劉頌 諶諾君

城鎮(zhèn)化和工業(yè)化造成了城市下墊面不透水層面積的增加，破壞了自然系統(tǒng)的水循環(huán)，導(dǎo)致城市飽受洪澇災(zāi)害、水體污染等困擾。綠色基礎(chǔ)設(shè)施（Green Infrastructure，以下簡(jiǎn)稱GI）作為由綠道、濕地、雨水花園、林地等組成的各種開放空間和自然區(qū)域及其相互連接的網(wǎng)絡(luò)，被認(rèn)為是控制雨水徑流、減少城市洪澇災(zāi)害和保護(hù)水環(huán)境等水文調(diào)節(jié)服務(wù)的主要供給者而越來越受到重視[1-2]。

國內(nèi)外許多學(xué)者分別從環(huán)境、水文、地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、規(guī)劃設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域?qū)G色基礎(chǔ)設(shè)施的水文調(diào)節(jié)服務(wù)水平提升進(jìn)行了研究，筆者對(duì)國外1998—2018年期間發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)綠色基礎(chǔ)設(shè)施的水文調(diào)節(jié)服務(wù)供給是一個(gè)系統(tǒng)的過程，只有全面了解其作用機(jī)制、評(píng)估方法、影響因素，才能找到提高水文調(diào)節(jié)服務(wù)水平的系統(tǒng)化途徑。

1 GI水文調(diào)節(jié)服務(wù)作用機(jī)制示意圖Schematic diagram of GI hydrological regulation service mechanism

1 GI水文調(diào)節(jié)服務(wù)作用機(jī)制

根據(jù)“千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估”（Millennium Ecosystem Assessment，簡(jiǎn)稱MEA），水文調(diào)節(jié)服務(wù)包括水量調(diào)節(jié)和水質(zhì)調(diào)節(jié)2個(gè)方面，其核心思想都是通過可持續(xù)的自然手段解決城市雨洪及水污染問題，保護(hù)區(qū)域水循環(huán)過程，構(gòu)建良性的城市水文循環(huán)[3]。

在不同尺度下，GI發(fā)揮水文調(diào)節(jié)服務(wù)時(shí)的作用機(jī)制不盡相同，并表現(xiàn)為不同的形式[4]。其中，微觀層面的GI（如雨水花園、植草溝、生物滯留池、草洼地等）由于可實(shí)施性強(qiáng)，便于收集相關(guān)數(shù)據(jù)，是發(fā)揮水文調(diào)節(jié)服務(wù)效果最明顯的尺度[6]。因此大多數(shù)文獻(xiàn)從微觀層面入手，通過實(shí)例驗(yàn)證或模型模擬，監(jiān)測(cè)GI作用之后水體發(fā)生的變化，并評(píng)估其生態(tài)與環(huán)境效益。

1.1 水量調(diào)節(jié)

綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)水量的調(diào)節(jié)主要體現(xiàn)在洪水控制、雨水儲(chǔ)蓄、水源涵養(yǎng)、地下水補(bǔ)給以及水體的循環(huán)利用等方面，可總結(jié)為“滲、滯、蓄、用、排”五大關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]（圖1）。其中，“滲”是通過改善下墊面結(jié)構(gòu)以滲透雨水的過程，如通過增加綠地面積等從源頭減少徑流，補(bǔ)充地下水。“滯”是通過具有較高地表粗糙度的GI如半自然草原、荒地、沼澤地、灌木叢、濕地、林地等減緩徑流流速[7]，從而延緩徑流聚集時(shí)間以及徑流峰值出現(xiàn)時(shí)間，為雨水爭(zhēng)取更多的滯留空間，有效抑制洪水形成。“蓄”則是通過如濕塘、下凹綠地、雨水濕地等實(shí)現(xiàn)雨水的自然積存，既可以在暴雨時(shí)期有效減少徑流量，又可以為干旱時(shí)期的水資源利用提供支持?！坝谩敝饕w現(xiàn)在雨水的循環(huán)利用方面，通過“蓄”積存下來的雨水經(jīng)GI凈化處理后用于景觀用水、農(nóng)業(yè)灌溉等。此外，“排”是指在滯留、儲(chǔ)蓄功能的GI達(dá)到飽和的情況下，將傳統(tǒng)的灰色基礎(chǔ)設(shè)施與河道水系或天然濕地結(jié)合起來，形成雨水的排放通道。以上5個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是相互聯(lián)系，相輔相成的，實(shí)踐中并不是通過單一的GI發(fā)揮某一作用，而是通過多種GI組合發(fā)揮全面的水量調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)水文的良性循環(huán)[8]。

