以水定绿：西北地区城市绿地生态设计方法探索

刘 晖

许博文

邹子辰

左 翔

中国西北地区是自然生态的脆弱区，其有限的水资源和植被覆盖不仅承担着改善城市环境质量的任务，更是城市生存的保护屏障[1-2]。然而，近年来西北地区城市绿地建设规模和品质不断提升与水资源条件之间的矛盾愈发突出[3-4]：一是表现在西北地区年降雨量少、蒸发量大，常规城市绿地设计模式的养护耗水量极高[5]；二是西北地区作为河流上游虽然具有一定的地表水和地下水资源，但是从国土全流域的角度来看，依然需要大量人工绿化的节水措施来减轻国家水资源安全的压力。“以水定绿”是西北地区城市绿地设计必须探寻的生态智慧理念与科学技术途径。

1 西北地区城市绿地建设“以水定绿”概念明晰

1.1 从绿地节水到“以水定绿”

针对我国水资源短缺的现状及城市绿地建设、管护存在的问题，近年来风景园林学科行业领域针对城市绿地建设中的节水方法和策略研究可以归纳为“开源”和“节流”：“开源”关注雨水和污水的收集利用[6]；“节流”关注节水灌溉、节水型植物配置和土壤保水技术的应用[7-8]，研究成果产生了良好效应。

除了绿地节水，城市绿地规模确定及空间布局的节水研究需要整体生态科学思维和相应的设计方法，实现城市水资源供需平衡下绿地的有效分布和科学化种植设计。美国加州近30年来对城市生态本底和园林植物需水量开展了系统性研究[9]，划定用水红线约束景观项目的用水量，实现了节约水资源的可持续景观[10]51。在我国当前城市绿地规划设计中，仍缺少基于水源水量条件对绿地规模、布局和植被结构等引起绿地需水量差异的影响因素进行规划设计的方法和技术支持。近10年，全国平均绿地面积增幅约86%，而西安、兰州、西宁、银川、乌鲁木齐和呼和浩特等西北6省省会城市绿地面积分别增加21 035、3 845、1 172、2 376、21 728和13 038hm2，增幅分别达到192%、87%、44%、44%、205%和491%[11]。中国西北地区亟待将水资源作为城市绿地建设的约束条件进行管控，探索“以水定绿”城市绿地生态设计的基本原则和量化方法。

1.2 “以水定绿”的内涵

“以水定绿”中的“水”是指应优先利用的降水及其径流、中水、采用适宜保水措施和灌溉技术间接增加的有效供水，以及额外适量补给的地表水和市政供水；“绿”是指不同区域背景下的最适宜城市植被类型、城市绿地规模及植物种植种类。“以水定绿”是在水源水量评估的基础上，通过建设用地的整体布局和场地设计，合理汇集和利用可供水源，对其绿地规模、空间布局和种植类型进行规划设计；并进一步通过改善场地土壤的水分条件，选择适宜的植物种植模式，使得绿地在供、需水量平衡的基础上发挥最大的生态效益。

1.3 西北地区城市绿地“以水定绿”研究范围

干燥度指数可以说明城市所在区域的干湿条件(表1)。基于西北地区城市绿化季节性需水特征和绿化管护需求，“以水定绿”的研究范围是全年不少于两季、干燥度指数大于1.5的城市及地区，涉及内蒙古自治区、西藏自治区、陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区的62个地级市(表2)。

表1 西北地区6个典型城市干湿特征

表2 西北地区城市生态本底类型及城市分布区域、地带性城市绿地植物景观分区及类型对照

2 “绿”的核心问题是适宜的植被景观类型

基于城市所属生态本底类型构建地带性植被景观是以水定绿生态设计的基础。热量带和植被地带特征能够在一定程度上反映西北地区城市生态本底，为各类绿地开展生态设计提供参考和指引[13]。选取可代表西北地区各类城市和城镇生态本底的62个地级市，根据其所在区域的热量带和植被地带性特征，西北地区生态本底及自然植被可以分为16种类型，根据长期以来的西北地区城市绿地建设经验和相关研究[14]，划分出3种地带性城市绿地植物景观分区及类型(表2)。

研究表明，草地、荒漠及灌丛是西北地区主要的自然植被类型，大部分草本植物对于水分的需求量较乔灌木少[15]529[16]。应首先满足日常生活、防护及风貌品质需求的城市绿地，可以采用适当规模和适宜品种的乔木林地植被景观类型，节水型、低维护的城市生态绿地应以节水型的疏林草地、灌草丛、灌丛、草丛和草地等6种植被景观类型为主。

