綠色基礎設施雨污管理規劃研究進展

王 琳， 盧 剛

(中國海洋大學海洋環境科學與工程學院， 青島 266100)

20世紀90年代至今，雨水及污水管理者投入大量資金進行灰色基礎設施(下水道、堤壩和城市污水處理廠等)的建設。但雨水管理領域通過末端處理以促進集中式徑流快排系統導致的洪水、地表水污染和下水道溢流等問題仍層出不窮[1]；傳統污水處理設施如污水處理廠在欠發達區域的應用受到限制，且因其大量定期供應有機物和養分已被視為溫室氣體的重要來源[2]。同時，城市化進程導致地表不透水面積增加，開發場地原本的水文循環過程發生變化，潛水含水層水量及地下水位降低，雨水徑流總量增大，大量雨水流失，徑流污染及洪澇災害頻發，熱島效應加劇[1]。部分城市的雨水徑流污染負荷已達到生活污水的 1.7 倍之多，由雨水徑流與地表污染物引起的城市面源污染問題日益嚴重；污水處理基礎設施也面臨在發達地區的老化和欠發達地區的缺乏的問題，基礎設施建設和維護不足使得全球多個國家和地區面臨不同程度的水安全危機[3]。鑒于傳統雨水和污水處理基礎設施不斷增長的壓力，綠色基礎設施(green infrastructure，GI)因其充分利用自然要素的特性而受到廣泛關注。綠色基礎設施作為一個新名詞于1999年被美國可持續發展委員會首次提出，但其并不是一個新概念，而是理論和實踐在不同背景下長期整合的結果。對于GI歷史的總結性回顧難以實現，但有許多與其相似的概念：綠道、花園城市、生態城市和可持續城市化等。同其他概念一樣，自提出之后有大量研究進行了對于GI的概念界定，但對GI這一術語的使用較為廣泛，研究者們對GI優先考慮的重點各不相同，涵蓋生態環境和社會經濟的多個領域，因此存在多種解釋，導致了GI概念始終具有一定程度的模糊性。基于此，即使GI的重要性已經達成共識，但難以確定如何將這一理念轉化為實際措施。有些學者認為模糊性是GI的潛在威脅，急于尋求統一明確的定義指導GI的建設實現一種“正確的方法”；相對地，主張模糊定義的學者認為促成對于GI發展的若干共識更為重要，對GI這一模糊性的概念尋求單一精確定義是不可取的，忽視了GI概念的流動性，即其處于不斷發展的狀態[4]。事實上，雖然GI至今仍未有被廣泛認可的明確定義，但其功能自提出至今逐漸增加：從早期致力于修復棲息地碎片化，構建生態網絡的側重于生態利益逐漸發展成為以提供多項生態系統服務為目標的兼顧社會、經濟和生態利益，且形成了共識：GI是具有自然環境和半自然區域的戰略規劃網絡，具有設計和管理以提供具有社會、經濟和生態屬性的多項生態系統服務的作用。即GI以連通性和多功能性為基本屬性，連通性是指具有環境特征的自然和半自然區域的網絡、多功能性是指GI的多個生態、社會和經濟功能的輸出，通過組合這些功能實現多功能性[5]。GI的功能仍在不斷發展，其結合生態學和社會學觀點得到了廣泛認可，已逐漸成為一種流行的規劃可持續土地利用的理念。因此，模糊性確實促進了GI的發展，是一種允許概念適應不同時空條件下的各種要求的良好屬性，若限制了對GI的解釋和應用的自由，會導致其相關實踐在短時間內過時。

研究中常見的GI類型主要包括樹木、樹籬、植草溝、綠色墻壁、綠色屏障、綠色屋頂、透水鋪裝、生物滯留池、濕地、濕塘、公園、綠地等，多種GI在不同領域的功能已有廣泛研究，且主要從生態環境和社會經濟兩個視角開展。中外對GI功能的研究成果概述如表1所示，可見GI的可提供涵蓋供給、調節、文化和支持的一系列生態系統服務，目前研究已由局限于GI的雨水管理功能而延伸至生態環境和社會經濟的多個領域，但多數研究仍聚焦于生態環境，GI在社會經濟領域的功能，尤其是對經濟的影響研究仍處于定性研究階段，尚未有明確的GI在經濟中的量化作用研究。此外，GI的多功能性不僅體現在多種GI類型組合具有多功能性，某一類型GI亦具有多功能性，如Kim等[5]對美國景觀設計師協會收集的447個GI項目案例進行研究，證實雨水花園、可滲透路面、植草溝等多種GI都各自具有徑流控制、促進經濟發展、改善建筑環境、提供景觀美感和增強環境健全性等功能。

