生态脆弱性视角下城市水环境导向的城市设计策略

陈 天

李阳力

城市设计是指在整体、宏观的背景分析基础上进行综合的三维和控制引导，包括区域、城市、街区等多个层面的内容。但是，现今的国内外城市设计学者更加侧重于对城区或者街区的深入研究。城市设计的概念也被细分为注重三维空间、作为艺术处理、针对公共领域、强调功能组织、关注行为与环境的互动、强调过程以及广义综合的城市设计等不同方面[1]。全球气候变化已成为全球关注的问题，气候变化意味着城市需要具备可应对未来发生的不可抗灾害的能力，生态城市设计作为应对全球气候变化的研究热点凸显其重要性，其中水资源与水循环的有效保护是缓解气候变化的重要环节之一。中国作为处于发展转型期的国家，城市发展导致生态环境压力进一步增大[2]。城市河流湖泊系统是城市环境的重要生态本底，随着区域与城市的不断发展，水质情况也受到了城市发展的影响[3]。城市群进入新的发展高峰，城市和经济的增长凸显出一系列的矛盾，其中水生态环境就是其中的主要矛盾之一。不同层次的城市规划策略对不同的区域、城市以及街区水系统规划有着不同的指导作用。研究立足于降低城市群发展对原本就脆弱的水生态环境造成的影响，对水生态脆弱性评价体系进行研究，构建水环境导向的城市设计技术体系，提出城市设计策略，探索生态脆弱性视角下城市水系统规划的实现途径。

1 知往鉴今——国内外水生态系统管理的研究经验

不同地区、国家的城市形态、水文条件、气候条件及经济水平等存在差异，不同地区、国家有着因地制宜的水生态系统管理的理论研究。目前全球范围内较为先进的水生态系统管理理论介绍如下。

低影响开发(Low Impact Development，LID)最初是在美国马里兰州采用的，针对微观尺度控制的、分散式设施污染源头控制的城市规划设计方法[4]，目的是缓解日益增加的不透水表面带来的影响。LID的应用减少雨洪基础设施的压力、增强适应气候变化的韧性。与传统的城市雨洪管理模式相比，LID促进水循环回到开发前的状态[5]。

可持续城市排水系统(SuDS)英文全称是Sustainable Drainage Systems，是英国为城市可持续发展探索出的一种新方法, 引入可持续发展的概念和措施，对水质量、环境舒适性和生物多样性进行统筹考虑[6]，形成解决地表水排水问题的“可持续城市排水系统”。

水敏性城市设计(WSUD)英文全称是Water Sensitive Urban Design(图1)。WSUD一词最先出现于学术研究中，随后出现在西澳大利亚州1994年的政府报告中[7]。总体来说，WSUD是面源控制防控结合土地利用、雨洪汇集源头控制、径流量控制的综合方案，同时发挥出景观美学、水生态系统、休闲娱乐等综合价值[8]。

“活跃、美丽、洁净水源”(ABC Waters)英文全称是Active Beautiful Clean Waters，是新加坡公共事业局吸取澳大利亚水敏性城市设计的综合雨水管理经验，于2006年提出的热带地区水生态系统管理项目。有不少研究者从供水、水质量管理和城市设计、基础设施的角度[9]，研究了新加坡的水资源管理。不同于LID、SuDS和WSUD，ABC Waters最明显的创新在于增强市民、政府部门和公司之间的协作；鼓励市民参与监督ABC Waters项目；建立了良好的培训体系和专业技术认证体系[10]。

城市的发展离不开水生态系统的支撑，早在中国古代就注重城市与水的和谐关系[11]，1990年钱学森先生提出的山水城市[12]延续了中国传统的山水自然观、天人合一的哲学观，后来又发展出山水环境理念下的城市设计[13]和基于水环境保护的城市设计[14]。海绵城市是当前中国城市发展中最常用到的城市雨洪管理概念[15]，不少研究中利用多种LID措施进行海绵城市规划设计，模拟均显示出较好的海绵城市建设效果[16-17]。

对国际上既有水生态系统管理研究及实践进行总结，LID、SuDS、WSUD、海绵城市的研究大多侧重于雨洪管理以及对污染的控制，实证研究较为微观，缺乏从宏观的城市群流域层面、中观的城市层面进行水生态系统脆弱性的考虑。

