城市洪涝风险防控的生态修复途径

李弘 王彬郦 孟格蕾 向亚玲

摘要：人类面临的水问题，体现为水的质、量和时机问题。流域自然水循环的扰乱和破坏，是城市造成城市内涝的根源。伴随城市化过程的绿色空间压缩、不透水面积增加、社会水循环影响增加等，最终都通过对自然水循环的扰动，产生同时存在的水资源短缺与洪涝及水源污染等问题。摈弃单纯凭借灰色基础设施的抵御、抗击思维，运用生态智慧，建设绿色基础设施，恢复和增加城市流域内的绿色空间，以实现水的分散积存、自然渗透、自然蒸发、自然净化、恢复水的自然循环过程为目的和方式的城市生态修复，是基于自然的城市洪涝问题解决方案。将生态智慧融入城市设计与规划，生态修复成为城市规划与建设的日常，是解决洪涝问题的长久之路。

关键词：城市水循环;城市化;洪涝;生态修复

一、前言

人类赖以生存的水资源保障，来自水的自然循環。人类选择依水而居，城市因水而兴。城市化与气候变化以一种难以置信、不易察觉的方式，改变了自然水循环，引发了以内涝、洪灾、污染为主的一系列城市水问题，也改变了城市与自然的关系。自从有了城市，人类就开始了治水的历史。长期以来，城市治水更多地体现为河流的治理。由于历史原因，我国水系统多头管理、九龙治水的局面至今未有明显改观。由于缺乏系统的基于水文循环、空间管理的理论和行动框架，生态修复概念的模式化、修复目标的静态化、泛化与实践中生态修复工作局部化、碎片化，导致无论是指导思想还是现实行为中，城市防洪涝与生态修复的目标、方式未能统一。防洪与生态修复之间隐性而必然的内在联系未能充分得到各方的共识。本文梳理了近年来城市洪涝问题的根源及应对策略的最新研究和实践，指出城市水问题的根源是流域土地利用与覆盖变化（LULC）引起的水循环改变。作为解决城市洪涝问题的新途径，促进恢复自然水循环、提高流域积存能力、降低洪峰流量及流速、推迟洪峰等功能，是生态修复的目标和结果。绿色基础设施（GI），是生态修复的体现形式。

二、水循环关键环节的改变引起水患

城市化过程中土地利用、土地覆盖变化，以及受其影响的水文循环紊乱，是水问题产生的根源。伴随着土地利用与覆盖产生变化及其影响下的水文循环的恶化，生态系统表现出以生物多样性丧失为代表的结构和功能退化。[1]退化的生态系统，丧失了水文调节功能，通过其反馈机制，影响水循环，进而引起水资源、水环境、水生态、水安全问题。研究表明，在土地利用类型、不透水面积、水面比例、径流利用率、河网密度等诸多可量化的因素中，土地利用类型和不透水下垫面面积对城市化地区水文变化的影响尤为显著。[2]随着城市化进程的加快和城市面积扩大，大量土地成为建成空间（Built Space/ Built Environment）。在变化的城市环境梯度中，工业生产、物流等商业化的人类活动场所日益密集，城市与自然环境之间的相互影响逐渐加强，受气候变化、城市热岛效应引起的蒸发加快而蒸腾作用不足等，形成城市特有的“城市水循环（UWC）”。在有限的土地存量条件下，城市管理者总是以牺牲城市绿地为主的开放空间（Open Space）为代价来满足城市扩展、人口、产业经济发展的土地需要。城市化导致的植被受破坏、土地利用状况改变，土壤表面良好的透水性遭到破坏、不透水下垫面大量增加， 使得城市地区的水文过程发生巨大变化，导致了城市独有的降雨强度不均、内涝及面源污染严重、河道负荷增大、岸带空间受到挤压，水体被隔绝孤立现象，产生“城市水综合症”。[3]森林、绿地面积减少，改变了水循环中最为重要的以流域为单元、以蒸散发、土壤下渗为关键环节的“小循环”部分，是流域水循环历程改变的推动力量。[4]城市化过程中强烈的人类活动使土地自然地形和地表植被遭受到严重破坏，河流、坑塘、湿地等被占用、改造或消失，绿地面积、植被覆盖进一步下降、蒸散发减少。随着不透水面积的增加，降雨无法下渗进入绿水流，而是形成地面径流，自然循环通量下降，最终造成流域尺度水量失衡。伴随城市化进程和人类活动的“取水—给水—用水—排水—污水处理—再生回用”等路径构成的社会水循环，分流了自然循环的流通水量、延长了循环路径，改变了降水、蒸发、入渗、产流和汇流等水循环各个环节，使原有的流域水循环系统由单一的受自然主导的循环过程转变为受自然和社会共同影响、共同作用的新的水循环系统，称为“天然-人工”或“自然-社会”二元水循环系统。[5]城市地区密集的生产、生活活动制造的大量污染，由于植被覆盖减少，对污染物的消解和拦截作用下降，无法阻止这些污染以点源、非点源形式进入地表、地下径流。污染不仅引起水质问题及因水质恶化而生的水生态退化，而且造成有效循环通量下降和水资源的减少，形成水质型资源短缺。城市流域自然水循环失调导致降雨形成条件和特征改变，干旱、暴雨洪涝灾害风险也随之增加。下垫面透水性降低是水患的直接原因。降雨在不透水陆地表面汇集产流，增加了极端水文事件发生的概率，需要水时缺水，不需要水时洪水却肆虐成灾，形成水的时机失当。由图1可见，不透水地面面积对雨水下渗、蒸散发及地表径流产流巨大影响。自然陆地条件下，降雨的50%土壤下渗，40%经蒸散发返回大气，只有10%转化为地表径流;当土地不透水面积比例达到35～50%时，蒸散发和下渗量各占降雨量的35%，而当土地表面不透水部分的比例达到75～100%时，土壤下渗只有将近15%，蒸散发量下降到30%，而高达55%的降雨将在地面汇聚，成为地表径流。[6]

