吳宜潔,林浩文,王志勇

1 北京大學建筑與景觀設計學院, 北京 100871 2 北京大學景觀設計學研究院, 北京 100871 3 深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心, 深圳 518034 4 北京土人城市規(guī)劃設計股份有限公司,北京 100080

隨著海綿城市[1- 2]、水生態(tài)基礎設施[3- 5]、“城市雙修”[6]等理念的推廣,下凹綠地[7]、多塘[8]、人工濕地[9- 10]等綠地形式被廣泛運用于城市的雨洪管理中。但是,由于規(guī)劃設計方面,對水過程理解不足、理念到實踐經驗缺乏、多專業(yè)協(xié)調不足、設計策略簡化等原因,往往設計達不到預期目標反而產生更多的問題；或者實施和管理方面,由于技術基礎薄弱、工程周期短促、運營維護不當?shù)仍?項目可持續(xù)性方面表現(xiàn)并不理想[11]。因此,城市綠色基礎設施生態(tài)服務功能的發(fā)揮需要通過科學的評估和優(yōu)化來引導。

在國外,規(guī)劃并不是一個線性過程,而是建立了多個反饋循環(huán)內置到過程中,更加強調持續(xù)的、迭代的和適應性的管理。每個規(guī)劃周期都包含了規(guī)劃-實施-監(jiān)測-評估和應用研究等環(huán)節(jié),通過監(jiān)測評估有利于建立有效措施類型的知識庫,如不起作用可以進行改善；同時有助于在規(guī)劃和管理中建立透明度和問責制[12]。美國環(huán)保署(U.S. Environmental Protection Agency,EPA)長期開發(fā)人工濕地項目基礎數(shù)據庫,用于減少重復勞動和改良經驗濕地設計方法,通過已有的數(shù)據降低建設的風險。世界各地的工程師、設計師和科技人員都通過公共數(shù)據庫獲取數(shù)據[13]。紐約、圣地亞哥、華盛頓等多個州的低影響開發(fā)(Low Impact Development,LID)手冊和設計指南中皆提到通過長期監(jiān)測來研究污染物的去除效果。景觀績效是在近年的一個研究熱點,根據景觀設計基金會(Landscape Architecture Foundation,LAF)的定義,景觀績效是一項“衡量景觀解決方案在實現(xiàn)其預設目標的同時滿足可持續(xù)性方面的效率的指標”[14]。主要通過定量與定性結合的實證調查來衡量設計成果,一方面應用于創(chuàng)造可持續(xù)性、高績效的景觀,另一方面是要規(guī)定和規(guī)范能提升景觀績效研究與實踐品質的景觀特征。并不是所有的績效都能夠或容易做到量化,也并非所有的績效都與設計相關,但是記錄景觀項目中所有直接、間接和連鎖的效應仍然具有重要意義[15]。例如,西雅圖桑頓溪水質處理渠(TCWQC：Thornton Creek Water Quality Channel)在項目建成后按照項目質量保證計劃進行了三年的監(jiān)測,包括流量、沉積物和植被等,以證明它能夠在高度城市化的環(huán)境中提供多種生態(tài)效益[16]。以及,美國政府對切薩皮克灣的生態(tài)修復開展了長達40年的監(jiān)測評估,積累了大量的研究數(shù)據,為修復效果的評價、修復方案的選擇、修復技術篩選等決策提供了數(shù)據支撐[17-18]。

在城市水資源可持續(xù)管理的背景下,城市徑流管理也需要更加精細高效的設計管理和維護。我國海綿城市建設[19- 20]、城市生態(tài)修復工程[21- 22]正在大面積地進行實踐,針對績效考核的評價指標也在不斷完善。然而項目的效果需要運行一段時間才能被驗證。目前的考核主要集中在建設情況的考核以及通過理論測算和模型模擬[23],宮永偉等提出的踏勘驗證法、監(jiān)測法、監(jiān)測與模擬聯(lián)合考核法[24],但使用后評價以及可持續(xù)性特征方面的評價一直比較缺乏。

