低沖擊式開發(fā)基于LID理念的人工濕地規(guī)劃建設探討以天津空港經濟區(qū)北部人工濕地為例

低沖擊式開發(fā)基于LID理念的人工濕地規(guī)劃建設探討以天津空港經濟區(qū)北部人工濕地為例

在自然條件和人為影響的雙重因素的影響下，中國城市水資源的問題很多。其中,由于城市市政建設規(guī)劃不合理所造成的城市地表水調節(jié)能力低下,城市防洪和抗旱能力明顯不足的問題,近些年在我國大中型城市中顯現(xiàn)無遺。如濟南市7.18暴雨事件、北京市6.13暴雨事件等,不僅使城市各級道路水浸,交通完全癱瘓,甚至造成了人員傷亡。與此同時,隨著生態(tài)城市、宜居城市等概念的不斷涌現(xiàn),城市水環(huán)境作為城市生態(tài)系統(tǒng)中的關鍵要素,已得到越來越多的關注。在眾多的城市水環(huán)境規(guī)劃設計中,對項目水域的關注多集中于景觀審美價值,對于水域改造前后其對城市整體水環(huán)境系統(tǒng)的影響,對相關輻射區(qū)域水調節(jié)能力、微氣候環(huán)境的影響等則顯露出視角單一、思考不足等弊端。這不僅直接導致水景自身水量不足、水質惡化、運營不暢、管理費用居高不下,而且也會對城市水循環(huán)系統(tǒng)的健康運行造成負面影響。因此,本文嘗試將“低沖擊式開發(fā)(LID)”理論應用到空港經濟區(qū)北部人工濕地的規(guī)劃設計中,以期為在現(xiàn)代化城市中創(chuàng)建兼具生態(tài)服務功能和視覺審美功能的城市水環(huán)境提供多目標綜合化的規(guī)劃設計方法。一、低沖擊式開發(fā)的低視閾水系統(tǒng)設計方法“低沖擊式開發(fā)”(lowimpactdevelopment,LID),是美國環(huán)境保護署(USEPA,2007)提出的一項將城市暴雨水管理與城市景觀規(guī)劃設計統(tǒng)一在一起的多目標集合化戰(zhàn)略。其旨在最大限度地從源頭控制徑流,減緩徑流量增加所產生的不良影響,降低徑流接觸并攜帶污染物的可能,從而有效解決目前大型城市中日益嚴重的城市水資源調節(jié)能力低下、水質惡化等一系列城市環(huán)境建設問題。低沖擊式開發(fā)的本質是將雨水視為能夠滋養(yǎng)并改善城市環(huán)境的重要資源。通過城市中LID基礎設施的構建減緩雨水徑流的匯流時間,并在匯流過程中采用自然方式凈化水質并最終儲存起來,以備它用。這將從根本上解決城市水資源調節(jié)能力低、水資源匱乏的問題,也是其與傳統(tǒng)暴雨水管理方法的關鍵區(qū)別之一。另外,LID理念還將傳統(tǒng)暴雨水管理理念從單純專注于水,向與水有關的景觀設計領域延伸,更加關注城市水環(huán)境對于城市生產生活的影響。其認為在城市化背景下雨水資源是城市生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基礎,能夠為居民提供多樣的生態(tài)服務,如提供足量清潔水源、改善動植物棲息地、防洪減災,更涉及到向市民提供游憩、安全庇護、審美和教育場所等等。相信LID理念的出現(xiàn)和實施將極大地有助于推動城市水環(huán)境系統(tǒng)的完善,乃至生態(tài)城市建設的進程。低沖擊式開發(fā)戰(zhàn)略按照應用尺度的不同,可分為場地規(guī)劃和設施設計兩個層面的內容。前者是針對以減少徑流量和徑流擴散面為目的的場地設計策略和空間格局指導;后者是針對模擬自然界從滲透到過濾滯留完整水文過程,同時體現(xiàn)景觀特質的生態(tài)基礎設施的設計,如屋頂花園、旱塘、滲透洼地、生物滯留池以及人工濕地設計等。