低影響開(kāi)發(fā)模式引導(dǎo)下的城市生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

陳宇 劉曦

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

前序

人口的迅速增長(zhǎng)、城市化的逐漸推進(jìn)以及工業(yè)污染導(dǎo)致的氣候急劇變化，使極端天氣事件的發(fā)生頻率、強(qiáng)度以及持續(xù)時(shí)間逐漸增加，城市雨洪管理系統(tǒng)面臨更頻繁的極端降水事件。過(guò)去幾十年來(lái)，不透水路面的擴(kuò)散破壞了自然水文循環(huán)，促使地表徑流過(guò)多，削弱了排水系統(tǒng)輸送高徑流量的能力，導(dǎo)致城市系統(tǒng)的抗洪能力與生態(tài)效應(yīng)降低、自然恢復(fù)力下降。因此，為緩解此類風(fēng)險(xiǎn)的緊迫問(wèn)題，美國(guó)喬治王子郡的環(huán)境資源部在20世紀(jì)90年代初首次提出低影響開(kāi)發(fā)概念，并在1999年編寫出第1部綜合性LID設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，城市雨水管理應(yīng)運(yùn)而生，旨在運(yùn)用生態(tài)恢復(fù)與自然引導(dǎo)的方式形成自然水循環(huán)，維持和保護(hù)場(chǎng)地自然水文功能、緩解不透水面積增加造成的洪峰流量增加、降低城市的雨洪侵害，使城市達(dá)到開(kāi)發(fā)前的自然水循環(huán)效應(yīng)[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)逐漸發(fā)展，低影響開(kāi)發(fā)引導(dǎo)下的城市建設(shè)從局部的單一領(lǐng)域開(kāi)發(fā)，逐漸轉(zhuǎn)向水文生態(tài)系的規(guī)劃系統(tǒng)，其理論框架也逐漸從局部空間水文與水質(zhì)研究拓展到城市生態(tài)水文的格局引導(dǎo)，然而并沒(méi)有研究低影響開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向整體設(shè)計(jì)流程的高度。本文從低影響開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)流程入手，從“宏觀總體格局的水綠生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)——中觀區(qū)域?qū)蛹?jí)的灰綠生態(tài)結(jié)構(gòu)耦合——微觀單元級(jí)別的基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)功能嵌入”這一逐層遞進(jìn)的低影響開(kāi)發(fā)流程，明確不同設(shè)計(jì)階段的任務(wù)、內(nèi)容、條件和限制，并針對(duì)性地選取與雨洪性能、生態(tài)效應(yīng)具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)要素，確定其取值范圍和影響權(quán)重，從而制定不同階段的設(shè)計(jì)主體、設(shè)計(jì)目標(biāo)等導(dǎo)控指標(biāo)，使其明確每個(gè)階段需要解決的核心問(wèn)題，提高低影響開(kāi)發(fā)的效果，為今后的研究奠定理論基礎(chǔ)。

海綿城市系統(tǒng)是滿足自然積存、自然滲透、自然凈化為導(dǎo)向的復(fù)合生態(tài)體系，其最終目標(biāo)是建立健康與可持續(xù)發(fā)展的城市雨洪管理生態(tài)系統(tǒng)[2]。因此，低影響開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)流程應(yīng)從宏觀的水文生態(tài)格局與城市基礎(chǔ)設(shè)施格局形成正向的耦合關(guān)系入手，建立城市水文生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，形成總體水文生態(tài)框架；進(jìn)而考慮區(qū)域性的水文安全與精細(xì)化的水資源管理，建立城市綠灰基礎(chǔ)設(shè)施組成關(guān)系，形成灰綠耦合模式引導(dǎo)下的區(qū)域級(jí)雨洪管理的布局形式和空間結(jié)構(gòu)；通過(guò)建立區(qū)域環(huán)境特征雨洪管理模塊信息庫(kù)，完善綠色基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)、材料、構(gòu)造、植物配置以及空間效能等設(shè)計(jì)信息。并根據(jù)不同功能系統(tǒng)形成不同功能群組，從而更優(yōu)質(zhì)地發(fā)揮綠色基礎(chǔ)設(shè)施的功效。因此，如何規(guī)范合理的設(shè)計(jì)流程與設(shè)計(jì)方法是海綿城市形成途徑的重要手段。

1 水綠生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局的建構(gòu)

