绿色基础设施雨污管理规划研究进展

王 琳， 卢 刚

(中国海洋大学海洋环境科学与工程学院， 青岛 266100)

20世纪90年代至今，雨水及污水管理者投入大量资金进行灰色基础设施(下水道、堤坝和城市污水处理厂等)的建设。但雨水管理领域通过末端处理以促进集中式径流快排系统导致的洪水、地表水污染和下水道溢流等问题仍层出不穷[1]；传统污水处理设施如污水处理厂在欠发达区域的应用受到限制，且因其大量定期供应有机物和养分已被视为温室气体的重要来源[2]。同时，城市化进程导致地表不透水面积增加，开发场地原本的水文循环过程发生变化，潜水含水层水量及地下水位降低，雨水径流总量增大，大量雨水流失，径流污染及洪涝灾害频发，热岛效应加剧[1]。部分城市的雨水径流污染负荷已达到生活污水的 1.7 倍之多，由雨水径流与地表污染物引起的城市面源污染问题日益严重；污水处理基础设施也面临在发达地区的老化和欠发达地区的缺乏的问题，基础设施建设和维护不足使得全球多个国家和地区面临不同程度的水安全危机[3]。鉴于传统雨水和污水处理基础设施不断增长的压力，绿色基础设施(green infrastructure，GI)因其充分利用自然要素的特性而受到广泛关注。绿色基础设施作为一个新名词于1999年被美国可持续发展委员会首次提出，但其并不是一个新概念，而是理论和实践在不同背景下长期整合的结果。对于GI历史的总结性回顾难以实现，但有许多与其相似的概念：绿道、花园城市、生态城市和可持续城市化等。同其他概念一样，自提出之后有大量研究进行了对于GI的概念界定，但对GI这一术语的使用较为广泛，研究者们对GI优先考虑的重点各不相同，涵盖生态环境和社会经济的多个领域，因此存在多种解释，导致了GI概念始终具有一定程度的模糊性。基于此，即使GI的重要性已经达成共识，但难以确定如何将这一理念转化为实际措施。有些学者认为模糊性是GI的潜在威胁，急于寻求统一明确的定义指导GI的建设实现一种“正确的方法”；相对地，主张模糊定义的学者认为促成对于GI发展的若干共识更为重要，对GI这一模糊性的概念寻求单一精确定义是不可取的，忽视了GI概念的流动性，即其处于不断发展的状态[4]。事实上，虽然GI至今仍未有被广泛认可的明确定义，但其功能自提出至今逐渐增加：从早期致力于修复栖息地碎片化，构建生态网络的侧重于生态利益逐渐发展成为以提供多项生态系统服务为目标的兼顾社会、经济和生态利益，且形成了共识：GI是具有自然环境和半自然区域的战略规划网络，具有设计和管理以提供具有社会、经济和生态属性的多项生态系统服务的作用。即GI以连通性和多功能性为基本属性，连通性是指具有环境特征的自然和半自然区域的网络、多功能性是指GI的多个生态、社会和经济功能的输出，通过组合这些功能实现多功能性[5]。GI的功能仍在不断发展，其结合生态学和社会学观点得到了广泛认可，已逐渐成为一种流行的规划可持续土地利用的理念。因此，模糊性确实促进了GI的发展，是一种允许概念适应不同时空条件下的各种要求的良好属性，若限制了对GI的解释和应用的自由，会导致其相关实践在短时间内过时。

研究中常见的GI类型主要包括树木、树篱、植草沟、绿色墙壁、绿色屏障、绿色屋顶、透水铺装、生物滞留池、湿地、湿塘、公园、绿地等，多种GI在不同领域的功能已有广泛研究，且主要从生态环境和社会经济两个视角开展。中外对GI功能的研究成果概述如表1所示，可见GI的可提供涵盖供给、调节、文化和支持的一系列生态系统服务，目前研究已由局限于GI的雨水管理功能而延伸至生态环境和社会经济的多个领域，但多数研究仍聚焦于生态环境，GI在社会经济领域的功能，尤其是对经济的影响研究仍处于定性研究阶段，尚未有明确的GI在经济中的量化作用研究。此外，GI的多功能性不仅体现在多种GI类型组合具有多功能性，某一类型GI亦具有多功能性，如Kim等[5]对美国景观设计师协会收集的447个GI项目案例进行研究，证实雨水花园、可渗透路面、植草沟等多种GI都各自具有径流控制、促进经济发展、改善建筑环境、提供景观美感和增强环境健全性等功能。