人工濕地設計是低沖擊式開發(fā)戰(zhàn)略的重要手段之一,其不僅對于城市尺度下徑流擴散面及徑流量具有突出的控制作用,同時在社區(qū)以及更小尺度中具有豐富生物生境、改善微氣候、美化環(huán)境等顯著優(yōu)勢。由此可見,LID理念體現(xiàn)了一種跨學科的思考,不僅提供一種新的水資源管理視角,也蘊含著新的城市景觀規(guī)劃方法論。更為重要的是,LID理念的啟發(fā)意義還體現(xiàn)在強調從單純的“保護”水資源開始走向利用水資源引導城市發(fā)展,從而構建生態(tài)城市的途徑。二、基于李家d概念的飛機經濟區(qū)北部的人工濕地規(guī)劃和設計1.季冷干燥,影響土地的利用天津空港經濟區(qū)地處天津市東麗區(qū)轄內,屬暖溫帶半濕潤季風氣候。春季干旱多風、夏季溫度高濕度大、冬季寒冷干燥是該區(qū)主要氣候特點。年平均降雨量少于600mm,其中75%的降雨集中在夏季,年平均蒸發(fā)量為1805.9mm。區(qū)內新地河、袁家河尚未貫通。散布在區(qū)內的若干坑塘、洼地,尚未得到妥善利用,多因用地需求遭填埋。另外,區(qū)內規(guī)劃綠地形式單一,以草地為主,生物多樣性缺乏且維護費用高昂。2.基于景觀生態(tài)理念的城市社區(qū)景觀格局LID設計理念實現(xiàn)了暴雨水管理從單純地以雨水為中心走向以城區(qū)整體水生態(tài)環(huán)境為研究對象的轉化,強調了暴雨水管理與景觀規(guī)劃設計間的融合與協(xié)作,更強調了在城市健康水環(huán)境系統(tǒng)的基礎上構建科學城市景觀格局的重要性。作為一個兼具景觀效益的生態(tài)基礎設施系統(tǒng)需在三個尺度上來建立,即城區(qū)尺度上LID的總體格局,社區(qū)尺度上LID的控制性規(guī)劃以及場地尺度上LID的修建性設計。本文根據天津空港經濟區(qū)北部人工濕地的區(qū)位特點對其進行了尺度分析(見圖1),并對該濕地的建設目標予以定位(見表1)。3.將形成“渠狀河道串連點狀濕地”空港經濟區(qū)“少雨但降雨集中”的降水特點尤為突出,且區(qū)內水資源循環(huán)調節(jié)能力差,綜合導致枯水期河道水量不足而雨季雨水外排現(xiàn)象嚴重,雨水資源利用率低。因此,規(guī)劃中擬修建北部人工濕地以將散布在該地塊內的若干洼地利用起來,并與袁家河連通,作為全區(qū)“渠狀河道串連點狀濕地”LID總體格局中的示范地。北部規(guī)劃濕地占地2.65km2,容積為0.012km3,主要通過五種方式運作:1)通過蓄水管收集來自屋面、道路、廣場等形成的雨水徑流以及直接接受降落在濕地內的雨水;2)附近居住區(qū)、商業(yè)區(qū)、研發(fā)區(qū)等所產生的生產生活廢水,首先通過污水處理廠初處理后,經調控部分排到濕地內,進行進一步凈化,并保證濕地內一定的水面面積;3)地下水的滲入也將為該人工濕地補充水量;4)考慮采用黏土處理濕地底,以減少濕地滲漏量;5)極端暴雨時期,當水面高度超過設計的暴雨水面標高時,通過底部連通排水管將水匯集到市政排水河道中,迅速排到區(qū)外。4.景觀功能分析模型北部人工濕地采用“物理循環(huán)法+生態(tài)水處理”模式凈化來水,即“動力循環(huán)+功能瀑布+沉淀前池+深淺池組合濕地+尾部充氧”生態(tài)組合處理系統(tǒng)。該人工濕地主功能區(qū)分為:A—D四區(qū)(見圖2)。各分區(qū)簡述如下:(1)跌水假山區(qū)(A區(qū))。考慮到濕地入水需具有充足的水頭,在入水口處設置小型假山一座。