王曉鋒，劉　紅，袁興中，任海慶，岳俊生，熊　森

1 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400030

2 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶　400030

3 重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400030

4 三峽庫區(qū)澎溪河濕地科學(xué)實(shí)驗(yàn)站，重慶　405400

基于水敏性城市設(shè)計(jì)的城市水環(huán)境污染控制體系研究

王曉鋒1,2,3，劉紅1,3,*，袁興中1,2,3，任海慶1,2,3，岳俊生1,2,3，熊森4

1 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030

2 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030

3 重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院，重慶 400030

4 三峽庫區(qū)澎溪河濕地科學(xué)實(shí)驗(yàn)站，重慶405400

摘要:隨著城市化進(jìn)程加快，自然地表被硬化的不透水地面所替代，城市面源污染加劇，城市水環(huán)境惡化成為限制城市發(fā)展的關(guān)鍵因素。水敏性城市設(shè)計(jì)(Water Sensitive Urban Design, WSUD)提出從城市設(shè)計(jì)和生態(tài)管理角度實(shí)現(xiàn)城市發(fā)展與水環(huán)境保護(hù)的共同目標(biāo)。綜述了WSUD理論內(nèi)涵、設(shè)計(jì)原則、技術(shù)體系以及隱含在其中的生態(tài)學(xué)思想，提出當(dāng)前WSUD理論發(fā)展需要進(jìn)一步完善的技術(shù)體系，整合生態(tài)學(xué)思想以及建立科學(xué)的效益評(píng)估方法，并與傳統(tǒng)生態(tài)智慧關(guān)聯(lián)，為WSUD在我國的發(fā)展和研究提供科學(xué)參考。同時(shí)，基于WSUD技術(shù)及蘊(yùn)含于其中的生態(tài)智慧，針對三峽庫區(qū)城市水環(huán)境特點(diǎn)和城市面源污染特征，兼顧城市景觀優(yōu)化、生物生境再造、生態(tài)服務(wù)功能優(yōu)化與城市建設(shè)協(xié)同發(fā)展，采取生態(tài)緩沖、濕地消納和自然調(diào)控相結(jié)合的綜合防控思路，以水陸界面生態(tài)屏障綜合控制為主線，根據(jù)城市生活區(qū)-休閑娛樂區(qū)-水陸界面緩沖區(qū)3個(gè)空間層次，提出城市污染源頭-濱湖綠帶-生態(tài)護(hù)坡-基塘濕地-自然消落帶多重?cái)r截和消納的城市水環(huán)境污染控制體系，形成三峽庫區(qū)水敏性城市設(shè)計(jì)與建設(shè)的模版和參考，為三峽庫區(qū)城市水體污染控制提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)三峽庫區(qū)水質(zhì)保護(hù)與城市人居環(huán)境協(xié)同發(fā)展。

關(guān)鍵詞：WSUD(水敏性城市設(shè)計(jì)); 生態(tài)思想; 城市水環(huán)境; 控制體系

Construction of the urban water environmental pollution control system based on the ecological ideas of water sensitive urban design

水是城市發(fā)展和人類生存的核心要素。隨著全球城市化進(jìn)程加快，自然水循環(huán)越來越受到人類活動(dòng)的影響[1- 4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2011年底，中國城市水體水質(zhì)大多低于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，三分之一以上城市河段為重度污染，城市水環(huán)境面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[5]。自20世紀(jì)末，政府開始嚴(yán)格控制工業(yè)廢水、生活污水的排放，全國各大中型城市開展了污水處理，然而，近年來，大部分城市水體污染程度不減反增，城市水環(huán)境安全成為限制城市發(fā)展的關(guān)鍵因子[6]。隨著研究和實(shí)踐的深入，人們開始意識(shí)到城市體系逐漸成熟，原本的綠色滲水地面被屋頂、停車場、路面、廣場等不透水地表代替[7]，一方面增加了城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，另一方面，眾多污染物通過雨水徑流進(jìn)入城市水環(huán)境，形成對城市水環(huán)境更具威脅的城市面源污染[8- 9]。城市發(fā)展過程中迫切需求一種協(xié)同發(fā)展的可持續(xù)的水環(huán)境管理體系。

為了應(yīng)對城市化進(jìn)程對水環(huán)境的負(fù)面影響，研究者致力于把城市水環(huán)境問題和城市規(guī)劃設(shè)計(jì)結(jié)合并提出了多種城市水管理策略，如低沖擊開發(fā)模式(Low Impact Development, LID)[10]，可持續(xù)城市排水系統(tǒng)(Sustainable Urban Drainage Systems, SUDS)[11- 12]，低影響城市設(shè)計(jì)與發(fā)展(Low Impact Urban Design and Development, LIUDD)[13]以及水敏性城市設(shè)計(jì)(Water Sensitive Urban Design, WSUD)[14- 15]等。LID、SUDS以及LIUDD均是通過設(shè)計(jì)合理的排水系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)城市化過程中的水環(huán)境影響最小化，而WSUD是基于LID而提出的綜合可持續(xù)城市水生態(tài)管理框架，目的是實(shí)現(xiàn)城市建成形態(tài)與城市水循環(huán)協(xié)同發(fā)展，保護(hù)水生態(tài)資源，同時(shí)提供城市生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)力[16]。面臨氣候變化、城市人口激增、水環(huán)境污染等挑戰(zhàn)，WSUD理論為同時(shí)實(shí)現(xiàn)城市發(fā)展、保護(hù)水源、城市生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、應(yīng)對氣候變化等提供了可能[17]。WSUD理論在澳大利亞、美國、法國、新加坡等國家被視為未來城市發(fā)展與城市水環(huán)境管理的關(guān)鍵理論[16,18- 19]。

