水敏性新城河道景观wsud设计研究

水敏性新城河道景观wsud设计研究

该地区的水质在很大程度上取决于该地区湖泊汇水区的土地利用和管理政策。随着中国政府日益关注环境问题,许多城市新区的建设过程中环境价值观也不断更新,这正是水敏性城市设计(WateSensitiveUrbanDesign,简称WSUD)有望为中国新兴城区的可持续性水资源管理作出贡献的大好契机。1点源污染和非点式污染源本文的2个案例,河北省石家庄市滹沱河生态景观规划设计和岳阳市环城区水系王家河风光带景观规划设计,正是对WSUD应用的有益探索。滹沱河位于河北省石家庄北,起于山西省境内的泰戏山,一直流入河北省境内的子牙河,形成海河河系的一部分,最终归入渤海。石家庄市位于滹沱河以南的滹沱河冲积平原上,北接县级市正定,半干旱季风气候使之年降水量的2/3集中于7、8两月。石家庄以西已建成岗南水库和黄壁庄水库。近年来,石家庄市的快速发展使得城市需水量激增,流域中非承压含水层和自流含水层被大规模开采,如今的滹沱河已成为一条季节性河流,同时地下水位降低、地表沉降和土壤盐碱化等问题正逐步突显。岳阳地处洞庭湖侧,位于湘江、资江、沅江、澧水及其支流在汇入长江之前所形成的洪泛平原上,亚热带季风气候,年降水量约1200~1700mm,主要集中在春夏两季。洞庭湖是中国第二大淡水湖,也是长江主要的洪泛区,每年7—9月长江洪水的流入使其面积增至3900km2。王家河正是其中汇入洞庭湖的一条支流。如今大量泥沙的流入使得洞庭湖容量日渐缩小,农业污染物、工业废水、生活污水的排放给鱼类和鸟类的生存带来了严重威胁。根据污染物排放到水体中的方式,可分为2类:点源污染(来自特定的源头)和非点源污染(来自大面积分散的区域)。在石家庄和岳阳项目中,属于点源污染的主要有垃圾埋填场、老旧工厂和建筑垃圾场等,这些场地积累、产生和释放有害污染物,源头易于确定和清理。而属于非点源污染的,则包括农药、化肥、洗涤剂、生活垃圾、老式化粪池、车辆排出废气、道路污染物、建筑垃圾、土壤沉积物以及植物残体等各类污染,清理十分困难。这些污染物通过雨水径流汇入地表水和地下水,最终归入海洋。目前中国虽然在管理非法倾倒废物,即处理点式污染源方面做了许多努力,但在城市的雨水管理,即处理非点式污染源方面仍有很大不足。这里首先要理解WSUD原理,并将之用于中国的水体景观项目中;其次,要了解中国汇水区域河流的自然属性和污染物的特性(表1、图1);第三,要认识到不同的土地利用方式可以带来许多从雨水径流中收集和过滤污染物的机会,阻止污染物进入地表径流和含水层。2改善城市水体水质水敏性城市设计概念起源于20世纪90年代的澳大利亚,旨在回应长期干旱情况下日益突出的雨水管理问题。这一概念可通过跨专业手段解决以下问题:保护城市的自然水系;改善城市的排水水质;整合城市的雨水管理、野生生物栖息、公共休闲和视觉景观等不同功能用地;降低城市的雨水径流量和高峰径流量;将城市排水设施建设减至最小;使用雨水代替自来水。澳大利亚和中国的城市开发进程十分不同,但2个国家在力争保护城市生态环境的认识上是高度一致的。要理解WSUD原则,先要对相关的水科学原理有一个清晰的认识。影响水质的因子主要有5个:温度、含氧量、溶解态营养物、生物有机体和固体不溶物含量。在新城区的开发建设中通过规划设计全面处理这些因子,将直接改善城市水体的水质。