我國海綿城市建設(shè)中的水科學(xué)難題

左其亭

(1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州　450001; 2.鄭州大學(xué)水科學(xué)研究中心,河南 鄭州　450001)

?

我國海綿城市建設(shè)中的水科學(xué)難題

左其亭1,2

(1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州450001; 2.鄭州大學(xué)水科學(xué)研究中心,河南 鄭州450001)

摘要：在總結(jié)我國海綿城市建設(shè)實(shí)踐和相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,分析海綿城市建設(shè)提出的背景和承載的期望以及可能存在的問題,從水科學(xué)學(xué)科體系的10個方面(水文學(xué)、水資源、水環(huán)境、水安全、水工程、水經(jīng)濟(jì)、水法律、水文化、水信息、水教育),闡述水科學(xué)在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用和海綿城市建設(shè)中可能遇到的6方面水科學(xué)難題:海綿城市建設(shè)水文效應(yīng)與水系統(tǒng)模型、水資源高效利用機(jī)理及方案優(yōu)選、面源污染物通過土壤滲慮消減機(jī)理及效應(yīng)、“滲、蓄、滯”作用機(jī)理與城市雨洪計(jì)算、水安全風(fēng)險(xiǎn)管控及適應(yīng)機(jī)制、水管理體系研究,并初步提出這些難題的解決途徑,旨在為海綿城市建設(shè)的研究和實(shí)施提供參考。

關(guān)鍵詞：海綿城市;海綿城市建設(shè);水科學(xué);水系統(tǒng)

快速城市化帶來了一系列問題,產(chǎn)生了環(huán)境污染、水旱災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)退化等資源與環(huán)境問題。如何采取措施來減小快速城市化對資源與環(huán)境的影響, 20世紀(jì)90年代國外提出了“低影響開發(fā)”(low impact development,LID)。針對城市建設(shè)改變了原先的陸面系統(tǒng),水循環(huán)路徑發(fā)生較大的變化,雨水下滲量減少，地表徑流增加，洪水洪量增加，洪峰形成時間縮短,頻繁出現(xiàn)“城市看海”現(xiàn)象,我國提出了海綿城市建設(shè),即把城市建成像“海綿”一樣的區(qū)域,下雨時能及時吸水、蓄水、滲水,雨期過后又能將蓄存的水“釋放”并加以利用,增加下滲水量、減少洪量、延遲洪峰形成時間,有利于城市雨水利用、地下水補(bǔ)給和防洪除澇。2013年12月12日,習(xí)近平總書記講話中強(qiáng)調(diào)建設(shè)海綿城市之后,我國很快出臺了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》[1],接著在2015年10月國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》,我國掀起了海綿城市建設(shè)的熱潮。

我國學(xué)術(shù)界關(guān)于海綿城市建設(shè)的研究是從近幾年開始的。筆者于2016年5月20日從中國知網(wǎng)上查閱,以“海綿城市”為題目的文獻(xiàn),2011年只有一篇文章基于“生態(tài)海綿城市”的相關(guān)研究[2],2012年也只有一篇文章,提出構(gòu)建“城市綠色海綿”[3],2013年只在報(bào)紙上一篇報(bào)道中提到“海綿城市值得期待”[4]。到2014年文獻(xiàn)上升到30多篇,但多數(shù)還是報(bào)紙上的新聞報(bào)道,學(xué)術(shù)性研究成果仍較少。到2015年迅速上升到750多篇,如,鞠茂森[5]對海綿城市建設(shè)理念、技術(shù)和政策問題的理論分析和討論,張亞梅等[6]對海綿城市建設(shè)與城市水土保持的分析和研究,車伍等[7-10]對海綿城市建設(shè)指南的多個關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行了深入的解讀和分析;廖朝軒等[11]研究了國外雨水管理對我國海綿城市建設(shè)的啟示,崔廣柏等[12]系統(tǒng)總結(jié)了海綿城市建設(shè)的研究進(jìn)展,并探討了關(guān)鍵問題。從這些文獻(xiàn)來看,對海綿城市概念、理念、某些具體做法的探討較多,海綿城市建設(shè)的許多問題仍有待深度研究。

