基于多系统耦合共生理论的惠城区绿色海绵系统研究

陈哲，郦伟

（惠州学院建筑与土木工程学院，广东惠州 516057）

基于多系统耦合共生理论的惠城区绿色海绵系统研究

陈哲，郦伟*

（惠州学院建筑与土木工程学院，广东惠州 516057）

本研究基于耦合共生理论对惠州市惠城区范围内雨洪管理系统进行了研究并立足于景观生态学基本原理，与“多系统耦合共生”理论相结合，试图通过建立复杂多元的动态网络生态系统解决惠城区雨洪管理问题.该系统主要包括海绵斑块、海绵廊道、海绵本底三方面.通过构建既有街道网络周边截留池，初步消纳路面产生的地表径流，无法消纳的雨洪通过明沟和暗沟等措施导入就近绿地进行蓄存.小型绿地通过水廊道与大型公园绿地相连，大型公园绿地通过河流廊道相互连接.海绵斑块子系统与海绵廊道子系统相互耦合形成城区内部绿色海绵网络.通过水渠、防风林、楔形绿地等廊道将城区内部绿色海绵网络与惠城区周边海绵本底耦合.最终形成多系统耦合共生的惠城区整体绿色海绵系统.

海绵城市；绿色海绵系统；耦合共生

1 研究背景与问题提出

随着国家对各地区海绵城市建设硬性指标的规定，全社会都关心海绵城市建设对人居环境品质的提升及对各自城区范围内水体的蓄积与生态净化.

根据广东省水环境监测中心惠州分中心2005年监测资料，东江干流汝湖水厂断面水质良好，达Ⅱ类水质；惠州大桥断面、博罗断面水质较差，为Ⅳ类水质，主要是受东江沿岸直接排污、西枝江污水汇入以及自净时间短所致.西枝江上游白盆珠水库、平山河段水质良好，达I—Ⅱ类水质，而西枝江下游紫溪和东新桥等河段水质较差，个别项目超V类，水体功能已受到破坏.［1］惠阳地区淡水河由于受到上游深圳地域的生活污水和工业废污水未达标排放影响，加上惠阳区部分生活污水直接排放，水质为V类或超V类标准.连通淡水与澳头的淡澳河，更是成为一条黑色的臭水沟.面对复杂的水体面源污染问题，我们应对的方法相对单一，一些本该通过自然净化过程就可完成净化的水体，我们一并通过高价的人工净水处理，将自然净化的力量排除在外.

惠州市南临南海，地处亚热带季风气候区，作为天然雨水量大的惠州地区，多年平均年雨量为1 897 mm.区内水资源量主要由降雨形成，具有时空变化与年际变化大的特点.据统计，惠州市多年平均水资源量为127.5亿m3，其中地表水资源量为127.4亿m3.多年平均入境总水量为180.3亿m3，入境水量是惠州市重要水资源.每年4-9月属于惠州的雨季.

不存在大气污染的天然雨水属于Ⅲ类水，在没有进行雨污分离的城市，大量的Ⅲ类雨水没有起到补充地下水的作用，反而成为城市污水处理厂的负担.雨情复杂的情况下导致城市面源污染更严重.综合来看，主要是因为在对待水问题时，我们缺乏分类对待的思考.惠城区因为是在老城基础之上建设新城，建城条件复杂，缺乏相应资金从而导致解决城市雨洪问题停留在原有思考层面.

从前单一理论主导下的城市管网建设以快排为主，将城市宝贵的水资源以最快的速度排离城市，城市失去了自然状态下复杂的运作机理，城市内部灰色下垫面对雨水没有起到很好的降速、错峰的作用，相反相应地增加了径流量，加大了水患的风险.