3 “水”的评估与有效利用是关键技术手段

3.1 有效评估水源水量条件

利用天然降水、保持土壤含水是解决西北地区城市绿地生态建设与水资源矛盾的重要途径[17]；此外，在干旱半干旱地区推广中水利用可减轻水资源供需矛盾[8]。优先对场地可汇集利用的降水量、可分配给绿化用水的中水量进行评估，在此基础上合理少用或不用市政水和地表水。

降水集水量的评估可基于各类下垫面雨量径流系数，采用加权平均法计算综合径流系数，在此基础上利用容积法，计算和评估场地总设计雨水控制量。采用建筑生活污水作为中水水源时，则可依据建筑类别及其人均日用水定额、折减系数和人口数对中水水量进行评估与计算。

3.2 运用场地设计策略影响水分条件空间分布

基于城市绿化场地中光照和水文等因子主导下的生境类型多样性和异质性，通过场地“生境营造”形成多样化的城市绿地空间是提高西北地区城市人居生态环境质量的重要途径[18-19]。场地水分条件分布受地形竖向特征、土壤条件、阴影条件、风速风向及“微小水源”等因素的影响，根据不同范围内细微的水分条件差异进行不同植被类型和植物种类的选择，可营造适宜的生境多样性和物种多样性。

1)地形竖向设计是组织水文分布及土壤含水率分布的最有效手段。根据场地风环境评估，在风速较大的场地进行适宜的正负地形设计减缓风速，营造适宜的挡风生境。此外，正负地形的设计，还可以组织雨水径流，收集和利用场地及周边雨水径流，营建适宜的土壤水分环境(图1-1、1-2)。

2)土壤改良也是一种改善场地水文分布和土壤含水率的有效手段。干旱与半干旱地区土壤多渗透性较强，持水性差，向下渗漏量和蒸发量都较大，对土壤进行科学改良可以有效缓解这种现象，达到保水目的。可使用陶粒、片石、木格、树皮及木屑等材料对土壤表层进行覆盖，提高土壤保水能力；紧实土壤应采用深翻松土、添加改良剂及打孔等措施改良土壤结构，提高保水能力；在土壤渗透性较强、保水能力差的场地可通过添加保水剂或防渗层铺膜进行土壤防渗(图1-3、1-4)。

3)在日照辐射强、日照时间长的地域，可通过适宜的正负地形、建构筑物增加场地阴影区，营造阴生生境，以减缓土壤水分蒸发量。此外，在干旱区，重视和利用“微小水源”，使不同植物类型的选择成为可能。在西安建筑科技大学南门花园建设中，利用建筑阴影区、建筑落水管、空调水等“微小”水源，设计一个蕨类植物种植池，有10种蕨类植物在此生长(图1-5、1-6)。

3.3 充分采用节水型灌溉方式

除了从源头提高对于雨水的蓄积利用外，充分采用节水型灌溉方式亦可从设计后期减少对于供水资源的浪费，间接增加有效供水量。不同生态目标导向的绿地灌溉养护程度应具有针对性，城市街道广场型绿地中需水量较大的植被类型可长期灌溉养护，而大量诸如城市河湖及人工湿地型绿地、城市林地及草地型绿地应进行短期灌溉养护。具体灌溉方式上应选用自动喷灌、微喷灌、滴灌和人工手动浇灌等单一或组合方式，人工手动浇灌须充分考虑城市绿地植被实际需水量，依据季节变化规律进行适时调整，减少水资源浪费。

4 “以水定绿”绿地生态设计的基本模式

4.1 供需水量平衡计算

以城市绿地供水总量作为控制指标，其需水总量可主要通过绿地规模及其种植设计两方面的相互协调，达到城市绿地供需水量的平衡。根据水量平衡原理，城市绿地理论供水量为绿地植被总需水量与降水有效利用量之差[20]。采用面积定额法，以植物耗水量(植物蒸腾量)来代表植被需水量[21]，对城市绿地中各类型植被面积与其单位面积生态需水定额的乘积求和，即可估算得到绿地植被总需水量[22](式1)。根据目前西北地区城市绿地规划建设的现实情况，在大部分建设用地的绿地规模和基本布局已经确定的情况下，以城市绿地实际可供水源及水量作为前置条件，可通过规划设计不同需水量的植被类型及其面积，进而达到城市绿地的供需水量平衡。西北地区各类型植被及其全周期生态需水量定额可参考表3。

表3 西北地区植被类型及其需水量参考

式中，W总为城市绿地实际可供水量(m3)；PGi(t)为降水有效利用量(%)；Si为城市绿地各类型植被面积(m2)；Ai(t)为其各类型植被单位面积和时间段内的生态需水定额(m3)。

