干旱半干旱區城市水綠時空耦合下綠地“蓄用協同”技術研究

劉 暉

劉 永

許博文

曹 朔

左 翔

城市環境建設和管理體系中“水”與“綠”具有各自的體系，但在功能效益、空間格局構成和過程影響等方面聯系緊密，并相互影響，具有科學性和整體性，共同構成了人居環境生態可持續發展的主體。中國城市建設過程中水綠系統的整體性較弱，城市用地30%～40%的綠地率，反映了綠地的占比，并不能表征城市水綠生態系統的實際績效，干旱半干旱區城市尤為顯著。包括陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆等省和內蒙古西部在內的西北干旱半干旱地區，水資源量僅占全國的5.7%[1]，城市結合水資源利用的綠化種植需要科學而精準的技術途徑與方法。

降水少且時空分布不均、下墊面硬化比例大且增長快速、綠地規模大且耗水量多，以上3個因素造成城市區域水綠失衡問題。海綿城市建設中對城市綠地規劃和種植設計產生了很大的影響，干旱半干旱區城市綠地建設需要有效結合海綿技術，通過水綠時空耦合協調綠地持蓄水和耗水之間的平衡關系。因而，結合地域性氣候特征與植被類型，建構以優化匯流路徑、調蓄及植物水量供給為目的的城市環境產匯流下的綠地“蓄用協同”技術方法路徑，是衡量城市生態建設的重要指標。

1 西北干旱半干旱區典型性分析

1.1 西北地區降水特征與城市內澇問題

西北干旱半干旱地區的城市時常發生內澇。除了城市排水計算標準和實施問題外，短時強降雨與不斷擴張和硬化的城市下墊面是城市頻繁積水內澇的主要原因。

西北干旱半干旱地區處于400mm等降水線以下，降雨量多集中在5—9月，日降水量12.8～203.3mm，從東南向西北減少[2](圖1)。

圖1 中國西北地區大雨以上降水日數空間分布(2020年) (作者根據國家氣象中心2020年中國地面氣候資料日值數據繪制)

此外，自然環境與生產條件，決定了西北地區城市選址近河但不靠河，且城市中自然河網并不密集。近20年來，城市下墊面已發生巨大改變(表1)，使得夏季降雨強度大、頻率高的特性表現得更為顯著。西北干旱半干旱地區不同區域降雨分布時空分布不均，其中全年不少于兩季、干燥度指數大于1.5的地級市有62個[5]。

表1 西北主要城市下墊面規劃與格局變化一覽表[3-4]

1.2 西北地區城市綠地的耗水問題與滯蓄需求

面對長時間旱季和強蒸發量的挑戰，西北地區的水分稀缺程度和蒸散損耗都遠高于國內其他地區，城市綠地耗水問題十分嚴峻。研究表明，西北地區單位面積的水資源量僅為全國平均水平的1/4，其單位面積灌溉水量卻是水量豐沛地區的3～4倍；城市園林綠地灌溉養護耗水量巨大，且在城市總水資源量中占比較高[6-8]。雖然城市綠地作為實現城市水環境優化的最佳介質和城市海綿體的重要組成部分，但建設中并未充分考量綠地的滯蓄功能以收集、存儲和利用雨水，徒使大量雨水通過城市管網排放，其滯蓄功能無法充分發揮。

針對西北地區城市綠地的耗水問題與滯蓄需求，綠地建設不應以水資源的高消耗為代價。綠化場地在發揮雨洪滯蓄效能的基礎上，協調城市綠地耗水問題是西北地域性城市水綠耦合的重要內容。綠化場地的滯蓄水量由土壤蓄水和植被林冠截留共同決定，其植物需水量主要受植物種類、密度、土壤溫濕度和小氣候等因素影響，且隨植物生長季而呈現規律性變化[9-10]。基于水綠耦合的城市綠地建設模式，綠地根據其功能定位和位置分布，具有不同的滯蓄需求以及耗水特點。此外，由于植物種類、種植密度以及小氣候和土壤生境條件的不同，導致綠化場地的滯蓄水量和需水量差異顯著。因此，基于滯蓄效能和耗水量特點對綠化場地進行類型劃分和指標控制，并進一步通過地形設計、植物種植以及土壤改良等方式優化綠地的滯蓄效能，進而降低綠化養護耗水是實現西北地區城市水綠耦合的重要途徑。