基于对以上问题的分析，本人提出“多系统耦合共生”解决城市雨洪管理问题.所谓多系统是站在多个视角考虑城市雨洪管理问题：主要包括街道系统、公园绿地系统、城市广场系统、城市洼地系统、城市过境河流系统.不同的系统可承接不同洪水重现期的雨量.街道作为城市灰色下垫面重要组成在城市内部已成一套有机系统，城市基础设施全部由大小街道相连.把街道雨洪问题解决好是城市雨洪生态化处理的第一步.公园绿地是城市内部环境中最接近天然条件下下垫面情况的，对于雨水可以起到汇集、涵养的作用，尤其是滨水湿地公园等以水体为主的公园绿地.城市广场作为城市不可或缺的重要组成部分，通过相应改造同样可以发挥非常重要的调蓄雨洪的作用.城市洼地，包括没有被开发的坑塘、城郊农田、水库等组成了城市的天然缓冲系统，可以对雨水起到蓄存的作用.过境河流是城市雨洪最终的泄洪道，城市通过各种措施无法消纳的雨水最终将排入过境河道.

2 “多系统耦合共生”海绵系统的相关理论

物理学中“耦合”是一个基本概念，指的是两个或两个以上的系统或运动方式之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象，是在各子系统间的良性互动下，相互依赖、相互协调、相互促进的动态关联关系［2］.因而耦合是一个动态的过程，处理的是多系统动态平衡的过程.

“共生”是生物学中的一个基本概念，是指两种不同生物之间所形成的紧密互利关系.跳出生物学狭隘的“共生”概念，宏观的共生可以指不同的生态系统之间良性的相互作用，两者之间不是相互依存的关系，而是起到增加彼此价值的作用.

“多系统耦合共生”实际上是指在城市发展过程中保留下来的各成体系的零散系统，包括城市街道系统，公园绿地系统，城市洼地系统，城市河流水网系统.各系统之间相互建立联系，通过共生关系，雨水可以在系统内部以及各系统间转移，达到消纳雨洪、净化水质的作用.

绿色海绵系统实际上是“海绵城市”的核心，是综合作用下发挥城市海绵作用的组成部分.“海绵城市”理论的形成是基于最佳管理措施（BMPs）、低影响开发（LID）和绿色基础设施（GI）等一些国外处理雨洪的措施与中国本土实际情况相结合的一个过程.20世纪70年代，美国提出了“最佳管理措施”（BMPs）［3］，该项措施最初主要是用于解决城市和农村的面源污染问题，之后逐渐发展成为控制降雨径流水量和水质的生态可持续的综合性措施［4］.在此基础上，20世纪90年代末期，美国西北地区的西雅图（Seattle）、东部马里兰州的乔治王子县（Prince George’s County）和波特兰市（Portland）共同提出了“低影响开发”（LID）的理念.起初是通过分散的源头控制机制和技术，以期达到对暴雨所产生的径流和污染的控制，减少开发行为对场地水文状况的冲击，是一种以生态系统为基础的、从径流源头进行管控的暴雨管理方法［5］.1999年，美国可持续发展委员会提出绿色基础设施理念，即空间上由网络中心、连接廊道和小型场地组成的天然与人工化绿色空间网络系统，通过模仿自然的进程来蓄积、延滞、渗透、蒸腾并重新利用雨水径流，削减城市灰色基础设施的负荷［6］.

2.1 “多系统耦合共生”海绵系统理论

2.1.1 绿色基础设施——海绵斑块

良好稳定的自然生态系统必然包括丰富多样的具有不同功能和属性的相对同质的块状空间实体，并包含各种天然、人工的生态要素与风景要素，共同构成“自然的保障设施”系统.而健康的城市生态系统则包括半自然半人工的绿色块状基础设施，该设施成为城镇化地区恢复和构建“保障设施”的重要途径.通过海绵系统构建，让该块状基础设施承担雨洪管理的用途，这就形成了海绵斑块的概念.

