基于景感學的景感營造研究
——以雨水花園為例

馬曉菲,石龍宇

1 中國科學院城市環境研究所 城市環境與健康重點實驗室, 廈門 3610212 中國科學院大學, 北京 100049

城市是一個復雜的社會-經濟-自然生態系統,容納著最密集的人群及人類活動。城市化是提升居民居住條件、解決諸多民生問題的重要途徑。但隨著城市居民數量持續上漲,城市建筑愈發高密度化導致越來越多自然地面被不透水地面替代[1- 2],自然地面原有的水源涵養功能隨之丟失。城市現有雨洪管網難以滿足所需,內澇肆虐、徑流污染等問題隨之而來,影響了城市居民的正常生活和城市的有序運行。同時,不透水地面擴增對水文生態平衡也造成了不容忽視的威脅[3- 4]。為解決上述雨洪失控問題,國務院辦公廳于2013年發布的《關于加強城市基礎設施建設的意見》,強調“應該根據地域特色在建成區建設徑流調蓄基礎設施,增強防洪防澇能力”。2015年發布的《國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見》指出：“應通過海綿城市建設,綜合采取‘滲、滯、蓄、凈、用、排’等措施,將70%的降雨就地消納和利用”。雨水花園作為典型的用于雨洪管理的生態基礎設施,是建設海綿城市、進行低影響開發和城市暴雨管理的重要手段[5- 6],能以一種自然方法削減徑流、延遲洪峰并以分解、吸收、截留污染物等方式凈化水質[7- 8],且其結構簡單、造價低、施工管理簡便[9],已被較多地區與國家用于城市雨洪管理[5]。

為最大限度地發掘、保持、提升雨水花園的生態系統服務能力,進而提升當地居民的生活質量與區域可持續發展水平,研究團隊在中國科學院城市環境研究所(以下簡稱“城市所”)內建成了一座雨水花園研究示范樣地(以下簡稱“樣地”)。樣地還包括一套基于“物聯網”技術設計而成的徑流控制效益監測系統(以下簡稱“效益監測系統”),主要用于監測與分析樣地的徑流控制過程和效率。

景感學作為研究生態系統服務和可持續發展的有效途徑[10],以它為指導進行土地規劃、建設、評價、管理和調控,能在保持、改善和增加區域生態系統服務水平的同時,更能增強人們對可持續發展意識及其相關理念的理解和認同[11]。下文將以樣地為例,基于景感學分析其營造途徑和原則,探究其生態系統服務能力,為雨水花園這類生態基礎設施的營造提供借鑒經驗。

1 景感學與景感營造的概念及內涵

景感生態學是基于生態學的基本原理,從自然要素、物理感知、心理認知、社會經濟、過程與風險等相關方面,研究土地利用規劃、建設與管理以實現可持續發展的學科。它的實質是為適應社會發展與人們需求的變化,基于景觀生態學提出的一種新的土地利用規劃方法[10,12]。自我國生態學家趙景柱于2015年提出景感生態學以來,相關理論與方法體系被視為分析與提升區域生態系統服務能力的有效途徑。例如,Yu[13]等人基于景感生態學的理論體系,建立了自然保護區的保護框架與策略；Xiong[14]等人基于景感生態學的方法體系,調研了旅游者的景感體驗,進而為旅游區規劃提供參考意見；Zheng[15]等人基于景感生態學的理論和方法,進行崇明島生態工業園區的景感營造。

為將景感生態學的內涵與研究內容進一步延伸與擴展,趙景柱等人又于2020年提出廣義景感生態學(或景感學,在景感生態學基礎上,形成的景感營造理論和方法的研究)這一科學,界定了景感(人們通過適當的表現形式將某一或某些愿景賦予或融入某種載體,使其他人能夠從這一載體及其相關的表現形式領悟這一或這些愿景,具備這些屬性的載體即為景感)和景感營造(指構思設計與建設形成景感的過程)的定義[11],并且總結了景感營造的3種方法與8項原則；明確了景感營造作為以景感學為理論基礎的一種生態恢復和建設手段,應結合當地自然環境條件、居民生活、生產、文化等特征開展相關工作；拓寬了景感生態學的應用范疇,使其不僅限于指導區域土地利用與規劃,還能應用于詩歌、畫作類藝術品鑒賞[16]等領域。從景感學的內涵與應用范疇分析,基于這一科學探究樣地的營造過程,有助于保持、提升雨水花園的生態系統服務能力,進而持續地提升當地居民的生活質量。

