陜北河谷川道小城鎮水適應景觀設計策略初探

劉 華，雷振東

(西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055)

陜北黃土高原旱澇明顯，7～9月暴雨頻發，短歷時強降雨引發水土流失，城鎮建設用地內澇，尤其是黃河主要支流中下游寬闊河谷階地上，近年來隨著城鎮擴張內澇加劇明顯.目前，國內外對內澇研究主要集中于城市“海綿城市”建設規劃方面，城市雨洪管理、水敏感城市設計、水系統彈性研究為治澇提供了寶貴經驗，其中，逐級滯蓄雨水，分區管控，“彈性應對”及“可塑性”的理念極具現實意義.這些研究多集中于大中城市及微觀場地內雨水設施設計，對村鎮涉及很少，尤其是陜北丘陵溝壑區地貌復雜，人口密度、產業結構、城鎮布局、自然基底環境等條件與城市不同，不能照搬城市建設經驗，需要因地制宜的景觀設計方法與策略，因此，根據陜北河谷川道小城鎮內澇現狀，結合現有海綿城市基礎理論，借鑒陜北村鎮水土保持，傳統農業經驗，探討城鎮水適應景觀設計策略.

1 陜北河谷川道小城鎮內澇現狀與問題

陜北黃土丘陵溝壑區位于延安以北，長城以南，基本地貌由黃土梁，黃土峁和河谷構成，河谷川道人口最為密集，人居環境好，是小城鎮的主要聚集區.上游河谷斷面呈“V字形”，河道狹窄且流速快，尤其是位于河道上游小城鎮受坡面徑流影響較大，在暴雨時節面臨水土流失和洪水威脅；中下游河谷川道小城鎮斷面呈“U字形”，分布于較寬的河流階地上，坡面較緩，城鎮建設用地不斷沿河谷填充式擴張，使地表徑流更加明顯，雨水管渠設計不能滿足排放需求，暴雨時地表徑流常夾帶著污染物不經凈化流入河道，寬闊河谷階地因內澇影響農作物生長，道路積水嚴重，彈性應對降水時空變化能力弱，河道下游泥沙淤積使得地表徑流有效排放與行洪安全存在兩難境地[1].

因此，亟需對既有城鎮綠地、道路、水系、開放空間進行水適應景觀設計改造，減少水土流失，促進河道行洪安全，改善城鎮內澇，營建舒適，安全，生態的城鎮人居環境.

2 內澇成因分析

陜北小城鎮內澇成因復雜，地表徑流大小在降雨量一定條件下，主要受地形坡度、綠化覆蓋程度及土壤下滲性三方面影響.

流域上游河谷川道小城鎮梁峁上部坡度大，尤其遇短歷時強降雨時，徑流流速快且流量大，坡面綠化不足，坡面下部缺乏雨水滯蓄設施，農田林網覆蓋率低滯蓄雨水能力不強，自然環境與建設用地邊界明顯，缺乏向人工環境楔形滲透，雨水調蓄能力不足，階地一側建設用地狹窄，集中承接來自上方過多的徑流，因此，水適應景觀需有組織排放徑流，尤其是小流域出水口城鎮河道行洪安全.

流域中下游河谷川道小城鎮上部坡陡，徑流流速快；中坡坡度變化較為均勻，流速居中；下部坡緩，徑流流速慢.平緩坡及中坡占據鎮域較大面積，自然行瀉通道和匯水節點多被建設用地占據，濕地坑塘被填埋，農田林地被蠶食，綠地多呈零星點狀，景觀尺度及形態單一，網絡連通性差，滯蓄消納雨水能力不足[2]，城鎮下墊面的改變使土壤下滲能力顯著降低，地表徑流系數增大，徑流峰值增高，匯流時間縮短，而小城鎮雨水管渠設計重現期標準普遍偏低，易內澇.河道渠化及泥沙淤積使水位漲落明顯，易受洪水災害.因此，處于緩坡峁頂及平緩坡面下滲性好，有滯蓄消納雨水潛力，水適應景觀應在降雨量較少時收集利用雨水，降雨量大時使雨水設施具有一定調蓄容積，能夠控制坡面徑流緩釋慢排，改善城鎮內澇并抵御洪水災害.