表1 GI功能研究

结合上述传统雨水管理和污水处理设施面临的窘境及GI在相关领域内的功能研究，现讨论的GI是分散的雨水管理和污水处理设施网络，替代或补充了传统灰色基础设施。在雨水管理方面，GI旨在保护或恢复自然水文状态，使用模仿自然水文系统的工程系统来管理雨水，实现径流总量、径流污染的控制，并有效减轻洪涝灾害风险。常用雨水管理GI包括生物滞留池、绿色屋顶、植草沟、植被过滤带和湿塘等类型，通过模仿自然水体的分散式蓝绿色元素(以植被为主要组分)从源头、中端和末端综合实现雨水的渗透、蒸散、滞留和运输，已被认为是更可持续的雨水管理办法[16]。在污水处理领域，GI相关研究以人工湿地和稳定塘为主，充分利用生态要素实现污水中污染物去除并可提供减少温室气体排放、提升水生态系统韧性和恢复生物多样性等生态效益[17-18]。此外，该类近自然的污水处理设施同时具有分散处理及建设管理费用较低的优点，尤其适用于污水来源较为分散的缺乏污水处理设施的欠发达地区。

鉴于GI规划在雨水管理和污水处理领域的杰出表现，对GI在雨水管理和污水处理领域的规划研究文献进行了查阅，并总结出4个研究热点，即GI类型选择、所选GI数量及规模确定、GI选址和GI网络优化，既包括设施尺度上的单独研究，也涵盖了网络尺度上的整体考量。考虑到规划研究还应具备现状调研及数据收集、目标制定等过程，因此拟于GI规划目标制定(已包含必备的现状调研及数据收集等过程)、GI类型选择、GI数量及规模确定、GI选址和GI网络优化5个部分进行雨水处理和污水管理GI规划研究的讨论。

1 GI规划目标制定

GI规划的目标制定以其已被广泛证实的作用为依据。在雨水管理领域，径流总量控制、径流污染削减和峰值流量削减是GI雨水管理规划采用较多的目标，以应对城市化进程导致的洪涝灾害、径流污染等问题，但其多种类、多功能及多尺度等特性导致难以准确量化各类GI在不同尺度对径流的控制能力，特别是GI系统中污染物去除涉及复杂的物理、化学和生物过程的相互作用，这导致目前GI雨水管理规划的目标常以径流总量削减、径流污染控制以及峰值流量削减等术语概括表示。目前仅径流总量控制目标具有相对简便且常用的量化标准，即以研究区多年(一般为30年以上)降雨量数据为参考，结合土地利用状况，利用径流系数计算得出研究区径流总量，并设置一定百分比的径流总量控制率[19]。中国《海绵城市建设技术指南》给出全国年径流总量控制率的5类分区，分别为60%～85%、70%～85%、75%～85%、80%～85%及85%～90%[20]。而径流污染控制及峰值流量降低的目标尚未有广泛采用的方法。在污水处理领域，近自然的污水处理设施，如上述的人工湿地、稳定塘等的污染物净化能力已有广泛研究，主要用于欠发达地区的传统污水处理设施的替代设施及传统污水处理设施的补充，污水的达标排放是GI污水处理规划的主要目标。

从现有GI规划目标制定的不足得出应结合研究区域现状，通过现场调研、资料查阅等方式识别研究区雨水、污水管理的现状，分析现有及潜在的问题，结合国家和地区的雨水、污水管理文件进行规划目标的制定。目标制定对规划研究各阶段具有指示作用，因此目标应尽可能明确、详细，但现阶段用于雨水及污水管理的GI规划研究难以准确量化，规划目标的不确定性将影响GI类型选择、数量确定等后续研究，“改善研究区洪涝灾害风险”“提升雨水径流质量”等简单表述目标制定的GI规划研究[21]并不鲜见。因此未来加强研究者及政府职能部门的合作尤为重要，将实时研究成果加以汇总，协同确定GI可提供的各种功能(如径流总量控制、污染物削减率等)可达到的标准，并允许数据共享已支持不断修正、完善各项功能目标的参考标准，使其后的规划目标的确定更有根据、更科学且更可行。目标制定是整个GI规划过程中具有决定性的一步，若忽视该步骤的深入探究，伴随着研究深入，GI规划目标已由水文效益转向水文、社会和生态多方面综合效益的获取，目标种类及所属领域的扩充将使得制定科学可行的目标更为困难，阻碍GI的发展。