1.3 在地性水綠時空耦合的空間尺度與技術方法需求

誠如前述，對于解決城市“水”“綠”間的多重矛盾，規劃層面時常無法精確應對，西北地區亟須能夠將城市雨洪滯蓄與綠地耗水問題的矛盾進行統籌的水綠耦合規劃設計方法。

城市綠地布局呈現尺度小、規模大的分散化特征，中小規模綠地在城市綠地中占據主要角色，而場地尺度、街區尺度是城市建設的基本單元，對該尺度下的綠地進行有序規劃，有利于通過綠地類型、地形豎向等方面構建指標體系，在新城規劃與老城更新建設中進行布局與改造。西北地區城市水綠耦合規劃設計的關鍵是在中小尺度上對城市綠地功能精準定位與綠地空間精準布局。

2 西北城市水綠時空耦合機制與綠地“蓄用協同”體系

西北城市水綠時空耦合機制與綠地“蓄用協同”體系的構建需要明確以下前提。第一，研究尺度的明確。城市空間的雨水徑流，是一個基于重力流的動態非線性系統，呈現出場地-街區-片區的網絡結構[11-13]，不同層級的單元所在隸屬的尺度下分解衍生出各自閉合的“產匯消”子體系。中小尺度上“產匯消”子體系的構建，無論在雨水資源的高效在地性利用和設計層面均具備較強的可操作性和可重復性。憑借該尺度內合理的豎向組織與綠地布局，可更好地對徑流進行滯留，做到雨水資源的在地性利用。第二，結合地域性氣候與植被特征對有效水源的識別與評估。大氣降水是重要的場地有效水源的重要來源，然而西北干旱半干旱地區的降水量極為有限，且時空分布不均，通過提升場地對有效水源的收集利用率顯得尤為重要。

2.1 水綠耦合的空間-時間關系

中小尺度范圍內綠地“蓄用協同”體系的建立，需要平衡城市綠地功能精準定位及綠地空間精準布局與綠地徑流調蓄效能的關系，重在建立“源頭控制-過程組織-終端消解”的雨水鏈，通過“設施綠地-綠地水文單元-水綠耦合網絡單元”多空間梯度嵌套的單元模式(圖2)建立中小尺度的水綠耦合運行機制，制定相關指標體系，實現城市綠地科學精準的空間布局。

圖2 “設施綠地-綠地水文單元-水綠耦合網絡單元”多空間梯度嵌套模式圖

2.1.1 水綠時間耦合

“蓄用協同”體系中，植物的合理選配是保證水資源在定性高效利用的前提，植物品種選擇及層次搭配需協同植物生長習性、觀賞性及調蓄需求。針對徑流傳輸設施，所選植物應當以草本植物為主，其耐沖刷特性可對徑流滯納與接觸凈化。調蓄設施的植物應以根系發達、莖葉肥大作為選配依據，加強設施的蓄水能力。除雨水濕塘等長期水淹狀態的設施外，其余設施應當選取旱生耐濕類型的植物，同時需要結合地域性降雨分布特征及設施類型，對植物生長季及其蓄水量進行評估計算[14]，并且校核設施蓄水排空時間，匹配所選植物根系耐水淹時間。

2.1.2 水綠空間耦合

依據水源位置及蓄水設施結構對植物進行調整，是提升水資源利用效率的重要途徑。場地中能被利用的輔助設施水源有限，因此需要結合植物生長習性盡量從輔助設施的源頭接收水源，縮短匯水路徑。對屋面排水、空調排水的利用主要是通過排水管斷接的方式，屋面雨水的收集需要在建筑落水管出口設置消能設施，減少對植物及土壤的沖刷。協同建筑陰影遮蔽，形成適宜陰生植被的生境條件。