WSUD在中國的研究尚處于初級(jí)階段，僅有少數(shù)研究者針對WSUD的基本原則和內(nèi)容[19]、城市設(shè)計(jì)的啟示[19-20]、景觀建筑的借鑒以及外延設(shè)計(jì)[21]進(jìn)行了描述和探索。WSUD理論在中國的實(shí)踐更是少之又少，僅龔清宇等[22]、王鵬等[20]對WSUD在我國的發(fā)展和應(yīng)用的進(jìn)行了探索。然而，這些研究對WSUD的理解仍然處于雨洪管理和水處理的初級(jí)階段，對WSUD理論中更重要的生態(tài)學(xué)思想的認(rèn)識(shí)薄弱成為限制其在我國發(fā)展的重要原因。

當(dāng)今的中國城市發(fā)展速度極快，城市人口壓力劇增，全國城市化面積迅速提高，新興城市和舊城改造隨處可見，尤其在三峽移民工程的帶動(dòng)下，三峽庫區(qū)城市發(fā)展速度遠(yuǎn)超其他地區(qū)，這也為三峽庫區(qū)水環(huán)境安全帶來了極大威脅[23- 24]。如何應(yīng)用生態(tài)學(xué)的方法解決城市化帶來的庫區(qū)水環(huán)境安全問題，已經(jīng)成為當(dāng)前城市規(guī)劃和生態(tài)學(xué)科研究的熱點(diǎn)[25]。為探索WSUD和三峽庫區(qū)城市水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的有機(jī)結(jié)合，本文基于對WSUD技術(shù)及蘊(yùn)含于其中的生態(tài)智慧的探索，旨在推進(jìn)生態(tài)智慧在新時(shí)期城市水污染控制中的應(yīng)用，構(gòu)建基于WSUD生態(tài)學(xué)思想的城市水污染控制體系模版和參考，以期為WSUD在我國的發(fā)展與研究提供科學(xué)參考與依據(jù)，從而有效促進(jìn)庫區(qū)水體與城市人居環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

1水敏性城市設(shè)計(jì)(WSUD)介紹

水敏性城市設(shè)計(jì)(WSUD)的定義不斷發(fā)展，但仍沒有統(tǒng)一的定義[26- 27]。根據(jù)NWC的定義，WSUD指綜合了城市設(shè)計(jì)和城市水環(huán)境的管理、保護(hù)和保持，旨在控制城市發(fā)展過程中對城市內(nèi)及周邊水文環(huán)境的影響[28]，以確保城市發(fā)展對自然水文和生態(tài)過程的敏感性[29]。關(guān)于WSUD的研究主要集中在理論內(nèi)涵[16- 19,29]、基本原則[30]、目前通用的技術(shù)體系[16,30- 31]以及案例分析[32- 33]，個(gè)別研究者基于生物多樣性調(diào)查對WSUD的生態(tài)學(xué)意義[15]進(jìn)行了分析。

1.1WSUD理論內(nèi)涵

WSUD的根本出發(fā)點(diǎn)是生態(tài)可持續(xù)發(fā)展(Ecologically Sustainable Development, ESD)[16]，根本要素是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和城市水環(huán)境可持續(xù)管理[34]，其根本目的是保護(hù)水源，同時(shí)提供城市生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)力，最終實(shí)現(xiàn)城市建設(shè)形態(tài)和城市水循環(huán)的協(xié)同發(fā)展[35]。WSUD的過程就是將水環(huán)境可持續(xù)管理、城市規(guī)劃、景觀設(shè)計(jì)與生態(tài)恢復(fù)相結(jié)合，通過整合資源和學(xué)科交叉，平衡城市發(fā)展與城市水循環(huán)，提升城市環(huán)境質(zhì)量和宜居性(圖1)。

圖1　WSUD 理論內(nèi)涵(a)與基本原則(b)Fig.1　The theoretical connotation (a) and Key principles (b) of water-sensitive urban design

在工業(yè)廢水與生活污水得到有效處理的前提下，傳統(tǒng)的城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)中更注重高效率的排水系統(tǒng)以快速收集并排出雨水徑流[36]。與傳統(tǒng)水處理方式不同，WSUD理論強(qiáng)調(diào)，作為一個(gè)完善的城市水環(huán)境管理模式，雨水徑流必須被納入到城市設(shè)計(jì)和規(guī)劃中[16]，同時(shí)，WSUD理論將雨水作為一種重要資源，通過雨水收集利用等技術(shù)來減少城市地表徑流、處理徑流污染、回收利用雨水、增加雨水的下滲和蒸發(fā)，進(jìn)而恢復(fù)城市的自然水循環(huán)過程。WSUD理論提出從源頭和過程上處理城市雨水，減少雨水徑流和污染負(fù)荷是城市水環(huán)境可持續(xù)管理的重要目的之一[37]。

Lloyd認(rèn)為WSUD是旨在把城市發(fā)展對周邊環(huán)境的水文影響減到最小的城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)的新哲學(xué)和新途徑[38]。澳大利亞國家水工程委員會(huì)提出：WSUD是一種規(guī)劃和設(shè)計(jì)的哲學(xué)，旨在克服傳統(tǒng)發(fā)展中的一些不足，從城市戰(zhàn)略規(guī)劃到設(shè)計(jì)和建設(shè)的各個(gè)階段，它將整體水文循環(huán)與城市發(fā)展和再開發(fā)相結(jié)合。WSUD結(jié)合了工程和非工程措施，并且能夠影響開發(fā)過程中居民的用水行為。

