基于低沖擊開發理念的農業科教園區水景觀生態化方法研究

王水源　李偉　徐建剛

摘要：近年來，全球氣候變化加劇，極端天氣增多，暴雨洪澇災害頻發，使得低沖擊開發模式（LID）成為城市規劃研究領域的前沿。以南京農業大學白馬教學科研基地的開發為實證研究對象，以基地微地形數字地面模型（DTM）建模為分析基礎，一方面通過暴雨徑流模擬來確立水資源空間利用格局，另一方面通過對基地自然地理特征及其土地利用現狀分析，結合園區發展定位與功能結構需求，運用地理信息系統（GIS）柵格疊置分析技術進行多種功能的適宜性分析和園區功能布局，對主要功能區用水需求進行定量估算，引入LID設計理念，進行水景觀水量保持、水質保障等生態安全的科學化設計，盡最大可能實現入滲、過濾、蒸發、蓄流等方式以減少徑流排水量，使開發區域的水文功能盡可能接近開發前的狀況，實現人水和諧、綠色低碳的水生態安全景觀格局，為農業科教園區的生態文明建設奠定基礎。

關鍵詞：低沖擊開發（LID）；農業科教園區；水景觀；GIS空間分析；生態文明

中圖分類號：TU984.14 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0189-06

收稿日期：2013-12-25

基金項目：國家自然科學基金（編號：51278239）。

作者簡介：王水源（1989—），男，福建三明人，碩士，主要從事城市規劃與微流域水安全研究。E-mail：295847906@qq.com。

通信作者：徐建剛，教授，博士生導師，主要從事城市與區域規劃、數字城市與規劃研究。E-mail：xjg129@sina.com。在全球氣候變化加劇、城市化進程不斷加快、人口持續增長的大背景下，土地資源日益緊張，水資源匱乏、污染嚴重，生態環境壓力增大，尤其是近年來，極端天氣增多，暴雨內澇頻發，多個城市出現暴雨內澇問題，如2009、2010 年廣州暴雨和2012 年北京特大洪水導致內澇等，使得低沖擊開發（low-impact development，簡稱LID）模式引入到城市規劃的各個領域，且迫在眉睫。低沖擊模式反映城市發展與自然保護的和諧統一，既強調發展又注重生態保護，其核心思想是在城市化的進程中，采取各種手段減輕對生態環境的沖擊和破壞，恢復和重建自然生態，對城市可持續發展具有重大意義。

在白馬農業科教園區研究中，從“生態優先”和“可持續發展”出發，以園區內漢湖及河流改造工程為基礎，將水資源利用、水景觀建設與防洪排澇統籌考慮，將水生態與人造景觀充分結合，以期在改善園區生態環境的同時，在節水、節能、恢復水體環境和保護水資源等方面起到示范作用。面對當前社會轉型的現狀，在園區水資源利用和水景觀規劃設計中，如何科學地采用先進的低沖擊開發理念及技術解決水環境突出的問題，是一個重大且具有挑戰性的課題，這將為城市水資源利用和水景觀規劃設計構建一個新的理論方法體系，對建設“綠色城市”“生態城市”及城市可持續發展具有重大意義。

1低沖擊開發相關理論及應用

低沖擊開發模式是20世紀90年代末在美國馬里蘭州開始使用的一種創新暴雨雨水管理和面源污染處理技術模式[1]，與傳統技術如濕地、滯留塘、草溝等有所不同，LID技術是通過分散、小規模的源頭控制，達到對暴雨所產生的徑流和污染的控制，使開發地區盡量接近于自然的水文循環[2]（圖1）。低沖擊開發模式的核心理念主要包括3個方面：以生態系統為根基，促進城市與自然和諧共生；從暴雨徑流源頭開始管理，分區控制污染來源；強調尊重和利用開發前的自然特性[3]。

近年來，國外特別是美國已經將低沖擊開發技術列為可持續發展技術核心之一；在國內，時任住房和城鄉建設部（以下簡稱住建部）副部長仇保興提出，推行低沖擊開發（LID）模式是城市規劃變革的重點之一，城市應以對環境更低沖擊的方式進行規劃、建設和管理。從低沖擊開發模式基本理念出

發，該模式可以延伸到城市規劃的各個領域。面臨當前的社會轉型，城市規劃應尊重自然規律、重構自適應系統回歸，從重空間物質規劃向物質與生態共軛規劃轉變，低沖擊開發模式的推行具有不可替代的意義[5]。

常見的低沖擊開發技術包括屋頂綠化、生物滯留槽（下凹綠地、草溝及草渠、雨水花園）、都市自然排水系統、綠色街道、雨水再生系統、透水性鋪裝等[6]。LID技術屬于低成本和低能耗技術，合并了排水和景觀建設費用，節約了土地，經濟節約，同時減少了碳排放。

