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与水共生
——基于雨洪韧性的荷兰社区水系统设计实践

2024-02-27王静张佳璇陈嘉晖

世界建筑 2024年2期
关键词:圩田雨洪韧性

王静,张佳璇,陈嘉晖

0 引言

在全球气候异常和城市化快速发展双重影响下,城市雨洪灾害日益严重。近年来我国极端强降水事件呈明显增多趋势,2021 年郑州暴雨事件造成巨大财产损失与人员伤亡。全球范围多个国家亦是如此,如2022 年巴基斯坦洪灾造成上千人丧生,数百万人无家可归。一方面,全球变暖引发的极端降水现象频度和强度持续升高[1],另一方面,高度城市化扩张极大地改变了城市土地利用和土地覆盖方式[2],导致城市自我调控能力降低,城市排水系统无法支撑洪涝现状。

在洪涝灾害频发、城市排水系统面临崩溃的现状下,雨洪韧性成为治理洪涝危机的有效适应性理论。联合国减灾署(UNISDR)建议采用韧性策略应对全球自然灾害,我国多次强调城市防洪排涝能力,提出重点建设海绵城市、韧性城市。传统管道工程具有雨洪承载力瓶颈,雨洪韧性理论对灾害持“适应”与“疏解”态度,综合利用自然排水系统与人工排水系统,关注城市对雨洪灾害的预备、响应、恢复能力,更能适应复杂多变的气候条件[3]。

社区作为城市最重要、最基本组成部分之一,其雨洪韧性建设直接影响到城市整体雨洪调节能力。文章通过文献研究归纳雨洪韧性理论的特性,以荷兰为雨洪韧性实践代表性国家,介绍荷兰的雨洪韧性治理策略转变,以及在3 种地理环境下的具体实践应用;在此背景下,分析荷兰社区在3 种地理环境影响下的水系统设计策略,具体分析典型案例中社区水系统设计策略与智慧;对中国语境下社区雨洪管理议题提出建议。

1 荷兰,与水共生的韧性发展理论

1.1 雨洪韧性概念

韧性(resilience),其词源来自拉丁语“resilio”,本意为“处于压力之后的复原、反弹能力”。作为多学科、多领域的综合性概念,韧性的具体含义与应用的学科领域及有关系统,多年来一直在延伸和演变。自概念提出以来,韧性经历工程韧性、生态韧性、演进韧性修正过程,逐渐从工程系统、生态系统扩展到社会系统,从单一平衡、动态平衡过渡到适应性平衡。迄今为止,韧性理论被广泛应用于城市规划、社区管理、社会生态和应对自然灾害等多个领域[4]。

21 世纪以来,韧性理论因其更加灵活、更能适应变化的能力,被视为应对洪涝危机的新思路,衍生出雨洪韧性理论。雨洪韧性也被理解为承洪韧性、水系统弹性等,目前学界对其具体概念未有明确定义,研究多从中心思想、系统特性、研究尺度、策略实施等方面对其进行解读。(1)秉持“与水共生”中心思想,对雨洪灾害保持适应、疏解态度[3];(2)注重雨洪灾害来临时抵抗力、适应力、灾后恢复力以及从灾害中建立自组织与自学习能力[5-7];(3)涉及流域、城市、街区、社区、建筑单体等多个研究尺度[6],并根据研究对象调整具体内涵。例如,区域空间规划的洪水弹性由空间、结构、社会、风险管理4 个层面定义[8];而建筑层面的防洪治理则更关注材料、结构的防御能力[9];(4)将工程韧性、生态韧性与社会—生态韧性综合运用于雨洪灾害治理。工程韧性强调使用防洪基础设施保障安全,生态韧性则倡导以空间规划、生态系统调蓄的方式降低洪水风险[10],后者逐渐成为缓解雨洪灾害的重点研究部分,荷兰“还河流以空间”、中国“海绵城市”、北美“低影响开发”等策略均体现出由工程防御到生态缓解的水系统治理转变;社会—生态韧性则关注社会层面的灾害风险评估、应急管理、灾后社会经济援助等社会管理政策。

