李弘 王彬酈 孟格蕾 向亞玲

摘要：人類面臨的水問題，體現(xiàn)為水的質、量和時機問題。流域自然水循環(huán)的擾亂和破壞，是城市造成城市內澇的根源。伴隨城市化過程的綠色空間壓縮、不透水面積增加、社會水循環(huán)影響增加等，最終都通過對自然水循環(huán)的擾動，產生同時存在的水資源短缺與洪澇及水源污染等問題。擯棄單純憑借灰色基礎設施的抵御、抗擊思維，運用生態(tài)智慧，建設綠色基礎設施，恢復和增加城市流域內的綠色空間，以實現(xiàn)水的分散積存、自然滲透、自然蒸發(fā)、自然凈化、恢復水的自然循環(huán)過程為目的和方式的城市生態(tài)修復，是基于自然的城市洪澇問題解決方案。將生態(tài)智慧融入城市設計與規(guī)劃，生態(tài)修復成為城市規(guī)劃與建設的日常，是解決洪澇問題的長久之路。

關鍵詞：城市水循環(huán);城市化;洪澇;生態(tài)修復

一、前言

人類賴以生存的水資源保障，來自水的自然循環(huán)。人類選擇依水而居，城市因水而興。城市化與氣候變化以一種難以置信、不易察覺的方式，改變了自然水循環(huán)，引發(fā)了以內澇、洪災、污染為主的一系列城市水問題，也改變了城市與自然的關系。自從有了城市，人類就開始了治水的歷史。長期以來，城市治水更多地體現(xiàn)為河流的治理。由于歷史原因，我國水系統(tǒng)多頭管理、九龍治水的局面至今未有明顯改觀。由于缺乏系統(tǒng)的基于水文循環(huán)、空間管理的理論和行動框架，生態(tài)修復概念的模式化、修復目標的靜態(tài)化、泛化與實踐中生態(tài)修復工作局部化、碎片化，導致無論是指導思想還是現(xiàn)實行為中，城市防洪澇與生態(tài)修復的目標、方式未能統(tǒng)一。防洪與生態(tài)修復之間隱性而必然的內在聯(lián)系未能充分得到各方的共識。本文梳理了近年來城市洪澇問題的根源及應對策略的最新研究和實踐，指出城市水問題的根源是流域土地利用與覆蓋變化（LULC）引起的水循環(huán)改變。作為解決城市洪澇問題的新途徑，促進恢復自然水循環(huán)、提高流域積存能力、降低洪峰流量及流速、推遲洪峰等功能，是生態(tài)修復的目標和結果。綠色基礎設施（GI），是生態(tài)修復的體現(xiàn)形式。

