王國(guó)玉，何俊超，白偉嵐，沈 敏

(1.中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120；2.西寧市海綿城市建設(shè)管理服務(wù)中心，青海 西寧 810000)

1 概述

自古以來城市的發(fā)展就離不開水，人類逐水而居，城市因水而興。伴隨著城市的繁榮和不斷發(fā)展，水系統(tǒng)在逐步改變和適應(yīng)城市生產(chǎn)生活、灌溉景觀、防洪排澇、航運(yùn)等多種需要的過程中，水的自然循環(huán)和社會(huì)循環(huán)在城市空間的有機(jī)組合，逐步演變成為自然和人工水資源通過相互交換、循環(huán)與更新的復(fù)雜城市水系統(tǒng)[1]，并作為復(fù)雜城市系統(tǒng)的重要組成部分。在“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念引領(lǐng)的新型城鎮(zhèn)化背景下，作為城市建設(shè)和發(fā)展的基礎(chǔ)，城市水系統(tǒng)的科學(xué)發(fā)展正成為城市發(fā)展中的一項(xiàng)核心議題。

“綠色基礎(chǔ)設(shè)施”(Green Infrastructure，GI)概念起源于美國(guó)，其理念雛形可以追溯到紐約中央公園和波士頓“翡翠項(xiàng)鏈”公園系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]。GI是天然與人工化的龐大綠色網(wǎng)絡(luò)體系，具有類型、功能、脈絡(luò)、尺度、連通性等典型特征；是在盡量不改變自然環(huán)境的前提下，利用自然條件和規(guī)律的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。已有研究表明[3- 5]，不同尺度GI設(shè)施類型、規(guī)模和布局對(duì)城市水系統(tǒng)的影響和作用也各有不同。21世紀(jì)初，美國(guó)班內(nèi)迪克在LID基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了“綠色基礎(chǔ)設(shè)施”，將涉及領(lǐng)域由城市雨洪延伸至自然生態(tài)和綠色空間，形成了新興的城市可持續(xù)雨洪基礎(chǔ)設(shè)施[6- 7]。綠色基礎(chǔ)設(shè)施與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施有效結(jié)合，可以使傳統(tǒng)水利基礎(chǔ)設(shè)施更具有韌性[8]，在建設(shè)韌性城市、宜居城市方面具有重要意義。

海綿城市是基于我國(guó)國(guó)情提出的現(xiàn)代雨洪管理思路和技術(shù)方法[9]，核心是一個(gè)復(fù)雜水系統(tǒng)問題，基本概念是以水循環(huán)為紐帶，聯(lián)系“降雨-徑流”物理過程，以水環(huán)境、水生態(tài)表征的生物地球生物化學(xué)過程和以城市建設(shè)高強(qiáng)度人類活動(dòng)為特點(diǎn)的人文過程相互作用和反饋的復(fù)雜系統(tǒng)[10]。我國(guó)于2015—2019年開展了30個(gè)國(guó)家海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，有效促進(jìn)了城市水系統(tǒng)“自然積存、自然滲透、自然凈化”能力提升。基于各地海綿城市實(shí)踐，有效促進(jìn)了城市水系統(tǒng)的特色化和系統(tǒng)化提升[11- 12]。本文以西寧案例為研究對(duì)象，探索以GI優(yōu)化為特色的海綿城市水系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)途徑，為西北地區(qū)類似城市水系統(tǒng)建設(shè)提供思路與借鑒。

2 城市水系統(tǒng)現(xiàn)狀問題

西寧地處黃河腹地青藏高原東部，是西北地區(qū)典型的川道河谷型城市，生態(tài)區(qū)位重要、生態(tài)本底脆弱。多年年均降雨量410mm，年均蒸發(fā)量1212mm，降雨時(shí)空分配不均，全年以中小雨為主，多為單峰雨型，土壤滲透系數(shù)較好，黃土濕陷性等級(jí)屬中等偏弱。作為青藏高原國(guó)家生態(tài)安全屏障建設(shè)的服務(wù)基地和大后方，西寧用占全省1.1%的國(guó)土面積，聚集了全省39.3%人口，經(jīng)濟(jì)總量占全省的45%，是青藏高原唯一的百萬人口城市。尤其是近10余年來，伴隨著城市建設(shè)發(fā)展，西寧經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展高首位度和地區(qū)生態(tài)環(huán)境承載力之間的矛盾日益突顯，生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)任務(wù)依然繁重。不當(dāng)?shù)某鞘邪l(fā)展方式、資源環(huán)境的過度消耗對(duì)不同尺度城市水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和水循環(huán)過程造成了全方位影響，水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞、水資源短缺、城市內(nèi)澇漸增等問題日益凸顯。

