基于多层级水环境适应性的绿色城市设计探索——以杭州湘湖地区为例

章 飙

杨俊宴*

吴义锋

冯雅茹

绿色城市设计作为城市设计范型之一[1]，重点强调地形地貌、气候特征、蓝绿基础设施、物理环境、动植物群落等要素[2-3]在城市设计中所扮演的角色，进而谋求人工环境与自然环境相和谐的城市整体空间。水体作为城市中最常见的生态要素，在城市发展中发挥着多元而重要的作用，是城市发展的生命线，是城市最佳的降温媒介[4]。城市滨湖地区的发展一直是人们重点关注的方向，尤其是面对生态敏感性较高地区的开发，通常易走入2个极端：一是强调过度保护，二是强调过度开发。保护与利用并非对立的两面，有时在完善的保护框架下对山水资源进行适度开发利用，反而能够更加积极、主动地完成保护与发展的既定目标。

1 城市滨湖地区的水文特征、问题与应对

湖库型水体作为常见的水体形态，主要指具有景观、生态涵养功能的湖泊或水库水体[5]。相较于水体流动性较强、水更新循环较快的河流，湖库型水体具有水体流速慢、水容量大等多元特征，通常保持相对稳定、静止的状态。正是基于湖库型水体水位稳定、景观可塑性强、水城人关系相对紧密等特点，使其成为常见的城市开发型水体，在城市景观营造[6-7]、功能布局、休闲游憩[8]、人群活动[9]和生态保育等方面均发挥着重要作用。

自然之力在城市发展中影响显著，地形地貌特征、山形地势、径流汇水等因素决定了城市自然水体的空间分布。从多层级视角看，会对湖库型水体产生影响的空间范围主要包括宏观流域、集水区及水体本身等相关区域，其中包含水文特征、人群活动、气候变化和生物群落等影响因素[10]。随着滨湖地区的开发建设，对自然地形地貌、下垫面、水网格局与形态等的适应性改造，改变的不仅是地区的三维空间形态，也势必会对该地区的山林生境、水文特征和水循环产生不可逆的影响。实际发展过程中，由于城市建设处理不当，滨湖开发建设导致的生态问题也屡见不鲜，如自然水网格局消退、水体类型锐减，城市暴雨内涝成灾、水体污染严重[11]，以及阻碍自然水循环、增大水流侵蚀能力[12]等。集水区的水生态环境恶化，很大程度上也会对湖库型水体本身产生不利影响。随着中国城市建设中市政设施的逐步完善，点源污染的影响正逐步受到控制，大规模城市建设与人群活动带来的面源污染[11-13]，成为需要重点防治的新方向。

在现阶段的城市开发建设与规划设计中，已愈发注重水生态环境的保护[12，14-15]、主动思考水城间平衡关系的维持，关注内容也因学科背景差异而存在较大差别。针对水生态环境保护，城市规划学者更多地从保护与开发、城市与自然的关系视角入手，以感性的设计师思维，从景观美学、功能布局等角度进行统筹考虑；WSUD[16-17]、LID[18]、海绵城市[19]等开发策略的应用，有效地改善了水生态环境。而水环境、水资源、水利科学等学科的研究则更加关注水体本身，旨在通过定量测度方式[20]，对水环境容量、净化能力和水体流动等进行模拟分析来应对水生态环境的优化提升，但研究成果未能有效指导城市开发建设与规划设计。两大学科分别从自身专业视角出发对水、城及其关系进行了深入研究与探索，同时也存在相互融合与借鉴的可能。

得益于数字技术的发展，将其应用于绿色城市设计中展开量化分析，为设计决策提供科学、理性的分析支撑，已然成为普遍选择，尤其是GIS[21]、DEM、城市物理环境模拟[22-23]和水环境模拟[5，24]等数字技术方法的应用，为绿色城市设计的开展提供了巨大帮助。借助数字技术强大的数据分析与模拟能力，设计人员能够有效应对滨湖地区开发建设的量化分析需求，为规划决策提供理性参考。