图1 WSUD的设计流程(根据Water Sensitive Urban Design Guidelines https://www. melbournewater.com.au内容绘制)

2 另辟蹊径——生态脆弱性视角下的城市设计技术体系

自1905年Clements将“生态过渡带”的概念引入生态学研究后，生态脆弱性的研究就引起了全球科研机构、学者的广泛关注。如20世纪60年代的国际生物学计划(IBP)，70年代的人与生物圈计划(MAB)，80年代的地圈、生物圈计划(IGBP)都将生态脆弱性作为重要的研究领域[18]。2001年政府间气候变化专门委员会(IPCC)第三次评估报告中对脆弱性进行了定义：是指系统易受或没有能力对付气候变化，包括气候变率①极端的气候事件不利影响的程度。生态脆弱性评价始于对自然灾害的研究[19]，是流域生态脆弱性研究的核心内容。魏兴萍[20]等人根据的岩性、坡度、土壤、岩溶发育程度、地表岩溶特征对重庆岩溶地区地下水进行脆弱性评价。崔利芳[21]等人以海平面上升速率、地面沉降速率、生境高程、生境淹水阈值和沉积速率为指标，建立脆弱性评价指标体系，对长江口滨海湿地脆弱性进行研究。谢盼[22]等人从暴露性、敏感性和适应能力3个方面、18个因子对城市高温热浪灾害脆弱性进行了评价。马骏[23]等人从压力指标、状态指标和响应指标3个方面、18个因子对三峡库区生态脆弱性评价进行研究。Hong W[24]等人以深圳为例，从生态敏感性、自然-社会压力和生态韧性3个方面、12个评价因子对高城市化率地区生态脆弱性进行了研究。

虽有部分学者对区域和城市的生态脆弱性评价进行了研究，但是专注于与城市设计、城市空间形态相关的水生态脆弱性评价研究还较少。PSR模型由于其逻辑性广泛用于生态系统评价领域[25]，因此，本文从生态脆弱性的视角出发，梳理与城市设计、城市空间形态相关的脆弱性评价因子[26]，基于“压力-状态-响应”模型(Pressure-state-response，PSR)构建水生态系统脆弱性评价体系(表1)。本文中P代表导致水生态系统结构和功能变化的直接压力，如降雨量的变化及岸线工程建设改变了原有水生态系统，城市扩张和人口增长改变了总耗水量和总排污量等。本文对水生态系统的压力与城市设计的关联性进行了归纳，压力主要包括自然环境压力、空间环境压力和社会环境压力。S代表由压力P导致的水生态系统变化，如水域面积减少、地表水质变差、常年地下水位降低、沿海地区常年地下咸水位升高、污染物含量增加、流量减少、土地流失、生物群落丧失、人居环境破坏、洪水淹没范围增加、城市热岛效应加剧等，S可分为水生态系统和气候变化2个方面。R代表包括制度建设、经济结构调整、技术改进等措施对水生态系统变化的响应。

结合水生态系统脆弱性评价体系，从城市设计的3个尺度提出了水环境导向的城市设计技术体系(图2)。

3 知往鉴今——不同尺度的水环境导向的城市设计策略

本文从生态脆弱性的视角出发，构建了水生态系统脆弱性评价体系，结合水生态系统脆弱性评价体系提出了针对区域-城市-街区3个城市设计尺度的城市设计技术体系。为降低水生态系统脆弱性，提高城市设计质量，从3个城市设计尺度提出水环境导向的城市设计策略。

3.1 城市群或区域及其流域的城市设计策略

区域的流域是城市群的主要水生态系统本底，城市群发展所需水资源的主要供给。区域的流域水生态系统或多或少受到城市群发展的影响，如海河流域是京津冀地区的重要水资源，同时海河流域又是中国七大流域中污染最为严重的流域。公共资源属性、高污染行业比重过高、管理权条块分隔，以及地区经济发展不平衡是海河流域水污染的主要成因[27]。城市群发展过程中对生态环境的破坏，出现了如植被的破坏导致水土流失；上游水生态系统的破坏导致下游水生态系统压力大；上游工农业生产生活污水排放污染下游城市流域；城市的高密度人口导致水资源压力过大；多年的地下水超采，华北平原已经成为世界上最大的“漏斗区”等问题。综上，城市群或区域及其流域的水环境导向的城市设计策略包括如下内容。

