西安透水硬化表面景观规划设计策略及实践

'西安透水硬化表面景观规划设计策略与实践TheStrategyandPracticeofPermeableHardenedSurfaceLandscapePlanningandDesigninXi"an摘要:现代城市地表逐渐被阻水材料所覆盖，不断加重着城市及其周边地区生态学意义上的“人造沙漠”效应。本文以西安为例，从城市生态基础设施建设的角度初步探讨了城市雨水景观规划设计与管理的方法和策略。西安季节性暴雨特征明显，以城市硬化表面的生态透水设计为切入点，将有助于由点及面逐步恢复城市作为生态节点的基本“新陈代谢功能”；以达到合理调整城市环境气候、改善城市生态和人居环境、彰显“长安八水”的城市格局和文脉特征的目的。关键词:城市硬化表面，生态透水铺面，雨水景观，城市水环境Abstract:Withtheurbanizationprocess,thesurfaceofthemoderncityinChinaisgraduallycoveredwithwaterproofmaterials,whichhasbeenincreasing‘man-madedeserteffect’ontheecologicalsignificanceofthecityanditssurroundings.ThispapertakingXi’anasanexample,fromtheviewofecologicalinfrastructure,discussesthemethodsandstrategiesoflandscapeplanningandmanagementofurbanrainwater.Xi"anhasobviousseasonalrainfallcharacteristics,usingeco-permeablehardenedsurfacedesignasastartingpoint,willcontributetothegradualrecoveryofthecity’sbasicmetabolicfunctionasaneco-nodefrompointtosurface,andachievingthereasonableadjustmentoftheurbanenvironmentandclimate,improvingtheurbanecologyandhabitatenvironment,highlightingthe"Chang’aneightwater"citypatternandcontextfeatures.Keywords:Cityhardenedsurface,Eco-permeablepavement,Rainwaterlandscape,Urbanwaterenvironment【中图分类号】TU984.11【文献识别码】A1.国内外研究现状和发展趋势1.1透水硬化表面的概念所谓透水硬化表面，是铺面结构本身存在一定空隙，能够允许水透过的表层下渗结构形式。包括多孔的嵌草砖、碎石地面、透水性混凝土路面等。透水硬化表面可以增加城市透水、透气空间，改善城市生态环境，与城市不透水表面相比较，其锁定地表径流、回补地下[1]水、防洪减涝、控制污染和类基流效应等生态功能还具有明显的低碳价值。大量研究与实践表明： 1）生态透水道路可以接受降雨强度高达约600升/秒/公顷，而维持结构能力的水平可[2]以与传统的铺路相媲美；2）补充（充电recharge）和维护含水层和自然地下水。减少降雨径流路面数量，从而在必要的雨水排水程度下，减少了下游洪水。甚至通过路面本身的保水性，减少了一定范围和必要的道路雨水滞留设施和排水系统。3）生态透水道路可以捕获和拦截道路颗粒污高达90％，避免污染地下水或排水系统（如詹姆斯，2002年）。约有90％的公路污染物是一些微粒，这些微粒能够被拦截在透水路面[2][3]下部的结构里。4)城市生态透水表面，由于良好的透水性和保水性,下雨时一部分雨水保留在面层里，还有一部分会渗透到地表下层，天晴时慢慢蒸发出来，释放到空气中，起到调节空气湿度、降低大气温度、消除城市“热岛”的作用。同时也能滋养土壤，大大减少城市绿化用水。1.2国内外研究现状1960年代左右，欧洲首先开始了城市透水铺面改造的研究与应用，透水硬化主要用于公园、停车场、运动场及城市道路。德国从上世纪60年代起在城市、乡村铺设透水性马路，随后美国和日本也对此作了大量研究工作，日本在20世纪80年代初由建设省推行“雨水渗[4][5]透计划”。