城市水系生態多尺度評估與調控方法

陳楚江　廖佳卉　裘鴻菲　周海燕

摘 要：水系不斷退化，水資源供給、水源涵養、雨洪調蓄等生態系統服務功能不斷降低，制約了水資源高效利用、水環境質量改善以及水生態服務功能提升。維護好城市水生態健康，是我國生態環境保護與修復的重點任務，也是加快推進水生態文明建設、保障國家水安全和生態安全的重要支撐。從水系的雨洪調蓄功能角度切入，提出一種多尺度水生態評估與布局調控方法。在宏觀層面，從時空尺度評估水系生態完整性及各水體的雨洪調蓄潛力，提出相應的布局調控策略。在微觀層面，營建系統性海綿設施，提升水系雨洪調蓄容量，促進水環境、水生態、水安全效益提升。武漢市水系生態評估與調控驗證了該方法的有效性和實用性。

關鍵詞：城市水系；生態環境；雨洪調蓄；多尺度評估；布局調控

中圖分類號：X826? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

收稿日期：2023-08-02

0 引 言

城市水系是城市自然環境的重要組成部分，是城市建設的骨架網絡之一，影響著城市性質、用地布局及發展方向。城市水系生態空間是水系的載體基質，包括江、河、湖、庫、蓄滯洪區、水陸交錯帶等，能直接為人類提供水資源供給、水源涵養、雨洪調蓄、景觀文化等多種水生態產品和服務[1-2]。但是隨著城鎮化快速發展，人口高度集中于城市，導致城鎮建設用地不斷擴張并侵占了水系生態空間，造成嚴重的水資源短缺、水環境污染、生物多樣性降低、雨洪災害等水生態危機。

近年來，城市水系生態空間的保護與修復已成為政府和學者關注和研究的重點。2022年，黨的二十大報告指出，統籌水資源、水環境、水生態治理，推動重要江河湖庫生態保護治理。2023年，生態環境部聯合國家發改委等部門印發了《重點流域水生態環境保護規劃》《長江流域水生態考核指標評分細則（試行）》等，從水生態系統健康、生物多樣性恢復，統籌水資源、水環境、水生態治理評價長江流域17省市的水體[3]，提出到2025年，水生態環境持續改善、保護體系更加完善，水資源、水環境、水生態等要素系統治理、統籌推進格局基本形成的目標。如何高效利用水資源，改善水環境質量，提升水生態服務功能，維護好重點流域生態健康，促進區域經濟社會高質量發展，是我國生態環境保護和生態修復的一項重點工作。

眾多學者開展了水生態修復領域的研究。牛最榮等[4]從“三生”（生產、生活、生態）空間角度構建了基于PSR模型的水生態安全評價指標體系。王飛等[5]研究了快速城鎮化地區景觀格局對雨洪調蓄、水土保持、水質凈化三種典型水生態系統服務的影響，探討了景觀的組成和配置與水生態系統服務的關系。孟婷婷等[6]以北京市蕭太后河為研究對象，從生物群落結構、生物多樣性指數、水生態系統變化等方面開展水生態修復效果分析，闡明結構完整的水生態系統對抵抗外界水質、水量沖擊的重要作用。劉鳳如等[7]從植物水質凈化的角度，探究了沉水植物對污染物的去除效果，強調了沉水植物在水生態修復中的重要性?？偟膩碚f，目前我國在水生態修復領域的研究主要分為宏觀城市水生態安全格局[8]、水系連通[9]，微觀水生態修復技術應用及其效果[10]，對于兩者結合協同調控，統籌宏觀到微觀水生態修復方法的研究較少。

本研究從水生態系統服務功能之一的雨洪調蓄角度切入，探索從宏觀到微觀的多尺度生態評估與布局調控方法，并以“百湖之城”“海綿城市”武漢為例進行應用探索。

1 城市水系生態多尺度分析評估方法

雨洪調蓄是城市水系的重要生態服務功能之一?；跁r間和空間的多尺度評估能較全面、客觀和科學地反映城市水系生態的狀態，分析水系在雨洪調蓄方面的現狀及問題，為水系安全格局構建、水生態系統規劃、布局調控、開發利用與保護提供技術支撐。具體分析評估框架見圖1。

1.1 空間尺度的城市水系生態評估

城市水系的識別和提取是水系評估基礎，常見的方法包括人工野外測量、遙感影像水體識別等。其中人工測量主要用于小尺度研究或水系信息校核，而遙感影像具有覆蓋范圍大、快速、準確等特點，適合用于大尺度水系信息提取。