3 內澇應對策略

“重工程，輕生態”的城鎮內澇防治和防洪設施能解決部分城鎮水問題，但城鎮自然水文生態過程是復雜的，“灰綠結合”才能韌性應對城鎮雨澇災害.陜北傳統雨水利用智慧中因地制宜，順應自然和與水為友的水資源利用管理方式為現代村鎮建設提供了一定經驗.本文借鑒陜北丘陵溝壑區傳統造田集雨工程技術和徑流集雨工程技術建設經驗[3]，通過多尺度小城鎮水適應景觀設計，實現雨水層層滯蓄，防洪排澇，促進水土保持并使雨水資源化利用.

3.1 鎮域尺度

面積為數十平方公里，以非字形河道生態系統為軸，兩側為平地，邊緣為坡地.降雨匯流過程概括為：雨水+上游河口+其它河道—地表徑流—河道—下游河口=流出[4].

小流域型城鎮占河谷川道小城鎮比例少，它以黃河二三級支流以下分水嶺和下游河道出口斷面為自然地理范圍，河道斷面為V型，坡陡河道狹窄，自然生態系統占據小流域主要面積，受高強度降雨影響大，人居點規模有限，因此需退耕還林還草，控制小流域人口密度，規模過小的小流域需進行生態移民.

黃河主次支流河谷川道小城鎮地貌剖面為U型，城鎮人口相對集中，面積大，居住環境及農田灌溉條件好，因此應協調自然生態與人居建設之間關系，控制城鎮沿主河道的填充式發展，在小支溝適當引入生態窯居單元，采用帶狀串珠式交叉布置建設用地與農田林地.河道、梁峁頂及陡坡面為生態敏感區.

因此，建立自上而下的梁峁頂，梁峁坡面，溝坡林草及溝道防護體系，控制城鎮建設密度，促進綠楔向人工環境的滲透，加強生態斑塊及廊道建設，突出景觀異質性和多樣性，對修復鎮域水生態，保障水安全，改善水環境具有重要作用[5].

3.2 鎮區尺度

小城鎮鎮區面積約為1.5～2.8 km2,雨水控制利用設施由低影響開發雨水系統，農田灌排系統構成，末端與鎮區雨水管渠系統和超標雨水徑流系統銜接.

通過恢復鎮區內自然匯水廊道及坑塘濕地，構建以生態廊道為核心的鎮區綠色基礎設施.結合建設用地內低影響開發雨水系統應對中小型降雨，強化林網水系生態連通性，設施與鎮區截留式合流制雨水管渠共同組織徑流排放，最后流入污水處理廠[6]，水體凈化后排入河道.當雨量超過主干管輸水能力時，則通過溢流井匯入末端低洼處的濕塘進行凈化后再排入河道，能夠有效減少河道污染.

小城鎮農田灌排系統中干渠，支渠，斗渠，農渠構成了一層層的農田集水單元，每塊農田集水單元的超標徑流溢流進入農溝，農溝匯流入支溝，支溝匯流入干溝[7]，干溝水體為農田污染水體，經人工濕地凈化后再入坑塘儲存，最后回灌入農田，而多余水量則排至河道(圖1).鎮區上部農田灌排系統能夠截留并利用坡面雨水，消減來自上部的徑流量，而鎮區下部農田承載鎮區超標徑流，分擔雨水管渠排放壓力.