20世纪90年代以后，用透水材料进行城市硬化表面建设，已成为发达国家城市建设的普遍经验，相关研究广泛应用于庭院、公共广场、公园内道路、住宅街道，人行道、自行车道、以及露天停车场、巴士总站、集装箱堆放场等，增加了城市的透水透气空间，对调节城市小气候、保持生态平衡起到了良好的作用。透水硬化表面建设以提高天然入渗能力为目的，因此，很多国家和地区还因地制宜地修建了渗井、渗沟、渗池、下凹式绿地等雨水下渗和存储设施，共同组成地表回灌系统。德国、美国、澳大利亚等国家利用公共空间、交通体系、人工湿地与城市雨水生态设计和绿地公园系统相结合，不但达到了用自然体系掌控地表径流、减小水流速度、净化水质、减少水体污染的目的，而且使雨后溪流的暴涨、地表径流的汇聚成为城市的一种独特景观。其中雨水地表明沟，或模拟天然水流轨迹，或构筑特定造型，已经成为城市风景之一（图1，2）。近十年来，德国、日本等国家正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面列为城市总体规划的组成部分，从而将城市透水硬化表面规划研究推向了更、图1德国、澳大利亚等国家的雨水高的生态和环境保护层面，将人类城市生态水环传输景观 境建设的历程向前推进了一大步中国真正意义上城市雨水利用的研究与应用开始于20世纪80年代，发展于90年代，关于透水表面的研究与应用则相对更晚，近年主要在北京、上海、沈阳、西安、广州、南京等城市积极展开。但目前大多只限于局部的考虑，图2美国拉斯维加斯莱维斯大道景观走廊雨水收集和缺少和其他城市景观、城市生人工绿地系统相结合的生态景观态元素的有机结合，缺乏从城市生态基础设施建设的角度有效的考虑和组织雨水的景观规划设计。目前，西安透水硬化表面试验性设计实践已在曲江新区、世园会、大明宫遗址公园等新建区域相继展开。但总体而言，在西安的城市建设过程中尚没有全面的雨水硬化表面下渗规划和设计，大部分零碎和分散的见于某些公园道路和广场、城市人行道和地面停车场等，其中有些将透水砖直接铺于混凝土路基之上，透水砖吸收的雨水无法真正下渗到地下，致使其作用大打折扣。西安城市地下水严重不足，但雨水大多通过雨水管道直接进入城市排水系统，无法回补地下水。在雨量较大时，还常常由于排水不畅引起城区滞水，给人们的生活带来了诸多不便。因此，进行雨水自然循环的管理规划和研究具有现实而紧迫的意义，它们的试验性应用将会为未来整体而系统的城市硬化表面生态透水改造提供经验和方法。2.西安的特点与条件2.1雨水资源化利用的潜力与价值生态基础设施(EcologicalInfrastructure,EI)是近年来在生态经济学、生物保护、生态城市等领域出现的一个新的概念。这一概念集中体现了在现有景观破碎化和生态系统服务功能受到损害的背景下,维护完整、连续的生态格局的重要意义。其范畴包括城市绿地系统、林业及农业系统、自然保护地系统,并进一步可以扩展到以自然为背景的文化遗产网络，为城市及其居民持续的提供新鲜空气、食物、体育、游憩、安全庇护以及审美和教育等的生态服务。西安城市建设过程中，为城市生态问题负有重要责任的硬化表面，应该首先被纳入生态基础设施的重要组成部分来加以考虑。3西安位于西北地区，地表水资源总量仅为21.78亿m，人均水资源量是全国平均水平[6]的1/6，是一个水资源相对缺乏的城市。2然而，根据《西安市城市总体规划》(2004一2020)，主城区建设用地范围600km（表1），可产生高达327027.5万m年均径流量。 由公式V=￡×S×H[V－年径流量（m3），￡－径流系数，S－汇水面积（m2），H－多年平均降水量]，对城市雨水资源进行定量分析可得“居住用地，公共设施、仓储、工业、市政公用用地，对外交通、道路广场用地，特殊用地年均径流量”：23V=￡×S×H＝0.9×（17462＋23612＋10333＋352）×10000m×0.5802m＝270275164.2m≈27027.5万3m。3按透水率提高30%计算，西安主城区表面透水量将增加8108.3万m，约相当于3个石砭峪水库的蓄水量，随着城市的扩张，该数值还将持续增加。在这样的情况下。从城市生态基础设施建设的角度出发，进行城市雨水景观规划设计和管理的研究，将有助于缓解城市雨水的排水压力，也会对改善城市生态环境有所帮助。表1：西安主城区建设用地平衡表占地面积占地百分比径流名称2（万m）（%）系数居住用地17462290.9公共设施、仓储、工业、市政公用用地23612390.9对外交通、道路广场用地10333180.9绿地824113.420.15特殊用地3520.580.9主城区合计用地60001002.2有利于雨水资源化的地理条件近几年，中国城市雨洪灾害频发，造成了大量城市基础设施被破坏，经济损失惨重，并对人们的生命和财产安全造成严重危害。