1.2 水質(zhì)調(diào)節(jié)

綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)水質(zhì)的調(diào)節(jié)主要表現(xiàn)為水體凈化功能。水體中的污染物主要包括固體污染物、重金屬、可降解有機(jī)質(zhì)、有機(jī)微量污染物、病原微生物以及營養(yǎng)物質(zhì)六類（表1）。GI主要通過物理過程（沉降、過濾、揮發(fā)等）、化學(xué)過程（吸附、絮凝、沉淀、光解等）以及生物過程（植物和藻類攝取等）3種方式發(fā)揮水質(zhì)調(diào)節(jié)作用[9]。物理過程諸如過濾和沉降臨時(shí)存儲(chǔ)與顆粒物結(jié)合的金屬等過程[10]，化學(xué)過程諸如反硝化除去硝酸鹽等過程[11]，生物過程諸如利用微生物吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)等。以上3種過程又可分為兩類水質(zhì)凈化機(jī)制：一類是直接去除，包括沉降、吸附到基質(zhì)、微生物降解、過濾、植物吸收以及揮發(fā)等過程；另一類是間接去除，例如沉淀、吸附到懸浮固體等過程。而間接去除通常發(fā)生在沉降或過濾之前，有助于污染物的徹底凈化。

對(duì)于同一地點(diǎn)，不同的降雨事件中某一特定的污染物濃度會(huì)存在很大的差異，例如在干旱時(shí)期，雨水污染物濃度可能會(huì)增加，對(duì)處理設(shè)施和受水體造成影響[12]。對(duì)于同一降水事件，污染物的濃度在不同時(shí)間也會(huì)表現(xiàn)出明顯的差異，通常在暴雨事件的初期，雨水中的污染物濃度最高[13]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)前6～8mm的雨水中的污染物含量占工業(yè)園區(qū)總污染負(fù)荷的60%以上[14]。因此，GI設(shè)計(jì)需以多年的統(tǒng)計(jì)信息為依據(jù)。

許多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)了不同GI的水質(zhì)凈化能力。如Davis[15]研究發(fā)現(xiàn)雨水花園對(duì)總磷和凱氏氮的去除率較高，但對(duì)硝酸氮的去除率較低。Barkdoll等[16]則發(fā)現(xiàn)，植草溝渠可通過曲折的流動(dòng)路徑有效去除雨水中的懸浮固體和其他污染物。Barrett等[17]通過研究說明，植草溝凈化重金屬、固體污染物以及可降解有機(jī)質(zhì)等污染物的能力非常強(qiáng)，尤其是在具有一定坡度時(shí)。

2 GI水文調(diào)節(jié)服務(wù)評(píng)估方法

對(duì)于綠色基礎(chǔ)設(shè)施的績(jī)效評(píng)估有助于GI類型的選擇，尤其是在不清楚某一類GI具體能發(fā)揮多大的水文調(diào)節(jié)服務(wù)功能時(shí)，可通過模型模擬的方法進(jìn)行評(píng)估，并通過各種GI組合模擬情景分析的方式得出最佳的組合類型，從而提升GI水文調(diào)節(jié)服務(wù)功能。評(píng)估的關(guān)鍵是評(píng)估指標(biāo)和評(píng)估方法的選擇。

2.1 常用的評(píng)估指標(biāo)

2.1.1 水量調(diào)節(jié)評(píng)估指標(biāo)

在發(fā)揮水量調(diào)節(jié)作用時(shí)，主要的評(píng)估指標(biāo)包括徑流量、年徑流總量、峰值流量、徑流比、峰值時(shí)間、暴雨持續(xù)時(shí)間、基流量、地下水補(bǔ)給量、地下水位變化以及蒸散量，等等。Jefferson等[18]通過對(duì)100項(xiàng)實(shí)例和模型中GI的水文指標(biāo)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，徑流量和峰值流量是常見的指標(biāo)，而基流、地下水位變化和蒸散量則相對(duì)較少受到關(guān)注（表2）。氣象水文條件、土地利用類型、地形地貌以及GI規(guī)模和類型等因素都會(huì)對(duì)水量調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響，進(jìn)而決定了指標(biāo)的選取。

表1 水體中常見污染物種類及凈化方法Tab.1 Types of common pollutants in water bodies and purification methods

