水敏性新城河道景觀wsud設(shè)計(jì)研究

水敏性新城河道景觀wsud設(shè)計(jì)研究

該地區(qū)的水質(zhì)在很大程度上取決于該地區(qū)湖泊匯水區(qū)的土地利用和管理政策。隨著中國(guó)政府日益關(guān)注環(huán)境問(wèn)題,許多城市新區(qū)的建設(shè)過(guò)程中環(huán)境價(jià)值觀也不斷更新,這正是水敏性城市設(shè)計(jì)(WateSensitiveUrbanDesign,簡(jiǎn)稱WSUD)有望為中國(guó)新興城區(qū)的可持續(xù)性水資源管理作出貢獻(xiàn)的大好契機(jī)。1點(diǎn)源污染和非點(diǎn)式污染源本文的2個(gè)案例,河北省石家莊市滹沱河生態(tài)景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)和岳陽(yáng)市環(huán)城區(qū)水系王家河風(fēng)光帶景觀規(guī)劃設(shè)計(jì),正是對(duì)WSUD應(yīng)用的有益探索。滹沱河位于河北省石家莊北,起于山西省境內(nèi)的泰戲山,一直流入河北省境內(nèi)的子牙河,形成海河河系的一部分,最終歸入渤海。石家莊市位于滹沱河以南的滹沱河沖積平原上,北接縣級(jí)市正定,半干旱季風(fēng)氣候使之年降水量的2/3集中于7、8兩月。石家莊以西已建成崗南水庫(kù)和黃壁莊水庫(kù)。近年來(lái),石家莊市的快速發(fā)展使得城市需水量激增,流域中非承壓含水層和自流含水層被大規(guī)模開(kāi)采,如今的滹沱河已成為一條季節(jié)性河流,同時(shí)地下水位降低、地表沉降和土壤鹽堿化等問(wèn)題正逐步突顯。岳陽(yáng)地處洞庭湖側(cè),位于湘江、資江、沅江、澧水及其支流在匯入長(zhǎng)江之前所形成的洪泛平原上,亞熱帶季風(fēng)氣候,年降水量約1200~1700mm,主要集中在春夏兩季。洞庭湖是中國(guó)第二大淡水湖,也是長(zhǎng)江主要的洪泛區(qū),每年7—9月長(zhǎng)江洪水的流入使其面積增至3900km2。王家河正是其中匯入洞庭湖的一條支流。如今大量泥沙的流入使得洞庭湖容量日漸縮小,農(nóng)業(yè)污染物、工業(yè)廢水、生活污水的排放給魚(yú)類和鳥(niǎo)類的生存帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。根據(jù)污染物排放到水體中的方式,可分為2類:點(diǎn)源污染(來(lái)自特定的源頭)和非點(diǎn)源污染(來(lái)自大面積分散的區(qū)域)。在石家莊和岳陽(yáng)項(xiàng)目中,屬于點(diǎn)源污染的主要有垃圾埋填場(chǎng)、老舊工廠和建筑垃圾場(chǎng)等,這些場(chǎng)地積累、產(chǎn)生和釋放有害污染物,源頭易于確定和清理。而屬于非點(diǎn)源污染的,則包括農(nóng)藥、化肥、洗滌劑、生活垃圾、老式化糞池、車輛排出廢氣、道路污染物、建筑垃圾、土壤沉積物以及植物殘?bào)w等各類污染,清理十分困難。這些污染物通過(guò)雨水徑流匯入地表水和地下水,最終歸入海洋。目前中國(guó)雖然在管理非法傾倒廢物,即處理點(diǎn)式污染源方面做了許多努力,但在城市的雨水管理,即處理非點(diǎn)式污染源方面仍有很大不足。這里首先要理解WSUD原理,并將之用于中國(guó)的水體景觀項(xiàng)目中;其次,要了解中國(guó)匯水區(qū)域河流的自然屬性和污染物的特性(表1、圖1);第三,要認(rèn)識(shí)到不同的土地利用方式可以帶來(lái)許多從雨水徑流中收集和過(guò)濾污染物的機(jī)會(huì),阻止污染物進(jìn)入地表徑流和含水層。2改善城市水體水質(zhì)水敏性城市設(shè)計(jì)概念起源于20世紀(jì)90年代的澳大利亞,旨在回應(yīng)長(zhǎng)期干旱情況下日益突出的雨水管理問(wèn)題。這一概念可通過(guò)跨專業(yè)手段解決以下問(wèn)題:保護(hù)城市的自然水系;改善城市的排水水質(zhì);整合城市的雨水管理、野生生物棲息、公共休閑和視覺(jué)景觀等不同功能用地;降低城市的雨水徑流量和高峰徑流量;將城市排水設(shè)施建設(shè)減至最小;使用雨水代替自來(lái)水。