1.2 荷兰:从“与水斗争”到“与水共生”的雨洪韧性策略转变

治理洪水与利用土地是荷兰恒久不变的课题。荷兰大部分国土是马斯河、瓦尔河、莱茵河等河流系统沉积作用形成的三角洲,地势低洼,水网密布,自8 世纪起,从开挖沟渠到建立堤坝、风暴屏障,从进化机械抽水系统到增高堤防,荷兰致力于通过加固防洪工程抵御日渐高涨的洪水、争夺土地空间。20 世纪后期以来,极端气候、快速城镇化进程带来水量激增、水质恶化问题[11],过度修缮堤坝引起生态环境恶化,大型洪灾造成数十万人流离失所,过于依赖硬性防洪工程已无法适应新时代需求。如何发展更具韧性、能够适应变化的雨洪管理模式成为迫在眉睫的难题。

对20 世纪末洪灾的反思诞生了“还河流以空间”(room for river)策略,成为荷兰从“工程抵御洪水”过渡到“与洪水安全共存”的雨洪韧性治理体系转变的典范。通过将空间归还给河流、修复河流生态环境的软性策略增加河流流量和排水能力,在保障洪水安全的同时提升河流景观空间品质[12-13]。2009 年,荷兰《国家水计划》(National Water Plan)将“多级洪水安全”(MLS)引入为核心政策,强调一级硬性防洪、二级自适应空间规划、三级应急管理的层级防护[14]。在此基础上,2011 年开始实行的“三角洲项目”按照洪水风险制定新的防洪标准、注重淡水供应,并再次强调防洪和气候适应的空间规划结合,形成动态适应性三角洲管理理念[14]。

1.3 荷兰3 种典型地理环境下的雨洪韧性策略实施

荷兰是由人造土地形成的国家,拥有独特的景观环境。除东南部的小丘陵和高地外,境内均为低洼平原,填海圩田与河流三角洲城市是主要的地域类型,其间河流、运河纵横交错,湖泊与浅滩星罗棋布。在国家政策的统筹下,荷兰在不同地域环境内实施着“与水共生”的雨洪韧性理念。

(1)将圩田回归自然。圩田是最典型的荷兰传统乡土景观,荷兰人自8 世纪起便通过开挖沟渠排出积水,将大片无法使用的沼泽地转换为可耕种、可居住的圩田土地。圩田带来大规模农业产量的同时,也因过度的泥炭开采导致土地沉降,破坏生态湿地,洪水风险显著上升。在“还河流以空间”策略的引导下,通过引入潮汐或河水的生态方式进行“去圩田化”治理[15]:将部分圩田预留为滞洪区、重新利用圩田的储水功能形成季节性潮汐景观、修复生态湿地,保障圩田居住区安全的同时逐步恢复生态景观的空间品质。

(2)建立具有雨洪韧性的三角洲城市。以鹿特丹为例,因受到国家水政策转变的积极影响,建立多级洪水防护系统(鹿特丹气候证明适应计划)增强城市水系统的保水和滞留能力,并逐渐将关注重点从防洪设施转移到利用空间规划提升雨洪韧性[16],具体措施包括预留洪泛区缓冲空间、利用灰绿设施建设分级排水系统、设置城市多功能储水广场与浮动建筑等。

(3)向海面延伸的浮动城市。作为高密度和高城市化国家,日益增加的洪水风险为荷兰沿海、河口三角洲城市带来海平面上升、土地短缺的危机。建造浮于水面的房屋不仅解决住房紧张的困境,且灵活适应水面不断上升的现状、降低洪水风险。荷兰建筑公司Waterstudio 专注于浮动建筑设计,自2003 年成立以来,已设计300 余个包括办公室、学校、社区类别的浮动建筑群。目前,荷兰正在规划更大规模的浮动岛屿、浮动城市项目,未来,向水面扩张会成为新的韧性发展方向。

