城市水系生态多尺度评估与调控方法

陈楚江　廖佳卉　裘鸿菲　周海燕

摘 要：水系不断退化，水资源供给、水源涵养、雨洪调蓄等生态系统服务功能不断降低，制约了水资源高效利用、水环境质量改善以及水生态服务功能提升。维护好城市水生态健康，是我国生态环境保护与修复的重点任务，也是加快推进水生态文明建设、保障国家水安全和生态安全的重要支撑。从水系的雨洪调蓄功能角度切入，提出一种多尺度水生态评估与布局调控方法。在宏观层面，从时空尺度评估水系生态完整性及各水体的雨洪调蓄潜力，提出相应的布局调控策略。在微观层面，营建系统性海绵设施，提升水系雨洪调蓄容量，促进水环境、水生态、水安全效益提升。武汉市水系生态评估与调控验证了该方法的有效性和实用性。

关键词：城市水系；生态环境；雨洪调蓄；多尺度评估；布局调控

中图分类号：X826                                                   文献标志码：A

收稿日期：2023-08-02

0 引 言

城市水系是城市自然环境的重要组成部分，是城市建设的骨架网络之一，影响着城市性质、用地布局及发展方向。城市水系生态空间是水系的载体基质，包括江、河、湖、库、蓄滞洪区、水陆交错带等，能直接为人类提供水资源供给、水源涵养、雨洪调蓄、景观文化等多种水生态产品和服务[1-2]。但是随着城镇化快速发展，人口高度集中于城市，导致城镇建设用地不断扩张并侵占了水系生态空间，造成严重的水资源短缺、水环境污染、生物多样性降低、雨洪灾害等水生态危机。

近年来，城市水系生态空间的保护与修复已成为政府和学者关注和研究的重点。2022年，党的二十大报告指出，统筹水资源、水环境、水生态治理，推动重要江河湖库生态保护治理。2023年，生态环境部联合国家发改委等部门印发了《重点流域水生态环境保护规划》《长江流域水生态考核指标评分细则（试行）》等，从水生态系统健康、生物多样性恢复，统筹水资源、水环境、水生态治理评价长江流域17省市的水体[3]，提出到2025年，水生态环境持续改善、保护体系更加完善，水资源、水环境、水生态等要素系统治理、统筹推进格局基本形成的目标。如何高效利用水资源，改善水环境质量，提升水生态服务功能，维护好重点流域生态健康，促进区域经济社会高质量发展，是我国生态环境保护和生态修复的一项重点工作。

众多学者开展了水生态修复领域的研究。牛最荣等[4]从“三生”（生产、生活、生态）空间角度构建了基于PSR模型的水生态安全评价指标体系。王飞等[5]研究了快速城镇化地区景观格局对雨洪调蓄、水土保持、水质净化三种典型水生态系统服务的影响，探讨了景观的组成和配置与水生态系统服务的关系。孟婷婷等[6]以北京市萧太后河为研究对象，从生物群落结构、生物多样性指数、水生态系统变化等方面开展水生态修复效果分析，阐明结构完整的水生态系统对抵抗外界水质、水量冲击的重要作用。刘凤如等[7]从植物水质净化的角度，探究了沉水植物对污染物的去除效果，强调了沉水植物在水生态修复中的重要性。总的来说，目前我国在水生态修复领域的研究主要分为宏观城市水生态安全格局[8]、水系连通[9]，微观水生态修复技术应用及其效果[10]，对于两者结合协同调控，统筹宏观到微观水生态修复方法的研究较少。

本研究从水生态系统服务功能之一的雨洪调蓄角度切入，探索从宏观到微观的多尺度生态评估与布局调控方法，并以“百湖之城”“海绵城市”武汉为例进行应用探索。

1 城市水系生态多尺度分析评估方法

雨洪调蓄是城市水系的重要生态服务功能之一。基于时间和空间的多尺度评估能较全面、客观和科学地反映城市水系生态的状态，分析水系在雨洪调蓄方面的现状及问题，为水系安全格局构建、水生态系统规划、布局调控、开发利用与保护提供技术支撑。具体分析评估框架见图1。

1.1 空间尺度的城市水系生态评估

城市水系的识别和提取是水系评估基础，常见的方法包括人工野外测量、遥感影像水体识别等。其中人工测量主要用于小尺度研究或水系信息校核，而遥感影像具有覆盖范围大、快速、准确等特点，适合用于大尺度水系信息提取。