二、水循環(huán)關鍵環(huán)節(jié)的改變引起水患

城市化過程中土地利用、土地覆蓋變化，以及受其影響的水文循環(huán)紊亂，是水問題產生的根源。伴隨著土地利用與覆蓋產生變化及其影響下的水文循環(huán)的惡化，生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出以生物多樣性喪失為代表的結構和功能退化。[1]退化的生態(tài)系統(tǒng)，喪失了水文調節(jié)功能，通過其反饋機制，影響水循環(huán)，進而引起水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水安全問題。研究表明，在土地利用類型、不透水面積、水面比例、徑流利用率、河網(wǎng)密度等諸多可量化的因素中，土地利用類型和不透水下墊面面積對城市化地區(qū)水文變化的影響尤為顯著。[2]隨著城市化進程的加快和城市面積擴大，大量土地成為建成空間（Built Space/ Built Environment）。在變化的城市環(huán)境梯度中，工業(yè)生產、物流等商業(yè)化的人類活動場所日益密集，城市與自然環(huán)境之間的相互影響逐漸加強，受氣候變化、城市熱島效應引起的蒸發(fā)加快而蒸騰作用不足等，形成城市特有的“城市水循環(huán)（UWC）”。在有限的土地存量條件下，城市管理者總是以犧牲城市綠地為主的開放空間（Open Space）為代價來滿足城市擴展、人口、產業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的土地需要。城市化導致的植被受破壞、土地利用狀況改變，土壤表面良好的透水性遭到破壞、不透水下墊面大量增加， 使得城市地區(qū)的水文過程發(fā)生巨大變化，導致了城市獨有的降雨強度不均、內澇及面源污染嚴重、河道負荷增大、岸帶空間受到擠壓，水體被隔絕孤立現(xiàn)象，產生“城市水綜合癥”。[3]森林、綠地面積減少，改變了水循環(huán)中最為重要的以流域為單元、以蒸散發(fā)、土壤下滲為關鍵環(huán)節(jié)的“小循環(huán)”部分，是流域水循環(huán)歷程改變的推動力量。[4]城市化過程中強烈的人類活動使土地自然地形和地表植被遭受到嚴重破壞，河流、坑塘、濕地等被占用、改造或消失，綠地面積、植被覆蓋進一步下降、蒸散發(fā)減少。隨著不透水面積的增加，降雨無法下滲進入綠水流，而是形成地面徑流，自然循環(huán)通量下降，最終造成流域尺度水量失衡。伴隨城市化進程和人類活動的“取水—給水—用水—排水—污水處理—再生回用”等路徑構成的社會水循環(huán)，分流了自然循環(huán)的流通水量、延長了循環(huán)路徑，改變了降水、蒸發(fā)、入滲、產流和匯流等水循環(huán)各個環(huán)節(jié)，使原有的流域水循環(huán)系統(tǒng)由單一的受自然主導的循環(huán)過程轉變?yōu)槭茏匀缓蜕鐣餐绊?、共同作用的新的水循環(huán)系統(tǒng)，稱為“天然-人工”或“自然-社會”二元水循環(huán)系統(tǒng)。[5]城市地區(qū)密集的生產、生活活動制造的大量污染，由于植被覆蓋減少，對污染物的消解和攔截作用下降，無法阻止這些污染以點源、非點源形式進入地表、地下徑流。污染不僅引起水質問題及因水質惡化而生的水生態(tài)退化，而且造成有效循環(huán)通量下降和水資源的減少，形成水質型資源短缺。城市流域自然水循環(huán)失調導致降雨形成條件和特征改變，干旱、暴雨洪澇災害風險也隨之增加。下墊面透水性降低是水患的直接原因。降雨在不透水陸地表面匯集產流，增加了極端水文事件發(fā)生的概率，需要水時缺水，不需要水時洪水卻肆虐成災，形成水的時機失當。由圖1可見，不透水地面面積對雨水下滲、蒸散發(fā)及地表徑流產流巨大影響。自然陸地條件下，降雨的50%土壤下滲，40%經(jīng)蒸散發(fā)返回大氣，只有10%轉化為地表徑流;當土地不透水面積比例達到35～50%時，蒸散發(fā)和下滲量各占降雨量的35%，而當土地表面不透水部分的比例達到75～100%時，土壤下滲只有將近15%，蒸散發(fā)量下降到30%，而高達55%的降雨將在地面匯聚，成為地表徑流。[6]

三、城市化進程中城市河流問題

“城市水系統(tǒng)”是城市地區(qū)自然形成和人工造就的水的形態(tài)、水設施和活動的總和，而傳統(tǒng)上城市水系統(tǒng)則更多地指包括流經(jīng)、存在于城市地表的河流、溝渠、湖泊及水庫。與流域江河水系相比，城市河流更集中地代表了人類與自然、人類與城市的交互影響的密切關系，更多、更顯著地體現(xiàn)土地利用與覆蓋、人類活動的影響。一方面，城市的經(jīng)濟、社會活動高度依賴城市河流提供的防洪、供水、排水等功能;另一方面，城市高強度的經(jīng)濟、社會活動對河流的形態(tài)、水流、水質、泥沙輸移有顯著的影響。自從有了城市，河流就承擔著水源地和水、污染匯集、輸送和轉化渠道的多重作用。河流成為最重要的城市生態(tài)空間，是對人口、城市化壓力的緩沖區(qū)，是城市景觀和文化的組成部分。同時，河流還是地表徑流的最終歸宿，是城市藍色基礎設施的典型代表。隨著城市水循環(huán)紊亂、降雨不均衡、極端降暴雨發(fā)生概率增大，河流越來越成為城市水安全風險潛在的主要來源。