2.1 流域水系統(tǒng)生態(tài)脆弱

西寧屬黃土丘陵溝壑區(qū)，流域山地區(qū)域林木覆蓋率低，斑塊破碎，生態(tài)基底較為脆弱，集中降雨時(shí)，易產(chǎn)生水土流失，水源涵養(yǎng)和生態(tài)功能不強(qiáng)。同時(shí)，受城市開發(fā)建設(shè)影響，河谷地區(qū)下墊面硬質(zhì)化比例激增，匯入干流的各級(jí)支流溝渠數(shù)量和湖、塘等重要調(diào)蓄空間面積顯著減少，如圖1所示，濱水濕地退化，河道干流渠化，自然水文過程顯著改變，流域水文調(diào)節(jié)功能日益脆弱。

圖1 西寧所在流域1995年/2015年水系變化遙感分析圖

2.2 城市水系統(tǒng)建設(shè)滯后

受西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展欠發(fā)達(dá)影響，西寧城市建設(shè)一定程度上存在著“地方自發(fā)無序”與“沿襲東部經(jīng)驗(yàn)”的疊加困擾，自身特色識(shí)別不清、規(guī)劃落地不足，進(jìn)而導(dǎo)致城市水系統(tǒng)問題突出，主要包括：①山體、城市、水系之間徑流路徑不暢，雨水排放組織無序；②排水設(shè)施建設(shè)滯后，存在管渠標(biāo)準(zhǔn)低、運(yùn)維管護(hù)不足，雨季廠網(wǎng)負(fù)荷超載；③局部產(chǎn)生內(nèi)澇積水；④雨污合流問題突出，城市河流水環(huán)境負(fù)荷超載。

3 城市水系統(tǒng)提升目標(biāo)與策略

3.1 建設(shè)目標(biāo)

西寧城市水系統(tǒng)發(fā)展也經(jīng)歷了供水城市、下水道城市、排水城市、水景觀城市、水循環(huán)城市和水生態(tài)文明城市等階段?，F(xiàn)狀城市水系統(tǒng)在水質(zhì)水量保障、污水獨(dú)立排放與收集方面功能基本健全，但在雨污綜合排水、污染治理與水環(huán)境保障、多源水源綜合利用和更高階的生態(tài)水系統(tǒng)方面均有不足。因此，西寧提出了以海綿城市建設(shè)為載體綜合提升城市水系統(tǒng)建設(shè)水平的頂層設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 西寧市水系統(tǒng)發(fā)展階段和海綿城市綜合提升關(guān)系圖(改繪自文獻(xiàn)[1])

在頂層設(shè)計(jì)指引下，結(jié)合城市特點(diǎn)以及綠色基礎(chǔ)設(shè)施、給排水工程設(shè)施等水系統(tǒng)資源現(xiàn)狀，綜合設(shè)定海綿城市建設(shè)目標(biāo)，見表1。通過持續(xù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)城市排水、城市水景觀、水循環(huán)和水生態(tài)文明等水系統(tǒng)功能提質(zhì)增效。

表1 西寧市海綿城市建設(shè)目標(biāo)一覽表

3.2 建設(shè)策略

針對(duì)河谷型城市水文過程特征和城市水系統(tǒng)面臨突出問題與難點(diǎn)，以雨水徑流路徑和過程為脈絡(luò)，在流域、城市和地塊尺度實(shí)施各有側(cè)重、互相銜接的海綿城市水系統(tǒng)構(gòu)建策略：①流域尺度注重藍(lán)綠空間融合，強(qiáng)調(diào)GI網(wǎng)絡(luò)與水系統(tǒng)健康關(guān)系的耦合，強(qiáng)化水系連通與系統(tǒng)治理；②城市尺度以子流域、匯/排水分區(qū)為單元，以雨水徑流組織為核心，通過各類工程措施和項(xiàng)目安排實(shí)施“治山、潤(rùn)城、理水”的特色建設(shè)路徑，如圖3所示，將海綿水系統(tǒng)構(gòu)建與各類GI充分銜接，降低了灰色基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)度和規(guī)模，提升GI生態(tài)服務(wù)供給能力；③地塊尺度充分利用既有GI設(shè)施布局，優(yōu)化場(chǎng)地內(nèi)的雨水徑流路徑，突出雨水徑流控制利用，采用復(fù)合措施保障地塊環(huán)境建設(shè)綜合目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

