海綿城市建設研究進展與若干問題探討

崔廣柏,張其成，湛忠宇,陳　玥

(河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098)

海綿城市建設研究進展與若干問題探討

崔廣柏,張其成，湛忠宇,陳玥

(河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098)

摘要：針對當前海綿城市建設實踐大多局限于城市或研究區(qū)內(nèi)部,缺乏內(nèi)部與外部流域的統(tǒng)籌協(xié)調(diào),突出強調(diào)低影響開發(fā)建設,忽視了老城區(qū)硬質(zhì)化嚴重、改造難度大等問題,重點探討海綿城市與流域控制的相互關系以及流域控制的基本措施,簡要闡述海綿城市實施方案編制的主要步驟，認為海綿城市建設是多部門、多學科交叉的系統(tǒng)工程,應加強相關基礎理論研究與工程建設。

關鍵詞：海綿城市;流域控制;水系規(guī)劃

伴隨著國民經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,受氣候變化和人類活動雙重影響,我國出現(xiàn)了水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)退化3個主要水問題。城市地區(qū)是生活生產(chǎn)集聚地區(qū),水問題尤其突出，面臨嚴峻治水形勢。2014年4月,習近平總書記在關于保障水安全的重要講話中指出,要根據(jù)資源環(huán)境承載能力，構建科學合理的城鎮(zhèn)化布局;盡可能減少對自然的干擾和損害,節(jié)約利用土地、水、能源資源;解決城市缺水問題,必須順應自然,建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”。

海綿城市建設是在吸取國外先進雨水管理理念的基礎上,結合我國實際提出的城市治水新構想。國內(nèi)專家學者對海綿城市建設進行了積極探索。仇保興[1]系統(tǒng)闡述了海綿城市內(nèi)涵、發(fā)展途徑、前景展望等;王文亮等[2-3]分別從概念、雨水綜合調(diào)蓄等方面對《海綿城市建設指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建(試行》[4](以下簡稱《指南》)進行解讀。但當前對海綿城市建設的認識停留在城市尤其是試點區(qū)區(qū)域尺度,缺乏流域治水理念。流域與城市是總體和個體的關系,它們之間有著密切的聯(lián)系,流域控制是實現(xiàn)城市在雨水面前縮放自如的關鍵。筆者簡要介紹海綿城市建設國內(nèi)外研究進展,重點探討流域控制在海綿城市建設中的應用,并結合實踐提出幾點建議。

1海綿城市建設研究進展

1.1海綿城市概念

海綿城市是指城市能夠像海綿一樣,在適應環(huán)境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”,遇到降雨能就地或者就近吸收、存蓄、滲透、凈化、調(diào)節(jié)水循環(huán),需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用,讓城市變?yōu)槟軌蛭{雨水、過濾空氣、過濾污染物質(zhì)的超級大海綿,具有降溫、防洪、抗旱、捕碳等效益,從根本上解決城市阻絕水與生態(tài)的問題,邁向真正的生態(tài)與低碳城市。

在海綿城市概念問題上,存在對海綿城市與低影響開發(fā)之間的認識誤區(qū),簡單地認為海綿城市就是低影響開發(fā),混淆了廣義低影響開發(fā)與狹義低影響開發(fā)。一方面,《指南》指出海綿城市統(tǒng)籌低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)、雨水管渠系統(tǒng)和超標雨水系統(tǒng),因此低影響開發(fā)是海綿城市重要組成部分;另一方面,海綿城市注重保護與源頭控制,與低影響開發(fā)理念有著高度的契合,低影響開發(fā)是海綿城市的基本理念。