美國馬里蘭州最早試行LID 排水系統，以減輕城市化及不透水地面的負面影響，針對單個LID 模塊研究取得了很好的效果[7]。Dietz 等對LID 排水系統與傳統排水的差異進行分析[8-9]；Brander 等分別對不同 LID 單元進行模型模擬和實地試驗，分析不同降雨頻率下LID 單元的雨水控制作用[10-13]。國內城市雨洪控制利用系統性研究和應用開展得較晚，LID 應用處于起步階段，研究尚不多。深圳市西坑水庫是我國第1個 LID 試點，Zhang 等利用屋頂雨水收集、人工濕地、地表等措施，研究LID 在雨水徑流量和水質凈化等方面的作用[14]；晉存田等針對下凹式綠地的作用在北京市進行試點研究[15]。2010年，住建部與深圳市簽訂LID技術示范合約[16]，開展低沖擊開發基礎研究，深圳市光明新區（150 km2）作為中國第一個LID技術示范區，形成符合深圳市本地特征的低沖擊開發技術體系[17-18]。低沖擊開發研究與應用，即使是在已經相對成熟的北美及歐洲等地，多集中在微觀尺度的工程技術領域，在宏觀和中觀尺度的城市空間利用上，低沖擊開發理論在資源利用、產業發展、生活模式和市政建設這4個方面的應用與實踐較少。

2研究區概況和技術路線

2.1研究區概況

南京農業大學白馬教學科研基地位于南京市溧水區白馬農業高新技術產業園區（“農業硅谷”）北側，臨近高速公路、高鐵、城市干道，具有交通便利的區位優勢?；貎任鞑可角鹎€柔美，大小水塘散布其中；大片優質農田形成基地的自然綠色基底，灌木、喬木等其他綠化增加基底植被的層次感，與農田和水塘共同構成基底內良好的生態環境。矮丘、方田、密樹、清塘是基地內最大的景觀特色?；匾巹澮詽h湖水景為核心，生態風景林為環境背景基調，以科技信息、科技成果、歷史文物、國家交流與合作、新農村研究、校園文化及創新教育、展示觀光等為功能和內涵，建設風景園林式的新型大學公共管理與服務園區。西部農業試驗區內包含植物種植和動物飼養區，需要大量農業用水；南部漢湖需要大量景觀用水，水面面積需達到10 hm2以上（圖2）?？紤]到校園生態環境，須保證水質高于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的規定。

2.2技術路線和研究方法

本研究在對基地現狀水系、土地利用等條件進行地理信息系統（geographic information system，GIS）建庫的基礎上，通過GIS工具進行基地微地形數字地面模型（digital terrain model，DTM）建構，運用水文分析進行微流域劃分，確立水資源利用空間格局；對基地自然地理特征及土地利用現狀進行分析，結合園區發展定位與功能結構需求，運用GIS柵格疊置分析技術進行多種功能用地的適宜性分析，并依此進行園區功能布局；對主要功能區用水需求進行定量估算，引入LID設計理念，對水景觀水量保持、水質保障等生態安全進行科學設計，提出水源保障方案、生態型河道建設及漢湖濕地景觀規劃設計等引導性策略（圖3）。

3園區微地貌模型構建與微流域劃分

3.1基于Arcgis平臺的微地形模型構建

將研究區域的地形CAD數據導入ArcGIS中，利用3D Analyst分析模塊生成數字高程模型（DEM），為后續基于GIS技術進行相應的水文分析研究提供基礎數據。在ArcScene

中將DEM三維可視化，可以清楚看出基地的地形地貌，除西部的低矮丘陵外，其余地區地勢平坦，總體呈西高東低之勢（圖4）。

3.2基于水文分析的園區微流域劃分

利用DEM模型作為數據源，根據流向分析原理，模擬水的流向，將科教園區基地依照山脊線劃分成流域A和流域B 2個流域，流域面積分別為329.68、240.57 hm2；求出匯水邊界線，生成基地區域匯水線，將規劃區劃分為多個子流域，子流域再劃分為多個微流域；利用Hydrology Modeling模塊進行流域分析，根據生成的匯水線形成微流域劃分圖（圖5）。

4基于GIS-LID模式的園區用地功能布局

LID模式遵循“生態優先、尊重自然、分區控制”的原則，其核心目標是通過對暴雨產生的徑流和污染進行控制，使開發區域盡量接近于開發前的自然水文循環狀態。本研究尊重原有地形地貌基底，規劃充分保留江蘇省南京市白馬現代農業高新技術產業園上位規劃中預留的生態廊道及河流水系，保證園區生態的可持續性。