WSUD有以下6项基本原则。2.1地表径流的不透水性在城市绿地系统中的应用,引起地表热染水体温度的提高,将直接导致氧气等有益气体的溶解度的降低和盐分等有害固体溶解度的提高。同时对于许多水生物种来说,温水不亚于一剂毒药。水生物种的最适宜水温由当地的气候条件决定并因流域而异,一般情况下不宜超过18oC。随着城市化进程的加速,道路、停车场、铺地、屋顶等不透水表面代替了透水性的农业、林业用地,地表的不透水性日益增加。城市热岛使得从这些表面汇入地表径流的水体跟着升温,除此之外,发电站的冷却工艺也经常向江河湖泊排放热水,带来热污染,引起诸多水质问题,尤其在夏季最为突出。因此,WSUD的首要原则是通过减少不透水地表面积,增加可渗透性地表,提高底土层入渗量,将减缓雨水径流的速度,从而降低水体温度,提高水体氧气溶解度,同时降低盐分等有害固体溶解度,并且还可以通过水体自然渗漏达到补充地下水资源的作用。2.2wsed原则缺乏流动性的水体由于缺乏氧气供应、水温升高、有害盐类含量升高等因素,影响酶的功能发挥,进而引起新陈代谢问题,使得许多已经适应了较凉爽条件的水生生物无法适应而死去,最终破坏整个水生环境的生态链。另外,死水中的生物体难以得到代谢和清除,生物残体沉积腐烂,在败坏水质的同时还会引起水华和蚊虫滋生等问题。因此,WSUD原则之二是结合场地自身的特点及功能,创造性地制造水体流动,保持水体的交换、连通,改善水质,提高水体活性。水体在持续的流动循环过程中得到物理、化学、生物等不同方式的净化,提高了水中的含氧量,并且控制微生物的含量。2.3生物的能力水体中的水生植物在白天通过光合作用产生氧气,在夜间通过呼吸作用消耗氧气。因此,水体中溶解氧的主要来源并非水生植物,而是通过风和流水的作用产生湍流,湍流将大气中的氧气和水混合在一起。不同物种对低溶氧量的忍耐度不同,但是如果溶氧量低于4mg/L,大多数形式的水生生物就危在旦夕了。因此,WSUD原则之三是保持河流水道的曲折多变和多样的河床形态,江河溪流中的水体蜿蜒移动时,自然通风和凸凹不平的河床共同作用产生湍流,将大气中的氧气和水混合在一起,提高水中的溶解氧,并使水体保持适宜的温度,同时也为水体底栖生物提供多样的栖息场所。2.4水体中的养分nh3和双现行工艺原素适量的溶解态营养盐是植物生长所必需的,来自于土壤和岩石。而某些元素的营养盐,尤其是氮(N)、磷(P),在水中积聚过量,即水体富营养化时,将引起某些物种的过度生长,进而使整个水域的生态平衡被破坏,蓝藻水华就是典型的一例。这些营养盐的来源有:从农垦区、公园和园林释放的农药、化肥;从高强度牲畜生产基地排放的动物粪便;从工厂、汽车、污水处理厂、化粪池系统和生活垃圾倾倒场排出的排放物、粪便、洗涤剂等;以及水中积聚的植物或动物残骸。豆科植物、某些藻类和雷雨闪电把空气中的氮元素转化为硝酸盐(-NO3)和亚硝酸盐(-NO2)等无机形式,然后,又通过人类和动物粪便、植物残骸转化成为碳络合物(-NH2)的有机形式,进而分解成为铵(NH4)和硝酸盐,这才是植物生长所需氮元素的主要来源。水体中的硝酸盐过量会刺激光合微生物的生长,而亚硝酸盐含量过高则会影响动物血液中的供氧。水体中的磷元素来自于岩石风化产生的3种盐:正磷酸盐(-PO4,最普遍的无机形式)、偏磷酸盐(-PO3,常见于洗涤剂和水处理工艺中)和有机磷酸盐(常见于动植物体和土壤沉积物中)。