水系遙感信息提取常用方法為歸一化差異水體指數（NDWI），通過波段比值運算來增強水體與背景地物之間的反差，使水體信息易于辨識提取。本研究采用短波紅外波段替代近紅外波段的改進歸一化差異水體指數法，可以更有效地增大水體與其他地物間的差異以提取水體。

MNDWI =（B2-B5）/（B2+B5）（1）

式中：MNDWI為差異化水體指數；B2為綠色波段灰度值；B5為短波紅外波段灰度值。

在提取的城市水系影像基礎上，進行實地抽樣人工檢測。

對于空間尺度的評估，本研究通過大量文獻查閱與調研，選取水系破碎程度（FN）、水體形狀指數（SHAPE）來評估水系的空間格局，計算匯水范圍內水系雨洪調蓄任務量與其本身的雨洪調蓄容量來評估水系的雨洪調蓄潛力。

1）水系破碎程度

FN=（Np-1）/Nc（2）

式中：FN為水系破碎程度（個/hm2）；Np為斑塊數量（個）；Nc為水系總面積（hm2）。

FN值越大，表明水系越破碎，水系之間的連通性越低。

2）水系形狀指數

SHAPE= Pi /min Pi （3）

式中：SHAPE為水體形狀指數；Pi 為湖泊i的周長（m）；min Pi 為同面積的圓周長（m）。

SHAPE指數越大，表明水體形狀越復雜，岸線與生態空間的接觸度越高。

3）雨洪調蓄容積

水系雨洪調蓄容積為設計高水位與常水位之間的容積，用于調節徑流，灌溉供水等。計算式為

V0=（H - H0）S（4）

式中：V0為水系雨洪調蓄容積（m3）；H為設計高水位（m）；H0為常水位（m）；S為水體平均底面積（m2）。

4）雨洪調蓄任務容積

水系雨洪調蓄任務容積為水系在匯水區內應承擔的雨洪調蓄任務量。計算式為

V=10HφF（5）

式中：V為水體雨洪調蓄任務容積（m3）；H為設計降雨量（mm）；φ為綜合雨量徑流系數；F為匯水面積（hm2）。

1.2 時間尺度的城市水生態系統評估

通過分析不同時期城市水系面積變化情況、水系破碎程度變化情況、水系形狀指數變化情況，評估城市水生態系統的發展狀況。

1）水系面積變化率

ASR =（A1 - A0）/A0（6）

式中：ASR為水系面積變化率；A1為終期水系面積（hm2）；A0為始期水系面積（hm2）。

ASR值＞0，表明城市水系處于擴張狀態，反之則表示水系萎縮。ASR值的變化反映城市水系擴張或萎縮速率的快慢。

2）水系破碎程度變化率

FNR=（FN1 - FN0）/FN0 （7）

式中：FNR為水系破碎程度變化率；FN1為終期水系破碎程度（個/hm2）；FN0為始期水系形狀指數（個/hm2）。

FNR值＞0，表明水系逐漸破碎。FNR值的變化反映城市水系破碎程度變化速率的快慢。

3）水系形狀指數變化率

SIR=（SHAPE1 - SHAPE0）/SHAPE0（8）

式中：SIR為水系形狀指數變化率；SHAPE1為終期水系形狀指數；SHAPE0為始期水系形狀指數。

SIR值＜0，表明水系形狀復雜程度降低。SIR值的變化反映水系形狀變化速率的快慢。

2 城市水系生態布局調控

針對水系萎縮、水系破碎程度增大、形狀指數降低導致的水系生態循環被打斷的問題，在宏觀層面建立藍綠交融的雨洪安全格局，增強藍綠空間的連通性；在中觀層面調控水系及周邊綠地的邊界指數，以加強與周邊用地的有效對接；在微觀層面系統性營建海綿設施以增強水系生態空間的雨洪調蓄能力。

2.1 藍綠交融的雨洪安全格局

宏觀層面，在城市水系生態多尺度分析評估的基礎上，通過調控城市水系周邊的綠地等生態空間，恢復城市水系的生態連通性，建立藍綠交融的雨洪安全格局。對于城市水系的匯水范圍沒有完全覆蓋的區域、水系調蓄容積小于其調蓄任務的區域，需要通過規劃綠地斑塊、廊道來承接消納多余的雨水，從而增強藍綠空間的融合率和連通性，更高效地進行雨洪調蓄、徑流消減以及污染負荷控制。