本研究以建成并運行有一定時間、景觀效果穩(wěn)定、以水質凈化為目標而設計的多塘型城市綠地——宜昌市運河公園為對象,在夏季晴天和降雨條件下對其運行規(guī)律和效果進行現(xiàn)場監(jiān)測,分析它對來水水量水質的調控規(guī)律和效果,并結合現(xiàn)場觀察和調研訪談總結管理運行中的經驗,以期為相關城市綠地的設計優(yōu)化和城市地表徑流管理提供基礎數(shù)據,為設計實施和運行管理提供參考經驗。

1 研究區(qū)域概況

宜昌屬于北亞熱帶大陸性季風氣候,年降雨水量992.1—1404.1 mm之間,蒸發(fā)量約1280 mm,平均濕度76%。雨水豐沛,多集中在夏季,6—7月份降雨量約占全年降雨量的48%。宜昌市運河是1958年人工開鑿的流經市區(qū)的飲用水半自然引水河道,隨著城市的發(fā)展,水質惡化,退化為備用水源(水質標準執(zhí)行Ⅲ類)。

運河公園位于宜昌運河邊,城市水系網絡中下游。原址是城郊廢棄的魚塘,隨著城市的擴張,被并入城市的版圖中。從運河公園建成前后的2002年和2015年谷歌衛(wèi)星圖來看,運河公園是該區(qū)域唯一被保留下來的池塘,也是唯一增加的城市綠地。場地內地勢平坦、水流緩慢、水質較差、污染嚴重。場地邊上的運河還有一個發(fā)電廠,隨著上游東山電廠的投入使用,該電廠逐漸廢棄。

運河公園建成于2010年,到2016年已經植被生長良好、運行穩(wěn)定。設計將多個魚塘重新組織成首尾相接的串聯(lián)多塘系統(tǒng)與運河并聯(lián),再結合道路和游憩設施的布置及植物的種植,設計成一個以水質凈化為目的的城市綠地。占地約11.36 hm2,水面面積約8 hm2,約可以分為10個單元塘。參照人工濕地凈化流程可以分為前置塘、綜合凈化區(qū)和穩(wěn)定調節(jié)區(qū)。前置塘主要結構為沙礫灘,凈化區(qū)基質為原生土壤；水流方式為自由表面流,通過溢流堰到達下一單元；溢流堰呈倒梯形,越往上越寬。水生植物配植主要以挺水植物和水生喬木為主。各單元與園路之間都有較寬的緩沖帶和1—3 m的高差。各單元的面積、水深、出水口布置和植被參數(shù)結合資料(如施工圖、設計圖、說明文本等),勘察場地現(xiàn)狀,依據場地現(xiàn)狀進行修正,具體見表1。

表1 單塘參數(shù)

場地與周邊環(huán)境有約有17 m的高差。根據長江支流防洪標準為20年一遇洪水,場地防洪設計分為兩個等級：10年和20年一遇的防洪線。豎向上,設計結合防洪線在公園內自下而上布置了親水平臺、園路和高架步道,與防洪需求彈性適應。多塘沿河布置,各級單塘水位高差約為10 cm。設計利用了原廢棄電廠的閘門將上游水位抬高,讓水流憑重力流經多塘后又流回運河。

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場調研和訪談

基于對多塘概念、結構、影響因子等設計因子、多塘對徑流調控和凈化的作用機理、城市環(huán)境背景的梳理,結合對設計者的訪談和資料(如施工圖、設計圖、說明文本等),勘察場地現(xiàn)狀。關注濕地的運行情況、植被生長狀況、管理使用情況并進行記錄。對實施情況與設計有出入的地方,依據場地實際情況進行修正,并做說明。判斷其運行效果并為制定監(jiān)測方案確定點位、頻率和指標。在場地調研和監(jiān)測的同時觀察公園使用者的活動類型、分布和偏好,訪談他們對公園的感受和評價。調研公園管理的組織機構,觀察公園管理者、安保和環(huán)衛(wèi)綠化人員的主要行為活動,訪談他們在管理維護工作中主要內容和難點。