2 基于雨洪韧性的荷兰3种典型地理环境社区水系统设计策略

社区水系统设计与区域内的整体水治理策略存在相互影响、制约与配合的动态关系。社区是“城市减灾的基本单元”[17],其雨洪韧性建设会由点及面地影响区域整体的雨洪韧性;同时,社区水系统设计亦是区域水治理策略下的个体呈现,设计策略会根据所处环境面临的不同水问题进行动态调整,因地制宜。因此,从雨洪韧性塑造视角,选取圩田体系下近郊社区、城市环境中集合社区及水面上浮动社区作为3 种典型地理环境下的社区类别,从周围环境、肌理、水系统设计策略方面进行对比分析(表1)。

表1 不同地理环境下典型社区,张佳璇 绘制

2.1 圩田体系下社区水系统设计

国家政策的 “还河流以空间” “留白空间”等水土整合策略不仅启发圩田的防洪治理由工程抵御转变为生态调蓄,也影响圩田内的社区空间规划与防洪治理。早期,乡村居住区规划、乃至日后城镇建设与扩张都与圩田水系和排水模式息息相关。通过在外修筑堤坝、在内建造沟渠、运河及闸泵设施形成圩田的人工调控水系统,圩田沟渠分布不仅需要保障水利建设,更与圩田内部功能划分、交通组织、农业生产等方面紧密结合[18]。圩田体系下多为2~3 层的独栋住宅社区,受到国家雨洪韧性水治理策略的影响,通过空间土地规划、交通组织、景观绿地设计形成多级弹性储水空间,承认并接纳周期性洪水进入社区场地,形成生态景观。

2.2 城市集合社区水系统设计

城市集合社区水系统采用分散式多级排水策略,缓解暴雨时期城市管网排水压力。在传统社区中,降雨通常是被引导至社区周边城市道路,再由地下管网排出,这会导致城市高峰排水时压力剧增,引起城市内涝。城市社区可看作城市组成基本单元,采取“滞留、存蓄、排放”分散式多级排水策略[19],将水治理融入社区空间规划与景观系统。首先利用屋顶、路面收集雨水,将雨水滞留在生态洼地、绿化植被中;再将多余雨水通过社区内部人工沟渠、河道等路径储存在中央水系,并通过净化处理得到循环利用,形成社区内水循环体系;最终,在错开城市排水高峰后,再将多余雨水排向城市排水系统,避免内涝产生(图1)。

1 “滞留—存蓄—排放”模式和常规社区排水模式对比

2.3 浮动社区水系统设计

浮动社区由基础平台、预制底层住宅、设备系统3 部分组成,以低影响姿态架于水面之上,为土地短缺、海平面上升严峻形势下的沿海地区提供新的韧性方向。由于浮动社区具有独立性,社区内部应优先保障运营能源自循环使用,减少外部物质输入,在理想条件下达到物质自给自足状态。因此,在与周围水环境和谐共处前提下,如何通过节约用水、雨水收集、废水回收净化等方式形成社区内部自循环用水体系,减少外部供应与环境污染,是浮动社区面临的关键水问题。为实现这一点,部分社区将基础平台与设备管线系统整合,平台不仅是社区公共交通及交往场所,更作为物质连接器,输送住宅日常生活所需能源、废物和水资源,使社区成为可持续发展有机整体。

3 基于雨洪韧性的荷兰社区水系统设计实践

3.1 圩田体系下社区生态防洪规划

潮汐计划社区(Woningen Plan Tij)位于多德雷赫特市温德霍德圩田(Windhondpolder),基地内的周期性洪水会引起2m 水位变化。因受到基地旁湿地公园内的潮汐景观启发,通过打通水系的方式将河流引入基地,在现代城市与湿地景观交汇处形成新的可持续居住环境[20]。社区通过空间规划,为周期性洪水设计弹性储水空间:通过底层架空的多类型住宅适应水位涨落,并利用住宅间的公共绿地作为洪水来临时的缓冲空间(图2)。南普拉斯圩田(Zuidplaspolder)同样存在风暴侵袭期间水位上涨带来的洪水威胁,社区通过土地规划,将住宅安置在圩田较高的地面上,并通过凸起的基础设施连接来保障其安全性,住宅群公共交通区域及较低休闲区域亦成为风暴来临时的储水空间,并对洪水分流缓冲(图3)。