4.2 汇水单元划分与绿地空间布局

根据汇水方式的不同，建筑与小区、公园广场和城市道路分别构成了3种典型的城市街区尺度汇水单元，在“以水定绿”生态设计中可进一步结合不同汇水单元的内部结构特点进行绿地空间布局。以课题组参与的沣西新城康定和园建筑小区、白马河公园和秦皇大道道路绿化为例，3类汇水单元的绿地空间布局分别具有以下特点[33]。

康定和园建筑小区由于建筑和道路布局的影响，其内部汇水分区数量多、面积小，在绿地整体空间布局上依据各汇水分区的雨水径流量设置小型雨水花园，绿地整体呈分散式布局。白马河公园属于沣西新城北片区唯一的公园绿地，公园面积约为34 000m2，公园主要汇集公园的自然降水及其周边街区的雨水径流，为满足雨水调蓄功能，公园中心采用整体下凹式地形，依据降水调蓄带来的土壤水分条件变化，在公园下凹式地形周边进行林地种植，内部进行草地种植。秦皇大道城市道路属于带状的汇水单元，其机非分隔带主要收集机动车道和非机动车道的雨水径流，并形成了传输型和滞留型2种绿地生境类型，此外，道路入水口处的雨水径流污染较为严重，需根据水质情况选择具有耐污、去污特性的植物种类。

4.3 节水需求下的植物群落设计模式

群落的管理维护成本与其“非自然”属性呈正比[1]，依据人工干预程度和养护程度的高低，将城市绿地植物种植设计模式分为自生植物群落保育、自生植物群落改良、人工植物群落组构和常规式园艺种植4种。研究表明，相比常规式园艺种植，自生植物群落改良和人工植物群落组构的灌溉水量分别能节约34.3%和91.7%[4]。因此，基于人工灌溉水量的高低，可以将自生植物群落保育、自生植物群落改良、人工植物群落组构和常规式园艺种植分别对应为自给型、半自给型、低灌溉型和高灌溉型。在城市绿地种植设计中可基于不同给水条件组合选择不同的种植设计模式。

5 西北某城镇“以水定绿”生态设计实践探索

5.1 研究区概况

案例所在地区属于高原温带大陆性半干旱气候，流域整体处于山麓草甸生态敏感带，生态本底及自然植被类型为高原温带草甸草原型，流域土层较薄，质地疏松，易流失和沙化，生态较为脆弱。城镇所在区域年降水量小(平均降水量约397mm)，蒸发量大(多年平均蒸发量为1 300～2 000mm)。受高空西风带和东南季风带共同影响，该地区常年多风，夏秋两季以东南风为主，冬春两季则偏西风盛行且风力强劲。

5.2 场地水源及供水量评估

案例城镇降水的季节性显著，7—9月降雨量占全年的75%左右，易产生径流。采用加权平均法计算该城镇的综合径流系数，得出综合径流系数为0.61。利用容积法，计算得出该城镇总设计雨水控制量为1.26万m3。此外，上位规划中在城镇南侧设置了中水、污水处理厂，处理规模为0.4万m3/d，中水可用于绿地浇灌、道路浇洒、补充景观用水。根据上位规划，该城镇平均中水回用量约0.2万m3/d，取其中20%用于绿化灌溉，则可用于绿化的年中水总量约为14.6万m3。因此，该城镇每年可用作绿地供水的雨水和中水总量大约为15.86万m3。以该城镇所在区域的地带性植被青海云杉、沙棘和芨芨草分别代表该地区乔木、灌木和草本的需水量，则该城镇绿地乔灌草数量可根据总供水量均衡配比。

5.3 场地水文过程设计与绿地空间布局

城镇水文分布及绿地空间布局需首先组织城镇总体汇水路径，依城市西北高、东南低的自然地势，总体汇水方向亦为西北向东南组织汇流(图2)。以城镇中部东西向的带状绿洲为界，将城镇汇水区域划分为北区与南区2个部分，在此基础上，以3～4个基本街区建设模块构成1个地表汇水单元，街区汇水单元内综合考虑西北向东南的汇流方向与城市道路布局特点组织街区内部雨水流向，并在雨水汇集点设置一个生物滞留设施构成的生境种植岛(图3)。其次，将中水通过泵站抽送至北侧人工高地，再向城镇北侧乔灌疏林群落、灌丛群落和西侧灌草带输送，形成城镇外围具备防护功能人工小绿洲。多余中水再通过灌溉系统接入城镇内部的街道广场型绿地。由于该城镇传统民居建筑形式为庄廓院，因此雨水收集路径主要为建筑屋顶雨水排入各家院落之中，在完成自家院落的绿化灌溉及生活用水之后，多余雨水流入街巷道路中，通过道路旁设置的行道旱沟，将各支路雨水汇流入主路，再与地表汇水单元内的其他街区单元产生的雨水汇流，最终汇流入雨水收集设施之中。

