主要通過綠色屋頂、透水鋪裝、雨水收集罐、生物滯留池（雨水花園）、植草溝、滲管/井/渠、地下蓄水罐和池塘水景進行場地分散式暴雨徑流“處理鏈”組合；二是公園綠地和區(qū)域綠地等2大類綠化率較高的城市綠地，重點是植被冠層垂直攔截降雨徑流、綠地微地形滯留景觀單元、喬灌草比例和城市濕地等海綿城市功能提升；三是土壤滲濾功能提升應強化“慢濾”系統(tǒng)和城市排水管網(wǎng)“快排”系統(tǒng)之間的結合，在土壤持水潛力較低、年降雨量較大地域，單一強調(diào)提高土壤水庫和滲濾能力，忽視樹木根際區(qū)排水透水透氣需求，是現(xiàn)階段海綿城市建設忽視的問題。