成玉宁 侯庆贺 谢明坤

1 低影响开发的解读

1.1 低影响开发的科学内涵

低影响开发(Low Impact Development，LID)[1]概念最早于1977年在美国佛蒙特州的生态土地利用规划中提出，是指基于模拟自然水文原理实现雨水控制和利用的一种雨水管理办法，通过低影响开发技术措施的实施使开发后城市水文和生态环境得以改善。经过近30年的发展，世界范围内低影响开发理念与实践不断丰富，其理论目标逐步从维持场地开发前的水文环境和水质控制拓展到水生态资源保护与修复、水生态系统完整性以及自然资源、生态环境保护等领域。随着低影响开发海绵城市、城市双修、公园城市等策略的提出，中国的低影响开发已从最初的城市暴雨水管理转向城市生态系统的保护与修复、城市空间规划与生态规划、城市雨水控制与利用等方向扩展和延伸，并逐步发展形成一套全新的以水环境科学、风景园林学、生态学、景观生态学为主要框架的城市规划设计理论与方法，其核心主要包括以下3个方面。

1)在生态学原理架构下，通过模拟自然过程，梳理与优化存在的生境“秩序”，系统解读城市复合生态系统的运行规律及其与客观环境、人类活动之间的相关联系，减少维护管理的能耗以及资源的消耗，促进绿色的生产和生活方式，实现城市的可持续发展。

2)以环境类相关学科理论为指导，遵从自然过程，尊重自然存在的客观规律，优先保护和利用现状自然资源，根据场地自然特性进行拟自然的规划与设计，减少对自然过程的干扰，将人工营建的负面影响削减到最低。

3)自然地理区位不同的城市存在显著差异，根据城市区域条件和发展基础以及地域性的气候及地理条件，因地制宜、因时制宜，有计划、有次序地进行渐进式的土地低影响开发与建设，包括地域性植被及其演替规律的应用、与地形相适应的规划设计等[2]。避免大规模改变包括水体、土壤、植被、微气候在内的生境条件，从而实现建设项目全生命周期的低影响、低投入和低维护。

1.2 低影响开发的相对性

城市生态系统除包括自然的山林水系以及人工绿地水体等在内约30%～40%具有“自然属性”土地之外，还包括60%～70%的人工建成环境[3]。无论低影响开发中对雨水径流的控制还是对水体的多方位处理和利用，实质都是通过介入城市生态系统的水文过程，通过技术措施使城市水文过程模拟自然水文循环过程，以达到城市总体的水文平衡。低影响开发的相对性表现在其研究对象一方面是城市自然环境，包括自然郊野、自然保护地以及待开发建设用地等；另一方面则是城市建成环境，而实际操作层面低影响开发面对的大多数是城市待开发建设用地和城市建成环境，即有“新城”也有“老城”。可用于新城的低影响开发规划设计原理也同样适用于老城改造过程，其原理是一个循序渐进的过程，是对于建成环境微更新、微改造的修复和修补的过程，因此相对于新城侧重于对既有环境的保护性规划设计，老城微更新也同样具有低影响开发的问题。

1.3 建成环境中的水绿关系

城市建成环境由自然生态系统与人工生态系统共同构成，两者相互作用构成建成环境生境系统。人工生态系统是一种拟自然的生态系统，具有模拟自然生命过程和功能的基本特征[4]。其中，城市绿地与自然生态系统的生态效应具有相似性，拥有雨水滞蓄、净化、渗透等多种生态服务功能，是实现城市水环境优化的最佳介质，也是构成城市海绵体的重要组成部分[5]。从单一的绿地规模、绿地组成与结构到城市整体的绿地空间布局，都会在参与城市环境中的物质交换、能量流动过程中产生直接或间接的影响，从而影响城市的整体生态功能。因此，城市水绿共生新型生态关系的建构，是以“水绿耦合”为基本法则，通过协调两者从要素到系统的关系和作用机制，实现从单一规模、组成结构到整体空间布局的多层级水绿交融和谐统一。