2 GI类型选择

确定规划目标后，应以实现GI规划目标为原则，结合对各种设施类型功能的研究，选择合适的一种或多种设施。表2有选择地列出了雨水管理GI(生物滞留池、绿色屋顶、植草沟)和污水处理GI (人工湿地、稳定塘)的功能研究，显示出不同GI类型于不同研究中的雨水和污水管理能力，包括径流总量控制、峰值流量控制、径流污染削减和污水处理等功能。其中生物滞留池和绿色屋顶侧重雨水径流的滞蓄和净化，而植草沟作为连接设施主要负责径流的传输，将生物滞留池、绿色屋顶等源头设施的径流汇聚至雨水湿地、湿塘等终端设施，且具有一定的净化效果。随着研究深入，GI对雨水径流中污染物的去除已由传统的有机物、营养物质和重金属污染物延伸至微塑料[22]等新兴领域，进一步丰富了GI的功能。此外，从已有研究可看出相同GI类型在不同研究中因研究区状况差异、设施构造差异等亦表现出不同的雨污管理效果，因此各类型GI的功能具有较明显的时空异质性，且不同研究探究GI功能选用的监测指标并不完全一致，这对GI的实际发展形成阻碍，规划者在对新项目进行GI建设评估时无法从已有研究中得到各类GI较为一致的功能效果，因此后续研究应尽可能获取各GI可提供所有功能的详尽数据，为GI的实际规划建设及深入研究奠定基础。

表2 5类GI雨水管理和污水处理能力

在该阶段同样重要的是研究区数据的收集，包括气候、温度、地形、土地利用和经济发展状况等。其中，气候影响降雨量、持续时间和强度，而雨水管理GI必须具有容量和流量属性以处理径流；温度影响植被物种的选择和植被生长；地形数据如坡度会影响径流流速，继而影响雨水下渗和土壤的储水能力；土地利用类型是获取径流量等信息的直观来源并影响GI的适建程度；经济发展状况从成本和效益方面影响GI类型的选择。因此，需结合控制目标、GI功能研究及研究区现状数据综合确定GI的类型。

3 GI数量及规模确定

与GI类型选定不同，现有研究对所选GI的数量及规模(面积)的确定往往具有随机性，即简单地于可建设区域直接进行GI的新建及改造，缺乏系统、严谨的量化研究，少有的量化确定也多集中于径流总量控制的单一目标，且只是将GI的径流总量控制能力归因于设施本身的体积容量或相关软件中的经验参数。例如，王浩程等[35]通过将年径流总量控制目标分配给规划区内的雨水湿地和湿塘，仅考虑其体积容量确定了对现状池塘的改造和雨水湿地及湿塘的新建规模；缪遇虹[36]利用SUSTAIN软件确定了基于成本-效益(径流总量控制)最大化的生物滞留池、植草沟、绿色屋顶和透水铺装的最佳数量方案。造成这一研究不足的原因是GI提供雨水、污水等各项功能的机理涉及复杂的生态过程和水文过程。一方面，植被通过根系吸收水文影响土壤水的分布规律；通过蒸散发过程将水分输送至大气；根际微生物的存在及植被吸收等过程促进了对水体中重金属、氮、磷、细菌等污染物的去除；植被覆盖的增加伴随的冠层截留增加还有助于降水的重新分配；与其他土地覆盖类型相比，植被覆盖一般具有较低的径流系数，有助于降低径流峰值并延迟产流和峰现时间[37]。另一方面，流量、流速、水质和水位等水文要素影响植被群落的结构、动态、分布和演替等属性；下渗、产汇流等水文过程影响生态系统中营养物、污染物、矿物质和有机质等的流及其在土壤和水体中的分布，并提升了水文连通性、补充流域水量、使得大尺度(流域、国土等尺度)的水文梯度更加平滑，有利于生态系统的完整性[38]。