海綿城市建設(shè)的根本點(diǎn)是“水”,是在水上做文章。因此,研究海綿城市的水科學(xué)問題是很重要的。筆者基于水科學(xué)的全局角度,闡述水科學(xué)各個分支學(xué)科在海綿城市建設(shè)中應(yīng)用的必要性、可行性,分析海綿城市建設(shè)中可能遇到的水科學(xué)難題,并提出問題解決途徑,目的是想說明在海綿城市建設(shè)中應(yīng)從水科學(xué)全局出發(fā),系統(tǒng)考慮,在看到海綿城市好處的同時，也要看到其存在的問題,在建設(shè)海綿城市中加強(qiáng)對水科學(xué)問題的深度研究。

1　我國海綿城市建設(shè)提出的背景與承載的期望

1.1提出的背景

a. 城市擴(kuò)張導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害問題越來越突出,建設(shè)海綿城市成為破解這一困境的選擇。在國外20世紀(jì)90年代提出的LID理念,其最初的出發(fā)點(diǎn)或目的是應(yīng)對城市暴雨和面源污染。隨著城市化的發(fā)展,城市規(guī)模越來越大,帶來的城市洪水問題越來越突出,“暴雨一來,城市看?！爆F(xiàn)象屢見不鮮。也就是在這一背景下,人們把目光聚焦到海綿城市建設(shè)。至于海綿城市建設(shè)是否能完全解決城市洪水問題,還需不斷探索。

b. 為了盡量減少城市建設(shè)對自然水系統(tǒng)的影響,建設(shè)具有“水系統(tǒng)自然積存、自然滲透、自然凈化”功能的海綿城市是出路。自古以來,城市都是人類集聚區(qū),也是人類活動最強(qiáng)烈的地區(qū),對地表下墊面甚至地下空間的改造都很強(qiáng)烈。特別是現(xiàn)代城市建設(shè),對地表的占用和改造、對地下空間的挖掘與利用,都與日俱增，這樣就在很大程度上對自然水系統(tǒng)產(chǎn)生影響。為了追求近自然的目標(biāo),按照開發(fā)前的水系統(tǒng)功能來引導(dǎo)城市建設(shè),這就是海綿城市建設(shè)的精髓。

c. 城市面源污染集中且嚴(yán)重,為了治理城市面源污染,保護(hù)水環(huán)境,需要先進(jìn)的治理理念,其中海綿城市建設(shè)是途徑之一。海綿城市建設(shè)的思路是,從地表、地下,從源頭、過程、末端,從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理,從建筑、小區(qū)、道路、廣場、公園、綠地、用水、排水全覆蓋,系統(tǒng)治理城市水系統(tǒng),包括治理面源污染,保護(hù)地表、地下水環(huán)境。這既是環(huán)境保護(hù)的需要,也是城市生態(tài)文明建設(shè)的需要。

1.2承載的期望

a. 提高城市防洪能力。希望城市像“海綿”一樣,將雨水下滲、滯蓄、徑流外排,從而降低洪峰流量，延遲洪峰到達(dá)時間，提高防洪能力。

b. 解決面源污染問題。通過生態(tài)系統(tǒng)建設(shè),綜合運(yùn)用物理、生物和生態(tài)作用,在“海綿體”下滲、滯蓄的過程中,降解污染物,起到凈化水質(zhì)的作用。

c. 回歸自然水功能。建設(shè)具有“水系統(tǒng)自然積存、自然滲透、自然凈化功能”的海綿城市,通過人工措施來彌補(bǔ)城市區(qū)高強(qiáng)度人類活動帶來的水系統(tǒng)功能的改變,使水系統(tǒng)回歸自然水功能。