2 水绿耦合规划原理

2.1 水绿耦合目标

“耦合”是物理学基本概念，指的是2个或2个以上的系统或过程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，形成的相互依赖、相互协调、相互促进的动态关联关系[6-7]。水绿耦合法则根据绿地在城市水文循环系统中的作用机制以及两者之间的关联性，将绿地用水与雨水积存相结合，明确两者之间从要素的规模(量)、组成结构到整体空间布局的动态关系(图1)，以实现对地表径流的控制和利用，其目标包括水绿规模的耦合、组成结构的耦合以及空间布局的耦合3个层面。

图1 水绿规模、组成结构和空间布局耦合关系Fig.1 Coupling relationship among water & green space scale, composition structure and spatial arrangement

图2 城市绿地蓄存与绿地耗水量的规模耦合Fig.2 Scale coupling of urban green land storage and green land water consumption

图3 城市下垫面组成结构耦合Fig.3 Composition structure coupling of urban underlying surface

图4 城市绿地空间布局耦合Fig.4 Spatial arrangement coupling of urban green land

2.2 水绿规模耦合

受自然气候、地理条件的影响，不同城市降雨在时间、空间上的分布不均，在不同下垫面构成的影响下，地表产汇流量的时空分布差异明显；另一方面，由于植被的地带性特征以及绿地空间分布的不同，不同时空下的绿地耗水量、滞蓄水能力也不尽相同。构建水绿规模的耦合模式，科学计算和分析水绿规模，通过划分雨水分区，调整绿地规模及低影响开发措施，使城市绿地(包括城市绿地各低影响技术措施)滞蓄水量与城市绿地耗水量之间达到动态关联与平衡(图2)，促进雨水的资源化利用与城市绿地的可持续发展。

2.3 组成结构耦合

自然下垫面具有良好的渗透性，降雨可直接入渗参与自然水文循环，而2/3的城市不透水下垫面则引起城市产汇流的增加和自然入渗减少。在低影响开发理念下，绿地、水体以及低影响开发措施共同构成了城市雨水调蓄的载体，且不同下垫面组成结构不同，其海绵效应也不尽相同，例如下垫面组成、土壤类型及深度、绿地植被类型与配置、低影响开发设施调蓄深度、水体深度等。在城市建成环境以及土地资源稀缺的现实条件下，通过科学合理的低影响开发绿地组成结构的配置，生成基于水绿规模耦合基础上的绿地组成结构(图3)。

2.4 空间布局耦合

绿地作为城市占比最大的透水下垫面，同时也是水资源重要的消费者，在城市土地资源较为稀缺的现实条件下，绿地总体规模及其空间布局受到不同条件的制约。传统城市绿地规划中，更多是从绿地率、服务半径等指标的角度考虑城市绿地的规划布局。而从低影响开发的角度来看，均好性的绿地布局能够更好地实现雨水的源头控制和就地消纳，减少地表径流的同时促进雨水控制与利用，与此同时，在绿地率一定的前提下，根据城市水文的空间分布，调整绿地、水体及低影响开发措施的空间格局，能够更好地实现城市绿地综合的水文效应(图4)。

3 数字技术辅助水绿耦合规划方法

数字技术辅助水绿耦合规划方法的构建，依据水绿耦合的城市绿地规划目标，科学选择与之相适应的数字技术、平台并融入水绿耦合规划流程的各个环节(图5)。首先是基于数字双平台校验的城市降水-产汇流模拟，明确地域性降水-产汇流特征与分布规律；其次通过水绿格局的定量分析与模拟，明确水绿格局的相互关系与作用机制；再次基于水绿耦合规划的预期目标、潜力因子和限制因子，构建绿地格局生成的算法模型，以实现绿地格局的数字化生成；最后通过双平台校验与绩效模拟进行方案比选，选择最优的水绿耦合城市绿地规划方案。

3.1 城市降水-产汇流空间分布及方案绩效模拟

城市降水-产汇流模拟主要应用水文模型，将复杂的降水径流时空分布现象和过程概化成近似的科学模型，模拟城市区域某一场次降雨或长期降雨过程的水量和水质变化。常用的水文模型包括集总式和分布式，其中分布式水文模型采用严格的数学物理方程表述水循环的各个子过程[8-9]。分布式水文模型普遍由产流、入渗、地表汇流、管网汇流和水质模型组成，所揭示的水文过程更接近客观事实，例如常用的SWAT、SWMM、Civil 3D等。每个子流域被处理成一个非线性的蓄水池，其入流包括降水和来自上游的径流；流出包括入渗、蒸发和地表产流、洼地储水。地表径流Q产生于流入深度d超过最大入渗及洼地蓄水深度dp时(图6)。近年来，随着地理信息系统的整合以及二维地表径流和空间分布模拟模块的引入，相关模拟软件呈现出更直观和更具有适用性的应用效果，如PCSWMM、XPSWMM等，其模拟结果更加直观，同时也更适用于与相关领域研究的对接和应用。