WSUD對城市面源污染防控的設(shè)計(jì)結(jié)合土地利用控制、源頭控制、徑流控制、排放控制等綜合方案，從雨水收集、徑流過程到最終進(jìn)入受納水體，總體控制和削減污染物含量，同時(shí)發(fā)揮景觀、美學(xué)、娛樂、休閑等潛在價(jià)值。WSUD既是一種水域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)策略，也是一種維持城市長期供水的有效途徑。

1.2WSUD技術(shù)體系

WSUD技術(shù)就是把城市雨洪管理技術(shù)合理的融入城市開發(fā)項(xiàng)目，鑲嵌在未來的城市建成形態(tài)中[39- 40]。WSUD技術(shù)可以按照應(yīng)用尺度和功能分類。WSUD技術(shù)按尺度分類是基于WSUD的設(shè)計(jì)空間大小，從地塊尺度到流域尺度進(jìn)行的分類體系，基本可分為單個(gè)住戶-建筑-小區(qū)-區(qū)域-市-省(-流域)等多個(gè)等級(jí)，設(shè)計(jì)過程遵循從大到小，從面到點(diǎn)的原則[30,41]。功能分類可以將WSUD技術(shù)分為水平衡技術(shù)、水質(zhì)凈化技術(shù)以及節(jié)水技術(shù)[31,42]：水平衡技術(shù)主要通過提高城市滲透地面，攔蓄雨水等達(dá)到地下水補(bǔ)給、減少徑流侵蝕等目的，最終實(shí)現(xiàn)城市水平衡控制；水源保護(hù)技術(shù)主要利用生物吸收、物理沉淀、化學(xué)分解實(shí)現(xiàn)雨水污染負(fù)荷削減、保護(hù)城市地表水質(zhì)的目的；節(jié)水技術(shù)則主要是通過節(jié)水園藝、雨水再利用、科學(xué)管理等以減少城市耗水和增加城市水的自給，通過自然的方法減少城市耗水量是WSUD節(jié)水技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容。Edmiston利用本地和外來耐旱物種設(shè)計(jì)的低水花園(Low Water Gardens)為節(jié)水園藝開創(chuàng)了先河，并強(qiáng)調(diào)植物篩選是節(jié)水園藝的核心[43]。Hitchmough等[44]進(jìn)一步基于耐旱植物的篩選提出了城市混播花甸設(shè)計(jì)技術(shù)，其強(qiáng)調(diào)本地物種的重要性。也有研究者根據(jù)公眾需求對WSUD進(jìn)行技術(shù)分類[45- 47]，主要分為雨洪管理技術(shù)、景觀優(yōu)化技術(shù)、場所營造技術(shù)、生物生境再造技術(shù)、生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)、水質(zhì)凈化技術(shù)以及綜合多功能技術(shù)，但基于當(dāng)前WSUD目標(biāo)多元化的發(fā)展趨勢，這類針對單一需求的技術(shù)分類并不利于WSUD的發(fā)展。

WSUD技術(shù)研究較多[10- 15,49- 50,68]，其中大部分技術(shù)已經(jīng)被很多城市建設(shè)所采納。然而，目前WSUD技術(shù)主要還是側(cè)重于雨洪控制能力的預(yù)測和污染控制效益，而忽略了其在城市水循環(huán)過程和城市宜居性能的潛在作用，WSUD技術(shù)對城市地下水補(bǔ)和人類感知因素[69]的定量化研究尚屬空白。WSUD技術(shù)體系的構(gòu)建尚不完善，尤其缺乏統(tǒng)一的技術(shù)分類和科學(xué)的技術(shù)評(píng)估研究，因此未來WSUD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和體系構(gòu)建是亟待解決和研究的重要內(nèi)容。

2水敏性城市設(shè)計(jì)(WSUD)的生態(tài)學(xué)思想

面對城市化加快、氣候變化、極端天氣以及水環(huán)境污染問題，國際水環(huán)境協(xié)會(huì)(International Water Association)在全球范圍內(nèi)提出“未來城市(Cities of The Future)”計(jì)劃，為全球城市發(fā)展提出了新的價(jià)值觀體系[70]，同時(shí)為WSUD的發(fā)展提供了良好契機(jī)[17]，未來WSUD設(shè)計(jì)更加注重利用生態(tài)思想進(jìn)行城市設(shè)計(jì)和水資源可持續(xù)管理。WSUD遵循的生態(tài)學(xué)思想包括：萬物一體、師法自然、自然設(shè)計(jì)、生態(tài)系統(tǒng)緩沖及恢復(fù)思想、“源”“匯”景觀思想以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能理論等。

2.1萬物一體

“萬物一體”的經(jīng)典哲學(xué)思想歷史悠久，其與近代生態(tài)系統(tǒng)論不謀而合?！肚f子·齊物論》[71]提出“天地與我并生，萬物與我為一”，程顥[72]的“仁者以天地萬物為一體” 等都是我國古人對萬物一體哲學(xué)思想的闡述和發(fā)展，這一思想發(fā)展到今天，強(qiáng)調(diào)人與自然、人與環(huán)境同為一體，協(xié)同共生。城市可持續(xù)設(shè)計(jì)理念認(rèn)為人類文明是整體自然資源的一部分，地球上所有生命形式都依賴于這些自然資源[73]。WSUD的基本理念正是基于萬物一體思想，從生態(tài)系統(tǒng)的角度看待城市發(fā)展，并將城市及其空間作為自然環(huán)境的一部分，因此WSUD更重視城市發(fā)展與城市水生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同共生，重建城市生態(tài)系統(tǒng)相容性，連接城市建成形態(tài)及包含于其中的物質(zhì)流、能量流、物種流，以跨越城市、產(chǎn)業(yè)及自然系統(tǒng)的邊界[74]。