表1 GI功能研究

結合上述傳統雨水管理和污水處理設施面臨的窘境及GI在相關領域內的功能研究，現討論的GI是分散的雨水管理和污水處理設施網絡，替代或補充了傳統灰色基礎設施。在雨水管理方面，GI旨在保護或恢復自然水文狀態，使用模仿自然水文系統的工程系統來管理雨水，實現徑流總量、徑流污染的控制，并有效減輕洪澇災害風險。常用雨水管理GI包括生物滯留池、綠色屋頂、植草溝、植被過濾帶和濕塘等類型，通過模仿自然水體的分散式藍綠色元素(以植被為主要組分)從源頭、中端和末端綜合實現雨水的滲透、蒸散、滯留和運輸，已被認為是更可持續的雨水管理辦法[16]。在污水處理領域，GI相關研究以人工濕地和穩定塘為主，充分利用生態要素實現污水中污染物去除并可提供減少溫室氣體排放、提升水生態系統韌性和恢復生物多樣性等生態效益[17-18]。此外，該類近自然的污水處理設施同時具有分散處理及建設管理費用較低的優點，尤其適用于污水來源較為分散的缺乏污水處理設施的欠發達地區。

鑒于GI規劃在雨水管理和污水處理領域的杰出表現，對GI在雨水管理和污水處理領域的規劃研究文獻進行了查閱，并總結出4個研究熱點，即GI類型選擇、所選GI數量及規模確定、GI選址和GI網絡優化，既包括設施尺度上的單獨研究，也涵蓋了網絡尺度上的整體考量。考慮到規劃研究還應具備現狀調研及數據收集、目標制定等過程，因此擬于GI規劃目標制定(已包含必備的現狀調研及數據收集等過程)、GI類型選擇、GI數量及規模確定、GI選址和GI網絡優化5個部分進行雨水處理和污水管理GI規劃研究的討論。

1 GI規劃目標制定

GI規劃的目標制定以其已被廣泛證實的作用為依據。在雨水管理領域，徑流總量控制、徑流污染削減和峰值流量削減是GI雨水管理規劃采用較多的目標，以應對城市化進程導致的洪澇災害、徑流污染等問題，但其多種類、多功能及多尺度等特性導致難以準確量化各類GI在不同尺度對徑流的控制能力，特別是GI系統中污染物去除涉及復雜的物理、化學和生物過程的相互作用，這導致目前GI雨水管理規劃的目標常以徑流總量削減、徑流污染控制以及峰值流量削減等術語概括表示。目前僅徑流總量控制目標具有相對簡便且常用的量化標準，即以研究區多年(一般為30年以上)降雨量數據為參考，結合土地利用狀況，利用徑流系數計算得出研究區徑流總量，并設置一定百分比的徑流總量控制率[19]。中國《海綿城市建設技術指南》給出全國年徑流總量控制率的5類分區，分別為60%～85%、70%～85%、75%～85%、80%～85%及85%～90%[20]。而徑流污染控制及峰值流量降低的目標尚未有廣泛采用的方法。在污水處理領域，近自然的污水處理設施，如上述的人工濕地、穩定塘等的污染物凈化能力已有廣泛研究，主要用于欠發達地區的傳統污水處理設施的替代設施及傳統污水處理設施的補充，污水的達標排放是GI污水處理規劃的主要目標。

從現有GI規劃目標制定的不足得出應結合研究區域現狀，通過現場調研、資料查閱等方式識別研究區雨水、污水管理的現狀，分析現有及潛在的問題，結合國家和地區的雨水、污水管理文件進行規劃目標的制定。目標制定對規劃研究各階段具有指示作用，因此目標應盡可能明確、詳細，但現階段用于雨水及污水管理的GI規劃研究難以準確量化，規劃目標的不確定性將影響GI類型選擇、數量確定等后續研究，“改善研究區洪澇災害風險”“提升雨水徑流質量”等簡單表述目標制定的GI規劃研究[21]并不鮮見。因此未來加強研究者及政府職能部門的合作尤為重要，將實時研究成果加以匯總，協同確定GI可提供的各種功能(如徑流總量控制、污染物削減率等)可達到的標準，并允許數據共享已支持不斷修正、完善各項功能目標的參考標準，使其后的規劃目標的確定更有根據、更科學且更可行。目標制定是整個GI規劃過程中具有決定性的一步，若忽視該步驟的深入探究，伴隨著研究深入，GI規劃目標已由水文效益轉向水文、社會和生態多方面綜合效益的獲取，目標種類及所屬領域的擴充將使得制定科學可行的目標更為困難，阻礙GI的發展。