2.2 綠地“蓄用協同”體系及影響因素

2.2.1 豎向

片區層面的豎向規劃，可以有效地保護和利用城市土地資源，提高城市建設的科學性和合理性，也是減少城市洪澇災害的重要途徑。場地中小尺度的豎向設計是對上位規劃豎向要求的細化，也是明確匯水路徑及影響蓄水設施收水效率的重要因素。

2.2.2 子匯水分區

子匯水分區的布局直接明確了分區內蓄水設施的服務區域，分散、小規模的子匯水分區相較集中、大規模的劃分方式能更好地分散蓄水設施的分布，提升設施利用率，相對分散的匯水緩坡可減少徑流對設施的沖擊(圖3)。

圖3 2種子匯水分區劃分方式示意圖

2.2.3 輔助設施

在“蓄用協同”體系中，輔助設施包括除人工澆灌之外能為體系提供水源的設施。其中，屋面、空調及調蓄池所提供水源為“優質水源”，協同地表徑流及中水系統所收集徑流可直接用于植物澆灌(表2)。

表2 輔助設施水源計算表

2.2.4 種植土

種植土是承載植物及徑流下滲的空間，需要在徑流量調蓄指標的前提下，對土壤進行改良，同時結合生長條件進行植物選配。

結構上，種植土的空隙可作為設施原位下滲的空間，依據《城鎮雨水調蓄工程技術規范》(GB 51174—2017)[16]，對種植土孔隙度進行一定折減計算，可作為蓄水設施徑流調蓄空間。分布位置上，對于設有地下空間的場地，種植土設定要兼顧覆土深度及植物生長所需土壤厚度。在地下水位較高的場地，若采用全透式蓄水設施，種植土底層滲透面須高于地下水位1m以上。

3 綠地水文單元劃分技術方法

3.1 綠地水文單元尺度確定

根據《室外排水設計標準》(GB 50014—2021)，地面集水長度的合理范圍是50～150m[17]。在運用SWMM時，非城市區匯水面積計算中最大地表漫流長度為150m[18]。綜合考慮，將場地集水區控制在100m范圍內。

依據地塊邊界、場地豎向、雨水管網和路網布局，首先形成子匯水分區，綠地水文單元則是幾個子匯水分區的集合(圖4)。地塊面積、地形豎向、下墊面類型及其比例等條件與設施綠地的選型，共同決定著綠地水文單元的持蓄水能力及模式。

圖4 “設施綠地-綠地水文單元”模式構建

3.2 綠地水文單元模式類型及其計算

城市中地塊建設模式存在差異，從徑流調蓄能力上劃分為徑流產出型與徑流自身調蓄型。其中，前者對應下墊面硬質程度較高的用地，如商業區、工業區等徑流控制率較低的區域，后者對應如居住區、公園等徑流控制率相對較高的區域，在消納自身徑流的基礎上，尚存一定富余調蓄容積。結合調蓄型綠地布局類型，將綠地水文單元劃分為以下幾種類型(圖5)。

圖5 綠地水文單元模式與對應單元類型

在設計降雨19.2mm，降雨時間3h的條件下對15種典型地塊(圖6)進行SWMM模型模擬，通過模擬結果可知：在既定降雨條件下，出現徑流外排地塊由高到低依次為：5＞7＞1＞6＞3＞2，其中5號地塊由于內部徑流消解能力較差且周邊沒有設置調蓄型綠地，因此徑流量最大。除以上描述地塊外，其余地塊均沒有出現徑流外排的情況，說明不同的綠地布局方式對產流量有不同程度的影響。

