与洪水共生？长沙市圭塘河流域治理与生态修复
导 读
项目团队以重塑圭塘河自然水循环过程为设计目标，综合运用水系水动力模型、水质模型、排水管网水动力模型和流域水文模型辅助寻找最适宜的规划方案，借此提出融合蓝绿生态网络与城市功能分区、恢复自然河道、优化河岸空间、构建流域尺度生态廊道和实施街区尺度海绵城市建设等策略，完成了由面（整个流域范围）及线（圭塘河），再由线到点（街区尺度的具体项目）的跨尺度流域治理规划。该规划旨在让河流回归自然，构建融社会、经济和自然于一体的城市河流复合生态系统，化解城市发展与生态系统构建之间的重重矛盾，实现城市河流的可持续发展。
城市河流社会－经济－自然
复合生态系统构建
——长沙市圭塘河流域治理与生态修复规划设计
A Social-Economic-Natural Compound Ecosystem Constructed for Urban Rivers — Planning and Design for the remediation and Ecological Restoration of the Guitang River Watershed in Changsha City, China
刘苑
德国汉诺威水有限公司常务副总经理
王润
德国汉诺威水有限公司副总经理
陆文钦
长沙市圭塘河流域开发建设有限公司副总经理
彭赤焰
德国汉诺威水有限公司总经理
LAF
注：本文为删减版，不可直接引用。原中英文全文刊发于《景观设计学》2019年第4期“流域治理与生态修复”专刊。获取全文下载链接请点击“阅读原文”；参考引用格式见文末。
河流是早期城市建设选址的重要因素，彼时的河流生态系统几乎不受人类活动的影响。但自进入工业文明时代以来，城市的迅速扩张逐步蚕食了滨河空间，也使河道逐渐渠化。与此同时，由于大量自然蓄水空间被填埋，人们不得不建造更高的防洪堤坝，从物理空间上严重割裂了城市与河流之间的联系，自然水平衡亦遭破坏，加之愈发严重的水体污染，城市发展与河流生态保护之间矛盾重重。
对设计师而言，单一专业视角或仅关注河岸线性空间的建设并不能从根源上化解这些矛盾，更需要在城市发展的过程中，尽可能实现河流自然系统与社会、经济系统的融合。因此，聚焦河流复合生态系统的构建，让河流回归自然功能，兼顾社会生态系统和经济生态系统的需求，才是未来城市河流及其流域的治理方向。
在治理过程中，设计师作为搭建各个生态组件的主导者，需要具备系统思维模式，并借助数学模型等工具，分析问题症结，综合考虑各方利益需求，尽可能达到各个组件之间的和谐共存和可持续发展，化解城市发展与生态系统构建的矛盾。
背景和问题
圭塘河位于长沙市东南部，是长沙市中心区最长的城市内河，起于跳马镇石燕湖水库，向北汇入浏阳河，为典型的季节性山区河流。据2017年最新测量数据，目前河道长25.3km，集水区面积达108.6km2。
圭塘河流域大部分为城市区域，仅上游小部分区域为乡村。
©Wasser Hannover GmbH
20世纪中叶，圭塘河曾是一条蜿蜒曲折、水质清澈的自然河流，河道长37.3km，两岸有大量用于鱼类养殖和灌溉蓄水的自然池塘，河道与池塘水面总面积达868hm2。到20世纪90年代，河道中游被裁弯取直，支流基本消失，河道空间被严重压缩。现今，圭塘河84%的集水区已被用于城市开发，上游城郊农田结构发生明显变化，其他区域的土地利用更是经历了剧烈变化，河流水文特征随之显著改变。
就水资源而言，河道上游目前仅存两个集水区总面积约4km2的小型水库，周边旅游项目的开发增加了其为下游补水的难度，渠化河岸切断了流域内地表水与地下水的自然交换，导致河道生态基流难以保障，非降雨期基流主要为污水处理厂尾水。高硬化率和雨水调蓄空间的丧失也使得城市内涝频发，不断升高的历史最高洪水位加剧了城市的水安全隐患。