圖3 西寧海綿城市水系統(tǒng)“山-城-水”系統(tǒng)化治理策略

4 基于GI的海綿城市水系統(tǒng)建設(shè)要點(diǎn)

4.1 優(yōu)化藍(lán)綠空間布局，打造流域健康水系統(tǒng)

4.1.1識(shí)別生態(tài)安全格局，構(gòu)建綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)

以湟水流域范圍內(nèi)866km2的西寧中心城區(qū)國(guó)土空間為對(duì)象，從水土流失安全格局、水生態(tài)安全格局、植被資源敏感性、遺產(chǎn)與景觀安全格局入手，構(gòu)建4類12項(xiàng)指標(biāo)體系，見表2，運(yùn)用ArcGIS空間疊加計(jì)算，得出西寧市綜合生態(tài)安全格局分析結(jié)果，如圖4所示。

圖4 西寧市中心城區(qū)流域尺度綜合生態(tài)安全格局分析

表2 西寧中心城區(qū)生態(tài)安全格局指標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

基于西寧市綜合生態(tài)安全格局分析，以流域水系統(tǒng)健康為導(dǎo)向，梳理中心城區(qū)林地、公園、水體、溝道等綠色基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀，形成一個(gè)城市綠芯、四個(gè)城市公園核和五個(gè)山體森林屏障為重要生態(tài)源地，并通過三條河流廊道串聯(lián)的“斑塊—廊道”式綠色基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)布局結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 西寧市中心城區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施布局網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4.1.2水系連通綜合治理，提升流域水環(huán)境質(zhì)量

按照“連通成網(wǎng)、控沙提質(zhì)”的區(qū)域水系綜合治理思路，統(tǒng)籌布置調(diào)水引流、清淤疏浚、涵閘修復(fù)改造、生態(tài)護(hù)坡護(hù)岸、水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)等工程，重點(diǎn)發(fā)揮GI的涵養(yǎng)、緩沖、調(diào)蓄等功能，改善河流水動(dòng)力，增強(qiáng)水體自凈能力，達(dá)到提升水環(huán)境承載力、保護(hù)水域生態(tài)環(huán)境的目標(biāo)。在城市外部水系上游采用“綠地涵養(yǎng)+濕地控沙”相結(jié)合的技術(shù)措施，著重發(fā)揮GI斑塊的水源涵養(yǎng)、水土保持、水質(zhì)凈化等生態(tài)功能。城市水系從“地塊-岸帶-水體”的橫向水文路徑分段施策，采用地塊源頭低影響削減、岸帶濕地公園凈化調(diào)控、末端污水廠集中處理回用、水系綜合治理等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)雨水、中水、污水、河水“四水”共治，如圖6所示。

圖6 西寧市河湖水系連通綜合治理模式圖

4.2 突出“山-城-水”特色，打造片區(qū)海綿城市水系統(tǒng)

4.2.1藍(lán)綠融合，構(gòu)建子流域“山體-城市-水系”海綿水系統(tǒng)

圍繞“山地降雨-坡面流-溝渠匯集-穿城溝道(排洪渠)-受納水體”雨水徑流路徑，通過梳理子流域內(nèi)的山體溝道、河道水系和城市單元空間關(guān)系，重點(diǎn)采用藍(lán)綠融合的技術(shù)策略和措施，在“源頭、過程和系統(tǒng)”角度充分發(fā)揮GI的作用，系統(tǒng)加強(qiáng)子流域內(nèi)雨水徑流的組織與控制，打造子流域海綿水系統(tǒng)建設(shè)模式，如圖7所示。源頭上重點(diǎn)實(shí)施山林植被生態(tài)修復(fù)，強(qiáng)化水土保持與水源涵養(yǎng)，統(tǒng)籌邊溝排水與灌溉功能，強(qiáng)化雨水滯留與就近澆灌利用；過程上充分利用山體沖溝、水系濱水濕地，沿路沿渠綠地、調(diào)蓄公園等綠色基礎(chǔ)設(shè)施，充分考慮超標(biāo)暴雨情景，依托城市大豎向，構(gòu)建“山體-溝道-綠廊綠帶-濕地”互聯(lián)互通、蓄滯功能提升的雨洪行泄路徑。系統(tǒng)治理方面，發(fā)揮GI水生態(tài)修復(fù)、水環(huán)境治理綜合功能，通過環(huán)境營(yíng)建，為生物多樣性提供豐富的自然棲息地，降低城市防洪排澇負(fù)擔(dān)，同時(shí)豐富濱水空間的各類社會(huì)服務(wù)功能。