2　水科學(xué)體系及其在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用

2.1水科學(xué)體系介紹

“水科學(xué)”是最近20年來出現(xiàn)頻率很高的一個詞,但對水科學(xué)一詞的界定和認(rèn)識存在很多觀點(diǎn),也有很多文獻(xiàn)進(jìn)行討論,文獻(xiàn)[13]對水科學(xué)研究范疇進(jìn)行了一些初步梳理和評述,定義了水科學(xué)的概念及研究范疇,總結(jié)了水科學(xué)體系包括相互交叉的10個方面,即水文學(xué)、水資源、水環(huán)境、水安全、水工程、水經(jīng)濟(jì)、水法律、水文化、水信息、水教育。此外,為了系統(tǒng)總結(jié)這10個方面的水科學(xué)研究進(jìn)展,筆者主持的撰寫團(tuán)隊(duì)擬兩年發(fā)布一本水科學(xué)研究進(jìn)展報(bào)告,其中在文獻(xiàn)[14-15]中已對我國2011—2012年、2013—2014年的水科學(xué)研究狀況進(jìn)行了總結(jié)。

2.2水科學(xué)體系在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用

筆者根據(jù)對水科學(xué)10個方面的理解,闡述水科學(xué)在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用,見圖1。

圖1　水科學(xué)在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用框架

a. 水文學(xué)。海綿城市建設(shè)的根本點(diǎn)是“水”,必然涉及水循環(huán)問題的研究,因此加強(qiáng)城市水文學(xué)研究非常必要,如研究城市高強(qiáng)度人類活動區(qū)水循環(huán)機(jī)理和模型、城市化水文效應(yīng)、城市水文分析與計(jì)算、洪水計(jì)算、城市尺度高精度水文預(yù)報(bào)、生態(tài)水文過程和模型等。

b. 水資源。海綿城市建設(shè)的重要目標(biāo)之一是解決城市水資源開發(fā)、利用和保護(hù)問題,涉及水資源的高效利用、有效保護(hù)等基礎(chǔ)科學(xué)問題,因此應(yīng)高度重視城市水資源的研究工作,如研究海綿城市建設(shè)引起的水資源變化規(guī)律與水系統(tǒng)模型、水資源高效利用途徑、非常規(guī)水利用、最嚴(yán)格水資源管理、人水和諧調(diào)控、水資源優(yōu)化配置等。

c. 水環(huán)境。海綿城市建設(shè)的重要目標(biāo)之一是解決城市面源污染問題。保護(hù)水環(huán)境,涉及高強(qiáng)度人類活動區(qū)水污染機(jī)理、水質(zhì)運(yùn)移規(guī)律和模擬、水污染處理、水生態(tài)修復(fù)和保護(hù)等,因此應(yīng)高度重視城市水環(huán)境的研究工作,如研究海綿城市建設(shè)引起的水環(huán)境變化機(jī)理與水質(zhì)模型、海綿城市建設(shè)的水環(huán)境效應(yīng)、水環(huán)境調(diào)查和評價、污染物總量控制及其分配、水污染防治、水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)、生態(tài)需水量計(jì)算與保障等。

d. 水安全。海綿城市建設(shè)不能危及水安全,包括水資源安全、水環(huán)境安全、水生態(tài)安全、水工程安全、供水保障安全、洪澇防御安全,而應(yīng)該在一定程度上提升城市水安全保障能力,因此應(yīng)高度重視城市水安全的研究工作,如研究城市洪水、干旱、污染的危害機(jī)理及安全調(diào)控、水安全保障能力提升建設(shè)等。