在水污染方面，圭塘河流域当前多数为合流制排水系统，雨污管网混接现象普遍，被污染的雨水、污水处理厂尾水、农业面源污染等直接造成水体黑臭，两岸的屠宰场和露天贸易市场等更加剧了这一问题。在水生态方面，平直而硬质的河道完全丧失了原本的自然结构，严重影响了生态多样性；拦水坝等设施也阻断了河道的生态连续性。此外，紧邻河岸的快速车道成为城市与河流之间的一道鸿沟，进一步限制了市民的亲水活动。在某种程度上，圭塘河已成为城市发展的障碍。
亟待修复的圭塘河 ©Wasser Hannover GmbH
基于流域尺度的圭塘河治理规划
设计目标：跨尺度复合生态系统设计
通过基于自然的解决方案，设计团队期望重塑圭塘河的自然水循环过程，建立长沙市水生态体系的可持续运行机制。具体措施为：恢复自然河道形态，在实现防洪防涝的同时，保障河道生态基流；结合海绵城市建设和河道改造，优化土地利用和土地覆盖类型；整合生态净化设施，提出合理的污水处理厂排放标准，构建河道生态，从而提升河道水质，最终修复流域生态体系。
圭塘河流域的规划与设计需协同城市规划与设计、景观设计、生态修复和水利工程等多个专业，首先通过流域尺度的统筹和规划，将河道生态系统修复与长沙市的发展相结合，进而完成由面（整个流域范围）到线（圭塘河）的跨尺度设计，形成圭塘河流域的治理规划；再由线到点（井塘海绵城市示范公园等具体项目），通过沿河开发带动产业转型与升级。由此从多个维度提升河道的整体环境和生态潜力，构建社会－经济－自然复合生态系统。
设计过程：数学模型辅助规划设计
项目涉及河流水系、城市排水系统及海绵城市体系等多个系统，且需要跨专业协调，相关因素多且复杂，因而设计团队借助数学模型进行研究，探索平衡社会经济发展与流域水环境治理需求的规划设计方案。设计过程中共建立了水系水动力模型、水质模型、排水管网水动力模型，及流域水文模型4个数学模型。
通过数学模型分析现状并指导设计 ©Wasser Hannover GmbH
水系水动力模型可对主河道的枯水流槽形状和坡度、浅水区和湿地的面积，以及生态护坡的材料等生态组件的性质及其在不同洪水预景下的状态进行模拟，为河道防洪和生态修复设计提供重要参考依据。
在本项目中，首先根据河道现状资料建立圭塘河现状水系模型，并利用实际降雨数据和河道测量数据对模型进行率定和验证，直至洪水事件模型模拟结果与实际测量结果高度吻合。而后使用该模型模拟现状下的百年一遇洪水，并据此对防洪堤进行调整或重新设计：在上游农田区域，借助现有地形设置调蓄空间；在中下游城市区域，根据河道周边用地类型和地形情况，拆除现有硬质岸线，扩大河道断面，针对枯水期、中水期和洪水期水位创建多样化的生态化河流断面结构。
之后使用该模型分别模拟上述改造实施后，河道在两年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇和百年一遇预景下的洪水水位、流速，以及对河岸与河床的冲刷程度。不同的水位模拟结果可为河岸景观设计和防洪设计提供依据，同时协助明确河道沿线雨水排口在不同降雨预景下所受的影响。不同流速的洪水对河岸及河床的冲刷程度模拟结果则可用于指导河道生态化护岸措施及材料的选择，有助于优化建设投入，以尽量低的成本实现最佳抗冲刷效果。
模型模拟结果可指导河道生态护岸措施及材料选择
©Wasser Hannover GmbH
水质模型、排水管网水动力模型及流域水文模型之间联系较为紧密，经过率定和验证后，可用于整个流域的现状建模与治理预景模拟。本项目首先使用水质模型计算圭塘河的污染负荷，通过流域水文模型确定河道目前最主要的污染来源为城市排水系统，并通过排水管网水动力模型模拟识别出易发生内涝的区域，再依据上述结果，优化城市排水管网，规划雨污分流系统；结合地形分析，规划蓝绿生态廊道，明确超标雨水排放通道；在临近河道的排口设置雨水沉淀池/溢流池和生态滤池系统，减少入河污染物的排放。
之后，使用流域水文模型对以上措施的实施效果进行模拟，发现仅依靠末端截污、对雨污合流溢流水进行生态处理等手段，虽然可以显著提高河道水质，但仍然难以完全达到水质等级目标，因此提出进一步实施源头控制，在城市内进行街区尺度的海绵城市建设。最后，再次用水质模型模拟实施上述措施后的流域水质状况，以判断措施的有效性和可行性。通过反复论证调整设计和模型，设计团队对不同解决方案的投资和成效进行了量化比选，最终确定了最适合圭塘河流域的规划方案。
