綠色基礎設施水文調節服務的供給機制及提升途徑

劉頌 諶諾君

城鎮化和工業化造成了城市下墊面不透水層面積的增加，破壞了自然系統的水循環，導致城市飽受洪澇災害、水體污染等困擾。綠色基礎設施（Green Infrastructure，以下簡稱GI）作為由綠道、濕地、雨水花園、林地等組成的各種開放空間和自然區域及其相互連接的網絡，被認為是控制雨水徑流、減少城市洪澇災害和保護水環境等水文調節服務的主要供給者而越來越受到重視[1-2]。

國內外許多學者分別從環境、水文、地理、社會經濟、規劃設計等各個領域對綠色基礎設施的水文調節服務水平提升進行了研究，筆者對國外1998—2018年期間發表的相關文獻進行了研究，發現綠色基礎設施的水文調節服務供給是一個系統的過程，只有全面了解其作用機制、評估方法、影響因素，才能找到提高水文調節服務水平的系統化途徑。

1 GI水文調節服務作用機制示意圖Schematic diagram of GI hydrological regulation service mechanism

1 GI水文調節服務作用機制

根據“千年生態系統評估”（Millennium Ecosystem Assessment，簡稱MEA），水文調節服務包括水量調節和水質調節2個方面，其核心思想都是通過可持續的自然手段解決城市雨洪及水污染問題，保護區域水循環過程，構建良性的城市水文循環[3]。

在不同尺度下，GI發揮水文調節服務時的作用機制不盡相同，并表現為不同的形式[4]。其中，微觀層面的GI（如雨水花園、植草溝、生物滯留池、草洼地等）由于可實施性強，便于收集相關數據，是發揮水文調節服務效果最明顯的尺度[6]。因此大多數文獻從微觀層面入手，通過實例驗證或模型模擬，監測GI作用之后水體發生的變化，并評估其生態與環境效益。

1.1 水量調節

綠色基礎設施對水量的調節主要體現在洪水控制、雨水儲蓄、水源涵養、地下水補給以及水體的循環利用等方面，可總結為“滲、滯、蓄、用、排”五大關鍵環節[7]（圖1）。其中，“滲”是通過改善下墊面結構以滲透雨水的過程，如通過增加綠地面積等從源頭減少徑流，補充地下水。“滯”是通過具有較高地表粗糙度的GI如半自然草原、荒地、沼澤地、灌木叢、濕地、林地等減緩徑流流速[7]，從而延緩徑流聚集時間以及徑流峰值出現時間，為雨水爭取更多的滯留空間，有效抑制洪水形成。“蓄”則是通過如濕塘、下凹綠地、雨水濕地等實現雨水的自然積存，既可以在暴雨時期有效減少徑流量，又可以為干旱時期的水資源利用提供支持。“用”主要體現在雨水的循環利用方面，通過“蓄”積存下來的雨水經GI凈化處理后用于景觀用水、農業灌溉等。此外，“排”是指在滯留、儲蓄功能的GI達到飽和的情況下，將傳統的灰色基礎設施與河道水系或天然濕地結合起來，形成雨水的排放通道。以上5個關鍵環節是相互聯系，相輔相成的，實踐中并不是通過單一的GI發揮某一作用，而是通過多種GI組合發揮全面的水量調節功能，實現水文的良性循環[8]。

1.2 水質調節

綠色基礎設施對水質的調節主要表現為水體凈化功能。水體中的污染物主要包括固體污染物、重金屬、可降解有機質、有機微量污染物、病原微生物以及營養物質六類（表1）。GI主要通過物理過程（沉降、過濾、揮發等）、化學過程（吸附、絮凝、沉淀、光解等）以及生物過程（植物和藻類攝取等）3種方式發揮水質調節作用[9]。物理過程諸如過濾和沉降臨時存儲與顆粒物結合的金屬等過程[10]，化學過程諸如反硝化除去硝酸鹽等過程[11]，生物過程諸如利用微生物吸收水體中的營養物質等。以上3種過程又可分為兩類水質凈化機制：一類是直接去除，包括沉降、吸附到基質、微生物降解、過濾、植物吸收以及揮發等過程；另一類是間接去除，例如沉淀、吸附到懸浮固體等過程。而間接去除通常發生在沉降或過濾之前，有助于污染物的徹底凈化。