城市化改變了地形、地貌、地質條件，城市地區(qū)不透水面積的增加，形成額外產流能力，在暴雨條件下降雨更多地轉化為流量和能量集中的地表徑流，加大了水流的侵蝕能力，造成水土流失加劇，土壤侵蝕產生大量的泥沙淤積，造成排洪溝渠、下水道、河道等設施排洪泄洪能力降低。為了抵御洪水而進行的河流整治、溝渠化、河岸硬質化、截彎取直、河岸加固，提高了河道行洪能力，滿足了航運需要，卻嚴重破壞了河流的自然形態(tài)，隔斷了河流與周圍環(huán)境的連通，岸帶開發(fā)引起的緩沖帶壓縮甚至消失，水的橫向運動空間急劇縮減，導致形態(tài)異質化降低，棲息地單一化，生態(tài)退化，逐步喪失河流原有的功能。隨著城市生活對河流的景觀、休憩、旅游、親水休閑、文化等方面的需求不斷提高，濱水娛樂、垂釣設施、親水平臺、航運碼頭等河濱帶園林化、功能化建設都直接或間接地改變了河流形態(tài)與動態(tài)空間。受多重脅迫的影響，最終造成河流水生態(tài)擾動，蓄水排澇能力、自我調節(jié)能力、自凈能力的下降甚至完全喪失，洪災風險增加。隨著技術的進步，擁有更新型的材料、更優(yōu)化的流體力學設計的城市管理者對以鋼筋水泥為主的水利設施（稱為灰色設施）防洪排澇能力過于自信，注重更為堅固的“硬工程”灰色防洪基礎設施，卻忽略了開放空間的價值，對水動力學、水文循環(huán)的認識與重視不足。[7][8]隨著極端、集中降雨逐漸增多和城市下墊面透水性降低，更多的降雨以雨洪徑流的形式排入河流，致使河流洪澇災害日趨頻繁且強度不斷增大，甚至直接導致內澇。[9]特別是在人口、財產高度集中且人口密度不斷增長的城市地區(qū)，受洪澇災害的影響更為明顯。[10]

四、城市治水：河流為標，陸地為本

健康的河流，是以沖蝕、底泥輸移及沉積為特征，自由流動的河流需要適度的洪水沖蝕以維持動態(tài)的水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。[11]在變化的環(huán)境中，自然河流的形態(tài)和生物多樣性受河流水流情勢及允許其自我調整的廊道空間的支配。[12]在城市化環(huán)境梯度中，很多河流已經(jīng)喪失了自我恢復調整的廊道空間。城市河流特有的問題與環(huán)境現(xiàn)狀，決定了在多數(shù)城市同時存在水資源短缺、防澇壓力日益增大、污染治理的難題，也就是水資源、水安全和水環(huán)境問題共存，而代表水安全的防洪排澇，一直是城市河流管理無法回避的首要問題。

