水生態基礎設施構建關鍵技術

俞孔堅

（北京大學建筑與景觀設計學院，100871，北京）

我國水資源和水環境問題非常嚴重，包括水資源短缺、水質污染、洪水、城市內澇、地下水水位下降、水生棲息地喪失等。由此帶來的水危機并不是水利部門或某一部門管理下發生的問題，而是系統性、綜合性的問題。對待這些綜合性的水問題，當前解決之道往往單一、片面。水是地球上一個連續的系統，是世界上最不應該被分離的物質，治水時卻存在“小決策”與水系統分割問題。以部門、地區、功能分割為特征的水管理體制導致管理中水與土分離，水與生物分離，水與城分離，排水與給水分離，防洪與抗旱分離，極不利于水系統管理。這些都是簡單的工程思維和管理上的“小決策”帶來的弊端。解決諸多水問題的出路在于回歸水生態系統的完整性。

水環境與水生態問題是個跨尺度、跨地域的系統性問題，也是互為關聯的綜合性問題。解決城鄉水問題必須把研究對象從水體本身擴展到水生態系統，通過生態途徑對水生態系統結構和功能進行調理，增強生態系統的整體服務功能，即供給服務、調節服務、生命承載服務和文化精神服務。四類生態系統服務構成水系統一個完整的功能體系。以保障水系統綜合生態系統服務為目標的基礎性空間結構 （景觀格局），就是水生態基礎設施。區別于傳統的工程性灰色基礎設施 （單一功能目標的工程建設），水生態基礎設施是一個生命系統，即綜合、系統、可持續地解決水問題，包括自然水生態系統和生態化的水工基礎設施。一個完整的生態基礎設施的建立需要在規劃和工程設計兩個層面上進行。

一、水生態基礎設施規劃技術

建立水生態基礎設施的關鍵是科學的規劃，其技術要點在于水生態紅線的科學劃定，明確水系統邊界，不是河道和水域的邊界，而是由對水過程具有關鍵意義的點、線、面和空間聯系所構成的空間格局。這就需要用跨尺度的系統思維來思考，應該在全國尺度、區域尺度和城市尺度，從宏觀—中觀—微觀不同層面來建立一個連續的系統。

1.國土尺度：編制水生態基礎設施規劃，劃定水生態紅線

要確定國土水生態安全格局，做好區域水生態基礎設施規劃，進而做好城市發展規劃。生態安全格局也稱生態安全框架，是指景觀中存在的某種潛在的生態系統空間格局，由景觀中某些關鍵的局部、其所處方位和空間聯系共同構成。生態安全格局對維護或控制特定地段的某種生態過程有著重要意義。國土水生態安全格局與我國國土尺度洪水調蓄安全格局有著密切關系。研究顯示，我國國土尺度洪水調蓄安全格局為：低水平洪水調蓄安全格局面積占國土總面積的0.8%；中水平洪水調蓄安全格局面積占國土面積的2.2%；高水平洪水調蓄安全格局面積占國土總面積的6.2%。也就是說，在發生低水平洪水情況下，我國能被洪水淹到的國土面積只占整個國土面積的0.8%；在特大洪水情況下，能被淹到的國土面積占整個國土面積的6.2%。在具體實踐中，可根據對洪水淹沒模擬分析和歷史洪澇災害分析，并通過對當前和潛在具有洪水調蓄功能的區域分析徑流過程，獲得洪水安全格局面積。

根據國土尺度洪水調蓄安全格局，編制水生態基礎設施規劃，劃定完整水系的生態紅線。應依據10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇洪水的淹沒范圍，劃定生態紅線。水淹到的地方都應該劃在生態紅線內。綜合考慮水安全格局面積包括洪水安全格局面積、地表水和地下水的水源保護區、地下水補給區，通過管制格局面積內土地利用，達到保護地表水和地下水資源、維護并強化區域水系的連續性和完整性、減少洪水災害的目的。研究顯示，劃定水生態紅線這一方式完全可行。