澳大利亞和中國(guó)的城市開(kāi)發(fā)進(jìn)程十分不同,但2個(gè)國(guó)家在力爭(zhēng)保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境的認(rèn)識(shí)上是高度一致的。要理解WSUD原則,先要對(duì)相關(guān)的水科學(xué)原理有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。影響水質(zhì)的因子主要有5個(gè):溫度、含氧量、溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)物、生物有機(jī)體和固體不溶物含量。在新城區(qū)的開(kāi)發(fā)建設(shè)中通過(guò)規(guī)劃設(shè)計(jì)全面處理這些因子,將直接改善城市水體的水質(zhì)。WSUD有以下6項(xiàng)基本原則。2.1地表徑流的不透水性在城市綠地系統(tǒng)中的應(yīng)用,引起地表熱染水體溫度的提高,將直接導(dǎo)致氧氣等有益氣體的溶解度的降低和鹽分等有害固體溶解度的提高。同時(shí)對(duì)于許多水生物種來(lái)說(shuō),溫水不亞于一劑毒藥。水生物種的最適宜水溫由當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件決定并因流域而異,一般情況下不宜超過(guò)18oC。隨著城市化進(jìn)程的加速,道路、停車場(chǎng)、鋪地、屋頂?shù)炔煌杆砻娲媪送杆缘霓r(nóng)業(yè)、林業(yè)用地,地表的不透水性日益增加。城市熱島使得從這些表面匯入地表徑流的水體跟著升溫,除此之外,發(fā)電站的冷卻工藝也經(jīng)常向江河湖泊排放熱水,帶來(lái)熱污染,引起諸多水質(zhì)問(wèn)題,尤其在夏季最為突出。因此,WSUD的首要原則是通過(guò)減少不透水地表面積,增加可滲透性地表,提高底土層入滲量,將減緩雨水徑流的速度,從而降低水體溫度,提高水體氧氣溶解度,同時(shí)降低鹽分等有害固體溶解度,并且還可以通過(guò)水體自然滲漏達(dá)到補(bǔ)充地下水資源的作用。2.2wsed原則缺乏流動(dòng)性的水體由于缺乏氧氣供應(yīng)、水溫升高、有害鹽類含量升高等因素,影響酶的功能發(fā)揮,進(jìn)而引起新陳代謝問(wèn)題,使得許多已經(jīng)適應(yīng)了較涼爽條件的水生生物無(wú)法適應(yīng)而死去,最終破壞整個(gè)水生環(huán)境的生態(tài)鏈。另外,死水中的生物體難以得到代謝和清除,生物殘?bào)w沉積腐爛,在敗壞水質(zhì)的同時(shí)還會(huì)引起水華和蚊蟲(chóng)滋生等問(wèn)題。因此,WSUD原則之二是結(jié)合場(chǎng)地自身的特點(diǎn)及功能,創(chuàng)造性地制造水體流動(dòng),保持水體的交換、連通,改善水質(zhì),提高水體活性。水體在持續(xù)的流動(dòng)循環(huán)過(guò)程中得到物理、化學(xué)、生物等不同方式的凈化,提高了水中的含氧量,并且控制微生物的含量。2.3生物的能力水體中的水生植物在白天通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣,在夜間通過(guò)呼吸作用消耗氧氣。因此,水體中溶解氧的主要來(lái)源并非水生植物,而是通過(guò)風(fēng)和流水的作用產(chǎn)生湍流,湍流將大氣中的氧氣和水混合在一起。不同物種對(duì)低溶氧量的忍耐度不同,但是如果溶氧量低于4mg/L,大多數(shù)形式的水生生物就危在旦夕了。因此,WSUD原則之三是保持河流水道的曲折多變和多樣的河床形態(tài),江河溪流中的水體蜿蜒移動(dòng)時(shí),自然通風(fēng)和凸凹不平的河床共同作用產(chǎn)生湍流,將大氣中的氧氣和水混合在一起,提高水中的溶解氧,并使水體保持適宜的溫度,同時(shí)也為水體底棲生物提供多樣的棲息場(chǎng)所。