2.2 水量水質監(jiān)測

監(jiān)測方案主要選擇有代表性的過程進行取樣。監(jiān)測時間選擇7月下旬,雨量充沛,植物生長較好。

水量調節(jié)規(guī)律主要通過沿程采集流速和徑流截面數(shù)據計算和分析流量。水質調節(jié)效果主要通過多種情況下的采樣檢測濃度來分析污染物去除率。分別研究雨中、雨后、晴天污染物濃度發(fā)生變化的三種情況,以及濕地停止運行對污染物的消納情況,同時采集運河水樣以對比運河自凈作用。采樣點分布見圖1。水質檢測指標的選取主要依據宜昌市地表水質公報、文獻資料常用指標和現(xiàn)場調研預評估選擇了化學需氧量(Chemical Oxygen Demand,CODcr)、總懸浮物(Total Suspended Solids,TSS)、總氮(Total Nitrogen,TN)、總磷(Total Phosphorus,TP)、氨氮(Ammonia Nitrogen,NH3-N)、五日生化需氧量(Five-Day Biochemical Oxygen Demand,BOD5)和糞大腸菌群數(shù)(Fecal Coliforms,FC)等7項污染物指標。

圖1 運河公園多塘水流方向及監(jiān)測取樣點分布Fig.1 Water sampling points and water flow direction in the multi-pond

于2016年7月19日至27日極端降雨時,對10個塘和運河共12個采樣點進行了4次采樣,取樣同時采集流量數(shù)據。采樣時間考慮了徑流的流量變化、污染負荷變化、水力停留時間變化、晴天對照等因素。在2016年監(jiān)測的基礎上,于2017年7月20日至27日連續(xù)8日晴天對系統(tǒng)的出入水口和運河下游取樣監(jiān)測,以研究日常情況下的調控效果并和前一年形成對比。

3 結果與討論

3.1 水量調控效果

圖2 不同入流量狀態(tài)下多塘沿程流量Fig.2 The discharge of the multi-pond with different recharge

通過對豐水期因降雨造成不同入流量(大、中、小流量)的濕地沿程流量的測量(圖2,從實驗人員的安全角度考慮,在大、中流量的情況下未對采樣點8進行測量),發(fā)現(xiàn)沿程流量進入多塘后迅速被降低,而后面的單元流量又有所上升。當出口流量小于入口流量時說明水體被蓄積在多塘單元中；當出口流量大于入口流量時,說明被蓄積的水被大量釋放出來。可以看到該多塘同時存在蓄積和釋放的過程。多塘就是在這蓄積和釋放的過程中,實現(xiàn)了對洪峰的延時和削減作用,且多塘的串聯(lián)形式形成了多級的調蓄。還可以看到流量越大,調蓄效果越明顯。因為排水能力有限,相對而言入流量越大調蓄效果越明顯。水體在塘中不斷蓄積,導致水位上升,隨之出流量增大。各單元下小上大的倒梯形排水口有利于高水位的時候排水和低水位的時候保持多塘內水系的流動。因此多塘的串聯(lián)級數(shù)、調蓄空間(豎向)和排水口應成為該多塘型綠地設計的關注點。

3.2 水質調控效果

運河作為備用水源,執(zhí)行III類水標準。將水樣水質檢測結果與《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838—2002)對照,水質總體情況較好。2016年結果顯示CODcr含量低于檢出限,后面不做討論,次年不再監(jiān)測；NH3-N、BOD5、TP、FC含量皆達到III類水標準；TN含量是III類水標準的3.5倍。2017年,水質總體情況變好,TN含量降到III類水標準的約1.36倍,NH3-N、BOD5、TP含量也降到II類水標準。2016年的取樣條件隨降雨變化,結果發(fā)現(xiàn)雨中污染物含量最高,隨著天氣雨轉晴污染物含量先減小后又升高。說明降雨會造成河流水質的突變,污染物濃度先升高然后又被稀釋；晴天后污染物濃度上升,說明運河污染物還有一部分來自于城市污水排放。而2017年水質總體提升,和宜昌市啟動的控源截污、內源治理等城區(qū)黑臭水體整治措施及采樣期間為晴天有關。

3.2.1污染物總體削減情況

將多塘的出入口和運河上下游的取樣結果對比以分析多塘對污染物總體削減情況。

2016年監(jiān)測結果顯示多塘對污染物的削減作用要好于運河(表2)。總體上多塘對TN、TP、NH3-N、FC有明顯的削減作用,平均能達到38%、31%、21%、16%；對TSS和BOD5的削減作用不明顯,平均為-6%和1%。運河對TSS、NH3-N、BOD5、TN和TP的平均去除率為-34%、-17%、-10%、-3%、-15%。

