城市内涝与基于自然的解决方案研究综述

周伟奇,朱家蓠

1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085

2 中国科学院大学资源与环境学院,北京 100190

人类正在经历一个全球快速城市化的阶段[1]。人口、社会经济活动在城市区域高度集聚,城市化推动了人类社会经济的发展,但也带来了一系列的生态环境问题,如蓝绿生态空间的丧失、生态系统退化、空气、水和噪音污染、城市热岛效应、以及城市内涝等,严重影响人类健康和居民福祉,是城市与区域、乃至全球可持续发展面临的重大挑战[2]。

在全球变暖和城市扩张的双重影响下,城市极端气候事件发生的频率、强度和持续时间日益增长[3—4],城市暴雨引发的城市内涝灾害也日渐频繁[5—6]。近年来,城市频发的内涝灾害,造成了巨大的经济损失,并严重威胁居民的人身和财产安全,成为制约城市发展的重要因子[5,7]。根据住房和城乡建设部对351个中国城市的调查,2008年至2010年,超过62%的城市遭受了城市内涝[8],2012年和2013年,分别有184个和234个城市发生了城市内涝[9]。城市地区降雨频率与强度的上升,是城市暴雨内涝的重要诱因[5]。一方面,全球变暖改变了城市的局地气候特征,使得地表蒸发与蒸腾量增加、水循环加速,从而增加了城市极端暴雨发生的频率、强度和持续时间[3,10—11]；另一方面,城市化引起的城市热岛效应、气溶胶排放等也增加了城市降雨频率与强度[12—13]。与此同时,城市建设导致城市水循环的各个环节发生改变,尤其是不透水面增加使得雨水渗透减少,积水滞留难以迅速排放[3—4]。在人口密集、密封率高、渗透和地下水补给稀少的城市,上述城市化的影响更为显著[5]。

城市建设和管理者通常采用完善雨水管网等灰色排水设施的手段,试图减少城市内涝,减轻其对基础设施和人类生活造成的破坏和影响,但效果并不理想,且耗费大量材料和能源投资[14—15]。此外,对于灰色设施、“快排模式”的依赖还可能造成旱涝急转、地下水补给减少、地表径流污染自然水体等负面效应[14—17]。因此,新的城市防洪和水资源管理解决方案应运而生[18]。其中最具代表性的几项方案包括美国的低影响开发理念(LID)、澳大利亚的水敏感性城市设计(WSUD)、中国的海绵城市建设等等[19—20]。其共同特点是师法自然,力图将湿地、植被等绿色基础设施和灰色基础设施相结合,采用近自然、仿自然的解决方案来替代完全基于灰色基础设施的工程手段[21—22]。

基于自然的解决方案(Nature-based Solutions, NbS)在近10年受到广泛讨论,它是一种通过有效干预生态系统、解决人类社会发展问题与挑战的自然资源管理观点[23]。与上述解决方案类似,NbS强调采用近自然和仿自然的措施应对城市可持续发展挑战[24],比如通过局部与流域尺度的城市空间管理、恢复自然水体循环、使雨水成为可利用的资源等方式,综合多种渠道应对城市内涝问题[25]。作为一种更具概括性的理念,NbS综合了过去多种城市内涝管理优秀样本的共性,并在未来有更广阔的实践空间。为深化对NbS的认知,本文首先回顾和综述了NbS提出的背景、概念与内涵,然后重点介绍NbS在应对城市内涝中的应用,进一步结合现有的技术手段、计量方法、评估模型,提出NbS在我国进一步推广的潜力与挑战。

1 基于自然的解决方案(NbS)概念内涵

1.1 NbS提出

NbS这一术语最早出现于2002年(图1),在国际自然保护联盟(International Union for Conservation of Nature and Natural Resources, IUCN)内部专家讨论时提出[26]。2008年,世界银行发布的《生物多样性、气候变化和适应》报告中,将NbS作为气候变化减缓和适应项目投资的重点[27]。2009年,IUCN从生态系统视角拓展了NbS的内涵,并在《联合国气候变化框架公约》(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)的一份意见书中提出应用NbS来解决气候变化问题。此提议于2012年正式通过,是2013—2016年工作计划中三项重点项目之一[26,28]。鉴于NbS在解决城市问题方面特有的优点,在国际研究机构的资助推动下,许多欧洲国家迅速采纳并将之作为应对环境变化挑战的创新策略。例如欧盟于2013年将NbS纳入到“地平线2020(Horizon 2020)”科研计划,并于2015年以政策的形式提出了自然解决途径的内涵,指出通过NbS实现的四个发展目标[23]；2015年3月,来自欧洲7个国家的34名专家在德国召开跨学科研讨会,探讨基于自然的城市地区气候变化减缓和适应解决方案[29]；2017年,由欧盟资助的EKLIPSE专家工作组(Knowledge & Learning Mechanism on Biodiversity and Ecosystem Services,旨在建立一种可持续的创新方式来认识生物多样性和生态系统服务,帮助政府、机构、企业和非政府组织在生物多样性方面做出更明智的决策)发布的《评估和实施基于自然解决方案综合效益的框架》提出了NbS的评价指标体系和操作流程,进一步完善了其实施框架[30]。