2.4水體中的養(yǎng)分nh3和雙現(xiàn)行工藝原素適量的溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)鹽是植物生長(zhǎng)所必需的,來(lái)自于土壤和巖石。而某些元素的營(yíng)養(yǎng)鹽,尤其是氮(N)、磷(P),在水中積聚過(guò)量,即水體富營(yíng)養(yǎng)化時(shí),將引起某些物種的過(guò)度生長(zhǎng),進(jìn)而使整個(gè)水域的生態(tài)平衡被破壞,藍(lán)藻水華就是典型的一例。這些營(yíng)養(yǎng)鹽的來(lái)源有:從農(nóng)墾區(qū)、公園和園林釋放的農(nóng)藥、化肥;從高強(qiáng)度牲畜生產(chǎn)基地排放的動(dòng)物糞便;從工廠、汽車、污水處理廠、化糞池系統(tǒng)和生活垃圾傾倒場(chǎng)排出的排放物、糞便、洗滌劑等;以及水中積聚的植物或動(dòng)物殘骸。豆科植物、某些藻類和雷雨閃電把空氣中的氮元素轉(zhuǎn)化為硝酸鹽(-NO3)和亞硝酸鹽(-NO2)等無(wú)機(jī)形式,然后,又通過(guò)人類和動(dòng)物糞便、植物殘骸轉(zhuǎn)化成為碳絡(luò)合物(-NH2)的有機(jī)形式,進(jìn)而分解成為銨(NH4)和硝酸鹽,這才是植物生長(zhǎng)所需氮元素的主要來(lái)源。水體中的硝酸鹽過(guò)量會(huì)刺激光合微生物的生長(zhǎng),而亞硝酸鹽含量過(guò)高則會(huì)影響動(dòng)物血液中的供氧。水體中的磷元素來(lái)自于巖石風(fēng)化產(chǎn)生的3種鹽:正磷酸鹽(-PO4,最普遍的無(wú)機(jī)形式)、偏磷酸鹽(-PO3,常見(jiàn)于洗滌劑和水處理工藝中)和有機(jī)磷酸鹽(常見(jiàn)于動(dòng)植物體和土壤沉積物中)。磷對(duì)于植物和動(dòng)物細(xì)胞中的基因復(fù)制、能量的使用和存儲(chǔ)非常重要。磷酸鹽化肥、洗滌劑和有機(jī)物在雨水徑流中的過(guò)量積累導(dǎo)致水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷失衡,從而促進(jìn)水體中的微生物、藻類的過(guò)度生長(zhǎng)。因此,WSUD的第4條原則是通過(guò)降低各種有機(jī)、無(wú)機(jī)廢物向水體的過(guò)量輸入,控制溶解態(tài)營(yíng)養(yǎng)物的進(jìn)入,減緩水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程,從而改善水體質(zhì)量。2.5水體形態(tài)的危害影響水質(zhì)的不溶性物質(zhì)有油類、油脂、表面活性劑、沙子、土壤顆粒、石油烴、重金屬、嚴(yán)重污染物與垃圾等。其中多數(shù)通過(guò)加油站、車庫(kù)、停車場(chǎng)、洗車處、建筑工地以及各類道路和高速公路等進(jìn)入水體。過(guò)多的不溶性物質(zhì)使得水體渾濁度升高,水體中陽(yáng)光的入射減少,進(jìn)而影響水中植物的光合作用,嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致其死亡,并影響以該物種為食的其他水生生物的生存,最終破壞整個(gè)水生境的生態(tài)平衡。而漂浮于水體表面的油類、油脂與石油副產(chǎn)品等將會(huì)降低水體與大氣間的氣體交換,從而影響到水生生物的生存。粘附于沉積物上的重金屬、垃圾和污染物,常常被直接傾倒在河流沿岸區(qū)域,或與挖掘的土壤混合后作沿河道填充之用,這將危害到沿岸植物群落的生長(zhǎng),而垃圾的沉降、滲濾及其排放均會(huì)引起水體污染。因此,WSUD原則之五是通過(guò)建立各式植被緩沖過(guò)濾帶,吸收、過(guò)濾河道及其鄰近水體排入的不溶物質(zhì),降低水體混濁度,提高水生植物光合作用能力,改善水環(huán)境生態(tài)。2.6人工濕地建設(shè)許多城市水體中都可見(jiàn)到生物體(如浮游植物和藻類等)繁盛的狀況,這些生物體的大量繁殖,會(huì)減少陽(yáng)光的入射,水體中溶解氧含量降低,并且其死亡后的分解會(huì)加速耗氧,極端情況下引發(fā)赤潮,進(jìn)而引起其他水生生物死亡,破壞水生態(tài)系統(tǒng)平衡。