2 基于多层级水环境视角的城市设计适应性策略

考虑到湖库型水体影响因素的多层级特征，本文试图从宏观山水流域、中观水网格局、微观水体优化3个层面，构建基于多层级视角[25-26]的水环境分析框架，并结合框架提出相应的城市设计适应性策略(表1)。在宏观视野下，强调整体山水格局的强化与脉络梳理[27]，基于水系流域的整体研判，梳理水环境特征、强化山水特色，明确山水资源的整体保护与利用框架，谋划片区的总体山水城形态格局，用以指导后续城市设计空间布局。

表1 基于多层级水环境视角分析框架的城市设计适应性策略

在中观水网格局层面，更多关注滨湖地区建设带来的水环境变化，通过径流汇水、水体类型等分析，坚持生态优先原则，构建片区水网格局。通过对集水区地形地貌特征的GIS分析，明确径流汇水流向与空间区位，并与后续城市功能和空间布局紧密结合；对原有场地中的自然水体类型进行统计划分，结合片区水绿基础设施规划设计，对重要的自然水体进行保护式再利用；结合城市功能布局与空间设计需要，对片区水网体系进行梳理，构建通畅、多样、体系化的水网格局；基于湖泊主水体的环境容量测度，建立湖泊纳污能力与片区建设规模间的耦合分析机制，并将结果落实到滨湖地区的开发建设之中[28-29]。

在微观水体优化层面，可采取成熟的海绵城市措施，尽可能消解面源污染、暴雨洪水等带来的不利影响，维护滨湖地区水环境品质。从雨洪管理角度，充分考虑废水、雨水及受纳水体之间的逻辑关系[13，30]，构建由大到小、从面到点的“流域-城市-片区-地块-建筑-单个住户”多层级水环境设计管理体系[30]。借助水环境模拟软件，对湖泊水动力、污染物空间分布进行量化模拟与分析[5，24]，进而指导人工湿地[31]、水生植物群落[32]配置与空间布局。加强废水管理，积极收集并利用雨水资源，增加城市建设中透水地面占比[26]，设置绿色屋顶、植草沟、雨水花园、蓄水池等海绵城市措施[33]，实现水环境管理的既定目标。

在多层级水环境分析框架下，依托杭州湘湖地区绿色城市设计，从宏观、中观与微观层面，探讨相应的城市设计适应性策略应用，最终塑造出山水城相依的整体空间格局，并印证分析框架的可行性与实用性。

3 水环境适应性导向的绿色城市设计实践：杭州湘湖案例

湘湖坐落于杭州市萧山区西部，距离杭州市中心约20km，隔钱塘江与西湖风景名胜区相对，以风景秀丽而被誉为西湖“姊妹湖”。近年来湘湖新城发展迅速，城市建设对自然生态环境的影响也日渐显现。如何在保证城市快速发展、功能逐渐完善的目标落实前提下，保护好湘湖的自然生态本底、山水景观特征？如何寻求城市发展与生态环境保护之间的平衡？上述问题都值得重点关注。

3.1 宏观视野下的山水格局强化

湘湖位于钱塘江、浦阳江与富春江三江交汇口，周边地区河网水系发达，自然山水资源丰富，具有山、湖、洲、江、湾等多种形态；湖体南侧有柴岭山、西山，北侧有老虎洞山、城山，共同构成了“两山夹一湖”的自然地形地貌特征，其特殊的山水格局也对后续城市空间布局形成约束。基于区域视角的山水形胜分析，通过强化三江口作为连接湘湖与钱塘江的锚点，将其逐步融入区域山水格局之中(图1)，塑造从“两山夹一湖”到“拥江迎山”的新格局。

