基于雨水利用特征的黃土丘陵溝壑區(qū)小城鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)生態(tài)景觀規(guī)劃策略研究

劉 華 雷振東

黃土高原位于我國半干旱大陸性季風氣候區(qū)，據(jù)黃土高原多年年均降雨量空間分布及降雨量變化趨勢的研究表明，年內(nèi)降雨量變化大，春夏連旱，暴雨多集中于7～9月，旱澇明顯，未來黃土高原干旱還有加劇趨勢[1-2]。農(nóng)村俗語“無雨即旱，一雨即澇”直觀形象地說明了黃土高原的旱澇特征。黃土丘陵溝壑區(qū)為黃土高原地表最為破碎的區(qū)域，雨水沖刷下土壤侵蝕最為強烈[3]，如何在土地利用上體現(xiàn)旱澇氣候的適應性，促進雨水資源化利用，多學科展開了研究。水利及農(nóng)業(yè)工程關注集蓄雨水補灌農(nóng)田，工程布防控制水土流失；林學關注收集、利用雨水提高植被覆蓋率，加速生態(tài)恢復；建筑及規(guī)劃學科研究多關注綠色建筑及防澇減災的城市建設用地布局優(yōu)化；園林景觀理論研究多集中在三個方面，其一，與“海綿城市”相關的城市雨洪管理及設計實踐，關注防洪蓄澇，控制污染，水資源保護，城市美化[4]。其二，水適應景觀研究，挖掘國內(nèi)外傳統(tǒng)村鎮(zhèn)及農(nóng)業(yè)應對水災害經(jīng)驗并加以總結[5-6]。其三，借鑒干旱半干旱地區(qū)傳統(tǒng)雨水利用設施的種類、功能，構成以及施工工藝，結合場地特征進行本土化運用，探討場地層面雨水景觀設計內(nèi)容[7]。這些成果多集中于應對雨洪災害的城市規(guī)劃方法及策略研究，傳統(tǒng)防澇抗旱經(jīng)驗梳理及場地具體設計，對小城鎮(zhèn)雨水資源化利用，土壤侵蝕及洪澇災害結合的景觀研究極少，如何在黃土丘陵溝壑區(qū)小城鎮(zhèn)景觀規(guī)劃中體現(xiàn)旱澇氣候適應性，有效應對由暴雨引發(fā)的水土流失，促進雨水集蓄利用具有重要研究意義。本文以陜北黃土丘陵溝壑區(qū)小城鎮(zhèn)河谷階地型鎮(zhèn)區(qū)，坡地—河谷復合型鎮(zhèn)區(qū)為研究對象，探討基于雨水利用特征的生態(tài)景觀規(guī)劃策略。

1 基于雨水利用特征的鎮(zhèn)區(qū)生態(tài)景觀規(guī)劃理念

基于雨水利用的特征，黃土丘陵溝壑區(qū)鎮(zhèn)區(qū)景觀規(guī)劃應體現(xiàn)對城鎮(zhèn)生活、生產(chǎn)、生態(tài)三方面的優(yōu)化，有利于應對三季干旱，夏季洪澇災害，水土流失等問題。規(guī)劃理念基于景觀生態(tài)安全格局理論[8]，景觀格局及其尺度依賴性的基本原理[9]。

通過構建鎮(zhèn)區(qū)洪澇安全格局和水資源安全格局，結合鎮(zhèn)區(qū)布局，生成由集雨節(jié)點，生態(tài)廊道及生態(tài)基底構成的綠色基礎設施框架[10]，集雨節(jié)點用于儲存利用地表徑流，橫縱向生態(tài)廊道收集及傳輸?shù)乇韽搅?，生態(tài)基底保持水土，涵養(yǎng)水源。