與此同時(shí),另一常見(jiàn)的情形是利用植物體建設(shè)人工濕地,通過(guò)多種沉水、浮水、挺水以及濕生植物群落組成雨水滯留、凈化系統(tǒng),以改善水體質(zhì)量,美化濱水景觀。但實(shí)際看來(lái),由于水生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,人工濕地在改善水質(zhì)方面的效用發(fā)揮程度差別巨大,并且人工濕地系統(tǒng)的效用難于評(píng)估,無(wú)不影響著濕地作用的發(fā)揮。而值得思考的是中國(guó)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為我們提供了某些處理水質(zhì)的獨(dú)特方法,如傳統(tǒng)的水稻梯田與養(yǎng)魚(yú)季節(jié)性輪作,其作用如同天然濕地,在減少肥沃土壤流失的同時(shí),將野草、蚊蟲(chóng)的危害降到最低。相反,現(xiàn)代種植業(yè)追求快速經(jīng)濟(jì)回報(bào),則較多使用旱地種植方式和更多的化肥、殺蟲(chóng)劑和除草劑等化學(xué)物質(zhì)。WSUD原則之六,是慎重選擇生態(tài)可持續(xù)的方式,通過(guò)建立長(zhǎng)期穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng),達(dá)到改善水環(huán)境品質(zhì)的目的。3應(yīng)用wsud景觀策略3.1水環(huán)境的生態(tài)設(shè)計(jì)石家莊和岳陽(yáng)2個(gè)項(xiàng)目均位于城市新區(qū)主要河流沿岸地帶。了解這些濱水帶所在的匯水區(qū)背景特征,將有助于建設(shè)新城區(qū)健康的水體環(huán)境。2處匯水區(qū)土地均以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主,北部多為谷類作物,南部多為水稻,靠近村莊則多為蔬菜種植。小規(guī)模低級(jí)工業(yè)企業(yè)占據(jù)了城市空地,其他較為大型的工業(yè)企業(yè),如岳陽(yáng)的磚廠和石家莊的制造廠等均已面臨倒閉?？缭剿w的2~6車道的公路正在建設(shè)施工中。為了減少來(lái)自交通、農(nóng)業(yè)和工業(yè)用地的污染物,至關(guān)重要的是需要沿水體修建綠地緩沖帶,并依據(jù)兩地不同的地域特征制定景觀方案。位于石家莊平坦地形上的滹沱河,河道寬而淺,最寬處達(dá)到2km,深度除建筑施工的挖沙場(chǎng)處可達(dá)30m外,平均水深不足3m。在景觀規(guī)劃中,這些挖沙場(chǎng)將被回填至10~15m深,形成河床中的低水溫區(qū)域。而岳陽(yáng)市王家河沿岸的丘陵地形,則使得環(huán)繞陡峭山體蜿蜒行進(jìn)的水流保持較低的溫度,尤其在夏日炎熱時(shí)段內(nèi)將起到遮陽(yáng)及降低水溫的作用(圖2)。對(duì)于水流季節(jié)性變化的考慮也十分重要。項(xiàng)目中在豐水期暫時(shí)蓄水于較深塘內(nèi),而枯水期再緩慢放水到河道。石家莊項(xiàng)目通過(guò)加強(qiáng)河道與鄰近水渠以及支流的連通,使整個(gè)新城區(qū)的水體均能實(shí)現(xiàn)循環(huán)、存儲(chǔ)和曝氣等功能(圖3)。而岳陽(yáng)項(xiàng)目中,則連通了項(xiàng)目河道西岸的深塘(5m)、水渠和支流,以維持水體的流動(dòng)性。沿河兩岸的懸垂植被則會(huì)為水生生物起到遮陽(yáng)作用,并且防止土壤侵蝕。石家莊項(xiàng)目中的島嶼環(huán)境區(qū)內(nèi),倒伏的樹(shù)木枝干成為青蛙、小型魚(yú)類和無(wú)脊椎動(dòng)物的棲息地,為構(gòu)建水陸過(guò)渡帶生態(tài)環(huán)境提供可能。有利于形成水體渦流和多樣性生物棲息地的理想情況是,尺度大小不一的巖石、砂礫和泥沙組成河床的75%,余下25%則被空隙占據(jù)。