假山頂部布有過濾器,來水初步過濾后于假山頂部瀑下,經多級跌水達到曝氣與均勻布水的功效。水流下落過程中會流經假山中部增設的中池,與中池中的塊石填料充分接觸后溶解氧增加,強化過濾后滲透流出。中池是以碎石填料固定而成的單元構成,通過增加水流與填充料間接觸面的比表面積,有效降低水中BOD和COD濃度。不僅如此,入口處的假山也具有極為重要的景觀功能。假山效仿自然山水由黃石堆就而成,高5米,是該人工濕地的制高點,可充分體現(xiàn)景觀審美需求與水質凈化功能間有機結合的設計理念。(2)沉淀前池(B區(qū))。假山下游是鵝卵石圍堰圍合成的沉淀前池。沉淀前池多位于人工濕地入口處,其容積與待沉淀顆粒的粒徑大小及池中水流速度快慢直接相關。一般而言,沉淀前池的面積不超過整個濕地面積的1/5,水深大于1米,以避免已沉淀顆粒二次懸浮情況的發(fā)生。其通過增加過水面積,降低流速,促進水中大顆粒固體懸浮物的沉淀,起到過濾作用,避免沉淀物隨水流進入下游淤塞處理區(qū)增加日后人工濕地管理維護的難度;另一方面,對來水進行均勻調配,保證水流分布均勻地進入下游處理區(qū),為處理區(qū)凈化效力的有效發(fā)揮做準備。由于圍堰左右兩側水深和流速不同,種植的水生植物也有所不同。沉淀池內多以浮水植物為主,而圍堰下游則主要種植挺水植物,兩種植物高低對比豐富了濕地景觀的豎向變化,營造出不同的觀景氛圍。(3)深淺池組合濕地處理區(qū)(C區(qū))。沉淀池下游為濕地主要水質凈化區(qū),采用兩級“淺池+深池”組合凈化模式。淺池中種植以蘆葦、菖蒲,構建表面流型濕地,依靠增加溶解氧,加快有機污染物的降解速度,使BOD、COD含量大幅降低。而深池內則鋪以細沙和碎石,塑造滲透型濕地環(huán)境。滲透型人工濕地可提供厭氧環(huán)境,以利用硝化作用、反硝化作用將N、P轉化為銨離子、硝酸根離子以及磷酸根離子等無機鹽形式,促進植物吸收或生成沉淀。可見,“淺池+深池”交替凈化模式不僅有利于借助深淺池間的壟降低流速,增加水流在濕地內的滯留時間,而且可以塑造好氧環(huán)境與厭氧環(huán)境交替出現(xiàn)的濕地模式,促使水質凈化效果明顯高效。(4)尾端凈化處理區(qū)(D區(qū))。在濕地尾端凈化處理區(qū)內,設置堆石跌水一座,噴泉10對,在增加溶解氧強化凈化的同時提升水流動勢能,促進濕地與外圍水環(huán)境間的交流和循環(huán)。另外,由于該區(qū)域內水質已完全滿足景觀水要求,噴泉與跌水的設計可與親水平臺形成極佳的對景關系,吸引游人駐足觀景。三、反映李d概念的北方濕地景觀設計1.增加水流路徑濕地內水流路徑越長,凈化功效越易發(fā)揮,因此人工濕地岸線多采用自然流線型。本案例在濕地處理區(qū)的兩個淺池中增設2組導流丁壩,通過引導水流,增長水流路徑,增加濕地內水流滯留時間、降低流速,達到增強凈化功效的作用。丁壩兩側可種植蘆葦、水蔥等挺水植物,利用蘆葦根部的吸收和呼吸作用以及微生物的分解作用,去除水中大部分有機質及BOD、COD。而丁壩上,可根據其面積適當種植小型喬灌木,一方面有助于預防水土流失,更重要的是可以加強濕地岸線變化,豐富綠化層次,增加審美情趣。需要強調的是,導流丁壩的選址和形式需認真考量,保證曲水流暢,以避免局部形成死水區(qū)。2.游線及親水設施配套隨著人工濕地自東向西水質不斷改善,其凈化功能不斷弱化,景觀功能逐漸凸顯。按照游人觀景方式的不同自東向西可分為遠觀區(qū)、近觀區(qū)和參與區(qū)(見圖3)。遠觀區(qū)位于人工濕地初段深池南岸,由于此時來水僅經過沉淀前池初步過濾沉淀,水質標準較低,因此設計時需保證游人與水岸間有一定間隔距離。一方面避免游人活動對于濕地初段處理功效的不良影響,另一方面保證游人觀景的安全和舒適度。