e. 水工程。海綿城市建設(shè)包括一系列大規(guī)模的工程建設(shè),其中包括水工程建設(shè)項(xiàng)目,涉及水工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理的許多方面,因此應(yīng)高度重視城市水工程的研究工作,如與海綿城市建設(shè)相聯(lián)系的河流治理工程、雨水收集與利用工程、污水收集處理和回用工程、河湖水系連通工程等的方案論證、工程建設(shè)順序、工程調(diào)度、運(yùn)行管理等。

f. 水經(jīng)濟(jì)。海綿城市建設(shè)必然要涉及大規(guī)模的建設(shè)投資、經(jīng)濟(jì)分析、財(cái)務(wù)管理等,因此應(yīng)高度重視城市水經(jīng)濟(jì)的研究工作。海綿城市建設(shè)中的經(jīng)濟(jì)學(xué)問題有:水資源-經(jīng)濟(jì)-社會-生態(tài)環(huán)境綜合效益的評估、投融資途徑、財(cái)務(wù)型投入產(chǎn)出模型、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式和模式、水價水權(quán)及水市場等。

g. 水法律。海綿城市建設(shè)是一項(xiàng)制度性、政策性很強(qiáng)的工作,涉及很多單位和個人,特別是在目前依法治國施政理念下,需要有一套新的城市建設(shè)法律作保障,因此應(yīng)高度重視城市水法律的研究工作,如水權(quán)制度、生態(tài)需水保障制度、涉水生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制、水事糾紛處理機(jī)制等。

h. 水文化。海綿城市建設(shè)是對城市文化、水文化的傳承和創(chuàng)新,是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分,涉及水文化的挖掘、傳承、保護(hù)和建設(shè),因此應(yīng)高度重視城市水文化的研究工作,如海綿城市建設(shè)文化傳承、工程建設(shè)文化底蘊(yùn)挖掘、水文化旅游點(diǎn)開發(fā)等。

i. 水信息。海綿城市建設(shè)需要大量信息、海量數(shù)據(jù),必須基于信息系統(tǒng)建設(shè)、智慧城市建設(shè),以龐大的系統(tǒng)管理平臺為支撐,因此高度重視城市水信息的研究工作,開展水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模擬與預(yù)報(bào)、洪災(zāi)監(jiān)測與預(yù)警等方面研究。

j. 水教育。海綿城市建設(shè)涉及城市的每一個人,因此應(yīng)高度重視城市水教育的研究工作,開展城市水情教育,包括水危機(jī)認(rèn)識、技術(shù)培訓(xùn)、涉水宣傳等。

3　海綿城市建設(shè)中的水科學(xué)難題及研究途徑

海綿城市建設(shè)的根本點(diǎn)是“水”,期望通過海綿城市建設(shè)解決城市洪水、面源污染問題,回歸自然水功能,可能會遇到一些水科學(xué)難題。

3.1海綿城市建設(shè)水文效應(yīng)與水系統(tǒng)模型

城市人工改造力度巨大,可以說,幾乎城市區(qū)范圍內(nèi)的自然系統(tǒng)完全控制在人為活動管控之下,再加上目前推行的海綿城市建設(shè),自然水循環(huán)路徑改變更大。這些人工改造導(dǎo)致水文過程極其復(fù)雜,必須把人類活動與水循環(huán)過程完全耦合一起進(jìn)行研究。海綿城市建設(shè)涉及許多具體小單元(如房屋頂、集雨綠地),只能采用小尺度、微觀尺度進(jìn)行模擬計(jì)算。以往的大尺度、自然水系統(tǒng)演變過程模擬模型的應(yīng)用大大受到限制,甚至不能使用,因此需要發(fā)展小尺度或微觀尺度的水系統(tǒng)模型。目前這方面研究顯然不足。