通過把景觀規(guī)劃同多尺度的雨水利用單元結合，有利于體現(xiàn)空間格局和水文過程，有針對性地指導空間設計。

2 景觀規(guī)劃的技術路線

第一，依據(jù)生態(tài)安全格局理論[11]，對鎮(zhèn)區(qū)雨洪過程進行分析，選擇地形高程，洪水淹沒范圍，山洪影響范圍，徑流系數(shù)，坡度因子構建洪澇安全格局；選擇坡度、坡向，植被覆蓋度因子構建水資源利用安全格局，疊加水網(wǎng)分布判定鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)雨水收集關鍵點及路徑；優(yōu)先保護生態(tài)安全格局等級高的區(qū)域，在雨洪及水資源利用高安全格局疊加圖基礎上強化鎮(zhèn)區(qū)現(xiàn)有林網(wǎng)水系的連通性，形成生態(tài)基礎設施框架。

第二，依據(jù)黃土丘陵溝壑區(qū)短歷時強降雨特點，設定三個雨水控制利用單元，滿足不同層級雨水控制利用要求。第三層級為宅院，是最小集雨單元，依托院落水窖和菜園消納一年一遇兩小時降雨，滿足居民日常集雨和雨水徑流就地消納；第二層級主要依托居住功能地塊建設，為街坊住區(qū)，路面植草溝及住區(qū)綠地內(nèi)小型調(diào)蓄池為雨水設施，應對兩年一遇三小時降雨；第一層級主要依托鎮(zhèn)區(qū)干路植草溝，場地預留的坡面匯流通道，鎮(zhèn)區(qū)下凹公共綠地及內(nèi)部大型調(diào)蓄池，與第二層、第三層雨水控制利用單元共同應對五年一遇三小時降雨（表1）。

表1 不同尺度雨水控制利用單元設定

第三，在生態(tài)基礎設施基礎上，結合小城鎮(zhèn)宜居路網(wǎng)布置需求及地形條件，進一步細分集水單元。基于不同層級雨水控制利用需求，分別為宅院單元—街坊住區(qū)—鎮(zhèn)區(qū)，不同尺度雨水控制利用單元對應不同尺度的雨水利用設施，院落單元以集雨屋頂和水窖為設施；地塊以街坊住區(qū)為研究主體，雨水設施為住區(qū)綠地內(nèi)蓄水池，巷路及支路中心下凹型植草溝；鎮(zhèn)區(qū)建設用地主要依托片區(qū)帶狀和塊狀綠地，內(nèi)部道路植草溝，調(diào)蓄池，山體行瀉通道及建設區(qū)外圍濱河綠帶，農(nóng)田林網(wǎng)共同構成生態(tài)基礎設施。

3 基于多尺度框架的鎮(zhèn)區(qū)景觀規(guī)劃策略

3.1 宅院——基層雨水控制利用景觀單元

根據(jù)陜北農(nóng)村地區(qū)對宅基地面積的規(guī)定，河谷地區(qū)每戶宅基地面積不超過200m2，丘陵地區(qū)宅基地面積不超過267m2，為提高集雨效率節(jié)約土地，屋面材料優(yōu)先選擇高集雨效率的水泥瓦，陜北地區(qū)在500～1000年均降雨量層級集雨效率為70%～80%，取值75%，庭院集雨材料優(yōu)先選擇混凝土地面，在500～1000年均降雨量層級集雨效率為75%～85%，取值80%[12]，機磚材料集雨效率約為40%，庭院綠地為15%。屋面集雨面積不能滿足使用需求時通過庭院地面集雨場補充集雨。人工集流面面積利用系數(shù)取經(jīng)驗值1.05，根據(jù)陜北丘陵溝壑地區(qū)不同地貌及區(qū)域降雨量差異，結合宅院面積及常見集雨材料，以水窖作為儲水設施，滿足一家四口最低年生活用水為標準，擬定幾種情況，對應計算所需集雨面積及集雨量（表2）。

表2 不同降雨量下宅院集雨屋面、集雨場面積及集雨量

以延安梁峁狀丘陵溝壑區(qū)為例，共擬定三種情況。

第一種情況，河谷川道200m2宅基地，以水泥瓦屋頂做集雨面，需要113.6m2，一般川道宅院屋面面積約為88m2，可收集雨水約22.6m3，需要利用地面補充集雨，若以混凝土地面做集雨場材料，需24m2。