2 GI類型選擇

確定規劃目標后，應以實現GI規劃目標為原則，結合對各種設施類型功能的研究，選擇合適的一種或多種設施。表2有選擇地列出了雨水管理GI(生物滯留池、綠色屋頂、植草溝)和污水處理GI (人工濕地、穩定塘)的功能研究，顯示出不同GI類型于不同研究中的雨水和污水管理能力，包括徑流總量控制、峰值流量控制、徑流污染削減和污水處理等功能。其中生物滯留池和綠色屋頂側重雨水徑流的滯蓄和凈化，而植草溝作為連接設施主要負責徑流的傳輸，將生物滯留池、綠色屋頂等源頭設施的徑流匯聚至雨水濕地、濕塘等終端設施，且具有一定的凈化效果。隨著研究深入，GI對雨水徑流中污染物的去除已由傳統的有機物、營養物質和重金屬污染物延伸至微塑料[22]等新興領域，進一步豐富了GI的功能。此外，從已有研究可看出相同GI類型在不同研究中因研究區狀況差異、設施構造差異等亦表現出不同的雨污管理效果，因此各類型GI的功能具有較明顯的時空異質性，且不同研究探究GI功能選用的監測指標并不完全一致，這對GI的實際發展形成阻礙，規劃者在對新項目進行GI建設評估時無法從已有研究中得到各類GI較為一致的功能效果，因此后續研究應盡可能獲取各GI可提供所有功能的詳盡數據，為GI的實際規劃建設及深入研究奠定基礎。

表2 5類GI雨水管理和污水處理能力

在該階段同樣重要的是研究區數據的收集，包括氣候、溫度、地形、土地利用和經濟發展狀況等。其中，氣候影響降雨量、持續時間和強度，而雨水管理GI必須具有容量和流量屬性以處理徑流；溫度影響植被物種的選擇和植被生長；地形數據如坡度會影響徑流流速，繼而影響雨水下滲和土壤的儲水能力；土地利用類型是獲取徑流量等信息的直觀來源并影響GI的適建程度；經濟發展狀況從成本和效益方面影響GI類型的選擇。因此，需結合控制目標、GI功能研究及研究區現狀數據綜合確定GI的類型。

3 GI數量及規模確定

與GI類型選定不同，現有研究對所選GI的數量及規模(面積)的確定往往具有隨機性，即簡單地于可建設區域直接進行GI的新建及改造，缺乏系統、嚴謹的量化研究，少有的量化確定也多集中于徑流總量控制的單一目標，且只是將GI的徑流總量控制能力歸因于設施本身的體積容量或相關軟件中的經驗參數。例如，王浩程等[35]通過將年徑流總量控制目標分配給規劃區內的雨水濕地和濕塘，僅考慮其體積容量確定了對現狀池塘的改造和雨水濕地及濕塘的新建規模；繆遇虹[36]利用SUSTAIN軟件確定了基于成本-效益(徑流總量控制)最大化的生物滯留池、植草溝、綠色屋頂和透水鋪裝的最佳數量方案。造成這一研究不足的原因是GI提供雨水、污水等各項功能的機理涉及復雜的生態過程和水文過程。一方面，植被通過根系吸收水文影響土壤水的分布規律；通過蒸散發過程將水分輸送至大氣；根際微生物的存在及植被吸收等過程促進了對水體中重金屬、氮、磷、細菌等污染物的去除；植被覆蓋的增加伴隨的冠層截留增加還有助于降水的重新分配；與其他土地覆蓋類型相比，植被覆蓋一般具有較低的徑流系數，有助于降低徑流峰值并延遲產流和峰現時間[37]。另一方面，流量、流速、水質和水位等水文要素影響植被群落的結構、動態、分布和演替等屬性；下滲、產匯流等水文過程影響生態系統中營養物、污染物、礦物質和有機質等的流及其在土壤和水體中的分布，并提升了水文連通性、補充流域水量、使得大尺度(流域、國土等尺度)的水文梯度更加平滑，有利于生態系統的完整性[38]。