2.2師法自然

師法自然就是從大自然中獲取靈感，遵循大自然規(guī)律。師法自然思想源自春秋時(shí)期道家思想中的“道法自然”[75]，是當(dāng)今生態(tài)學(xué)發(fā)展與應(yīng)用的重要智慧。Peng[76]認(rèn)為都江堰灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是對道法自然思想的應(yīng)用，Xiang[77]認(rèn)同在可持續(xù)城市景觀設(shè)計(jì)中道法自然思想的運(yùn)用，認(rèn)為這是一種生態(tài)智慧。WSUD是基于生態(tài)工程的新型城市設(shè)計(jì)思路，必須從自然界獲取靈感和智慧。Richard和Nanco[17,33]等對荷蘭和英國的WSUD評(píng)論中就強(qiáng)調(diào)要遵循自然規(guī)律，從自然界中獲取更適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈感，例如河流生境中的淺灘、深潭交替格局[78]或者河岸巖石腔穴系統(tǒng)[79]都能夠?yàn)槌鞘杏旰楣芾砗退|(zhì)凈化提供新的思路。

2.3自然設(shè)計(jì)

自然設(shè)計(jì)思想由McHarg于1969年提出，其著作《Design with Nature》對城市規(guī)劃、景觀設(shè)計(jì)、生態(tài)工程等學(xué)科發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義[80]。自然設(shè)計(jì)的核心是把生態(tài)系統(tǒng)演化過程帶入到工程設(shè)計(jì)中，讓自然做功，通過自然之力最低成本實(shí)現(xiàn)破壞生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)[81]。WSUD最低成本獲取最大效益原則就是最大程度利用自然過程提供的潛力，實(shí)現(xiàn)人與自然的協(xié)同共生。例如用生物溝代替城市硬化溝渠就是自然設(shè)計(jì)，經(jīng)過長期的演化，生物溝內(nèi)的生產(chǎn)者、消費(fèi)者、分解者共存，實(shí)現(xiàn)高效緩沖和凈化水質(zhì)的目標(biāo)。

2.4生態(tài)系統(tǒng)思想

生態(tài)系統(tǒng)思想強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能的完整性。生態(tài)系統(tǒng)是具有生命的系統(tǒng)，完整的生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)能力，而非完整的生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)功能差，對環(huán)境變化敏感，甚至可能迅速崩潰。生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)完整性的決定因子，生境異質(zhì)性是生物多樣性的存在基礎(chǔ)[82]，生物多樣性決定生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。WSUD強(qiáng)調(diào)城市和水環(huán)境系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)基于生物多樣性和生境異質(zhì)性的城市水生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。WSUD的最終目的是建立和恢復(fù)完整的城市水生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)而依賴系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境可持續(xù)管理[29]。

2.5“源”“匯”景觀思想

基于大氣污染中的“源”“匯”理論，陳利頂、傅伯杰等[83]提出了“源”“匯”景觀理論，將景觀生態(tài)學(xué)中格局-過程有機(jī)結(jié)合，其將異質(zhì)景觀分為“源”“匯”兩種類型，“源”景觀促進(jìn)過程發(fā)展，“匯”景觀阻止或延緩過程發(fā)展。陳利頂?shù)萚83]進(jìn)一步提出“源”“匯”景觀理論可應(yīng)用于面源污染、生物多樣性保護(hù)、城市熱島效應(yīng)等不同領(lǐng)域。根據(jù)“源”“匯”景觀理論，不同城市景觀類型可以被看作不同的“源”“匯”景觀，WSUD正是通過對城市生態(tài)規(guī)劃中 “源”“匯”景觀的空間格局的合理設(shè)計(jì)，進(jìn)而對城市面源污染物質(zhì)在異質(zhì)景觀中重新分配，達(dá)到控制城市面源污染的目的。同時(shí)WSUD理論針對生物多樣性創(chuàng)造目標(biāo)物種的“源”景觀，即物種棲息斑塊，減少目標(biāo)物種“匯”景觀，即人類或者天敵占據(jù)的斑塊，進(jìn)而針對城市生物多樣性保護(hù)提出更優(yōu)的城市規(guī)劃?！霸础薄皡R”景觀思想指導(dǎo)WSUD通過探究不同景觀類型在空間上的動(dòng)態(tài)平衡對生態(tài)過程影響，尋找到適合一個(gè)地區(qū)的景觀空間格局，推動(dòng)WSUD中景觀格局和生態(tài)過程的深入研究。

2.6生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能理論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件和效用，其維持和提供需要三大要素：生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)過程、生境[84]。生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整性是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能得以維持的基礎(chǔ)，生態(tài)系統(tǒng)過程是生態(tài)系統(tǒng)功能形成的動(dòng)力，生境異質(zhì)性是生物多樣性的基礎(chǔ)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能理論促使WSUD從單一功能向多功能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，WSUD理論實(shí)踐中開始更全面的考慮生態(tài)系統(tǒng)的供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)和支持服務(wù)，使WSUD設(shè)計(jì)目標(biāo)和對象更加明確。呂一河等[85]將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多樣性與景觀多功能性相結(jié)合，提出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多樣性對城市景觀設(shè)計(jì)的指導(dǎo)性和二者的同源性，因此，未來WSUD理論的拓展更需要與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論結(jié)合，實(shí)現(xiàn)WSUD的科學(xué)管理和價(jià)值評(píng)估。