图1 宏观视角下湘湖地区山水格局分析

3.2 中观视野下的水网格局塑造

水特色是湘湖地区的重要名片，需要在城市开发建设中加以发扬、彰显。场地自然的地表径流、汇水及其与湖泊的关系等地域特征凸显。通过对现状水网格局的梳理、连通，并结合数字化采集的场地高程DEM的GIS分析，对场地径流流向、盆域和汇水进行分析(图2)，综合谋划整体水网形态。规划设计采用分级、分类的组织方式，针对生态效益等级较高的河流，以保持现状水体格局为主，降低对自然生态的干扰，实现保护与发展的平衡；对于与城市开发建设联系较为紧密的低等级河流，寻求水网形态与城市空间的有机融合，结合水体进行节点局部改造、放大，并与城市重要的公共服务职能、人群活动聚集点相结合，营造“理水入城、水城交融”的水特色城市空间，形成“中心湖面+网状河道”的水系结构。

图2 基于GIS平台的湘湖地区场地径流分析

3.3 微观视野下的水体优化措施

水文特征是滨湖地区开发建设需要重点考虑的因素，通过对水体现状水质、流速与流向、水体容量、水体深度、水生动植物和驳岸类型等多方面资料的调研、取样，掌握湘湖水环境实际情况，也为后续的MIKE模拟和规划决策奠定基础。

“流水不腐，户枢不蠹。”水体流场的存在对于提升水体净化能力与水环境容量具有积极作用。湘湖作为典型的湖库型水体，具有水流稳定、流速缓慢等特点，导致其总体环境容量较小，水体更易受到污染威胁。在设计中应用DHI MIKE 21软件①的水动力与污染物水质模拟等模块展开综合评价(图3、4)，对前期现状水质采样得出的湖泊主要污染物因子，如总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)等进行水质模拟，以明确湖泊范围内的浓度场空间分布；结合湖泊水动力X、Y向流速模拟，基于现状水深、容量和进出水总量等水文数据的基础建模，将多元模拟结果进行要素叠加分析，明确湘湖水体流速较慢、易受污染、易产生富营养化等的重点区域，并在规划设计阶段采取调整水体形态、优化岸线布局、设置生态湿地、增加生态廊道宽度、种植净化水生植物，以及控制污染源流入等措施来提升该区域的水体自净能力，以维持湖体水生态环境健康状况。

图3 基于MIKE软件模拟的水环境优化与反馈逻辑框架

图4 湘湖水动力与污染物水质模拟综合评价

充分考虑钱塘江流域水系与湘湖水体间的连通关系，运用DHI MIKE 21软件的水动力分析模块，对湘湖引入钱塘江活水以提升湖泊水体循环的情景进行模拟分析(图5)。从前后模拟结果对比中可以明显看出，通常状态下(未引入钱塘江活水)，湘湖的Y向流速变化较小，大部分小于0.001m/s，水体保持相对静止状态；钱塘江活水的引入能够较大程度地提升水体流速，总体呈现出由南向北流动的态势，有助于湖泊水体的水力更新与水质净化。

图5 引入钱塘江活水前(5-1)后(5-2)，湘湖Y向水流MIKE 21软件模拟分析图

总体来说，湖泊纳污能力与水体容量、水体流速等呈正比，当外部流入的污染物总量超过湖泊纳污能力临界值与流出总量之和时，易造成水生态环境恶化。外部水流的引入大幅提升了湘湖整体水动力，水体流速增加对于水生态环境维持具有重要意义。在保证生态优先的前提下，可更多地满足城市发展与建设需要，提升周边地区开发建设容量，抬升“平衡建设”门槛。

湘湖主水体通过雨水径流方式汇集周边水体，随之而来的也包括雨水径流中的污染物。采取海绵城市措施，从控制来源、提升容量等角度入手，强调点源污染削减与监察，积极有效地控制面源污染量，保障湘湖水体生态目标的实现。设计强调对点源污染的全部有效处理，通过建设完整的市政污水处理及相关设施，如雨水分流系统、污水处理设施系统等，实现点源污染对自然生态的零干扰。