2 雨水花園營造過程

根據“景感”這一概念,可知雨水花園樣地具備顯著的景感屬性,承載了設計與建設者賦予的愿景：“建設雨水花園提供以徑流控制為主的生態系統服務,以此調節自然環境,緩解城市雨洪管理失控問題,使人-生態基礎設施-自然環境和諧共生,提高人們對居住環境的滿意度與對可持續發展意識及其相關理念的認同度”。由這一愿景的概述可知,樣地提供的生態系統服務是傳遞并實現愿景的核心,即人們對樣地供給的生態系統服務的感知與享受就是愿景被認同和實現的過程。下文將以樣地為景感實例分析其營造途徑與原則。

2.1 雨水花園樣地結構

樣地位于城市所內的景觀河畔,如圖1所示。城市所前期建成的景觀河為樣地非雨期試驗用水與雨期的凈化水體排放提供了適宜的途徑。樣地由進水池、集水池、效益監測系統三部分組成。

(1)進水池為樣地主體,用于收集徑流入水并利用基質層削減徑流量并凈化水質,其基質層從上至下為蓄水層、覆蓋層、種植層、第一土工布層、第一礫石層(過濾層)、第二土工布層、第二礫石層(排水層)。蓄水層中安置有液位計與水質儀兩項傳感器,用以監測徑流入水量與水質。種植層根據當地氣候條件、植物形態與優缺點,選種了翠蘆莉與花葉絡石兩種本地物種,抗旱耐澇,維護成本低。外側花葉絡石枝蔓發達,可作為柵欄格擋入水中的枯枝落葉；中部翠蘆莉根系發達,有顯著的凈化水質作用。排水層中安置的滲濾管由進水池通向集水池。

(2)集水池用于收集經進水池處理過后的徑流出水,其中安置有液位開關、流量計與水質儀三項傳感器,用以監測徑流出水量與水質。集水池中還安置有抽水水泵、排水管,抽水水泵根據集水池中液位開關的測量值啟動和關閉,當液位高于水泵啟動值時,水泵抽水外排至景觀河；當液位低于水泵啟動值時,水泵停止工作。集水池中的凈化水體通過排水管排放至景觀河。

(3)效益監測系統由監測、供電、傳輸、分析四個子系統組成,其運作原理為利用安置在樣地基質層與集水池中的各類傳感器,實時監測與采集徑流處理前后的徑流水量與水質數據,各類傳感器實時讀取數據并將所得數據傳送至數據庫存儲與處理,進一步借助分析子系統得出徑流控制效率。監測子系統通過樣地中安置的各類傳感器實時監測徑流數據；供電子系統由蓄電池與太陽能板組成,供電給監測、傳輸與分析子系統；傳輸子系統用以讀取并存儲監測子系統監測的徑流數據；分析子系統作為半自動化系統,主要是根據傳輸子系統儲存的徑流數據對樣地的徑流控制效率進行分析。

圖1 雨水花園及其監測系統照片Fig.1 The picture of rain garden and its monitoring system

2.2 景感營造途徑

以適宜的途徑進行景感營造有助于最大限度地保持、改善和增加景感的效用。研究團隊在建設樣地之初,期望借助樣地研究并提升雨水花園以徑流控制為主的生態系統服務,緩解城市徑流失控問題,促進人-生態基礎設施-自然環境和諧共生,提高人們對居住環境的滿意度。本研究中景感營造途徑為研究團隊將愿景融入新構建的載體,形成樣地這一景感。

2.3 景感營造原則

景感營造過程中,不僅需要考慮景感本身的特征,當地生態條件、資源稟賦、居民的生活、生產、文化水平等都是影響景感后期發揮效用的關鍵因素。為景感能達到甚至超出預期效用,景感營造需要因地制宜并結合營造原則將愿景融入其中。由于景感營造原則相互關聯,通常景感的一些內部或外部屬性可體現景感營造時遵循的原則。樣地營造過程中體現了愿景呈現的雙向性、方位的順脈性、營造過程的漸進性原則。