第二種情況，山地丘陵267m2宅基地，全部以水泥瓦屋頂做集雨面，集雨屋頂面積不小于113.6m2。

第三種情況，山地丘陵267m2宅基地，全部以地面做集雨場，圍繞房前屋后有種植池，利用地面集雨澆灌作物，混凝土材料集雨場面積需106.5m2。

以榆林峁梁狀丘陵溝壑區(qū)為例，共擬定三種情況。

第一種情況，河谷川道200m2宅基地，以水泥瓦屋頂做集雨面，需要128.7m2，若以宅院88m2屋面為標準，集雨20m3，利用混凝土地面補充集雨，需38m2集雨場。

第二種情況，山地丘陵267m2宅基地，部分以水泥瓦屋頂做集雨面，集雨屋頂面積不小于113.6m2，另外需要地面集雨場做補充集雨，面積需14m2。

第三種情況，山地丘陵267m2宅基地，院落相對廣闊，全部以地面做集雨場，圍繞房前屋后有種植池，混凝土材料集雨場面積需120.7m2。

以陜北澗地丘陵和平梁淺谷區(qū)為例，共擬定三種情況。

第一種情況，河谷川道200m2宅基地，以水泥瓦屋頂做集雨面，需要151.2m2，以88m2屋面為標準，集雨17m3，利用混凝土地面補充集雨，需59.2m2。

第二種情況，山地丘陵267m2宅基地，水泥瓦屋面113.6m2，還需地面集雨場補充集雨，面積為35.4m2。

第三種情況，山地丘陵267m2宅基地，若全部以庭院做集雨場，混凝土材料地面集雨場面積需141.7m2。

由上述表格可知集雨需求自東南至西北方逐步增加，在河谷川道和山地丘陵地區(qū)相同屋面面積條件下，延安梁峁丘陵溝壑區(qū)宅院通過屋面集雨為主，地面集雨場輔助集雨在院內(nèi)即可滿足基本生活用水需求，其他地區(qū)自東南向西北需要在現(xiàn)有集雨屋面基礎上逐步增加地面集雨場面積才能滿足四口之家年生活用水需求。

按照院落下墊面不同可分為集雨屋面，地面集雨場，院落鋪地及種植園。以陜北榆林河谷階地型宅院為例，結合榆林地區(qū)暴雨強度公式，在一年一遇兩小時降雨條件下地表產(chǎn)流分析，河谷地區(qū)200m2宅院，集雨場和集雨面雨水匯集入水窖。不透水路面與菜園面積比約為2.9∶1，菜園下凹深度約為50mm時，宅院雨水徑流就地消納，因此，榆林河谷200m2院落各類集雨面占63%滿足四口之家日常生活用水，鋪地約占總面積27.5%，約55m2，菜園占9.5%，約19m2，滿足消納一年一遇降雨量。

以陜北延安坡地—河谷復合型宅院為例，結合延安地區(qū)暴雨強度公式，在一年一遇兩小時降雨條件下地表產(chǎn)流分析，267m2宅院，以集雨場及集雨屋面做雨水收集設施，根據(jù)上述山地丘陵地區(qū)集雨面積計算，水泥瓦屋面面積為113.6m2，可以收集至少一水窖水，最小水窖容積為29.2m3，滿足一戶四口全年最低生活用水量。不透水路面與菜園面積比約為3.7∶1，鋪地面積為121.2m2，菜園面積為32.2m2，菜園下凹深度約為50mm時，可收納一年一遇兩小時降雨量，使得徑流不外排（圖1）。

圖1 基本宅院布局

3.2 街坊住區(qū)——中級雨水控制利用景觀單元

（1）陜北河谷階地型街坊住區(qū)