圖1 小城鎮農田灌排系統分析Fig.1 Analysis of irrigation and drainage system in small towns

鎮區低影響開發設施與雨水管渠系統結合，滯蓄回用鎮區中小降雨，大型降雨則通過城鎮雨水管渠系統，超標雨水徑流系統控制應對[8]，從而構成鎮區綜合雨洪控制體系，陜北河谷川道小城鎮水適應景觀正是建立于這個體系之上，對現有開放空間進行設計及改造，恢復生態廊道及節點并有組織進行景觀設計，使城鎮具有“海綿”特性.

根據陜北河谷川道小城鎮鎮區綠色基礎設施各斑塊和廊道的功能側重，景觀歸納為三類廊道和斑塊.

鎮區一級廊道為河流型廊道，因河道流量大，行洪要求高，現狀多采用直立式剛性駁岸，通過結合周邊用地對河流廊道進行改造，單側最窄寬度控制在30 m,從而有效過濾污染物，凈化地表徑流[9].大致為A1,A2,A3三種類型(表1).A1型保留剛性駁岸基礎，駁岸頂部利用柔性生態袋鋪墊坡面，保持水土，形成永久性高穩定自然邊坡；A2型為階梯式駁岸，借鑒陜北傳統造田集雨經驗中梯田的設計理念，分層分段布置擋墻，與種植池和游憩步道結合，滯蓄凈化地表徑流，滿足居民游憩親水；A3型駁岸針對陜北中下游河道局部“地上河”的情況，傳統引黃淤灌，沉淀泥沙的方式能夠韌性應對水位暴漲帶來的問題，鎮區通過局部構筑土坡，抬高岸線高程，坡內設凈水坑塘沉淀泥沙后引灌入農田.

表1 河流廊道類型及圖示表

二級廊道主要包括鎮區通勤廊道和支毛溝生態防護帶(表2).鎮區通勤廊道多呈單幅路和三幅路，單幅路由機非行車道，人行道構成，大致分為B1,B2,B3三種類型.三幅路由機動車道，機非行車道和人行道組成，大致分為B4，B5兩種類型[10].

B1型為緊鄰建筑一側布置的單幅路，在機非車道一側或兩側設置排水U型槽，收集的路面徑流直接流入城鎮雨水管渠系統，人行道采用透水鋪裝，雨水匯入人行道生態樹池，超標雨水溢流入雨水管渠；B2型為兩側緊鄰綠地的單幅路，雨水經透水鋪裝下滲后漫流入生態樹池或沿人行道排水槽匯入兩側下沉綠地，超標徑流匯入下一級雨水利用設施或溢流入雨水管渠系統； B3型要求路面較寬，兩側人行道綠化帶均為植被淺溝，路面徑流匯入植被淺溝，淺溝中利用卵石堆堰的方式消減徑流流速，超標徑流溢流入雨水口[11].B4型的車行道徑流匯入路面隔離帶環保雨水口，最后溢流入雨水管渠，而人行道雨水通過鋪裝下滲并流入生態樹池；B5型路面較寬，主要利用道路隔離帶設置植被淺溝和生態樹池滯蓄，下滲雨水.

支毛溝生態防護帶由生態種植帶和溝道防護工程構成，主要作用是防止坡面徑流造成溝床下切，穩定山坡坡腳.谷坊群設置在坡度大于5%的溝段，谷坊間距，寬度及高度依溝谷地坡度以及防護要求確定，谷坊兩側邊坡為植被種植帶.

表2 二級廊道類型及圖示表

三級廊道包括居住組團間的生活廊道及田間林路.生活廊道分為D1，D2兩種類型,通過植被緩沖帶，干式植草溝或坑塘來滯蓄坡面徑流，超標雨水通過溢流管進入下層蓄水設施.田間道為村莊與農田間道路，沿水利溝渠布局，道路寬度約為3～4 m，分布在道路防護林，經濟作物種植帶，農田，田埂之中(表3).

鎮區斑塊包括澇池及濕塘[12].主要分布在鎮區易積水區域，坡底匯水點及溝頭防護工程中，通過構筑坑塘及生態堤岸蓄水用水，超標雨水通過溢流豎管排入河道(表4).