此外，我國生態(tài)學(xué)家馬世駿提出了城市復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的理論[86]和日本學(xué)者岸根卓郎提出的城鄉(xiāng)融合設(shè)計(jì)[87]也是WSUD所遵循的重要生態(tài)學(xué)思想。前者認(rèn)為城市生態(tài)系統(tǒng)可分為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、自然三個(gè)亞系統(tǒng)，各個(gè)亞系統(tǒng)又可分為不同層次的子系統(tǒng)，彼此互為環(huán)境；后者的基本思想是創(chuàng)造自然與人類的信息交換場，創(chuàng)建“同自然交融的社會(huì)”。兩者對WSUD在不同形態(tài)和發(fā)展階段的城市規(guī)劃中的應(yīng)用具有重要引導(dǎo)價(jià)值。目前，關(guān)于WSUD生態(tài)學(xué)思想的總結(jié)相對較少，未來關(guān)于WSUD生態(tài)思想的演化和發(fā)展需要提出更完整的體系，以促進(jìn)WSUD的推廣和發(fā)展。

3城市水環(huán)境污染控制體系

WSUD是以更謙遜和綜合的方式來處理城市發(fā)展、水和人類生活之間關(guān)系的規(guī)劃和設(shè)計(jì)新理念。它將城市整體水文循環(huán)和城市的發(fā)展和建設(shè)過程相結(jié)合(包括從戰(zhàn)略規(guī)劃到設(shè)計(jì)、建設(shè)和維護(hù)的各個(gè)階段)，旨在將城市發(fā)展對水環(huán)境影響降低到最小。面對目前水環(huán)境問題凸顯的三峽庫區(qū)城市，WSUD提供了先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)方法。本文下面針對三峽庫區(qū)城市水環(huán)境特點(diǎn)，探索該特殊區(qū)域城市水環(huán)境污染控制體系。

3.1三峽庫區(qū)城市水環(huán)境污染發(fā)生特征

在三峽移民工程的刺激下，三峽庫區(qū)城市沿河流成觸角狀快速擴(kuò)展[88]。一方面，水環(huán)境面臨城市面源污染考驗(yàn)(圖2)，城市面源污染具有時(shí)空分布離散性、污染途徑隨機(jī)多樣性、污染成分的復(fù)雜多變性、污染源和污染成分監(jiān)控困難性、污染影響滯后性等突出特點(diǎn)[89- 91]，為城市水環(huán)境污染防控研究提出了巨大挑戰(zhàn)[92]；另一方面，三峽庫區(qū)城市內(nèi)水域具有一條水位落差30m的消落帶，夏季出露，植物生長，攔截并吸收大量營養(yǎng)和污染物，是城市面源污染的“匯”，而冬季淹沒，夏季植物死亡分解，營養(yǎng)與污染物釋放，成為污染“源”，研究表明這種季節(jié)性水淹是整個(gè)庫區(qū)水質(zhì)惡化的重要因素[93- 95]；此外，城市內(nèi)的消落帶退水初期景觀質(zhì)量極差，長期厭氧環(huán)境產(chǎn)生大量CH4、N2O等溫室氣體[96]以及NH3和H2S等臭氣，導(dǎo)致城市人居環(huán)境質(zhì)量變差。因此，三峽庫區(qū)城市建設(shè)迫切需求尊重自然規(guī)律，學(xué)習(xí)前人生態(tài)智慧，為城市水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展開辟新思路。

圖2　城市面源污染發(fā)生過程示意圖Fig.2　Forming process of urban non-point pollution

3.2構(gòu)建思路與技術(shù)路線

基于WSUD生態(tài)學(xué)思想，整個(gè)城市水環(huán)境污染控制體系構(gòu)建目標(biāo)是提高城市生境異質(zhì)性，進(jìn)而達(dá)到提高城市生物多樣性和恢復(fù)城市生態(tài)系統(tǒng)生命力的根本目的，提高城市生態(tài)系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)能力和水循環(huán)過程?；赪SUD生態(tài)思想和三峽庫區(qū)城市形態(tài)特征，提出城市水環(huán)境污染控制體系構(gòu)建技術(shù)路線(圖3)。將水環(huán)境污染過程分為源頭、過程和庫3個(gè)部分，進(jìn)而以城市水體為中心，反向推演將城市分為受納水體區(qū)、水路界面緩沖區(qū)、休閑娛樂區(qū)、城市生活區(qū)，其中城市生活區(qū)是污染源，休閑娛樂區(qū)是城市宜居性的保障，水陸界面緩沖區(qū)是污染物進(jìn)入受納水體的最后一道屏障，受納水體既是污染物的庫，也是重要的污染消納體。體系構(gòu)建兼顧雨洪管理、景觀優(yōu)化、休閑娛樂場所營造、生物生境再造、生態(tài)環(huán)境優(yōu)化與城市建設(shè)協(xié)同發(fā)展，采取生態(tài)緩沖、濕地消納和自然調(diào)控相結(jié)合的綜合防控思路，以水陸界面生態(tài)屏障綜合控制為主線，根據(jù)城市生活區(qū)-休閑娛樂區(qū)-水陸界面緩沖區(qū)3個(gè)空間層次，提出城市污染源頭-公共開放場所(濱湖綠帶)-生態(tài)護(hù)坡-基塘濕地-自然河岸帶多重?cái)r截和消納城市面源污染技術(shù)框架。

圖3　城市水環(huán)境污染控制體系構(gòu)建技術(shù)路線Fig.3　Technology roadmap for construction of the urban water pollution prevention

3.3構(gòu)建內(nèi)容

3.3.1城市污染源頭控制體系構(gòu)建

城市降雨徑流具有顯著的初期沖刷效應(yīng)(First Flush，F(xiàn)F)，即在降雨徑流的初期階段，地表徑流攜帶大量污染物[97- 98]，導(dǎo)致徑流初期產(chǎn)生一個(gè)較高的污染物濃度峰值。因此，城市降雨徑流的源頭控制體系尤為重要。