圖7 西寧市火燒溝子流域“山-城-水”海綿城市水系統(tǒng)建設(shè)布局圖

4.2.2灰綠結(jié)合，構(gòu)建匯水分區(qū)“城市-水系”海綿水系統(tǒng)

針對(duì)匯水分區(qū)內(nèi)“城市降雨-地表徑流-城市管網(wǎng)+行泄通道-調(diào)蓄濕地-受納水體”的雨水徑流路徑，順應(yīng)豎向優(yōu)勢(shì)，采用灰綠結(jié)合方式，構(gòu)建生態(tài)、宜居、安全多目標(biāo)協(xié)同的海綿水系統(tǒng)，如圖8所示。優(yōu)化城市藍(lán)綠空間格局，按照“蓄用為主、滲滯相輔、凈化提質(zhì)”[13]的總體原則，合理布置各類源頭減排海綿設(shè)施，植物種類選擇耐寒、耐旱、耐澇、耐鹽堿抗污染的鄉(xiāng)土植物為主，增強(qiáng)設(shè)施的生態(tài)功能和地域景觀文化表達(dá)。實(shí)施破硬增綠、整治擴(kuò)綠、口袋綠地等“小微”景觀提升工程，增加綠地面積，完善GI網(wǎng)絡(luò)連通，提升生態(tài)產(chǎn)品供給水平和系統(tǒng)功能韌性，促進(jìn)城市人居建設(shè)水平提升。注重城市排澇方案優(yōu)化，在保障排水防澇安全基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)狀河道用地空間，盡量減小拆遷，避讓鄰近區(qū)域村莊、建筑物、樹木及基本農(nóng)田[14]。

圖8 西寧市匯水分區(qū)“城-水”特色海綿城市水系統(tǒng)路徑圖

4.3 因地制宜，實(shí)施三類典型地塊海綿城市建設(shè)

4.3.1山體地塊

針對(duì)城市外圍山體林地，重點(diǎn)提升綠地水土保持和水源涵養(yǎng)的生態(tài)功能。通過水平階整地、魚鱗坑修復(fù)以及低勢(shì)綠地、生態(tài)邊坡等措施強(qiáng)化對(duì)坡面雨水徑流的就地?cái)r蓄利用與生態(tài)回補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)雨水調(diào)蓄與水土流失治理；通過治理沖溝，設(shè)置多級(jí)跌水緩沖塘，滿足雨水調(diào)蓄和山體沖溝防洪達(dá)標(biāo)。通過由上而下層層攔蓄，最終實(shí)現(xiàn)坡面林地水土保持和雨水蓄滯凈化的生態(tài)功能，如圖9所示。利用生態(tài)邊溝、截流溝和過路管涵、干塘等設(shè)施組合，完善坡面徑流的收集和就地回用，提高雨水資源利用率，降低灌溉調(diào)水量。

圖9 西寧市城市山體林地雨水徑流控制路徑圖

4.3.2建設(shè)地塊

科學(xué)可操作的海綿建設(shè)目標(biāo)設(shè)置是城市地塊項(xiàng)目海綿水系統(tǒng)構(gòu)建的基本前提。通過西寧降雨深度與徑流污染削減率關(guān)系分析，可知控制7～16mm的中小降雨(對(duì)應(yīng)年徑流總量控制率65%～90%)是經(jīng)濟(jì)有效的工程措施，如圖10所示，各建設(shè)地塊的海綿指標(biāo)在此范圍內(nèi)根據(jù)場(chǎng)地特征進(jìn)行科學(xué)分配。西寧海綿城市建設(shè)采用容積法和模型計(jì)算法相融合的“雙導(dǎo)向法”[15]，優(yōu)化影響因子指標(biāo)調(diào)整體系，以年徑流總量控制率為核心主控指標(biāo)，進(jìn)行項(xiàng)目地塊間海綿城市建設(shè)指標(biāo)調(diào)整，最終確定地塊項(xiàng)目上源頭減排海綿建設(shè)目標(biāo)。