1.2國外研究進展

海綿城市的本質(zhì)是對雨水的管理,國外類似概念[5]有美國的低影響開發(fā)(LID)、澳大利亞的水敏感城市設計(WSUD)、英國的可持續(xù)排水(SUDS)等。低影響開發(fā)[6]主要提倡采用基于微觀尺度景觀控制的分散式小規(guī)模雨水處理設施,使區(qū)域開發(fā)后的水文特性與開發(fā)前基本一致,最大限度地降低區(qū)域開發(fā)對周圍生態(tài)環(huán)境的沖擊,建造出一個具有良好水文功能的場地。水敏感城市設計綜合考慮城市防洪、基礎設施設計、城市景觀、道路及排水系統(tǒng)和河道生態(tài)環(huán)境等,通過引入模擬自然水循環(huán)過程的城市防洪排水體系,實現(xiàn)城市發(fā)展和自然水環(huán)境的和諧共贏。英國采用可持續(xù)排水措施對地表水和地下水進行可持續(xù)式管理:排水渠道多樣化,避免傳統(tǒng)下水管道是唯一排水出口;排水設施兼顧過濾,減少排入河道的污染物;盡可能重復利用降雨等地表水?？梢?各國雨水管理側重點雖然不同,但基本內(nèi)涵和發(fā)展趨勢相近。水敏感城市設計視城市水循環(huán)為一個整體,將雨洪管理、供水和污水管理一體化,可持續(xù)排水則側重雨水徑流的源頭產(chǎn)生階段和收集階段?，F(xiàn)代雨水管理是一個復雜的系統(tǒng)工程,涉及多學科交叉領域,需要多專業(yè)、跨部門的配合,需要從水質(zhì)、水量、良性水循環(huán)系統(tǒng)和城市景觀、生態(tài)等進行整體考慮。

1.3國內(nèi)研究進展

國內(nèi)對海綿城市的研究主要分為理論研究和應用研究兩部分。理論研究方面,國內(nèi)學者集中研究低影響開發(fā),為我國海綿城市應用推廣奠定了基礎。李卓熹等[7-9]應用SWMM模型對單項或組合低影響開發(fā)措施在不同降雨條件下削減雨洪與面源污染的效果進行研究,結果表明,低影響開發(fā)措施在小強度短歷時降雨條件下效果較好,不同措施效果不一。但我國對低影響開發(fā)設施布局方案優(yōu)化研究較少。王虹等[10]提出海綿城市建設必需的水文控制指標體系概念,任心欣等[11]采用SWMM模型分析達到年徑流總量控制率的建筑與小區(qū)類低影響開發(fā)示范項目在各種降雨條件下的雨量徑流系數(shù),探討雨量徑流系數(shù)與年徑流總量控制率之間的內(nèi)在聯(lián)系。

應用研究方面,北京建筑工程學院城市雨水與水環(huán)境研究團隊與國內(nèi)景觀設計師、政府部門及開發(fā)商協(xié)作,把北京東方太陽城雨洪控制利用與水環(huán)境工程作為典型工程,把雨洪控制新理念和技術應用到項目的規(guī)劃設計中;嘉興市、深圳市光明新區(qū)則較早開展了低影響開發(fā)雨水綜合利用示范區(qū)的工作;南寧、武漢、池州等試點城市相繼發(fā)布《海綿城市規(guī)劃設計導則》,對本地海綿城市規(guī)劃設計提供技術指導;濟南試點方案從水系統(tǒng)、道路系統(tǒng)、綠地系統(tǒng)、建筑系統(tǒng)4大系統(tǒng)建設海綿城市;鎮(zhèn)江試點方案則突出河湖水體,提出構建大中小海綿體,彈性應對自然災害。

可見,我國在低影響開發(fā)研究與應用方面的工作開展得較早,取得了一定成績,但我國海綿城市建設理論與應用還在不斷摸索中,缺少完善的建設思路與技術體系來指導實踐。

2海綿城市建設要點

2.1建設思路

《指南》[4]指出海綿城市的建設途徑主要有以下幾方面:①對城市原有生態(tài)系統(tǒng)的保護;②生態(tài)恢復和修復;③低影響開發(fā)。筆者結合多年治水實踐,認為海綿城市建設應立足流域控制,分析城市在流域中位置,結合城市主要水問題,構建外圍水安全保障體系,在此基礎上,在城市內(nèi)部編制實施海綿城市建設方案。海綿城市建設方案應突出水系規(guī)劃,因地制宜設置不同的低影響開發(fā)措施,對排水管網(wǎng)提標改造,灰色與綠色基礎設施相結合,以彈性應對不同強度暴雨。