三、城市化进程中城市河流问题

“城市水系统”是城市地区自然形成和人工造就的水的形态、水设施和活动的总和，而传统上城市水系统则更多地指包括流经、存在于城市地表的河流、沟渠、湖泊及水库。与流域江河水系相比，城市河流更集中地代表了人类与自然、人类与城市的交互影响的密切关系，更多、更显著地体现土地利用与覆盖、人类活动的影响。一方面，城市的经济、社会活动高度依赖城市河流提供的防洪、供水、排水等功能;另一方面，城市高强度的经济、社会活动对河流的形态、水流、水质、泥沙输移有显著的影响。自从有了城市，河流就承担着水源地和水、污染汇集、输送和转化渠道的多重作用。河流成为最重要的城市生态空间，是对人口、城市化压力的缓冲区，是城市景观和文化的组成部分。同时，河流还是地表径流的最终归宿，是城市蓝色基础设施的典型代表。随着城市水循环紊乱、降雨不均衡、极端降暴雨发生概率增大，河流越来越成为城市水安全风险潜在的主要来源。

城市化改变了地形、地貌、地质条件，城市地区不透水面积的增加，形成额外产流能力，在暴雨条件下降雨更多地转化为流量和能量集中的地表径流，加大了水流的侵蚀能力，造成水土流失加剧，土壤侵蚀产生大量的泥沙淤积，造成排洪沟渠、下水道、河道等设施排洪泄洪能力降低。为了抵御洪水而进行的河流整治、沟渠化、河岸硬质化、截弯取直、河岸加固，提高了河道行洪能力，满足了航运需要，却严重破坏了河流的自然形态，隔断了河流与周围环境的连通，岸带开发引起的缓冲带压缩甚至消失，水的横向运动空间急剧缩减，导致形态异质化降低，栖息地单一化，生态退化，逐步丧失河流原有的功能。随着城市生活对河流的景观、休憩、旅游、亲水休闲、文化等方面的需求不断提高，滨水娱乐、垂钓设施、亲水平台、航运码头等河滨带园林化、功能化建设都直接或间接地改变了河流形态与动态空间。受多重胁迫的影响，最终造成河流水生态扰动，蓄水排涝能力、自我调节能力、自净能力的下降甚至完全丧失，洪灾风险增加。随着技术的进步，拥有更新型的材料、更优化的流体力学设计的城市管理者对以钢筋水泥为主的水利设施（称为灰色设施）防洪排涝能力过于自信，注重更为坚固的“硬工程”灰色防洪基础设施，却忽略了开放空间的价值，对水动力学、水文循环的认识与重视不足。[7][8]随着极端、集中降雨逐渐增多和城市下垫面透水性降低，更多的降雨以雨洪径流的形式排入河流，致使河流洪涝灾害日趋频繁且强度不断增大，甚至直接导致内涝。[9]特别是在人口、财产高度集中且人口密度不断增长的城市地区，受洪涝灾害的影响更为明显。[10]