表3 生活廊道及田間林路類型及圖示表

表4 斑塊圖示表

3.3 居住組團

居住組團為雨洪控制的微觀單元，面積約為5～10 hm2,依據黃土高原小城鎮微觀居住單元源頭控制，分散處理的要求，結合雨水資源化、徑流控制及保水護土的雨水控制目標選擇雨水調蓄設施類型，盡量就地解決居住組團內部徑流，設施面積不足則引入周邊場地進行消納.居住組團各院落基本與等高線平行布置，分布于平坡及緩坡地，可在有高差一側設置石籠墻，上方道路路面徑流通過擋墻頂部豁口流入下部傳輸型植草溝，當道路徑流流量較大時，則宜布置干式植草溝，通過穿孔收集管排出雨水.宅間距離較寬時，宜在道路下部設置滯水型植草溝，超標徑流排向下一級雨水調蓄設施或溢流入城鎮雨水管渠，當居住組團內部有足夠匯水面積則布置凈水型下凹綠地，通過墊層凈化水體后經穿孔收集管匯入組團間澇池后回用.

4 陜北河谷川道小城鎮水適應景觀設計驗證

4.1 化子坪鎮內澇現狀及問題

延安安塞縣化子坪鎮是位于黃河一級支流的陜北河谷川道小城鎮，根據鎮域河流網絡提取，為非字型水系形態，河道兩側及自然匯水廊道受到人為破壞，暴雨季節沿河一側鎮區建設用地易內澇.因此，需要對鎮區水適應景觀展開設計以提高應對暴雨災害能力.

水適應景觀以鎮區建設用地及臨近的一段河道，部分農田及中陡坡林草種植帶為研究范圍，控制在幾個較為完整的自然匯水分區內.通過鎮區坡度坡向分析，河道兩側為平坡(0～3%)，建設用地集中在緩坡(3%～10%)，少部分建設用地和農田集中在中坡(10%～25%)，林地及草地灘涂分布在陡坡(25%～50%).鎮區坡向多為南向，靠近河道區域坡向變化較大，匯流情況復雜.鎮區雨水經各支溝溝谷匯水流入河道，流向自北向南，河道及兩側一定距離處于易澇區.河道北側主要分布城鎮建設用地，地表硬化嚴重，多數自然匯水路徑被填充或打斷，處于坡地的農田因灌排體系設計的不完善，滯蓄雨水能力弱，部分農田超標徑流漫入建設用地.中小型降雨時鎮區建設用地雨水管渠的快排機制使地表徑流直接沿管道排走，在遭遇大暴雨時卻因地表徑流過大，不能及時排出形成局部內澇，加之河道水位暴漲，使鎮區面臨內澇及水患的雙重問題.

通過ArcGIS對鎮區等高線，坡向與用地現狀分析基礎上，把鎮區劃分為七個集水分區(圖2).化子坪鎮鎮區按用地性質大致分為六類，分別為草地灘涂、林地、農田菜地、水域、建筑場地及道路用地，運用景觀格局指數軟件Fragstats，選擇對雨水調蓄能力起關鍵作用的指標，對現狀綠地景觀進行定量分析.其中建筑場地斑塊所占面積最大，連通度指數最高，形狀較規則.林地斑塊密度最大，最為破碎，形狀最不規則，草地灘涂次之，農田菜地的面積分形維數最低，形狀最為規則，聚集度指數最高，斑塊更為集中，水域斑塊最少，最為分散(表5).因此，鎮區需要恢復被建設用地占用的自然匯水路徑，避免硬質鋪地占據大量面積，擴大建設用地內現存綠地的生態效益，消弱人工邊界規整特征，加強外圍自然林草地向鎮區建設用地滲透，凸顯自然邊緣柔和曲線；在現有綠帶基礎上促進橫縱向廊道的連通性，匯水節點位置加大面積；易澇范圍應沿河道退讓，沿河道綠廊建設匯水坑塘及植被過濾帶，分區域凈化鎮區面源污染，通過河流廊道設計改善河道污染并強化行洪安全.