2.2流域控制

流域是一個完整的天然集水單元,城市與流域有著不可分割的聯(lián)系。流域控制是指以構建海綿城市外圍保障為目標,統(tǒng)籌考慮解決城市外圍流域內(nèi)防洪安全、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等問題,擺脫傳統(tǒng)“就水論水”、“就城市論城市”的單一模式。流域控制是海綿城市建設的基礎與支撐條件,是評價海綿城市試點工作的重要前提。海綿城市的源頭控制理念、系統(tǒng)論則為流域控制提供了新思路。

流域控制措施應以目標與現(xiàn)狀問題為導向,以低影響開發(fā)為基本理念,包括但不局限于傳統(tǒng)的水利工程。受山洪威脅的上游地區(qū)集雨面積大,洪峰瘦高,傳統(tǒng)治理多以截洪溝、截洪隧洞快排模式為主。有條件的地區(qū)可重點結合小流域綜合治理,開展上游滯蓄工程建設,如新建水庫山塘,實現(xiàn)雨水自然積存;中游則利用湖泊濕地等調(diào)蓄來水,實現(xiàn)雨洪資源的利用。平原河網(wǎng)地區(qū),水體流動性差,在管控水質(zhì)交接斷面的基礎上,科學應用水利工程調(diào)度,實施城市活水工程等修復城市海綿體的重要手段。

2.3城市內(nèi)部建設

城市內(nèi)部海綿城市建設主要指海綿體的保護、修復與新建。海綿體既包括河湖水系,也包括分布于綠地、道路、小區(qū)的低影響開發(fā)設施。

河湖水系是城市海綿體的骨架和重要組成部分,是城市資源、環(huán)境、生態(tài)、景觀的載體。城市發(fā)展過程中,對水系填埋、侵占,將嚴重影響其正常功能的發(fā)揮。內(nèi)部實施方案應把水系規(guī)劃擺在突出位置,加強河湖水系連通,因地制宜,綜合采用清淤、拓寬、連通等工程措施,形成蓄泄得當、豐枯互濟的水系格局;根據(jù)城市總體規(guī)劃的水面率要求對水體進行保護,根據(jù)河流水體功能重要性位置等因素,劃定藍線、綠線,并提出控制要求。

根據(jù)控制目標,結合匯水區(qū)特征和設施的主要功能,以及經(jīng)濟性、適用性、景觀效果等因素,靈活選取低影響開發(fā)設施。具體設計可參考《嘉興市低影響開發(fā)規(guī)劃設計導則》[12]。

建設海綿城市,彈性應對不同重現(xiàn)期降雨。我國城市開發(fā)強度大,單純依靠低影響開發(fā)工程,對低強度短歷時暴雨可以起到一定緩解內(nèi)澇作用,但隨著時間變長,對徑流總量、峰值的控制效果并不明顯,存在一定安全風險。因此，從內(nèi)澇防治、面源污染控制角度,結合我國國情,采用灰色基礎設施與綠色基礎設施相結合的模式,因地制宜采用雨污分流或者污染物截留的方式。全球氣候變化背景下,城市暴雨頻發(fā),可充分利用水體、下凹式廣場、道路等,應對更高重現(xiàn)期的暴雨,做好應急調(diào)度工作,保障人民生命財產(chǎn)安全。

3方案編制

3.1資料收集與分析

海綿城市建設與流域有著密切聯(lián)系,同時與區(qū)域特性關聯(lián)度極大,因此,要在收集流域地形、水系、水質(zhì)等資料的基礎上,充分收集研究區(qū)域的各項相關規(guī)劃和降雨、土壤、全年蒸發(fā)量等基礎數(shù)據(jù),分析降雨量、降雨場次、降雨總量之間的對應關系,掌握城市多年平均徑流總量控制率和降雨量之間的關系。

3.2確定目標

從經(jīng)濟社會發(fā)展、人民需求等角度,分析海綿城市建設的需求,研究海綿城市建設需要解決的重點問題。根據(jù)降雨情況和國家相關規(guī)定,確定海綿城市建設的近、中、遠期目標,尤其是年徑流總量控制率和年徑流污染削減率。本著示范先行、全面帶動的原則,根據(jù)建設的難易程度,識別海綿城市建設方向,提出建設要求。