對于同一地點，不同的降雨事件中某一特定的污染物濃度會存在很大的差異，例如在干旱時期，雨水污染物濃度可能會增加，對處理設施和受水體造成影響[12]。對于同一降水事件，污染物的濃度在不同時間也會表現出明顯的差異，通常在暴雨事件的初期，雨水中的污染物濃度最高[13]。有學者研究發現，臺風前6～8mm的雨水中的污染物含量占工業園區總污染負荷的60%以上[14]。因此，GI設計需以多年的統計信息為依據。

許多學者通過實驗監測發現了不同GI的水質凈化能力。如Davis[15]研究發現雨水花園對總磷和凱氏氮的去除率較高，但對硝酸氮的去除率較低。Barkdoll等[16]則發現，植草溝渠可通過曲折的流動路徑有效去除雨水中的懸浮固體和其他污染物。Barrett等[17]通過研究說明，植草溝凈化重金屬、固體污染物以及可降解有機質等污染物的能力非常強，尤其是在具有一定坡度時。

2 GI水文調節服務評估方法

對于綠色基礎設施的績效評估有助于GI類型的選擇，尤其是在不清楚某一類GI具體能發揮多大的水文調節服務功能時，可通過模型模擬的方法進行評估，并通過各種GI組合模擬情景分析的方式得出最佳的組合類型，從而提升GI水文調節服務功能。評估的關鍵是評估指標和評估方法的選擇。

2.1 常用的評估指標

2.1.1 水量調節評估指標

在發揮水量調節作用時，主要的評估指標包括徑流量、年徑流總量、峰值流量、徑流比、峰值時間、暴雨持續時間、基流量、地下水補給量、地下水位變化以及蒸散量，等等。Jefferson等[18]通過對100項實例和模型中GI的水文指標總結發現，徑流量和峰值流量是常見的指標，而基流、地下水位變化和蒸散量則相對較少受到關注（表2）。氣象水文條件、土地利用類型、地形地貌以及GI規模和類型等因素都會對水量調節產生影響，進而決定了指標的選取。

表1 水體中常見污染物種類及凈化方法Tab.1 Types of common pollutants in water bodies and purification methods

表2 對100項實例和模型中GI的水文指標總結Tab.2 Summary of hydrological indicators of GI in 100 examples and models

2.1.2 水質調節評估指標

在發揮水質調節作用時，主要評估指標則為對各類污染物的去除程度。常見的指標有營養物質、重金屬、病原體和其他污染物等單位面積的濃度，但因區域不同，重點指標也不同。如在美國，營養物質和固體污染物的輸出濃度一直是水質的主要關注焦點，如TSS去除率、TP去除率和TN去除率等；而在歐洲和澳大利亞，金屬尤其是那些與沉積物有關的金屬受到了更多的關注，如Cu、Pb以及Zn等濃度的減少率[18]。

2.2 基于模型模擬的評估方法

在對水文調節服務評估的過程中發現，綠色基礎設施并不像預期那樣能在短期內取得明顯作用。因此，在實際研究中，常常使用模型模擬的方法評估GI的水文調節服務功能，以尋求不同尺度與情境下最優的GI規劃方案。表3列舉了GI水文調節服務評估常用模型。

可以看出，常用的水量調節模型有SWMM、HEC-HMS、CNT、LIDRA 等，MUSIC、MOUSE主要用于水質調節作用的評估，PCSWMM、L-THIA-LID、SUSTAIN、P8等模型則兼具評估水量調節和水質調節兩種功能（表3）。其中，SWMM是水資源專業人員和研究人員中最受歡迎的模型之一，相比于其他模型可以應用于更多的尺度，包括GI的詳細設計；MUSIC模型也由于支持各種GI實踐并適用于多種尺度范圍而受到研究人員的青睞。從整體研究趨勢來看，由于用于校準模型的水質數據少于水量數據，水質調節的評估相較于水量調節的評估更加困難[19]。在之后的研究中，可以通過實驗或多設水質監測點以獲取更多水質調節的相關數據，完善水質調節作用的評估體系。

