低影響開發模式引導下的城市生態系統規劃設計研究

陳宇 劉曦

(沈陽建筑大學建筑與規劃學院，遼寧 沈陽 110168)

前序

人口的迅速增長、城市化的逐漸推進以及工業污染導致的氣候急劇變化，使極端天氣事件的發生頻率、強度以及持續時間逐漸增加，城市雨洪管理系統面臨更頻繁的極端降水事件。過去幾十年來，不透水路面的擴散破壞了自然水文循環，促使地表徑流過多，削弱了排水系統輸送高徑流量的能力，導致城市系統的抗洪能力與生態效應降低、自然恢復力下降。因此，為緩解此類風險的緊迫問題，美國喬治王子郡的環境資源部在20世紀90年代初首次提出低影響開發概念，并在1999年編寫出第1部綜合性LID設計技術標準，城市雨水管理應運而生，旨在運用生態恢復與自然引導的方式形成自然水循環，維持和保護場地自然水文功能、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，使城市達到開發前的自然水循環效應[1]。

隨著科學技術逐漸發展，低影響開發引導下的城市建設從局部的單一領域開發，逐漸轉向水文生態系的規劃系統，其理論框架也逐漸從局部空間水文與水質研究拓展到城市生態水文的格局引導，然而并沒有研究低影響開發轉向整體設計流程的高度。本文從低影響開發的設計流程入手，從“宏觀總體格局的水綠生態網絡建構——中觀區域層級的灰綠生態結構耦合——微觀單元級別的基礎設施生態功能嵌入”這一逐層遞進的低影響開發流程，明確不同設計階段的任務、內容、條件和限制，并針對性地選取與雨洪性能、生態效應具有強關聯的設計要素，確定其取值范圍和影響權重，從而制定不同階段的設計主體、設計目標等導控指標，使其明確每個階段需要解決的核心問題，提高低影響開發的效果，為今后的研究奠定理論基礎。

海綿城市系統是滿足自然積存、自然滲透、自然凈化為導向的復合生態體系，其最終目標是建立健康與可持續發展的城市雨洪管理生態系統[2]。因此，低影響開發的設計流程應從宏觀的水文生態格局與城市基礎設施格局形成正向的耦合關系入手，建立城市水文生態網絡，形成總體水文生態框架；進而考慮區域性的水文安全與精細化的水資源管理，建立城市綠灰基礎設施組成關系，形成灰綠耦合模式引導下的區域級雨洪管理的布局形式和空間結構；通過建立區域環境特征雨洪管理模塊信息庫，完善綠色基礎設施的結構、材料、構造、植物配置以及空間效能等設計信息。并根據不同功能系統形成不同功能群組，從而更優質地發揮綠色基礎設施的功效。因此，如何規范合理的設計流程與設計方法是海綿城市形成途徑的重要手段。

1 水綠生態網絡格局的建構

從宏觀水文生態規劃角度來說，其核心思想是研究與城市森林、河流、湖泊、濕地、綠地等不同級別的生態斑塊系統與雨洪調節功能之間的耦合關系，從而生成最優的水綠生態格局，提高水資源質量與城市生態效益，增強海綿城市的“海綿”效應[3]。

“水綠格局”即水資源與綠地資源之間的關系，其中水資源主要為調蓄、遷移、收納等功能，綠地主要是滋養、凈化、吸收之責，兩者共同構成了城市生態基質。因此，水域與綠地之間的規模、形態、結構等關系影響城市生態、雨洪控制等，即為水綠耦合關系。高效的生態板塊與城市格局形成拓撲關系，通過不同尺度、烈性級別的生態載體組成，這一拓撲過程是城市格局與生態斑塊的形態、效率、數量之間的耦合過程。因此，水綠生態網絡格局的構筑方式應遵循形態學分析法融入水綠耦合規劃系統中，并通過“反規劃”的方式，強調生態斑塊與城市空間之間的功能聯通，主要步驟有以下幾點。