2 潮汐计划社区,张佳璇改绘自groenblauwdordrecht.nl/projecten/plan-tij/

3 南普拉斯圩田社区,张佳璇改绘自www.urbangreenbluegrids.com/projects/zuidplaspolder/

3.2 城市集合社区:实地走访EVA 社区水系统设计

EVA-Lanxmeer 社区位于屈伦博赫饮用水源采集区之上,敏感的地理位置决定社区设计之初便要谨慎处理与水的关系,雨洪危机和用水安全是社区面临的主要问题。社区以基础设施提供技术支持,社区空间规划提供空间支撑,通过多方参与动态设计模式使社区不断发展、演化,构建完整且灵活的社区水系统(图4)。

4 EVA-Lanxmeer 社区水系统设计架构

3.2.1 分类管理社区水管理理论

由于地处饮用水采集区,EVA-Lanxmeer 社区面临雨洪危机和用水安全两个主要“水问题”。社区采用“因水制宜”水管理理论:将雨水、生活污水和饮用水按照各自特点进行专项管理,形成明确分类管理策略(表2)。

表2 EVA-Lanxmeer 社区水分类管理策略,陈嘉晖 绘制

社区水管理策略通过基础设施建设落地。通过屋顶雨水循环利用、路面雨水弹性管控、灰水生态处理、黑水生态循环和饮用水保障安全等水分类管理策略,构建完善的水管理框架。并将中央集水池、洼地、人工湿地过滤系统等基础设施与建筑物相结合,使水管理理论得以落地。

(1)雨水分类管理策略

屋顶雨水通常较为干净,无需事先处理即可存储或渗透,但来自街道的径流水可能会受到污染,需进行特殊处理。EVA-Lanxmeer 社区基于此理论将雨水细分为屋顶雨水和路面雨水进行分类管理。

屋顶雨水处理以一个由旧莱茵河河床修复而成的中央集水池为轴心。首先,建筑屋顶有组织性地进行雨水收集和排放,然后通过封闭管道系统引导至社区内保留池中,保留池中的水再定期释放到中央集水池。除了保留池中的水,冲洗净水池(收集清洁饮用水过滤器用水)的水也会补充中央集水池。集水池的水经砂滤器简单净化后,经泵站再将水分配给居民,补充卫生间冲洗用水,达到循环用水目的。在干旱期,中央集水池还会将富含锰和铁的水释放到社区内池塘,保证池塘活水状态,满足鱼类和植物生长(图5)。此外,社区住宅的倾斜外墙成为收集雨水的坡屋顶,提升屋顶雨水收集效率(图6)。

5 社区雨水处理方式示意,陈嘉晖改绘自www.eva-lanxmeer.nl

6 社区雨水收集设施

地面雨水处理依托洼地系统形成弹性雨水管控。洼地负责收集并净化受到污染的地面雨水,而后排向社区外排水沟,连入城市排水系统。设计师将洼地和街道以鱼骨状布置,尽可能多地覆盖整个社区,将地面雨水引离脆弱的饮用水取水区,保证社区和屈伦博赫用水安全(图5)。当极端暴雨发生时,降水超过自然渗水极限,社区再采用 “滞留—存蓄—排放”处理方式[19]。首先将地面雨水引入洼地,起到“滞留”作用,并逐渐渗透到地下。过多雨水排入蓄水能力极强的景观水体,达到“存蓄”目的。最终,在错开城市排水高峰后将雨水排入城市排水系统,避免内涝产生。

洼地系统可以与社区道路及绿化系统巧妙结合,不单独占用空间,这种做法在荷兰已经比较普及[21]。在土地紧缺的荷兰,这种空间复合使用智慧能够高效集约利用土地,也将水体运动过程充分展现出来,时刻提醒人们潜在的雨洪威胁。