水系遥感信息提取常用方法为归一化差异水体指数（NDWI），通过波段比值运算来增强水体与背景地物之间的反差，使水体信息易于辨识提取。本研究采用短波红外波段替代近红外波段的改进归一化差异水体指数法，可以更有效地增大水体与其他地物间的差异以提取水体。

MNDWI =（B2-B5）/（B2+B5）（1）

式中：MNDWI为差异化水体指数；B2为绿色波段灰度值；B5为短波红外波段灰度值。

在提取的城市水系影像基礎上，进行实地抽样人工检测。

对于空间尺度的评估，本研究通过大量文献查阅与调研，选取水系破碎程度（FN）、水体形状指数（SHAPE）来评估水系的空间格局，计算汇水范围内水系雨洪调蓄任务量与其本身的雨洪调蓄容量来评估水系的雨洪调蓄潜力。

1）水系破碎程度

FN=（Np-1）/Nc（2）

式中：FN为水系破碎程度（个/hm2）；Np为斑块数量（个）；Nc为水系总面积（hm2）。

FN值越大，表明水系越破碎，水系之间的连通性越低。

2）水系形状指数

SHAPE= Pi /min Pi （3）

式中：SHAPE为水体形状指数；Pi 为湖泊i的周长（m）；min Pi 为同面积的圆周长（m）。

SHAPE指数越大，表明水体形状越复杂，岸线与生态空间的接触度越高。

3）雨洪调蓄容积

水系雨洪调蓄容积为设计高水位与常水位之间的容积，用于调节径流，灌溉供水等。计算式为

V0=（H - H0）S（4）

式中：V0为水系雨洪调蓄容积（m3）；H为设计高水位（m）；H0为常水位（m）；S为水体平均底面积（m2）。

4）雨洪调蓄任务容积

水系雨洪调蓄任务容积为水系在汇水区内应承担的雨洪调蓄任务量。计算式为

V=10HφF（5）

式中：V为水体雨洪调蓄任务容积（m3）；H为设计降雨量（mm）；φ为综合雨量径流系数；F为汇水面积（hm2）。

1.2 时间尺度的城市水生态系统评估

通过分析不同时期城市水系面积变化情况、水系破碎程度变化情况、水系形状指数变化情况，评估城市水生态系统的发展状况。

1）水系面积变化率

ASR =（A1 - A0）/A0（6）

式中：ASR为水系面积变化率；A1为终期水系面积（hm2）；A0为始期水系面积（hm2）。

ASR值＞0，表明城市水系处于扩张状态，反之则表示水系萎缩。ASR值的变化反映城市水系扩张或萎缩速率的快慢。

2）水系破碎程度变化率

FNR=（FN1 - FN0）/FN0 （7）

式中：FNR为水系破碎程度变化率；FN1为终期水系破碎程度（个/hm2）；FN0为始期水系形状指数（个/hm2）。

FNR值＞0，表明水系逐渐破碎。FNR值的变化反映城市水系破碎程度变化速率的快慢。

3）水系形状指数变化率

SIR=（SHAPE1 - SHAPE0）/SHAPE0（8）

式中：SIR为水系形状指数变化率；SHAPE1为终期水系形状指数；SHAPE0为始期水系形状指数。

SIR值＜0，表明水系形状复杂程度降低。SIR值的变化反映水系形状变化速率的快慢。

2 城市水系生态布局调控

针对水系萎缩、水系破碎程度增大、形状指数降低导致的水系生态循环被打断的问题，在宏观层面建立蓝绿交融的雨洪安全格局，增强蓝绿空间的连通性；在中观层面调控水系及周边绿地的边界指数，以加强与周边用地的有效对接；在微观层面系统性营建海绵设施以增强水系生态空间的雨洪调蓄能力。

2.1 蓝绿交融的雨洪安全格局

宏观层面，在城市水系生态多尺度分析评估的基础上，通过调控城市水系周边的绿地等生态空间，恢复城市水系的生态连通性，建立蓝绿交融的雨洪安全格局。对于城市水系的汇水范围没有完全覆盖的区域、水系调蓄容积小于其调蓄任务的区域，需要通过规划绿地斑块、廊道来承接消纳多余的雨水，从而增强蓝绿空间的融合率和连通性，更高效地进行雨洪调蓄、径流消减以及污染负荷控制。