表2 對(duì)100項(xiàng)實(shí)例和模型中GI的水文指標(biāo)總結(jié)Tab.2 Summary of hydrological indicators of GI in 100 examples and models

2.1.2 水質(zhì)調(diào)節(jié)評(píng)估指標(biāo)

在發(fā)揮水質(zhì)調(diào)節(jié)作用時(shí)，主要評(píng)估指標(biāo)則為對(duì)各類污染物的去除程度。常見的指標(biāo)有營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬、病原體和其他污染物等單位面積的濃度，但因區(qū)域不同，重點(diǎn)指標(biāo)也不同。如在美國，營養(yǎng)物質(zhì)和固體污染物的輸出濃度一直是水質(zhì)的主要關(guān)注焦點(diǎn)，如TSS去除率、TP去除率和TN去除率等；而在歐洲和澳大利亞，金屬尤其是那些與沉積物有關(guān)的金屬受到了更多的關(guān)注，如Cu、Pb以及Zn等濃度的減少率[18]。

2.2 基于模型模擬的評(píng)估方法

在對(duì)水文調(diào)節(jié)服務(wù)評(píng)估的過程中發(fā)現(xiàn)，綠色基礎(chǔ)設(shè)施并不像預(yù)期那樣能在短期內(nèi)取得明顯作用。因此，在實(shí)際研究中，常常使用模型模擬的方法評(píng)估GI的水文調(diào)節(jié)服務(wù)功能，以尋求不同尺度與情境下最優(yōu)的GI規(guī)劃方案。表3列舉了GI水文調(diào)節(jié)服務(wù)評(píng)估常用模型。

可以看出，常用的水量調(diào)節(jié)模型有SWMM、HEC-HMS、CNT、LIDRA 等，MUSIC、MOUSE主要用于水質(zhì)調(diào)節(jié)作用的評(píng)估，PCSWMM、L-THIA-LID、SUSTAIN、P8等模型則兼具評(píng)估水量調(diào)節(jié)和水質(zhì)調(diào)節(jié)兩種功能（表3）。其中，SWMM是水資源專業(yè)人員和研究人員中最受歡迎的模型之一，相比于其他模型可以應(yīng)用于更多的尺度，包括GI的詳細(xì)設(shè)計(jì)；MUSIC模型也由于支持各種GI實(shí)踐并適用于多種尺度范圍而受到研究人員的青睞。從整體研究趨勢(shì)來看，由于用于校準(zhǔn)模型的水質(zhì)數(shù)據(jù)少于水量數(shù)據(jù)，水質(zhì)調(diào)節(jié)的評(píng)估相較于水量調(diào)節(jié)的評(píng)估更加困難[19]。在之后的研究中，可以通過實(shí)驗(yàn)或多設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以獲取更多水質(zhì)調(diào)節(jié)的相關(guān)數(shù)據(jù)，完善水質(zhì)調(diào)節(jié)作用的評(píng)估體系。

3 GI水文調(diào)節(jié)服務(wù)影響因素

綠色基礎(chǔ)設(shè)施水文調(diào)節(jié)服務(wù)水平的高低受眾多因素制約，主要包括3個(gè)方面：GI自身限制因素，地域特征因素以及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與政策因素。

3.1 GI自身限制因素

GI的自身特點(diǎn)如規(guī)模、布局、坡度以及連通性等都可能限制水文調(diào)節(jié)作用的發(fā)揮。Hunt等[20]通過研究發(fā)現(xiàn)，生物滯留池能有效減少小于40mm的降水事件中的徑流量，但對(duì)于較大的降雨事件中徑流控制的作用有限。 Freni等[21]的案例研究表明，以儲(chǔ)蓄為主要功能的GI集中式分布更有利于減少污染物濃度，以下滲為主要功能的GI則在分散式排列時(shí)能更好地發(fā)揮水文調(diào)節(jié)服務(wù)。Ghavasieh等[22]通過模擬發(fā)現(xiàn)，在粗糙程度一致的情況下，GI的坡度較大，減少徑流量的效果越差。張彪等[23]則在研究中證實(shí)，流域內(nèi)GI網(wǎng)絡(luò)的連通性會(huì)影響其控制徑流的能力，連通性越低，減少徑流量越少。

表3 GI水文調(diào)節(jié)服務(wù)評(píng)估常用模型Tab.3 Common model of GI hydrological regulation service evaluation