四、城市治水：河流为标，陆地为本

健康的河流，是以冲蚀、底泥输移及沉积为特征，自由流动的河流需要适度的洪水冲蚀以维持动态的水生态系统稳定。[11]在变化的環境中，自然河流的形态和生物多样性受河流水流情势及允许其自我调整的廊道空间的支配。[12]在城市化环境梯度中，很多河流已经丧失了自我恢复调整的廊道空间。城市河流特有的问题与环境现状，决定了在多数城市同时存在水资源短缺、防涝压力日益增大、污染治理的难题，也就是水资源、水安全和水环境问题共存，而代表水安全的防洪排涝，一直是城市河流管理无法回避的首要问题。

虽然统称为Flooding的“洪水”的定义具有灾害意味，但实际上只有极端性的（如暴雨在不透水陆地形成能量集中的径流）洪水才构成灾害风险。造成极端性洪水的原因主要有暴雨引起的地表集中产流（Pluvial flood）和河湖等水体的外溢（Fluvial flood）。极端性洪水被定义为“水深或排水量超过某一个特定的时段（如30年、50年、100年）水文记录均值两倍标准偏差的洪水”。[13]极端性洪水也可以用同等水深、流速的洪水再次发生的时间间隔，如“50年一遇”“100年一遇”等来表示。[14]与极端性洪水强度与发生频率相对应，以河流为最终的泄洪归宿、包括河道和陆地排水系统的城市水系统设计中，以能“抗击XX年一遇的洪水”作为对“灰色”的“硬工程”设施（钢筋水泥为主的水利设施）防洪能力的估计和预期。人们越来越意识到，不受控制的城市扩张与增长所产生的影响随时有可能超过已有排水系统的接纳容量，人工设计无法应对所有的洪灾可能性，总会有超过设计标准的雨洪事件发生，所以导致防洪设施崩溃的可能性永远存在，这种超过防洪设施设计能力并导致意外崩塌的风险称为“残余风险”。[15]事实证明，这种残余风险的解决，无法通过单纯的不断加强的灰色的结构型“硬”工程设施实现。任何设计，都存在残余风险。近年来城市管理中关于“洪水是无法避免的自然现象”的认识，引发了洪水从自然灾害向社会-自然灾害属性再到“雨水资源”的定义扩展，也促使防洪涝理念从传统的以“硬工程”为主的结构型抵御（Defense）、抗击（Fight），向“与洪水共存”的综合风险管理（Risk Management）转变。[16][17]森林、湿地及其他形式的生态系统，通过截流、蒸散发、促进土壤下渗调节水汽力量、影响和改善局部水循环，起到与供、排、配水管网、水坝、水厂、堤岸等类似的储存、净化和调蓄作用。作为构成生态系统的重要元素，植物本身具有提高表面粗糙度、拦截水流、延长径流停留时间，从而延迟洪峰的物理拦截作用，也能通过植物的生理过程拦截营养盐等污染。这种利用自然的力量应对、预防和补偿硬工程天然存在的残余风险的“软”工程设施和技术，被统称为“绿色基础设施（Green Infrastructure）”。[18][19]从上世纪80年代国外提出并开始实施的以雨洪管理为目标的最佳管理措施（BMP，美国）、水敏城市设计（WSUD，澳大利亚）、基于可持续排水系统（SDUD，欧洲），以及我国开展的海绵城市建设，都是这种“软工程”形式的典型代表。其共同之处，都是旨在恢复城市原始的水文生态过程，降低雨水的产汇流及其影响。通过一系列低影响开发技术，建立基于地面、屋面、路面的绿色基础设施，如绿色屋顶、雨水花园、下沉式绿地、植草沟等，以植被、土壤为媒介，对雨水进行吸收、滞留、净化，恢复下垫面渗透性、恢复流域蒸散发、增加流域空间对雨水的积存能力，分散、转化降雨径流，避免局部汇集，减轻城市河流的输洪压力，降低洪灾风险。这些理念的现实目标，是通过工程性人工辅助，恢复地表径流的水文形态，恢复水的自然循环，利用水系统的生态过程，提高城市陆地对水的滞纳、截留能力，有效削减雨洪径流携带的非点源（面源）污染输入，并促进雨水径流的资源化利用，通过自然水文形态的恢复，延长洪水在水体中的停留时间，降低峰高度和洪水流速，推迟洪峰到达，为防洪争取时间。从对自然生态过程进行辅助恢复的角度来说，这些对维持生态过程的自然水循环的恢复，都属于生态修复的范畴。在实践中，构建雨水花园、生物滞留池、下沉式绿地、绿色屋顶，以及河流滨岸湿地恢复与管理、河流的再蜿蜒化、河流漫滩恢复与重新划分、岸线再自然化、滨岸森林恢复、沿程水坝拆除等等，也正是以流域管理为目标的水生态修复技术的核心。图2为城市屋顶转化为绿色屋顶对地表径流的影响的模拟结果。[20]

