基于多層級水環(huán)境適應性的綠色城市設計探索
——以杭州湘湖地區(qū)為例

章 飆

楊俊宴*

吳義鋒

馮雅茹

綠色城市設計作為城市設計范型之一[1]，重點強調地形地貌、氣候特征、藍綠基礎設施、物理環(huán)境、動植物群落等要素[2-3]在城市設計中所扮演的角色，進而謀求人工環(huán)境與自然環(huán)境相和諧的城市整體空間。水體作為城市中最常見的生態(tài)要素，在城市發(fā)展中發(fā)揮著多元而重要的作用，是城市發(fā)展的生命線，是城市最佳的降溫媒介[4]。城市濱湖地區(qū)的發(fā)展一直是人們重點關注的方向，尤其是面對生態(tài)敏感性較高地區(qū)的開發(fā)，通常易走入2個極端：一是強調過度保護，二是強調過度開發(fā)。保護與利用并非對立的兩面，有時在完善的保護框架下對山水資源進行適度開發(fā)利用，反而能夠更加積極、主動地完成保護與發(fā)展的既定目標。

1 城市濱湖地區(qū)的水文特征、問題與應對

湖庫型水體作為常見的水體形態(tài)，主要指具有景觀、生態(tài)涵養(yǎng)功能的湖泊或水庫水體[5]。相較于水體流動性較強、水更新循環(huán)較快的河流，湖庫型水體具有水體流速慢、水容量大等多元特征，通常保持相對穩(wěn)定、靜止的狀態(tài)。正是基于湖庫型水體水位穩(wěn)定、景觀可塑性強、水城人關系相對緊密等特點，使其成為常見的城市開發(fā)型水體，在城市景觀營造[6-7]、功能布局、休閑游憩[8]、人群活動[9]和生態(tài)保育等方面均發(fā)揮著重要作用。

自然之力在城市發(fā)展中影響顯著，地形地貌特征、山形地勢、徑流匯水等因素決定了城市自然水體的空間分布。從多層級視角看，會對湖庫型水體產(chǎn)生影響的空間范圍主要包括宏觀流域、集水區(qū)及水體本身等相關區(qū)域，其中包含水文特征、人群活動、氣候變化和生物群落等影響因素[10]。隨著濱湖地區(qū)的開發(fā)建設，對自然地形地貌、下墊面、水網(wǎng)格局與形態(tài)等的適應性改造，改變的不僅是地區(qū)的三維空間形態(tài)，也勢必會對該地區(qū)的山林生境、水文特征和水循環(huán)產(chǎn)生不可逆的影響。實際發(fā)展過程中，由于城市建設處理不當，濱湖開發(fā)建設導致的生態(tài)問題也屢見不鮮，如自然水網(wǎng)格局消退、水體類型銳減，城市暴雨內澇成災、水體污染嚴重[11]，以及阻礙自然水循環(huán)、增大水流侵蝕能力[12]等。集水區(qū)的水生態(tài)環(huán)境惡化，很大程度上也會對湖庫型水體本身產(chǎn)生不利影響。隨著中國城市建設中市政設施的逐步完善，點源污染的影響正逐步受到控制，大規(guī)模城市建設與人群活動帶來的面源污染[11-13]，成為需要重點防治的新方向。

在現(xiàn)階段的城市開發(fā)建設與規(guī)劃設計中，已愈發(fā)注重水生態(tài)環(huán)境的保護[12，14-15]、主動思考水城間平衡關系的維持，關注內容也因學科背景差異而存在較大差別。針對水生態(tài)環(huán)境保護，城市規(guī)劃學者更多地從保護與開發(fā)、城市與自然的關系視角入手，以感性的設計師思維，從景觀美學、功能布局等角度進行統(tǒng)籌考慮；WSUD[16-17]、LID[18]、海綿城市[19]等開發(fā)策略的應用，有效地改善了水生態(tài)環(huán)境。而水環(huán)境、水資源、水利科學等學科的研究則更加關注水體本身，旨在通過定量測度方式[20]，對水環(huán)境容量、凈化能力和水體流動等進行模擬分析來應對水生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化提升，但研究成果未能有效指導城市開發(fā)建設與規(guī)劃設計。兩大學科分別從自身專業(yè)視角出發(fā)對水、城及其關系進行了深入研究與探索，同時也存在相互融合與借鑒的可能。

得益于數(shù)字技術的發(fā)展，將其應用于綠色城市設計中展開量化分析，為設計決策提供科學、理性的分析支撐，已然成為普遍選擇，尤其是GIS[21]、DEM、城市物理環(huán)境模擬[22-23]和水環(huán)境模擬[5，24]等數(shù)字技術方法的應用，為綠色城市設計的開展提供了巨大幫助。借助數(shù)字技術強大的數(shù)據(jù)分析與模擬能力，設計人員能夠有效應對濱湖地區(qū)開發(fā)建設的量化分析需求，為規(guī)劃決策提供理性參考。