国际上,NbS概念也先后被UNFCCC第23—25次缔约方会议、联合国秘书长气候峰会等采用,取得了包括推动联合国可持续发展目标等一系列成效。2019年9月,联合国气候行动峰会确定“基于自然的解决方案”为全球六项重要行动之一,并由中国和新西兰担任NbS行动的牵头国家。峰会发布了世界NbS案例汇编,收录了近200个优秀的NbS提案和案例,使NbS迅速成为国际社会关注的热点议题。2020年,IUCN理事会通过了首个基于自然解决方案的全球标准,该标准汇聚了来自100多个国家的科学家、生态环境从业者以及地方社区的共同努力和贡献,将有助于NbS在公共和私营部门的运用与推广,将理论概念转化为可实践的具体工具[23]。

图1 NbS概念发展时间轴Fig.1 Timeline of NbS development

1.2 NbS核心概念

不同学者和机构对于NbS的定义不尽相同。例如,欧盟委员会提出的NbS被理解为“受自然启发与支持的解决途径,通过高效利用资源且具有较强适应性的方式来应对多样化的挑战,并确保同时带来经济、社会和环境效益”[14,31—32]；“地平线2020”计划中将NbS定义为“以一种高效利用资源的、适应性的方式应对多种社会挑战,并同时提供经济、社会和环境收益的,受自然启发、由自然支持并利用自然的动态的解决方案”[23,33]；2016年世界自然保护大会上指出NbS是“一系列能够有效地、适应性地解决社会挑战,同时提供人类福祉和生物多样性收益的保护、可持续管理并恢复自然的或经过改造的生态系统的行动”[26,34]。

根据IUCN于2020年提出的NbS全球标准,NbS是一种保护、可持续管理和恢复自然生态系统和改造过的生态系统的综合行动,目标是有效地、适应性地应对社会挑战,增进人类福祉并保护生物多样性[23]。这一概念重点强调在帮助保护、管理和恢复环境的同时,也为人们带来了实实在在的可持续利益,例如为当地社区创造收入,为依赖自然资源维持健康和福祉的城市带来好处。

尽管不同学者对NbS的概念定义在表述上有所不同,但NbS的核心思想均围绕着有效管理生态系统,力图解决人类社会发展中的问题与挑战,是一种以人类为中心的自然资源管理观点。Albert等[35]将这一核心思想总结为界定NbS的三个标准：第一,NbS措施需要兼顾社会、经济和自然三方面的效益,实现“三赢”；第二,NbS是跨学科的,综合工程设施、经济学、环境规划等多学科的知识和经验；第三,NbS的实施是一个不断完善的过程,需要逐步引入实施,建立学习与迭代框架,对其应用效果进行评估反思并进一步完善。

同时NbS的核心也体现在对“适应”的多角度阐述,NbS面向的社会-生态系统作为复杂适应性系统,将持续受自身和外界干扰的影响[36]。一方面,“适应”指向对象,主要是对外部风险的主动响应[37],而各类风险问题中最突出的便是全球气候变化以及所衍生的极端气候灾害。NbS倡导通过生物多样性保护和生态系统服务,帮助人们适应气候变化,降低城市对气候变化影响的脆弱性[38]。而适应气候变化应当被认为是与减缓气候变化同等重要和紧迫的问题[39]。另一方面,“适应”指向主体行为,描述NbS推行过程中人们所采用的适应性手段、适应性管理。区别于传统工程,NbS设施中体现出了生态系统的动态变化以及生态过程的不确定性[34],因此NbS的核心也体现在生态变化过程中,基于证据的管理策略调整,从而实现决策优化、最佳干预,并最大程度规避负面效应的出现,保障系统的良性发展状态,从而推动可持续发展等目标的实现[37,40]。

依据上述概念,Eggermont等人[41]根据NbS设立背景中的生物多样性和生态系统状况,以及所面向的生态系统服务和利益相关者群体,将NbS分为三类(图2)：类型一,对生态系统的无干预或最小干预,其目标是维持或改善这些受保护生态系统内外的一系列生态系统服务的供给,这类NbS通常与生物保护区的设立密切相关；类型二,调整现有生态系统的解决方案,通过广泛且有意识的管理方法,发展可持续和多功能的生态系统和景观,从而改善目标生态系统服务的供给能力,这类NbS与生态农业、可持续林业管理等概念密切相关；类型三,以人工干预更强的方式管理生态系统,甚至创造新的生态系统,此类NbS与蓝绿基础设施等概念以及恢复严重退化或污染区域生态系统等目标相关,此类NbS需要着重探索新的实施策略,以调和生物多样性保护和人工景观建设之间的矛盾。以上三种类型的NbS在具体设计实施中也可简单理解为三种手段：生态系统的保护、恢复和重建[42]。以上三类NbS均需要可持续地保护生物多样性和管理或恢复生态系统,其中第二类和第三类NbS进一步考虑了人类对生态系统服务的需求,需要将自然资本转化为绿色增长和可持续发展的动力。三种类型NbS之间的界限也非绝对明确,在实际问题中,通常采用了三者在时空尺度上的综合解决方案。