GI作为水文过程和生态过程相互作用的载体，通过促进两类过程的上述交互实现多项水文效益规划目标。但由于水文生态过程相互作用机制的复杂性，及传统水文模型对生态过程描述的欠缺、生物地球化学模型对水文过程描述的欠缺等因素导致各类GI在不同区域、不同尺度上的水文效益提供能力不尽相同，从表2中甚至可以看出差异较大，因此对GI数量和规模的量化研究十分复杂，一种可行的对策是加强分布式水文模型与生物地球化学模型的耦合以探究生态过程和水文过程的动态交互，以探究GI与生态过程和水文过程的量化关系，从而获取可满足规划目标的所选GI的数量及规模[39]。耦合模型研究包括单向和双向耦合，单向耦合多是利用含有陆域模块的水文模型的水分输出(主要是降水和土壤水含量)驱动生态模型，而生态模型输出的植被生长情况等参数未对水文模式形成反馈。通常单向耦合通过水文模型的输出实现其与生态模型的联合，这些研究的焦点集中于水文模型分辨率对植被生长的影响，水文过程的各要素组成对植被、土壤等的影响[40]。例如，德国开发的SWMM(storm water management model)模型用于模拟和预测全球气候变化及土地利用改变对流域水循环、植被生长、营养物质与污染物迁移、泥沙运动等过程的影响[41]；刘登峰等[42]建立了概念性的流域水文模型，在模拟流域尺度的水文过程的基础上引入描述植被覆盖演化的动力学方程，实现生态过程和水文过程的耦合，分析了流域内水文生态耦合系统的动力学特性。而将生态模型的输出应用于水文模型输入的研究相对较少，已经涉及的方向有：考虑生态环境变化对水文过程的响应，比如土地利用变化、植被覆被变化、土壤性质变化对径流过程的影响等[43]。这些反映植被、土壤等性质的生态参数如何从生态模型中得到并准确地应用到水文模型中是未来研究的重点。

随着对水文生态耦合模型认识的深入，双向耦合模型的理论框架被提出，即利用一个共同的陆地模型耦合植被生长和水文过程，加强植被生长对于水分、土壤性质等的描述，改善水文模型预测能力，为生态模型提供更精确的水分能量输入；不断提高模拟精度和尺度，为研究下垫面状况变化情况下水文过程的相应提供依据；利用不同层次多级嵌套，实现生态模型和水文模型的双向耦合，然后对两个模型分别率定。在双向耦合中，两个模型使用相同的陆地过程基质，生态模型对水文模型存在反馈，影响着下一步水文模型的模拟结果[40]。Mo等[44]构建了基于能量平衡、水循环和碳氮循环的生态水文动力VIP模型。Shields等[45]使用区域水文生态模拟系统，即RHESSys(regional hydro-ecological simulation system)模型来量化植被用水和净初级生产力对不透水表面连通度的敏感性，探讨了水文过程和植被面积、碳通量蒸腾作用及净初级生产力之间的关系。Luo等[46]于沙颍河流域通过整合分布式社会经济-水文生态模型和和谐调节模型提出了一个研究框架，将社会经济、水文和生态视为一个由社会经济子系统、水文子系统和生态子系统组成的复合系统。该模型综合考虑了社会水循环和自然水循环过程的相互作用机制，分别用反映社会发展水平的指标描述社会经济、反映河流水量和水质状况的指标描述水文、反映水质状况的指标描述生态。继而结合降雨径流模型、河流水质模型和水文生态模型建立社会经济-水文生态耦合模型SEWE(social economy-water ecological model)，并将SEWE的模型输出作为和谐调节模型的输入，二者结合可处理不同时空规模的数据，也弥补了和谐调节模型缺乏对社会经济和水文生态之间交互机制的考虑的弊端。赵风华等[47]根据生态水文水、碳循环要素在植被-土壤-大气连续体中的运动过程，将耦合作用分为相互关联的4个尺度。曾思栋等[48-49]将分布式时变增益水文模型DTVGM(distributed time variant gain model)与生物地球化学循环模型CASACNP(carnegie-ames-stanford approach carbon nitrogen phosphorous)双向耦合构建DTVGM-CASACNP模型，由流域水循环、能量平衡、光合作用和碳氮磷生物地球化学循环4个模块组成，于美国Ameriflux森林进行了模拟验证，并证实该模型可以良好模拟辐射传输、能量分配、蒸散发、土壤含水率及土壤温度和总初级生产力等过程的交互。