2 基于多層級水環(huán)境視角的城市設計適應性策略

考慮到湖庫型水體影響因素的多層級特征，本文試圖從宏觀山水流域、中觀水網(wǎng)格局、微觀水體優(yōu)化3個層面，構建基于多層級視角[25-26]的水環(huán)境分析框架，并結合框架提出相應的城市設計適應性策略(表1)。在宏觀視野下，強調整體山水格局的強化與脈絡梳理[27]，基于水系流域的整體研判，梳理水環(huán)境特征、強化山水特色，明確山水資源的整體保護與利用框架，謀劃片區(qū)的總體山水城形態(tài)格局，用以指導后續(xù)城市設計空間布局。

表1 基于多層級水環(huán)境視角分析框架的城市設計適應性策略

在中觀水網(wǎng)格局層面，更多關注濱湖地區(qū)建設帶來的水環(huán)境變化，通過徑流匯水、水體類型等分析，堅持生態(tài)優(yōu)先原則，構建片區(qū)水網(wǎng)格局。通過對集水區(qū)地形地貌特征的GIS分析，明確徑流匯水流向與空間區(qū)位，并與后續(xù)城市功能和空間布局緊密結合；對原有場地中的自然水體類型進行統(tǒng)計劃分，結合片區(qū)水綠基礎設施規(guī)劃設計，對重要的自然水體進行保護式再利用；結合城市功能布局與空間設計需要，對片區(qū)水網(wǎng)體系進行梳理，構建通暢、多樣、體系化的水網(wǎng)格局；基于湖泊主水體的環(huán)境容量測度，建立湖泊納污能力與片區(qū)建設規(guī)模間的耦合分析機制，并將結果落實到濱湖地區(qū)的開發(fā)建設之中[28-29]。

在微觀水體優(yōu)化層面，可采取成熟的海綿城市措施，盡可能消解面源污染、暴雨洪水等帶來的不利影響，維護濱湖地區(qū)水環(huán)境品質。從雨洪管理角度，充分考慮廢水、雨水及受納水體之間的邏輯關系[13，30]，構建由大到小、從面到點的“流域-城市-片區(qū)-地塊-建筑-單個住戶”多層級水環(huán)境設計管理體系[30]。借助水環(huán)境模擬軟件，對湖泊水動力、污染物空間分布進行量化模擬與分析[5，24]，進而指導人工濕地[31]、水生植物群落[32]配置與空間布局。加強廢水管理，積極收集并利用雨水資源，增加城市建設中透水地面占比[26]，設置綠色屋頂、植草溝、雨水花園、蓄水池等海綿城市措施[33]，實現(xiàn)水環(huán)境管理的既定目標。

在多層級水環(huán)境分析框架下，依托杭州湘湖地區(qū)綠色城市設計，從宏觀、中觀與微觀層面，探討相應的城市設計適應性策略應用，最終塑造出山水城相依的整體空間格局，并印證分析框架的可行性與實用性。

3 水環(huán)境適應性導向的綠色城市設計實踐：杭州湘湖案例

湘湖坐落于杭州市蕭山區(qū)西部，距離杭州市中心約20km，隔錢塘江與西湖風景名勝區(qū)相對，以風景秀麗而被譽為西湖“姊妹湖”。近年來湘湖新城發(fā)展迅速，城市建設對自然生態(tài)環(huán)境的影響也日漸顯現(xiàn)。如何在保證城市快速發(fā)展、功能逐漸完善的目標落實前提下，保護好湘湖的自然生態(tài)本底、山水景觀特征？如何尋求城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的平衡？上述問題都值得重點關注。

3.1 宏觀視野下的山水格局強化

湘湖位于錢塘江、浦陽江與富春江三江交匯口，周邊地區(qū)河網(wǎng)水系發(fā)達，自然山水資源豐富，具有山、湖、洲、江、灣等多種形態(tài)；湖體南側有柴嶺山、西山，北側有老虎洞山、城山，共同構成了“兩山夾一湖”的自然地形地貌特征，其特殊的山水格局也對后續(xù)城市空間布局形成約束?；趨^(qū)域視角的山水形勝分析，通過強化三江口作為連接湘湖與錢塘江的錨點，將其逐步融入?yún)^(qū)域山水格局之中(圖1)，塑造從“兩山夾一湖”到“擁江迎山”的新格局。

