低影响开发模式引导下的城市生态系统规划设计研究

陈宇 刘曦

(沈阳建筑大学建筑与规划学院，辽宁 沈阳 110168)

前序

人口的迅速增长、城市化的逐渐推进以及工业污染导致的气候急剧变化，使极端天气事件的发生频率、强度以及持续时间逐渐增加，城市雨洪管理系统面临更频繁的极端降水事件。过去几十年来，不透水路面的扩散破坏了自然水文循环，促使地表径流过多，削弱了排水系统输送高径流量的能力，导致城市系统的抗洪能力与生态效应降低、自然恢复力下降。因此，为缓解此类风险的紧迫问题，美国乔治王子郡的环境资源部在20世纪90年代初首次提出低影响开发概念，并在1999年编写出第1部综合性LID设计技术标准，城市雨水管理应运而生，旨在运用生态恢复与自然引导的方式形成自然水循环，维持和保护场地自然水文功能、缓解不透水面积增加造成的洪峰流量增加、降低城市的雨洪侵害，使城市达到开发前的自然水循环效应[1]。

随着科学技术逐渐发展，低影响开发引导下的城市建设从局部的单一领域开发，逐渐转向水文生态系的规划系统，其理论框架也逐渐从局部空间水文与水质研究拓展到城市生态水文的格局引导，然而并没有研究低影响开发转向整体设计流程的高度。本文从低影响开发的设计流程入手，从“宏观总体格局的水绿生态网络建构——中观区域层级的灰绿生态结构耦合——微观单元级别的基础设施生态功能嵌入”这一逐层递进的低影响开发流程，明确不同设计阶段的任务、内容、条件和限制，并针对性地选取与雨洪性能、生态效应具有强关联的设计要素，确定其取值范围和影响权重，从而制定不同阶段的设计主体、设计目标等导控指标，使其明确每个阶段需要解决的核心问题，提高低影响开发的效果，为今后的研究奠定理论基础。

海绵城市系统是满足自然积存、自然渗透、自然净化为导向的复合生态体系，其最终目标是建立健康与可持续发展的城市雨洪管理生态系统[2]。因此，低影响开发的设计流程应从宏观的水文生态格局与城市基础设施格局形成正向的耦合关系入手，建立城市水文生态网络，形成总体水文生态框架；进而考虑区域性的水文安全与精细化的水资源管理，建立城市绿灰基础设施组成关系，形成灰绿耦合模式引导下的区域级雨洪管理的布局形式和空间结构；通过建立区域环境特征雨洪管理模块信息库，完善绿色基础设施的结构、材料、构造、植物配置以及空间效能等设计信息。并根据不同功能系统形成不同功能群组，从而更优质地发挥绿色基础设施的功效。因此，如何规范合理的设计流程与设计方法是海绵城市形成途径的重要手段。

1 水绿生态网络格局的建构

从宏观水文生态规划角度来说，其核心思想是研究与城市森林、河流、湖泊、湿地、绿地等不同级别的生态斑块系统与雨洪调节功能之间的耦合关系，从而生成最优的水绿生态格局，提高水资源质量与城市生态效益，增强海绵城市的“海绵”效应[3]。

“水绿格局”即水资源与绿地资源之间的关系，其中水资源主要为调蓄、迁移、收纳等功能，绿地主要是滋养、净化、吸收之责，两者共同构成了城市生态基质。因此，水域与绿地之间的规模、形态、结构等关系影响城市生态、雨洪控制等，即为水绿耦合关系。高效的生态板块与城市格局形成拓扑关系，通过不同尺度、烈性级别的生态载体组成，这一拓扑过程是城市格局与生态斑块的形态、效率、数量之间的耦合过程。因此，水绿生态网络格局的构筑方式应遵循形态学分析法融入水绿耦合规划系统中，并通过“反规划”的方式，强调生态斑块与城市空间之间的功能联通，主要步骤有以下几点。