图2 NbS设施类型(图源Eggermont等人[41])Fig.2 Schematic representation of three types of NbS

图3 NbS实施的8项基本准则(图源IUCN[23])Fig.3 The eight Criteria making up the NbS Global Standard

1.3 NbS框架准则

NbS的全球标准提出了8项基本准则和相应的28项指标[23],明确了其所针对的问题、开展尺度和关键目标,同时需要基于社会实际情况考虑经济可行性、制度合理性以及上述系列利益的权衡,进行NbS的适应性管理,最终促进NbS的主流化且推动可持续发展等目标的实现。8项准则相辅相成,体现了系统性、综合性、动态性、权衡性特征,最终致力于解决人类面临的全球挑战,实现可持续发展[34,43]。

具体准则如下(图3)：准则1强调自然解决方案要有效地解决一个或多个社会挑战；准则2指出自然解决方案的设计由尺度决定；准则3要求自然解决方案为生物多样性和生态系统完整性带来净收益；准则4要求自然解决方案在经济上和财政上是可行的；准则5指出自然解决方案的基础是包容、透明和授权的管理流程；准则6要求自然解决方案需要公平地权衡,以实现其主要目标和可持续提供多种效益；准则7强调基于实证证据对自然解决方案进行适应性管理；准则8则提倡自然解决方案可作为主流方案,以超越独立的、有时间限制的干预措施[23]。

2 NbS在城市内涝管理中的应用

全球范围城市化进程中产生的城市内涝、风暴潮等问题,为NbS的提出创设了背景条件。而另一方面,关于自然生态系统给人类带来益处的研究成果也启发了NbS概念的形成[44]。事实上NbS概念非凭空产生,它在很大程度上是从已有的概念与实践中发展而来[45]。尤其在城市内涝管理中,蓝绿基础设施、海绵城市等率先开展的实践与NbS的准则、框架相贴合,可以被视作NbS理念的具体应用。尽管NbS概念出现时间较短,但此类与NbS相关的工作则在长期的制度和政策探索中,积累了较为成熟的实践经验[46]。将NbS概念与其他现有概念相联系、比较,将有助于整合观点,把现有的城市内涝管理措施统一到更具有概括性的NbS框架下；同时,通过汇总现有的实施案例,也将有助于NbS理念的落地推行,进而充分利用NbS的理念与方法指导城市内涝管理。

2.1 NbS概念对城市内涝管理的指导作用

近年来,由于快速的城市化进程、土地利用变化、气候变化以及排水系统设计标准的不完善,城市水问题,尤其是内涝灾害,频繁地影响着城市发展与经济建设[47]。进行内涝管理的传统方式主要依赖市政管网,而由于管网设计重现期较短,广泛采用的硬质不透水铺装使雨水径流无法下渗,城市内涝状况依旧频发[13]。在此背景下,NbS通过重建更自然的水循环系统来缓解城市化对水循环各环节产生的负面影响,从源头上消解城市雨洪问题,同时可大幅度减少处理雨水问题的时间和经济成本。而NbS设施在恢复或养护生态系统的同时也保护了水资源,实现了雨水资源的再利用,可创造多重生态效益,对于改善城市水问题效果明显[18]。

具体就应对目标而言,根据NbS的概念与内涵,其实施目标在于恢复生态系统、增强生态系统韧性从而增强人类对气候风险的适应能力,同时降低生态系统的灾害风险。而城市内涝作为一种城市化与极端降水条件共同作用下的气候灾害,与NbS面向解决社会环境问题的目标相契合。

而就实施方法来看,在水文问题方面,NbS旨在通过采用接近自然的做法,维持或恢复尽可能接近自然水平的水流机制[48]。这一做法的实现大多依靠人工管理的绿色基础设施(例如树木、绿色屋顶、雨水花园或沼泽系统)等进行雨水管理[49],从而维持或恢复水文功能。而此类城市绿色基础设施作为一种具有可持续性和多功能性的人工生态系统,既拥有自然属性,也在干预规划的条件下构成连贯的绿色空间网络,是NbS在雨洪管理中的典型案例[50]。