GI作為水文過程和生態過程相互作用的載體，通過促進兩類過程的上述交互實現多項水文效益規劃目標。但由于水文生態過程相互作用機制的復雜性，及傳統水文模型對生態過程描述的欠缺、生物地球化學模型對水文過程描述的欠缺等因素導致各類GI在不同區域、不同尺度上的水文效益提供能力不盡相同，從表2中甚至可以看出差異較大，因此對GI數量和規模的量化研究十分復雜，一種可行的對策是加強分布式水文模型與生物地球化學模型的耦合以探究生態過程和水文過程的動態交互，以探究GI與生態過程和水文過程的量化關系，從而獲取可滿足規劃目標的所選GI的數量及規模[39]。耦合模型研究包括單向和雙向耦合，單向耦合多是利用含有陸域模塊的水文模型的水分輸出(主要是降水和土壤水含量)驅動生態模型，而生態模型輸出的植被生長情況等參數未對水文模式形成反饋。通常單向耦合通過水文模型的輸出實現其與生態模型的聯合，這些研究的焦點集中于水文模型分辨率對植被生長的影響，水文過程的各要素組成對植被、土壤等的影響[40]。例如，德國開發的SWMM(storm water management model)模型用于模擬和預測全球氣候變化及土地利用改變對流域水循環、植被生長、營養物質與污染物遷移、泥沙運動等過程的影響[41]；劉登峰等[42]建立了概念性的流域水文模型，在模擬流域尺度的水文過程的基礎上引入描述植被覆蓋演化的動力學方程，實現生態過程和水文過程的耦合，分析了流域內水文生態耦合系統的動力學特性。而將生態模型的輸出應用于水文模型輸入的研究相對較少，已經涉及的方向有：考慮生態環境變化對水文過程的響應，比如土地利用變化、植被覆被變化、土壤性質變化對徑流過程的影響等[43]。這些反映植被、土壤等性質的生態參數如何從生態模型中得到并準確地應用到水文模型中是未來研究的重點。

隨著對水文生態耦合模型認識的深入，雙向耦合模型的理論框架被提出，即利用一個共同的陸地模型耦合植被生長和水文過程，加強植被生長對于水分、土壤性質等的描述，改善水文模型預測能力，為生態模型提供更精確的水分能量輸入；不斷提高模擬精度和尺度，為研究下墊面狀況變化情況下水文過程的相應提供依據；利用不同層次多級嵌套，實現生態模型和水文模型的雙向耦合，然后對兩個模型分別率定。在雙向耦合中，兩個模型使用相同的陸地過程基質，生態模型對水文模型存在反饋，影響著下一步水文模型的模擬結果[40]。Mo等[44]構建了基于能量平衡、水循環和碳氮循環的生態水文動力VIP模型。Shields等[45]使用區域水文生態模擬系統，即RHESSys(regional hydro-ecological simulation system)模型來量化植被用水和凈初級生產力對不透水表面連通度的敏感性，探討了水文過程和植被面積、碳通量蒸騰作用及凈初級生產力之間的關系。Luo等[46]于沙潁河流域通過整合分布式社會經濟-水文生態模型和和諧調節模型提出了一個研究框架，將社會經濟、水文和生態視為一個由社會經濟子系統、水文子系統和生態子系統組成的復合系統。該模型綜合考慮了社會水循環和自然水循環過程的相互作用機制，分別用反映社會發展水平的指標描述社會經濟、反映河流水量和水質狀況的指標描述水文、反映水質狀況的指標描述生態。繼而結合降雨徑流模型、河流水質模型和水文生態模型建立社會經濟-水文生態耦合模型SEWE(social economy-water ecological model)，并將SEWE的模型輸出作為和諧調節模型的輸入，二者結合可處理不同時空規模的數據，也彌補了和諧調節模型缺乏對社會經濟和水文生態之間交互機制的考慮的弊端。趙風華等[47]根據生態水文水、碳循環要素在植被-土壤-大氣連續體中的運動過程，將耦合作用分為相互關聯的4個尺度。曾思棟等[48-49]將分布式時變增益水文模型DTVGM(distributed time variant gain model)與生物地球化學循環模型CASACNP(carnegie-ames-stanford approach carbon nitrogen phosphorous)雙向耦合構建DTVGM-CASACNP模型，由流域水循環、能量平衡、光合作用和碳氮磷生物地球化學循環4個模塊組成，于美國Ameriflux森林進行了模擬驗證，并證實該模型可以良好模擬輻射傳輸、能量分配、蒸散發、土壤含水率及土壤溫度和總初級生產力等過程的交互。