在有效控制点源污染的同时，运用海绵绿肺、海绵水廊道与海绵微单元相结合的多层次策略，构建完善的海绵城市体系。海绵绿肺主要利用湘湖内湿地及沿湖绿化，将中心湖体作为雨水和中水最后的净化处理场所，保证其作为萧山区备用水源地的水质要求；海绵水廊道主要结合规划设计水网，打造海绵走廊，借助高差设置净水设施，兼具生态廊道作用，为提升场地生物多样性提供空间载体，也可打造成为独特的城市景观；海绵微单元覆盖所有建设用地，以汇水分区为基础，每个微单元利用低影响设施进行雨水和中水的初次收集与处理。通过多层级海绵城市设施布局，尽可能降低城市建设对自然生态的冲击与影响，实现城市与自然之间的协调融合。

3.4 水环境适应性的山水城形态塑造

基于水环境多层级视角分析，采用水体连通、定流、增容、优境四大水环境提升策略(表2)，配合相应的城市设计适应性方法，从整体空间结构、三维空间形态、用地功能布局、水绿生境网络和交通路网体系等方面对湘湖地区进行统筹考虑，旨在营造自然与城市相融的山水城空间形态。

表2 湘湖地区水环境优化提升的城市设计适应性策略汇总

随着城市建设的逐渐密集，自然山水与城市形态间的协调难度增加，通过对地形地貌、自然山水格局、城市建筑群落的三维建模分析，建立山水城整体形态框架，并在此基础上对城市建设的高度分区与控制、视线廊道组织、城市天际线、滨江滨湖城市景观、建筑群落组合，以及建筑风貌等进行管控引导，以实现自然山水格局与城市空间形态的融合。

在生态优先的设计原则下，基于自然山水的控制约束，有效塑造城市整体形态格局。通过对湘湖及周边地区地形的DEM建模，运用GIS分析软件对地形地貌、坡度坡向、汇水径流、生态敏感性和用地适宜性等进行综合分析，以生态保护先行的设计思路，对后续城市空间布局与形态格局提出指导与要求。采取生态廊道分割、组团式整体空间布局原则，在生态保育的要求下，严格控制湘湖周边地区的城市开发建设容量，共同营造“七分山水三分城”的城市整体形态格局(图6)。总的来说，在寻求自然与建成环境平衡发展的目标下，小到村落，大到城市群，合理的空间布局应体现在二者的生态与形态特征相融合、相协调的内涵之中[34]。

图6 湘湖及周边地区城市设计总平面图

4 结语

城市滨水地区的发展充满机遇与挑战，尤其是湖库型滨水地区，保护与发展长期以来都是地区发展建设的主旋律。如何在保护生态本底的基础上，实现城市发展的利益最大化？如何寻求水城人关系间的动态平衡？如何相对理性地对水城关系加以判断？诸多问题均是湖库型滨水地区发展需要重点考虑的内容。本文通过杭州湘湖地区的实践探索，以水环境量化模拟为主脉，从定量分析视角出发，寻求绿色城市设计的水环境适应性新思路，以期为后续研究与实践提供参考。绿色城市设计作为整体框架中重要的研究实践方向，能够在借助多元量化分析方法辅助设计的思路下，更加理性、科学地实现对城市空间格局与形态的谋划，平衡处理自然与城市间的相互关系，成为未来发展与应用的重点方向。

注：文中图片均引自东南大学城市规划设计研究院《湘湖国家旅游度假区城市设计》项目文本。

项目组成员：杨俊宴、吴义锋、谭瑛、冯雅茹、章飙、陈丽丽、魏晋、叶晟之等。

注释：

① 本次城市设计实践旨在探讨学科交叉背景下的方法应用，设计过程中构建了跨学科团队，包括城市设计、风景园林设计与水环境等方向，本文的论述重点在于城市设计。关于MIKE软件模拟的分析过程，从现状水质采集、纳污能力与污染负荷计算，到基于DHI MIKE的建模、模拟与分析及水生态健康评价等相关内容，详见参考文献[28]。