以水定綠：西北地區(qū)城市綠地生態(tài)設(shè)計方法探索

劉 暉

許博文

鄒子辰

左 翔

中國西北地區(qū)是自然生態(tài)的脆弱區(qū)，其有限的水資源和植被覆蓋不僅承擔(dān)著改善城市環(huán)境質(zhì)量的任務(wù)，更是城市生存的保護(hù)屏障[1-2]。然而，近年來西北地區(qū)城市綠地建設(shè)規(guī)模和品質(zhì)不斷提升與水資源條件之間的矛盾愈發(fā)突出[3-4]：一是表現(xiàn)在西北地區(qū)年降雨量少、蒸發(fā)量大，常規(guī)城市綠地設(shè)計模式的養(yǎng)護(hù)耗水量極高[5]；二是西北地區(qū)作為河流上游雖然具有一定的地表水和地下水資源，但是從國土全流域的角度來看，依然需要大量人工綠化的節(jié)水措施來減輕國家水資源安全的壓力?！耙运ňG”是西北地區(qū)城市綠地設(shè)計必須探尋的生態(tài)智慧理念與科學(xué)技術(shù)途徑。

1 西北地區(qū)城市綠地建設(shè)“以水定綠”概念明晰

1.1 從綠地節(jié)水到“以水定綠”

針對我國水資源短缺的現(xiàn)狀及城市綠地建設(shè)、管護(hù)存在的問題，近年來風(fēng)景園林學(xué)科行業(yè)領(lǐng)域針對城市綠地建設(shè)中的節(jié)水方法和策略研究可以歸納為“開源”和“節(jié)流”：“開源”關(guān)注雨水和污水的收集利用[6]；“節(jié)流”關(guān)注節(jié)水灌溉、節(jié)水型植物配置和土壤保水技術(shù)的應(yīng)用[7-8]，研究成果產(chǎn)生了良好效應(yīng)。

除了綠地節(jié)水，城市綠地規(guī)模確定及空間布局的節(jié)水研究需要整體生態(tài)科學(xué)思維和相應(yīng)的設(shè)計方法，實現(xiàn)城市水資源供需平衡下綠地的有效分布和科學(xué)化種植設(shè)計。美國加州近30年來對城市生態(tài)本底和園林植物需水量開展了系統(tǒng)性研究[9]，劃定用水紅線約束景觀項目的用水量，實現(xiàn)了節(jié)約水資源的可持續(xù)景觀[10]51。在我國當(dāng)前城市綠地規(guī)劃設(shè)計中，仍缺少基于水源水量條件對綠地規(guī)模、布局和植被結(jié)構(gòu)等引起綠地需水量差異的影響因素進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計的方法和技術(shù)支持。近10年，全國平均綠地面積增幅約86%，而西安、蘭州、西寧、銀川、烏魯木齊和呼和浩特等西北6省省會城市綠地面積分別增加21 035、3 845、1 172、2 376、21 728和13 038hm2，增幅分別達(dá)到192%、87%、44%、44%、205%和491%[11]。中國西北地區(qū)亟待將水資源作為城市綠地建設(shè)的約束條件進(jìn)行管控，探索“以水定綠”城市綠地生態(tài)設(shè)計的基本原則和量化方法。

1.2 “以水定綠”的內(nèi)涵

“以水定綠”中的“水”是指應(yīng)優(yōu)先利用的降水及其徑流、中水、采用適宜保水措施和灌溉技術(shù)間接增加的有效供水，以及額外適量補(bǔ)給的地表水和市政供水；“綠”是指不同區(qū)域背景下的最適宜城市植被類型、城市綠地規(guī)模及植物種植種類?！耙运ňG”是在水源水量評估的基礎(chǔ)上，通過建設(shè)用地的整體布局和場地設(shè)計，合理匯集和利用可供水源，對其綠地規(guī)模、空間布局和種植類型進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計；并進(jìn)一步通過改善場地土壤的水分條件，選擇適宜的植物種植模式，使得綠地在供、需水量平衡的基礎(chǔ)上發(fā)揮最大的生態(tài)效益。