2.1.2 连接绿色基础设施的生态水网——海绵廊道

区域性的生态网络在于加强区域生态联系，有效提高生态系统的内部流动.孤立和功能单一的绿色基础设施虽然也能够发挥建设的作用，但并未形成有机联系的网状系统，无法让汇集的雨水在区域间流动.绿色基础设施的生态水网是由绿色基础设施节点与多功能的连接廊道构成，形成天然与人工绿色空间相互联系的具有内在结构和具体功能的整体系统.“绿色海绵”系统基于区域丰富且自然存在的各种“储水器”和“连接器”，收集、滞留、净化雨（雪）水，回补地下水的绿色基础设施设计概念.［7］一方面增强区域对暴雨的适应能力，另一方面利用湿地系统，增强区域的汇水能力，营造具有多种生态服务功能的绿色基础设施体系.

2.1.3 “绿色海绵系统”大环境——海绵本底

有了良好的生态水网还不足以让城市健康生长，还要建构良性的水网环境——海绵本底.海绵本底是海绵斑块、海绵廊道所依存的载体.对于城市而言，周边的农业用地，林业用地，水库等均为海绵本底的重要组成部分.农田肌理、森林肌理应该得到立法层面的保护，作为城市摊大饼式发展的有效限制.为良好的城区海绵系统提供稳定的外部环境.

2.2 理论相关案例分析：广州天河区智慧城海绵系统构建

天河区智慧城项目是在已有的建城区基础上建设海绵城市，原有的城市建设理念缺乏生态雨洪管理及海绵系统构建的相关考虑，因此需要对已有的开放空间系统进行多系统耦合共生再设计.

该案例涵盖了从总体规划、修建性详细规划、景观设计三个层面城市绿色海绵系统的构建.在总规阶段，利用自然河道、湿地系统为城市蓄洪；控制性详细规划中划定蓝、绿线引导地块内海绵系统的实施；在景观设计层面，通过挖填方平衡形成地形丰富的坑塘景观，结合涵养水源的植物起到地块内调节雨洪的作用.

图1 场地内耦合坑塘系统（来源网络）

图2 场地内耦合交通系统（来源网络）

图3 场地内再次耦合文化解说、导视系统等（来源网络）

图4 成为城市主干道的汇水廊道，多个类似项目共生形成城市内耦合的绿色海绵系统（来源网络）

3 惠城区“多系统耦合共生”海绵系统研究

相比城郊区域建筑密度低、自然排水基本能够满足需求的情况，惠城中心城区由于城市化程度高，城市下垫面类型多以灰色基础设施为主，已有排水设施均为工程设施，缺乏弹性的景观生态学途径进行排水，因此以往思维的排水对排水管网需要提出更高要求，地下排水管径越来越大，应对雨水临城问题，单向依靠城市管网的管径大小，缺乏生态安全格局角度的多网络水源涵养、蓄积系统.

针对以上问题，本人提出依托惠城区城市现有街道、绿地系统、城市洼地、水网，以惠城各街道为城市收集雨水源头，以城市街心绿地为初步承接雨水的“净水器”，通过过滤明沟和暗沟的形式将街心绿地与大型公园相连接，经过生物多样性更丰富的大型公园进行进一步的生物净化，并储存一部分的净化过的水质，大型公园自身难以完成的部分进入天然的城市洼地（如西湖、金山湖、潼湖），增加惠城区内部城市斑块的复杂程度，增加雨水在城区停留的时间，起到错峰的作用.最终多余的城区雨水以东江、西枝江、淡水河为去向，通过跨区域河流将多余的城市难以消纳的雨洪排入南海.

海绵系统研究过程中，恢复与重建绿色生态基底是区域海绵系统成功的关键.绿色生态基底主要表现在恢复广布城区各处的绿色海绵斑块（街道雨水花园、大型公园）与绿色海绵廊道（东江、西枝江、新开河、淡水河）以及保护好惠城区所依赖的天然屏障（红花嶂、七目嶂、白云嶂、铁炉嶂）.结合观洞水库、角洞水库、黄沙水库、大坑水库、鸡心石水库、沙田水库、凤田水库等水源地保护区发展和建设，以绿色基础设施网络建设为规划原则，发挥惠城主城区内外分散的坑塘和林地资源，构建以“绿色海绵斑块”为单元，融合生态“源”、“汇”、“战略点”和廊道体系的绿色海绵绿色基础设施网络.