1)结合水系的自然有机的城市群空间布局。

控制城市群集中连绵成片的发展，特别是在水生态系统脆弱的地区。城市群空间布局可根据现状水系(图3)和汇水区分析[28]了解基础水生态条件；利用3S技术分析洪泛区，指导城市群发展用地布局；利用3S技术分析水生态区划得出水生态敏感性分析结论；在建成区与河流、湖泊间设置水土保持林(如条件合适，可以划定足够规模的国家森林公园等保护区)，达到保水、滤水等效果。结合定量分析结果，采用自然、有机、生态的多元组合模式，形成动态平衡的城市群空间结构(图4)。

2)重点保护流域核心区域。

重要湖泊(水库)是水生态系统的主要组成部分，而且在某些方面来说，重要湖泊(水库)的质量决定了流域的整体水生态系统质量。如白洋淀是华北之肾，其生态环境会影响到整个海河流域的水生态系统的平衡[29]。保护流域核心区域显得尤为重要，设置国家水源保护地，可划定核心区、缓冲区、实验区②。

3)控制城市群发展规模。

城市群发展中要保护水生态系统就得受到生态承载力的约束，生态承载力是指一定条件下生态系统为人类活动和生物生存所能持续提供的最大生态服务能力，特别是资源与环境的最大供容能力。在城市群发展过程中，需要在保证水生态系统的自我维持与自我调节能力的原则下，管控城市建设区域规模，建立城市建成区与城市外围自然、生态、农业腹地之间合理的比例关系，保障城市整体的生态承载力、气候适应性和御灾韧性。

表1 水生态系统脆弱性评价体系

3.2 城市及其流域的城市设计策略

城市是人类生活的主要聚集地，中国的快速城镇化对水生态系统造成了较大的威胁，不透水表面的增加造成了水循环的不流畅；城市周边的农畜牧业、渔业等生产活动导致大量杀虫剂、农药、抗生素等人工化学合成物进入城市水体与水生态系统和食物链，产生次生污染；城市污废水的排放造成了水污染；暴雨季的强降雨造成了城市内涝；全球气候变化造成了城市热岛效应的加剧；城市内部空间形态布局阻碍了风环境的流通造成了城市内部湿环境的舒适性差等问题。基于这些阻碍人居环境建设的问题，提出城市及其流域的城市设计策略，主要包括如下内容。

1)绿色基础设施与灰色基础设施的融合。

绿色基础设施的建设在全球普遍开花，但是仅仅靠绿色基础设施的建设不可能完全满足城市雨洪管理的重大需求和目标，灰色基础设施在城市中也是必不可少的。因此在城市中建设雨洪管理基础设施时不应该将“绿色”“灰色”单独分开，而是应结合当地情况，在切实可行的情况下，将这2种方法纳入同一个可持续的雨洪管理系统。在现有灰色基础设施存在的情况下，融入绿色基础设施，减轻灰色基础设施的负荷压力，如将绿色基础设施融入城市广场的建设中，解决土地利用紧缺的问题，发挥绿色基础设施的雨洪功能，同时提高城市广场的景观效果，增加市民的亲水性。实施城市雨洪资源的合理利用与管控，在不同流域范围内，合理分析城市致灾的周期、规模与范围，建设雨洪灾害缓冲区。对于旱涝间歇气候类型城市，应合理利用沥水，有效滞纳、疏导并储存利用。

2)流域上、中、下游地区的水环境保护。

图2 水环境导向的城市设计技术体系

以京津冀城市群为例，需要从国家的战略高度对京津冀的水环境保护进行规划设计。构建协同的合作平台，打破行政辖区的思维模式和管理方式，避免上游地区先污染、下游地区提出请求后再进行非紧密合作，建立起水环境生态补偿机制。如河北省承担着向京津两地提供水资源的主体功能，京津两地应对河北省提供足够的生态补偿，提高河北省积极参与水环境保护的积极性的同时也能提高河北省的经济发展水平，降低地区经济发展的不平衡。调整海河流域产业结构，降低高污染行业比重，提高新技术产业、低污染、低能耗行业在流域经济中的比重。降低流域核心区、水源地地区的人工养殖业及畜牧业的规模与比重，限制农药化肥抗生素制品的使用率。