从耦合模型研究成果可以看出，水文生态耦合模型研究虽已取得诸多进展，但仍不够深入，且中国研究较为落后，且研究尚存不足。模型指标的选择应基于对各系统相互作用机理和实际情况的深入研究，但很难处理水文和生态数据中固有的时空尺度不匹配问题[50]，当前基于数学和统计学的评估和调节方法不足以准确描述水文和生态要素之间的相互作用机制[51]。其次，单向耦合虽省略了模型之间的反馈，允许更快地进行敏感性分析并运行多种方案，但是信息仅是从一个模型传递至另一模型，而大多情况下生态变量变化都会直接或间接引起水文变量的变化，反之亦然，因此使用带有反馈的双向耦合是必然趋势。

4 GI选址

GI规划目标的实现受到选址布局、技术选择、设计、构造和维护等多要素的影响，GI的选址常被认为是确定其有效性的最重要因素[52]。因此识别不同类型GI的优先建设区域尤为重要，一直是GI规划研究的热点。Martin-Mikl等[53]通过提取土地利用类型以计算地形指数识别了美国雷鸟湖流域内易产流的水文敏感区域，即140个GI优先建设站点；Li等[21]基于径流系数、社会敏感性群体、道路敏感性、建筑物敏感性和环境公平标准评估了比利时根特市减轻洪涝灾害风险的GI的优先建设区域；加拿大魁北克省[54]在GI规划过程中结合社会效益、环境效益、社会敏感性和环境敏感性指标确定了绿色屋顶和生物滞留池的优先建设用地分布，并为各领域专家、官员和公众提供信息交流渠道；Langemeyer等[55]通过空间多准则决策分析结合热调节、径流控制、栖息地、食物生产、娱乐休闲和社会凝聚力六项生态系统服务指标，给出了巴塞罗那绿色屋顶建设的优先区域。

可见借助遥感手段进行GI选址是现阶段广泛采用的方法，常见的是借助地理信息系统平台将研究地区概化，构建GI建设适宜性评价指标体系，通过空间多准则决策分析得出研究区用地对GI建设的适宜性，继而在适宜性较高的地区结合经济、社会和生态等状况确定最终选址。值得关注的是，现有适宜性研究大多仍着眼于生态环境方面的适宜，即通过坡度、高程、水体和生态用地等相关指标构建适宜性指标体系，但GI从来不应脱离于人类社会而仅考虑生态因子，雨水、污水管理领域的GI规划的目标虽以获取水文效益为主，但GI所涉及的水文过程与生态过程在社会生态系统中的复杂交互使得综合考量GI可提供的水文效益、生态效益和社会效益是GI可持续提供人类所需的各项生态系统功能的保障。GI选址的关键是在确保达成控制目标的基础上尽可能发挥其潜在效益，于是研究者也开始思考将GI纳入社会生态系统中综合考虑GI所涉及的生态、水文和社会经济等多个过程的交互。由此，兼顾研究区GI的生态适建性指标(坡度、高程、用地类型等)和表征综合实现水文、生态、社会效益的需求度指标(径流系数、生态敏感性、社会敏感性等)是未来构建适宜性指标体系的可行之道。此外，对于不同类型、不同尺度GI的指标体系构建应各有侧重，确保GI的选址位于最适宜、最需要建设的区域。