此外，GI在發(fā)揮某一水文調(diào)節(jié)服務(wù)功能時(shí)，可能會(huì)影響其他水文調(diào)節(jié)服務(wù)功能的發(fā)揮。例如，濕地和滯留池等GI可以有效減少雨水徑流的有機(jī)污染物負(fù)荷，但它們可能在高流量期間釋放腸道生物，特別是在夏季暴雨時(shí)期[24]。另外，Tsavdaris等[25]的研究也表明，滯留池中的植被有凈化水質(zhì)的作用，但會(huì)增加湍流，影響其水量調(diào)節(jié)。

3.2 地域特征因素

每個(gè)地區(qū)都有相應(yīng)的地域特征，包括氣候氣象、水文狀況、土壤和土地利用狀況、地形地貌狀況以及適宜的植被類型等等，這些地域特征都會(huì)制約和影響水文調(diào)節(jié)服務(wù)功能。

1）氣候氣象與水文因素。由氣候變化引起的極端降水不僅會(huì)造成水量問題（尤其是城市洪水），而且還會(huì)使雨水未經(jīng)處理就排入下游水體，影響水質(zhì)。水文狀況主要對(duì)水量產(chǎn)生影響，也會(huì)因此影響水質(zhì)。Cobbina[26]等認(rèn)為氣候變化可能會(huì)導(dǎo)致許多GI的有效性降低甚至變得無效。Brezonik和Stadelmann[27]通過多元回歸分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)污染物濃度影響最大的變量是降雨量、降雨強(qiáng)度以及流域面積。Qin等[28]用SWMM模型模擬了中國深圳城市化集水區(qū)GI的降雨效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)降雨量、持續(xù)時(shí)間和峰值比都會(huì)影響草洼地等GI的水文調(diào)節(jié)服務(wù)性能。

2）土壤和土地利用要素。土壤的理化性質(zhì)會(huì)影響雨水的下滲速率以及污染物的去除效率。Xiao等[29]通過模擬發(fā)現(xiàn)土壤的物理性質(zhì)和有效深度對(duì)滲透和地表徑流過程有顯著的影響。此外，土壤的類型和厚度會(huì)影響其下滲速率，進(jìn)而影響其對(duì)徑流量和污染物的去除[30]。一般來說，黏土的滲透性最差，而砂土的滲透性最強(qiáng)[31]。土地利用類型則主要影響水質(zhì)，也會(huì)影響水量。Arabi等[34]的研究說明，農(nóng)業(yè)用地由于存在施用肥料，燃燒桔梗等情況，會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。Meierdiercks等[33]則發(fā)現(xiàn)，在美國馬里蘭州巴爾的摩市，一個(gè)高密度GI實(shí)施的流域相比于一個(gè)低密度GI實(shí)施的城市流域，年徑流量較低；但相比于森林流域，年徑流量較高。

3）地形要素。地形也會(huì)影響GI的選擇，進(jìn)而對(duì)水文調(diào)節(jié)服務(wù)產(chǎn)生一定影響。Binstock[34]認(rèn)為地形將影響應(yīng)該實(shí)施的GI類型，平坦的地區(qū)可能不得不更多地依賴滯留功能強(qiáng)的GI。Trinkaus[35]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物滯留系統(tǒng)在由潮汐沼澤組成的平坦地形中能更好地發(fā)揮防洪減災(zāi)的作用。

4）植被類型。在降雨到達(dá)地面之前，植物會(huì)對(duì)雨水進(jìn)行第一次攔截，滯留部分雨水，植被類型的差異是其冠層攔截率的關(guān)鍵因素，進(jìn)而影響徑流量[36]。有研究發(fā)現(xiàn)，闊葉林和針葉林對(duì)水量的調(diào)節(jié)作用不同，闊葉林約可截流降水量的71%～82%，而針葉林對(duì)總降水量的截流可達(dá)55%～82%[37]。

3.3 社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與政策因素

1）社會(huì)參與因素。當(dāng)采用分散的源頭控制方法進(jìn)行水文調(diào)節(jié)時(shí)，公眾的參與度顯得尤為重要。Montalto等[38]認(rèn)為利益相關(guān)者參與可能會(huì)成為GI實(shí)施的制約因素。一方面，公眾并沒有充分注意到雨水的污染問題，甚至認(rèn)為雨水是“干凈”的[39]，沒有必要對(duì)其進(jìn)行處理。另一方面，人們已經(jīng)習(xí)慣了傳統(tǒng)的雨水管理控制措施比如排水溝和管道排水，如果布置新的GI，他們可能會(huì)面臨地下室被淹沒或者地下的一些工程性結(jié)構(gòu)被破壞的風(fēng)險(xiǎn)[40]。