從這一難題可以看出,核心點(diǎn)是由于人類活動的加劇、研究區(qū)人工化、研究單元小尺度化，因此,要科學(xué)揭示海綿城市建設(shè)水文效應(yīng),就必須更加細(xì)致、更加注重微觀水循環(huán)變化和機(jī)理。研究途徑有兩大方向:一是加強(qiáng)城市水文學(xué)實(shí)驗(yàn)與機(jī)理研究;二是加強(qiáng)小尺度或微觀尺度水系統(tǒng)模擬研究。無論是實(shí)驗(yàn)研究還是模擬研究,都必須特別關(guān)注各種具體的人類活動及其對水系統(tǒng)方方面面的影響、人類活動與水循環(huán)交織在一起的水系統(tǒng)耦合過程。構(gòu)建的水系統(tǒng)模型應(yīng)該是一個分布式的、人類活動過程與水循環(huán)過程耦合一起并考慮小單元水力學(xué)方程的復(fù)雜、精細(xì)、小尺度或微觀尺度模型。模型研究需要基于微觀尺度水文實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)方程和參數(shù),需要基于智慧城市的大數(shù)據(jù)和系統(tǒng)平臺,需要定量表達(dá)高強(qiáng)度人類活動下的水動力學(xué)方程。這一難題主要涉及水文學(xué)范疇,也部分涉及水工程、水經(jīng)濟(jì)、水信息范疇。

3.2水資源高效利用機(jī)理及方案優(yōu)選

在說明海綿城市的優(yōu)點(diǎn)時,人們會用一些常識性的描述來說明海綿城市建設(shè)促進(jìn)水資源高效利用，如,由于城市化導(dǎo)致硬化地面增加,雨水下滲減少,易形成徑流流出城區(qū);在建設(shè)海綿城市后,增加了雨水下滲,把雨水留下來,既增加了土壤水、地下水的補(bǔ)給量,又減少形成城市雨洪的風(fēng)險(xiǎn)。而實(shí)際上并非這么簡單,不同地區(qū)、不同尺度，可能會得出不同的結(jié)論。如,有些地區(qū)地下水埋深淺,雨水滲不下去;即使?jié)B下去,也會導(dǎo)致地下水位過高,并不適合增加雨水下滲。對于適宜建海綿城市的地區(qū),情況也不那么簡單,可以這樣定性分析:雨水留下來,增加了土壤水補(bǔ)給量和低洼處水面面積,帶來蒸發(fā)量增加,地表徑流和地下徑流總量減少。為了說明水資源高效利用問題,需要對海綿城市建設(shè)帶來水資源量的變化和利用效率進(jìn)行研究,在此基礎(chǔ)上論證水資源高效開發(fā)利用方案。而目前關(guān)于這方面的研究仍不足。

從這一難題可以看出,核心點(diǎn)是海綿城市建設(shè)帶來的水資源轉(zhuǎn)化關(guān)系更加復(fù)雜。研究這一難題有兩個途徑:一是基于城市水文學(xué)實(shí)驗(yàn)和小尺度或微觀尺度水系統(tǒng)模型,研究水資源高效利用機(jī)理;二是基于小尺度或微觀尺度水系統(tǒng)模型,構(gòu)建水資源高效利用方案優(yōu)選模型,研究水資源高效利用途徑。需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)是在復(fù)雜的水系統(tǒng)和豐富多彩的人類活動作用下水資源高效利用方案優(yōu)選技術(shù)。這一難題主要涉及水資源、水文學(xué)范疇,也部分涉及水工程、水經(jīng)濟(jì)、水信息范疇。

3.3面源污染物通過土壤滲慮消減機(jī)理及效應(yīng)