3.2效率、效益與空間的轉(zhuǎn)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)中國(guó)的河流匯水區(qū)有多種負(fù)面影響:一年生作物可使肥沃的表土層裸露在外,在旱季與雨季分別受到風(fēng)力和水力侵蝕的破壞,最終流入江河、溪流、湖泊等各種形式的水體中;小農(nóng)戶過(guò)度使用化學(xué)肥料與殺蟲(chóng)劑,改變了水體的化學(xué)成分,打破了水體的自然生態(tài)平衡;水?dāng)y帶著未經(jīng)處理的動(dòng)物糞便、肥料與家庭污水傳播疾病,而水中有機(jī)物的分解又導(dǎo)致水體需氧量的增加;無(wú)機(jī)、有機(jī)污染物、沉積物被沖到下游區(qū)域積聚等。但是農(nóng)業(yè)用地的改變與農(nóng)民的再安置并非唯一的解決方法,也可通過(guò)其他途徑(如改變農(nóng)業(yè)項(xiàng)目方案等)來(lái)改變土地的使用方式,實(shí)現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。土壤分析與監(jiān)控可降低農(nóng)業(yè)、綠化對(duì)肥料的施用?，F(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格處理污水,可減少來(lái)自家庭、工業(yè)與市政設(shè)施的磷酸鹽;新城區(qū)通過(guò)分開(kāi)設(shè)置灰水系統(tǒng)(來(lái)自洗衣、洗碗、洗車及衛(wèi)浴用水)與黑水系統(tǒng)(來(lái)自衛(wèi)生間排水、工業(yè)排水),將大大有助于農(nóng)業(yè)與綠化灌溉用水的循環(huán)利用;制訂詳盡的土地利用規(guī)劃并展開(kāi)教育,將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)農(nóng)業(yè),從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)和土地效益的增值(圖4)。以上策略在現(xiàn)階段仍具一定的理想性,卻提供了一種轉(zhuǎn)換的思路。目前農(nóng)業(yè)用地向商業(yè)或居住用地的轉(zhuǎn)換十分普遍,短期的確帶來(lái)一些經(jīng)濟(jì)效益,但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看必然減少了土地管理方式的多樣化選擇。高產(chǎn)的土地尤其濱水地帶,是必須保護(hù)的珍貴財(cái)富。因此,在城市新區(qū)將濱水地帶加以保護(hù),發(fā)揮其生產(chǎn)、游憩和生物保護(hù)作用,對(duì)城市可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。3.3雨水收集和地表凈化中國(guó)的新建居住區(qū)規(guī)定必須達(dá)到30%以上的綠地率,而實(shí)際上這些有限的開(kāi)放空間又常被不透水材料覆蓋。中國(guó)的河漫灘及三角洲地帶普遍為排水性差的高黏性土壤,雨洪常通過(guò)管線直接排入河道水渠,石家莊和岳陽(yáng)同樣如此。要改善城市水環(huán)境品質(zhì),傳統(tǒng)的管渠排水方式就必須改進(jìn)。因此2個(gè)項(xiàng)目中的策略包括:在住區(qū)、商業(yè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)收集和再利用雨水;建筑及施工工地與水體之間必須保留一定的退界;采用特定做法的屋頂花園和垂直綠化可有效減少高峰徑流量,減少熱輻射,降低建筑表面溫度;多余雨水,直接從蓄水箱或者屋頂流入干/濕式植栽溝和景觀濕地。考慮到行人的感受,開(kāi)放式植栽溝將與道路綠化隔離帶結(jié)合并沿道路設(shè)置,積累、過(guò)濾污染物;沿水體邊界,在波動(dòng)水位線上下留出足夠的植被緩沖帶空間,道路與水體之間也應(yīng)以植被帶隔開(kāi)(圖5~7)。路面雨水徑流是最為棘手的問(wèn)題。路面往往承擔(dān)著巨大負(fù)荷。瀝青和混凝土都是非滲透性材料,由回收玻璃、陶瓷以及疏松多孔骨料制成的新型建筑材料則具可滲透性,因此可通過(guò)調(diào)整材料中的滲透性和非滲透性骨料的配比,鋪筑不同使用強(qiáng)度的路面;提高而非降低道路路