5 GI网络优化

对具体GI设施的选址是在设施尺度上寻求GI效益的最大化，但GI被一致定义为绿色网络，已有研究证实GI的稳定性和有效性取决于GI网络的完整性和连通性等特性[56]。因此从设施尺度完成GI的选择、数量确定及选址之后，进一步提升GI的综合效益的方法是从流域及更大尺度进行GI网络的优化，尽管对这一绿色网络的概念没有详细的界定，但斑块、廊道、基质被一致认为是GI网络的核心要素[57]。有学者指出GI网络是依靠生态用地的完整性(斑块作用)和连通性(廊道作用)来提供生态系统功能，因此改善GI网络的完整性和连通性，即斑块和廊道优化是GI网络优化的核心任务[58]。

采用较为广泛的GI网络优化途径是景观格局优化，其基于空间格局和生态过程相互作用，景观格局同景观中的各生态过程密切相关，且决定了资源和物理环境的分布形式及组合，于生态系统的应对扰动及恢复的能力、稳定性和生物多样性等有重要作用[59]。景观格局即景观要素的形状、比例、空间分布等特征，斑块、廊道、基质是构成景观格局的最基本要素，其布局为具体刻画景观结构与功能之间的相互关系及时空尺度动态提供了一种“空间语言”，为GI网络优化提供了具体操作途径[59]。景观格局优化的理论研究主要针对景观结构、功能与生态过程的相互作用及影响，通过调整各类景观在空间和数量上的布局实现可持续发展的目标。景观格局优化本质上是调整景观空间结构，以增强生态系统的整体性和连通性等为目标，构建维持区域生态过程的空间格局。景观格局优化的技术路线为基于景观生态学“斑块-廊道-基质”理论识别并重构景观格局中的关键组分，即生态源地(斑块)、生态廊道、生态节点与基质，通过点、线、面的空间组合，基于对提供目标生态系统服务至关重要的生态源地、廊道、节点的保护与修复，以提升景观格局的整体性、连通性、多样性等原则，构建生态网络，进行景观数量结构和空间格局的优化，提升区域生态韧性，保护或恢复生物多样性，并可持续地向人类提供多项生态系统服务，其基本思想是通过对景观格局的调整影响区域生态过程实现对生态环境的改善[60]。目前已有多种理论和方法，如最小累积阻力模型、重力模型、景观理论、TIN(triangular irregular network)模型、MSPA(morphological spatial pattern analysis)模型等[58]用于直观地进行景观格局的优化。相关研究如Fu等[60]通过InVEST软件评估两种典型的生态系统服务(水的生产和栖息地质量)来识别生态源地，并基于最小累积阻力模型选择土地利用类型、高程、坡度和距水体的距离作为阻力因子建立阻力面以识别生态廊道，加强生态源地之间的物质和能量流动，并为物种迁移提供通道，继而从不同角度构建两个景观格局优化策略，结合现有河流廊道和主要生态景观要素，基于生态源地的优化和重组进行了景观格局优化，提出了“两轴、四核、六带、八区”的生态框架，形成了功能化和结构化的空间结构布局系统。

此外，作为量化斑块、廊道及整个生态网络多项属性的一系列景观格局指数已广泛应用于量化评估不同土地利用对构建生态网络的影响[61]，包括斑块类型总面积(CA)、斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、连接度指数(CONNECT)景观破碎化指数(SPLIT)和斑块内聚力(COHESION)等。景观格局指数可表征景观格局的结构和功能连通状况，是量化探究景观格局与生态过程交互作用的工具，通过景观格局指数的识别与调整实现斑块、廊道、节点和基质的优化，构建生态网络。应用景观水平、空间水平等不同景观格局指数，比较景观格局在空间上或时间上的变化，刻画景观格局异质性的特征。例如，Li等[62]开发的一种非线性回归模型识别水质变化的景观格局指数阈值的方法，可识别影响城市水质状况的景观格局指数及其阈值，以指导决策过程，在快速城市化背景下增强水文生态系统的韧性。这一步骤可实现景观格局指数阈值的确定来填补目前研究的空白，通过不断调整景观格局指数构建生态网络，寻求GI网络优化的最优解是未来研究的重点。此外，遥感影像、GIS等空间方法结合景观指数应用，加强了景观格局空间分析的可视化表达[59]。