2.2 水系空間與周邊用地的銜接

中觀層面，徑流雨水能否順利進入城市水系的影響因素之一是城市綠地與周邊用地的對接，包括地面對接和雨水管網對接兩個方面。

地面對接主要調控因子為水體及周邊綠地的邊界指數，包括邊界開敞率、地形坡度、邊界曲折度等。綠地邊界開敞率的調控意在打通綠地與其他用地的連通性。地形坡度的調控是為了使徑流雨水能夠更好地進入城市綠地進而進入調蓄水體。曲折度的調控則是為了增加綠地與周邊用地的融合率，更好地接納城市水體匯水面積范圍內各個方向的徑流雨水。

雨水管網的對接，包括管網設施共享性與對接形式等方面。對于調蓄容積小于調蓄任務的區域以及只有綠地、雨水管網進行雨洪調蓄的片區，需要更多地考慮與城市綠地周邊雨水設施的共享性。城市水系與雨水基礎設施的對接形式，則會影響進入城市水系的雨水水量和水質。

2.3 生態空間的海綿設施系統性營建

微觀層面，將城市生態空間與雨水基礎設施進行協同設計，合理布局海綿設施。通過對國家及地方海綿城市建設技術指南的充分研究，在源頭控制、傳輸控制及終端處理三個階段進行海綿設施系統營建（見圖2）。

2.3.1 源頭控制階段

雨水源頭控制階段處于排水系統上游，其主要目標是在雨水進入市政排水管網前采取各種措施，從源頭減少面源污染物的排放率和進入排水系統的雨水徑流量，并實現雨水控制利用。主要控制要素包括：

（1）最小化不透水區域面積。采用透水鋪裝、綠色屋頂，促進雨水徑流下滲。

（2）對于土壤滲透性能差、硬質比例高的區域可結合場地大小采用滲透井、滲透池、滲透管渠等集中式滲透設施。

（3）利用綠地與城市水體、城市道路高差，通過地形坡度處理，如設置緩坡地形、階梯型生態護岸、雨水花園，形成薄層漫流，有效減緩匯流速度，并延長徑流流程和滯留時間。

（4）灌木土壤的平均滲透率要高于草地土壤。增加植被覆蓋率，提高低矮灌木的比例以有效維護土壤的滲透率。

2.3.2 傳輸控制階段

雨水傳輸控制階段是指雨水從源頭集中傳輸至排水系統末端或儲存段之間的路徑，其主要目標是利用調蓄、滲透、滯留等處理措施改變來源區域的地表水文活動，以有效截留、處理雨水徑流污染物并短時儲存雨水。主要控制要素包括：

（1）結合人工旱溪或植草溝等特色景觀營造，利用砂礫、塊石、植被等材料增加排水設施表層的粗糙度，從而在雨水傳輸過程減緩徑流速度。

（2）利用場地縱向坡度在排水過程設置堰壩或形成階梯式排水過程，延長雨水滯留和傳輸時間。

（3）結合豎向設計與低勢綠地將雨水分散匯集處置，實現雨水短時儲存和淺層下滲。

（4）采用滲透管渠，在排水過程使得部分雨水自然下滲。

2.3.3 終端處理階段

雨水終端儲存階段處于排水系統的末端，其主要目標是在雨水和污染物進入受納水體或儲存設施前的凈化攔截及受納水體的水質凈化，從而對雨水加以利用。主要控制要素包括：

（1）采用濕塘、蓄水池等設施增加對雨水的調蓄容量、提升凈化功能，以雨水為主要水源補給景觀水體。

（2）城市水體通常是濱水區滯蓄雨水、排澇的主要通道，結合生態駁岸、人工濕地，利用岸帶植被的凈化緩沖作用，攔截外源污染物，保障水體質量。

（3）凈化水體水質，可采用殼聚糖包裹載鑭膨潤土除磷劑、鑭改性的凹凸棒土底質改良劑，對水體和底泥的磷進行吸附，避免水體治理二次污染等問題。同時采用具有良好脫氮效果的異養硝化好氧反硝化功能菌株，通過微生物復合凈水技術，凈化水質。