2.2 水系空间与周边用地的衔接

中观层面，径流雨水能否顺利进入城市水系的影响因素之一是城市绿地与周边用地的对接，包括地面对接和雨水管网对接两个方面。

地面对接主要调控因子为水体及周边绿地的边界指数，包括边界开敞率、地形坡度、边界曲折度等。绿地边界开敞率的调控意在打通绿地与其他用地的连通性。地形坡度的调控是为了使径流雨水能够更好地进入城市绿地进而进入调蓄水体。曲折度的调控则是为了增加绿地与周边用地的融合率，更好地接纳城市水体汇水面积范围内各个方向的径流雨水。

雨水管网的对接，包括管网设施共享性与对接形式等方面。对于调蓄容积小于调蓄任务的区域以及只有绿地、雨水管网进行雨洪调蓄的片区，需要更多地考虑与城市绿地周边雨水设施的共享性。城市水系与雨水基础设施的对接形式，则会影响进入城市水系的雨水水量和水质。

2.3 生态空间的海绵设施系统性营建

微观层面，将城市生态空间与雨水基础设施进行协同设计，合理布局海绵设施。通过对国家及地方海绵城市建设技术指南的充分研究，在源头控制、传输控制及终端处理三个阶段进行海绵设施系统营建（见图2）。

2.3.1 源头控制阶段

雨水源头控制阶段处于排水系统上游，其主要目标是在雨水进入市政排水管网前采取各种措施，从源头减少面源污染物的排放率和进入排水系统的雨水径流量，并实现雨水控制利用。主要控制要素包括：

（1）最小化不透水区域面积。采用透水铺装、绿色屋顶，促进雨水径流下渗。

（2）对于土壤渗透性能差、硬质比例高的区域可结合场地大小采用渗透井、渗透池、渗透管渠等集中式渗透设施。

（3）利用绿地与城市水体、城市道路高差，通過地形坡度处理，如设置缓坡地形、阶梯型生态护岸、雨水花园，形成薄层漫流，有效减缓汇流速度，并延长径流流程和滞留时间。

（4）灌木土壤的平均渗透率要高于草地土壤。增加植被覆盖率，提高低矮灌木的比例以有效维护土壤的渗透率。

2.3.2 传输控制阶段

雨水传输控制阶段是指雨水从源头集中传输至排水系统末端或储存段之间的路径，其主要目标是利用调蓄、渗透、滞留等处理措施改变来源区域的地表水文活动，以有效截留、处理雨水径流污染物并短时储存雨水。主要控制要素包括：

（1）结合人工旱溪或植草沟等特色景观营造，利用砂砾、块石、植被等材料增加排水设施表层的粗糙度，从而在雨水传输过程减缓径流速度。

（2）利用场地纵向坡度在排水过程设置堰坝或形成阶梯式排水过程，延长雨水滞留和传输时间。

（3）结合竖向设计与低势绿地将雨水分散汇集处置，实现雨水短时储存和浅层下渗。

（4）采用渗透管渠，在排水过程使得部分雨水自然下渗。

2.3.3 终端处理阶段

雨水终端储存阶段处于排水系统的末端，其主要目标是在雨水和污染物进入受纳水体或储存设施前的净化拦截及受纳水体的水质净化，从而对雨水加以利用。主要控制要素包括：

（1）采用湿塘、蓄水池等设施增加对雨水的调蓄容量、提升净化功能，以雨水为主要水源补给景观水体。

（2）城市水体通常是滨水区滞蓄雨水、排涝的主要通道，结合生态驳岸、人工湿地，利用岸带植被的净化缓冲作用，拦截外源污染物，保障水体质量。

（3）净化水体水质，可采用壳聚糖包裹载镧膨润土除磷剂、镧改性的凹凸棒土底质改良剂，对水体和底泥的磷进行吸附，避免水体治理二次污染等问题。同时采用具有良好脱氮效果的异养硝化好氧反硝化功能菌株，通过微生物复合净水技术，净化水质。

（4）对水下生态环境进行重构，选取苦草、一叶莲、鲢鱼、鳙鱼、螺蚌等水生动植物构建水下森林，达到净化水质、维持水体生态平衡的目的。

（5）在发生极端降雨事件时，将生态空间作为水系及蓄滞洪区的连接通道，以便雨水排出，避免重要基础设施受到洪涝灾害影响。

3 城市水系多尺度评估与调控的应用

为更好地验证上述城市水系多尺度评估与调控的理论框架，同时进一步检验该理论框架实践效果，以武汉市中心城区为案例，尝试从时空尺度评估其水系生态系统，分析水系格局存在的问题，并以武汉市紫阳湖、经开区小微水体为研究对象，在微观层面进行海绵设施系统性营建，改善水生态环境。