從宏觀水文生態(tài)規(guī)劃角度來(lái)說(shuō)，其核心思想是研究與城市森林、河流、湖泊、濕地、綠地等不同級(jí)別的生態(tài)斑塊系統(tǒng)與雨洪調(diào)節(jié)功能之間的耦合關(guān)系，從而生成最優(yōu)的水綠生態(tài)格局，提高水資源質(zhì)量與城市生態(tài)效益，增強(qiáng)海綿城市的“海綿”效應(yīng)[3]。

“水綠格局”即水資源與綠地資源之間的關(guān)系，其中水資源主要為調(diào)蓄、遷移、收納等功能，綠地主要是滋養(yǎng)、凈化、吸收之責(zé)，兩者共同構(gòu)成了城市生態(tài)基質(zhì)。因此，水域與綠地之間的規(guī)模、形態(tài)、結(jié)構(gòu)等關(guān)系影響城市生態(tài)、雨洪控制等，即為水綠耦合關(guān)系。高效的生態(tài)板塊與城市格局形成拓?fù)潢P(guān)系，通過(guò)不同尺度、烈性級(jí)別的生態(tài)載體組成，這一拓?fù)溥^(guò)程是城市格局與生態(tài)斑塊的形態(tài)、效率、數(shù)量之間的耦合過(guò)程。因此，水綠生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局的構(gòu)筑方式應(yīng)遵循形態(tài)學(xué)分析法融入水綠耦合規(guī)劃系統(tǒng)中，并通過(guò)“反規(guī)劃”的方式，強(qiáng)調(diào)生態(tài)斑塊與城市空間之間的功能聯(lián)通，主要步驟有以下幾點(diǎn)。

綜合考慮城市水文的空間分布與雨洪管理需求，并結(jié)合生態(tài)廊道及生態(tài)核心控制點(diǎn)各自的生態(tài)屬性及特點(diǎn)，調(diào)整森林、河流、湖泊、濕地、溝渠、綠地等“大海綿”設(shè)施的空間布局，形成流域級(jí)斑塊—通廊級(jí)斑塊—城市區(qū)塊級(jí)斑塊3個(gè)層級(jí)，各級(jí)水文生態(tài)斑塊體現(xiàn)了不同維度的水文功能特征與城市形態(tài)特征[2]。其中，流域級(jí)斑塊具有調(diào)蓄水量、涵養(yǎng)水源、凈化空氣、保持生物多樣性等功能；通廊級(jí)斑塊具有雨水徑流截留、雨水導(dǎo)流、徑流控制等功能；功能區(qū)塊級(jí)斑塊具有水源蓄存、水源凈化、滋養(yǎng)地下水等功能；水綠生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局的3級(jí)水文生態(tài)斑塊格局構(gòu)成了城市水綠生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的總體框架，與城市不同功能區(qū)塊相互嵌套，形成相互依賴、相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。

通過(guò)城市格局特征、生態(tài)敏感性評(píng)價(jià)、雨水徑流足跡分析、最小路徑模擬確定研究區(qū)的中心生態(tài)控制點(diǎn)和生態(tài)廊道的分布規(guī)律，構(gòu)建平衡生態(tài)容量、遵循自然過(guò)程的空間網(wǎng)絡(luò)格局，如中心生態(tài)控制點(diǎn)選用團(tuán)聚式斑塊分布格局，道路或藍(lán)網(wǎng)區(qū)域選用線狀斑塊分布格局，空間形態(tài)及雨水徑流足跡復(fù)雜區(qū)域選用組合式斑塊分布格局[4]。

依據(jù)中心生態(tài)控制點(diǎn)和生態(tài)廊道形成雨水涵養(yǎng)與雨洪調(diào)蓄的潛在地區(qū)以及城市形態(tài)特征，確定斑塊的形狀指數(shù)和分維數(shù)，即將各個(gè)城市建成區(qū)的生態(tài)斑塊系統(tǒng)與城市格局建立有機(jī)聯(lián)系。

根據(jù)水綠生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局建立3級(jí)水域生態(tài)級(jí)別，一級(jí)水域?yàn)橛谰盟w中最細(xì)小的支流形成斑塊內(nèi)循環(huán)；二級(jí)水流連接公園內(nèi)的湖面和城市河道；三級(jí)水流自然河流。

2 區(qū)域灰綠結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的耦合

從中觀的區(qū)域雨水生態(tài)規(guī)劃來(lái)說(shuō)，城市的不同區(qū)域存在不同下墊面狀態(tài)以及不同水文特征與雨洪敏感性，宏觀層面下的水綠生態(tài)網(wǎng)絡(luò)格局，無(wú)法滿足精細(xì)化的水文管理。因此應(yīng)充分分析不同區(qū)域下墊面的雨水滲、蓄、排能力差異，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件、水資源狀況以及雨洪敏感性劃分低影響開(kāi)發(fā)分區(qū)，根據(jù)各區(qū)域不同特征，制定相應(yīng)的低影響目標(biāo)，規(guī)劃與之相應(yīng)的LID綠色基礎(chǔ)設(shè)施組合。