磷对于植物和动物细胞中的基因复制、能量的使用和存储非常重要。磷酸盐化肥、洗涤剂和有机物在雨水径流中的过量积累导致水体中的营养盐负荷失衡,从而促进水体中的微生物、藻类的过度生长。因此,WSUD的第4条原则是通过降低各种有机、无机废物向水体的过量输入,控制溶解态营养物的进入,减缓水体富营养化进程,从而改善水体质量。2.5水体形态的危害影响水质的不溶性物质有油类、油脂、表面活性剂、沙子、土壤颗粒、石油烃、重金属、严重污染物与垃圾等。其中多数通过加油站、车库、停车场、洗车处、建筑工地以及各类道路和高速公路等进入水体。过多的不溶性物质使得水体浑浊度升高,水体中阳光的入射减少,进而影响水中植物的光合作用,严重的还会导致其死亡,并影响以该物种为食的其他水生生物的生存,最终破坏整个水生境的生态平衡。而漂浮于水体表面的油类、油脂与石油副产品等将会降低水体与大气间的气体交换,从而影响到水生生物的生存。粘附于沉积物上的重金属、垃圾和污染物,常常被直接倾倒在河流沿岸区域,或与挖掘的土壤混合后作沿河道填充之用,这将危害到沿岸植物群落的生长,而垃圾的沉降、渗滤及其排放均会引起水体污染。因此,WSUD原则之五是通过建立各式植被缓冲过滤带,吸收、过滤河道及其邻近水体排入的不溶物质,降低水体混浊度,提高水生植物光合作用能力,改善水环境生态。2.6人工湿地建设许多城市水体中都可见到生物体(如浮游植物和藻类等)繁盛的状况,这些生物体的大量繁殖,会减少阳光的入射,水体中溶解氧含量降低,并且其死亡后的分解会加速耗氧,极端情况下引发赤潮,进而引起其他水生生物死亡,破坏水生态系统平衡。与此同时,另一常见的情形是利用植物体建设人工湿地,通过多种沉水、浮水、挺水以及湿生植物群落组成雨水滞留、净化系统,以改善水体质量,美化滨水景观。但实际看来,由于水生态系统的复杂性,人工湿地在改善水质方面的效用发挥程度差别巨大,并且人工湿地系统的效用难于评估,无不影响着湿地作用的发挥。而值得思考的是中国的传统农业生产为我们提供了某些处理水质的独特方法,如传统的水稻梯田与养鱼季节性轮作,其作用如同天然湿地,在减少肥沃土壤流失的同时,将野草、蚊虫的危害降到最低。相反,现代种植业追求快速经济回报,则较多使用旱地种植方式和更多的化肥、杀虫剂和除草剂等化学物质。WSUD原则之六,是慎重选择生态可持续的方式,通过建立长期稳定的水生态系统,达到改善水环境品质的目的。3应用wsud景观策略3.1水环境的生态设计石家庄和岳阳2个项目均位于城市新区主要河流沿岸地带。了解这些滨水带所在的汇水区背景特征,将有助于建设新城区健康的水体环境。2处汇水区土地均以农业生产为主,北部多为谷类作物,南部多为水稻,靠近村庄则多为蔬菜种植。小规模低级工业企业占据了城市空地,其他较为大型的工业企业,如岳阳的砖厂和石家庄的制造厂等均已面临倒闭。跨越水体的2~6车道的公路正在建设施工中。为了减少来自交通、农业和工业用地的污染物,至关重要的是需要沿水体修建绿地缓冲带,并依据两地不同的地域特征制定景观方案。位于石家庄平坦地形上的滹沱河,河道宽而浅,最宽处达到2km,深度除建筑施工的挖沙场处可达30m外,平均水深不足3m。在景观规划中,这些挖沙场将被回填至10~15m深,形成河床中的低水温区域。