圖2 鎮區疊加分析Fig.2 Overlay analysis of township

類型CA/hm2NP/個PD/個·km-2LSIFRAC_MNPROX_MNCONNECT/%DIVISION/%AI/%PAFRAC草地灘涂20.964 431147.869 911.392 41.176 657.379 215.483 90.911 394.283 51.369 9林地39.136 3113288.734 915.333 31.210 877.868 715.834 40.873 694.2431.281 4農田菜地26.579 41245.147 85.796 61.144 3188.626 219.6970.780 597.659 51.212 1

續表5

類型CA/hm2NP/個PD/個·km-2LSIFRAC_MNPROX_MNCONNECT/%DIVISION/%AI/%PAFRAC水域8.865 6222.5595.677 81.181 1000.047 996.025 7—建筑場地55.543 11628.806 410.108 91.165 11 884.122 729.166 70.656 296.930 11.467 3道路用地4.315123.17510.455 11.440 800088.424 6—

注：CA為斑塊類型面積；NP為斑塊數；PD為斑塊密度；LSI為斑塊形狀指數；FRAC_MN為平均斑塊分維數；PROX_MN為斑塊臨近指數；CONNECT為連接度指數；DIVISION為景觀分割指數；AI為聚集度指數；PAFRAC為面積分形維數.

4.2 化子坪鎮鎮區水適應景觀設計

4.2.1 鎮區綠色基礎設施構建

在對現狀問題分析的基礎上，沿等高線設計生態廊道連通鎮區現狀綠地斑塊，把匯水區內面積較大斑塊改造為下凹綠地，溢流雨水與城鎮雨水管渠銜接；恢復貫通鎮區的匯水廊道，毛溝通過谷坊防護工程加護；完善鎮區建設用地上部的梯田排水系統，通過農溝，斗溝，支溝，干溝層層滯蓄雨水，干溝與等高線基本平行，集中收納農田的超標徑流，因梯田為塊狀散布在坡面，因此強化干溝與自然溝道的橫向連通來改善鎮區上部雨水滯蓄能力，并引入蓄水罐或坑塘收集雨水回灌農田；沿城鎮交通主干道布置低影響開發設施，設施末端與雨水管渠系統銜接；沿河流廊道退讓易淹沒范圍，根據河道兩側用地性質分段設計河道斷面，農田及生活污水在排入河道前沿輸水設施匯入坑塘凈化.

最終形成綠地水系橫縱向連通，豎向分層消解徑流的綠色基礎設施網絡，它同城鎮雨水管渠系統“灰綠結合”綜合提升鎮區水適應能力(圖3).

圖3 鎮區綠色基礎設施網絡構建圖Fig.3 Green infrastructure network construction plans for townships

4.2.2 鎮區主要廊道及斑塊設計

根據河道兩側用地性質及地形地貌，分段設計河流廊道.易淹沒地區應拆除建筑物，因河道行洪要求高，因此保留剛性駁岸基礎，頂部用植被覆蓋，采用A1型河流廊道設計；建設用地及農田區段產生的超標徑流應在排放至河道前進行預處理，采用A2型階梯式駁岸設計，層層沉淀分解污染物；在局部“地上河”區域“引黃淤灌”，沿河道一側構筑土坡及坑塘，凈化河水灌溉農田，彈性適應河道水位變化，采用A3型駁岸.