综合考虑城市水文的空间分布与雨洪管理需求，并结合生态廊道及生态核心控制点各自的生态属性及特点，调整森林、河流、湖泊、湿地、沟渠、绿地等“大海绵”设施的空间布局，形成流域级斑块—通廊级斑块—城市区块级斑块3个层级，各级水文生态斑块体现了不同维度的水文功能特征与城市形态特征[2]。其中，流域级斑块具有调蓄水量、涵养水源、净化空气、保持生物多样性等功能；通廊级斑块具有雨水径流截留、雨水导流、径流控制等功能；功能区块级斑块具有水源蓄存、水源净化、滋养地下水等功能；水绿生态网络格局的3级水文生态斑块格局构成了城市水绿生态网络的总体框架，与城市不同功能区块相互嵌套，形成相互依赖、相互协调、相互促进的动态关联。

通过城市格局特征、生态敏感性评价、雨水径流足迹分析、最小路径模拟确定研究区的中心生态控制点和生态廊道的分布规律，构建平衡生态容量、遵循自然过程的空间网络格局，如中心生态控制点选用团聚式斑块分布格局，道路或蓝网区域选用线状斑块分布格局，空间形态及雨水径流足迹复杂区域选用组合式斑块分布格局[4]。

依据中心生态控制点和生态廊道形成雨水涵养与雨洪调蓄的潜在地区以及城市形态特征，确定斑块的形状指数和分维数，即将各个城市建成区的生态斑块系统与城市格局建立有机联系。

根据水绿生态网络格局建立3级水域生态级别，一级水域为永久水体中最细小的支流形成斑块内循环；二级水流连接公园内的湖面和城市河道；三级水流自然河流。

2 区域灰绿结构系统的耦合

从中观的区域雨水生态规划来说，城市的不同区域存在不同下垫面状态以及不同水文特征与雨洪敏感性，宏观层面下的水绿生态网络格局，无法满足精细化的水文管理。因此应充分分析不同区域下垫面的雨水渗、蓄、排能力差异，根据区域水文地质条件、水资源状况以及雨洪敏感性划分低影响开发分区，根据各区域不同特征，制定相应的低影响目标，规划与之相应的LID绿色基础设施组合。

城市作为多重复合的聚合体，由多元混合汇水空间构成，其系统大体由建筑、道路、广场、绿地以及水域等5个汇水单元构成，其中包含70%左右的人工基础设施环境，以及30%左右的生态要素，这类传统的城市雨洪管理仅仅依靠人工排水系统无法满足城市雨洪的最佳管理[5]。通过建构城市绿灰共生体系，植入雨水滞蓄、净化、导流、渗透等多功能的绿色基础设施，并将其与灰色基础设施在城市水文循环系统中形成关联机制，明确两者之间的组成结构、空间关联，以实现对地表径流的控制和利用。其中，组成结构是通过协调从要素到系统的关系的作用机制，明确各要素的规模、结构关系以及空间布局的动态关系，实现从“单一规模—组成结构—整体布局”的多层级水绿交融和谐统一。其核心理念是将2个独立的基础设施系统之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象，是在各子系统间的良性互动下，形成的相互依赖、相互协调、相互促进的动态关联关系。

通过数字技术措施使城市水文过程模拟自然水文循环过程，按因地制宜和经济高效的原则选择LID技术及其组合方式，构建绿色基础设施网络，形成绿灰耦合的区域级别雨水管理系统。在建绿色基础设施网络下将不同雨水控制系统堆叠，每1个系统有其一定的雨洪价值权重，通过叠加、并置等方式将区域内各要素组合成为影响水文管理系统，提升城市的雨洪调蓄、雨水涵养能力。绿色基础设施网络由源头控制系统、迁移控制系统和末端治理系统构成。源头控制措施指在各污染发生地拦截净化地表径流污染物的一系列措施，如生物滞留系统、绿色覆盖措施等；迁移控制措施指在城市径流产生后到受纳水体间的过程中加以控制，如透水铺装措施等；末端控制措施指在地表径流与受纳水体在水陆交错带相遇处进行控制和净化治理，如人工湿地措施等。其核心理念是将多个独立的生态系统之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象，是在各子系统间的良性互动下，形成的相互依赖、相互协调、相互促进的动态关联关系。