西安多年平均降雨量为580.2mm,70%的降雨量集中在夏、秋两季，且降雨多为短历时暴雨。表2的统计数据表明，西安季节性暴雨特征明显，在不透水的城市硬化表面上易于形成强大的地表径流，造成城市及下游河道的洪泛灾害，带来水土流失、水体污染、土地失养等更为长期性的灾难（表2）。历史分析表明，近10年的洪水量级比起前几十年并没有特别的异常，而水灾损失却急剧增加，面对雨水安全的挑战，恢复城市硬化表面的生态节点功能，锁定地表径流，减轻疏浚负担已经成为城市未来发展的必然趋势。西安市区具备雨水资源化开发利用的降雨条件、地形条件和蓄水保水性能良好的土壤条件。西安的地势东南高，西北低，易于雨水收集；市区土壤主要以黄绵土为主，透水、蓄水、保水性能良好，土地可以吸收高达90%的雨水，加强生态植被绿化，黄土90~200mm土层可作“土壤水库”，具有很强的调蓄能力,可解决雨季蓄水、旱季用水的矛盾。 表2西安1970—2009年各时段降水量统计时段平均降水量（mm）占全年百分比（%）春季回暖期（4月1～30日）40.27.2初夏少雨期（5月1日～6月20日）90.616.2初夏多雨期（6月21日～7月20日）102.018.0盛夏伏旱期（7月21日～8月20日）73.113.1初秋多雨期（8月21日～10月10日）151.227.1秋季凉爽期（10月11日～31日）34.46.2参考资料:中国国家气象局网2.3着眼于恢复“长安八水”历史文脉的城市发展愿景“八水长安”的城市自然特征和形态格局是西安唐文化的重要载体之一，其背后所隐含的盛唐文化和历史记忆，在很大程度上标志了一个城市乃至一个民族的精神认同和归属，是人们今天重识西安的重要标志之一。在最新编修的《西安城市总体规划》和《西安浐灞国家湿地公园总体规划》基础上，西安进一步制定了城市水系的整体发展规划：以八水为骨架，逐步恢复“八水绕长安”的城[7][8]市生态景观基底，建设“城在水中，水在城中”的特色山水城市。规划为城市提供了面对水资源问题的创新机会,使西安城市雨水景观的规划设计有机会从建设西安整体生态水环境的角度出发重新思考旧的模式和新的解决方法。未来恢复“长安八水”的规划中，包括“黑河引水”、“引汉济渭”等引水工程，也包括建设浐灞生态湿地、保护秦岭北麓浅水区植被等局部生态恢复措施。但从八水水系本身来说，其河道沿岸的生态修复和所需水量是不可能完全依靠引水来完成。那么，恢复“长安八水”规划的水到底从哪来？从某种意义上来说，整体修复八水水系的生态系统，合理恢复城市雨水在其流域范围上的生态功能将是长期而有效的策略之一。综上所述，西安处于半湿润半干旱地区，是水资源缺乏的城市，但城市暴雨特征明显，雨洪灾害频发，雨水管网等基础设施的建设更新难以跟随城市的快速发展，而保护文脉，重塑“八水水系”已经成为城市未来规划建设的明确方向，这使得西安雨水自然循环的管理和规划具有了前所未有的机遇和可能。3.西安城市硬化表面透水景观规划设计策略初探3.1生态演进的理想格局根据国内外相关研究和已有经验，城市硬化表面的透水改造主要在以下城市硬化表面中考虑实施，包括城市公园、广场、露天停车场、自行车道和城市步行系统、通行量较小的[9]城市机动车道、城市居住区道路等（图3）。但在中国的实践与应用，其技术和施工工艺 图3美国SW12大街绿色街道项目，道路可持续雨水管理设计方法(结合城市绿化和道路系统汇集、下渗、储存雨水和引导径流的整体考虑)[10]尚不成熟。目前透水硬化表面承载能力低、造价和维护费用高等问题，使得西安城市透水表面的改造需要有选择、有计划的逐步分期来完成。现阶段可以首先结合城市河湖水系、湿地和城市绿地，考虑在大面积、低承重、易于蓄积、循环利用的城市公园、广场、城市历史街区和遗址保护区，易于与城市水面结合的人行道、景观道路，以及一些试验性区域，如景观生态区和湿地周边的机动车道等，进行生态透水表面的改造或使用，使这些城市表面区域逐步为减轻城市排水系统压力、减少城市径流对环境产生的不良影响及保护城市水资源发挥积极的作用。在目前技术条件下可以考虑的城市硬化表面透水改造工程中，城市步行道和自行车道系统一部分依傍着机动车道，一部分穿行在城市广场、绿地、水体之间，本身几乎就是一个 贯通的廊道体系，其联系功能远大于其它城市生态要素。进行路面透水设计，不但能吸收、下渗路面的雨水，还可利用地势和高差变化，结合道路绿化，带走暴雨造成的道路积水，集留或存储于城市人工湖泊或湿地，以减轻河流疏浚负担和洪水危害。