该海绵系统的主要功能是完成生态连接、雨水收集、水质处理和区域性雨洪调蓄，兼顾景观隔离、游憩休闲、生态涵养和生物迁徙廊道等功能.绿色海绵系统构成主要包括三方面内容：海绵斑块综合体、海绵廊道综合体、海绵本底.

3.1 海绵斑块综合体规划

在惠城区范围内，绿色海绵斑块（如图5）主要包括以城镇街区为单元的绿色海绵和广场公园绿地海绵，以及坑塘洼地、小型湿地三个大类.

惠城区范围内城镇街区海绵斑块改造主要包括惠州市中心城区含桥东街道办、桥西街道办、龙丰街道办、江南街道办、江北街道办、河南岸街道办、小金口街道办、水口街道办及三栋、汝湖、马安镇部分地区.各街道办辖区街道两旁绿化带改造成雨水滞留带，有效初步解决道路产生的径流，并对道路雨水进行初步的自然净化.各街道办所辖小区屋顶进行屋顶花园改造，降低小区屋顶产生的径流量，将小区雨水更多的留在小区内部消纳.对小区景观进行海绵改造，通过地形改造，在原有小区绿化景观的基础上使小区内部形成天然汇水面.

惠城区范围内的各大公园海绵斑块改造，主要包括西湖、下铺滨江公园、西枝江公园、南湖公园、金山湖公园等.对公园内部水体进行疏浚，将公园水体纳入城市整体范围内考虑，形成局部水网.对公园空旷地进行地形改造，使其形成小型山水骨架，具备天然涵养水源的作用.广场由于使用需要，硬质场地铺装较多，可以考虑用透水铺装代替花岗岩等常用铺装材料.广场还可结合高差设计，将部分地势低洼广场改造成汇水区，通过明沟的形式排入周边绿地.

从源头到终端，提升城区范围内水系统的自然属性，利用自然做工，建立复杂多样的“多系统耦合共生”水安全系统，在此大前提下辅以工程设施完善该系统.

图5 惠城区海绵斑块分布图（作者自绘）

3.2 海绵廊道网络规划

与惠城区生态格局高度统一的廊道网络系统（如图6）.廊道网络系统是绿色海绵系统中“绿色海绵斑块综合体”的“连接器”和水资源传输系统，多种类型和多个等级的廊道相互耦合共生成具有较高连接度的廊道网络，耦合共生可以替代单一功能廊道发展复合型廊道，有效增加廊道宽度和丰富生境类型，提升廊道生态功能，有效增加城市生态系统安全度，降低城市生态安全风险.廊道构成的基本类型依托市辖区内的高速公路、省道、县乡道路、河流及其支流、溪流、灌渠、引水渠、生态边沟、绿篱、农田林带、防护林等构成.

廊道体系成为区域生态安全格局的重要构成，其中以“水”为核心的“生态廊道”设计将步行游憩道路网络、车行道路网络、雨水收集网络及梳理修复后的廊道网络相结合，构成一个集生态保护、雨水涵养收集和休闲游憩于一体的生态廊道网络.整个网络体系根据依托载体的等级、廊道的宽度及功能侧重分为三级廊道.

图6 惠城区廊道网络（作者自绘）

3.3 海绵本底的保护

海绵本底（如图7）是为城区范围内海绵体提供一个相对安全稳定的外部环境，生态条件优良的海绵本底具有维持城区绿色海绵廊道的稳定性的作用，让其不受外在条件的干扰.惠城区海绵本底的保护主要包括惠城区周边山水格局的保护，城区周边弃置地的修复，林业树种规划.由于惠城区海绵本底多为人工山林地，山水相依，带坡度的山林地径流量大于平坦地容易在山脚低洼处形成坑塘机理.这是自然状态下很好的涵养水源的方法.我们依托原有山脚处坑塘湿地可以人为的加大坑塘生物多样性，利用各种植物对雨水的涵养作用，形成湿地生境.