3 单元基础设施的生态功能嵌入

从微观层面上说，优化绿色基础设施的结构、构造以及植物搭配等技术问题是LID措施的核心问题。绿色基础设施主要分为截留技术、促渗技术和调蓄技术以及生物滞留技术4种[6]。其中，截留技术是通过生态构造措施介入，增加雨水汇集面积，缓解径流速度；地表促渗技术是通过改变下垫面结构形式，促进雨水渗透、过滤及净化的技术措施；调蓄技术是储存与净化径流雨水的作用，当设施内的雨水达到饱和时，通过溢流口排入市政雨水管网，而干旱时可向周边绿地提供水资源；生物滞留系统依靠植物同化与吸收作用、底泥微生物修复作用、填料层物理过滤作用、吸附、离子交换以及砾石的固体沉淀作用等净化雨水中的污染物质[7]。4种技术协同作业构成了城市水环境优化的最佳介质，也是构成城市海绵体的重要组成部分，如何建立良好的基础设施系统，主要步骤包含以下几点。

建立灰绿基础设施单元类型库与雨水基础设施性能指标数据库。为实现整体的城市雨水动力系统需要根据不同的场地特征赋予其不同的绿色功能，4种不同的LID技术又包含多样性的LID设施，如透水道路、生态屋面、生物滞留池、下沉式生态绿地、人工雨水湿地、干湿塘、蓄水生态池、调蓄水塘、植草沟、渗渠、植被过滤带等[8]。因此，需要根据区域特征的信息库，设置不同的LID设施，并根据两者对应的关系制定相应的绿色基础设施单元类型库，从而形成场地信息与LID设施相互对应的关系。

不同场地类型建造的相同类型的LID设施又具有多种不同的结构构造模式，其多重的参数影响着不同功能层的影响效果，因此需要采取以下创新基础适应不同场地：植物种群及种植方式管理，LID设施应采取群植的种植方式，根据雨水流量、污染源特征、环境特征选取相应的植物类型，其核心目的是形成适当的雨水雨水渗透能力、加强污染净化能力，通过多样的植物配置，不仅能丰富景观形式、同样提升生态功能，对于植物的选取应考虑其耐受性、耐污能力及抗病虫能力，从而保持长期的净化能力；基质的结构稳定与渗透通畅问题，结构的稳定性防止堵塞是LID设施的核心问题，同样是延长措施使用寿命的最有效方法，结构稳定性通过LID下部垫层的组织模式、堵塞问题通过表层材料的堆积方式，因此垫层的构成方式与表层基质组织方法能够维持措施的稳定运行，因此表层应采取粗糙介质作为主要材料、基层材料应通过细粒径的材料为主核心。

4 结论

由于对于低影响开发的研究多数停留在小尺度的源头式分散型设施上，只适用于低强度、高频率的降雨。因此，未来的研究应将视野面向城市系统，通过低影响开发的方式调整和优化城市肌理的特征，通过生态化的处理方式解决城市雨洪系统的问题。在宏观上利用适应性分区、自然生态疏导网络、水域汇集终点，从而达到生态为主导的城市海绵系统。

优质的绿色基础设施聚合体成为实现低影响开发的核心技术手段，因此合理选择绿色基础设施及其组合方式进行优化分析，量化不同配置下雨水径流与面源污染负荷响应情况及其综合效益，结合计算机辅助决策，进行多目标决策分析，提出优化的配置方案。

优化绿色基础设施的结构、构造以及植物搭配等技术问题是LID措施的核心问题。通过对截留技术、促渗技术和调蓄技术以及生物滞留技术的技术更新，合理选择植物管理、缓解基质的堵塞问题、提高材料的适应性，从而形成盈盈基地特征的雨水基础设施建设。