1.3 西北地區(qū)城市綠地“以水定綠”研究范圍

干燥度指數(shù)可以說明城市所在區(qū)域的干濕條件(表1)?；谖鞅钡貐^(qū)城市綠化季節(jié)性需水特征和綠化管護(hù)需求，“以水定綠”的研究范圍是全年不少于兩季、干燥度指數(shù)大于1.5的城市及地區(qū)，涉及內(nèi)蒙古自治區(qū)、西藏自治區(qū)、陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)的62個地級市(表2)。

表1 西北地區(qū)6個典型城市干濕特征

表2 西北地區(qū)城市生態(tài)本底類型及城市分布區(qū)域、地帶性城市綠地植物景觀分區(qū)及類型對照

2 “綠”的核心問題是適宜的植被景觀類型

基于城市所屬生態(tài)本底類型構(gòu)建地帶性植被景觀是以水定綠生態(tài)設(shè)計的基礎(chǔ)。熱量帶和植被地帶特征能夠在一定程度上反映西北地區(qū)城市生態(tài)本底，為各類綠地開展生態(tài)設(shè)計提供參考和指引[13]。選取可代表西北地區(qū)各類城市和城鎮(zhèn)生態(tài)本底的62個地級市，根據(jù)其所在區(qū)域的熱量帶和植被地帶性特征，西北地區(qū)生態(tài)本底及自然植被可以分為16種類型，根據(jù)長期以來的西北地區(qū)城市綠地建設(shè)經(jīng)驗和相關(guān)研究[14]，劃分出3種地帶性城市綠地植物景觀分區(qū)及類型(表2)。

研究表明，草地、荒漠及灌叢是西北地區(qū)主要的自然植被類型，大部分草本植物對于水分的需求量較喬灌木少[15]529[16]。應(yīng)首先滿足日常生活、防護(hù)及風(fēng)貌品質(zhì)需求的城市綠地，可以采用適當(dāng)規(guī)模和適宜品種的喬木林地植被景觀類型，節(jié)水型、低維護(hù)的城市生態(tài)綠地應(yīng)以節(jié)水型的疏林草地、灌草叢、灌叢、草叢和草地等6種植被景觀類型為主。

3 “水”的評估與有效利用是關(guān)鍵技術(shù)手段

3.1 有效評估水源水量條件

利用天然降水、保持土壤含水是解決西北地區(qū)城市綠地生態(tài)建設(shè)與水資源矛盾的重要途徑[17]；此外，在干旱半干旱地區(qū)推廣中水利用可減輕水資源供需矛盾[8]。優(yōu)先對場地可匯集利用的降水量、可分配給綠化用水的中水量進(jìn)行評估，在此基礎(chǔ)上合理少用或不用市政水和地表水。

降水集水量的評估可基于各類下墊面雨量徑流系數(shù)，采用加權(quán)平均法計算綜合徑流系數(shù)，在此基礎(chǔ)上利用容積法，計算和評估場地總設(shè)計雨水控制量。采用建筑生活污水作為中水水源時，則可依據(jù)建筑類別及其人均日用水定額、折減系數(shù)和人口數(shù)對中水水量進(jìn)行評估與計算。

3.2 運用場地設(shè)計策略影響水分條件空間分布

基于城市綠化場地中光照和水文等因子主導(dǎo)下的生境類型多樣性和異質(zhì)性，通過場地“生境營造”形成多樣化的城市綠地空間是提高西北地區(qū)城市人居生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要途徑[18-19]。場地水分條件分布受地形豎向特征、土壤條件、陰影條件、風(fēng)速風(fēng)向及“微小水源”等因素的影響，根據(jù)不同范圍內(nèi)細(xì)微的水分條件差異進(jìn)行不同植被類型和植物種類的選擇，可營造適宜的生境多樣性和物種多樣性。

1)地形豎向設(shè)計是組織水文分布及土壤含水率分布的最有效手段。根據(jù)場地風(fēng)環(huán)境評估，在風(fēng)速較大的場地進(jìn)行適宜的正負(fù)地形設(shè)計減緩風(fēng)速，營造適宜的擋風(fēng)生境。此外，正負(fù)地形的設(shè)計，還可以組織雨水徑流，收集和利用場地及周邊雨水徑流，營建適宜的土壤水分環(huán)境(圖1-1、1-2)。