2.3.1愿景呈現的雙向性

樣地營造之初,研究團隊期望能以它為研究平臺探究并提升雨水花園以徑流控制為主的生態系統服務能力,緩解城市雨洪管理失控問題。樣地建成之后,多次有學生與學者來訪城市所參觀學習,研究團隊會就來訪者對樣地產生的興趣點與科學問題進行講解。來訪者可通過物理感知能力感受并享受樣地產生的部分生態系統服務,進而領悟到這一景感所蘊含的愿景。樣地也逐漸成為城市所具有顯著科教意義的生態基礎設施。研究團隊將愿景注入樣地這一載體,通過講解與其他輔助手段,來訪者能夠領悟到樣地蘊含的愿景,研究團隊與來訪者在交流過程中產生了對愿景的共鳴。

2.3.2方位的順脈性

樣地營造之前,研究團隊調研了城市所的區位條件、資源稟賦、居民生活與生產及文化等特征。為利用景觀河供應樣地非雨期試驗用水并接收樣地雨期的凈化水體,計劃將樣地建在景觀河沿線一角；為樣地便于匯集路面雨水,計劃將樣地建在城市所一條主路旁邊,利于借助路面高低差將徑流引入進水池；經過綜合考量后確定了樣地的地理位置。樣地營造充分考慮了所處位置的地勢條件,與城市所總體布局脈勢保持一致。

2.3.3營造過程的漸進性

在樣地營造之前,前期建成的路面與景觀河為樣地營造奠定了良好的基礎,能有效促進樣地發揮效用。進行樣地營造時,研究團隊根據建設過程中遇到的實際困難,對營造規劃方案進行優化和調整；樣地建成后,研究團隊根據研究需求變化,增加了效益監測系統的傳感器類型,更新了數據傳輸設備。雨水花園樣地營造的過程是根據研究目標不斷調整和優化的,體現了景感營造的漸進性原則。

3 雨水花園的生態系統服務

生態系統服務是聯系生態基礎設施與居民福祉的重要橋梁,它可直接或間接惠及人們[17],有助于提高公共健康和城市居民的生活質量[18]。生態系統服務是指自然生態系統及其所屬物種支持和維持人類生活的條件和過程[19- 20],它的價值是無限的,是人類生存的基礎[21]。由聯合國發起的“千年生態系統評估[22]”項目將生態系統服務分類為支持服務、調節服務、供給服務和文化服務,也是當前應用最為廣泛的生態系統服務的分類之一[23- 27]。

雨水花園作為保障、提升生態系統服務水平的生態基礎設施之一,能為人們提供調節服務、支持服務與文化服務[28]。雨水花園供給的生態系統服務是它作為景感所被賦予的愿景核心,人們通過物理感知與心理認知能力去感受并享受其提供的生態系統服務,即是人們領悟愿景的過程。其中,物理感知可影響心理認知程度,心理認知水平同樣會作用于物理感知[11]。下文以樣地為例,分析雨水花園供給的調節服務、支持服務與文化服務,并解讀人們如何利用視感、嗅感、聽感、味感、光和觸感等物理感知感受并享受這些生態系統服務。由于監測系統可監測樣地的徑流控制過程并分析控制效率,下文采用徑流削減效率公式分析樣地以徑流控制為主的調節服務,對支持服務和文化服務的探究以定性分析為主。

3.1 調節服務

以徑流削減為主的調節服務,是雨水花園最顯著的生態系統服務價值[29]。雨水花園主要通過基質層削減徑流量,科學地設計、建設雨水花園可使其徑流削減量高達100%[30]。此外,各基質層能以過濾、分解、植物富集吸收等方式凈化水質,包括對徑流中SS、COD、重金屬(Pb、Zn、Cu、Fe、Cd)等都有良好的去除率[31- 34]。翠蘆莉與花葉絡石茂盛的葉片能附著人們在主路上通行產生的揚塵,且這兩種植物可通過光合作用與蒸騰作用促進局部氣候的降溫增濕與釋氧固碳[35]。可見雨水花園能通過多種途徑提供調節服務。一般情況下,人們可通過視感與觸感能力觀察到植物表層附著的揚塵,可通過觸感感受到局部空氣濕度增加、溫度降低等調節服務,但難以通過物理感知直接察覺徑流削減、水質凈化與釋氧固碳等調節服務,需要利用科學方法與儀器進行分析。