城市徑流污染源頭包括道路、停車場、建筑等不透水面[99]和陡坡綠地等部分透水面。源頭控制體系構(gòu)建主要是在各污染源發(fā)生地采取措施將降低徑流同時(shí)攔截和削減污染物，避免污染物通過雨水徑流傳輸。建筑物源控制技術(shù)主要包括綠色屋頂(Green roof)、生態(tài)墻(Ecological Wall)、雨水花園等。綠色屋頂對暴雨徑流中N、P營養(yǎng)物和Cd、Cu、Mn等金屬元素含量具有顯著的削減作用[7,100]，能夠有效減小徑流峰值；生態(tài)墻可以提供生物生境，并且減少雨水直接沖刷墻體增加污染負(fù)荷和緩沖徑流，對雨污控制和城市生物多樣性恢復(fù)具有重要價(jià)值[101]；雨水花園是建筑物源的最后一道屏障，具有較好的污染消納能力[102- 103]，同時(shí)具有美化景觀和提高城市生物多樣性的價(jià)值。陡坡綠地雖然具有透水性，但當(dāng)降雨量大或持續(xù)時(shí)間長，仍然會(huì)形成地表徑流。在不破壞現(xiàn)有自然資源和景觀的基礎(chǔ)上，可以在坡面綠地設(shè)置適當(dāng)大小和深度的干-濕洼地(Swale)[104]，洼地內(nèi)種植既能耐水淹又能耐干旱的植物，同時(shí)保留少量明水面提供水生昆蟲生境，不同干濕洼地之間通過生物溝串聯(lián)，在陡坡綠地上形成徑流-儲(chǔ)水-滲濾網(wǎng)絡(luò)。

經(jīng)過綠色屋頂、生態(tài)墻、雨水花園、干-濕洼地等初步過濾、滲透、凈化后的雨水是重要的資源。結(jié)合WSUD理論中城市雨水資源利用的新理念[17](圖4)，將這部分雨水引入生態(tài)儲(chǔ)留池(Bioretention)[16]、濕地、污水處理廠等，出水可用于灌溉、景觀水體、洗衣、沖廁等，進(jìn)而構(gòu)建雨水利用的“閉合循環(huán)(close-the-loop)”，改善城市水循環(huán)過程，有效控制污染物直接進(jìn)入城市水體。本文認(rèn)為，未來城市水環(huán)境污染控制體系構(gòu)建必須與城市水資源利用相結(jié)合，從生態(tài)思想和生態(tài)恢復(fù)的角度，結(jié)合城市設(shè)計(jì)和管理，建立城市-水-人協(xié)同發(fā)展的城市水循環(huán)體系。

圖4　傳統(tǒng)城市水資源利用(實(shí)線)和WSUD水資源利用新理念(虛線)Fig.4　The conventional (solid lines) and the added components of direct use and reuse of water in WSUD (dashed lines)

圖5　城市水體污染防控多帶多功能緩沖體系Fig.5　The multi-stripe and multi-function buffer system for urban water pollution prevention

3.3.2過程控制體系構(gòu)建

過程控制(Process Control)是WSUD理論的重要內(nèi)容[16]。城市面源污染的復(fù)雜性和分散性決定了其無法通過傳統(tǒng)點(diǎn)源污染方法和思路得以有效控制，必須將整個(gè)城市面源污染作為一個(gè)系統(tǒng)，而其最終對城市水體造成污染必須經(jīng)歷多過程實(shí)現(xiàn)。由此基于WSUD和生態(tài)學(xué)中的過程價(jià)值(Processes as Values)[80]，本文以城市水體為中心，構(gòu)建自然消落帶、景觀基塘濕地帶、生態(tài)護(hù)坡帶、休閑娛樂帶以及城市居民帶，城市居民帶屬于源頭控制范疇，其余4帶根據(jù)各自特點(diǎn)針對性實(shí)施功能設(shè)計(jì)(圖5)。

(1)休閑娛樂帶(濱湖綠帶)

以綠帶形式(Green Way)存在的沿湖休閑娛樂帶是城市宜居性的重要保障。該區(qū)域因其硬化地面面積小，生物多樣性遠(yuǎn)高于城市其他功能區(qū)，且整個(gè)濱湖/河公園沿湖而建，形成一道污染攔截的重要屏障，這一功能往往被研究者忽視。本研究將城市濱湖/河公園納入城市面源污染控制體系，作為水敏性城市設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

基于WSUD的生態(tài)學(xué)思想，濱湖/河綠帶設(shè)計(jì)中增設(shè)生態(tài)步道 (Ecological Trails)[105]，減少硬化鋪裝，提高滲濾效率，設(shè)計(jì)植物籬、生物溝、生物洼地、樹池洼地等WSUD結(jié)構(gòu)提高城市面源污染控制效率，同時(shí)結(jié)合生物塔技術(shù)營造生境異質(zhì)性，提高城市生物多樣性。濱湖綠帶的公共空間設(shè)立景觀型雨水儲(chǔ)留池和微型雨水人工濕地，充分利用雨水資源，發(fā)揮灌溉、景觀、娛樂功能。通過合理的設(shè)計(jì)和管理，充分發(fā)揮濱湖綠帶在降低徑流峰值、補(bǔ)給地下水、恢復(fù)城市生境、調(diào)節(jié)小氣候、緩解城市熱島效應(yīng)等功能[106]。