2)土壤改良也是一種改善場地水文分布和土壤含水率的有效手段。干旱與半干旱地區(qū)土壤多滲透性較強(qiáng)，持水性差，向下滲漏量和蒸發(fā)量都較大，對土壤進(jìn)行科學(xué)改良可以有效緩解這種現(xiàn)象，達(dá)到保水目的。可使用陶粒、片石、木格、樹皮及木屑等材料對土壤表層進(jìn)行覆蓋，提高土壤保水能力；緊實土壤應(yīng)采用深翻松土、添加改良劑及打孔等措施改良土壤結(jié)構(gòu)，提高保水能力；在土壤滲透性較強(qiáng)、保水能力差的場地可通過添加保水劑或防滲層鋪膜進(jìn)行土壤防滲(圖1-3、1-4)。

3)在日照輻射強(qiáng)、日照時間長的地域，可通過適宜的正負(fù)地形、建構(gòu)筑物增加場地陰影區(qū)，營造陰生生境，以減緩?fù)寥浪终舭l(fā)量。此外，在干旱區(qū)，重視和利用“微小水源”，使不同植物類型的選擇成為可能。在西安建筑科技大學(xué)南門花園建設(shè)中，利用建筑陰影區(qū)、建筑落水管、空調(diào)水等“微小”水源，設(shè)計一個蕨類植物種植池，有10種蕨類植物在此生長(圖1-5、1-6)。

3.3 充分采用節(jié)水型灌溉方式

除了從源頭提高對于雨水的蓄積利用外，充分采用節(jié)水型灌溉方式亦可從設(shè)計后期減少對于供水資源的浪費，間接增加有效供水量。不同生態(tài)目標(biāo)導(dǎo)向的綠地灌溉養(yǎng)護(hù)程度應(yīng)具有針對性，城市街道廣場型綠地中需水量較大的植被類型可長期灌溉養(yǎng)護(hù)，而大量諸如城市河湖及人工濕地型綠地、城市林地及草地型綠地應(yīng)進(jìn)行短期灌溉養(yǎng)護(hù)。具體灌溉方式上應(yīng)選用自動噴灌、微噴灌、滴灌和人工手動澆灌等單一或組合方式，人工手動澆灌須充分考慮城市綠地植被實際需水量，依據(jù)季節(jié)變化規(guī)律進(jìn)行適時調(diào)整，減少水資源浪費。

4 “以水定綠”綠地生態(tài)設(shè)計的基本模式

4.1 供需水量平衡計算

以城市綠地供水總量作為控制指標(biāo)，其需水總量可主要通過綠地規(guī)模及其種植設(shè)計兩方面的相互協(xié)調(diào)，達(dá)到城市綠地供需水量的平衡。根據(jù)水量平衡原理，城市綠地理論供水量為綠地植被總需水量與降水有效利用量之差[20]。采用面積定額法，以植物耗水量(植物蒸騰量)來代表植被需水量[21]，對城市綠地中各類型植被面積與其單位面積生態(tài)需水定額的乘積求和，即可估算得到綠地植被總需水量[22](式1)。根據(jù)目前西北地區(qū)城市綠地規(guī)劃建設(shè)的現(xiàn)實情況，在大部分建設(shè)用地的綠地規(guī)模和基本布局已經(jīng)確定的情況下，以城市綠地實際可供水源及水量作為前置條件，可通過規(guī)劃設(shè)計不同需水量的植被類型及其面積，進(jìn)而達(dá)到城市綠地的供需水量平衡。西北地區(qū)各類型植被及其全周期生態(tài)需水量定額可參考表3。

表3 西北地區(qū)植被類型及其需水量參考

式中，W總為城市綠地實際可供水量(m3)；PGi(t)為降水有效利用量(%)；Si為城市綠地各類型植被面積(m2)；Ai(t)為其各類型植被單位面積和時間段內(nèi)的生態(tài)需水定額(m3)。