(2)生活污水分类管理策略

EVA-Lanxmeer 社区设计双下水道系统,用于分离灰水与黑水。灰水是来自水槽、淋浴和洗衣机的生活污水,黑水则指卫生间污水。

灰水通过一套与自然景观融合的人工湿地净化系统进行处理。灰水被芦苇、净水土壤和砾石进行过滤和净化,足够清洁且富含营养,无需再进一步纯化即可排入社区相邻河道。其生物净化过程被全程展示出来,具备一定的示范和环境教育意义。社区拥有两个约1500m2大型人工湿地过滤系统和3 个约300m2小型人工湿地过滤器,至少连接300 个家庭和办公室。与洼地设计相似,人工湿地过滤系统秉承土地集约设计理论,将水泵、污水集水井和调节井进行隐藏式处理,使系统与自然景观充分融合(图7)。

7 社区人工湿地净化系统,陈嘉晖改绘自www.eva-lanxmeer.nl

黑水被引导至位于社区中心的生态循环装置,与都市农场产生的农作物残渣经厌氧发酵器发酵后产生沼气和沉渣,沉渣再进行处理后,一部分与沼气进行热电联产,为社区提供电力与热水,另一部分为都市农场制作化肥。生态循环装置将技术与空间高度集合,在整个系统顺利运转情况下,250 户住宅每户每年可减少190kg CO2排放量,并降低能源消耗,减少废弃物[22]。

3.2.2 绿地优先:基于水管理理论的社区空间规划

为实现分类水管理理论,EVA-Lanxmeer 采用“绿地优先”空间规划策略,即自规划初始就以保证绿地面积为首要考虑要素,维持场地原有生态坏境,最大程度保证雨水自然下渗以及取水区水安全。

围绕着水源生态保护区域自然景观,设计将绿地划分成5 个部分,从私有绿地逐渐过渡到半私有绿地,公共开放绿地、都市农场及自然生态保护区(图8)。社区交通道路系统同样遵循着“绿地优先”原则:住宅区内不设置车辆道路,住户每家最多只能有一个停车车位,且位于社区边缘,做到尽可能少地建设硬化和狭窄街道,保证绿地面积。

8 社区绿地类型分布,陈嘉晖改绘自www.eva-lanxmeer.nl

EVA-Lanxmeer 社区“绿地优先”空间规划策略对社区水系统韧性起到关键作用:(1)最大程度保证绿地面积雨水自然渗透空间,极大增强社区在暴雨侵害下蓄水排水能力;(2)将社区建设对场地影响降到最低,维护原有生态系统和生物多样性,形成自然水过滤系统,保证取水区水安全,使社区生态系统在灾害面前更具抵抗性和恢复能力;(3)保证社区开放空间属性多样性,灾害发生时和灾后,空间功能可以互相转换,使EVA-Lanxmeer 社区系统具有结构和功能层面上多样化选择。

3.2.3 与水为友:连接邻里与自然的都市农场设计

都市农场设计扮演社区邻里空间设计的重要角色,将雨水处理、生活、工作、娱乐和食品生产紧密相连。农场作为收集雨水基础设施,位于生态自然保护区东北侧,避免饮用水取水区被东北方向污水或雨水污染。从技术层面看,农场可以被动地吸收雨水,还可以转化雨水作为种植食用作物水源,是社区生态循环的重要一环。从社区营造层面看,它对社区食物多样性、人群多样性、社区凝聚力、生态教育等方面有着重要贡献。将降雨通过农作物转化为自然与人互动的物质环境,构建人与水和谐共生关系。

3.2.4 弹性营造:多方参与的动态设计模式

EVA-Lanxmeer 社区在项目早期便邀请居住者、屈伦博赫政府、生态专家与投资者等相关利益团体加入方案规划设计,形成多方参与动态设计模式。首先,充分参与社区设计过程,使得住户们对建筑状况、洼地等基础设施、都市农场等可避难空间位置信息有更为直接的了解,有利于居民在雨洪灾害时做出正确应对。其次,在灾害过后,各利益体相互信任和稳定关系使社区能快速做出响应,有助于增强社区转换学习能力,使居民从灾害经验中转换出风险意识和应对经验,以更好应对未来不确定的灾害挑战。