6 讨论与展望

GI已被广泛认为是认雨水管理和污水处理领域更具可持续性的设施，规划者和决策者们也开始倾向于选择GI替代传统设施，如生物滞留池、绿色屋顶、植草沟、湿塘、植被过滤带、人工湿地和稳定塘等技术措施已被应用于雨水和污水管理领域，但阻碍相关领域GI发展的一项重要因素是对GI规划过程仍存在较多的定性研究，特别是对具体GI类型可提供效益的量化较为复杂，这可能导致投资者因对GI可实现收益的不确定性而选用其他设施。GI通过植被促进水文过程和生态过程以提供水文、生态和社会效益，复杂的水文生态交互机制是造成难以量化研究GI功能的主要原因，这也是下一阶段研究的重点，即构建模型实现水文过程和生态过程的耦合以探究水文和生态交互机制，其关键在于对水文过程和生态过程相互作用机制的准确模拟和预测，需要明晰研究区的水文过程和生态过程各自的演变趋势和影响因素，且需涵盖大气水、地表水、地下水、土壤水和植物水等模拟自然水文循环，并分析水文过程对生态过程的驱动和胁迫机制以及生态功能及格局变化对水文过程的作用机制。水文生态耦合模型的研究仍处于初步阶段，可通过以下几个方面的改进使其更为深入。

(1)选用充分且合适的指标作为耦合模型的输入十分重要。应分别识别可表征生态过程和水文过程的变量，既需要对历史进程进行模拟，也要能对未来不同情况进行预测，需要对水量传输、碳氮传输和能量传输过程等机制进行描述。其中，水量传输过程主要反映自然界的水文循环过程，主要包括蒸散发过程、土壤水分运动过程和植被根系吸水过程等；碳氮传输过程主要包括植被的光合作用和呼吸作用；能量传输过程则包含辐射传输和能量平衡。

(2)水文过程和生态过程耦合还面临着尺度问题，小尺度(如设施尺度)模拟输出结果是否可以推广到大尺度(如流域尺度)存在争议，时空尺度越小模型概化程度越低，需要的数据越多，也越接近自然界的真实情况。而不同过程的时间和空间尺度也具有差异，因此在实际耦合过程中常采用多尺度嵌套方法进行不同尺度的匹配。当前关于水文生态耦合模型的研究鉴于有限的实验室和现场实验，多采用复杂程度各异的数学模型，其隐含的基本假设为：用于模型的数据集涵盖了表征所研究的水文生态耦合系统的参数空间，且模型可代表具有可接受的确定性的实际过程。但当考虑到生态系统的复杂性，这些数学模型在何种程度上有效却不得而知。例如，Svoray等[63]研究指出创新的数学建模方法可以代表实际的现场测量，因此有充分理由表明数学模型可以通过表征生物量和水储量的时空动态及其多尺度相互作用来帮助人们更好地理解生态系统的复杂性。可以预见寻找统一的“通用”水文生态耦合模型仍然存在困难，开展跨学科、多部门合作改进实验和各种复杂程度的模型之间的合并将继续影响未来的研究议程。因此有针对性地选用不同精密程度的分辨率和不同复杂程度的模型参数的耦合模型，建模虽日渐趋向于更高的分辨率和复杂程度，但简洁和中等复杂程度的模型同样作为可行的替代方法，且十分利于相关模型的普及使用。

(3)使用达成共识的数据标准指导开发并维护长期的时空综合观测数据库十分必要，考虑到根据观测值对模型性能进行校准和独立验证的重要性，这些数据库应有充分的文档记录和便捷的可访问性。还需要允许模型预测和观察中存在不确定性，允许不确定性在参数中传播，并说明参数化的程度。

(4)尽可能增加多模型开发。具有不同时空分辨率和生物地球化学复杂性的多种模型的应用可能为模型的启发和管理应用提供最佳途径，在同一系统中比较具有不同时空分辨率的耦合模型将为将来的模型开发提供重要的见识，当应用于现实问题时，多个模型将提供多种可能的响应组而非单一的确定性预测。