3 GI水文調節服務影響因素

綠色基礎設施水文調節服務水平的高低受眾多因素制約，主要包括3個方面：GI自身限制因素，地域特征因素以及社會、經濟與政策因素。

3.1 GI自身限制因素

GI的自身特點如規模、布局、坡度以及連通性等都可能限制水文調節作用的發揮。Hunt等[20]通過研究發現，生物滯留池能有效減少小于40mm的降水事件中的徑流量，但對于較大的降雨事件中徑流控制的作用有限。 Freni等[21]的案例研究表明，以儲蓄為主要功能的GI集中式分布更有利于減少污染物濃度，以下滲為主要功能的GI則在分散式排列時能更好地發揮水文調節服務。Ghavasieh等[22]通過模擬發現，在粗糙程度一致的情況下，GI的坡度較大，減少徑流量的效果越差。張彪等[23]則在研究中證實，流域內GI網絡的連通性會影響其控制徑流的能力，連通性越低，減少徑流量越少。

表3 GI水文調節服務評估常用模型Tab.3 Common model of GI hydrological regulation service evaluation

此外，GI在發揮某一水文調節服務功能時，可能會影響其他水文調節服務功能的發揮。例如，濕地和滯留池等GI可以有效減少雨水徑流的有機污染物負荷，但它們可能在高流量期間釋放腸道生物，特別是在夏季暴雨時期[24]。另外，Tsavdaris等[25]的研究也表明，滯留池中的植被有凈化水質的作用，但會增加湍流，影響其水量調節。

3.2 地域特征因素

每個地區都有相應的地域特征，包括氣候氣象、水文狀況、土壤和土地利用狀況、地形地貌狀況以及適宜的植被類型等等，這些地域特征都會制約和影響水文調節服務功能。

1）氣候氣象與水文因素。由氣候變化引起的極端降水不僅會造成水量問題（尤其是城市洪水），而且還會使雨水未經處理就排入下游水體，影響水質。水文狀況主要對水量產生影響，也會因此影響水質。Cobbina[26]等認為氣候變化可能會導致許多GI的有效性降低甚至變得無效。Brezonik和Stadelmann[27]通過多元回歸分析發現，對污染物濃度影響最大的變量是降雨量、降雨強度以及流域面積。Qin等[28]用SWMM模型模擬了中國深圳城市化集水區GI的降雨效應，發現降雨量、持續時間和峰值比都會影響草洼地等GI的水文調節服務性能。

2）土壤和土地利用要素。土壤的理化性質會影響雨水的下滲速率以及污染物的去除效率。Xiao等[29]通過模擬發現土壤的物理性質和有效深度對滲透和地表徑流過程有顯著的影響。此外，土壤的類型和厚度會影響其下滲速率，進而影響其對徑流量和污染物的去除[30]。一般來說，黏土的滲透性最差，而砂土的滲透性最強[31]。土地利用類型則主要影響水質，也會影響水量。Arabi等[34]的研究說明，農業用地由于存在施用肥料，燃燒桔梗等情況，會對水質產生不利影響。Meierdiercks等[33]則發現，在美國馬里蘭州巴爾的摩市，一個高密度GI實施的流域相比于一個低密度GI實施的城市流域，年徑流量較低；但相比于森林流域，年徑流量較高。

3）地形要素。地形也會影響GI的選擇，進而對水文調節服務產生一定影響。Binstock[34]認為地形將影響應該實施的GI類型，平坦的地區可能不得不更多地依賴滯留功能強的GI。Trinkaus[35]通過實驗發現生物滯留系統在由潮汐沼澤組成的平坦地形中能更好地發揮防洪減災的作用。

