NOTEBOOK | 如何拯救下沉的城市？
Cover ：© Haizhan Zheng
课程主题 | 如何拯救下沉的城市？
讲者：宾夕法尼亚大学景观建筑硕士 - 梁伊纯
关键词：城市下沉，景观可渗透表面
记录者：刘思敏
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01
造成城市下沉的原因
a) 不完善的城市发展政策
城市人口剧烈增长， 居民的生活用水和工业用水从哪里来？如何有效利用现有水资源？相关部门并未将这些问题考虑清楚。
b) 地下水开采过度
除了利用河水，人们还钻深井去开采地下深处更为洁净的水源，导致了地下水开采过度。
c) 不渗水的道路铺装导致地下水补给不足
城市扩张，不渗水的地面铺装面积增大，阻碍雨水渗透到地下，地下水补给因此急剧下降，加速了城市下沉的速度。
d) 不完善的环境管理政策
当人们意识到城市下沉问题而想去弥补时，又由于环境管理政策的不完善，便直接抽取河水倒灌到地下。然而，这些被抽取的河水本身已经受到了一定程度的污染，因此在倒灌过程中也污染了浅层地下水源。
在有些地方，城市下沉导致了地下水层原有的孔隙被压实。因此，即使回灌了一定量的水，也只能起到防止地下水层被进一步压实的作用。想让城市反弹到原来的位置是不太可能的。
02
城市下沉与地下水匮乏所造成的危害
城市下沉会导致道路出现裂纹、使埋在地下的管道破裂等问题。雨水不能就低渗透导致的危害则会使城市低洼地区在暴雨时被淹没、雨水倒灌进地铁、周边湿地河流干涸甚至消失等。
■ 知识补充
为什么雨水不能就地渗透会导致城市周边河流消失？
答：河流、湖泊、湿地和地下水之间本应互相补给，此消彼涨。当地下水单方面缺失后，地表水系就没有了补充的来源。时间久了，该地周围的植物和生态群落也逐渐消失，或演变成其他群落。
对沿海城市而言，其大部分地区处于平原，沿海城市下沉与全球变暖造成的海平面上升同时发生使其不仅有被淹没的风险，还有被海浪冲击的风险。此外，沿海城市的地下淡水层也会因此被海水侵蚀，变成盐水，导致无法饮用。
sea level rise, land subsidence and bathymetric change in the coastal areas of Shanghai
03
大型水资源回灌工程案例
加压注射回灌法
地下水过度开采是全球问题。过去十几年里，人们通过各种人工方法把水回灌到地下。其中一个方法是通过加压注射的方式把自来水向地下回灌。注入的水在地下会先形成波状，水随着时间慢慢扩散，地下水位逐渐趋于平缓。政策上，通过限制地下水开采量，使其少于回灌水量。然而，这个方法不但消耗大量水资源，而且比较昂贵。
Central Arizona Project
美国亚利桑那州
Central Arizona Project
二战后，开采地下水技术大幅提升，导致了相当严重的过度开采问题，引发了该地一系列危机。Centre Arizona Project因此出台，以应对这些问题。该项目通过水泵、运河管道和虹吸系统，把科罗拉多的河水调到亚利桑那州中南部。这是一个非常宏大的运水工程，全长542千米，工程价格高昂，导致其水费大大高于直接抽取地下水，因此很多农民并不乐意使用这个项工程调过来的水。结果，该工程的利用一直处于不饱和状态。此外，运河传送水会产生蒸发损失，所以此项目并不是一个资源可持续性做法。
Tonopah Desert Project
美国亚利桑那州
这是一个全自动化的大型渗透水池回灌地下水项目，水以每天至少1米的速度渗透到地下。此项目渗透速度快，所以产生的蒸发损失少。该项目位于亚利桑那州一荒无人烟处，因此有地域特殊性，不适用于其他土地资源紧张的地方。
San Antonio Water System
美国德克萨斯州
圣安东尼奥是美国德洲的一个城市，属于半干燥气候，坐落在水质非常好的爱德华含水层上。该含水层分为3个区域：
Drainage Zone
水流沿着地势往南汇集
Recharge Zone
地表水可快速渗透到地下，补充含水层。此区域非常重要，不能受到一点污染，因此出台了很多政策，限制和阻止城市往这个区域发展。Recharge zone区域边缘树立了很多标示以对路人进行提示。
Artesian Zone
这是一个内部有压力的含水层。城市中心区域有很多天然泉眼，成为了溪流的源头。
圣安东尼奥市政府为了保护爱德华含水层珍贵而有限的水资源，便从其他地方买水过来。这些水通过地下管道运输，因此也减小了蒸发导致的浪费。同时，该市也使用海水净化、地表水水源以及再生水源（净化后的生活和工业用水）。
Los Angeles River
美国洛杉矶