3)水污染控制。

在城市建设发展过程中，可利用海绵城市、LID、SuDS、WSUD等先进理念控制水污染，如修建湿地过滤地表径流和雨洪水，减少流入城市水生态系统的污染物；改进城市污水处理工艺；加大环境保护宣传教育，提高市民环保意识。

4)水安全防控。

城市内对河道的人为裁弯取直实践不少，虽说从弯曲河道变成直线河道，汛期行洪更顺畅，减少了洪水对城市的影响，但是流速过快的河流不利于形成湿地，降低了河流的生态净化能力，减少了河道两边的生物多样性。在城市内部水系规划时，应尽可能在保持河流自然曲线的同时，在河道底部预留能够保证足够行洪能力的直线通道。利用LID等雨洪管理技术，从雨水汇集源头收集雨水，规划设置调蓄池。在雨水径流的高峰流量期内收集雨水，既能规避雨水洪峰，提高雨水利用率，又能控制雨水对受纳水体的污染，还能减少对城市排水系统的压力。以达到适应环境变化的目标和提高抵御洪水带来的自然灾害的能力。

5)水气候适应。

我国城市规划形成了固化的空间布局模式和习惯，城市道路网多是南北向，这和当地的气候环境并不完全相适应，如北方城市的部分路网平行于城市风向，在某一盛行风向时城市内空气不容易流动，未来要多考虑水气候对城市街区布局的影响，根据不同的水气候条件可将路网规划成与风向有一定夹角。构建城市风廊系统，包括(1)主廊道：结合主导风向，构建郊区开口型廊道、市区楔形廊道，并利用宽阔的自然河道，山谷等自然环境条件，构建带状主导通风廊，宽度300m～1km；(2)次廊道：利用城市高速公路，主要交通干道、河流、高压走廊系统构建第二级通风廊道，宽度100～300m；(3)利用城市主干道及次干道、次级河道，结合公园绿地、社区绿地等形成第三级通风廊道系统。

6)缓解城市热岛效应和提高湿舒适度。

结合城市风廊，在城市风廊路径上设置水生态系统，夏季可利用水气候降温自然风，缓解城市热岛效应。北方城市冬季干燥，结合城市风廊，可利用水气候调节城市内部空气湿度，提高湿舒适度。利用城市大型绿地、森林、河湖水系等组成城市冷岛系统和碳汇系统。形成城市蓄冷体，平衡缓解夏季高温灾害。与通风廊道系统共同作用，强化通风、清洁、降温效应。

7)城市开发强度。

图3 京津冀海河流域示意图(根据维基百科图片绘制)

图4 京津冀三核城市群空间结构

减少城市下垫面的粗糙度，实施高层高密度建筑开发控制战略，实施建设区开发密度、高度、强度的分区规划管控；控制中心城区的高强度建设区域的规模、尺度与范围，避免连绵式高强度开发模式；降低城区混凝土等蓄热体的总量(覆盖密度、体积总量)，从而缓解中心城区的热岛效应。

8)地下空间开发。

建立地下空间开发与地下水资源保护的综合协同策略与机制，控制中心区域地下空间的连片开发，预留地下水与地面的联系通道，避免地下空间过度开发导致地下水源补充不足，地下水、地下河循环系统破坏。规划、国土与地矿部门通过协同分工，保持对地下水的水位、水质、水情的综合监控。

9)绿色交通。

实施绿色交通整体策略。发展多维度的公共交通、慢行交通、轨道交通，建立互惠的换乘体系，按城市管理分圈层实施机动车进城区收费或排放税制度。鼓励配建新能源交通充电站系统。

3.3 街区及其流域的城市设计策略

街区是城市中的重要生态单元，为城市雨洪管理技术的实现提供了空间载体。从街区层面上主要存在着街区空间形态布局的不科学导致的水气候环境及物理环境舒适度较差；雨水资源利用率低；滨水地区的发展导致的滨水景观生态系统破坏；建筑耗能高等问题。基于这些问题，提出街区及其流域的城市设计策略，主要包括如下内容。