2017年監(jiān)測結果顯示多塘對水體中的污染物并無明顯的削減作用甚至出現(xiàn)了污染物含量增加的情況,而運河開始顯現(xiàn)一定的污染物去除效果(表3)。多塘TSS、NH3-N、BOD5、TN和TP的平均去除率為-152%、-32%、-102%、-5%、-126%,而運河中TSS、NH3-N、BOD5、TN和TP的平均去除率為-34%、3%、-99%、-5%、-276%。此時運河對TSS和NH3-N的去除效果要優(yōu)于多塘,BOD5和TN的去除率相差無幾,對TP的去除效果多塘要優(yōu)于運河。

2017年來水水質總體優(yōu)于2016年,污染物濃度高時,多塘表現(xiàn)出明顯的去除作用；污染物濃度低時,多塘污染物去除作用不明顯,說明污染物濃度對多塘的處理效果有較大的影響。

在空間構成上,運河和多塘存在較大差別,包括水流路徑的長短、河道空間形態(tài)和組成以及兩個空間上的人類活動類型(人們在運河上釣魚而在公園養(yǎng)魚)等。運河只有在污染物濃度較低時才表現(xiàn)出削減作用,說明運河對污染物的消納能力較為有限；而在2016年的監(jiān)測結果顯示為負可能是因為在運河河段存在未整治的生活污水排水口。低濃度來水時多塘表現(xiàn)為“源”,主要是因為多塘的組成要比運河復雜,可能的原因包括底泥沖刷、植被的腐敗、動物的糞便以及人為的養(yǎng)殖的投喂活動等等。

表2 2016年多塘和運河對污染物的去除率/%

TSS: 總懸浮物 Total Suspended Solids; NH3-N: 氨氮 Ammonia Nitrogen; BOD5: 五日生化需氧量 Five-Day Biochemical Oxygen Demand; TN: 總氮 Total Nitrogen; TP: 總磷 Total Phosphorus; FC: 糞大腸菌群數(shù) Fecal Coliforms

表3 2017年多塘和運河對污染物的去除率/%

3.2.2對不同濃度的污染物的削減效果

根據文獻研究可知,檢測指標濃度的沿程變化最佳的擬合模型為指數(shù)衰減模型[25]。為了研究污染物濃度對多塘的處理效果的規(guī)律,采用2016年和2017年共5次沿程采樣的污染物濃度變化來的指數(shù)函數(shù)擬合反應濕地對各類污染物的凈化效率(圖3)。發(fā)現(xiàn)盡管來水水質波動變化,但多塘系統(tǒng)的出水水質較為穩(wěn)定(約為III類水)。多塘對高濃度的來水污染物具有明顯的去除效果；對中濃度的來水污染物去除效果較為不明顯；對于低濃度的來水污染物含量反而少量的增加。當TSS、NH3-N、BOD5、TN、TP和FC濃度分別約為64 mg/L、1.081 mg/L、3.5 mg/L、5.52 mg/L、0.194 mg/L和3500個/L(V類和劣V類)時,多塘表現(xiàn)出明顯的削減作用。當TSS、NH3-N、BOD5、TN、TP和FC濃度分別約為35 mg/L、0.702 mg/L、2.1 mg/L、3.06 mg/L、0.097 mg/L和2200個/L(III類以下)時,多塘不能表現(xiàn)出明顯的削減作用。當TSS、NH3-N、BOD5、TN、TP和FC濃度分別約為41 mg/L、0.594 mg/L、0.9 mg/L、1.51 mg/L、0.028 mg/L和940個/L(約為II類水)時,多塘不能表現(xiàn)出明顯的削減作用,污染物含量反而有所增加,但基本不改變水質類型。這與相關研究結果一致：COD、BOD5、TSS等污染物去除率與進水濃度間呈顯著正相關[26]。此外,還有研究表明去除率隨進水負荷增大而增大[27]。在本項目中水質的變化主要是由于降雨造成的,污染物濃度的增加常常伴隨著來水水量的增大,所以來水負荷也可能是一個重要的影響因素。