为了遏制洪水，洛杉矶河被渠化。河岸坡度因此变得很大，且与城市有一段高差，水流经这条河流无法渗透到地下，而是径直沿着河道被排向了太平洋。被排入太平洋的水量之大，对一个干旱的城市来说是一个很大的损失。洛杉矶河改造项目由此被提出。
结合以上几个例子来看，当一个地区水资源有限，而城市又必须要发展，同时还面临人口逐渐增长的趋势时，该地的用水压力就会被转移到周边小型城市或郊区。但即使该地用水问题被解决，其他地方也会产生同样的问题。
04
虚拟水资源农产品、畜牧业产品、工业用水在生产过程里会消耗大量水资源。虚拟水进口指不直接把水从其他地方调度过来，而是去买其他地方生产的产品。这样一来，就为本地节约了产品生产所要消耗的水资源。
下图显示了国内几个城市虚拟水资源的流出。可见，虚拟水大量流入了东部沿海城市，而黑龙江、新疆等地有大量虚拟水的流出。
以下是新疆阿克苏和吐鲁番之间一片区域的卫星图，左上角小图显示此地沙漠覆盖率大，绿色占比很小。右上角为放大的地图，可见绿色区域多数已成为农业板块，用于种植相当耗费水源的水果和棉花，增加了这片区域的用水压力，因此，越来越多的人开始呼吁使用本地产的有机食物，有助于减少碳足迹，也利于减小虚拟水资源的争夺。
05
通过景观手法应对地面下沉问题
若用可渗透的景观表面， 便可以形成被动式回灌水资源的方法，从长期来看是经济的。不同于工程回灌方式需要另找水源，景观方法可以利用本来就会对城市造成破坏而又同时被浪费掉的雨水和洪水资源，可谓一举两得。
可渗透表面基本上可分成透水铺装和透水景观界面。如果它们是零星地分布在城市，虽然能解决局部的问题，但对城市地下庞大的含水层产生的作用还是微小的，因此需要在城市层面上对这个系统进行完整的规划。小到改变街道样子或城市屋顶，大到改变用地性质来形成更系统的绿色网流。以下介绍几个通过景观方式回灌水资源的案例。
洛杉矶城市雨水回灌项目
Reference: Hadley and Peter Arnold, Pivot:
Reconceiving Water Scarcity as Design Opportunity-Mapping a more absorbent landscape.
Namba Park
大阪绿色屋顶
绿色屋顶可以附加在已经建好的房顶上，提供收集雨水的生态作用。也可以放在新建筑上，给拥挤的城市提供更多休闲空间。大板Namba Park就是一个建筑与屋顶花园完美结合的例子。设计本身从自然获得灵感，用体验创造场所。整个建筑成阶梯状，站在入口看，就感觉像是建筑背后有一大片森林。屋顶花园除了有蓄积地下水的作用，也提升了城市视觉感受和审美体验。
Staten Island Bluebelt
纽约湿地修复项目
纽约Staten Island地下水水位较高，城市的发展又占用了自然溪流系统，因此导致每年冬天和春天都会有洪水流经新开发的区域。Staten Island由于在开发住宅区时没有安排下水道，因此用的是住宅区化粪池系统。当住宅废水和洪水混在一起时，下水道异味在湖泊湿地中弥漫，引起群众极端不满和抗议。人们同时也认识到这里有丰富的自然资源和动物需要受到保护。而最好的保护方式便是将自然与人居环境结合起来。因而，以自然溪流湿地系统作为雨虹疏泄渠道的想法就此产生。该想法不仅能解决洪水问题，也能给自然生物提供大量的生态栖息地。The Bluebelt项目就实施。此项目以确定几个重要的溪流流域开始，至1993年，The Bluebelt已经包含19条溪流廊道，泄洪能力覆盖了1/3的岛。
下图显示的时在社区尺度上，湿地系统如何与人们的居住环境相结合：
“蓝带”洪涝调蓄流程
可见，房子距离湿地系统很近。当地的雨水和洪水直接被排到附近的池塘，再流经人工湿地，最后沿着蜿蜒的溪流被排向下游。湿地除了能净化水源，也涵养了当地的生态。大部分的溪流被恢复成了比较自然的状态。
bluebeltmill creek
这个项目经济好处是不需要建设人工排水系统，省去了后期维修的费用。水系中也不需要建设新的马路，因此省下了新建道路的费用。生态好处则是限制了城市发展的密度，保护了溪流的完整性。
Kushiro Wetland
--- 日本最大湿地修复项目
Kushiro Wetland
该地位于北海道北部，降雨量大，附近山坡上的树木被砍伐后，土壤被雨水冲刷，沉积到了湿地中，外来物种也因此被带到了湿地。由此，湿地产生了退化，有些地方还长出了灌木。为了保护湿地特有的生态价值，当地政府、非盈利组织、市民等组织起来，在2003年成立了湿地修复行动。他们收回了周围农田，清理湿地上的入侵物种，在山坡上建设人工落树林来稳固山坡，防止土壤被冲刷到湿地里，还对蜿蜒的河道进行修复。同时也对湿地进行定期维护，使其逐渐演变成像天然林一样可以自然更新的树林。此外，由于日本较重视对孩子的自然教育，因此会经常让附近学校的学生参与到湿地修复。