圖6 不同綠地布局模式提取及徑流模擬

4 “蓄用協同”綠地類型與植物配置技術

綠地應對干旱缺水環境，主要通過環境調控(包含生態環境與生長條件)以適應植物生長的需要和利用或改造植物自身特性以適應干旱環境[19]。“蓄用協同”體系的構建是在雨水資源收集基礎上針對綠地水量供給的延伸和應用，是在中小尺度下兩者間的平衡。一方面是從下墊面規模、位置及類型上對綠地進行精確布局，另一方面是對水資源的收集與合理分配，在此基礎上優化植物種植模式，從水量供需上趨向平衡。“蓄用協同”體系構建與完善的過程中，首先，需要對綠地隸屬場地的水資源進行整合與劃分。其次，結合水源形式明確匯水方式，該步驟是提升水源利用效率的前提。最后，協同優化后的綠地對水源針對性利用(圖7)。

圖7 “蓄用協同”體系構建框架

4.1 綠地“蓄用協同”效能與類型劃分

綠地“蓄用協同”效能是基于綠地調蓄能力對體系中設施型綠地的評估。設施型綠地滯蓄、持蓄的類型劃分、指標控制及其設計方法的明確，是水綠耦合空間的基本構成要素。依據城市場地環境中雨水鏈的綠地特征，可劃分為種植屋面、雨水種植池、植草溝、下凹綠地、雨水花園和雨水濕地6種類型。設施間不同的組合方式具有不同的徑流調蓄效果[20]。

4.2 “蓄用協同”綠地的植物種植

4.2.1 植被選配

為確保設施綠地的調蓄效能及植物生長需求，設施綠地選取植物類型以灌木與草本等地被植物為主，依據功能及景觀需求將植被結構類型劃分為功能主導型與景觀主導型，其中，功能主導型地被植物配植按功能目標不同，分為徑流污染控制型和雨水徑流收集滲透型[21]8，而在植物選取上應選擇具有促滲功能的、奈沖刷性強的地被植物，宜采用灌木+草本的組合(圖8-1)。生物滯留設施入水口附近等沖刷強度較大的區域，宜采用交錯布局的“品”字形種植方式種植地被植物，最外層植物宜垂直于水流方向配置(圖8-2)，具體推薦植物見表4。

圖8 幾種植被類型分布[21]14-15圖8-1 徑流污染控制型地被植物配置模式圖圖8-2 入水口區域地被植物種植示意圖

表4 生物滯留設施內功能主導型地被植物選擇依據與推薦物種表

4.2.2 栽植土持水能力技術

土壤密度、孔隙度、緊實度等物理性質，影響土壤的持水和滲水能力，也是水綠耦合系統能否良好運行的重要因素。我國東北、西北、華中和華東部分地區廣泛分布黃土，具有結構強度大、非飽和大孔隙及水敏感性強等特點，部分黃土在一定壓力下遇水浸濕甚至增濕后會發生強度大幅度驟降和變形大幅度突增的特性[22]，該特性對項目建設提出了巨大挑戰。對設施綠地而言，首先要基于場地建設安全性考慮，依據黃土邊坡工程設計要點，設計計算中必須正確解決黃土邊坡工程在其坡比、坡高、坡型之間的整體合理配合問題對[23]；其次，應根據生物滯留設施內土壤的含水率和緊實度進行分區，以確定地被植物的種類選擇與配植方式。此外，對下凹蓄水空間可進行適時適量的土壤換填，適宜的沙質土壤蓄水能力要明顯優于黏土，既能保證其良好的滲透性能，又能保證雨水能夠快速吸收儲存，為植物生長提供水分和養分，同時，西北地區添加土壤覆蓋物亦可以強化設施綠地的滯蓄效能。