4.2 匯水單元劃分與綠地空間布局

根據(jù)匯水方式的不同，建筑與小區(qū)、公園廣場和城市道路分別構(gòu)成了3種典型的城市街區(qū)尺度匯水單元，在“以水定綠”生態(tài)設(shè)計中可進(jìn)一步結(jié)合不同匯水單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行綠地空間布局。以課題組參與的灃西新城康定和園建筑小區(qū)、白馬河公園和秦皇大道道路綠化為例，3類匯水單元的綠地空間布局分別具有以下特點[33]。

康定和園建筑小區(qū)由于建筑和道路布局的影響，其內(nèi)部匯水分區(qū)數(shù)量多、面積小，在綠地整體空間布局上依據(jù)各匯水分區(qū)的雨水徑流量設(shè)置小型雨水花園，綠地整體呈分散式布局。白馬河公園屬于灃西新城北片區(qū)唯一的公園綠地，公園面積約為34 000m2，公園主要匯集公園的自然降水及其周邊街區(qū)的雨水徑流，為滿足雨水調(diào)蓄功能，公園中心采用整體下凹式地形，依據(jù)降水調(diào)蓄帶來的土壤水分條件變化，在公園下凹式地形周邊進(jìn)行林地種植，內(nèi)部進(jìn)行草地種植。秦皇大道城市道路屬于帶狀的匯水單元，其機(jī)非分隔帶主要收集機(jī)動車道和非機(jī)動車道的雨水徑流，并形成了傳輸型和滯留型2種綠地生境類型，此外，道路入水口處的雨水徑流污染較為嚴(yán)重，需根據(jù)水質(zhì)情況選擇具有耐污、去污特性的植物種類。

4.3 節(jié)水需求下的植物群落設(shè)計模式

群落的管理維護(hù)成本與其“非自然”屬性呈正比[1]，依據(jù)人工干預(yù)程度和養(yǎng)護(hù)程度的高低，將城市綠地植物種植設(shè)計模式分為自生植物群落保育、自生植物群落改良、人工植物群落組構(gòu)和常規(guī)式園藝種植4種。研究表明，相比常規(guī)式園藝種植，自生植物群落改良和人工植物群落組構(gòu)的灌溉水量分別能節(jié)約34.3%和91.7%[4]。因此，基于人工灌溉水量的高低，可以將自生植物群落保育、自生植物群落改良、人工植物群落組構(gòu)和常規(guī)式園藝種植分別對應(yīng)為自給型、半自給型、低灌溉型和高灌溉型。在城市綠地種植設(shè)計中可基于不同給水條件組合選擇不同的種植設(shè)計模式。

5 西北某城鎮(zhèn)“以水定綠”生態(tài)設(shè)計實踐探索

5.1 研究區(qū)概況

案例所在地區(qū)屬于高原溫帶大陸性半干旱氣候，流域整體處于山麓草甸生態(tài)敏感帶，生態(tài)本底及自然植被類型為高原溫帶草甸草原型，流域土層較薄，質(zhì)地疏松，易流失和沙化，生態(tài)較為脆弱。城鎮(zhèn)所在區(qū)域年降水量小(平均降水量約397mm)，蒸發(fā)量大(多年平均蒸發(fā)量為1 300～2 000mm)。受高空西風(fēng)帶和東南季風(fēng)帶共同影響，該地區(qū)常年多風(fēng)，夏秋兩季以東南風(fēng)為主，冬春兩季則偏西風(fēng)盛行且風(fēng)力強(qiáng)勁。