2.2 NbS概念与相关概念的对比

大部分关注NbS内涝管理有效性的文献都会同时提及现有的多个内涝相关概念,指出NbS与绿色基础设施、低影响开发、基于生态系统的适应和生态工程等理念密切相关[41,51]。一方面,NbS很大程度上由先前的概念发展而来；另一方面,NbS也着重关注人类社会的议题,将人类福祉和减贫、社会经济发展和治理原则等社会因素结合起来[42],实现了对原有管理概念的概括与超越。本文重点选取了几个在国内外与雨洪管理联系颇为密切的概念与NbS相对比,尝试对其概念、特点、应用场景等加以辨析(表1)。

表1 NbS与相关概念辨析

2.2.1绿色基础设施

绿色基础设施(Green Infrastructure, GI)是指“由绿地、水和建筑系统组成的基础设施,例如森林、湿地、公园、绿色屋顶等,这些设施通过支持本土物种,维持自然生态过程、空气和水资源,为生命的健康和质量作出贡献”[52—54]。在应对内涝的过程中,GI可以通过其蒸发、拦截和渗透能力减少城市洪水,强调与自然流域相连接[55],同时也是一种可以帮助城市适应气候变化的绿化形式。相比于NbS,GI的概念提出较早且发展较为成熟,其诞生之初就面向控制城市扩张、建设生态网络、进行雨水管理,同时对风景园林和景观生态学具有重要的指导作用[44]。而NbS的概念更为广阔,包含了非城市区域的生态系统保护、改造与重建。但就城市的研究范畴而言,NbS与GI的概念有很大程度重叠,可将GI提供的生态系统服务视为NbS的一部分,有助于应对城市规划者和决策者在城市化和气候变化时期面临的若干挑战[56]。

2.2.2低影响开发

基于低影响开发理念(Low Impact Development, LID)的城市雨洪管理方案[57—58],强调积极发挥绿色基础设施在雨洪调节方面的生态服务功能[59],强调采用雨水入渗及调蓄系统,维持生态系统的自然循环状态[60—62]。LID是为了应对包括暴雨风险在内的、广泛且综合的城市水问题所提出景观生态设计与工程技术紧密结合的实施方案[63]。随着低影响开发理念的出现,植被、绿地、水体在应对极端暴雨时所发挥的生态调蓄功能得到凸显[64]。相较于NbS设施,LID更专注于控制雨水径流,对其他生态系统服务功能关注较少；多采用雨水源头分散的小型控制设施,比较缺乏大尺度上的设施规划[64]。但LID同样强调以现有的自然生态系统作为土地开发规划的综合框架,这与NbS理念有所重叠,LID的一些通用技术也适用于NbS设计。

2.2.3海绵城市

海绵城市概念是由中国基于LID开发理念所提出的，其实质是这一生态雨洪管理思想。自2014年起逐步被官方管理层面接受,并在多个试点城市得到实践[65—66]。它以景观为载体,强调河道与城市建筑之间发挥缓冲作用的绿地格局[67—69],从而构建雨水的“渗、滞、蓄”空间[70—71]。与NbS相比,海绵城市从短期看具有较强的针对性和较为显著的效果,例如城市局部内涝的缓解和生态功能的恢复,但从全生命周期看NbS更具长期的综合成本效益。有研究认为海绵城市可视为NbS的一个组成部分,NbS理念可以在更高层面上指导海绵城市的建设[44]。

2.2.4基于生态系统的适应

基于生态系统的适应(Ecosystem-based Adaptation, EbA)强调“在总体适应战略中,利用生物多样性和生态系统服务,帮助人们适应气候变化的不利影响”,它的概念更加强调生态系统作为一个整体的复杂性、变化和复原力[14]。多数研究认为,NbS涵盖的范围最广,可以包含EbA在内的自然干预措施。与EbA强调整体生态系统的功能不同,NbS的方法包括更多的“离散型”措施[55],但二者都建立在相似的绿化愿景之上,同时现有EbA涉及更多应对气候变化的议题,能很好地为NbS在该领域的拓展提供借鉴意义。

2.2.5生态工程

生态工程的概念最接近NbS当中关于恢复和重建生态系统的措施。尽管表述不同,但NbS与生态工程的目标都是强调在生态系统理论的指导下进行可持续的改造与实践。二者具体的目标均包括保护和恢复生态系统,改造或重建生态系统以提供特定的生态系统服务,以代替基于不可再生资源的传统工程。但相比于生态工程,NbS同时强调了生态系统服务以外的社会、经济效益。

2.2.6自然气候解决方案

Griscom等提出了另一个与NbS概念相近的自然气候解决方案(Natural Climate Solutions, NCS)方案[72],包括针对食物、纤维和生境保障在内的陆地保护、恢复和改善实践路径,具体分为20种保护、恢复和改善土地管理的行动,力图增加碳储存和避免全球森林、湿地、草地和农业用地的温室气体排放。在应对城市内涝的层面,NbS与NCS指向的具体设施有一定重叠,均面向于提供水过滤、洪水缓冲、维持土壤健康、保护生物多样性生境和增强气候适应性等服务功能。但相比而言,NbS的概念纳入了更多的人造生态系统,NCS主要着眼于维持保护现有生态系统的健康。