表3 設施型綠地“蓄用協同”效能水文功效一覽表

5 灃西新城白馬河公園案例研究

5.1 大型凹地形空間+高效調蓄綠地

白馬河公園位于灃西新城東部，屬于灃西新城北原有老區中唯一的公園綠地，對城市綠地所承擔的各項功能均具有重要作用。場地周邊道路豎向走勢為白馬河路自南向北，永灃路自西向東，公園位于低點的丁字路口位置，形成場地西南區域雨水匯集區，可以此作為綠地水文單元中的調蓄型綠地(圖9)。

圖9 場地周邊建設概況平面圖

在場地現狀豎向的基礎上進行微調，協同蓄水設施的設置，公園在海綿設施調蓄達標的基礎上仍有438.25m3的調蓄富余量(圖10)，可收集公園南側及西側地塊的部分雨水。同時，依據場地設計標高與周邊地塊的標高關系，確定場地可提供約6 323m3的徑流調蓄空間(圖11)，在極端暴雨條件下，可有效增提升區域澇水行泄能力。

圖10 方案總平面圖

圖11 場地豎向及地形設計平面圖

5.2 綠地布局優化分析

根據雨洪管控及緩解內澇的要求，公園在豎向設計的協同下，對其海綿功能予以強化(圖12)，在消解滿足自身指標的基礎上提供可觀的徑流調蓄空間，所收集雨水為“蓄用協同”體系構建提供水源。場地通過雨水花園內部串聯、硬質鋪裝與綠地間隔等方式(圖13)，降低徑流的同時最大限度發揮海綿設施的綜合調蓄消能，對場地雨水匯流路徑的精準組織，形成不同等級的土壤濕度，結合植物種植設計劃分出不同類型的生境分區，形成較為健全和豐富的生境本底條件，提升場地植物群落的多樣性。

圖12 海綿設施布局平面圖

圖13 場地下墊面格局分析圖

5.3 經濟效益分析

在公園海綿功能的基礎上，“蓄用協同”體系對場地水文過程做了進一步優化，同時產生了以下經濟效益：1)公園內部不設置大規模雨水管網，通過豎向將雨水匯集，由中心低地勢點溢流，減少建設成本約80萬元；2)公園綠化澆灌用水量約22 000m3/年，場地優化計算后，可減少澆灌用水量約4 500m3/年，節約水費約6 750元/年。

6 結論

1)城市水綠耦合發展具有鮮明的地域性特征，需要明確現實問題和需求，進而探討規劃建設途徑。西北地區快速城市化建設所帶來的下墊面特征，在面對短時強降雨時，依然發生內澇問題，綠地調蓄功能需要增加空間規模；同時，干旱半干旱區的城市綠地在長時間旱季和強蒸發量的挑戰下，科學控制規模和綠化建設方式來減少耗水十分必要，也是地域性城市建設發展的目標。因而，綠地精準布局和高效調蓄能力與有效增加綠地持蓄水力以減少養護耗水之間的平衡關系，是西北地區城市水綠耦合的關鍵問題。

2)西北地區城市水綠耦合規劃設計的關鍵是中小尺度上的空間機制問題，有效控制源頭，控制最小終端調蓄綠地空間單元。具體表現在2個方面：一是3個層級的空間梯度組合：場地尺度上設施綠地作為水綠耦合基本要素，匯水區的綠地水文單元作為水綠耦合基礎單元，具有集中調蓄功能的大塊綠地構成的水綠耦合網絡單元；二是各層級內部和整體系統的水綠耦合在功能定位、空間格局模式和耦合過程形成的空間機制。

3)基于低維護的綠地“蓄用協同”體系是在水綠耦合運行機制中的重要構成，是以蓄水與植物耗水需求平衡為目標，組織場地水源與設計要素協同做功的體系。在海綿城市建設“滲、滯、蓄、凈、用、排”理念的指導下，“蓄用協同”體系加強對場地有效水源的識別和評估，同時結合干旱半干旱區城市氣候及水源現狀給植物生長提供的條件，更強調如何“用”的技術路徑；自下而上地支撐城市水綠耦合體系的構建。

注：文中圖片除注明外，均由作者繪制。