圖1 宏觀視角下湘湖地區(qū)山水格局分析

3.2 中觀視野下的水網(wǎng)格局塑造

水特色是湘湖地區(qū)的重要名片，需要在城市開發(fā)建設中加以發(fā)揚、彰顯。場地自然的地表徑流、匯水及其與湖泊的關系等地域特征凸顯。通過對現(xiàn)狀水網(wǎng)格局的梳理、連通，并結合數(shù)字化采集的場地高程DEM的GIS分析，對場地徑流流向、盆域和匯水進行分析(圖2)，綜合謀劃整體水網(wǎng)形態(tài)。規(guī)劃設計采用分級、分類的組織方式，針對生態(tài)效益等級較高的河流，以保持現(xiàn)狀水體格局為主，降低對自然生態(tài)的干擾，實現(xiàn)保護與發(fā)展的平衡；對于與城市開發(fā)建設聯(lián)系較為緊密的低等級河流，尋求水網(wǎng)形態(tài)與城市空間的有機融合，結合水體進行節(jié)點局部改造、放大，并與城市重要的公共服務職能、人群活動聚集點相結合，營造“理水入城、水城交融”的水特色城市空間，形成“中心湖面+網(wǎng)狀河道”的水系結構。

圖2 基于GIS平臺的湘湖地區(qū)場地徑流分析

3.3 微觀視野下的水體優(yōu)化措施

水文特征是濱湖地區(qū)開發(fā)建設需要重點考慮的因素，通過對水體現(xiàn)狀水質、流速與流向、水體容量、水體深度、水生動植物和駁岸類型等多方面資料的調研、取樣，掌握湘湖水環(huán)境實際情況，也為后續(xù)的MIKE模擬和規(guī)劃決策奠定基礎。

“流水不腐，戶樞不蠹?！彼w流場的存在對于提升水體凈化能力與水環(huán)境容量具有積極作用。湘湖作為典型的湖庫型水體，具有水流穩(wěn)定、流速緩慢等特點，導致其總體環(huán)境容量較小，水體更易受到污染威脅。在設計中應用DHI MIKE 21軟件①的水動力與污染物水質模擬等模塊展開綜合評價(圖3、4)，對前期現(xiàn)狀水質采樣得出的湖泊主要污染物因子，如總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)等進行水質模擬，以明確湖泊范圍內的濃度場空間分布；結合湖泊水動力X、Y向流速模擬，基于現(xiàn)狀水深、容量和進出水總量等水文數(shù)據(jù)的基礎建模，將多元模擬結果進行要素疊加分析，明確湘湖水體流速較慢、易受污染、易產(chǎn)生富營養(yǎng)化等的重點區(qū)域，并在規(guī)劃設計階段采取調整水體形態(tài)、優(yōu)化岸線布局、設置生態(tài)濕地、增加生態(tài)廊道寬度、種植凈化水生植物，以及控制污染源流入等措施來提升該區(qū)域的水體自凈能力，以維持湖體水生態(tài)環(huán)境健康狀況。

圖3 基于MIKE軟件模擬的水環(huán)境優(yōu)化與反饋邏輯框架

圖4 湘湖水動力與污染物水質模擬綜合評價

充分考慮錢塘江流域水系與湘湖水體間的連通關系，運用DHI MIKE 21軟件的水動力分析模塊，對湘湖引入錢塘江活水以提升湖泊水體循環(huán)的情景進行模擬分析(圖5)。從前后模擬結果對比中可以明顯看出，通常狀態(tài)下(未引入錢塘江活水)，湘湖的Y向流速變化較小，大部分小于0.001m/s，水體保持相對靜止狀態(tài)；錢塘江活水的引入能夠較大程度地提升水體流速，總體呈現(xiàn)出由南向北流動的態(tài)勢，有助于湖泊水體的水力更新與水質凈化。

圖5 引入錢塘江活水前(5-1)后(5-2)，湘湖Y向水流MIKE 21軟件模擬分析圖

總體來說，湖泊納污能力與水體容量、水體流速等呈正比，當外部流入的污染物總量超過湖泊納污能力臨界值與流出總量之和時，易造成水生態(tài)環(huán)境惡化。外部水流的引入大幅提升了湘湖整體水動力，水體流速增加對于水生態(tài)環(huán)境維持具有重要意義。在保證生態(tài)優(yōu)先的前提下，可更多地滿足城市發(fā)展與建設需要，提升周邊地區(qū)開發(fā)建設容量，抬升“平衡建設”門檻。

湘湖主水體通過雨水徑流方式匯集周邊水體，隨之而來的也包括雨水徑流中的污染物。采取海綿城市措施，從控制來源、提升容量等角度入手，強調點源污染削減與監(jiān)察，積極有效地控制面源污染量，保障湘湖水體生態(tài)目標的實現(xiàn)。設計強調對點源污染的全部有效處理，通過建設完整的市政污水處理及相關設施，如雨水分流系統(tǒng)、污水處理設施系統(tǒng)等，實現(xiàn)點源污染對自然生態(tài)的零干擾。