寬闊河谷鎮(zhèn)區(qū)宜采用集中布局的方式，盡量少侵占農(nóng)耕地。研究表明，地塊臨街寬度與進深以1∶1.5～1∶1.3能夠最大化地發(fā)揮基礎設施效率。因此地塊單元以150m×200m為地塊單元，街坊住區(qū)面積為3hm2。陜北主害風向為西北風，農(nóng)田防護林帶長邊與主害風向垂直，因此地塊與田塊分割方式保持一致。街坊組團內(nèi)巷路收集宅院溢流，街坊住區(qū)內(nèi)道路收集組團溢流，匯入道路中部植被淺溝，末端小型調(diào)蓄澇池收集兩年一遇三小時降雨量（圖2），若按照鎮(zhèn)街坊住區(qū)用地現(xiàn)狀取平均值，住宅約占地65%，道路基礎設施用地8%，公共活動場地8%，綠地15%，其他用地4%為標準，通過SWMM暴雨徑流管理模型分析，圍繞街坊綠地低洼處布置的矩形調(diào)蓄池，調(diào)蓄池最大容積為412m3，若下底面積為176.72m2，池口占地面積約535.8m2，最大蓄水深度約1.19m，占綠地面積11.9%。調(diào)蓄池或澇池與沿鎮(zhèn)區(qū)支路布置的雨水管渠連接，超過兩年一遇暴雨時溢流，街坊住區(qū)溢流最終流入片區(qū)下凹綠地。

圖2 河谷階地型街坊住區(qū)基本布局

（2）陜北坡地型街坊住區(qū)

根據(jù)GIS水文分析，鎮(zhèn)區(qū)坡面每個自然集水單元以切溝或沖溝內(nèi)匯水線及溝谷兩側(cè)分水線為邊界，自然集水單元互成咬合型，街坊住區(qū)往往占據(jù)最完整坡面，集中連片分布在環(huán)帶狀集雨單元內(nèi)，面向河道，街坊住區(qū)地形坡度在0～15°之間，基本以坡腳為界，上部為丘陵坡面街坊住區(qū)，下部為河谷階地地塊單元，住區(qū)邊界劃分以坡面自然集水邊界為參考進行微調(diào)，盡量使住區(qū)匯水特征符合自然匯水特征，利用自然地形組織排水。

每個街坊住區(qū)由街坊組團構成，丘陵街坊組團分布在7°～15°坡面，布局靈活，多由生活性道路分割成不規(guī)整窯居組團。根據(jù)淺溝侵蝕研究表明，坡度為15°時，淺溝侵蝕發(fā)生的臨界坡長為80m[13]。以河谷階地地塊長度控制范圍為標準，可知地塊長度范圍為200～250m，因此，坡面街坊組團下部長度范圍為200/2至250/2，約為100～125m。根據(jù)黃土丘陵區(qū)窯院分布狀況來看，每個組團沿等高線分布4排至7排窯院，寬度約80～170m。坡地街坊組團長度控制在80～125m，寬度控制在80～170m，組團內(nèi)窯院呈聯(lián)排式分布，單排寬度平均為18.8m，組團內(nèi)道路約3.5m。街坊組團內(nèi)道路為下凹式道路，路面材料為混凝土或磚石，道路中心為植草溝，主要收集窯院內(nèi)溢流，道路方向基本平行于等高線，坡面有集水場地條件情況下以單個街坊組團收納坡面徑流，無開敞集雨場地條件下，多個組團徑流匯集入住區(qū)坡面低凹處大水窖或澇池集中收集。

坡地街坊住區(qū)面積約為3.6hm2。按照每個坡面街坊住區(qū)含4個街坊組團計算，每個組團平均面積約為0.9hm2，按照每個坡面街坊住區(qū)含2個街坊組團計算，每個組團面積約為1.8hm2，街坊住區(qū)內(nèi)生活道路分隔各街坊組團，道路寬度為4～7m，為中心下凹式道路，中心植草溝傳輸雨水徑流。若按照住宅占地65%，道路基礎設施用地8%，公共活動場地8%，綠地15%，其他用地4%為標準，通過 SWMM軟件分析，圍繞街坊住區(qū)低洼處布置的矩形調(diào)蓄池，調(diào)蓄池最大容積為512.27m3，若下底面積為176.72m2，池口占地面積約605.91m2，最大蓄水深度約1.37m，占綠地面積11.2%，能夠消納兩年一遇三小時暴雨量。