图5 数字技术辅助的城市水绿耦合规划流程Fig.5 Planning process of urban water & green space coupling under the assistance of digital technology

图6 地表产汇流计算原理示意Fig.6 Schematic diagram of calculation principle of land surface runoff yield and concentration

图7 城市降水-产汇流空间分布及方案绩效模拟流程Fig.7 Flow chart of urban rainfall-spatial distribution of runoff yield and concentration and scheme performance simulation

定量化的方案模拟可以覆盖绿地规划全过程，其中包括前期预评估、中期方案模拟和后期方案绩效模拟(图7)。前期通过建立规划前SWMM水文模型，模拟城市降水-产汇流空间分布，充分分析城市汇水区以及各子汇水区的产汇流量、产汇流空间分布及其影响因素，明确地域性城市产汇流基本特征及其分布规律；中期根据前期分析结果制定初步的规划设计方案，并通过方案模拟与方案调整，明确方案的有效性，并进一步优化方案绩效；后期通过双平台校验和实测数据的校验，获取真实有效的模拟结果并筛选最优规划方案。

3.2 城市水绿结构关系与作用机制分析

景观格局主要是指景观的空间格局，即一系列大小、形状、类型各异的景观要素在一定时空范围内的空间结构特征，是景观异质性的具体体现，也是各生态过程在不同尺度上作用的结果[10]。景观格局的变化和发展是自然过程和人为干扰等多种因素相互作用的综合反映，实现一定的生态功能需要相应的景观格局或结构的支持，并受景观格局结构特征的制约和影响，而景观格局的形成和发展也会受到景观功能或生态过程的影响。已形成的景观格局对生态过程具有控制作用，景观单元的内部过程在一定程度上决定单元的个体行为，而景观单元的空间组合则会影响景观的整体水平。景观格局一旦形成，构成景观的要素大小、形状、类型、数目及其结构特征对生态过程将产生直接或间接的影响，从而影响景观的功能。

景观格局指数是反映景观结构组成和空间配置特征的定量指标，因此城市绿地结构关系与作用机制分析依据景观格局分析方法，运用景观指数法和空间统计学方法分析绿地景观格局，在看似无序的复杂城市系统中发现潜在的绿地结构特征及其分布规律[10]。首先借助遥感技术(RS)提取城市下垫面与绿地斑块，初步分析城市下垫面分布特征；其次通过构建包括PLAND(斑块类型所占比例)、NP(斑块数量)、SHAPE(形状指数)、CAI(核心面积指数)、PROX(邻近指标)、FNN(功能最邻近距离)、AI(聚合度)、CONTAG(蔓延度)、DIVISION(分离度)等10余种斑块及景观类型指标的景观格局指数模型，运用景观指数法及空间统计法分析绿地景观的组成、类型、空间分布总体特征，并与城市降水-产汇流模拟相结合，分析两者的相互关系和绿地水文效应的作用机制，明确产生和控制城市水文过程的有效绿地格局指数及其作用强度(I)与权重(W)；最后基于以上分析结果指导城市绿地景观格局空间规划，通过借助PCSWMM、XPSWMM等水文模拟平台模拟景观格局方案的水文效应，进一步调整和优化规划方案，制定最优规划方案，从而实现水绿结构的耦合，引导城市绿地规划与结构布局(图8)。

3.3 基于算法模型的城市绿地格局数字化生成

现行的绿地规划已逐渐从传统的主观或被动式“见缝插绿”规划模式转向定性与定量相结合的多目标统一规划，在城市总体规划框架内，依据各区绿地规划指标，规划和布局各类绿地的位置、范围、面积等。一定程度上，缺少对绿地景观格局所形成的绿地组合和结构布局对于生态过程的综合考量。本研究针对绿地格局对水文过程的影响，从绿地格局整体的水文效益视角出发，构建绿地格局数字化生成的算法模型。