從耦合模型研究成果可以看出，水文生態耦合模型研究雖已取得諸多進展，但仍不夠深入，且中國研究較為落后，且研究尚存不足。模型指標的選擇應基于對各系統相互作用機理和實際情況的深入研究，但很難處理水文和生態數據中固有的時空尺度不匹配問題[50]，當前基于數學和統計學的評估和調節方法不足以準確描述水文和生態要素之間的相互作用機制[51]。其次，單向耦合雖省略了模型之間的反饋，允許更快地進行敏感性分析并運行多種方案，但是信息僅是從一個模型傳遞至另一模型，而大多情況下生態變量變化都會直接或間接引起水文變量的變化，反之亦然，因此使用帶有反饋的雙向耦合是必然趨勢。

4 GI選址

GI規劃目標的實現受到選址布局、技術選擇、設計、構造和維護等多要素的影響，GI的選址常被認為是確定其有效性的最重要因素[52]。因此識別不同類型GI的優先建設區域尤為重要，一直是GI規劃研究的熱點。Martin-Mikl等[53]通過提取土地利用類型以計算地形指數識別了美國雷鳥湖流域內易產流的水文敏感區域，即140個GI優先建設站點；Li等[21]基于徑流系數、社會敏感性群體、道路敏感性、建筑物敏感性和環境公平標準評估了比利時根特市減輕洪澇災害風險的GI的優先建設區域；加拿大魁北克省[54]在GI規劃過程中結合社會效益、環境效益、社會敏感性和環境敏感性指標確定了綠色屋頂和生物滯留池的優先建設用地分布，并為各領域專家、官員和公眾提供信息交流渠道；Langemeyer等[55]通過空間多準則決策分析結合熱調節、徑流控制、棲息地、食物生產、娛樂休閑和社會凝聚力六項生態系統服務指標，給出了巴塞羅那綠色屋頂建設的優先區域。

可見借助遙感手段進行GI選址是現階段廣泛采用的方法，常見的是借助地理信息系統平臺將研究地區概化，構建GI建設適宜性評價指標體系，通過空間多準則決策分析得出研究區用地對GI建設的適宜性，繼而在適宜性較高的地區結合經濟、社會和生態等狀況確定最終選址。值得關注的是，現有適宜性研究大多仍著眼于生態環境方面的適宜，即通過坡度、高程、水體和生態用地等相關指標構建適宜性指標體系，但GI從來不應脫離于人類社會而僅考慮生態因子，雨水、污水管理領域的GI規劃的目標雖以獲取水文效益為主，但GI所涉及的水文過程與生態過程在社會生態系統中的復雜交互使得綜合考量GI可提供的水文效益、生態效益和社會效益是GI可持續提供人類所需的各項生態系統功能的保障。GI選址的關鍵是在確保達成控制目標的基礎上盡可能發揮其潛在效益，于是研究者也開始思考將GI納入社會生態系統中綜合考慮GI所涉及的生態、水文和社會經濟等多個過程的交互。由此，兼顧研究區GI的生態適建性指標(坡度、高程、用地類型等)和表征綜合實現水文、生態、社會效益的需求度指標(徑流系數、生態敏感性、社會敏感性等)是未來構建適宜性指標體系的可行之道。此外，對于不同類型、不同尺度GI的指標體系構建應各有側重，確保GI的選址位于最適宜、最需要建設的區域。