3.3制定方案

從流域治水出發(fā),通過水系優(yōu)化調(diào)整,小流域綜合治理,水利工程調(diào)控等措施,實現(xiàn)流域控制。根據(jù)城市功能區(qū)劃和用地的空間分布,結合土壤、植被、河流分布情況和擬解決的重點問題,對海綿城市進行分區(qū)建設,并且針對每一個分區(qū)提出規(guī)劃建設指引。根據(jù)海綿城市建設的需求,提出用地空間的建議,并對道路交通、綠地系統(tǒng)和河流水系規(guī)劃提出相關建議,綜合應用不同措施應對不同重現(xiàn)期設計降雨。

3.4方案優(yōu)化

參考海綿城市評價標準,從科學性、可量化、經(jīng)濟性等原則出發(fā),建立海綿城市評價指標體系,對實施方案進行評價優(yōu)選;工程實施后,應根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對方案進行后評價,及時優(yōu)化調(diào)整海綿城市建設方案。低影響開發(fā)設施的規(guī)模應根據(jù)設計目標進行水文、水力計算,有條件的應通過模型模擬對設計方案進行綜合評估,并結合技術經(jīng)濟分析確定最優(yōu)方案。

4建議

海綿城市建設是多學科交叉、多部門協(xié)同治水的重要契機。在實踐過程中,既不能直接死搬硬套國外經(jīng)驗,更不能陷入單一部門單一學科治水的怪圈。海綿城市建設應在深刻理解概念的基礎上進行,流域是水的整體,是系統(tǒng)的概念,海綿城市建設不能脫離流域來談,否則失去理論支撐。我國海綿城市建設起步較晚,發(fā)展?jié)摿Υ?應重視以下研究：

a. 海綿城市建設的本質(zhì)是對雨水的管理,降雨直接影響低影響開發(fā)措施的設計,城市地區(qū)降雨時空分布具有高度復雜性,應重點加強相關基礎理論研究;

b. 我國城市水文站網(wǎng)建設相對滯后,為海綿城市建設帶來難度,水利部門應充分發(fā)揮在海綿城市建設中的主導作用,加快水文基礎站網(wǎng)建立,結合智慧城市建設,構建完善海綿城市建設數(shù)據(jù)庫;

c. 現(xiàn)有水文模型主要以評價小尺度低影響開發(fā)措施為主,海綿城市建設要選取徑流總量、徑流峰值、峰值時間、水質(zhì)等指標,加強分布式水文模型與城市排水模型的耦合,為方案優(yōu)化提供模型支撐;

d. 海綿城市建設涉及多部門、多學科,協(xié)調(diào)各部門專業(yè)規(guī)劃與海綿城市建設規(guī)劃,使低影響開發(fā)雨水設施與城市雨水管渠系統(tǒng)、超標雨水徑流排放系統(tǒng)有效銜接,真正實現(xiàn)“自然積存、自然滲透、自然凈化”。

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Research progress and discussion of sponge city construction

CUI Guangbo, ZHANG Qicheng, ZHAN Zhongyu, CHEN Yue

(CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：According to some problems of sponge city construction such as the practice of the construction of the sponge city is mostly confined to the city or the research area, lacking of co-ordination between internal and external drainage basins, overemphasizing low impact development, ignoring the fact of hardened city which is difficult to reform, this article focuses on the relationship between the sponge city and the watershed control as well as the basic measures of river basin control, and briefly expounds the main steps in the preparation of the implementation plan of the sponge city. It is considered that the construction of sponge city is a systematic project of multi branch and multi discipline,and related basic theory research and engineering construction should be strengthened.

Key words：sponge city; watershed control; water system planning

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.001

作者簡介:崔廣柏(1938—),男,教授,主要從事生態(tài)水文與水環(huán)境保護研究。 E-mail:gbcui@hhu.edu.cn

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0001-04

(收稿日期：2015-12-28編輯：彭桃英)