城市作為多重復(fù)合的聚合體，由多元混合匯水空間構(gòu)成，其系統(tǒng)大體由建筑、道路、廣場(chǎng)、綠地以及水域等5個(gè)匯水單元構(gòu)成，其中包含70%左右的人工基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境，以及30%左右的生態(tài)要素，這類傳統(tǒng)的城市雨洪管理僅僅依靠人工排水系統(tǒng)無(wú)法滿足城市雨洪的最佳管理[5]。通過(guò)建構(gòu)城市綠灰共生體系，植入雨水滯蓄、凈化、導(dǎo)流、滲透等多功能的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，并將其與灰色基礎(chǔ)設(shè)施在城市水文循環(huán)系統(tǒng)中形成關(guān)聯(lián)機(jī)制，明確兩者之間的組成結(jié)構(gòu)、空間關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地表徑流的控制和利用。其中，組成結(jié)構(gòu)是通過(guò)協(xié)調(diào)從要素到系統(tǒng)的關(guān)系的作用機(jī)制，明確各要素的規(guī)模、結(jié)構(gòu)關(guān)系以及空間布局的動(dòng)態(tài)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)從“單一規(guī)?！M成結(jié)構(gòu)—整體布局”的多層級(jí)水綠交融和諧統(tǒng)一。其核心理念是將2個(gè)獨(dú)立的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)之間通過(guò)各種相互作用而彼此影響以至聯(lián)合起來(lái)的現(xiàn)象，是在各子系統(tǒng)間的良性互動(dòng)下，形成的相互依賴、相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系。

通過(guò)數(shù)字技術(shù)措施使城市水文過(guò)程模擬自然水文循環(huán)過(guò)程，按因地制宜和經(jīng)濟(jì)高效的原則選擇LID技術(shù)及其組合方式，構(gòu)建綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，形成綠灰耦合的區(qū)域級(jí)別雨水管理系統(tǒng)。在建綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)下將不同雨水控制系統(tǒng)堆疊，每1個(gè)系統(tǒng)有其一定的雨洪價(jià)值權(quán)重，通過(guò)疊加、并置等方式將區(qū)域內(nèi)各要素組合成為影響水文管理系統(tǒng)，提升城市的雨洪調(diào)蓄、雨水涵養(yǎng)能力。綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)由源頭控制系統(tǒng)、遷移控制系統(tǒng)和末端治理系統(tǒng)構(gòu)成。源頭控制措施指在各污染發(fā)生地?cái)r截凈化地表徑流污染物的一系列措施，如生物滯留系統(tǒng)、綠色覆蓋措施等；遷移控制措施指在城市徑流產(chǎn)生后到受納水體間的過(guò)程中加以控制，如透水鋪裝措施等；末端控制措施指在地表徑流與受納水體在水陸交錯(cuò)帶相遇處進(jìn)行控制和凈化治理，如人工濕地措施等。其核心理念是將多個(gè)獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)之間通過(guò)各種相互作用而彼此影響以至聯(lián)合起來(lái)的現(xiàn)象，是在各子系統(tǒng)間的良性互動(dòng)下，形成的相互依賴、相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3 單元基礎(chǔ)設(shè)施的生態(tài)功能嵌入

從微觀層面上說(shuō)，優(yōu)化綠色基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及植物搭配等技術(shù)問(wèn)題是LID措施的核心問(wèn)題。綠色基礎(chǔ)設(shè)施主要分為截留技術(shù)、促滲技術(shù)和調(diào)蓄技術(shù)以及生物滯留技術(shù)4種[6]。其中，截留技術(shù)是通過(guò)生態(tài)構(gòu)造措施介入，增加雨水匯集面積，緩解徑流速度；地表促滲技術(shù)是通過(guò)改變下墊面結(jié)構(gòu)形式，促進(jìn)雨水滲透、過(guò)濾及凈化的技術(shù)措施；調(diào)蓄技術(shù)是儲(chǔ)存與凈化徑流雨水的作用，當(dāng)設(shè)施內(nèi)的雨水達(dá)到飽和時(shí)，通過(guò)溢流口排入市政雨水管網(wǎng)，而干旱時(shí)可向周邊綠地提供水資源；生物滯留系統(tǒng)依靠植物同化與吸收作用、底泥微生物修復(fù)作用、填料層物理過(guò)濾作用、吸附、離子交換以及礫石的固體沉淀作用等凈化雨水中的污染物質(zhì)[7]。4種技術(shù)協(xié)同作業(yè)構(gòu)成了城市水環(huán)境優(yōu)化的最佳介質(zhì)，也是構(gòu)成城市海綿體的重要組成部分，如何建立良好的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，主要步驟包含以下幾點(diǎn)。