5 GI網絡優化

對具體GI設施的選址是在設施尺度上尋求GI效益的最大化，但GI被一致定義為綠色網絡，已有研究證實GI的穩定性和有效性取決于GI網絡的完整性和連通性等特性[56]。因此從設施尺度完成GI的選擇、數量確定及選址之后，進一步提升GI的綜合效益的方法是從流域及更大尺度進行GI網絡的優化，盡管對這一綠色網絡的概念沒有詳細的界定，但斑塊、廊道、基質被一致認為是GI網絡的核心要素[57]。有學者指出GI網絡是依靠生態用地的完整性(斑塊作用)和連通性(廊道作用)來提供生態系統功能，因此改善GI網絡的完整性和連通性，即斑塊和廊道優化是GI網絡優化的核心任務[58]。

采用較為廣泛的GI網絡優化途徑是景觀格局優化，其基于空間格局和生態過程相互作用，景觀格局同景觀中的各生態過程密切相關，且決定了資源和物理環境的分布形式及組合，于生態系統的應對擾動及恢復的能力、穩定性和生物多樣性等有重要作用[59]。景觀格局即景觀要素的形狀、比例、空間分布等特征，斑塊、廊道、基質是構成景觀格局的最基本要素，其布局為具體刻畫景觀結構與功能之間的相互關系及時空尺度動態提供了一種“空間語言”，為GI網絡優化提供了具體操作途徑[59]。景觀格局優化的理論研究主要針對景觀結構、功能與生態過程的相互作用及影響，通過調整各類景觀在空間和數量上的布局實現可持續發展的目標。景觀格局優化本質上是調整景觀空間結構，以增強生態系統的整體性和連通性等為目標，構建維持區域生態過程的空間格局。景觀格局優化的技術路線為基于景觀生態學“斑塊-廊道-基質”理論識別并重構景觀格局中的關鍵組分，即生態源地(斑塊)、生態廊道、生態節點與基質，通過點、線、面的空間組合，基于對提供目標生態系統服務至關重要的生態源地、廊道、節點的保護與修復，以提升景觀格局的整體性、連通性、多樣性等原則，構建生態網絡，進行景觀數量結構和空間格局的優化，提升區域生態韌性，保護或恢復生物多樣性，并可持續地向人類提供多項生態系統服務，其基本思想是通過對景觀格局的調整影響區域生態過程實現對生態環境的改善[60]。目前已有多種理論和方法，如最小累積阻力模型、重力模型、景觀理論、TIN(triangular irregular network)模型、MSPA(morphological spatial pattern analysis)模型等[58]用于直觀地進行景觀格局的優化。相關研究如Fu等[60]通過InVEST軟件評估兩種典型的生態系統服務(水的生產和棲息地質量)來識別生態源地，并基于最小累積阻力模型選擇土地利用類型、高程、坡度和距水體的距離作為阻力因子建立阻力面以識別生態廊道，加強生態源地之間的物質和能量流動，并為物種遷移提供通道，繼而從不同角度構建兩個景觀格局優化策略，結合現有河流廊道和主要生態景觀要素，基于生態源地的優化和重組進行了景觀格局優化，提出了“兩軸、四核、六帶、八區”的生態框架，形成了功能化和結構化的空間結構布局系統。

此外，作為量化斑塊、廊道及整個生態網絡多項屬性的一系列景觀格局指數已廣泛應用于量化評估不同土地利用對構建生態網絡的影響[61]，包括斑塊類型總面積(CA)、斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、連接度指數(CONNECT)景觀破碎化指數(SPLIT)和斑塊內聚力(COHESION)等。景觀格局指數可表征景觀格局的結構和功能連通狀況，是量化探究景觀格局與生態過程交互作用的工具，通過景觀格局指數的識別與調整實現斑塊、廊道、節點和基質的優化，構建生態網絡。應用景觀水平、空間水平等不同景觀格局指數，比較景觀格局在空間上或時間上的變化，刻畫景觀格局異質性的特征。例如，Li等[62]開發的一種非線性回歸模型識別水質變化的景觀格局指數閾值的方法，可識別影響城市水質狀況的景觀格局指數及其閾值，以指導決策過程，在快速城市化背景下增強水文生態系統的韌性。這一步驟可實現景觀格局指數閾值的確定來填補目前研究的空白，通過不斷調整景觀格局指數構建生態網絡，尋求GI網絡優化的最優解是未來研究的重點。此外，遙感影像、GIS等空間方法結合景觀指數應用，加強了景觀格局空間分析的可視化表達[59]。