5.2 場地水源及供水量評估

案例城鎮(zhèn)降水的季節(jié)性顯著，7—9月降雨量占全年的75%左右，易產(chǎn)生徑流。采用加權(quán)平均法計算該城鎮(zhèn)的綜合徑流系數(shù)，得出綜合徑流系數(shù)為0.61。利用容積法，計算得出該城鎮(zhèn)總設(shè)計雨水控制量為1.26萬m3。此外，上位規(guī)劃中在城鎮(zhèn)南側(cè)設(shè)置了中水、污水處理廠，處理規(guī)模為0.4萬m3/d，中水可用于綠地澆灌、道路澆灑、補(bǔ)充景觀用水。根據(jù)上位規(guī)劃，該城鎮(zhèn)平均中水回用量約0.2萬m3/d，取其中20%用于綠化灌溉，則可用于綠化的年中水總量約為14.6萬m3。因此，該城鎮(zhèn)每年可用作綠地供水的雨水和中水總量大約為15.86萬m3。以該城鎮(zhèn)所在區(qū)域的地帶性植被青海云杉、沙棘和芨芨草分別代表該地區(qū)喬木、灌木和草本的需水量，則該城鎮(zhèn)綠地喬灌草數(shù)量可根據(jù)總供水量均衡配比。

5.3 場地水文過程設(shè)計與綠地空間布局

城鎮(zhèn)水文分布及綠地空間布局需首先組織城鎮(zhèn)總體匯水路徑，依城市西北高、東南低的自然地勢，總體匯水方向亦為西北向東南組織匯流(圖2)。以城鎮(zhèn)中部東西向的帶狀綠洲為界，將城鎮(zhèn)匯水區(qū)域劃分為北區(qū)與南區(qū)2個部分，在此基礎(chǔ)上，以3～4個基本街區(qū)建設(shè)模塊構(gòu)成1個地表匯水單元，街區(qū)匯水單元內(nèi)綜合考慮西北向東南的匯流方向與城市道路布局特點組織街區(qū)內(nèi)部雨水流向，并在雨水匯集點設(shè)置一個生物滯留設(shè)施構(gòu)成的生境種植島(圖3)。其次，將中水通過泵站抽送至北側(cè)人工高地，再向城鎮(zhèn)北側(cè)喬灌疏林群落、灌叢群落和西側(cè)灌草帶輸送，形成城鎮(zhèn)外圍具備防護(hù)功能人工小綠洲。多余中水再通過灌溉系統(tǒng)接入城鎮(zhèn)內(nèi)部的街道廣場型綠地。由于該城鎮(zhèn)傳統(tǒng)民居建筑形式為莊廓院，因此雨水收集路徑主要為建筑屋頂雨水排入各家院落之中，在完成自家院落的綠化灌溉及生活用水之后，多余雨水流入街巷道路中，通過道路旁設(shè)置的行道旱溝，將各支路雨水匯流入主路，再與地表匯水單元內(nèi)的其他街區(qū)單元產(chǎn)生的雨水匯流，最終匯流入雨水收集設(shè)施之中。

圖2 西北某城鎮(zhèn)水文過程及綠地空間分布示意圖

圖3 典型居住單元降水收集利用模式

5.4 生境營造與植物群落設(shè)計

生境種植島的種植設(shè)計以流域生態(tài)本底類型為設(shè)計原型，構(gòu)建地帶性灌草叢群落和草本群落。生境種植島既是街區(qū)內(nèi)的雨水收集點，也構(gòu)成街區(qū)單元內(nèi)的主要綠化景觀，其面積可通過計算所在地表匯水單元的匯水量和中水補(bǔ)給量總和及植被生態(tài)需水量得到。不同植物景觀類型的單位面積需水量參照表3獲取。

人工小綠洲營造方式如圖4所示，在對場地雨水及中水進(jìn)行規(guī)劃布局后，根據(jù)場地水文分布、風(fēng)速風(fēng)向情況進(jìn)行負(fù)地形選址和形態(tài)設(shè)計，對其底部土壤進(jìn)行土壤評估和改良，并采取防滲措施，進(jìn)而為不同的種植設(shè)計模式營造良好的生境條件。