建立灰綠基礎(chǔ)設(shè)施單元類型庫(kù)與雨水基礎(chǔ)設(shè)施性能指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。為實(shí)現(xiàn)整體的城市雨水動(dòng)力系統(tǒng)需要根據(jù)不同的場(chǎng)地特征賦予其不同的綠色功能，4種不同的LID技術(shù)又包含多樣性的LID設(shè)施，如透水道路、生態(tài)屋面、生物滯留池、下沉式生態(tài)綠地、人工雨水濕地、干濕塘、蓄水生態(tài)池、調(diào)蓄水塘、植草溝、滲渠、植被過(guò)濾帶等[8]。因此，需要根據(jù)區(qū)域特征的信息庫(kù)，設(shè)置不同的LID設(shè)施，并根據(jù)兩者對(duì)應(yīng)的關(guān)系制定相應(yīng)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元類型庫(kù)，從而形成場(chǎng)地信息與LID設(shè)施相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

不同場(chǎng)地類型建造的相同類型的LID設(shè)施又具有多種不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)造模式，其多重的參數(shù)影響著不同功能層的影響效果，因此需要采取以下創(chuàng)新基礎(chǔ)適應(yīng)不同場(chǎng)地：植物種群及種植方式管理，LID設(shè)施應(yīng)采取群植的種植方式，根據(jù)雨水流量、污染源特征、環(huán)境特征選取相應(yīng)的植物類型，其核心目的是形成適當(dāng)?shù)挠晁晁疂B透能力、加強(qiáng)污染凈化能力，通過(guò)多樣的植物配置，不僅能豐富景觀形式、同樣提升生態(tài)功能，對(duì)于植物的選取應(yīng)考慮其耐受性、耐污能力及抗病蟲能力，從而保持長(zhǎng)期的凈化能力；基質(zhì)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與滲透通暢問(wèn)題，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性防止堵塞是LID設(shè)施的核心問(wèn)題，同樣是延長(zhǎng)措施使用壽命的最有效方法，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性通過(guò)LID下部墊層的組織模式、堵塞問(wèn)題通過(guò)表層材料的堆積方式，因此墊層的構(gòu)成方式與表層基質(zhì)組織方法能夠維持措施的穩(wěn)定運(yùn)行，因此表層應(yīng)采取粗糙介質(zhì)作為主要材料、基層材料應(yīng)通過(guò)細(xì)粒徑的材料為主核心。

4 結(jié)論

由于對(duì)于低影響開(kāi)發(fā)的研究多數(shù)停留在小尺度的源頭式分散型設(shè)施上，只適用于低強(qiáng)度、高頻率的降雨。因此，未來(lái)的研究應(yīng)將視野面向城市系統(tǒng)，通過(guò)低影響開(kāi)發(fā)的方式調(diào)整和優(yōu)化城市肌理的特征，通過(guò)生態(tài)化的處理方式解決城市雨洪系統(tǒng)的問(wèn)題。在宏觀上利用適應(yīng)性分區(qū)、自然生態(tài)疏導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)、水域匯集終點(diǎn)，從而達(dá)到生態(tài)為主導(dǎo)的城市海綿系統(tǒng)。

優(yōu)質(zhì)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施聚合體成為實(shí)現(xiàn)低影響開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)手段，因此合理選擇綠色基礎(chǔ)設(shè)施及其組合方式進(jìn)行優(yōu)化分析，量化不同配置下雨水徑流與面源污染負(fù)荷響應(yīng)情況及其綜合效益，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助決策，進(jìn)行多目標(biāo)決策分析，提出優(yōu)化的配置方案。

優(yōu)化綠色基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及植物搭配等技術(shù)問(wèn)題是LID措施的核心問(wèn)題。通過(guò)對(duì)截留技術(shù)、促滲技術(shù)和調(diào)蓄技術(shù)以及生物滯留技術(shù)的技術(shù)更新，合理選擇植物管理、緩解基質(zhì)的堵塞問(wèn)題、提高材料的適應(yīng)性，從而形成盈盈基地特征的雨水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。