五、流域生态修复，分散洪涝风险

在我国目前的河流生态修复语境中，尽管洪涝灾害被认为（至少部分是）流域生态退化的结果，但防洪从来不是河流生态修复的主要目标，更不是唯一目标。在我国近年来开展的大量以人工重建栖息地、恢复植被、引入生物物种、岸线形态软化、蜿蜒化为目标和方式的河流生态修复中，提升水质、解决水环境恶化问题的急迫需求掩盖了洪涝防控在河流治理中作为首要任务的地位。传统的多方管理、多头治理模式导致在大量局部、碎片化的河流“生态”修复项目中，防洪减灾与生态恢复成为两个孤立甚至相互冲突的目标。防洪涝是水利部门分管的事业，对城市防洪管理影响越来越大的雨洪管理，又属于市政管理的部分，而水环境问题，则更多地涉及生态环境管理部门。对水质、景观建设的孤立追求，加上河流修复中概念、表述的混淆不清、防洪概念片面化、洪水与内涝的人为分割，使得生态修复的实践者在认知上有意或无意地忽略了河流生态修复与洪涝管理之间存在必然的联系。现行的面积量化、货币化水生态修复工程在设计、结果验证考核中，往往把洪涝防治外化为“水利”部分，忽略水污染治理、消除内涝、防洪减灾等只是代表了水的质、量和时机作为一个整体不同方面的事实。洪涝管理仍然是城市水系统管理、城市河流治理的首要目标和当务之急。近年来，国内外大量研究统计证实了流域生态修复对水体水流情势具有重要影响，尤其是流域尺度的生态修复，通过对水的再分配（调、蓄），分流、减轻下游洪涝风险。[21][22]这些研究不仅成为河流治理应统筹考虑流域尺度的重要理论基础，也唤起和恢复了人类在应对未来挑战中对自然力量的重要性的重新认识。[23][24][25]