綜合考慮城市水文的空間分布與雨洪管理需求，并結合生態廊道及生態核心控制點各自的生態屬性及特點，調整森林、河流、湖泊、濕地、溝渠、綠地等“大海綿”設施的空間布局，形成流域級斑塊—通廊級斑塊—城市區塊級斑塊3個層級，各級水文生態斑塊體現了不同維度的水文功能特征與城市形態特征[2]。其中，流域級斑塊具有調蓄水量、涵養水源、凈化空氣、保持生物多樣性等功能；通廊級斑塊具有雨水徑流截留、雨水導流、徑流控制等功能；功能區塊級斑塊具有水源蓄存、水源凈化、滋養地下水等功能；水綠生態網絡格局的3級水文生態斑塊格局構成了城市水綠生態網絡的總體框架，與城市不同功能區塊相互嵌套，形成相互依賴、相互協調、相互促進的動態關聯。

通過城市格局特征、生態敏感性評價、雨水徑流足跡分析、最小路徑模擬確定研究區的中心生態控制點和生態廊道的分布規律，構建平衡生態容量、遵循自然過程的空間網絡格局，如中心生態控制點選用團聚式斑塊分布格局，道路或藍網區域選用線狀斑塊分布格局，空間形態及雨水徑流足跡復雜區域選用組合式斑塊分布格局[4]。

依據中心生態控制點和生態廊道形成雨水涵養與雨洪調蓄的潛在地區以及城市形態特征，確定斑塊的形狀指數和分維數，即將各個城市建成區的生態斑塊系統與城市格局建立有機聯系。

根據水綠生態網絡格局建立3級水域生態級別，一級水域為永久水體中最細小的支流形成斑塊內循環；二級水流連接公園內的湖面和城市河道；三級水流自然河流。

2 區域灰綠結構系統的耦合

從中觀的區域雨水生態規劃來說，城市的不同區域存在不同下墊面狀態以及不同水文特征與雨洪敏感性，宏觀層面下的水綠生態網絡格局，無法滿足精細化的水文管理。因此應充分分析不同區域下墊面的雨水滲、蓄、排能力差異，根據區域水文地質條件、水資源狀況以及雨洪敏感性劃分低影響開發分區，根據各區域不同特征，制定相應的低影響目標，規劃與之相應的LID綠色基礎設施組合。

城市作為多重復合的聚合體，由多元混合匯水空間構成，其系統大體由建筑、道路、廣場、綠地以及水域等5個匯水單元構成，其中包含70%左右的人工基礎設施環境，以及30%左右的生態要素，這類傳統的城市雨洪管理僅僅依靠人工排水系統無法滿足城市雨洪的最佳管理[5]。通過建構城市綠灰共生體系，植入雨水滯蓄、凈化、導流、滲透等多功能的綠色基礎設施，并將其與灰色基礎設施在城市水文循環系統中形成關聯機制，明確兩者之間的組成結構、空間關聯，以實現對地表徑流的控制和利用。其中，組成結構是通過協調從要素到系統的關系的作用機制，明確各要素的規模、結構關系以及空間布局的動態關系，實現從“單一規模—組成結構—整體布局”的多層級水綠交融和諧統一。其核心理念是將2個獨立的基礎設施系統之間通過各種相互作用而彼此影響以至聯合起來的現象，是在各子系統間的良性互動下，形成的相互依賴、相互協調、相互促進的動態關聯關系。

通過數字技術措施使城市水文過程模擬自然水文循環過程，按因地制宜和經濟高效的原則選擇LID技術及其組合方式，構建綠色基礎設施網絡，形成綠灰耦合的區域級別雨水管理系統。在建綠色基礎設施網絡下將不同雨水控制系統堆疊，每1個系統有其一定的雨洪價值權重，通過疊加、并置等方式將區域內各要素組合成為影響水文管理系統，提升城市的雨洪調蓄、雨水涵養能力。綠色基礎設施網絡由源頭控制系統、遷移控制系統和末端治理系統構成。源頭控制措施指在各污染發生地攔截凈化地表徑流污染物的一系列措施，如生物滯留系統、綠色覆蓋措施等；遷移控制措施指在城市徑流產生后到受納水體間的過程中加以控制，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帶相遇處進行控制和凈化治理，如人工濕地措施等。其核心理念是將多個獨立的生態系統之間通過各種相互作用而彼此影響以至聯合起來的現象，是在各子系統間的良性互動下，形成的相互依賴、相互協調、相互促進的動態關聯關系。