坡面街坊住區(qū)布局方式主要有三種，其一適用于坡面切溝，沖溝為匯水溝道，溝道侵蝕已經(jīng)形成，簡單整地措施不能使其恢復的狀況。通過結合溝道防護工程布置居住組團，窯院超標徑流溢流入院外道路植草溝，最后進入溝道底部澇池，溝道內(nèi)種植滯水植被，使徑流沿“S”形路徑運動，降低徑流流速及峰值流量，澇池溢流通過下方雨水管渠排放（圖3）；其二適用于淺溝為匯水溝道，溝道若不經(jīng)過工程或林草設施修復，淺溝將進一步加劇，組團建設要同水保設施結合，修復溝道生態(tài)并促進土地集約利用。窯院內(nèi)溢流通過巷路植草溝傳輸至坡面溝道附近，因淺溝切割深度及侵蝕面積不大，因此通過適度改造地形，使道路基本順應溝道等高線，道路貫通溝道兩側(cè)組團，溝道內(nèi)道路采用透水石籠，目的是減緩徑流流速并適量透水，結合溝道內(nèi)滯水植被，進一步減緩徑流流速，促進下滲供給溝內(nèi)植被生長，淺溝下部設澇池收集匯入溝道內(nèi)的徑流，凈化后得以利用（圖4）；其三適用于完整坡面街坊住區(qū)布局，形態(tài)可概化成梯形及矩形，窯院溢流經(jīng)巷道傳輸至生活性道路植草溝，最后匯入住區(qū)中心綠帶下部水窖或坑塘儲存（圖5）。

圖3 坡面有切溝或沖溝的住區(qū)

圖4 坡面有淺溝的住區(qū)

圖5 完整坡面住區(qū)

3.3 鎮(zhèn)區(qū)——整體控制利用雨水的生態(tài)基礎設施

（1）陜北河谷階地型鎮(zhèn)區(qū)

鎮(zhèn)區(qū)建設用地面積約1km2，由三大片區(qū)構成，約9個地塊構成片區(qū)，片區(qū)下凹公共綠地垂直于等高線，與鎮(zhèn)區(qū)干路平行，亦可作為坡面泄洪道，間距一般為500～600m[14]。住區(qū)地塊靠近鎮(zhèn)區(qū)公共綠地，住區(qū)調(diào)蓄池溢流入干路綠帶，最后沿干路綠帶匯流入主干路綠帶收集，帶狀綠地內(nèi)設矩形調(diào)蓄池作為建設用地末端調(diào)蓄設施，調(diào)蓄規(guī)模需滿足五年一遇3小時暴雨量需求。依托沿主干路與干路分布的帶狀公共綠地，寬度約為20～30m，最大深度為0.5m，鎮(zhèn)區(qū)末端大型調(diào)蓄池集雨用于補給鎮(zhèn)區(qū)生產(chǎn)，綠地澆灑等用水。

目前鎮(zhèn)區(qū)排水系統(tǒng)多為雨污合流制，基于相關文獻資料表明[15]，這類排水系統(tǒng)存在有一定適宜性并且相當長一段時間內(nèi)存在，過去雨水徑流經(jīng)雨水管渠流入污水處理廠，而暴雨徑流過大超過污水處理廠負荷時，則直接溢流入河道，這與雨水利用目標相背離，因此，需要加強匯入雨水管渠之前的徑流收集，鎮(zhèn)區(qū)建設用地超標徑流由主干道綠帶凈化后流入農(nóng)田儲水罐收納，用于儲存農(nóng)田灌溉用水。農(nóng)田排放水體至污水處理廠凈化后入河道。當污水處理廠凈化壓力足夠大時，鎮(zhèn)區(qū)雨水管渠溢流入河道防護林帶雨水濕塘，待凈化后排放入河道（圖6）。

圖6 河谷階地型鎮(zhèn)區(qū)生態(tài)基礎設施

（2）陜北坡地—河谷復合型鎮(zhèn)區(qū)

鎮(zhèn)區(qū)建設用地主要分布在河道凸岸，面積控制在約1km2，坡腳坡度為0～7°，坡面主要分布居住用地，坡度在7°～15°，15°～25°坡面分布梯田，梯田影響鎮(zhèn)區(qū)上部來水量，通過山體截水溝收集徑流，匯入梯田串珠狀水窖儲存，干旱季節(jié)可用來灌溉梯田，緩解梯田缺水狀況，過量的暴雨徑流經(jīng)梯田排水溝排放至工程林草防護型溝道或排入雨水管渠。