3.3 浮动社区:Schoonschip 社区水系统设计

Schoonschip 社区位于阿姆斯特丹北部、污染最严重的别克斯洛特汉姆工业港区(Buiksloterham),是地区可持续转型的重要策略之一。社区漂浮在哈塞特河(Johan van Hasselt)上,通过智能码头与水岸码头连接,包含30 个相连的水面漂浮块,共计46 间住宅(图9、10)。建筑师、物料流分析师、绿色能源生产、智能电网、灰水管理等方面的专家以及社区成员协力合作,搭建自给自足的能源、水源、废弃物可持续循环系统。

9 社区鸟瞰,来源:https://www.archdaily.cn/cn/979310/cheng-shi-she-jizhong-de-xun-huan-jing-ji-ke-chi-xu-xingyu-she-qu-can-yu?ad_name=article_cn_redirect=popup

10 社区平面,张佳璇绘制,底图来源:Google Earth

社区水处理包括雨水收集、节水回用、废水利用,通过技术系统协作配合充分利用水资源,避免环境污染(图11)。社区住宅利用绿化屋顶滞留雨水,并通过雨水收集管储存在水箱中,用于日常厕所冲洗及浇灌植物。每栋住宅屋顶均覆盖有不少于1/3 屋顶面积的绿化表面,种植景天、苔藓植物,不仅有利于滞留雨水,还可降温除尘,提升屋顶光伏板的运作效率。社区住宅通过安装真空厕所、节水淋浴器等节水洁具,大幅度减少日常用水量,因此并未强制每户安装雨水收集装置。社区采用智能码头中的独立管道系统进行废水分类利用,将用于厨房、洗漱、清洁的“灰水”排入市政污水管网,而真空厕所中分离的“黑水”则通过真空管输送入附近的浮动处理站,生产沼气和磷酸盐。此外,社区曾尝试利用河水资源,因哈塞特河联通海洋,水中的酸性物质存在腐蚀管道内壁的风险,因此未能实现。最终,社区将实现70%的饮用水自给自足并实现生活污水零排放[23]。

11 社区水循环处理,张佳璇改绘自参考文献[23-24]

4 小结

在策略制定层面,荷兰社区水系统设计受到“与水共生”的国家雨洪韧性水治理政策转变的影响,在防洪排涝的工程建设基础上,更加注重利用空间规划与生态景观增强雨洪适应力,并增强社会治理与恢复。在设计与实施层面,不同地理环境下的社区水治理侧重点有所区别:圩田体系内的独栋住宅社区面对洪水侵袭与生态修复的危机,通过规划场地内的弹性储水空间,承认并接纳周期性洪水进入圩田,形成生态景观;三角洲城市中的集合社区注重结合空间规划与景观设计进行雨水的多级排涝,缓解城市管网压力;浮动社区的周围环境促使其具有较高的独立性,注重自给自足的循环设计。

基于荷兰雨洪韧性社区水系统设计实践经验,可以为我国社区水系统设计提供以下4 点建议:(1)策略实施:在国家上层雨洪韧性策略的指导下,根据不同地域特点分析具体水问题,通过因地治水进行政策落位;(2)空间设计:将水处理策略融入空间规划与景观绿地系统,注重景观和基础设施高度结合的高效土地利用理论,增强社区雨洪承载力。这种方式尤为符合我国珠三角城市群所面临的雨洪威胁以及土地资源紧缺现状;(3)资源循环:将雨水、生活污水和饮用水进行社区水分类管理,并利用基础设施与生态系统进行资源化循环利用;(4)多学科社会治理:社区雨洪韧性理念的贯彻与落实不是单纯技术的堆砌,在我国的韧性社区建设中,大力推动雨水管理技术的同时,更应积极探索社区管理者、住户、设计师、政府和市场等多方利益体的互动模式。

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