雨水積存、生物保護、河流藍道這一連續系統，與文化遺產整合以及城鄉慢行系統結合，就構成了水生態基礎設施。水生態基礎設施能夠保障整個城市的健康和安全。要以水生態基礎設施為骨架，做好城市發展規劃。也就是說，可根據洪水能夠淹到的國土面積情況，做好城市發展規劃，特別是確定城市該建在什么地方，而不是動輒修建防洪堤。當然，那些已經建在河漫灘上的城市，應處理好與洪水的關系，給洪水以出路。

2.區域尺度：建設海綿城市

部分城市目前面臨的問題是：一方面，地下水水位逐年下降；另一方面，珍貴的雨水資源卻被排走。鑒于此，城市應建立一個海綿系統，把降到城市地表的雨水留下來，用于城市綠化，形成濕地，補充地下水，改善人居環境。

需要根據歷史上一個城市被淹的區域，規劃一個水系統安全格局，突破河流藍道概念，將河漫灘上的綠地范圍劃為水生態系統的核心范圍，作為永久的水生態海綿系統來管理。與之相關的綠化工作，應考慮在河漫灘上進行。對100年一遇、500年一遇的河漫灘，應該大量植樹，把河漫灘變成森林。如此，河水才能慢下來，才能留下來，才能把生態系統維護起來。

以前城市建設都是“三通一平”，把地平掉，埋設排水管道，盡量把雨水排掉。農民都知道，農田上必須留下1/4的土地給水，將水留下來。城市建設時，水系統也同樣需要保留在城市中，成為城市的休閑系統，把水作為珍貴的資源留下來，而不是建設集中排水管網，將水排走。現在，各地把排水管網建設看得很重，實際上無論多粗的排水管網都不能解決我國城市的內澇問題。我國廣大城市的季風氣候顯著，易出現強降雨，雨澇問題需要靠地表雨水系統、地表生態系統來解決。基于此，需要一種生態城市建設的模式，即不用埋設集中的雨水管道，或者只埋設局域性的雨水管道，同時可節省城市很多基礎設施投資。

總之，要從劃定城市水生態紅線開始，制定一個戰略規劃，建立水生態基礎設施，讓城市成為一個大的海綿系統，把雨水留在土地上，或者補充到地下。

二、水生態基礎設施關鍵工程技術

建設水生態基礎設施，應考慮整個水系統，以生態系統服務為導向進行設計，發揮水系統的供給、調節、生命承載和精神文化功能。具體來說，有7個水生態基礎設施關鍵工程技術模塊。

1.與洪水為友的地理設計技術與生態系統防洪結合模塊

該類技術強調洪水不是不可避免的，也不是必須要對抗的。用富有彈性的生態防洪措施，代替鋼筋水泥的灰色防洪設施，這是建立可持續的水生態基礎的關鍵技術之一。河道本身就是一個海綿系統，周邊應有濕地，中國的“水”字，中間一條河道，兩側有四塊濕地，就是體現了海綿這一概念。以前城市修建了很多防洪工程，很少考慮生態需要。其實，防洪可以與生態、與美有機結合，一些常規的防洪工程可以改造為生態防洪工程。通過對10年一遇、20年一遇、50年一遇洪水的系統分析，了解被水淹沒的地方。這些地方可以保留下來，用作濕地，作為稻田或者公園，恢復河道海綿系統。因此，防洪堤壩需要彈性設計，要與洪水為友，與水共進退。通過對傳統水利工程改造，采用生態防洪方式，水的沖擊力減小，生態彈性增加，城市有了更多的綠地，防洪壓力減小。因此，只要善待洪水，學會與其和諧相處，洪水就沒有那么可怕了。