而岳阳市王家河沿岸的丘陵地形,则使得环绕陡峭山体蜿蜒行进的水流保持较低的温度,尤其在夏日炎热时段内将起到遮阳及降低水温的作用(图2)。对于水流季节性变化的考虑也十分重要。项目中在丰水期暂时蓄水于较深塘内,而枯水期再缓慢放水到河道。石家庄项目通过加强河道与邻近水渠以及支流的连通,使整个新城区的水体均能实现循环、存储和曝气等功能(图3)。而岳阳项目中,则连通了项目河道西岸的深塘(5m)、水渠和支流,以维持水体的流动性。沿河两岸的悬垂植被则会为水生生物起到遮阳作用,并且防止土壤侵蚀。石家庄项目中的岛屿环境区内,倒伏的树木枝干成为青蛙、小型鱼类和无脊椎动物的栖息地,为构建水陆过渡带生态环境提供可能。有利于形成水体涡流和多样性生物栖息地的理想情况是,尺度大小不一的岩石、砂砾和泥沙组成河床的75%,余下25%则被空隙占据。3.2效率、效益与空间的转化现代农业对中国的河流汇水区有多种负面影响:一年生作物可使肥沃的表土层裸露在外,在旱季与雨季分别受到风力和水力侵蚀的破坏,最终流入江河、溪流、湖泊等各种形式的水体中;小农户过度使用化学肥料与杀虫剂,改变了水体的化学成分,打破了水体的自然生态平衡;水携带着未经处理的动物粪便、肥料与家庭污水传播疾病,而水中有机物的分解又导致水体需氧量的增加;无机、有机污染物、沉积物被冲到下游区域积聚等。但是农业用地的改变与农民的再安置并非唯一的解决方法,也可通过其他途径(如改变农业项目方案等)来改变土地的使用方式,实现社会、经济与环境效益。土壤分析与监控可降低农业、绿化对肥料的施用。现场严格处理污水,可减少来自家庭、工业与市政设施的磷酸盐;新城区通过分开设置灰水系统(来自洗衣、洗碗、洗车及卫浴用水)与黑水系统(来自卫生间排水、工业排水),将大大有助于农业与绿化灌溉用水的循环利用;制订详尽的土地利用规划并展开教育,将传统农业转变为有机农业,从而实现农业和土地效益的增值(图4)。以上策略在现阶段仍具一定的理想性,却提供了一种转换的思路。目前农业用地向商业或居住用地的转换十分普遍,短期的确带来一些经济效益,但长远来看必然减少了土地管理方式的多样化选择。高产的土地尤其滨水地带,是必须保护的珍贵财富。因此,在城市新区将滨水地带加以保护,发挥其生产、游憩和生物保护作用,对城市可持续发展具有战略意义。3.3雨水收集和地表净化中国的新建居住区规定必须达到30%以上的绿地率,而实际上这些有限的开放空间又常被不透水材料覆盖。中国的河漫滩及三角洲地带普遍为排水性差的高黏性土壤,雨洪常通过管线直接排入河道水渠,石家庄和岳阳同样如此。要改善城市水环境品质,传统的管渠排水方式就必须改进。因此2个项目中的策略包括:在住区、商业区现场收集和再利用雨水;建筑及施工工地与水体之间必须保留一定的退界;采用特定做法的屋顶花园和垂直绿化可有效减少高峰径流量,减少热辐射,降低建筑表面温度;多余雨水,直接从蓄水箱或者屋顶流入干/湿式植栽沟和景观湿地。考虑到行人的感受,开放式植栽沟将与道路绿化隔离带结合并沿道路设置,积累、过滤污染物;沿水体边界,在波动水位线上下留出足够的植被缓冲带空间,道路与水体之间也应以植被带隔开(图5~7)。路面雨水径流是最为棘手的问题。路面往往承担着巨大负荷。沥青和混凝土都是非渗透性材料,由回收玻璃、陶瓷以及疏松多孔骨料制成的新型建筑材料则具可渗透性,因此可通过调整材料中的渗透性和非渗透性骨料的配比,铺筑不同使用强度的路面;提高而非降低道路路