六、城市设计融入生态智慧、生态理念

城市水问题的解决，主要集中在保障供水（保质、保量、控制适时）、降低洪峰（控量）、延迟洪峰（控制时机）和水质（保质）。为了应对日益普遍和增强的城市内涝压力，国际上众多先进、系统化的城市水系统管理框架，如美国的最佳管理措施、澳大利亚的水敏城市设计、欧洲的可持续排水系统，以及我国开展的海绵城市建设，都是以城市雨洪管理作为首要目标，作为灰色基础设施的补充，应对和管理城市化产生的日益严重的城市水安全“残余风险”。其核心目标都是“让自然做功”，通过软工程辅助干预，恢复自然水循环，借助自然的力量解决水的质、量和时机问题。在局部尺度上，通过低影响开发技术的实施，充分发挥植被、土壤等自然下垫面对雨水的渗透作用，充分发挥湿地、绿地等对水质的自然净化作用;在流域尺度上，恢复自然水文循环、恢复水文的过程，充分发挥山水林田湖等原始地形地貌对降雨的积存作用，恢复流域自然水循环过程，实现蓝绿水流分流合理、蓝绿设施配置适当、合留则留、合流则流、保障下渗、减少径流，建立“自然积存、自然渗透、自然净化”的海绵城市;[25][26]正确认识城市河流生态健康所需的冲刷、底泥输运与泄洪、防涝之间的关系，保证河流所需的连通与自我调整空间，实现城市水体的自然循环。改善城市土地利用与土地覆盖、恢复陆地透水性、减轻河流的排洪压力，成为城市河流防洪涝的关键。在滨岸带、河流漫滩已经被严重挤占、无法恢复河流自然空间的城市地区，河床、河岸自然化只能有选择地在部分河段实施，而在容易遭受冲击的脆弱河段，河流修复则仍然体现为以保护财产和基础设施为目的的硬工程（硬化与强化）。

七、结论与展望

我国城市集群的出现，加剧了城市人口、财产、产业不断集中的趋势。随着气候变化带来的不确定性日益增加，城市洪涝管理将面临更多的挑战。城市是一个生态系统，是一个生态—社会—技术融合的复杂系统。我国于2015年提出的城市双修的行为框架，及至目前开展的海绵城市建设、国土空間生态修复及规划，其最终目标都是恢复城市生态系统的结构和功能，以及联结结构与功能的生态过程。世界自然保护联盟（IUCN）等国际机构于2008年提出的“基于自然的解决方案”（NBS），将所有上述概念统一到同一个框架之下，以建设韧性城市与可持续城市为目标，倡导将NBS作为面对未来的适应性管理（Adaptive Management）融入城市设计，以应对人类面临的挑战，如洪涝、干旱、人口增长、生物多样性丧失等。[27]NBS发挥作用、减轻洪涝及其影响的过程，就是生态过程影响生态服务功能的过程，而这种作用的发挥，依赖于人工辅助下的生态系统结构及形态的恢复和改善，也就是生态修复。生态理念下的绿色基础设施建设，正是实现生态修复的实现方式。蓝、绿设施的配合存在最佳，体现了生态系统结构的优化，才是因为生态系统及其修复，也需要稳定可靠的物理基础才得以实现。与价值导向的工程化生态修复行动相比，NBS更是一种综合考虑局部与流域尺度的城市建设和管理理念：通过城市空间管理，尤其是蓝绿空间管理，在减少地表产流的同时，恢复水的循环动力学、恢复自然循环，使大量的雨水重新进入水循环，恢复水循环中的绿水流，解决造成洪涝灾害的根源性问题，使雨水成为可利用的资源，实现“自然洪涝管理”（NFM，Natural Flood Management）。代表蓝色空间的城市河流，在多大程度上、如何在空间有限的城市地区恢复漫滩、岸带缓冲区域、恢复连通性，还水以自由的空间，更是需要在城市设计中，通过生活、生产、生态空间的配置来实现。水循环应作为一个核心子系统融入城市规划和设计，调和生态修复与城市防洪减灾目标，让生态修复成为流域管理、城市管理中预防性、适应性的日常，而不仅仅是突击性、防御性的工程手段。综合软、硬工程，融合蓝、绿、灰色设施，发挥各自的优势和相互补充作用，代表了生态视野下城市规划与建设的方向。

近年来，互联网技术、大数据、算法技术、机器学习、人工智能技术的飞速发展、3S（GPS，RS，GIS）技术的运用，极大地提高了人类的感知、认知能力和预测能力。利用城市大数据分析用地、基础设施潜力，运用生态智慧规划基础设施建设，通过绿色设施弥补老化的城市灰色建筑设施，建立数字模型了解雨洪事件与城市生态过程的交互影响关系，以基础设施的高度，把生态修复融入城市规划建设，消除灾害性雨洪事件的消极影响，已经成为许多城市水务管理的主要内容。以城市水系统智能、智慧管理为目标和实施平台的水文、水质模型，以及耦合多种自然、社会、经济、技术过程的集成模型的不断涌现，必将使得融入生态智慧、生态修复理念的城市规划与管理、空间规划变得更加容易，也更加经济和有效。

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