图8 基于景观格局的水绿结构关系分析与绿地景观格局规划流程Fig.8 Flow chart of analysis of water & green space structure relationship based on landscape pattern and green land landscape pattern planning

图9 基于算法模型的城市绿地格局数字化生成示意Fig.9 Schematic diagram of digitization generation of urban green land pattern based on algorithm model

绿地格局的数字化生成主要是通过建立绿地选址的算法模型，包括连续性绿地、离散型绿地与核心绿地3种形式的绿地选址。如公式(1)所示，通过设定预期的模型运算目标，如雨水径流控制率、积涝削减率、绿地雨水利用率、绿地覆盖率等，将有效发挥水文效应的绿地格局指数(潜力因子)与现状限制条件(限制因子)作为模型运算的规则，以生成能够实现设定目标的多种可能的绿地格局(图9)。其中有效发挥水文效应的绿地格局指数作为绿地格局生成的潜力因子，如绿地斑块比例、破碎度、形状指数、多样性指数等；现状限制条件作为绿地格局生成的限制因子，如城市总体规划、现状建筑分布、土地开发强度等。

式中，Pv为第v种可能的生成结果；Ai为第i种预期目标矩阵集合：

Ck为第k种潜力因子矩阵集合，

Lj为第j种限制因子矩阵集合，

Wi、Ek、Rj分别为不同指标因子的权重。

绿地格局数字化生成的算法模型的构建主要借鉴常用的选址算法模型，如遗传算法、蚁群算法、人工神经网络、元胞自动机等，通过机器学习掌握水绿耦合模型的内在规律与作用机制，优化算法的泛化能力以更好地适应绿地规划的应用情景。

3.4 双平台校验的水绿耦合绩效模拟与多方案比选

各类模拟技术与软件平台发展迅速，其中多数原理是通过调试参数或根据实测数据进行参数率定，使模拟结果更接近真实情况，但不排除各软件平台在不同运算模式和计算方法条件下的结果差异以及模拟过程的算法误差。与此同时，基于算法模型的绿地格局生成是基于一定条件限制下的随机过程，其结果受控制性因子以及因子权重的影响，生成结果数量可能多种甚至千万种，且不排除未达标或不合理的生成结果。因此在数字技术辅助下建立科学的双平台(SWMM + Civil 3D_SSA)校验技术，依据双平台运算原理和参数设置的一致性，对不同地理气候区的土壤入渗参数(土壤孔隙度、衰减系数等)、蒸发散参数、地表产流参数(超渗产流系数、蓄满产流系数、地表粗糙度等)、汇流参数(曼宁系数、流域宽度等)等相应的参数进行校验和率定，并对双平台的模拟结果进行相互校验和对比，避免单一平台的偶然性误差和模型参数设置对模拟结果的偶然性影响。通过方案绩效模拟的对比结果从众多生成结果中选择最优的水绿耦合度高的绿地规划方案。

4 数字技术引导下的绿地规划实践

数字技术辅助下的城市低影响开发绿地采用水文分析-结构模拟-布局规划-方案校验的规划思路，同样方法分别在城市总体、城市片区以及城市街区3种尺度条件下的低影响开发绿地规划中得到应用。

4.1 城市总体：南京河西新城低影响开发绿地规划研究

河西新城位于南京市区的西部，辖区内共包括7个街道。本次研究聚焦建邺区建成区域，东至秦淮河、西至长江、北至汉中门大街、南至江山大街，总面积为80.83km2。以南京市内涝较为严重的建邺区建成区为研究对象，在对内涝问题、成因梳理的基础上，对现有研究区绿地系统格局特征进行分析，利用景观格局指数对其进行描述，选取出5个与低影响开发效应关系较为密切的景观指数，分析绿地景观格局指数空间特征(图10)，包括斑块类型面积、斑块密度、景观破碎度、景观连接度和斑块内聚力指数。通过增加绿地斑块的连接性，并利用绿地减少交通道路与周边硬质场地之间的连通性，重构研究区域内绿地斑块和廊道的联系，依据不同类型绿地低影响开发效应差异制定多级优化的城市水绿复合系统策略[11]。