3.1 案例区域概况

武汉市地处中国腹地，长江与其最大支流汉江在此交会。市内湖泊众多，水域面积占市域总面积的26%，形成了武汉三镇密集的湖泊水网。在气候方面属于北亚热带季风性（湿润）气候，具有常年雨量丰沛、热量充足、雨热同季等特点。武汉降雨主要集中在每年6—8月，降雨量大，加之排水管网设计标准低、地面硬化、水系面积锐减等综合作用，造成城市内涝频发。

3.2 武汉市中心城区水系生态多尺度评估

通过遥感影像提取武汉市中心城区的水文特征，运用GIS分析得出水体汇水面积、水体变化面积分布（见图3、图4），将相关数据代入公式计算得到城市水系生态多尺度评估结果（见表1）。

分析发现武汉市中心城区水系雨洪调蓄存在三个方面的问题。

（1）水系割裂的问题。数据表明，2000—2015年，武汉中心城区36个湖泊面积共减少34 km2，景观破碎度变大，形状指数减小。20世纪末，武汉通江湖泊全部被阻断，武昌地区的东湖、沙湖、南湖被隔开；汉阳地区的墨水湖和太子湖分开；汉口地区小湖泊零星分布。2000—2015年，硚口区竹叶海、张毕湖面积减少了0.95 km2，原本几乎连为一片的湖泊，割裂分离为2个独立的小湖体。洪山区东湖、杨春湖面积减少了3.65 km2，两湖之间的狭长水系在城市发展中被填占。原为一体的洪山区严西湖、北湖面积减少1.50 km2，北湖被分割，水系割裂，导致水生态循环被打断，湖泊的水质污染形势严峻。

（2）蓝绿连通性差、管网断层。通过降雨汇水路径与绿地系统的耦合分析（见图5），发现绿地分布与降雨汇水路径基本吻合，只是由于绿地面积在湖泊汇水面积范围内所占比重较小，造成降雨后汇水范围内的地表径流无法通过绿地系统进入调蓄湖泊。通过降雨汇水路径与城市雨水管网的耦合分析（见图6），发现城市管网的分布与汇水路径有位置上的较大偏移，导致降雨后地表径流无法快速进入雨水管网。湖泊与雨水管网没有直接对接，不能缓解雨水管网承载的雨水疏散压力，调蓄功能没有得到充分发挥。

（3）水系调蓄容积不足。数据表明，鹦鹉湖水系的莲花湖、巡司河排水系统的晒湖，调蓄容积小于调蓄任务量，需采取相应布局调控措施来提升调蓄容积。

3.3 布局调控

（1）案例一：武漢市紫阳湖“大湖+”工程

紫阳湖“大湖+”工程位于武汉市武昌区紫阳路222号，北靠蛇山，西临长江。其作为巡司河排水系统中的重要汇水湖泊，承载着雨洪调蓄的重要作用，但由于公园地形条件、大量不透水铺装问题，致使其实际调蓄能力较低。在武汉市委市政府提出的“大湖+”发展理念背景下，项目实施海绵化改造。改造范围总面积为29.6 hm2。其中，紫阳湖湖泊面积13.6 hm2，陆地生态空间面积16 hm2。

改造将湖泊生态空间与雨水基础设施进行协同设计，对各项构景要素的空间布局进行系统性营建，充分发挥湖泊公园的雨洪调蓄与净化功能（见图7）。本次海绵设施系统性营建主要通过透水铺装、雨水花园、植草沟、湿塘、蓄水池、生态驳岸等达到设计蓄水容积、年径流总量控制率等目标值（见表2）。对二级园路及部分广场，采用透水铺装，二级园路边设置植草沟，以净化径流雨水，在有条件的区域设置雨水花园，不仅能够调蓄、净化雨水，也具有一定的观赏价值，将湖心岛上原有水池改造为湿塘，收集调蓄湖心岛上雨水。

通过海绵设施系统性营建，提高了公园的水生态、水环境、水安全。打造生态护岸并优化沿湖水生态系统植物配置群落，通过对雨水径流的过滤、净化，使水体受污染风险降低（见图8）。