本研究中,分析子系統作為半自動化系統,根據遠程數據中心儲存的徑流量數據對樣地的徑流削減效率進行分析,計算公式如式(1)。數據及來源為監測子系統測得2018年10月至2019年6月的日均降雨量,通過加和計算得出期間9個月的月均降水量；流量計可測得水泵工作時的累計抽水量,根據每月起止日期的抽水量數據可得到每月抽水總量；液位計測得2018年10月至2019年6月集水池每月的液位變化；相關數據如表1所示。

(1)

式中,Win為進水池中徑流總流入量,可通過降雨量推算得出,計算公式為：Win=φ·q·F,其中F為樣地匯水區域的面積；q為降雨量,由雨量計測得；φ為樣地匯水區域的雨量綜合徑流系數；Wout為進水池中徑流總流出量,計算公式為Wout=w+Δh·a,其中w為集水池中流量計測得的流量,Δh為集水池中液位開關測得的液位變化,a為集水池的面積。

利用式(1)計算得出樣地2018年10月至2019年6月的每月徑流削減率分別為100.0%、98.4%、89.6%、90.7%、91.6%、87.6%、89.1%、91.2%、94.7%,最后計算得到樣地的年徑流削減總量為91.2%,遠超《海綿城市建設技術指南-低影響開發雨水系統構建》與《廈門市海綿城市建設試點城市實施方案》為廈門設定的年徑流總量的控制區間70%—85%。

表1 2018年10月至2019年6月雨水花園樣地運行情況

3.2 支持服務

基于植物的生長特征與城市所的氣候、地理環境特征,研究團隊在樣地中栽種了翠蘆莉與花葉絡石。廈門多高溫與臺風天氣,要求植物具有較強抗性,否則易增加更種成本。翠蘆莉生命力強、能較好地適應各類土壤、地勢與光照等環境,還能耐高溫[36]；花葉絡石具有外形強健、少生病蟲害、適應環境能力強、耐旱性強、抗短期洪澇性好、分藤能力強、管理簡單等優勢[37]；兩種植物較強的抗逆性等優點都較適合種植在樣地中。植物擁有抗病蟲害與生長能力強等性能,可減少甚至避免殺蟲劑、助生長劑等化學試劑的使用,有助于維持基質層土壤質量,并為微生物群落提供良好的棲息地。翠蘆莉和花葉絡石混合栽種有助于增加植物物種多樣性[38]。植物物種多樣性越高,為各種動物和微生物提供棲息地的生態系統支持服務功能越強。

3.3 文化服務

樣地主要通過供給人們審美與科教、啟智等體驗提供文化服務。作為科研團隊用以探索并提升雨水花園生態系統服務能力的研究平臺,樣地多次作為城市所的示范性生態基礎設施之一接待前來參觀交流的科研人員與學生。研究團隊會從樣地的基質組成,其中分布的傳感器及其效用,栽培植物的生長習性,效益監測系統設計及其工作原理等方面進行深入的講解。其中蘊含著豐富的知識體系,既能與同行科研人員交流、討論研究發現,也能為一些非專業的參觀者傳授知識。樣地具有的科學教育價值顯著。

翠蘆莉的外觀形態優美、花期較長、花色為獨特的藍紫色、四季枝葉常綠等特征保證了其良好的觀賞價值[39]。花葉絡石為常綠藤蔓植物,柱形強健,植株多彩艷麗,視覺上極具層次感,可觀賞期較長。因對光照敏感,葉色還會在不同的光照時長和強度下產生漸變效果,緊湊生長的狀態下似怒放的鮮花[40- 41]。翠蘆莉與花葉絡石組合栽種,在樣地中形成了具有較強審美價值的色彩斑塊。一般情況下,人們可直接通過視感感知、享受審美服務；在研究團隊的講解下,人們可通過視感、聽感感知并享受啟智、環境教育等文化服務。

由表2可知,以樣地作為研究實例探究發現雨水花園具備顯著的生態系統服務能力,可為人們提供調節服務、文化服務、支持服務,且幾類服務之間互為影響。雨水花園的徑流削減、水質凈化、降溫增濕與釋氧固碳等調節服務,以及為微生物群落提供棲息地等支持服務,保障了雨水花園的環境教育、生態保護、可持續發展思想啟發等文化服務。