（4）對水下生態環境進行重構，選取苦草、一葉蓮、鰱魚、鳙魚、螺蚌等水生動植物構建水下森林，達到凈化水質、維持水體生態平衡的目的。

（5）在發生極端降雨事件時，將生態空間作為水系及蓄滯洪區的連接通道，以便雨水排出，避免重要基礎設施受到洪澇災害影響。

3 城市水系多尺度評估與調控的應用

為更好地驗證上述城市水系多尺度評估與調控的理論框架，同時進一步檢驗該理論框架實踐效果，以武漢市中心城區為案例，嘗試從時空尺度評估其水系生態系統，分析水系格局存在的問題，并以武漢市紫陽湖、經開區小微水體為研究對象，在微觀層面進行海綿設施系統性營建，改善水生態環境。

3.1 案例區域概況

武漢市地處中國腹地，長江與其最大支流漢江在此交會。市內湖泊眾多，水域面積占市域總面積的26%，形成了武漢三鎮密集的湖泊水網。在氣候方面屬于北亞熱帶季風性（濕潤）氣候，具有常年雨量豐沛、熱量充足、雨熱同季等特點。武漢降雨主要集中在每年6—8月，降雨量大，加之排水管網設計標準低、地面硬化、水系面積銳減等綜合作用，造成城市內澇頻發。

3.2 武漢市中心城區水系生態多尺度評估

通過遙感影像提取武漢市中心城區的水文特征，運用GIS分析得出水體匯水面積、水體變化面積分布（見圖3、圖4），將相關數據代入公式計算得到城市水系生態多尺度評估結果（見表1）。

分析發現武漢市中心城區水系雨洪調蓄存在三個方面的問題。

（1）水系割裂的問題。數據表明，2000—2015年，武漢中心城區36個湖泊面積共減少34 km2，景觀破碎度變大，形狀指數減小。20世紀末，武漢通江湖泊全部被阻斷，武昌地區的東湖、沙湖、南湖被隔開；漢陽地區的墨水湖和太子湖分開；漢口地區小湖泊零星分布。2000—2015年，硚口區竹葉海、張畢湖面積減少了0.95 km2，原本幾乎連為一片的湖泊，割裂分離為2個獨立的小湖體。洪山區東湖、楊春湖面積減少了3.65 km2，兩湖之間的狹長水系在城市發展中被填占。原為一體的洪山區嚴西湖、北湖面積減少1.50 km2，北湖被分割，水系割裂，導致水生態循環被打斷，湖泊的水質污染形勢嚴峻。

（2）藍綠連通性差、管網斷層。通過降雨匯水路徑與綠地系統的耦合分析（見圖5），發現綠地分布與降雨匯水路徑基本吻合，只是由于綠地面積在湖泊匯水面積范圍內所占比重較小，造成降雨后匯水范圍內的地表徑流無法通過綠地系統進入調蓄湖泊。通過降雨匯水路徑與城市雨水管網的耦合分析（見圖6），發現城市管網的分布與匯水路徑有位置上的較大偏移，導致降雨后地表徑流無法快速進入雨水管網。湖泊與雨水管網沒有直接對接，不能緩解雨水管網承載的雨水疏散壓力，調蓄功能沒有得到充分發揮。

（3）水系調蓄容積不足。數據表明，鸚鵡湖水系的蓮花湖、巡司河排水系統的曬湖，調蓄容積小于調蓄任務量，需采取相應布局調控措施來提升調蓄容積。

3.3 布局調控

（1）案例一：武漢市紫陽湖“大湖+”工程

紫陽湖“大湖+”工程位于武漢市武昌區紫陽路222號，北靠蛇山，西臨長江。其作為巡司河排水系統中的重要匯水湖泊，承載著雨洪調蓄的重要作用，但由于公園地形條件、大量不透水鋪裝問題，致使其實際調蓄能力較低。在武漢市委市政府提出的“大湖+”發展理念背景下，項目實施海綿化改造。改造范圍總面積為29.6 hm2。其中，紫陽湖湖泊面積13.6 hm2，陸地生態空間面積16 hm2。

改造將湖泊生態空間與雨水基礎設施進行協同設計，對各項構景要素的空間布局進行系統性營建，充分發揮湖泊公園的雨洪調蓄與凈化功能（見圖7）。本次海綿設施系統性營建主要通過透水鋪裝、雨水花園、植草溝、濕塘、蓄水池、生態駁岸等達到設計蓄水容積、年徑流總量控制率等目標值（見表2）。對二級園路及部分廣場，采用透水鋪裝，二級園路邊設置植草溝，以凈化徑流雨水，在有條件的區域設置雨水花園，不僅能夠調蓄、凈化雨水，也具有一定的觀賞價值，將湖心島上原有水池改造為濕塘，收集調蓄湖心島上雨水。