06
上海应该如何应对城市下沉问题？
上海的洪涝问题
对比以下两张卫星图可以发现，在短短十几年中，上海的城市面积扩大了十几倍，可以想象人口和各种用水需求对应也发生了剧烈增长。城市地下水开采占上海城市地面下成原因的70%。又由于上海所处的长江三角洲土质较软，摩天大楼鳞次栉比，在气候变暖的环境中，地面下沉问题加剧。
自2009起，上海沿海一带开始修筑堤坝来防风浪潮。这种规划的背后是巨额投资和劳动力，而且项目的刚性结构不具有弹性，面对大海啸时将不堪一击。
Yangtze River Delta Project
上海地下水的开采现状
上海共有5个含水层，下图不同颜色代表了地下水开采的不同程度。可见，市中心及北侧开采最严重。第2层含水层开采较多，第3和第4层开采则较少。
第2层由于地表水回灌污染的问题，因此水质不佳，后期开采量较少。 后期开采较多的是第3和第4层的深层水源。第4层的开采主要集中在市中心及其北部。第3层的开采除了市中心及其北部，还包括了郊区，这样可以缓解市中心下沉严重，不过由此也导致了郊区的一些问题。
为了探讨能否把城市洪涝和用水短缺问题统筹解决，就需要根据城市的用地类型、城市表面类型和密度进行分类，然后结合集中景观透水界面的类型应用到城市中。从以下上海城市2017-2035规划图可以看到，城市在未来将会成为主城区和多个分中心。郊区以农业和零散工业为主。
景观手法应对地面下沉的具体应用
a.上海高密度地区
城市表面主要被楼房和街道覆盖。可以应用可渗水表面以透水铺装为主，结合一些生态草沟、雨水花园、绿色屋顶和蓄水池。高速公路两边被雨水冲刷后常有污染问题，所以在高速路两边可以搭配生态草沟或湿地净化来解决。
城市中的透水铺装主要包括人行道、停车场、马路等。雨水先渗透到景观里，再通过地下导管统一汇集到附近相对大一点的雨水花园里进行进一步净化，最后渗透到地下水层面。
b.上海郊区
农作物对水的需求量较大，雨水渗透会产生损失，在出现洪涝时也容易把农药冲刷到河里，污染地下水。因此建议退耕这里的有些农田，改成湿地或树林。
c.夹杂在农业中的工业群落
工业废水的危害比农业还大，因此这些地方需要建造湿地来防治水污染，也需要对工业废水有更多的规划。
d.限制城市发展
上海整个城市较平坦，没什么能限制城市发展的自然障碍，在经济利益的驱使下，城市扩张无法避免。上海人口数量在1975 - 2015年间翻了近3倍。城市发展如果没有限制，就会不断侵蚀周围的土地。
现在上海郊区占地较多的用地类型是农田。当农田土质退化，变得无法耕种以后，由于无法耕种的土地本身没有什么价值，那么此时这片土地就很容易被城市扩张所取代。但如果把废弃的农田转化为大面积的湿地，实现雨洪，生态涵养，和休闲等多重作用，此地的价值就能得到提升。不会被用于城市开发，也就限制了城市发展。
现在郊区比较多的是农田，在农田土质变差，变得无法耕种以后，此时这片土地就很容易被城市扩张所取代，因为无法耕种的土地本身没有什么价值。但如果把废弃的农田转化为大面积的湿地，实现缓解雨洪、生态涵养和休闲等多重作用，此地的价值就能得到提升，不会被用于城市开发，也就限制了城市发展。农业用地的减少可促使发展垂直农业，提高空间利用效率。
Sunqiao Urban Agricultural District | © Sasaki
那么，城市中需要多少景观可渗透表面才可以达到缓解地下水短缺，去应对城市下沉的目的呢？
下图显示的是世界不同城市的人均绿地使用率。世界卫生组织建议城市中人均绿地使用面积不小于9平方米。按上海的现有人口数，乘以世界卫生组织建议的人均9平方米绿地使用面积，再乘以上海年均降雨量1.1米，可以得到将近2亿多立方米的雨水量，大大高出上海市规定每年必须回灌到地下的水量只有23,000,000立方米。
课程回顾
讲者
梁伊纯
宾夕法尼亚大学景观建筑硕士 - 梁伊纯
工作经历
HMWhite Landscape Architecture，Mia Lehrer Associates，Balmori Associates，北京本色营造景观设计，唐健人景观建筑都市设计事务所
个人经历
毕业于宾夕法尼亚大学3年景观建筑项目，期间Growing Landfills获得Van Allen Scholarship Finalist， 毕业项目The Interplay被选参加一个月的毕业展。在HMWhite景观事务所参与竞赛Dubai Creek Harbour及若干次城市项目。
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编辑：刘思敏
排版：Designable小助手
文中图片由梁伊纯老师提供，部分图片来源于网络