4 討論

國內外已有諸多研究聚焦于采集徑流數據樣本,結合TOPSIS綜合評價法[42]、SWMM模型模擬法[43- 44]、數值模擬法[45]等模擬和計算的方法,分析雨水花園為區域供給的以徑流控制為主的調節服務。目前,對雨水花園的支持服務和文化服務的研究相對較少,更是少有研究從人的主觀感知角度探討雨水花園的生態系統服務能力[46- 47]。基于景感學的理論,本研究探究了樣地的營造過程及其生態系統服務能力,既從宏觀角度闡明了雨水花園的生態系統服務范疇,同時也從“人的物理感知”的微觀角度解讀了生態系統服務是如何輻射至居民個體的過程。景感學的研究框架強調,基于景感學的理論分析和實踐應用的研究中,需要對生態相關的動態過程進行長期、實時、現場的監測,而物聯網技術是能夠實現有效監測的途徑之一[10]。樣地的效益監測系統基于物聯網技術建設而成,但僅監測和分析了徑流削減過程與效率,缺少對部分調節服務、支持服務和文化服務的監測。

表2 雨水花園提供的生態系統服務

生態系統服務作為雨水花園的核心功能,可通過物聯網的相關技術去觀測、分析其動態過程和效率,也能通過人的感知能力去領悟和享受它。但是物聯網監測技術對部分生態系統服務的監測存在盲區,如文化服務中的審美、環境教育、科普知識等方面的服務,而人們可以通過感知能力感受并享受；同樣,人們對部分生態系統服務的感知存在盲區,如調節服務中的徑流削減、水質凈化、釋氧固碳等方面的服務,支持服務中的維持土壤質量,提供微生物棲息地等方面的服務,而物聯網監測技術可以監測和分析其過程與效率。

5 結論

本研究中,雨水花園樣地作為一項被賦予“提供以徑流控制為主的生態系統服務并以此調節自然環境,緩解城市雨洪管理失控問題,使人-生態基礎設施-自然環境和諧共生,提高人們對居住環境的滿意度”愿景的新構景感,在營造過程中遵循了愿景呈現的雙向性、方位的順脈性、營造過程的漸進性的原則。它可提供調節服務、文化服務、支持服務,有助于改善周邊人居環境。基于物聯網建設而成的效益監測系統分析得到樣地年徑流削減總量為91.2%,表明樣地可提供顯著的調節服務(徑流削減)。同時,居民可通過視感、聽感、觸感能力感知并享受樣地供給的文化服務與部分調節服務,難以感知支持服務。

基于景感學的理論規劃、建設、評價、管理和調控雨水花園這類生態基礎設施,既是進行區域土地利用規劃與建設的過程,同時也是對原有自然環境的改造過程。為生態基礎設施賦予主觀愿景,使它成為傳遞愿景與情感的載體,使它與原有自然環境更好地相互協調,進而滿足人們對高質量居住環境的需求,使人們在感受并享受生態基礎設施所供給的生態系統服務的同時,能夠更深刻地去領悟可持續發展相關的意識和理念,最終使人-生態基礎設施-自然環境三者能夠更和諧地相互融入和適應。

本研究為生態基礎設施類的景感營造工作提供了參考經驗,基于景感學理論進行景感營造的過程中,除了考慮營造的方法與原則,還應思考如何有效評估景感營造的效益,為提升這類景感的生態系統服務能力提供思路。本研究認為可將物聯網相關的監測技術和人的物理感知作為評估生態基礎設施類景感營造工作的兩個切入點。物聯網相關的監測技術方面,增加對調節服務和支持服務的監測環節,后續的研究中也會增加樣地效益監測系統對水質凈化和局部微氣候(降溫增濕)調節效益的監測功能。人的感知方面,可從人們感知到的愿景與設計愿景是否一致的角度評估景感營造工作。若人們感知到的愿景僅有景感營造者最初設計愿景的一部分,那么愿景傳遞存在缺失,表明景感營造的效益存在進一步提升的空間。為使人們對景感所蘊含愿景的領悟與認同感最大化,景感營造者在進行景感規劃時,也應思考如何匹配不同人群的感知能力和品味。