現狀鎮區主干道由單幅路與三幅路組成，中部三幅路可改造為B5模式，路面雨水漫溢入道路綠化隔離帶和人行道生態樹池，超標徑流匯入城鎮雨水管渠.兩端單幅路因路面狹窄，可改造為B1模式，人行道徑流匯入生態樹池，沿穿孔排水管排走，機非車道雨水漫溢入路面兩側排水U型槽.支溝谷坊工程設施主要分布于鎮區匯水溝道，利用坡面匯水帶設置集水罐或澇池，用于滯蓄雨水自流灌溉，超標雨水通過溝內谷坊層層滯蓄，采用多排植物密植型谷坊.生活廊道位于緩坡地，道路在迎水面一側采用干式植草溝，最后匯流至鎮區澇池.田間林路依據現狀選用E型梯田，道路，溝渠與種植帶結合模式.鎮區斑塊是居住組團間分布的圓形澇池，現狀澇池已干涸且無凈水裝置，可在徑流雨水匯入澇池之前利用前置塘沉淀，并沿澇池邊種植植物，為鎮區居民創造一處游憩場地.另一處斑塊在鎮區南側農田區域，現狀農田污水直接排入河道，因此，通過沿河道一側構筑坡地，內側修筑生態輸水溝，延長排放路徑凈化污染物，最后匯入現狀保留的坑塘，最終通過溢流管排入河道.

4.3 居住組團綠地景觀設計

居住組團是鎮區微觀單元，分布于平坡和緩坡地，由建筑、道路、綠地、水體構成.居住建筑為一，兩層磚混結構，呈條帶形建筑形態，隨等高線靈活布置，沒有明確的道路體系，院落道路間距約為3～4 m.

組團布局大致歸納為四類，分別為密集排列型、中心圍合型、分散布置型和公共場地型(圖4).其中密集排列型是最常見類型，建筑密度大，硬化率高，宅間道路沒有綠化，地表徑流量最大，尤其匯水區低洼處的居住組團易積水；中心圍合型居住建筑密度低，綠地面積大且集中，下滲雨水能力強，但是滯蓄雨水能力弱，多靠近匯水帶布置；分散布置型組團綠地出現在道路交叉口及場地邊角地帶，綠地過于分散，面積小，滯蓄下滲雨水能力不強；公共場地型以較寬闊場地為中心，為裸地，是組團內主要的活動區域，但收納周邊用地雨水能力不強.

圖4 居住組團布局類型Fig.4 Layout types of residential groups

基于居住組團四種綠地布局模式，得到不同的源頭消減，徑流控制的方法.密集排列型可利用道路一側植草溝傳輸雨水，采用干式植草溝，雨水隨植草溝底部穿孔收集管排走；中心圍合型把建筑組團內雨水匯聚入綠地，超標雨水通過溢流暗管流入周邊下凹綠地或者沿干式植草溝匯入地勢低洼地帶；分散布置型利用分散的下凹綠地滯蓄雨水，超標雨水則通過明溝或暗管排出；公共場地型可采用凈水型下凹綠地，收集周邊場地徑流，凈化后排入澇池進行回用，下凹綠地周邊種植喬灌木，形成一處活動場地.

5 結語

依賴單一工程化設施解決城鎮水問題的方式過于片面，人水共生，韌性應對的水適應景觀設計方法是與自然過程相適應的.文章基于陜北河谷川道小城鎮內澇成因分析，借鑒陜北丘陵溝壑區傳統造田集雨工程技術和徑流集雨工程技術建設經驗，提出小城鎮水適應景觀設計策略.宏觀層面劃分鎮域生態敏感區；中觀鎮區層面通過低影響開發設施、雨水管渠系統、農田灌排系統、超標雨水徑流系統相配合構建鎮區綠色基礎設施，歸納出三類廊道及斑塊的設計策略；微觀從居住組團層面提出低影響開發設施組合及應用方式.從而實現雨水源頭控制、資源化回用、減澇防洪、控制城鎮面源污染、水土保持的多目標要求.這種多尺度，多目標，地方適宜技術引導下陜北河谷川道小城鎮水適應景觀設計策略符合未來生態城鎮建設要求.