3 單元基礎設施的生態功能嵌入

從微觀層面上說，優化綠色基礎設施的結構、構造以及植物搭配等技術問題是LID措施的核心問題。綠色基礎設施主要分為截留技術、促滲技術和調蓄技術以及生物滯留技術4種[6]。其中，截留技術是通過生態構造措施介入，增加雨水匯集面積，緩解徑流速度；地表促滲技術是通過改變下墊面結構形式，促進雨水滲透、過濾及凈化的技術措施；調蓄技術是儲存與凈化徑流雨水的作用，當設施內的雨水達到飽和時，通過溢流口排入市政雨水管網，而干旱時可向周邊綠地提供水資源；生物滯留系統依靠植物同化與吸收作用、底泥微生物修復作用、填料層物理過濾作用、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[7]。4種技術協同作業構成了城市水環境優化的最佳介質，也是構成城市海綿體的重要組成部分，如何建立良好的基礎設施系統，主要步驟包含以下幾點。

建立灰綠基礎設施單元類型庫與雨水基礎設施性能指標數據庫。為實現整體的城市雨水動力系統需要根據不同的場地特征賦予其不同的綠色功能，4種不同的LID技術又包含多樣性的LID設施，如透水道路、生態屋面、生物滯留池、下沉式生態綠地、人工雨水濕地、干濕塘、蓄水生態池、調蓄水塘、植草溝、滲渠、植被過濾帶等[8]。因此，需要根據區域特征的信息庫，設置不同的LID設施，并根據兩者對應的關系制定相應的綠色基礎設施單元類型庫，從而形成場地信息與LID設施相互對應的關系。

不同場地類型建造的相同類型的LID設施又具有多種不同的結構構造模式，其多重的參數影響著不同功能層的影響效果，因此需要采取以下創新基礎適應不同場地：植物種群及種植方式管理，LID設施應采取群植的種植方式，根據雨水流量、污染源特征、環境特征選取相應的植物類型，其核心目的是形成適當的雨水雨水滲透能力、加強污染凈化能力，通過多樣的植物配置，不僅能豐富景觀形式、同樣提升生態功能，對于植物的選取應考慮其耐受性、耐污能力及抗病蟲能力，從而保持長期的凈化能力；基質的結構穩定與滲透通暢問題，結構的穩定性防止堵塞是LID設施的核心問題，同樣是延長措施使用壽命的最有效方法，結構穩定性通過LID下部墊層的組織模式、堵塞問題通過表層材料的堆積方式，因此墊層的構成方式與表層基質組織方法能夠維持措施的穩定運行，因此表層應采取粗糙介質作為主要材料、基層材料應通過細粒徑的材料為主核心。

4 結論

由于對于低影響開發的研究多數停留在小尺度的源頭式分散型設施上，只適用于低強度、高頻率的降雨。因此，未來的研究應將視野面向城市系統，通過低影響開發的方式調整和優化城市肌理的特征，通過生態化的處理方式解決城市雨洪系統的問題。在宏觀上利用適應性分區、自然生態疏導網絡、水域匯集終點，從而達到生態為主導的城市海綿系統。

優質的綠色基礎設施聚合體成為實現低影響開發的核心技術手段，因此合理選擇綠色基礎設施及其組合方式進行優化分析，量化不同配置下雨水徑流與面源污染負荷響應情況及其綜合效益，結合計算機輔助決策，進行多目標決策分析，提出優化的配置方案。

優化綠色基礎設施的結構、構造以及植物搭配等技術問題是LID措施的核心問題。通過對截留技術、促滲技術和調蓄技術以及生物滯留技術的技術更新，合理選擇植物管理、緩解基質的堵塞問題、提高材料的適應性，從而形成盈盈基地特征的雨水基礎設施建設。