通過海綿設施系統性營建，提高了公園的水生態、水環境、水安全。打造生態護岸并優化沿湖水生態系統植物配置群落，通過對雨水徑流的過濾、凈化，使水體受污染風險降低（見圖8）。

經檢測，紫陽湖水質已由劣Ⅴ類轉變為地表水Ⅳ類，局部水質達到Ⅲ類，具體污染物去除情況見表3、表4。

同時，工程年徑流控制率達到88.6%，峰值徑流控制達到60%，面源污染控制率達到80%，雨水資源化利用率達56.4%，滿足武漢市標準，超預期完成了紫陽湖生態環境提升目標，并且產生了固碳制氧效益、凈化空氣效益、提供生境效益、降噪效益、保持生物多樣性效益等（見圖9）。

（2）案例二：武漢經濟技術開發區（漢南區）“四水共治”二期工程小微水體治理

武漢經濟技術開發區（漢南區）“四水共治”二期工程為經開區內16處湖泊，總水面面積約260萬m2。主要建設內容為沿湖截污納管工程、內源治理工程、水生態修復工程、駁岸及景觀工程。小微水體由于水體小、地處偏、影響小，基本沒有納入到武漢市各區湖泊保護規劃之中，但是普遍存在水質差、淤積重、景觀差等問題。

項目采用對湖泊的點源、內源污染進行治理的修復措施，落實省市水污染防治目標（見圖10）。主要采取終端處理階段的岸帶植被凈化、底泥污染物控制、微生物復合凈水及水下森林等技術方法，實施后，16個小微水體穩定達到地表水Ⅳ類標準。經測定，本項目的污染物消減量如下表所示（見表5）。

4 結 論

基于雨洪調蓄視角探討了水系生態多尺度評估與調控方法的研究應用，主要結論如下。

（1）提出了時間、空間多尺度水系生態評估體系?？臻g尺度上選擇水系破碎程度、水系形狀指數、雨洪調蓄容量、雨洪調蓄任務量四個指標，時間尺度上選擇水系面積變化率、水系形狀指數變化率、水系破碎程度變化率三個指標，以評估城市水生態系統完整性及雨洪調蓄潛力。

（2）從宏觀、中觀、微觀三個層面提出了城市水系生態布局調控措施。在宏觀層面，建立藍綠交融的雨洪安全格局；在中觀層面，將水系空間與周邊用地進行有效對接；在微觀層面，將城市生態空間與雨水基礎設施進行協同設計，系統性營建海綿設施。

（3）武漢市水系生態多尺度評估與調控驗證了所提方法的有效性。采用本文所提方法，可大幅削減水體污染物指標，顯著改善水生態環境。

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Method of Multi-scale Assessment and Layout Regulation of Ecology for Urban Water System

CHEN Chujiang1，LIAO Jiahui1，2，QIU Hongfei3，ZHOU Haiyan1，2

（1. CCCC Second Highway Consultants Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China；2. CCCC Hemei Eco-environmental Construction Co.，Ltd.，Wuhan 430050，China；3. College of Landscape Architecture，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）

Abstract：Water systems have been degraded，leading to a decline in ecosystem services such as water supply，water containment and rainwater storage. This hinders the efficient utilization of water resources，the improvement of water environment quality and the enhancement of water ecological services are constrained. As a primary task of China's ecological environmental protection and restoration，protecting the ecological health of urban water provides vital support for accelerating the construction of water ecological civilization and guaranteeing national water and ecological security. To address these issues，a multi-scale water ecological assessment and layout regulation method is presented focusing on the rainfall and floodwater storage function of water system. At the macro level，the ecological integrity of the water system and the rainfall and flood storage potential of each water body were assessed at spatial and temporal scales. Subsequently，corresponding layout regulation strategies are proposed. At the micro level，systematic sponge facilities were recommended to enhance the rainfall and flood storage capacity of the water system and promote the benefits of water environment，water ecology and water safety. Finally，the effectiveness and practicality of the method were validated by application to the ecological assessment and regulation of the water system of Wuhan.

Key words：urban water system；ecosystems；rainfall-flood regulation and storage；multi-scale assessment；layout regulation

作者簡介：陳楚江，男，全國工程勘察設計大師，正高級工程師，博士，主要研究方向為現代地球空間信息技術及其公路集成應用。

E-mail：cjchen@vip.163.com