6 討論與展望

GI已被廣泛認為是認雨水管理和污水處理領域更具可持續性的設施，規劃者和決策者們也開始傾向于選擇GI替代傳統設施，如生物滯留池、綠色屋頂、植草溝、濕塘、植被過濾帶、人工濕地和穩定塘等技術措施已被應用于雨水和污水管理領域，但阻礙相關領域GI發展的一項重要因素是對GI規劃過程仍存在較多的定性研究，特別是對具體GI類型可提供效益的量化較為復雜，這可能導致投資者因對GI可實現收益的不確定性而選用其他設施。GI通過植被促進水文過程和生態過程以提供水文、生態和社會效益，復雜的水文生態交互機制是造成難以量化研究GI功能的主要原因，這也是下一階段研究的重點，即構建模型實現水文過程和生態過程的耦合以探究水文和生態交互機制，其關鍵在于對水文過程和生態過程相互作用機制的準確模擬和預測，需要明晰研究區的水文過程和生態過程各自的演變趨勢和影響因素，且需涵蓋大氣水、地表水、地下水、土壤水和植物水等模擬自然水文循環，并分析水文過程對生態過程的驅動和脅迫機制以及生態功能及格局變化對水文過程的作用機制。水文生態耦合模型的研究仍處于初步階段，可通過以下幾個方面的改進使其更為深入。

(1)選用充分且合適的指標作為耦合模型的輸入十分重要。應分別識別可表征生態過程和水文過程的變量，既需要對歷史進程進行模擬，也要能對未來不同情況進行預測，需要對水量傳輸、碳氮傳輸和能量傳輸過程等機制進行描述。其中，水量傳輸過程主要反映自然界的水文循環過程，主要包括蒸散發過程、土壤水分運動過程和植被根系吸水過程等；碳氮傳輸過程主要包括植被的光合作用和呼吸作用；能量傳輸過程則包含輻射傳輸和能量平衡。

(2)水文過程和生態過程耦合還面臨著尺度問題，小尺度(如設施尺度)模擬輸出結果是否可以推廣到大尺度(如流域尺度)存在爭議，時空尺度越小模型概化程度越低，需要的數據越多，也越接近自然界的真實情況。而不同過程的時間和空間尺度也具有差異，因此在實際耦合過程中常采用多尺度嵌套方法進行不同尺度的匹配。當前關于水文生態耦合模型的研究鑒于有限的實驗室和現場實驗，多采用復雜程度各異的數學模型，其隱含的基本假設為：用于模型的數據集涵蓋了表征所研究的水文生態耦合系統的參數空間，且模型可代表具有可接受的確定性的實際過程。但當考慮到生態系統的復雜性，這些數學模型在何種程度上有效卻不得而知。例如，Svoray等[63]研究指出創新的數學建模方法可以代表實際的現場測量，因此有充分理由表明數學模型可以通過表征生物量和水儲量的時空動態及其多尺度相互作用來幫助人們更好地理解生態系統的復雜性。可以預見尋找統一的“通用”水文生態耦合模型仍然存在困難，開展跨學科、多部門合作改進實驗和各種復雜程度的模型之間的合并將繼續影響未來的研究議程。因此有針對性地選用不同精密程度的分辨率和不同復雜程度的模型參數的耦合模型，建模雖日漸趨向于更高的分辨率和復雜程度，但簡潔和中等復雜程度的模型同樣作為可行的替代方法，且十分利于相關模型的普及使用。

(3)使用達成共識的數據標準指導開發并維護長期的時空綜合觀測數據庫十分必要，考慮到根據觀測值對模型性能進行校準和獨立驗證的重要性，這些數據庫應有充分的文檔記錄和便捷的可訪問性。還需要允許模型預測和觀察中存在不確定性，允許不確定性在參數中傳播，并說明參數化的程度。

(4)盡可能增加多模型開發。具有不同時空分辨率和生物地球化學復雜性的多種模型的應用可能為模型的啟發和管理應用提供最佳途徑，在同一系統中比較具有不同時空分辨率的耦合模型將為將來的模型開發提供重要的見識，當應用于現實問題時，多個模型將提供多種可能的響應組而非單一的確定性預測。