2.加強型人工濕地凈化系統技術模塊

程，不僅可以將劣質V類水凈化為Ⅲ類水，還能生產糧食和多種植物。

濕地凈化技術在國內外都有非常多的研究和實踐，水利界也已有豐富的實踐。如何將這種技術與日常生活、城市游憩環境相結合，使科學與藝術完滿結合，則富有挑戰性。加強型城市人工濕地凈化系統（示意圖見圖1）將景觀作為生命系統，在城市中建立高效、復合功能的濕地凈化系統，將嚴重污染水體或中水的水質提升為Ⅲ類地表水，每公頃濕地每天可以凈化800m3水。這一技術模塊為處理我國75%地表污染水體提供一個可復制、大面積推廣的范例。加強型人工濕地系統，需要利用自然濕地，同時要對其進行強化，使其變為一個凈化系統。我國75%地表水體的污染是富營養化，營養元素主要為氮、磷、鉀，多來自肥料。目前治理污染都是消費能源、耗費財力。通過加強型人工濕地系統，可以將氮、磷、鉀轉化為肥料，將治理污染過程變為生產過

3.城市綠色海綿技術模塊

我國660多個城市中有400多個缺水；受季風氣候影響，大多數城市70%～80%的年降水都集中在夏季，按照暴雨標準修建城市排洪設施造價昂貴且維護困難，同時造成地表水資源流失，生物棲息地消失。常規城市雨水管道系統不能解決季風氣候下的強暴雨問題，綠色海綿技術可以發揮重要作用。將景觀作為生態雨洪滯蓄和凈化設施，用10%的城市用地，來消納城市雨澇，實現城市對水的彈性管理，并形成地下水補充、濕地恢復與保護等多種生態系統服務。綠色海綿設計將傳統的陂塘蓄水系統、桑基魚塘技術提升并與當代雨水生態邊溝和潛流濕地凈化等技術相結合，配合短距離市政管網，構成雨洪滯蓄、凈化和地下水回補的成套系統。實踐證明，采用城市綠色海綿技術建設城市海綿系統，能夠解決目前大部分的洪澇問題。

圖1 加強型城市人工濕地凈化系統示意圖

4.生態系統服務仿生修復技術模塊

通過模擬生態系統自我再生過程，實現高度人工化環境中的土地生態修復，把待修復的土地視為生態系統服務提供者，修復的過程同時又是提升生態系統服務的過程。以生態系統服務為導向的設計，即通過觀察、研究和模擬自然系統的調節、供給、生命承載以及文化與精神的服務功能，在場地土地修復工程上有效地利用自然系統的生態系統服務功能。鄉土生境重建與自然演替形成的植物群落來提取、揮發被破壞的土地中的有害物質（如重金屬），再穩定修復后的土地，配以休憩活動空間，實現完整而可持續的生態系統服務。例如，利用水生態基礎設施治理土地污染問題，因為雨水多酸性，土壤多為堿性，酸堿中和，土壤就得到了改善。

作為“生態系統服務仿生修復技術模塊”的示范（示意圖見圖2），天津橋園所在地原為打靶場，場地低洼，地面建筑物已被拆除，場地現狀垃圾遍地，污水橫流，鹽堿非常嚴重。對于這樣一個城市廢棄地，為了開啟自然過程，讓自然系統發揮功能，形成一個無須更多能源與資源投入、可以自我進化、滿足使用者審美與游憩需求的地域性景觀。本修復工程有3個步驟：第一步，營造地形收集雨水，形成多樣化的生境條件。場地挖了21個深度不同的集雨坑，每個洼坑有不同的標高，有深有淺，形成不同水分和鹽堿條件的生境，適于不同植物群落的生長。第二步，開啟群落演化，群落的形成從種子開始，在每個低洼地和水泡四周播撒混合的植物種子，應用適者生存的原理，形成與不同生境相適應的植物群落。這些群落是動態的，由于初始生境不能滿足某些植物的生長，所以被播種的植物在生長過程中逐漸被淘汰，一些沒有人工播種的鄉土植物，通過各種傳媒不斷進入多樣化的生境，而成為群落的有機組成部分。第三步，在修復的自然生態本底上，引入步道系統和休息場所。多個洼地和水泡內都有一個平臺，伸入群落內部，使人有貼近群落體驗的機會。洼地和水泡間的步道連接成網。與步道網絡相結合，建立環境解說系統，使游客在體驗鄉土景觀之美的同時，獲得關于地域自然系統的知識。經過三年的生態修復，土壤和水質條件都明顯改善，鄉土生物多樣性大大提高，植物從2008年的36種自然增加到2012年的126種，同時成為廣大市民喜愛的游憩公園。