3 运用NbS进行城市内涝管理的案例研判

3.1 设施技术发展

在NbS理念框架的指导下,近十年来,在全球各地均有应对城市内涝的设施技术发展,尤其在德国、荷兰、意大利等欧洲国家已开始总结完善的设施建设标准[45]。根据设施布设的空间特征以及发挥作用的尺度范围,NbS设施可分为点、线、面等类型。本研究按照类似方式对参与城市内涝治理的NbS设施进行归纳总结(图4)。

图4 基于NbS的城市内涝管理研究现状Fig.4 Research progress of urban flood management based on NbS

点状设施技术：目前采用较多的点状设施技术包括绿色屋顶、小型雨水花园、生物滞留池等。其中绿色屋顶是指在建筑屋顶上铺设高质量防水膜并部分或完全覆盖植被,从而补偿建筑施工时移除的植被[73]。Zolch等[74]通过微观尺度上的情景模拟,证明了绿色屋顶能通过其基质中的蓄水滞留和植被的拦截蒸发减少地表径流,填补了城市绿色基础设施调节地表径流量能力的模拟与绿色屋顶的水力行为之间的空白。Langemeyer等[75]进一步根据巴塞罗那城市生态系统服务的具体需求,构建了一个基于空间多准则决策分析的模型,从5种绿色屋顶建设策略中确定最佳方案。雨水花园及生物滞留系统通常是针对暴雨径流设计的洼地。由于其结构、行为近似自然湿地,它们可以有效地容纳径流、促进渗透与蒸散、补给地下水、减少洪峰流量。Venvik与Boogaard[76]在挪威西部开展的研究证明,雨水花园等可持续排水系统能在不同气候条件下收集、保留和渗透地表降雨径流水,从而补充土壤水分、补给地下水。同时这类小型渗透系统也能与更大的排水区域相连接,与当地的城市水循环系统在水文和水文地质方面相互作用。Liu、Fryd和Zhang[77]详细介绍了哥本哈根市政建设的3处城市公园与城市广场在应对暴雨内涝方面发挥的作用：Lindevang公园利用开放水面，实现对小雨的现场控制，并为百年一遇的降雨提供雨洪消减与调节；Taasinge广场具有雨水滞蓄功能，在改善水平衡的同时改善区域宜居性和生物多样性； Sct. Annae广场则在保护城市历史环境的基础上，构建集水区进行防洪控制。

线状设施技术：应对城市内涝的NbS线状设施大部分围绕道路的设计与改造进行,此外也针对原有排水系统和自然河道进行生态改造。Carmon和Shamir[78]提出道路实际上构成了主要的排水系统,尤其当水量超过地下排水管道的容量时,道路会成为重要的流动路径。因此在规划初期,就需要按照自然水文地理布局安排道路走向。Hoang和Fenner[79]同样指出线状交通设施可以通过引入自然特征来丰富其审美和生态价值，例如道路可在超限雨量情况下转换为水流通道发挥水文功能，或与雨水湿地结合提供生态功能。哥本哈根[42]设计了具有蓄洪能力的下沉式“V”形街道,以适应城市内涝,同时将雨水管理的道路分为三种类型：暴雨道路,滞留道路和绿色街道,发挥不同作用。Rodríguez-Rojas等[80]通过西班牙南部开发的可持续排水项目(Sustainable Urban Drainage Systems, SuDS)说明3种类型的透水路面均起到减缓径流流速和延迟集水区反应的作用，降低了洪水风险和污水系统的运行成本，同时也确保了城市基础设施的服务能力和行人车辆的交通安全。有河流的城市[78],需要重视自然河流的环境生态价值,对已恶化河流进行恢复,恢复与保持其在防洪过程中的作用,同时也要在河流沿线设置面向公众的开放空间,发挥河流的社会文化价值。

面状设施技术：应对城市内涝的NbS面状设施主要是尺度较大的土地覆被设计与绿地空间建设,基本原则是减少不透水地表面积,增加透水面积。Carmon和Shamir[78]的研究建议按照自然水文地理布局安排开放空地,从而滞留雨水来预防和减轻洪水,并且通过净化和渗透径流补充清洁的地下水。此外,在空间格局上,应将不透水区域与透水区域相互穿插,将不透水区域的径流引向临近植被斑块,即尽量在靠近径流产生地的区域最大限度地进行渗透以净化水中的污染物。城市中的此类绿地设施需要格外注意水分平衡问题,避免植被消耗太多水分,加剧城市地区的水资源短缺问题[78,81]。为了解决这个问题,可以针对NbS设施选择最合适的抗旱树种,并设计可持续的灌溉系统,例如使用灰水或收集的雨水达到水分平衡。