(2)生態(tài)護(hù)坡帶

生態(tài)護(hù)坡是一種基于低沖擊開發(fā)模式(LID)的城鎮(zhèn)河道建設(shè)方案，是恢復(fù)城鎮(zhèn)河岸生態(tài)系統(tǒng)、控制地表徑流污染、保持河岸水土兼顧河岸開發(fā)的重要策略[107]，也是城市面源污染控制的關(guān)鍵技術(shù)[108]。目前，生態(tài)護(hù)坡理論和技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而植物篩選和配置是生態(tài)護(hù)坡需要解決的關(guān)鍵問題[109]。兼顧景觀美化和節(jié)水需求，生態(tài)護(hù)坡地被植物可種植耐受性強(qiáng)的野花，形成野花草甸，提高景觀效益。此外生態(tài)護(hù)坡對城市生物多樣性恢復(fù)具有重要貢獻(xiàn)，陳小華等[110]研究表明，不同類型生態(tài)護(hù)坡下植物、動(dòng)物多樣性均明顯提升，河岸生態(tài)系統(tǒng)完整性、穩(wěn)定性以緩沖性都得到有效恢復(fù)。

(3)基塘濕地帶

基塘濕地帶的構(gòu)建旨在恢復(fù)河岸帶水塘生境，其可以與自然水體通過洪水脈沖或人工因素(筑壩調(diào)水)進(jìn)行水文交換，具有重要的削峰、滯洪、緩流和污染物消納功能。本課題組在充分利用消落帶土地資源和地形特色，在開縣澎溪河進(jìn)行了消落帶基塘生態(tài)工程試驗(yàn)示范，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、生物多樣性恢復(fù)以及景觀效益[111]，為消落帶生態(tài)友好型利用提供了思路。之后其將消落帶基塘模式推廣至城鎮(zhèn)，在開縣漢豐湖開創(chuàng)性提出了景觀基塘模式(Landscape Dike-Pond Model)[112- 113]，即在172—175m地勢相對平坦的湖岸帶，挖泥成塘，堆泥成基，形成一系列大小不同、形狀各異的湖岸水塘，構(gòu)成濱湖基塘系統(tǒng)[113]。這些塘系統(tǒng)相互串聯(lián)，冬季淹沒于水下，夏季依靠雨水管網(wǎng)和部分處理后的生活污水維持水環(huán)境。Li等[111- 112]經(jīng)過多年試驗(yàn)篩選出太空飛天(荷花)、鳶尾、香蒲、菖蒲、美人蕉等10多種耐水淹且耐旱的植物種類，這些植物均為近自然管理，維護(hù)成本低廉，其生長季節(jié)能夠創(chuàng)造美麗田園風(fēng)光，同時(shí)凈化水質(zhì)和提供生境，是WSUD設(shè)計(jì)城鄉(xiāng)一體化思想和“源-匯”景觀思想的重要體現(xiàn)。通過合理配置和設(shè)計(jì)，城市景觀基塘模式在解決城市消落帶環(huán)境問題方面發(fā)揮了重要作用，是三峽庫區(qū)城市水環(huán)境管理的創(chuàng)新模式。

(4)自然消落帶(植被恢復(fù)帶)

這里的自然消落帶植被恢復(fù)帶是指低水位期間，介于景觀基塘系統(tǒng)與低水位水面之間的自然消落帶部分，是城市面源污染物進(jìn)入城市水體的最后一道生態(tài)屏障防線，也是城市生態(tài)環(huán)境中的原生植被區(qū)域，具有重要的生物生境功能，所以自然消落帶設(shè)計(jì)的根本原則就是保持原貌和自然恢復(fù)。對于自然消落帶的科學(xué)管理和合理恢復(fù)能夠進(jìn)一步發(fā)揮其生態(tài)屏障功能。目前對自然消落帶的恢復(fù)研究主要側(cè)重于耐水淹植物的篩選和耐淹機(jī)理研究[114- 115]，同時(shí)也有部分研究者建議將植物籬技術(shù)、奢侈吸收N、P植物選育技術(shù)引入消落帶管理[116]。本課題組也長期針對三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)恢復(fù)進(jìn)行耐淹喬木、灌木及草本植物的篩選和配置，并實(shí)施了消落帶林澤工程示范區(qū)，取得了顯著效果，但這一工作在城市內(nèi)消落帶的實(shí)施仍存在不小挑戰(zhàn)。目前三峽庫區(qū)城市水體自然消落帶恢復(fù)遵守自然選擇原則，盡可能避免人為干擾，保持原始自然風(fēng)光，讓整個(gè)城市與自然更加融洽，對三峽庫區(qū)城市發(fā)展具有較好的示范效果。

3.3.3末端控制體系構(gòu)建

末端控制是指經(jīng)過一系列面源污染防控措施后，仍會(huì)殘留一小部分污染物進(jìn)入受納水體，微量污染物積累效應(yīng)對城市內(nèi)湖等非流動(dòng)水體和河流等流動(dòng)水體下游產(chǎn)生負(fù)面影響，因此必須對受納水體的自凈能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，并盡可能提升受納水體自凈能力。末端控制主要是對河流健康恢復(fù)和水環(huán)境治理過程，基本原則包括整體性原則、自恢復(fù)原則、景觀優(yōu)化原則等。水生生態(tài)系統(tǒng)完整性是決定水體環(huán)境承載力的根本因素，利用生態(tài)學(xué)原理對湖、庫、河流等城市水體進(jìn)行設(shè)計(jì)和治理末端控制的主要內(nèi)容。本文提出的末端控制技術(shù)包括生態(tài)浮床[117]，是城市面源污染防控體系的關(guān)鍵技術(shù)，對城市水體凈化和景觀美化具有重要作用。