同时，应该确立城市硬化表面透水建设工作的长期性目标，伴随着技术的发展与成熟，逐步改造技术上可以支持的不透水城市表面部分；在城市新区建设和旧城改造的过程中，应该整体规划考虑雨水的滞留和在城市界面上的生态循环过程，由点及面逐步增强城市雨水下渗和涵养的基本生态功能，使改造后的城市硬化表面成为城市生态基础设施的重要组成部分。如图8所示，城市区域范围内的雨水，可以通过整体规划设计及管理的方式（图4），首先通过吸收、下渗滞留一部分雨水，其余的部分经过径流、渗透等过程就近汇集到周边城市湿地、人工湖以及河流系统之中，建设由透水表面联系起来的、参与雨水径流、下渗、蒸发、过滤等自然循环过程的生态水体通道，逐步恢复城市水环境的基本“新陈代谢功能”。3.2不同尺度上的透水景观实践3.21大明宫遗址公园――老城区改造中的透水景观西安大明宫遗址公园是老城区改造的一个透水景观实例，理论上很好的考虑了公园范围内雨水管理的景观和生态效果（图5，6）。主体面积约为3.2万平方公里的园区根据地形情况划分为五个区域，采用雨污分流的形式，将原有合流排水管道改为污水管道，雨水就近分散排入大明宫太液池和护城河等水体。地面铺装方面大量运用了高承载露骨料透水地面、高承载植草地面等透水材料，面积达435000㎡，包括御道广场、倒影广场、玄武门、兴安门、望仙门、九仙门、一二级园路等重要广场和道路以及公园停车场，覆盖了公园96%[11]以上的硬化面积。园区大面积铺设的御道砖和排水沟设计积极参考了中国传统的排水方法。事实上，我国城市雨水利用具有悠久的历史，车马时代的传统园林、庙宇、宅院、街巷都是以砖、石等透水材料铺装而成，其中凝结的古老的排水、透水技术和智慧值得我们在今天的城市雨水环境建设中加以学习和借鉴，并从中获得更为科学、经济、低碳的规划设计方法和手段，这应该是城市透水硬化表面景观规划设计研究中重要的一部分内容。现代的城市透水硬化表面建设也并非必须依靠高科技材料产品和尖端技术才能实施，因为它的造价问题和技术问题或许在西安并不能很快得以解决，面对城市雨水安全和水资源缺乏的现实状况，我们需要更为可行的方法和智慧。3.22曲江新区――现代城市核心区的透水规划在城市区域性透水景观规划设计方面，西安曲江新区为我们提供了一个很好的例子。新区规划面积约15.88平方公里，利用原有地形和湿地条件设计了曲江遗址公园，形成了较大的城市水面和低洼绿地，并根据地势特点，结合人行道的透水表面设计和道路排水，尽可 能引导区内雨水或汇集到曲江水面，或下渗回补地下水，达到雨季防洪，旱季补充湖水水量及城市用水的目的。[8]从道路到街区、从绿地到河湖，最终完成的不仅仅只是硬化表面的透水改造及城图8世园会的活水水系市水资源的补充，也在公园、绿地、湿地、湖面等其它城市生态要素之间建立起了生态的联系通道，为重塑城市整体生态环境系统提供机遇和可能。3.23西安世园会――城市边缘的雨水自然循环过程西安市域范围内湖池众多，历史上黄渠、龙首渠、清明渠、永安渠等引水河渠和长安八水曾经流经或在此存蓄。规划中的“八水”是恢复古城文脉的形态主体，也是大西安城市建设和发展的生态承载面。2011年西安世园会选址在浐灞生态区范围之内，并引灞河之水形成活水景观。本着生态、低碳的原则，园区设计了大面积的透水铺面，是一项结合了园区地形和城市活水水面的生态雨水景观。设计系统的考虑了雨水汇集、下渗、溢流并汇入灞河水系的管理方法，模拟了城市雨水通过城市道路、绿地以及河湖水系，参与城市水环境的自然循环的过程（图7，8）。利用“八水水系”协调和组织雨水在城市中的循环过程，结合水体在城市低洼地或漫滩为雨水保留必要的集散区域，具有可持续的城市生态环境建设意义，有助于逐步恢复“长安八水”的历史文脉，实现西安城市发展愿景。4.结论近年，内涝和干旱正成为中国许多城市水灾城市化的主要问题，更是城市治理和城市现代化亟待解决的问题。随着生态科学的发展和人类对自身生存环境的重新认识，城市硬化表面的生态透水性改造已成为未来城市发展的必然趋势。在城市硬化表面的透水改造过程中，我们应该具备全局性的战略眼光，由于科学技术和施工工艺的发展和完善是一个逐步完成的过程，城市透水表面的改造需要制定和坚持一个长期性的策略，有选择、有计划的逐步分期来完成。对于西安来说，结合城市绿地、湿地、河湖水面等生态元素来考虑的城市硬化表面透水景观规划设计，将会对恢复古城八水之胜景和人居环境有所助益，会为国际化大都市建设提供生态方面的保证和支持。 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