规划设计方案
融合蓝绿生态网络与城市功能分区
在空间上，将圭塘河流域周边贯通南部多个城市的森林涵养地（长株潭城市群生态绿心地区）、城市山体林地（湖南省森林植物园等）及带状的浏阳河生态廊道等绿地斑块整合为蓝绿生态网络。再结合不同河段的水文特征、河道功能及其相邻城市区域的需求和边界条件，制定不同的治理对策、生态修复目标与城市发展战略。例如，在上游农业区域构建洪水调蓄空间、连通池塘网络、开发旅游目的地等；在中游进行污染调控、融合城市功能；在下游主要实施沉积物管理和防洪工程等。
蓝绿生态网络构建与城市开发改造的紧密融合将极大改善圭塘河的生态环境，促使沿河城市面貌发生积极改变，丰富居民的休闲生活空间。环境质量的提升也将带动城市品质的提升与周边土地的升值，促进圭塘河沿线低附加值产业向高附加值产业转型。
在流域内推行海绵城市建设理念，绿地空间同生态廊道连接形成蓝绿生态网络。
©Wasser Hannover GmbH
恢复自然河道
通过暴雨查算手册和模型模拟计算验证，圭塘河河口处百年一遇洪水的峰值径流量约604m3/s，两年一遇洪水的峰值径流量约118m3/s，枯水期测量流量约为1.1m3/s，差别巨大。根据水系水动力模型对非降雨基流、降雨排水、暴雨泄洪等不同预景下河流水位、流速以及河岸冲刷程度的模拟结果，方案相应设置了枯水流槽、自然河道和行洪通道等水流路径，并配置了适宜的护岸材料和水生植物。
优化河岸空间
圭塘河中下游有限的河岸空间不仅需承担生态功能，还应满足众多的社会需求。高程低于防洪水位标高的区域需同时满足慢行系统建设、休闲娱乐、生态水处理和行洪等功能。可将水动力模型模拟结果作为设计依据，根据不同的过洪断面及景观功能需求，灵活地对河岸空间进行平面和竖向布局。
枯水期的河道流槽，市民活动可延伸至自然河道范围内（上）；两年一遇丰水状态下，滨水慢行道仍然可使用（ 中） ；百年一遇洪水状态下， 河岸公园转变为调蓄行洪空间（下）。©Wasser Hannover GmbH
构建流域尺度生态廊道
要将圭塘河完全恢复至开发前的状态几乎不可实现，因此需构建流域尺度的生态廊道，以尽可能恢复城市自然水循环过程。构建生态廊道首先需要研究河流历史水文路径、地形标高、现状绿地、城市用地规划及城市更新需求等。除利用现有绿地外，还需要借助城市更新契机，跳脱出单个地块中水系的构建，充分发挥蓝绿生态网络的作用。
生态廊道可以作为连接城市绿色节点、城市建成区和圭塘河主河道的重要路径，以及超标雨水的排放通道。它在加强单个生物栖息地之间联系的同时，还可连接城市开放空间和滨河空间，将人们从城市引向河边。此外，生态廊道还可收集周边经过海绵城市措施调蓄净化后释放的清洁雨水，一部分下渗补给地下水，一部分为圭塘河补充生态基流。在发生强降雨时，周边城市区域形成的地表径流可通过生态廊道排入圭塘河，缓解城市内涝。因此，在进行生态廊道的景观设计时，要充分考虑其季节性、阶段性有水的特征。
实施街区尺度海绵城市建设
街区尺度的分散式或半分散式海绵城市建设措施可视为流域尺度生态廊道中的“毛细血管”。由于每个城市街区地表硬化率不同，海绵城市建设措施的介入程度也各不相同，需要将街区尺度的海绵体系建设、城市尺度的排水系统、流域尺度的生态廊道及河道本身作为整体进行统筹考虑，借助流域水文模型，为每个街区制定切实可行的具体建设目标。
在具体规划中，城市新建区域以不改变自然水文特征为原则，尽量保留现有池塘水体，通过海绵城市建设措施，实现对30mm降水量的调蓄和10L/(s·hm2)的出水量控制，并使不少于50%的硬化区域径流得到净化处理。考虑到在城市建成区实施海绵城市建设措施的经济成本较高，若街区内不具备可利用的调蓄水体，也可适度降低调蓄要求。
井塘海绵城市示范公园效果图 ©Wasser Hannover GmbH
总结