面向城市内涝的NbS项目也并非孤立存在发挥效用,有必要根据本底环境及应对目标对零散的NbS设施技术做好组织安排,才能使其整体的效益最大化。对此,Foster等[82]提出“绿色街道”的概念,强调将多个绿色NbS实践措施(如：透水路面,雨水花园,植草沟,树木种植)相组合,充分发挥树木拦截和过滤雨水径流的作用以及缓冲区湿地减少洪峰流量和洪水强度的能力,从而增加雨水下渗,防止洪水泛滥并改善水质。哥本哈根与阿姆斯特丹[42,77,83]都在NbS建设中利用排水道路、绿带和公园带将具有滞留雨水功能的生物滞留池串联起来,形成增加雨水下渗、减缓雨水流速和净化雨水的生态排水网络与径流输送渠道,从而增加对城市内涝的适应性。刘敏聪[42]则将NbS设施的应对情景分为两类：极端气候变化压力(例如暴雨和飓风)与常规气候压力(例如城市内涝、海平面上升等),结合区域与城市两种建设尺度,提出了3种气候韧性城市设计中NbS的应用策略,以及针对空间结构、空间网络、空间单体的具体设计方案。

3.2 计量模型发展

上文针对NbS的设施技术梳理提供了大量的实证研究。这类实证研究通常通过实地监测的方式,分析和探讨不同NbS技术应对城市内涝的机理与作用。但此类研究工作常受制于成本条件,往往只在较小的时空尺度上开展。因此模型模拟的方法应运而生,帮助研究者在城市区域的空间尺度、长期模拟的时间尺度上理解和评估NbS管理城市内涝的有效性。

由于NbS这一新概念具有概括性与重组性,因此用于刻画NbS设施水力行为的模型也多见于其他城市雨洪管理框架,例如评估LID、BMPs、海绵城市设计等设施的有效性[64]。目前广泛运用的计量模型有两大类：第一种方法类似“黑箱”,将复杂的水文过程整合为一个参数,来衡量NbS设施对径流和水质的影响,此方法不需要大量数据与详细计算,较为便捷,但由于建模过程中的假设,使参数可能无法准确量化NbS的实际性能；第二种方法着重水文过程的还原,例如考虑渗透、沉淀、吸附、蒸发、沉降和污染物转化的全过程构建模型,该方法建模详细,适用于开发方案的设计、建设和优化,但计算量大、数据要求高、数据处理复杂。综合前两种方法,不少国家政府和商业机构着力于开发城市雨洪径流模型,方便研究者和决策者模拟城市降雨径流、评估管网设计及雨水控制方案,从而达到防洪排涝、控制雨水径流污染等目的。目前成熟且广泛运用的城市雨洪径流模型多达数十种。

在运用第一种参数法时,Farrugia等[84]采用专家打分法获得的渗透能力得分,作为衡量不同生境类型或地表类型调节洪水能力的参数,从而衡量城市可渗透地表的比例并突出个别树木在缓解内涝方面的重要性。Zimmermann等[85]提出了一个基于径流系数的指标用于量化绿色基础设施的增加对径流的影响,并将该指标与阿根廷4个不同场景下洪水风险相联系,认为改善城市雨水基础设施能够有效应对气候变化引起的城市内涝。在构建第二种过程模型时,Liu等[86]进行的工作最具有代表性,他们针对北京某社区开发了一个社区规模的模拟模型,考虑拦截、蒸发、渗透和滞蓄4个水文过程,以量化5种NbS措施对减少城市洪水量和峰值流量的有效性。模拟结果表明,不透水地面对社区的暴雨径流贡献最大,较大的暴雨事件中,综合性的NbS设施具有有效的减排能力。

基于前两种方法提出的城市雨洪模型,是NbS规划和设计的重要支撑技术,它通过对城市水循环过程的模拟,可以得到雨洪过程中的特征要素和关键状态,对雨洪管理和雨水利用具有指导意义[13]。许多雨洪模型都是由政府机构开发,常用的包括美国农业部开发的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型、美国环境保护局开发的HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran)模型和SWMM(Storm Water Management Model)模型、丹麦水利研究所开发的MIKE URBAN和MIKE SHE模型等[87,88]。通常纳入城市雨洪模型的水文循环过程包括降水、渗透、径流、蒸发、土壤滞留和地下水流等,其中最关键的两个过程是模拟不同降雨条件下透水区域的渗透和地表产生的径流[88]。不同模型采用的渗透计算方法主要包括Horton渗透法、Green-Ampt渗透法、Philip法、固定渗透法和NRCS(Natural Resources Conservation Service)曲线法等,其中在城市内涝情景下运用较多的有Horton法、Phillip下渗法等[87,89]。不同模型采用的径流预测方法中运用较多的是美国农业部水土保持局开发的SCS(Soil Conservation Service)径流曲线数法[88,90]。该方法根据不透水面积、土壤类型、土地覆被类型、水文条件和前兆条件等预测径流,其结构简单、所需参数少、对观测数据的要求不严格,具有较强的小面积集水区径流预报能力。采用该方法的水文模型有SWAT和SWMM等。