2）經(jīng)濟(jì)因素。實(shí)施GI需要經(jīng)濟(jì)投入，不僅包括土地征用、建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)和監(jiān)測(cè)費(fèi)用，還有些費(fèi)用容易被忽視，比如GI的維護(hù)與員工的技術(shù)培訓(xùn)費(fèi)用[41]。所以在決策過程的早期階段，GI的實(shí)施成本對(duì)于發(fā)展中國家來說尤為重要。

3）管理政策因素。相對(duì)獨(dú)立的GI單元與城市行政管理邊界往往存在矛盾，尤其是在宏觀尺度上，GI一般表現(xiàn)為跨行政區(qū)域的綠地空間組成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。但是地方政府的管理范圍是有局限的，這就會(huì)影響區(qū)域GI的完整性與連續(xù)性，從而影響水文調(diào)節(jié)服務(wù)的發(fā)揮。Roy等[42]通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)在許多流域內(nèi)分配水資源管理的責(zé)任和權(quán)力方面存在問題。Lloyd等[43]調(diào)查了專業(yè)人士在實(shí)施GI的阻礙排序，結(jié)果顯示，缺乏有效的監(jiān)管和經(jīng)營環(huán)境占76%，機(jī)構(gòu)職責(zé)分散占67%。

政策法規(guī)既對(duì)GI實(shí)施方案的選擇與過程進(jìn)行約束，又為GI順利實(shí)施提供保障，并鼓勵(lì)GI的實(shí)施，驅(qū)動(dòng)GI更好的發(fā)揮水文調(diào)節(jié)服務(wù)。美國、德國和日本是較早頒布相關(guān)法規(guī)的國家，為了增加雨水管理措施的使用，繼美國開始實(shí)施《清潔水法》（Clean Water Act，1948年制定，1972年正式頒布）后，德國的《聯(lián)邦水法》（ Federal Water Act，1957年），日本的“雨水貯留滲透計(jì)劃”（1980年）相繼面世，它們的實(shí)施對(duì)水文管理提出了更高的要求，提高了各利益相關(guān)方參與水文管理的積極性，同時(shí)也加強(qiáng)了社會(huì)對(duì)水文管理的認(rèn)識(shí)。此外，新加坡于2006年啟動(dòng)了ABC水計(jì)劃，中國提出了“海綿城市”建設(shè)指南（表4）。

4 提升GI水文調(diào)節(jié)服務(wù)的啟示

通過深入剖析綠色基礎(chǔ)設(shè)施的水文調(diào)節(jié)服務(wù)供給的作用機(jī)制、評(píng)估方法和影響因素，為在規(guī)劃實(shí)施管理全過程提升綠色基礎(chǔ)設(shè)施的水文調(diào)節(jié)服務(wù)水平提供了全息視角，由此可以得到以下啟示。

1）因地制宜，合理選擇GI。GI的類型與規(guī)模、單體或組合等應(yīng)建立在場(chǎng)地或區(qū)域?qū)λ恼{(diào)節(jié)服務(wù)需求的客觀判斷、結(jié)合尺度特征和自然條件的分析，也要考慮經(jīng)濟(jì)投入的可行性。

表4 國內(nèi)外GI水文調(diào)節(jié)相關(guān)政策法規(guī)Tab.4 Domestic and foreign GI hydrological regulation related policies and regulations

2）精準(zhǔn)模擬，多方案比選。選擇或建立適宜的GI水文調(diào)節(jié)效益評(píng)估模型，通過參數(shù)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)多情景分析，多方案比選，以提高方案實(shí)施的可能性和可靠性。而對(duì)既有GI的水文調(diào)節(jié)水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立數(shù)據(jù)庫是對(duì)模型校正的前提。

3）加強(qiáng)公眾參與，全過程政策保障。通過公眾參與讓公民認(rèn)識(shí)到水文調(diào)節(jié)服務(wù)對(duì)生態(tài)、人類健康和生活質(zhì)量的長期影響，將分散式的雨水管理作為自覺的行動(dòng)。而在GI的規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工管理、后期維護(hù)全過程中，制定相關(guān)政策作為GI發(fā)展的指南，保障實(shí)施的法規(guī)條例、鼓勵(lì)機(jī)制等是GI發(fā)揮其水文調(diào)節(jié)服務(wù)的保障。

注釋：

圖1由作者自繪，表1由作者根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]整理；表2由作者根據(jù)參考文獻(xiàn)[18]整理；表3、4由作者整理。