由圭塘河流域治理与生态修复规划设计实践可以看出，自然生态系统的构建及其与城市社会经济生态系统的结合是一个复杂且高度整合的过程，不仅需要不同专业的参与，更需要对不同的目标、利益群体进行通盘考虑，并运用科学方法分析不同生态组件的相互关系，以找出可持续的解决方案。
目前，河流沿岸已完成大部分截污工程和部分区间的河岸公园建设，并启动了井塘段海绵城市建设示范公园建设等项目。圭塘河流域总体规划也将被纳入区域控制性详细规划、蓝线规划、排水防涝综合规划及海绵城市建设指标入库研究，直接作为下一步流域尺度的城市开发和河道两岸开发必须遵守的原则。基于该总体规划可确立系统的技术路线、近中期方案和保障措施等，以确保每一条河流的开发、改造、治理和维护都有章可循、有规可依。
项目信息
项目地址：中国湖南省长沙市
项目面积：108.6km2（流域面积）
项目委托：长沙市圭塘河流域开发建设有限公司
项目设计：德国汉诺威水有限公司
首席设计师：彭赤焰、Oliver Seidel、Ralf Diekmann、Jens Meisel、Joachim Bengsch
项目负责人：彭赤焰、Ralf Diekmann
项目团队：刘苑、王润、郑能师、Oliver Seidel、Tim Mohr、Holger Pabsch、Joachim Bengsch、Lutz Evers、Christian Bouillon、周美月、唐淑甜、Andreas Tangen、李洪浩、Richard Rohlfing、Lennart Wedekind、Uwe Klaus、朱利民、张志能、伍凯、陈少伟、Axel Hermening、许迟君
设计时间：2017~2019年
参考引用 / Source:
Liu, Y., Wang, R., Lu, W., & Peng, C. (2019). A Social-Economic-Natural Compound Ecosystem Constructed for Urban Rivers — Planning and Design for the Remediation and Ecological Restoration of the Guitang River Watershed in Changsha City, China. Landscape Architecture Frontiers, 7(4), 114-127. https://doi.org/10.15302/J-LAF-1-040004
原文编辑 | 王颖
原文翻译 | 王胤瑜 王颖 李慧彦
微信制作 | 佘依爽
2019年第4期“流域治理与生态修复”专刊
▽ 点击下方小程序即可订购 ，优惠促销中！
相关阅读
流域环境治理与规划设计新刊发布会全纪录
万科如何做海绵城市？20年经验盘点
城市河湖水质治理与韧性设计的实践和思考在线讲座
扫码如真or大萌萌个人微信号
申请加入“景观设计学零距离交流群”
▽ 识别下图二维码参与“夏日清凉读”活动
▽ 点击下图查看2020下半年选题及投稿方式
▽ 点击关键词浏览订购《景观设计学》过往期刊
*灰色为售罄期刊
▽ 推荐关注
▽ 景观之路古村秘境
▽ 土人学社工作坊
▽ LA先锋奖
▽ 景观中国网
▽ 水务发展论坛
▽ 望山阅读季
《景观设计学》（Landscape Architecture Frontiers，简称LAF）由北京大学建筑与景观设计学院、高等教育出版社联合主办，中国城市科学研究会景观学与美丽中国建设专业委员会支持，俞孔坚教授担任主编。LAF为双月刊，刊号为CN10-1467/TU，ISSN号2096-336X，邮发代号80-985。全彩页印刷，每期主题集中阐述，中英双语呈现。
2014年，LAF成为中国国家广电总局首批认定学术期刊；2015年，成为CSCD核心库期刊来源刊；同年，荣获美国景观设计师协会年度交流类荣誉奖。2016年，入选中国（武汉）期刊交易博览会中国“最美期刊”；2016年和2018年，连续两届荣获中国高校优秀科技期刊称号；现已被ESCI新兴引文源期刊数据库收录。
如果你喜欢本期推送，
请点击“在看”分享给更多朋友吧！