雖然統(tǒng)稱為Flooding的“洪水”的定義具有災害意味，但實際上只有極端性的（如暴雨在不透水陸地形成能量集中的徑流）洪水才構成災害風險。造成極端性洪水的原因主要有暴雨引起的地表集中產流（Pluvial flood）和河湖等水體的外溢（Fluvial flood）。極端性洪水被定義為“水深或排水量超過某一個特定的時段（如30年、50年、100年）水文記錄均值兩倍標準偏差的洪水”。[13]極端性洪水也可以用同等水深、流速的洪水再次發(fā)生的時間間隔，如“50年一遇”“100年一遇”等來表示。[14]與極端性洪水強度與發(fā)生頻率相對應，以河流為最終的泄洪歸宿、包括河道和陸地排水系統(tǒng)的城市水系統(tǒng)設計中，以能“抗擊XX年一遇的洪水”作為對“灰色”的“硬工程”設施（鋼筋水泥為主的水利設施）防洪能力的估計和預期。人們越來越意識到，不受控制的城市擴張與增長所產生的影響隨時有可能超過已有排水系統(tǒng)的接納容量，人工設計無法應對所有的洪災可能性，總會有超過設計標準的雨洪事件發(fā)生，所以導致防洪設施崩潰的可能性永遠存在，這種超過防洪設施設計能力并導致意外崩塌的風險稱為“殘余風險”。[15]事實證明，這種殘余風險的解決，無法通過單純的不斷加強的灰色的結構型“硬”工程設施實現(xiàn)。任何設計，都存在殘余風險。近年來城市管理中關于“洪水是無法避免的自然現(xiàn)象”的認識，引發(fā)了洪水從自然災害向社會-自然災害屬性再到“雨水資源”的定義擴展，也促使防洪澇理念從傳統(tǒng)的以“硬工程”為主的結構型抵御（Defense）、抗擊（Fight），向“與洪水共存”的綜合風險管理（Risk Management）轉變。[16][17]森林、濕地及其他形式的生態(tài)系統(tǒng)，通過截流、蒸散發(fā)、促進土壤下滲調節(jié)水汽力量、影響和改善局部水循環(huán)，起到與供、排、配水管網(wǎng)、水壩、水廠、堤岸等類似的儲存、凈化和調蓄作用。作為構成生態(tài)系統(tǒng)的重要元素，植物本身具有提高表面粗糙度、攔截水流、延長徑流停留時間，從而延遲洪峰的物理攔截作用，也能通過植物的生理過程攔截營養(yǎng)鹽等污染。這種利用自然的力量應對、預防和補償硬工程天然存在的殘余風險的“軟”工程設施和技術，被統(tǒng)稱為“綠色基礎設施（Green Infrastructure）”。[18][19]從上世紀80年代國外提出并開始實施的以雨洪管理為目標的最佳管理措施（BMP，美國）、水敏城市設計（WSUD，澳大利亞）、基于可持續(xù)排水系統(tǒng)（SDUD，歐洲），以及我國開展的海綿城市建設，都是這種“軟工程”形式的典型代表。其共同之處，都是旨在恢復城市原始的水文生態(tài)過程，降低雨水的產匯流及其影響。通過一系列低影響開發(fā)技術，建立基于地面、屋面、路面的綠色基礎設施，如綠色屋頂、雨水花園、下沉式綠地、植草溝等，以植被、土壤為媒介，對雨水進行吸收、滯留、凈化，恢復下墊面滲透性、恢復流域蒸散發(fā)、增加流域空間對雨水的積存能力，分散、轉化降雨徑流，避免局部匯集，減輕城市河流的輸洪壓力，降低洪災風險。這些理念的現(xiàn)實目標，是通過工程性人工輔助，恢復地表徑流的水文形態(tài)，恢復水的自然循環(huán)，利用水系統(tǒng)的生態(tài)過程，提高城市陸地對水的滯納、截留能力，有效削減雨洪徑流攜帶的非點源（面源）污染輸入，并促進雨水徑流的資源化利用，通過自然水文形態(tài)的恢復，延長洪水在水體中的停留時間，降低峰高度和洪水流速，推遲洪峰到達，為防洪爭取時間。從對自然生態(tài)過程進行輔助恢復的角度來說，這些對維持生態(tài)過程的自然水循環(huán)的恢復，都屬于生態(tài)修復的范疇。在實踐中，構建雨水花園、生物滯留池、下沉式綠地、綠色屋頂，以及河流濱岸濕地恢復與管理、河流的再蜿蜒化、河流漫灘恢復與重新劃分、岸線再自然化、濱岸森林恢復、沿程水壩拆除等等，也正是以流域管理為目標的水生態(tài)修復技術的核心。圖2為城市屋頂轉化為綠色屋頂對地表徑流的影響的模擬結果。[20]