此外，現階段已有雨水和污水管理GI規劃研究很少對目標制定、類型選擇、數量及規模確定、選址和優化所有步驟進行詳細研究，甚至僅進行了單個階段的研究，如聚焦于某種類型GI的徑流總量控制能力、GI在研究區的建設適宜性分析和選址研究等。當然，這些針對單個規劃階段的研究是完善GI整體規劃研究的基礎，具有重要意義。而上述研究大多僅著眼于設施尺度進行，完整、穩定的生態網絡對GI功能的可持續實現和效益提升具有顯著影響，因此GI規劃研究應在設施尺度規劃完成之后進行網絡的優化，通過景觀格局優化的技術路線，即斑塊優化、廊道優化等途徑維護GI網絡的連通性和完整性，增強GI系統應對擾動的韌性，保障并提升GI的水文、生態和社會綜合效益，這也是GI研究的必然趨勢，GI的多功能性概念意味著應明確考慮其多種生態環境和社會經濟功能，從而進行不同功能的組合以更高效地利用有限的空間。相關研究已多方位剖析了由雨水管理作為初始目的的GI規劃于供給服務、調節服務、文化服務和支持服務多個領域中提供多項生態系統服務的功能，因此未來有必要將GI納入社會生態綜合系統中考量，其規劃研究的目標不再局限于單一或少數的雨污管理或氣候調節等功能，而是通過構建社會生態系統框架等方式統籌分析GI提供各項生態系統服務中涉及的生態過程、水文過程以及社會過程之間的復雜交互，定性、定量結合地研究GI與各生態系統服務的關系，結合研究實況最大限度地實現GI的多功能性。但此部分研究涉及龐雜的水文、生態和社會等多個系統的交互，較尚處于初步階段的水文生態耦合研究更為復雜，現階段也僅有少數學者通過構建概念框架進行定性研究，而缺乏定量分析，因此通過耦合水文生態模型量化辨析兩類過程的交互機制仍是現階段及未來一段時間內GI研究的重點，其亦可為較遠將來耦合生態、水文和社會等多個系統的更多、更復雜的過程提供理論指導。

7 結論

(1)鑒于GI作為傳統雨水和污水管理基礎設施的替代設施的可行性和可持續性等優點，以及其在相關領域的廣泛應用，結合GI用于雨水管理和污水處理規劃研究的相關文獻，識別研究熱點，從目標制定、GI類型選擇、GI數量及規模確定、GI選址和GI網絡優化5個方面總結了GI規劃在雨水管理和污水處理領域的研究現狀，分析各階段存在的問題。得出科學的雨水、污水GI規劃研究應在充分掌握已有研究成果和研究區實況的基礎上，確定規劃目標，盡可能考慮GI的多功能性；繼而依據水文生態耦合研究在明晰水文和生態過程交互機制的基礎上有根據地選定設施類型組合并確定規模；通過構建可體現生態環境和社會經濟多方面特點的綜合指標體系并借助于遙感、模擬等技術手段進行對所選GI的適建性評價以指導選址；最終在流域等更大尺度上探究景觀格局與生態過程、水文過程等的綜合作用，完成GI網絡的優化以支持GI可持續地提供各項生態系統服務。

(2)GI規劃研究應兼顧設施尺度和網絡尺度，大多數研究仍側重前者，然而GI的“綠色網絡”屬性決定了其可持續提供多項效益與GI網絡的完整性和連通性等特性有關，因此在設施尺度的規劃完成之后應將GI網絡優化納入研究重點，通過對斑塊、廊道、基質的保護和優化的景觀格局優化技術路線實現GI網絡完整性、連通性的提升，使GI網絡系統更具韌性。

(3)GI比傳統基礎設施更可持續的原因在于其充分利用自然要素，恢復開發場地原有的水文狀態，即通過植被等要素作為水文過程和生態過程相互作用的載體，而現階段GI規劃于雨污管理領域的研究受制于難以量化GI可提供的水文、生態和社會綜合效益。因此展開跨學科、多部門合作，通過水文和生態耦合模型深入探究水文過程和生態過程交互的機理，從而保障GI規劃在社會生態系統中多種功能的可持續供給是下一階段研究的重點。且GI規劃已越來越注重于多項生態系統服務的提供，即規劃目標將涵蓋生態、水文和社會等多個系統，可以預見在對水文生態耦合研究成熟的基礎上，從生態環境視角轉變至社會生態系統框架下的生態環境及社會經濟綜合視角將GI納入社會生態系統綜合探究其與各項生態系統服務的作用機理以綜合保障GI可提供的供給、調節、文化和支持等多項生態系統服務是大勢所趨。