5.生產性景觀設計模塊

當前城市規劃決策者們大都會認為，農田是農村的象征，是落后生產力的表現，是不美的景觀，與先進的城市文明格格不入，所以一般不容許城市建成區內還保留著農業社會時代的氣息，即使有部分農田殘留斑塊，也很快被城市公園或高大建筑物所代替。在斥巨資改變場地原生環境建設城市文明的同時，又在花大力氣保護郊區農田，倡導民眾的耕地保護意識，這種矛盾的行為在城市建設和城市化過程中比比皆是。生產性景觀設計提倡保留場地中的農田，將大面積的農田作為城市功能體的溶液，高產農田滲入市區，而城市機體延伸入農田之中，將農田與城市綠地系統相結合，成為城市景觀的綠色基質或者重要斑塊；生態設計手法在保護農田生產功能同時發揮其生態功能；輔以人工設施，為市民構建一個良好的休閑和教育場所；最關鍵都是通過生產性景觀的保護和利用，雨水可以在城市留下來，生產糧食，而不是排到河道里去。

圖2 生態系統服務仿生修復技術示意圖

6.最小干預與低維護設計

最小干預改變河道面貌，發揮河道的生態基礎設施功能。很多對生態系統的“保護”本質上是“以生態之名反生態之實”的旅游開發、休閑開發、公園開發等，在投資充足的情況下，不惜成本地改造原本穩定的場地生態環境。保護自然的最少干預技術就是如何在滿足人類活動需求下保護自然，如何最大限度降低設計的生態負面影響。該技術模塊的核心在于：尊重自然發展過程，循環利用物質能源，倡導場地自我維持和可持續處理技術，發掘場地原生健康美學，保留場地文化遺產。自然是具有自組織或自我設計能力的，整個地球都是在自我設計中生存和延續。自然系統的豐富性和復雜性遠遠超出人為的設計能力，與其過多地人為設計，不如開啟自然的自組織或自我設計過程。

7.工業棕地利用與再生技術

河流藍道邊，常常有大量工業用地存在污染問題。將河流藍道兩側的工業土地變成城市珍貴的、滿足時代需要的土地，傳承工業遺產，是一個需要解決的問題。為此，利用“棕地恢復”技術，對河流藍道邊上的棕地進行恢復，將工業遺產保留下來，河道得以生態恢復。

三、結語

需要說明的是，7項技術模塊應加以整合，并廣泛推廣應用，用以解決河道水系統問題。實際上，每個單位、每個家庭，都可以把雨水留下來。家庭可以利用自家陽臺，收集屋頂雨水。如果全國城區都把雨水收集起來，可以將小區內的流水減少至少1/3，一般情況下，城市就不會發生澇災了。同時，如果每家每戶都可以利用雨水來調節室內溫度，不開空調或加濕器的話，可以省下1/3的能源，可以節省10座三峽工程的發電量。小改變，可以解決大問題。

面對水系統綜合征，必須采取綜合的、系統的解決途徑，構建水生態基礎設施。通過從治水開始，建立水生態基礎設施，走向水生態文明。為此，我們要進行一場革命，思想上需要革命，方法上需要創新，體制上需要打破邊界，專業上需要整合。 ■

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