圖3 多種來水濃度下多塘沿程污染物濃度及擬合線Fig.3 Pollutants concentration and its fitting line in the multi-pond with different rechargeTSS: 總懸浮物 Total Suspended Solids; NH3-N: 氨氮 Ammonia Nitrogen; BOD5: 五日生化需氧量 Five-Day Biochemical Oxygen Demand; TN: 總氮 Total Nitrogen; TP: 總磷 Total Phosphorus; FC: 糞大腸菌群數(shù)Fecal Coliforms

3.2.3沿程污染物削減效果

分別對去除效果明顯的不同污染物的高濃度的兩組沿程各單元的去除率進行分析(圖4)。發(fā)現(xiàn)除TSS外,NH3-N、BOD5、TN、TP和FC沿程去除率逐漸減小,即去除率前高后低。不是所有的單元都表現(xiàn)為削減作用,在整個過程中基本為削減和增加作用交替存在,但總體結果為削減。該多塘由10個單元串連而成,每個單元的空間形態(tài)、內部結構、植被蓋度、水流方向都不同,因此,每個塘對污染物去除率也不同。去除率前高后低,主要是因為到了后半程流水中的污染物濃度已經降低了。和其他指標不同,TSS的去除作用表現(xiàn)為先增加后減小,主要是因為TSS的去除作用主要通過吸附、沉淀和過濾等,在系統(tǒng)的前段流速較大導致一部分懸浮物被沖刷出來,然后又在后半程沉淀下來。還可以明顯看到,最后一單元對除TSS外其他污染物的削減作用為負。對比設計圖紙和現(xiàn)場可以發(fā)現(xiàn)設計中的增氧噴泉并沒有建造,可以推測是因為最后一單元面積大水流緩慢又無增氧設施,導致了原塘中的污染物析出。

圖4 多塘沿程污染物去除及趨勢線Fig.4 Pollutants removal efficiency and its fitting line in the multi-pond

3.2.4多塘對污染物的消納效果

當關上閘門濕地系統(tǒng)停止運行,濕地系統(tǒng)就變成一個個封閉獨立的單元。通過關閘前后的水樣對比可以看到水力停留24 h后,幾乎所有單元內的所有的污染物含量都出現(xiàn)了增加,去除率為負(圖5)。TN增加的含量最多,TP增加的含量最少,FC含量在一些單元出現(xiàn)減少。這一現(xiàn)象和系統(tǒng)運行時最后一單元污染物去除率為負都可能是因為當水停止流動,水體的復氧能力減弱,缺氧的環(huán)境會阻礙硝化反應的進行,厭氧環(huán)境與內部的污水一起容易構成死水區(qū),導致生物原先在好氧環(huán)境下吸收的N、P等物質又重新釋放到基質中,使水體物質升高[28]。

圖5 水體停留24 h后各單元污染物含量變化情況Fig.5 Pollutants concentration in the muti-pond after a 24 h water standing

4 場地運行經驗

4.1 水量管理是一項重要的內容

由于該系統(tǒng)位于城市水系統(tǒng)網絡的下游,暴雨徑流不斷地匯集,運河水量上漲的時間可能持續(xù)幾十個小時。多塘調蓄洪峰將大量的徑流蓄積在塘中,意味著公園內的水位上漲。該系統(tǒng)排水能力有限,如果不是有人為干預進水情況,必然造成水位不斷上漲,長時間大量積水。目前主要采用人工控制閘門的方式,進半天水,放半天水,如此反復,既保證了多塘濕地系統(tǒng)的持續(xù)運行又能將水位控制在一定范圍。根據設計者的解釋,該多塘系統(tǒng)根據防洪標準做了豎向上適應性設計,可以在自然狀態(tài)下的持續(xù)運行,水量的管理并不需要過多的人為控制。在管理者看來這是可怕且難以接受的,他們認為不在雨季加強對水量的管理會影響公園的王蓮等水生植物景觀和游客的安全,但他們也認為目前的控制方式過于繁瑣。設計者和管理者都表現(xiàn)出水量的管理的關注但在應對上并沒有共識。如果能在關鍵的出入口設置水質水量監(jiān)測智能傳感設備,將有可能同時實現(xiàn)公園的智慧管理和監(jiān)測評估兩項目標。