因此,該區(qū)不設觀景平臺,僅以廊道方式滿足游人觀景要求。游線安排為直線,以縮短游人在區(qū)內的停留時間,在近水端設置水質監(jiān)測點和水樣提取點。近觀區(qū)位于二段深池南岸,該區(qū)段內水質已有很大提高。區(qū)內沿水岸由近到遠分三級布設棧橋在疏導人流的同時豐富游線層次,局部滿足親水要求。區(qū)內主要觀景平臺及部分游步道上設置有濕地處理工藝展示牌、水生植物特性介紹欄等,在滿足游人駐足觀景需求的同時兼具生態(tài)教育宣傳功能。參與區(qū)位于人工濕地出口深池南岸,此處池水已達到國家景觀水標準,因此該區(qū)內的景觀設計著重體現(xiàn)“樂水”的景觀主題,多方面滿足游人親水的需求。區(qū)內依靠觀景平臺的高差設計滿足多樣的觀景感受:低處,采用自然駁岸形式,提供豐富的親水方式;高處,亭臺與不遠處的跌水和噴泉水景形成極佳的對景關系,豐富視聽感受。3.濕地景觀植物配置從功能角度考慮,沉淀前池中選取發(fā)達莖葉類植物為優(yōu)勢物種以阻擋水流、促進泥沙沉降。集中種植發(fā)達根系類水生植物于濕地處理區(qū),以溶解營養(yǎng)物質并吸收,將有機物礦質化。在出口深池附近種植大面積沉水植物做最后凈化,并向魚類提供豐富餌料,全面發(fā)揮濕地生態(tài)系統(tǒng)的經濟效益。從生態(tài)角度考慮,岸上喬木、灌木、花卉、地被植物交互組合種植,以形成陸上生態(tài)系統(tǒng)相對穩(wěn)定的混交植被。水生植物則根據不同水力條件選擇植物:沉水植物帶主要分布在水深大于0.5m的中央深水區(qū),主要種植黑藻、穗狀狐尾藻和竹葉眼子菜。浮水植物帶外側與挺水植物帶相接,內側一直延伸到濕地中心,擬配置睡蓮、芡實和荇菜。挺水植物帶分布于靠近兩岸及浮島邊緣的區(qū)域,可自岸邊向中心水域延伸4～6m,適宜水深0～0.5m。擬配置水蔥、香蒲、菖蒲、千屈菜、蘆葦和荷花等植物。草本植物多布置于水岸邊緣,主要選用紅蓼、芍藥及桔梗等(見圖4)。從景觀角度考慮,植物配置對于濕地景觀空間層次、色彩豐度、觀景視線的塑造具有直接影響。本案例中,濕地最外圍成排種植速生樹種塑造豎向界面,其作為濕地景觀的基底背景既可隔離外圍干擾又可界定空間,強化場地感。緊鄰外圍速生植物帶的是由小型喬、灌木組成的綠化群,采用點狀、叢狀種植方式。這片區(qū)的植物配置強調三個方面:1)其與水岸景觀的呼應,著重考慮水中倒影與真實植物間的層次關系;2)濕地內次級空間的塑造,結合岸線塑造亦張亦弛的景觀空間變化序列;3)植物色彩的配置。片區(qū)內開花植物的花季及色彩對于整體景觀色彩的豐度及四季景觀的變化影響突出。近岸草本植物帶和水生植物帶的綠化設計在滿足植物生長適宜性的基礎上依據由密漸疏、由高漸低、由規(guī)則漸自然的原則配置,以保證近水空間的層次感及觀景視線的暢通。四、基于低影響開發(fā)的城市景觀營造策略城市水環(huán)境重要但敏感,科學建立城市水環(huán)境系統(tǒng)與城市規(guī)劃發(fā)展間的和諧關系,充分發(fā)揮其生態(tài)服務功能是目前城市規(guī)劃建設領域研究的重要課題。而LID概念所提出的將城市暴雨水管理與城市景觀規(guī)劃設計統(tǒng)一在一起的多目標集合化戰(zhàn)略思想能夠為在構建健康、合理的城市水環(huán)境系統(tǒng)的同時美化城市景觀,促進城市可持續(xù)發(fā)展提供重要指導。可見,LID理念為城市生態(tài)景觀的規(guī)劃設計提供了一種新的思想和方法。對于空港經濟區(qū)北部人工濕地而言,本文分別對其進行了LID理論下宏觀、中觀和微觀分析,明確其功能定位后提出了詳細的設計方案和