图2 西北某城镇水文过程及绿地空间分布示意图

图3 典型居住单元降水收集利用模式

5.4 生境营造与植物群落设计

生境种植岛的种植设计以流域生态本底类型为设计原型，构建地带性灌草丛群落和草本群落。生境种植岛既是街区内的雨水收集点，也构成街区单元内的主要绿化景观，其面积可通过计算所在地表汇水单元的汇水量和中水补给量总和及植被生态需水量得到。不同植物景观类型的单位面积需水量参照表3获取。

人工小绿洲营造方式如图4所示，在对场地雨水及中水进行规划布局后，根据场地水文分布、风速风向情况进行负地形选址和形态设计，对其底部土壤进行土壤评估和改良，并采取防渗措施，进而为不同的种植设计模式营造良好的生境条件。

图4 人工小绿洲营造模式

根据场地不同水分条件可组合选择自生植物群落保育、自生植物群落改良、人工植物群落组构和常规式园艺种植4种种植设计模式，城镇林地草地型绿地种植设计可以前2种为主，而城镇街道广场型绿地则以后2种为主要类型。此外，在种植设计时，可以流域生态本底类型为设计原型，参考地带性植被群落结构分层、植被覆盖度和群落组成等群落组构要素，进行植物选择和配植，构建垂直结构和覆盖度符合地带性规律的植被群落。例如，降低植被覆盖度能够一定程度上减小植被蒸散耗水[30]，以流域疏林地作为群落原型，通过零星栽植青海云杉、叉子圆柏等乔灌木构建乔灌疏林群落(图5)；通过在以金露梅、芨芨草等为主的灌草丛群落和草本群落添加土壤覆盖物，减小植被覆盖度的同时增加土壤保水性，进而实现绿地节水(图6)。

图5 乔灌疏林群落种植模式图6 灌草丛群落、草本群落种植模式

6 讨论

供需水量平衡计算是“以水定绿”设计的基础。本文通过综述相关学科领域的研究成果，梳理出西北地区自然环境下的植被类型及其需水量数据，主要局限于林地、草地和灌丛3种植被类型。但针对城市环境下不同植被类型需水量的基础研究成果仍显薄弱。亟待需要针对西北地区3类地带性城市绿地植物景观的植被需水量展开调查和实验研究，得出指导植被选型的有效参数。

科学的种植设计还需要配合养护过程中的水资源供给。现行标准和规范中关于绿地灌溉定额的标准并不一致，未能充分体现西北地域性特征和需求。绿地用水定额的落实需要建立科学的城市绿地灌溉管理制度，根据城市绿地的功能和植物用水需求，明确绿地的养护等级、灌溉定额、灌溉周期，杜绝灌溉中的水资源浪费，保障城市绿地用水的供需平衡。西北地区各城市应根据实际情况，适时推进相关制度的研究制订。

减少绿地耗水的基本思路是控制土壤蒸发和植物蒸腾。对于气候干燥的西北地区而言，绿地植物的蒸腾作用亦具有降温增湿、改善城市小气候的重要意义。因此，在绿地用水定额的约束下，土壤保水技术的应用需加以重视，最大限度地保障绿地植物的蒸腾需水，以平衡绿地节水和降温增湿之间的关系。

7 结语

以水定绿是西北地区城市绿地生态设计方法研究的重要途径，代表着当代生态智慧的探索，并具有迫切性和可行性。以水定绿的生态设计方法表现在以下几个方面：首先根据西北地区62个地级市所在的16种生态本底类型，参照3类区域及其适宜的地带性城市绿地植被景观类型进行种植设计；其次，应通过有效评估水源水量条件、积极开展节水型灌溉措施、利用各种场地设计策略对水源水量及水分条件分布进行提升和优化；最后，从源头对绿地水源水量与绿地植被需水量的供需平衡进行双向调控，通过汇水单元划分进行绿地空间布局，并基于节水需求组合应用不同的植物群落设计模式。本文对于“以水定绿”生态智慧的探索，旨在解决西北地区城市绿地建设规模、品质的不断提升与有限水资源条件之间的矛盾，同时亦是对西北地区城市绿地生态设计方法的初探，以期为西北地区城市生态建设提供有益思路。

注：文中图片均由作者绘制。