本案例中，通過對基地自然地理特征及土地利用現狀的分析，選取水域、風向、相對高程、坡度、噪聲等限制性因子和到水庫的距離、與城市干道的距離等鼓勵性因子作為評價要素，對生活、公共服務、農業實踐、展示、教學等功能各自選取相關要素進行疊加，運用GIS柵格疊置分析技術進行多種功能的適宜性分析，得出結論：生活功能用地較適宜安排在基地中部、水庫周邊且不緊鄰道路的區域；公共服務功能用地較適宜安排在基地中部、水庫周邊地區；農業實踐功能用地較適宜安排在基地西部；展示功能用地較適宜安排在基地東部；教學功能用地適宜范圍相對較廣，選擇余地大，應綜合其他用地適宜性評價結果進行選址（圖6）?；贚ID理念，尊重自然，適應地形地貌和周圍環境，將白馬農業科教園區劃分為教學生活區、中心展示區、創新與創業園區、辦公服務區、科教園區（東區）和科教園區（西區）6個組團（圖7），最終形成規劃的總體結構。

5基于LID理念的園區水景觀水質和水量保障策略

5.1漢湖景觀用水需求分析

5.1.1蒸散需水量湖泊水面蒸發是湖泊水量消耗的重要方式之一，需要一定的水量維持湖泊正常的環境功能。當水面蒸發量高于降水量時，水面蒸發量與降水量的差值即為消耗于蒸發的凈水量，稱之為水面蒸發用水量，計算公式為：WE=（E-P）A，E>P；WE=0，E≤P。式中：WE為湖泊水面蒸散需水量，L；E為湖泊蒸發量，mm；P為湖泊降雨量，mm；A為湖泊水面面積，m2[19]。查閱溧水區水利局網站相關資料可知，溧水區多年平均蒸發量為1 038 mm，小于多年平均降水量，因此漢湖蒸散需水量為0。

5.1.2滲露需水量滲露需水量計算公式為：WP=KV。式中：WP為湖泊滲露需水量，m3；K為湖泊滲露系數，取經驗值12%；V為湖泊常年蓄水量，m3[20]。漢湖正常庫容為51 萬m3，經計算漢湖滲露需水量為0.612 萬m3，而流域B年降水量為266 萬m3，水資源量為133 m3。漢湖若只靠微流域匯水，則換水周期長達半年，時間過久，因此需要采取其他措施為漢湖補水，使換水周期能縮短至2個月左右。

5.2水源補給方案

對基地周邊水源現狀進行調查發現，周邊共有4個水庫，分別為老鴉壩水庫、貫莊水庫、賀家山水庫、龍王廟水庫（圖8）。筆者對這4個水庫作為基地水源補給的可能性進行分析發現，從水流自然流向來看，4個水庫中只有龍王廟水庫自然匯流能進入規劃區；從水面高程來看，龍王廟水庫、賀家山水庫、貫莊水庫高程均超過規劃區平均高程，其中龍王廟水庫作為基地外來供給水源最具條件，賀家山水庫、貫莊水庫通過修渠引水可將水導入基地；若要老鴉壩水庫供水，則必須建設提水泵站（圖8）。因此，根據低沖擊開發的理念和原則，龍王廟水庫最適宜作為基地水源的補給方案，賀家山水庫、貫莊水庫次之，老鴉壩水庫最不適宜。

5.3基于LID理念的園區水景觀水質保障策略

基于LID核心理念，以生態系統為根基，分區控制水源污染源，促進城市與自然和諧共生。本案例中，在原有河流水系的基礎上，遵從原有的河流水系水流方向，構建生態化的河流水系，恢復水生態，改善區域水文環境，營造多樣化水景觀，提高河湖自我調節和自我修復能力，使改造充分適應自然，盡量接近改造前的水文循環狀態，同時控制水源面污染，為園區景觀用水提供水質保障。

5.3.1生態型河道設計引導城市生態型河道是指根據城市生態文明建設需求及水環境功能區劃，在河道藍線內（包含水域、邊坡、陸域等區域）實施保護河道生態健康發展的建設工程[21]。該工程必須遵循安全、可靠、經濟的原則，以滿足資源、環境的可持續發展和多功能開發，逐步形成水質改善、具有多樣水生物種相互依存的系統，達到自我凈化和自我修復能力，且本身具有景觀特性[22-23]。

在白馬基地中，園區具有大面積的農業用地，河網密布，水域面積較大，由于化肥、農藥等的使用，水體極有可能遭受面源污染的影響，容易造成河流氮、磷富營養化問題。為此，各級排水溝道采用生態護坡技術，在保證河道邊坡穩定的基礎上，營造河道邊坡系統的生物多樣性，使排水河道滿足防洪、排澇和穩定河岸的功能和景觀作用，同時還具有攔截污染物、修復受污染的河流水體、提高河流自凈能力的生態功能。