4.2 多塘景觀在管理運行中衍生出更加豐富的內容

在預調研的時候,發(fā)現(xiàn)有三個單元在養(yǎng)殖魚、鴨、鵝,并把這一現(xiàn)象列為對多塘水質凈化作用的干擾項。但是經過檢測,在多塘運行情況下養(yǎng)殖投喂并沒有造成多塘系統(tǒng)污染物含量的增加。并且在場地觀察到：一方面,公園里養(yǎng)殖鴨和鵝,以及水里的魚和烏龜是游客們尤其是兒童最喜歡的內容；另一方面,工人是將公園草地中清除的雜草投入塘中喂魚,既管理了公園的草坪又沒有增加城市的環(huán)衛(wèi)負擔。養(yǎng)殖其實實現(xiàn)了水質凈化、觀賞體驗和公園管理三方面目標的協(xié)調統(tǒng)一。這顯然是設計者也沒有考慮到的,而如果單從水質凈化考慮可能只能得到單一的景觀。項目在設計建成運行十年之后不僅實現(xiàn)的最初的設計目標,還在管理運行中衍生出了更加豐富的內容。

4.3 沒有建成評價會可能導致目標的丟失

根據監(jiān)測結果,最后一單元水質凈化效率低,而對比設計方案,設計中的增氧設施沒有建設。建議可增加建設后再進行監(jiān)測驗證。管理者并不關心多塘對城市地表水質的凈化提升作用,但他們關心公園的景觀效果和養(yǎng)殖塘的水質。一個項目從規(guī)劃設計到建設運行管理,主要由不同人群的負責。目標層層傳導,最終有可能會發(fā)生改變或丟失。所以對建成項目運行結果進行監(jiān)測和評估以回顧設計目標是必要的。通過短期和長期監(jiān)測結合,實施全生命周期管理,無論是監(jiān)測方案、設計方案、運行管理方案都可以通過評價結果的進行不斷地優(yōu)化更新,項目中產生經驗也可以不斷積累,場地功能與社會發(fā)展的問題也可以不斷協(xié)調,進而實現(xiàn)場地的可持續(xù)發(fā)展。

5 結論

以建成運行多年的宜昌運河公園中的多塘型城市綠地為研究對象,制定了水質水量監(jiān)測計劃,分析了其在日常和降雨條件下對來水水量水質的調控效果和規(guī)律,并結合現(xiàn)場觀察和訪談記錄了管理運行中的經驗,討論了從設計到運行可能對城市綠地生態(tài)服務功能的發(fā)揮產生影響的因素。多塘對動態(tài)變化的來水水質水量的調控表現(xiàn)出彈性適應效果：在一定范圍內,流量越大調蓄效果越明顯；污染物濃度越大,去除率越大。主要結論如下：

(1)多塘系統(tǒng)有明顯的調蓄作用,通過將徑流蓄滯在各個單元中,再緩慢釋放出來,從而達到削減洪峰和延遲洪峰的徑流調控效果。串聯(lián)形式的多塘形成了多級的調蓄作用,使得因暴雨而陡漲的徑流經過多級的調蓄而變得平緩。由于調蓄空間充足而排放能力有限,相對而言流量越大調蓄作用越好。因此多塘的串聯(lián)級數(shù)、調蓄空間(豎向)和排水口應成為該多塘型城市綠地設計的關注點。

(2)多塘對水質的調控作用優(yōu)于運河,對高濃度(V類和劣V類)的污染物有明顯的去除作用,對N、P元素的去除效果較好。對低濃度(III類)的污染物去除作用不明顯,濃度較低(II類)時會釋放一定含量的污染物,但基本不改變水質的類型。從沿程去除效果來看,多塘前半部分污染物去除率高,后半部分去除率低或為負。從停運狀態(tài)來看,水體蓄積在塘中24 h污染物含量會增加。

(3)公園從設計到運行由設計、建造、管理多方人員主導,他們的關注點不同,并沒有在所有方面達成共識。場地經過長時間運行和持續(xù)的管理維護,最初的設計目標出現(xiàn)了簡化、丟失或改變的情況,但也衍生出了更豐富多樣的景觀。通過績效評價可以促進項目的優(yōu)化、經驗的積累和場地的可持續(xù)發(fā)展。