3.3 综合效用评价发展

NbS的一个核心理念是在尽可能采取自然方式的前提下,同时发挥生态环境、社会经济的综合效益。这一理念的实践,在城市中尤为重要。城市是一个社会经济自然复合生态系统,NbS的设计、应用,更需要综合权衡社会、生态、经济等不同目标,以及对生态系统服务的不同需求和面向的不同社会群体;另一方面也需要从多层次的治理角度探讨NbS如何为社会公平、环境保护和经济发展做贡献[91]。根据以上多方面要求,诸多学者强调要从更综合的视角评估NbS发挥的效益。

Kalantari等[92]在东非开展的NbS研究将其提供的生态系统服务分为供应服务、调节服务和文化服务三类,而应用NbS可以降低城市扩张和气候变化所带来的洪水与干旱风险,帮助东非国家使城市和人类居住区更具包容性、安全性、弹性和可持续性,从而支持政府实现联合国可持续发展目标。Huang等[93]认为NbS可以有效缓解高频降水事件造成的城市洪涝灾害,并带来额外的经济、生态和社会效益,同时建议NbS与灰色基础设施组合可以提升预防城市内涝的性能,确定洪水风险管理策略。Majidi等[51]在泰国密集的城市化区域提出了一个框架,对不同的小规模NbS设施及其布设地点进行评估。该框架重点量化了NbS在提高热舒适度和降低洪水风险方面同时发挥作用的有效性,特别适用于规划与减少热风险相结合的洪水缓解措施。Gulsrud等[94]在澳大利亚-墨尔本开展的研究指出,通过NbS应对气候变化并提供生态系统服务,可以将气候适应解决方案的重点从技术战略转向人类福祉和基于社区的决策等社会生态原则,促进了绿色场所的建立。这个案例在更大意义上提出了以社会文化的方式进行城市重新“自然化”和环境服务提供所带来的机遇和挑战。Wild等[95]评估了英国街道、公园中生物滞留池和绿色屋顶在内的绿色基础设施对城市雨洪管理的效用,尤其是经济效益。研究认为典型的市场机制中,由于成本增加,私人开发商来提供绿色基础设施的空间有限,因此需要强调城市政府、非政府组织和社区等通过投资绿色基础设施所创造的共同利益。Liquete等[96]评估了马焦雷湖周边地区的NbS设施所提供的多重环境、社会和经济效益,并将其与成本相似的灰色基础设施进行比较,指出基于NbS的绿色基础设施在水净化和防洪方面的表现更好,并且提供了更广泛的生态系统服务。

4 NbS应用于城市内涝管理的展望

4.1 机遇与潜力

2019年9月,联合国气候行动峰会在纽约举行,中国成为NbS全球行动的牵头国家之一,推动NbS的全球标准在中国实践和发展，促进NbS主流化的需求十分迫切[44]。尽管NbS内涵还需要进一步本土化的解读,方法也需要进一步发展才能在中国全面应用[45],但其提倡依托科学技术、依靠自然生态应对当前的各类挑战,解决生态问题的同时促进经济社会协同发展的思想,颠覆了以往纯粹依赖工程技术手段实施治理的片面认知。尤其在应对城市化发展和全球气候变化背景下的可持续发展挑战时,NbS作为一种更加综合的解决途径,将具有巨大的发展潜力和良好的发展机遇[44,97]。

首先,多项研究指出,综合考虑环境、社会、经济多方效益的NbS设施应对城市内涝可以具有更高的成本效益[98]。尤其在应对城市尺度的暴雨和地表径流问题时,NbS设施与传统的灰色排水设施相比可以发挥更好的雨水净化和排洪能力,并且可提供更多样的生态系统服务[96]。此外,在适应不确定的气候变化时,NbS设施与灰色建筑构成的混合解决方案,能进一步提升城市排洪效力[93,98]。而通过科学规划绿地系统、优化绿色基础设施等措施,可以具备更好的应对城市内涝的适应性能力,相比被动而成本巨大的措施更为经济可行[99]。有研究也模拟了NbS设施在未来情景下的可持续效用,预测到2050年,与灰色设施和政策适应措施相比,NbS的盈利能力可能会进一步提高[100]。

其次,NbS适应性管理的特点在调和多方利益中也将发挥重要优势。城市地区的设施建设通常面临多方压力,需要综合考虑社会、生态、经济等多个方面的不同目标,以及多个社会群体对环境政策的不同观点与需求[91]。NbS设计过程具备整合不同的价值体系和利益攸关方的观点的能力,可以更好地支持环境决策[95]。

此外,结合我国环境背景,NbS可成为我国适应气候变化的重要选择之一。根据世界银行估计,到2050年由于气候变化、地面沉降的影响,全球洪灾损失将达1万亿美元[101],而我国沿海地区不仅生态敏感度高、易受台风、风暴潮等自然灾害的侵袭,同时也是人口、经济和大中城市高度聚集的区域,未来在应对气候变化问题上势必投入巨大的社会经济资源。面对未来气候变化的高度不确定性,具备适应气候变化、创造环境效益等多重功能的NbS或许是最贴合实际、最具有成本效益的解决方案[102]。