對河道進行生態化建設、利用植物進行護岸、臺地增強生態效應的設計，應注意解決以下問題：（1）注重突出河道的天然自我凈化作用。通過跌落，營造河流的水位落差及急流、緩流等，形成天然凈化能力。（2）注重保持和營造河道的天然狀態。岸邊及河底用生態材料進行保護，沖刷較嚴重的地帶，采用拋石、木樁護岸等方法；種植根系發達的植被，加固河堤，有效抵御汛期洪水的沖刷。（3）注重發揮水生動植物的凈化作用。通過在河中種植蘆葦、香蒲、水草等適宜當地水環境的水生植物，同時注意保護天然形成的植被，吸附水中的有害物質、凈化水體；可以放養水生動物，以恢復河道動植物的多樣性，再造人水和諧的自然景觀。

5.3.2漢湖濕地景觀設計引導濕地被稱為“生命的搖籃”“地球之腎”“鳥類的樂園”[24]，是地球上生物多樣性豐富和生產力較高的生態系統。運用低沖擊開發原理，通過景觀生態設計，充分發揮濕地調節氣候、涵養水源、降解水體污染、維持生物多樣性、動植物棲息地保護、休閑娛樂等綜合功能[25]，保證設計方案盡可能對環境影響最小、資本投入少、生態效益最大[26]。結合景觀生態學相關原理，將濕地作為一種景觀類型，由基質（濕地規劃區）、斑塊（濕地生物群落）、廊道（水面和進出水渠道）構成，設計時重點考慮生態承載力，最大限度地保護與節約資源資本，防止污染的產生及生物棲息地的喪失；以原生自然要素為背景，適應湖泊濕地的自然過程，將原有的水體、植物、地貌、土壤等自然要素及能量傳輸過程結合到設計中，選用鄉土物種充分顯示自然的原生態；強調濕地保護，維持生物多樣性和動植物棲息地，重視休閑娛樂和生態旅游等多重功能，將濕地融入城市景觀中，使人們親近自然、感受自然回歸，體現人與自然的和諧。

在白馬基地中，由于基地內擁有大量農田，當含有農藥等毒物和雜質的污水經過濕地時，濕地最主要的作用就是清除和轉化毒物和雜質，濕地可使水流速度減慢，有利于毒物和雜質的沉淀和排除。因此，濕地充當小型生活和生產污水處理地的功能，有利于減少環境污染，有益于園區生活和生產。

在湖岸設計方面，可根據河流兩側不同功能特點設置景觀駁岸、自然凈化駁岸、人工駁岸等[27]。大水面的駁岸采用緩坡入水的形式，即依據LID模式原理，湖面依照水面周邊舒緩的地形向水中延伸，形成自然岸線，這有利于維持動植物的多樣性[28]。漢湖南邊的生態小島受空間限制沒有足夠的緩坡余地，其邊緣采用塊石或松木樁護坡，大小不一的自然塊石使駁岸自然生動，松木樁的“軟性”質感更能與水體、植物融為一體，顯得分外自然親切。

在濕地植物配置方面，運用景觀手法改善水質，利用植物吸收和過濾掉一部分由降水和農田用水帶來的污染物質[29]。在設計中，大量運用漂浮植物與浮葉根生植物，如浮萍、紫萍、莼菜、中華萍蓬草、白睡蓮、澤瀉等。不同的水深條件適合不同的水生植物，岸邊適合選擇大花萱草、千屈菜；淺水區選擇鳶尾；沉水植物選用金魚藻、亞洲苦草、菹草；挺水植物則選用蓮、水芹、慈姑、菖蒲等[30-31]。同時，在水生植物設計中強調水域分區的不同特色，于堤岸、水邊草坡、棧道側大量種植斑茅，成為十月蘆荻揚花的主角；水生植物選擇淡紫色花絮的再力花、藍色花絮的海壽花、白色花絮的小鬼蕉、粉色花絮的紅蓼及多花色的花菖蒲等，特意營造黃菖蒲群落、千屈菜群落和萍蓬草群落，突出展現“花”的景觀特色和群體花色效果。

6結論

本研究以基地微地形DTM建模為分析基礎，嘗試在農業科教園區發展定位、功能布局和詳細設計的規劃設計全過程中引入LID有效水文設計理念，從宏觀戰略角度對農業科教園區水景觀規劃設計方法進行探討，使園區實現綠色低碳、城市與自然和諧共生的水生態安全格局。低沖擊開發模式不僅是城市水資源可持續利用與雨洪控制的重要措施，還是建設資源節約型、環境友好型社會的重要理論方法依據。針對農業科教園區農業試驗和教學科研等功能，根據園區生態系統，提出生態型河道和湖泊濕地的生態化設計手法，以期為農業科教園區的規劃設計和生態文明建設奠定基礎。

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