5結(jié)論與展望

水敏性城市設(shè)計(jì)(WSUD)是城市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要策略，目前已受到全球多領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注[16- 19,28- 32]，其為城市設(shè)計(jì)和水環(huán)境安全的協(xié)同發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)，是未來城市生態(tài)設(shè)計(jì)發(fā)展的重要趨勢。根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，部分研究者已經(jīng)對WSUD理論內(nèi)涵、基本原則等進(jìn)行了總結(jié)，并結(jié)合墨爾本、新加坡等地的設(shè)計(jì)實(shí)踐對WSUD進(jìn)行了效益評(píng)估。但到目前為止，對WSUD技術(shù)體系的整理和生態(tài)學(xué)思想的總結(jié)以及其效益評(píng)估體系的建立等尚未見報(bào)道，尤其在未來城市發(fā)展越來越重視生態(tài)智慧運(yùn)用的背景下[66]，生態(tài)智慧對WSUD的發(fā)展具有重要的啟示意義。因此，對上述相關(guān)內(nèi)容的完善和整理是未來WSUD研究的重點(diǎn)。而我國對WSUD理論的認(rèn)識(shí)尚處于初級(jí)階段，對WSUD理論內(nèi)涵的理解尚不成熟，這也影響了WSUD在我國的實(shí)踐和推廣，本文對WSUD理論內(nèi)涵的整理和補(bǔ)充可以為WSUD在我國的發(fā)展起到積極作用。

基于WSUD生態(tài)學(xué)思想，本文提出了以三峽庫區(qū)城市水體為中心，向外依次構(gòu)建多帶多功能面源污染防控體系，從城市居民區(qū)的建筑、道路、停車場等不透水面的源頭控制體系，到以濱湖公園帶-生態(tài)護(hù)坡帶-景觀基塘濕地帶-自然消落帶植被恢復(fù)帶的過程控制體系構(gòu)建，均是對WSUD理論的深化和拓展，源頭控制和過程控制對WSUD技術(shù)的科學(xué)使用是體系功能多樣性的重要保障。本文針對三峽庫區(qū)城市水環(huán)境保護(hù)提出了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)模式，同時(shí)也為三峽庫區(qū)城市水環(huán)境保護(hù)提供了示范和參考。本文提出的城市水污染控制體系構(gòu)建的核心內(nèi)容是對WSDU生態(tài)學(xué)智慧的理解和對WSUD技術(shù)的運(yùn)用，結(jié)合WSUD水資源管理理念，形成城市與自然協(xié)同發(fā)展途徑的模版和參考，對WSUD在我國城市水環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用具有啟發(fā)和引導(dǎo)意義。

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WANG Xiaofeng1,2,3, LIU Hong1,3,*, YUAN Xingzhong1,2,3, REN Haiqing1,2,3, YUE Junsheng1,2,3, XIONG Sen4

1KeyLaboratoryfortheExploitationofSouthwesternResourcesandtheEnvironmentalDisasterControlEngineering,MinistryofEducation,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China

2KeyLaboratoryofThreeGorgesReservoirRegion′sEco-Environment,MinistryofEducation,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China

3CollegeofResourceandEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China

4PengxiRiverWetlandScientificStationintheThreeGorgesReservoir,Chongqing405400,China

Abstract：For the first time in history, the majority of the world′s population is located in urban areas. This milestone marks a critical turning point that will dramatically affect land and water environments. Increasingly, our cities need to be designed for adaptability and resilience to the impacts of population growth, urban densification, and increase in impervious areas, on the urban water environment. The water sensitive urban design (WSUD) has evolved from its early association with stormwater management to provide a broader framework for sustainable design and urban water management. It provides a common and unified method for integrating the interactions between the urban built form and the urban water cycle environment. This paper presents an overview of theory meaning, key principles, and technical architecture of WSUD, and at the same time, ecological ideas of WSUD has been summarized combined with the traditional ecological wisdom, which comprises the “all things together” theory, the idea of “daofaziran”(following nature′s lead), “design with nature”, and the idea of “ecological systems”. WSUD technologies include green roofs, rain gardens, bioswales, soakaways, wet basins, dry basins, etc. However, to date, few studies have been conducted on the classification of all of the current technologies. In this paper, the WSUD technologies are categorized into three types according to the functions of different technologies: Water Balance, Water Quality, and Water Conservation. For the development of the WSUD worldwide, especially in China, which faces a more serious challenge because of rapid urbanization, further studies on creating technical architecture and summarizing ecological ideas are required. Kaixian Country located in the Three Gorges Reservoir area has become a representative water-sensitive urban area because of the water level control, splitting urbanization speed, and accompanying potential water environment crisis. In order to explore an fitting ecological restoration model to overcome the contradiction between high-speed urbanization and water environment security, this paper employs Kaixian as the example to design the urban water environmental pollution control system, based on the understanding of the ecological ideas of WSUD and the application of the WSUD technology. The whole design was divided into three parts: source control, process control, and receiving water control. The source control mainly used the green roof-ecological wall-rain garden system to decrease the source of pollutants; the process control was divided into four belts: recreation belt, ecological slope belt, landscape dick-pond belt, and natural drawdown belt, different WSUD strategies were implemented for every belt and some possible solutions were proposed for the contaminated urban water bodies. This design includes multi-stripe and multi-function modes that consider not only the physical elements of a place that provide the functional value, but also those elements that create a congenial atmosphere by enhancing the ‘sense of place’ (psychological value). The “multi-tape mode” will provide a good example of controlling water pollution for other urban areas located in the TGR region.

Key Words:water sensitive urban design; ecological ideas; urban water environment; pollution control system

DOI:10.5846/stxb201408311727

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hliu63@sina.com

收稿日期:2014- 08- 31;

修訂日期:2015- 07- 27

基金項(xiàng)目:國家科技重大專項(xiàng)(2013ZX07104-004-05)；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51278505)

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