五、流域生態(tài)修復，分散洪澇風險

在我國目前的河流生態(tài)修復語境中，盡管洪澇災害被認為（至少部分是）流域生態(tài)退化的結果，但防洪從來不是河流生態(tài)修復的主要目標，更不是唯一目標。在我國近年來開展的大量以人工重建棲息地、恢復植被、引入生物物種、岸線形態(tài)軟化、蜿蜒化為目標和方式的河流生態(tài)修復中，提升水質、解決水環(huán)境惡化問題的急迫需求掩蓋了洪澇防控在河流治理中作為首要任務的地位。傳統(tǒng)的多方管理、多頭治理模式導致在大量局部、碎片化的河流“生態(tài)”修復項目中，防洪減災與生態(tài)恢復成為兩個孤立甚至相互沖突的目標。防洪澇是水利部門分管的事業(yè)，對城市防洪管理影響越來越大的雨洪管理，又屬于市政管理的部分，而水環(huán)境問題，則更多地涉及生態(tài)環(huán)境管理部門。對水質、景觀建設的孤立追求，加上河流修復中概念、表述的混淆不清、防洪概念片面化、洪水與內澇的人為分割，使得生態(tài)修復的實踐者在認知上有意或無意地忽略了河流生態(tài)修復與洪澇管理之間存在必然的聯(lián)系?，F(xiàn)行的面積量化、貨幣化水生態(tài)修復工程在設計、結果驗證考核中，往往把洪澇防治外化為“水利”部分，忽略水污染治理、消除內澇、防洪減災等只是代表了水的質、量和時機作為一個整體不同方面的事實。洪澇管理仍然是城市水系統(tǒng)管理、城市河流治理的首要目標和當務之急。近年來，國內外大量研究統(tǒng)計證實了流域生態(tài)修復對水體水流情勢具有重要影響，尤其是流域尺度的生態(tài)修復，通過對水的再分配（調、蓄），分流、減輕下游洪澇風險。[21][22]這些研究不僅成為河流治理應統(tǒng)籌考慮流域尺度的重要理論基礎，也喚起和恢復了人類在應對未來挑戰(zhàn)中對自然力量的重要性的重新認識。[23][24][25]

六、城市設計融入生態(tài)智慧、生態(tài)理念

城市水問題的解決，主要集中在保障供水（保質、保量、控制適時）、降低洪峰（控量）、延遲洪峰（控制時機）和水質（保質）。為了應對日益普遍和增強的城市內澇壓力，國際上眾多先進、系統(tǒng)化的城市水系統(tǒng)管理框架，如美國的最佳管理措施、澳大利亞的水敏城市設計、歐洲的可持續(xù)排水系統(tǒng)，以及我國開展的海綿城市建設，都是以城市雨洪管理作為首要目標，作為灰色基礎設施的補充，應對和管理城市化產生的日益嚴重的城市水安全“殘余風險”。其核心目標都是“讓自然做功”，通過軟工程輔助干預，恢復自然水循環(huán)，借助自然的力量解決水的質、量和時機問題。在局部尺度上，通過低影響開發(fā)技術的實施，充分發(fā)揮植被、土壤等自然下墊面對雨水的滲透作用，充分發(fā)揮濕地、綠地等對水質的自然凈化作用;在流域尺度上，恢復自然水文循環(huán)、恢復水文的過程，充分發(fā)揮山水林田湖等原始地形地貌對降雨的積存作用，恢復流域自然水循環(huán)過程，實現(xiàn)藍綠水流分流合理、藍綠設施配置適當、合留則留、合流則流、保障下滲、減少徑流，建立“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市;[25][26]正確認識城市河流生態(tài)健康所需的沖刷、底泥輸運與泄洪、防澇之間的關系，保證河流所需的連通與自我調整空間，實現(xiàn)城市水體的自然循環(huán)。改善城市土地利用與土地覆蓋、恢復陸地透水性、減輕河流的排洪壓力，成為城市河流防洪澇的關鍵。在濱岸帶、河流漫灘已經(jīng)被嚴重擠占、無法恢復河流自然空間的城市地區(qū)，河床、河岸自然化只能有選擇地在部分河段實施，而在容易遭受沖擊的脆弱河段，河流修復則仍然體現(xiàn)為以保護財產和基礎設施為目的的硬工程（硬化與強化）。