此外，现阶段已有雨水和污水管理GI规划研究很少对目标制定、类型选择、数量及规模确定、选址和优化所有步骤进行详细研究，甚至仅进行了单个阶段的研究，如聚焦于某种类型GI的径流总量控制能力、GI在研究区的建设适宜性分析和选址研究等。当然，这些针对单个规划阶段的研究是完善GI整体规划研究的基础，具有重要意义。而上述研究大多仅着眼于设施尺度进行，完整、稳定的生态网络对GI功能的可持续实现和效益提升具有显著影响，因此GI规划研究应在设施尺度规划完成之后进行网络的优化，通过景观格局优化的技术路线，即斑块优化、廊道优化等途径维护GI网络的连通性和完整性，增强GI系统应对扰动的韧性，保障并提升GI的水文、生态和社会综合效益，这也是GI研究的必然趋势，GI的多功能性概念意味着应明确考虑其多种生态环境和社会经济功能，从而进行不同功能的组合以更高效地利用有限的空间。相关研究已多方位剖析了由雨水管理作为初始目的的GI规划于供给服务、调节服务、文化服务和支持服务多个领域中提供多项生态系统服务的功能，因此未来有必要将GI纳入社会生态综合系统中考量，其规划研究的目标不再局限于单一或少数的雨污管理或气候调节等功能，而是通过构建社会生态系统框架等方式统筹分析GI提供各项生态系统服务中涉及的生态过程、水文过程以及社会过程之间的复杂交互，定性、定量结合地研究GI与各生态系统服务的关系，结合研究实况最大限度地实现GI的多功能性。但此部分研究涉及庞杂的水文、生态和社会等多个系统的交互，较尚处于初步阶段的水文生态耦合研究更为复杂，现阶段也仅有少数学者通过构建概念框架进行定性研究，而缺乏定量分析，因此通过耦合水文生态模型量化辨析两类过程的交互机制仍是现阶段及未来一段时间内GI研究的重点，其亦可为较远将来耦合生态、水文和社会等多个系统的更多、更复杂的过程提供理论指导。

7 结论

(1)鉴于GI作为传统雨水和污水管理基础设施的替代设施的可行性和可持续性等优点，以及其在相关领域的广泛应用，结合GI用于雨水管理和污水处理规划研究的相关文献，识别研究热点，从目标制定、GI类型选择、GI数量及规模确定、GI选址和GI网络优化5个方面总结了GI规划在雨水管理和污水处理领域的研究现状，分析各阶段存在的问题。得出科学的雨水、污水GI规划研究应在充分掌握已有研究成果和研究区实况的基础上，确定规划目标，尽可能考虑GI的多功能性；继而依据水文生态耦合研究在明晰水文和生态过程交互机制的基础上有根据地选定设施类型组合并确定规模；通过构建可体现生态环境和社会经济多方面特点的综合指标体系并借助于遥感、模拟等技术手段进行对所选GI的适建性评价以指导选址；最终在流域等更大尺度上探究景观格局与生态过程、水文过程等的综合作用，完成GI网络的优化以支持GI可持续地提供各项生态系统服务。

(2)GI规划研究应兼顾设施尺度和网络尺度，大多数研究仍侧重前者，然而GI的“绿色网络”属性决定了其可持续提供多项效益与GI网络的完整性和连通性等特性有关，因此在设施尺度的规划完成之后应将GI网络优化纳入研究重点，通过对斑块、廊道、基质的保护和优化的景观格局优化技术路线实现GI网络完整性、连通性的提升，使GI网络系统更具韧性。

(3)GI比传统基础设施更可持续的原因在于其充分利用自然要素，恢复开发场地原有的水文状态，即通过植被等要素作为水文过程和生态过程相互作用的载体，而现阶段GI规划于雨污管理领域的研究受制于难以量化GI可提供的水文、生态和社会综合效益。因此展开跨学科、多部门合作，通过水文和生态耦合模型深入探究水文过程和生态过程交互的机理，从而保障GI规划在社会生态系统中多种功能的可持续供给是下一阶段研究的重点。且GI规划已越来越注重于多项生态系统服务的提供，即规划目标将涵盖生态、水文和社会等多个系统，可以预见在对水文生态耦合研究成熟的基础上，从生态环境视角转变至社会生态系统框架下的生态环境及社会经济综合视角将GI纳入社会生态系统综合探究其与各项生态系统服务的作用机理以综合保障GI可提供的供给、调节、文化和支持等多项生态系统服务是大势所趋。