鎮(zhèn)區(qū)居住用地主要依托坡地順勢而建，地塊劃分以自然集水分區(qū)為依據(jù)，形態(tài)不規(guī)則，根據(jù)坡面溝道切割程度不同，結合溝道防護設施對居住用地進行布局及景觀設計。小型淺溝及切溝可結合溝道防護工程設計成塊狀或條帶狀綠地，為居民日?；顒犹峁﹫龅?。河谷階地主要分布公共綠地，道路廣場用地，公共設施用地及其他各類用地，為條狀地塊，靠近河道，布局相對規(guī)整，長度根據(jù)鎮(zhèn)規(guī)劃標準，控制在200～250m，寬度控制在80～150m，地塊面積控制在1.6～3.75hm2，坡面居住用地內(nèi)的雨水經(jīng)生活型道路傳輸至儲水坑塘，儲水坑塘位于坡面街坊住區(qū)匯水線附近，溢流入坡腳地塊道路內(nèi)植草溝，經(jīng)過與河道平行的主干路綠帶橫向截流，最后溢流入河道綠帶內(nèi)凈水坑塘儲存，鎮(zhèn)區(qū)濱河綠帶寬度結合洪水淹沒范圍進行設計，綠帶內(nèi)地勢低點為大型調(diào)蓄池分布位置，調(diào)蓄規(guī)模需滿足五年一遇三小時暴雨量（圖7）。

圖7 坡地—河谷復合型鎮(zhèn)區(qū)生態(tài)基礎設施

鎮(zhèn)區(qū)山體截水溝，鎮(zhèn)區(qū)道路防護林，濱河綠帶構成橫向廊道，鎮(zhèn)區(qū)山體主次溝道，垂直于等高線的道路綠帶構成縱向廊道，橫縱向交織構成鎮(zhèn)區(qū)網(wǎng)狀生態(tài)基礎設施。鎮(zhèn)區(qū)建設用地內(nèi)匯水節(jié)點主要分布在各街坊住區(qū)內(nèi)，為水窖或澇池，貼近河道地塊一側(cè)地勢低點布置調(diào)蓄池，是其他功能用地主要的集流節(jié)點，用于支持鎮(zhèn)區(qū)雨水收集灌溉，綠地澆灑，補給生活生產(chǎn)用水。山體匯水廊道與河道的交點為重要防洪節(jié)點，設計需滿足防洪要求，同時收集利用凈化后的水體，在地勢低洼處設置大型儲水坑塘或水窖。

結語

本文針對陜北黃土丘陵溝壑區(qū)旱災及洪澇問題，以雨水控制利用，防洪排澇為鎮(zhèn)區(qū)景觀規(guī)劃的出發(fā)點，提出基于雨水利用特征的小城鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)景觀規(guī)劃理念，技術路線及規(guī)劃策略。以河谷階地型和坡地—河谷復合型鎮(zhèn)區(qū)為例，總結出以下內(nèi)容。第一，不同降雨量條件下河谷及丘陵宅院適宜的集雨面積和集雨量，保證旱年基本集雨需求及一年一遇兩小時雨水消納需求；第二，以居住功能為主體，兩類街坊住區(qū)雨水控制利用單元景觀規(guī)劃設計策略，滿足居民生活生產(chǎn)用水補給，抗旱防澇，抵御土壤侵蝕災害的綜合需求，實現(xiàn)兩年一遇三小時雨水就地消納；第三，兩類鎮(zhèn)區(qū)生態(tài)基礎設施布局策略，建構景觀生態(tài)網(wǎng)絡，滿足鎮(zhèn)區(qū)雨洪調(diào)蓄，補給鎮(zhèn)區(qū)生產(chǎn)，生活用水，生態(tài)綜合用水。實現(xiàn)五年一遇3小時雨水消納要求。從而建構基于宅院—街坊住區(qū)—鎮(zhèn)區(qū)等級鑲嵌的不同尺度雨水控制利用單元的景觀規(guī)劃策略。

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