经检测，紫阳湖水质已由劣Ⅴ类转变为地表水Ⅳ类，局部水质达到Ⅲ类，具体污染物去除情况见表3、表4。

同时，工程年径流控制率达到88.6%，峰值径流控制达到60%，面源污染控制率达到80%，雨水资源化利用率达56.4%，满足武汉市标准，超预期完成了紫阳湖生态环境提升目标，并且产生了固碳制氧效益、净化空气效益、提供生境效益、降噪效益、保持生物多样性效益等（见图9）。

（2）案例二：武汉经济技术开发区（汉南区）“四水共治”二期工程小微水体治理

武汉经济技术开发区（汉南区）“四水共治”二期工程为经开区内16处湖泊，总水面面积约260万m2。主要建设内容为沿湖截污纳管工程、内源治理工程、水生态修复工程、驳岸及景观工程。小微水体由于水体小、地处偏、影响小，基本没有纳入到武汉市各区湖泊保护规划之中，但是普遍存在水质差、淤积重、景觀差等问题。

项目采用对湖泊的点源、内源污染进行治理的修复措施，落实省市水污染防治目标（见图10）。主要采取终端处理阶段的岸带植被净化、底泥污染物控制、微生物复合净水及水下森林等技术方法，实施后，16个小微水体稳定达到地表水Ⅳ类标准。经测定，本项目的污染物消减量如下表所示（见表5）。

4 结 论

基于雨洪调蓄视角探讨了水系生态多尺度评估与调控方法的研究应用，主要结论如下。

（1）提出了时间、空间多尺度水系生态评估体系。空间尺度上选择水系破碎程度、水系形状指数、雨洪调蓄容量、雨洪调蓄任务量四个指标，时间尺度上选择水系面积变化率、水系形状指数变化率、水系破碎程度变化率三个指标，以评估城市水生态系统完整性及雨洪调蓄潜力。

（2）从宏观、中观、微观三个层面提出了城市水系生态布局调控措施。在宏观层面，建立蓝绿交融的雨洪安全格局；在中观层面，将水系空间与周边用地进行有效对接；在微观层面，将城市生态空间与雨水基础设施进行协同设计，系统性营建海绵设施。

（3）武汉市水系生态多尺度评估与调控验证了所提方法的有效性。采用本文所提方法，可大幅削减水体污染物指标，显著改善水生态环境。

参考文献：

[1] 周广金，童亚莉，王凌青，等.国土空间规划中水生态空间及保护线的多维识别技术与应用[J].自然资源学报，2022，37（12）：3102-3117.

[2] 丁志良，朱捷缘，边金云，等.汉江生态城水生态空间管控边界划分与管控策略研究[J].水利规划与设计，2023（5）：13-17.

[3] 生态环境部水生态环境司.生态环境部水生态环境司有关负责人就《长江流域水生态考核指标评分细则（试行）》答记者问[J].资源节约与环保，2023（7）：149-150.

[4] 牛最荣，贾玲.三生空间角度的甘肃长江流域水生态安全评价及障碍诊断[J].水生态学杂志，2023，44（2）：19-25.

[5] 王飞，陶芹，程宪波，等.快速城镇化地区景观格局变化对水生态系统服务的影响[J].水土保持学报，2023，37（1）：159-167.

[6] 孟婷婷，董月群，闻丞，等.生物多样性导向的再生水补给型城市河道水生态修复效果[J].环境工程技术学报，2023，13（4）：1552-1561.

[7] 刘凤茹，雒翠，张扬，等.沉水植物水生态修复作用及应用边界条件[J].安徽农业科学，2021，49（9）：66-69，94.

[8] 贾梦圆，陈天.基于土地利用变化模拟的水生态安全格局优化方法：以天津市为例[J].风景园林，2021，28（3）：95-100.

[9] 崔保山，刘烨凌，宁中华，等.城乡河湖水系连通工程的生态环境效应[J].环境工程，2023，41（9）：36-45.

[10] 马卓荦，肖许沐，韩妮妮.海绵城市中的水生态体系构建策略研究[C]//2021第九届中国水生态大会论文集.2021：444-454.

[11] 张嫣，裘鸿菲.基于雨水调蓄的武汉中心城区湖泊公园布局调控策略研究[J].中国园林，2017，33（9）：104-109.

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

作者简介：陈楚江，男，全国工程勘察设计大师，正高级工程师，博士，主要研究方向为现代地球空间信息技术及其公路集成应用。

E-mail：cjchen@vip.163.com