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。隨著中國政府日益關(guān)注環(huán)境問題,許多城市新區(qū)的建設(shè)過程中環(huán)境價(jià)值觀也不斷更新,這正是水敏性城市設(shè)計(jì)(WateSensitiveUrbanDesign,簡稱WSUD)有望為中國新興城區(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和黃壁莊水庫。近年來,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題正逐步突顯。岳陽地處洞庭湖側(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。洞庭湖是中國第二大淡水湖,也是長江主要的洪泛區(qū),每年7—9月長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類和鳥類的生存帶來了嚴(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(來自特定的源頭)和非點(diǎn)源污染(來自大面積分散的區(qū)域)。在石家莊和岳陽項(xiàng)目中,屬于點(diǎn)源污染的主要有垃圾埋填場、老舊工廠和建筑垃圾場等,這些場地積累、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。這些污染物通過雨水徑流匯入地表水和地下水,最終歸入海洋。目前中國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,并將之用于中國的水體景觀項(xiàng)目中;其次,要了解中國匯水區(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)識到不同的土地利用方式可以帶來許多從雨水徑流中收集和過濾污染物的機(jī)會,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)長期干旱情況下日益突出的雨水管理問題。這一概念可通過跨專業(yè)手段解決以下問題: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;使用雨水代替自來水。澳大利亞和中國的城市開發(fā)進(jìn)程十分不同,但2個(gè)國家在力爭保護(hù)城市生態(tài)環(huán)境的認(rèn)識上是高度一致的。要理解WSUD原則,先要對相關(guān)的水科學(xué)原理有一個(gè)清晰的認(rèn)識。影響水質(zhì)的因子主要有5個(gè):溫度、含氧量、溶解態(tài)營養(yǎng)物、生物有機(jī)體和固體不溶物含量。在新城區(qū)的開發(fā)建設(shè)中通過規(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)對于許多水生物種來說,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18oC。隨著城市化進(jìn)程的加速,道路、停車場、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,帶來熱污染,引起諸多水質(zhì)問題,尤其在夏季最為突出。因此,WSUD的首要原則是通過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)而引起新陳代謝問題,使得許多已經(jīng)適應(yīng)了較涼爽條件的水生生物無法適應(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)還會引起水華和蚊蟲滋生等問題。因此,WSUD原則之二是結(jié)合場地自身的特點(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光合作用產(chǎn)生氧氣,在夜間通過呼吸作用消耗氧氣。因此,水體中溶解氧的主要來源并非水生植物,而是通過風(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)營養(yǎng)鹽是植物生長所必需的,來自于土壤和巖石。而某些元素的營養(yǎng)鹽,尤其是氮(N)、磷(P),在水中積聚過量,即水體富營養(yǎng)化時(shí),將引起某些物種的過度生長,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。這些營養(yǎng)鹽的來源有: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)等無機(jī)形式,然后,又通過人類和動(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,這才是植物生長所需氮元素的主要來源。水體中的硝酸鹽過量會刺激光合微生物的生長,而亞硝酸鹽含量過高則會影響動(dòng)物血液中的供氧。水體中的磷元素來自于巖石風(fēng)化產(chǎn)生的3種鹽:正磷酸鹽(-PO4,最普遍的無機(jī)形式)、偏磷酸鹽(-PO3,常見于洗滌劑和水處理工藝中)和有機(jī)磷酸鹽(常見于動(dòng)植物體和土壤沉積物中)。磷對于植物和動(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量積累導(dǎo)致水體中的營養(yǎng)鹽負(fù)荷失衡,從而促進(jìn)水體中的微生物、藻類的過度生長。因此,WSUD的第4條原則是通過降低各種有機(jī)、無機(jī)廢物向水體的過量輸入,控制溶解態(tài)營養(yǎng)物的進(jìn)入,減緩水體富營養(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)通過加油站、車庫、停車場、洗車處、建筑工地以及各類道路和高速公路等進(jìn)入水體。過多的不溶性物質(zhì)使得水體渾濁度升高,水體中陽光的入射減少,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,而垃圾的沉降、滲濾及其排放均會引起水體污染。因此,WSUD原則之五是通過建立各式植被緩沖過濾帶,吸收、過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,會減少陽光的入射,水體中溶解氧含量降低,并且其死亡后的分解會加速耗氧,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),另一常見的情形是利用植物體建設(shè)人工濕地,通過多種沉水、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,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)的效用難于評估,無不影響著濕地作用的發(fā)揮。而值得思考的是中國的傳統(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,通過建立長期穩(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,這些挖沙場將被回填至10~15m深,形成河床中的低水溫區(qū)域。而岳陽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)將起到遮陽及降低水溫的作用(圖2)。對于水流季節(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)、存儲和曝氣等功能(圖3)。而岳陽項(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為水生生物起到遮陽作用,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),倒伏的樹木枝干成為青蛙、小型魚類和無脊椎動(dòng)物的棲息地,為構(gòu)建水陸過渡帶生態(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)對中國的河流匯水區(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)戶過度使用化學(xué)肥料與殺蟲劑,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,也可通過其他途徑(如改變農(nóng)業(yè)項(xiàng)目方案等)來改變土地的使用方式,實(shí)現(xiàn)社會、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)、綠化對肥料的施用?，F(xiàn)場嚴(yán)格處理污水,可減少來自家庭、工業(yè)與市政設(shè)施的磷酸鹽;新城區(qū)通過分開設(shè)置灰水系統(tǒng)(來自洗衣、洗碗、洗車及衛(wèi)浴用水)與黑水系統(tǒng)(來自衛(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,短期的確帶來一些經(jīng)濟(jì)效益,但長遠(yuǎn)來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)際上這些有限的開放空間又常被不透水材料覆蓋。中國的河漫灘及三角洲地帶普遍為排水性差的高黏性土壤,雨洪常通過管線直接排入河道水渠,石家莊和岳陽同樣如此。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?？紤]到行人的感受,開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(圖5~7)。路面雨水徑流是最為棘手的問題。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