4.2 城市片区：盐城大丰市高新区低影响开发绿地规划

图10 南京建邺区河西新城绿地景观格局分析Fig.10 Analysis of the green land landscape lattern of Hexi new urban district, Jianye district, Nanjing

图11 大丰市高新技术开发区绿地规划(11-1)及建成影像(11-2)Fig.11 Green space planning (11-1) and completion image (11-2) of Dafeng hi-tech development zone

盐城大丰市高新区规划面积约30km2，目前已实施约15km2，东至大丰干河，西至五一河，南至二卯酉河，北至疏港路。规划在分析大丰市高新技术开发区现状水文、竖向基础上，梳理既有自然水系，根据水文计算适当开挖河湖沟渠、增加水面与绿地面积，充分发挥自然水系、绿地的存蓄水功能，构建水绿交融的绿色基础设施网络(图11)。水系在常水位时，水面总面积可达118万m2，利用自然水系可调蓄场地内约378万m2地表径流，降低了规划区内涝风险，同时增强了不同地块间的物质循环与能量流通。

由于大丰高新技术开发区是建筑在高盐碱土地上，原场地盐碱化严重。为了达到降碱的目的，以满足绿化栽植和植物生长的需要，规划通过人为调整竖向变化，在工程中大量采取了下凹式的河道、湖泊，并结合隔碱技术和雨水的淋溶，形成了自然降碱术，同时也形成了多达378万m2的下凹空间。一方面很好地起到了削减雨洪的效应，同时也有效地改良了土壤，降低了盐碱化程度，满足了植物的生长需求。规划后城市的主次干道均与河道相邻，大面积的绿网结合河网而生，实现了水绿的交互和渗透，具有高度的一致性。也鉴于此极具前瞻性的水绿规划模式，大丰高新区绿地格局连通性极佳，很好地实现了水与绿的耦合和交融(图12)。

4.3 城市街区：南京江宁上坊组团低影响开发绿地规划

项目地处南京上坊组团东南角，位于绕越高速公路以西、宁杭高速公路以东、文靖路以东、临麒路以南，总用地面积约3.66km2。通过构建水绿交融的低影响开发体系，整合城市的供排水系统，促进城市景观提升、生态环境改善，达到项目整体生态效益的最大化，最终实现社会及经济价值的综合提升。

基于对项目降雨、下垫面、地形、土壤等现状基地条件的分析，通过建立数字高程模型、暴雨洪水管理模型及景观空间模型，对片区竖向高程、用地布局和排水走向进行分析。结合项目建设的目标，提出片区海绵城市分区空间管控要求及指标体系，并对各地块进行规划和建设指引(图13)。通过合理组织地表径流和绿地布局，建构水绿耦合空间系统，并通过优化城市和地块排水系统，最大限度地发挥区域低影响开发系统的效益。同时，规划建立基于物联网和无线传感技术的、覆盖全片区范围的低影响开发绩效监测及展示系统，并对项目绩效进行实时监测，对相应工程措施及时提出反馈和指导。

5 结语

图12 大丰高新技术开发区水绿景观格局分析Fig.12 Analysis of water & green space landscape pattern of Dafeng hi-tech development zone

图13 南京江宁上坊组团绿地结构(13-1)、绿地布局(13-2)、规划设计(13-3)Fig.13 Green land structure (13-1), green land layout (13-2) and planning & design (13-3) of cluster development of Shangfang cluster, Jiangning district, Nanjing city

低影响开发目的在于使城市集水区具有拟自然水文循环的运作效应，在现有城市绿地空间架构下整合绿地蓄用水功能，实现低影响开发目标。城市绿地规划中不应再局限于单纯注重点线面的形态格局，而应在满足传统意义城市绿地功能基础上更多注重城市自然过程以及内在生态系统的优化，依托数字景观技术，通过量化分析、模型及模拟，确保城市绿地规划的科学性。通过提倡构建以“水绿交融”为基础、实现“水-绿-灰”协同作用的城市绿色生态基础设施网络，在充分保护利用既有自然或人工绿地生态单元基础上，根据城市绿地结构与分布关系，统筹降雨径流在城市中的分布，营造水绿交融的城市环境。

注：文中图片均由作者及成玉宁工作室绘制。