在有效控制點源污染的同時，運用海綿綠肺、海綿水廊道與海綿微單元相結合的多層次策略，構建完善的海綿城市體系。海綿綠肺主要利用湘湖內濕地及沿湖綠化，將中心湖體作為雨水和中水最后的凈化處理場所，保證其作為蕭山區(qū)備用水源地的水質要求；海綿水廊道主要結合規(guī)劃設計水網(wǎng)，打造海綿走廊，借助高差設置凈水設施，兼具生態(tài)廊道作用，為提升場地生物多樣性提供空間載體，也可打造成為獨特的城市景觀；海綿微單元覆蓋所有建設用地，以匯水分區(qū)為基礎，每個微單元利用低影響設施進行雨水和中水的初次收集與處理。通過多層級海綿城市設施布局，盡可能降低城市建設對自然生態(tài)的沖擊與影響，實現(xiàn)城市與自然之間的協(xié)調融合。

3.4 水環(huán)境適應性的山水城形態(tài)塑造

基于水環(huán)境多層級視角分析，采用水體連通、定流、增容、優(yōu)境四大水環(huán)境提升策略(表2)，配合相應的城市設計適應性方法，從整體空間結構、三維空間形態(tài)、用地功能布局、水綠生境網(wǎng)絡和交通路網(wǎng)體系等方面對湘湖地區(qū)進行統(tǒng)籌考慮，旨在營造自然與城市相融的山水城空間形態(tài)。

表2 湘湖地區(qū)水環(huán)境優(yōu)化提升的城市設計適應性策略匯總

隨著城市建設的逐漸密集，自然山水與城市形態(tài)間的協(xié)調難度增加，通過對地形地貌、自然山水格局、城市建筑群落的三維建模分析，建立山水城整體形態(tài)框架，并在此基礎上對城市建設的高度分區(qū)與控制、視線廊道組織、城市天際線、濱江濱湖城市景觀、建筑群落組合，以及建筑風貌等進行管控引導，以實現(xiàn)自然山水格局與城市空間形態(tài)的融合。

在生態(tài)優(yōu)先的設計原則下，基于自然山水的控制約束，有效塑造城市整體形態(tài)格局。通過對湘湖及周邊地區(qū)地形的DEM建模，運用GIS分析軟件對地形地貌、坡度坡向、匯水徑流、生態(tài)敏感性和用地適宜性等進行綜合分析，以生態(tài)保護先行的設計思路，對后續(xù)城市空間布局與形態(tài)格局提出指導與要求。采取生態(tài)廊道分割、組團式整體空間布局原則，在生態(tài)保育的要求下，嚴格控制湘湖周邊地區(qū)的城市開發(fā)建設容量，共同營造“七分山水三分城”的城市整體形態(tài)格局(圖6)。總的來說，在尋求自然與建成環(huán)境平衡發(fā)展的目標下，小到村落，大到城市群，合理的空間布局應體現(xiàn)在二者的生態(tài)與形態(tài)特征相融合、相協(xié)調的內涵之中[34]。

圖6 湘湖及周邊地區(qū)城市設計總平面圖

4 結語

城市濱水地區(qū)的發(fā)展充滿機遇與挑戰(zhàn)，尤其是湖庫型濱水地區(qū)，保護與發(fā)展長期以來都是地區(qū)發(fā)展建設的主旋律。如何在保護生態(tài)本底的基礎上，實現(xiàn)城市發(fā)展的利益最大化？如何尋求水城人關系間的動態(tài)平衡？如何相對理性地對水城關系加以判斷？諸多問題均是湖庫型濱水地區(qū)發(fā)展需要重點考慮的內容。本文通過杭州湘湖地區(qū)的實踐探索，以水環(huán)境量化模擬為主脈，從定量分析視角出發(fā)，尋求綠色城市設計的水環(huán)境適應性新思路，以期為后續(xù)研究與實踐提供參考。綠色城市設計作為整體框架中重要的研究實踐方向，能夠在借助多元量化分析方法輔助設計的思路下，更加理性、科學地實現(xiàn)對城市空間格局與形態(tài)的謀劃，平衡處理自然與城市間的相互關系，成為未來發(fā)展與應用的重點方向。

注：文中圖片均引自東南大學城市規(guī)劃設計研究院《湘湖國家旅游度假區(qū)城市設計》項目文本。

項目組成員：楊俊宴、吳義鋒、譚瑛、馮雅茹、章飆、陳麗麗、魏晉、葉晟之等。

注釋：

① 本次城市設計實踐旨在探討學科交叉背景下的方法應用，設計過程中構建了跨學科團隊，包括城市設計、風景園林設計與水環(huán)境等方向，本文的論述重點在于城市設計。關于MIKE軟件模擬的分析過程，從現(xiàn)狀水質采集、納污能力與污染負荷計算，到基于DHI MIKE的建模、模擬與分析及水生態(tài)健康評價等相關內容，詳見參考文獻[28]。