七、結論與展望

我國城市集群的出現(xiàn)，加劇了城市人口、財產、產業(yè)不斷集中的趨勢。隨著氣候變化帶來的不確定性日益增加，城市洪澇管理將面臨更多的挑戰(zhàn)。城市是一個生態(tài)系統(tǒng)，是一個生態(tài)—社會—技術融合的復雜系統(tǒng)。我國于2015年提出的城市雙修的行為框架，及至目前開展的海綿城市建設、國土空間生態(tài)修復及規(guī)劃，其最終目標都是恢復城市生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能，以及聯(lián)結結構與功能的生態(tài)過程。世界自然保護聯(lián)盟（IUCN）等國際機構于2008年提出的“基于自然的解決方案”（NBS），將所有上述概念統(tǒng)一到同一個框架之下，以建設韌性城市與可持續(xù)城市為目標，倡導將NBS作為面對未來的適應性管理（Adaptive Management）融入城市設計，以應對人類面臨的挑戰(zhàn)，如洪澇、干旱、人口增長、生物多樣性喪失等。[27]NBS發(fā)揮作用、減輕洪澇及其影響的過程，就是生態(tài)過程影響生態(tài)服務功能的過程，而這種作用的發(fā)揮，依賴于人工輔助下的生態(tài)系統(tǒng)結構及形態(tài)的恢復和改善，也就是生態(tài)修復。生態(tài)理念下的綠色基礎設施建設，正是實現(xiàn)生態(tài)修復的實現(xiàn)方式。藍、綠設施的配合存在最佳，體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)結構的優(yōu)化，才是因為生態(tài)系統(tǒng)及其修復，也需要穩(wěn)定可靠的物理基礎才得以實現(xiàn)。與價值導向的工程化生態(tài)修復行動相比，NBS更是一種綜合考慮局部與流域尺度的城市建設和管理理念：通過城市空間管理，尤其是藍綠空間管理，在減少地表產流的同時，恢復水的循環(huán)動力學、恢復自然循環(huán)，使大量的雨水重新進入水循環(huán)，恢復水循環(huán)中的綠水流，解決造成洪澇災害的根源性問題，使雨水成為可利用的資源，實現(xiàn)“自然洪澇管理”（NFM，Natural Flood Management）。代表藍色空間的城市河流，在多大程度上、如何在空間有限的城市地區(qū)恢復漫灘、岸帶緩沖區(qū)域、恢復連通性，還水以自由的空間，更是需要在城市設計中，通過生活、生產、生態(tài)空間的配置來實現(xiàn)。水循環(huán)應作為一個核心子系統(tǒng)融入城市規(guī)劃和設計，調和生態(tài)修復與城市防洪減災目標，讓生態(tài)修復成為流域管理、城市管理中預防性、適應性的日常，而不僅僅是突擊性、防御性的工程手段。綜合軟、硬工程，融合藍、綠、灰色設施，發(fā)揮各自的優(yōu)勢和相互補充作用，代表了生態(tài)視野下城市規(guī)劃與建設的方向。

近年來，互聯(lián)網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)、算法技術、機器學習、人工智能技術的飛速發(fā)展、3S（GPS，RS，GIS）技術的運用，極大地提高了人類的感知、認知能力和預測能力。利用城市大數(shù)據(jù)分析用地、基礎設施潛力，運用生態(tài)智慧規(guī)劃基礎設施建設，通過綠色設施彌補老化的城市灰色建筑設施，建立數(shù)字模型了解雨洪事件與城市生態(tài)過程的交互影響關系，以基礎設施的高度，把生態(tài)修復融入城市規(guī)劃建設，消除災害性雨洪事件的消極影響，已經(jīng)成為許多城市水務管理的主要內容。以城市水系統(tǒng)智能、智慧管理為目標和實施平臺的水文、水質模型，以及耦合多種自然、社會、經(jīng)濟、技術過程的集成模型的不斷涌現(xiàn)，必將使得融入生態(tài)智慧、生態(tài)修復理念的城市規(guī)劃與管理、空間規(guī)劃變得更加容易，也更加經(jīng)濟和有效。

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