图7 惠城区海绵本底分布图（作者自绘）

4 结论与讨论

基于“多系统耦合共生”理论下的惠城区绿色“海绵系统”研究是结合山水自然环境特征进行的一个尝试.在绿色基础设施规划的“水问题”解决方案中，立足区域整体，系统化和网络化解决城市雨洪管理问题，打破惠城区“孤立”保护体系.在此过程中，海绵斑块综合体建设、海绵廊道网络建设的共同点是强调雨水收集、传输和净化过程的生态雨洪调蓄技术的应用，通过人工湿地、自然式雨水收集系统、生态驳岸及浮岛等技术的选取，形成“海绵系统”生态雨洪调蓄的技术保障，通过改善雨水调节与储存功能，达到区域内水质自净功能、水力循环功能，有利于城区水源储蓄、生态修复、水土保持和生态网络构建.海绵斑块综合体，海绵廊道网络，海绵本底三者耦合共生，形成一个功能复杂，拥有持续生命力的海绵体系（如图8）.

图8 惠城区多系统耦合共生绿色海绵系统（作者自绘）

［1］黄剑威，徐辉荣，等.惠城区及仲恺高新区应急备用水源建设［J］水利规划与设计，2013.

［2］黄昆，韩汝琦.固体物理学［M］北京：高等教育出版社，1998.

［3］成玉宁，等.基于耦合法的风景园林减量设计策略［J］中国园林，2013（8）：9-12.

［4］STERN D N，MAZZE E M.Federal water pollution control act amendments of 1972［J］.American Business Law Journal，1974，12（1）：81-86.

［5］车伍，吕放放，李俊奇，等.发达国家典型雨洪管理体系及启示［J］.中国给水排水，2009，25（20）：12-17.

［6］DIETZ M E.Low impact development practices：A review of current research and recommendations for future directions［J］.Water，air and soil pollution，2007，186（1-4）：351-363.

［7］张园，于冰沁，车生泉.绿色基础设施和低冲击开发的比较及融合［J］.中国园林，2014（3）：49-53.

【责任编辑：吴跃新】

Research on Green Sponge System Based on Theory of Multi-system Coupling Symbiosis

CHEN Zhe，LI Wei*
（School of Architecture and Civil Engineering，Huizhou University，Huizhou 516057，Guangdong China）

Based on the theory of coupling symbiosis，this study researches on the rain flood management system within the urban area of Huizhou City，and based on the basic principle of landscape ecology，combined with the theory of multi-system coupling symbiosis，tries to establish a complex dynamic network ecosystem to solve the problem of city rain flood management.The system mainly includes three aspects as of sponge plaque，sponge corridor，and sponge background.The existing network of peripheral entrapment pools preliminarily hold back pavement surface runoff，and that cannot be held back is led to nearby green space through open ditches and drainage measures.Small green spaces are connected by water corridors to large park green spaces which are connected through river corridors.So urban internal spongy green network is formed by subsystems of plaques and sponge corridor mutual coupling.Channels，windbreaks，and wedge green spaces couple the urban internal spongy green network with the sponge bottom around the city and eventually form a multi-system coupling symbiosis of urban green sponge system as a whole.

sponge city；green sponge system；coupling symbiosis

TU984.11

A

1671-5934（2016）06-0091-05

2016-11-12

惠州市哲学社会科学规划重点项目（2016-12）

陈哲（1992-），男，江西南昌人，风景园林硕士，研究方向为风景园林规划与设计.

＊通讯作者：郦伟，教授，Email：lw@hzu.edu.cn.