圖10 西寧市降雨深度與SS徑流污染削減率關(guān)系圖

在源頭減排海綿建設(shè)目標(biāo)指引下，充分發(fā)揮GI對(duì)雨水滯蓄、利用功能，采用“截流、引導(dǎo)、蓄存、多用”方式組織項(xiàng)目地塊雨水徑流，將集中的降水曲線，延伸為相對(duì)平緩的用水曲線。合理布置高位花壇、植被淺溝、下凹綠地、雨水花園及卵石滲溝等源頭海綿設(shè)施，加強(qiáng)與雨水桶、調(diào)蓄池等小型灰色設(shè)施的系統(tǒng)銜接，實(shí)現(xiàn)雨水在GI上的控制指標(biāo)達(dá)標(biāo)，構(gòu)建“彈性地塊”，如圖11所示。實(shí)施“海綿+N”的建設(shè)改造模式，優(yōu)化公共空間品質(zhì)，提高居民的幸福獲得感。

圖11 西寧市海綿城市建設(shè)雨水綜合利用流程圖

4.3.3濱水濕地

濱水濕地作為“城市”與“水系”典型空間單元的交界面，是海綿城市水系統(tǒng)構(gòu)建中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，是“清水入湟”的最后關(guān)口。濱水濕地的海綿化建設(shè)需根據(jù)周邊排水分區(qū)的地表徑流總量、上位規(guī)劃調(diào)蓄容積指標(biāo)要求，開展低影響設(shè)施布局。結(jié)合豎向設(shè)計(jì)，銜接城市豎向及周邊雨水管網(wǎng)排水系統(tǒng)，形成內(nèi)部排水分區(qū)劃分，通過“蓄、滯、用、排”多類型雨水設(shè)施組合，優(yōu)化地表排水路徑。明確濕地內(nèi)主要排水口分布及出水水質(zhì)情況(雨季、旱季)，根據(jù)水質(zhì)情況合理選擇水體污染物凈化低影響設(shè)施，并根據(jù)排水口水量數(shù)據(jù)、水體污染物凈化循環(huán)周期等條件合理布設(shè)各類海綿凈化設(shè)施，實(shí)現(xiàn)水體的達(dá)標(biāo)排放，如圖12所示。增強(qiáng)濕地內(nèi)的景觀水體的雨水調(diào)蓄功能，設(shè)置溢流排放系統(tǒng)，使其與城市雨水管渠系統(tǒng)或超標(biāo)雨水徑流排放系統(tǒng)相銜接。

圖12 濕地雨水排口區(qū)域海綿設(shè)施設(shè)計(jì)示意

5 結(jié)語

(1)城市水系統(tǒng)的發(fā)展受到每個(gè)城市特定的水資源條件、氣候水文以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素的影響[16]。西北地區(qū)氣候和自然環(huán)境條件脆弱，城市沿河集中發(fā)展，環(huán)境干擾和脅迫壓力突出，造成“自然-人工”二元水循環(huán)關(guān)系[17]趨緊，產(chǎn)生了一系列城市水問題。依托城市“山-城-水”空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，西寧海綿城市建設(shè)在生態(tài)安全格局識(shí)別的基礎(chǔ)上，完善GI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升重點(diǎn)綠色斑塊的雨洪控制功能，構(gòu)建流域健康水系統(tǒng)；結(jié)合“山、城、水”空間單元特征，在城市尺度，從子流域、匯/排水分區(qū)及建設(shè)地塊等不同空間尺度，圍繞雨水徑流組織優(yōu)化，逐層優(yōu)化各類GI設(shè)施布局，突出藍(lán)綠融合、灰綠結(jié)合，探索了以綠色基礎(chǔ)設(shè)施為主要載體的海綿城市水系統(tǒng)構(gòu)建途徑，促進(jìn)了城市水系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展，為西北地區(qū)城市水系統(tǒng)建設(shè)提供典型模式。

(2)無論是國(guó)際上倡導(dǎo)的“韌性城市”還是“低影響開發(fā)”等理念，未來城市發(fā)展越發(fā)強(qiáng)調(diào)維持開發(fā)建設(shè)前的場(chǎng)地水循環(huán)及徑流水平，作為生態(tài)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。綠色基礎(chǔ)設(shè)施作為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的優(yōu)選載體和途徑，已經(jīng)成為城市管理者、專業(yè)技術(shù)人員和民眾所關(guān)注的熱點(diǎn)內(nèi)容。藍(lán)綠融合正在逐步從理念走向?qū)嵺`。需要引起注意的是，在通過綠色基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建城市健康水系統(tǒng)的過程中，應(yīng)區(qū)分不同地域特點(diǎn)、城市水系統(tǒng)特點(diǎn)和發(fā)展階段、不同空間尺度綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)水系統(tǒng)循環(huán)的作用和價(jià)值，分區(qū)施策、分類實(shí)施，促進(jìn)城市水系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展。

注：除注明外，文中圖片均由作者繪制。