圖4 人工小綠洲營造模式

根據(jù)場地不同水分條件可組合選擇自生植物群落保育、自生植物群落改良、人工植物群落組構(gòu)和常規(guī)式園藝種植4種種植設(shè)計模式，城鎮(zhèn)林地草地型綠地種植設(shè)計可以前2種為主，而城鎮(zhèn)街道廣場型綠地則以后2種為主要類型。此外，在種植設(shè)計時，可以流域生態(tài)本底類型為設(shè)計原型，參考地帶性植被群落結(jié)構(gòu)分層、植被覆蓋度和群落組成等群落組構(gòu)要素，進(jìn)行植物選擇和配植，構(gòu)建垂直結(jié)構(gòu)和覆蓋度符合地帶性規(guī)律的植被群落。例如，降低植被覆蓋度能夠一定程度上減小植被蒸散耗水[30]，以流域疏林地作為群落原型，通過零星栽植青海云杉、叉子圓柏等喬灌木構(gòu)建喬灌疏林群落(圖5)；通過在以金露梅、芨芨草等為主的灌草叢群落和草本群落添加土壤覆蓋物，減小植被覆蓋度的同時增加土壤保水性，進(jìn)而實現(xiàn)綠地節(jié)水(圖6)。

圖5 喬灌疏林群落種植模式圖6 灌草叢群落、草本群落種植模式

6 討論

供需水量平衡計算是“以水定綠”設(shè)計的基礎(chǔ)。本文通過綜述相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的研究成果，梳理出西北地區(qū)自然環(huán)境下的植被類型及其需水量數(shù)據(jù)，主要局限于林地、草地和灌叢3種植被類型。但針對城市環(huán)境下不同植被類型需水量的基礎(chǔ)研究成果仍顯薄弱。亟待需要針對西北地區(qū)3類地帶性城市綠地植物景觀的植被需水量展開調(diào)查和實驗研究，得出指導(dǎo)植被選型的有效參數(shù)。

科學(xué)的種植設(shè)計還需要配合養(yǎng)護(hù)過程中的水資源供給?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中關(guān)于綠地灌溉定額的標(biāo)準(zhǔn)并不一致，未能充分體現(xiàn)西北地域性特征和需求。綠地用水定額的落實需要建立科學(xué)的城市綠地灌溉管理制度，根據(jù)城市綠地的功能和植物用水需求，明確綠地的養(yǎng)護(hù)等級、灌溉定額、灌溉周期，杜絕灌溉中的水資源浪費，保障城市綠地用水的供需平衡。西北地區(qū)各城市應(yīng)根據(jù)實際情況，適時推進(jìn)相關(guān)制度的研究制訂。

減少綠地耗水的基本思路是控制土壤蒸發(fā)和植物蒸騰。對于氣候干燥的西北地區(qū)而言，綠地植物的蒸騰作用亦具有降溫增濕、改善城市小氣候的重要意義。因此，在綠地用水定額的約束下，土壤保水技術(shù)的應(yīng)用需加以重視，最大限度地保障綠地植物的蒸騰需水，以平衡綠地節(jié)水和降溫增濕之間的關(guān)系。

7 結(jié)語

以水定綠是西北地區(qū)城市綠地生態(tài)設(shè)計方法研究的重要途徑，代表著當(dāng)代生態(tài)智慧的探索，并具有迫切性和可行性。以水定綠的生態(tài)設(shè)計方法表現(xiàn)在以下幾個方面：首先根據(jù)西北地區(qū)62個地級市所在的16種生態(tài)本底類型，參照3類區(qū)域及其適宜的地帶性城市綠地植被景觀類型進(jìn)行種植設(shè)計；其次，應(yīng)通過有效評估水源水量條件、積極開展節(jié)水型灌溉措施、利用各種場地設(shè)計策略對水源水量及水分條件分布進(jìn)行提升和優(yōu)化；最后，從源頭對綠地水源水量與綠地植被需水量的供需平衡進(jìn)行雙向調(diào)控，通過匯水單元劃分進(jìn)行綠地空間布局，并基于節(jié)水需求組合應(yīng)用不同的植物群落設(shè)計模式。本文對于“以水定綠”生態(tài)智慧的探索，旨在解決西北地區(qū)城市綠地建設(shè)規(guī)模、品質(zhì)的不斷提升與有限水資源條件之間的矛盾，同時亦是對西北地區(qū)城市綠地生態(tài)設(shè)計方法的初探，以期為西北地區(qū)城市生態(tài)建設(shè)提供有益思路。

注：文中圖片均由作者繪制。