4.2 困境与障碍

4.2.1缺乏对理论的全面认知

NbS的概念、理论和方法尚不成熟、NbS设施缺乏清晰的界定,是目前NbS得到广泛认同和应用的一个重要障碍。Eggermont等[41]指出,NbS设施的界定仍是一个尚待讨论的问题。例如在城市地区广泛使用的绿色屋顶或绿化墙面被很多研究认为是NbS设施,但如果该绿化植被忽略了生物地理分布,或仅由极少数单一植物物种,它很难为增加生物多样性和实现其他经济效益作出贡献,甚至导致对极端事件的抵抗力下降、管理成本增加、生物入侵风险上升。这种仅仅仿造NbS外观,忽视其内部功能的结构恰与NbS理念背道而驰。因此在科学解读中仍需要探索NbS措施的本质特点,推行科学规范的标准,用于指导实践。

NbS可发挥的效益未得到全面的探索是另一个阻碍其得到广泛接受和应用的因素。对于投资建设的政府与企业,NbS在成本效益方面的突出优势尚未被强调,尤其缺乏与传统硬性结构的性能和成本效益定量比较的研究[103]。同时,已有一些研究表明[93,98],采用多设施组合方法可能会发挥更好的防涝效果,但全面系统的分析、以及针对灰色设施或NbS设施单独使用的局限性和缺点的定量研究很少,缺乏深入的讨论。对于公众,多数人并未意识到NbS所带来的健康效益,当下研究也较少将NbS与健康效益相联系。未来,亟需开展多学科的研究[104],提升大众对NbS福祉效益的认知,以及NbS对社会及环境要素变化复杂性的适应能力,促进NbS的应用与实施。此外,对NbS减缓和适应气候变化的有效性的认识不够充分,这也是NbS实践应用中的一个突出问题[105]。

4.2.2实践过程面临障碍

NbS从理论到实践落地还需要克服诸多阻碍。当前NbS的应用和实施面临的一个重大挑战是NbS的研究以及特定NbS的实施与具体规划和治理之间存在脱节,并且少有对NbS的规范方法进行批判性讨论,因此难以为治理和规划领域提供新的启示[106]。当前关于NbS的研究重点关注个案分析,侧重NbS的可操作性,但缺少更具体的、统一的规划措施,指导地区如何根据本地条件设计并布置NbS设施。由此产生的问题可能是地区仍以个案的方式设计NbS设施,但缺乏在城市尺度上的统一协调,NbS的有效性存在较大的不确定性,可能导致NbS的框架缺乏有效性与可持续性。

在NbS实施过程中,也存在诸多挑战。目前NbS实施方法层出不穷,但Wamsler和Pauleit[105]认为当下零散的NbS方法可能会减缓NbS推广的进展。Kabisch等[107]也认为在实施过程中,需要明确哪些类型的NbS满足可持续发展目标,具有最佳的成本效益。同时,NbS在许多情况下,也同样面临社会层面上不同机构、社区的目标矛盾的问题。如何权衡NbS带来的多方利益,同时在更大尺度上维护城市的公平,是NbS面临的更深层次的挑战。

而NbS在我国的落地实施,还需要克服根深蒂固的工程化思维,需要更高效的行政体制。长期以来,我国在城市规划决策中更偏向于选择简单、可复制、可预测的解决策略,例如加高河堤来防范未来洪水灾害[108],灰色基础设施在公共政策和城市建设法律体系中依然占主流,对于NbS的质疑和排斥依然存在,以至于影响了大多数决策者的倾向和公众的态度。此外,NbS作为多目标协同的可持续措施,通常需要多部门协调规划以及长期的监测维护[109]。而现行行政体制中对短期绩效的重视,容易忽略公共项目的长期效益。多部门的合作和不同层级执行的一致性将是我国开展NbS的规划实践将面对的严峻问题。

4.2.3专业人才与本土研究缺失

NbS在我国的广泛运用还受制于专业人才的缺失。目前大多数的研究成果起源于欧美,将其应用于我国的社会经济建设可能会出现“水土不服”,因此还需要根据我国不同区域特点和拟解决的问题研发本土化的成果,因地制宜。然而,借鉴西方先进经验的过程中,不管是现有的高校教育系统,还是国家层面的专业再教育的体系,都缺失诸如NbS这类新理念的内容传授,新概念推行的早期,项目的执行可能会遇到人才匮乏的问题。但随着中国成为NbS全球行动的牵头国家之一,相信会有更多专业人才涌现,推动NbS理念在我国“落地开花”,并推动NbS在全球的应用实践,为美丽中国和全球命运共同体的建设,发挥重要作用。