4）植被類型。在降雨到達地面之前，植物會對雨水進行第一次攔截，滯留部分雨水，植被類型的差異是其冠層攔截率的關鍵因素，進而影響徑流量[36]。有研究發現，闊葉林和針葉林對水量的調節作用不同，闊葉林約可截流降水量的71%～82%，而針葉林對總降水量的截流可達55%～82%[37]。

3.3 社會、經濟與政策因素

1）社會參與因素。當采用分散的源頭控制方法進行水文調節時，公眾的參與度顯得尤為重要。Montalto等[38]認為利益相關者參與可能會成為GI實施的制約因素。一方面，公眾并沒有充分注意到雨水的污染問題，甚至認為雨水是“干凈”的[39]，沒有必要對其進行處理。另一方面，人們已經習慣了傳統的雨水管理控制措施比如排水溝和管道排水，如果布置新的GI，他們可能會面臨地下室被淹沒或者地下的一些工程性結構被破壞的風險[40]。

2）經濟因素。實施GI需要經濟投入，不僅包括土地征用、建設、運營、維護和監測費用，還有些費用容易被忽視，比如GI的維護與員工的技術培訓費用[41]。所以在決策過程的早期階段，GI的實施成本對于發展中國家來說尤為重要。

3）管理政策因素。相對獨立的GI單元與城市行政管理邊界往往存在矛盾，尤其是在宏觀尺度上，GI一般表現為跨行政區域的綠地空間組成的生態網絡。但是地方政府的管理范圍是有局限的，這就會影響區域GI的完整性與連續性，從而影響水文調節服務的發揮。Roy等[42]通過調查研究發現在許多流域內分配水資源管理的責任和權力方面存在問題。Lloyd等[43]調查了專業人士在實施GI的阻礙排序，結果顯示，缺乏有效的監管和經營環境占76%，機構職責分散占67%。

政策法規既對GI實施方案的選擇與過程進行約束，又為GI順利實施提供保障，并鼓勵GI的實施，驅動GI更好的發揮水文調節服務。美國、德國和日本是較早頒布相關法規的國家，為了增加雨水管理措施的使用，繼美國開始實施《清潔水法》（Clean Water Act，1948年制定，1972年正式頒布）后，德國的《聯邦水法》（ Federal Water Act，1957年），日本的“雨水貯留滲透計劃”（1980年）相繼面世，它們的實施對水文管理提出了更高的要求，提高了各利益相關方參與水文管理的積極性，同時也加強了社會對水文管理的認識。此外，新加坡于2006年啟動了ABC水計劃，中國提出了“海綿城市”建設指南（表4）。

4 提升GI水文調節服務的啟示

通過深入剖析綠色基礎設施的水文調節服務供給的作用機制、評估方法和影響因素，為在規劃實施管理全過程提升綠色基礎設施的水文調節服務水平提供了全息視角，由此可以得到以下啟示。

1）因地制宜，合理選擇GI。GI的類型與規模、單體或組合等應建立在場地或區域對水文調節服務需求的客觀判斷、結合尺度特征和自然條件的分析，也要考慮經濟投入的可行性。

表4 國內外GI水文調節相關政策法規Tab.4 Domestic and foreign GI hydrological regulation related policies and regulations

2）精準模擬，多方案比選。選擇或建立適宜的GI水文調節效益評估模型，通過參數化調整，實現多情景分析，多方案比選，以提高方案實施的可能性和可靠性。而對既有GI的水文調節水平進行監測，建立數據庫是對模型校正的前提。

3）加強公眾參與，全過程政策保障。通過公眾參與讓公民認識到水文調節服務對生態、人類健康和生活質量的長期影響，將分散式的雨水管理作為自覺的行動。而在GI的規劃設計、施工管理、后期維護全過程中，制定相關政策作為GI發展的指南，保障實施的法規條例、鼓勵機制等是GI發揮其水文調節服務的保障。

注釋：

圖1由作者自繪，表1由作者根據參考文獻[9]整理；表2由作者根據參考文獻[18]整理；表3、4由作者整理。