1)街区空间形态。

利用GIS、遥感影像解析和气流模拟等数字技术方法，对街区的热环境、风环境、湿环境等物理环境进行模拟[30]，通过对水气候环境适应性设计的模拟，制定包括单体设计、群体布局、密度、竖向高度、开放空间和基础设施配置等在内的规划设计。鼓励城市内部依托公园绿地水系统建设并恢复生物多样性生态单元，结合通风廊道、城市、社区绿道、公园系统建设动物迁徙廊道系统。鼓励街区层级的绿地、园地设置小型动物庇护园。

2)水循环和集约利用。

水循环和集约利用是水生态系统保护的重要组成部分，也是微观城市设计的重要内容[31]。国际上常见的LID[32]、SuDS、WSUD可以说都是基于自然水生态理念，采用分散的、小规模的污染源头控制机制和设计技术实现雨洪控制与利用的雨水管理方法。在街区层面，这些理论方法更加易于实施。根据街区内部自然水系和雨水汇集区，结合街区各级绿地公园设置蓄水单元，能够有效控制水量，为绿地公园提供足够的景观用水，同时改善街区本身的水文条件，维护水体生态涵养能力，提高水质和保持水生态平衡。

3)滨水景观系统塑造。

滨水景观的塑造，应着重考虑水生态系统与景观性的和谐统一[33]，对自然植被茂密、物种丰富的滨水地段采取严格的保护措施，减少人工建设对水生态系统的不利影响；对自然植被匮乏、物种单一的滨水地段则采取生态修复和生态补偿措施。根据城市功能需求适度建设广场、亲水平台等休闲设施。对于系统化的水网设计，应尽量依托既有的水体进行生态化改造，如将既有的河流、湖泊、池塘作为天然的海绵集水区；新规划水体应考虑对原有水体系统的生态影响，在规模、尺度和形态设计方面不宜过大。

4)绿色建筑设计。

出租车里，王树林的心里电闪雷鸣，脸上却一脸平静。辛娜头靠着他，满脸幸福状地看着怀里的孩子。王树林看着辛娜，眼前晃动着大半年来两人恩爱的点点滴滴。没有疑点。辛娜发现了他的注视，说你盯着我看干吗？生了孩子的女人变丑了是不是？

鼓励大规模建设绿色建筑，推广城市垂直绿化技术[34]，减少浅色与硬质屋顶比例。全面推进建筑-社区-街区整体海绵城市技术。依托街区、社区，构建广泛的绿色气候适应空间单元。鼓励建设发展高密度社区中市民自主营造的社区农园，强化社区层次的气候韧性。绿色屋顶和建筑垂直绿化不仅能收集雨水，提高雨水使用效率和质量；还能降低屋顶维护成本，减少二氧化碳含量，提供野生动物栖息地，增加农产品种植空间，增加可供市民活动的绿地空间，美化城市环境。在设置绿色屋顶和垂直绿化时，应该考虑不同气候条件下的绿色植被的养护与管理。湿热地区四季气候条件变化不大，温度和湿度适宜植物生长和存活，绿色空间立体化策略较容易实施。寒冷地区四季气候条件鲜明，绿色植物的生长条件极为苛刻，需要根据当地气候特点选取耐寒、耐旱、抗污染的植物。

5)新能源利用。

建设可再生能源系统，发展水能、太阳能、风能、地热能、海洋能，构建冷热电联供系统，鼓励分布式能源站建设。

4 结语

全球气候变化的大背景下，作为区域与城市发展的生态本底，水生态系统的保护对区域与城市的可持续发展尤为重要。水生态脆弱性评价体系构建、水环境导向的城市设计体系构建和不同尺度的针对水生态系统的城市设计策略有助于区域-城市-街区3个尺度的城市人居环境的建设。未来的新型城镇化进程中，生态城市的建设将是发展重点，城市设计中水生态系统研究将会更加深入。

注：文中图片除注明外，均由作者绘制。

注释：

① 气候变率，反映气候要素变化的大小的量，可用该要素的均方差或平均绝对偏差等作为指标。