海綿城市對雨水的凈化功能包括土壤滲慮凈化、人工濕地凈化、生物處理。后兩個功能在海綿城市建設(shè)之前都存在,人工濕地有凈化水質(zhì)功能,可以通過生物處理技術(shù)進(jìn)行污染物處理。而第一個功能“土壤滲慮凈化”效果如何,機(jī)理不清。有些污染物,如有機(jī)質(zhì),可能會被土壤中的微生物所降解;有些污染物,如重金屬,不可能被降解。如果污染物在下滲過程中不被土壤降解,就沒有減少污染物總量,只是把污染物轉(zhuǎn)移到土壤中或滲入地下水中,并沒有起到凈化的作用,而且使未來土壤或地下水污染治理更加困難。因此,在海綿城市建設(shè)中,首先要摸清楚面源污染物通過土壤滲慮消減的機(jī)理以及土壤滲慮和地下水質(zhì)變化的效應(yīng),在此基礎(chǔ)上研究土壤、地下水污染治理問題。而目前關(guān)于這方面的研究不夠深入。

從這一難題可以看出,核心點(diǎn)是由于海綿城市建設(shè)導(dǎo)致雨水下滲增加,帶動面源污染物通過土壤下滲,需要分析面源污染物通過土壤滲慮是否消減的機(jī)理。研究這一難題需要從3方面進(jìn)行研究:①通過大量的實(shí)驗(yàn)和分析,研究面源污染物通過土壤滲慮的過程和變化機(jī)理;②海綿城市建設(shè)帶來面源污染物通過土壤滲慮變化的定量模擬,分析海綿城市建設(shè)前后污染物總量的變化大小;③ 如果存在土壤和地下水被污染的風(fēng)險(xiǎn),必須尋找應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)的治理措施。實(shí)際上,目前對這一過程的機(jī)理認(rèn)識還不清晰,定量模擬的難度仍然很大,對土壤和地下水污染的治理舉步維艱。這一難題主要涉及水環(huán)境研究范疇,也部分涉及水文學(xué)、水資源研究范疇。

3.4“滲、蓄、滯”作用機(jī)理與城市雨洪計(jì)算

海綿城市具有顯著的“滲、蓄、滯”作用。但是,城市雨洪設(shè)計(jì)到底如何考慮海綿城市的“滲、蓄、滯”作用,或者說,“滲、蓄、滯”作用在城市雨洪中起多大作用,目前研究并不成熟。水庫在防洪中的作用有“蓄洪、滯洪、錯峰”作用,水庫的防洪調(diào)節(jié)計(jì)算已有幾十年的研究積累,有比較成熟的計(jì)算方法。但具有“滲、蓄、滯”作用的海綿城市如何進(jìn)行防洪調(diào)節(jié)計(jì)算,還是一個難題。

從這一難題可以看出,核心點(diǎn)是城市雨洪計(jì)算如何考慮海綿城市的“滲、蓄、滯”作用。研究這一難題需要深入研究城市雨洪計(jì)算方法,特別是借鑒水庫防洪調(diào)節(jié)計(jì)算方法,并在實(shí)踐中不斷總結(jié)和完善,形成城市雨洪計(jì)算新的思路和方法。筆者認(rèn)為有兩種研究思路:一是簡單化的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法的類似于水庫防洪調(diào)節(jié)計(jì)算方法;二是基于水系統(tǒng)模型和洪水演進(jìn)計(jì)算開發(fā)大系統(tǒng)分析計(jì)算軟件,類似于大系統(tǒng)模擬計(jì)算方法。這一難題主要涉及水文學(xué)范疇,也部分涉及水安全范疇。

3.5水安全風(fēng)險(xiǎn)管控及適應(yīng)機(jī)制

一般來說,水安全包括水資源安全、水環(huán)境安全、水生態(tài)安全、水工程安全、供水保障安全、洪澇防御安全。海綿城市建設(shè)是一個系統(tǒng)工程,這幾方面的水安全問題都涉及或都有可能存在。海綿城市建設(shè)的原意是通過一系列城市建設(shè)來保障水安全,但是不是都朝著安全的方向發(fā)展,還需要進(jìn)一步分析。有些因素之間本身就存在比較大的矛盾,顧及一方面就有危及另一方面的可能性存在，如,為了加強(qiáng)供水保障安全,可能會采取一系列保水、儲水措施,而這正是洪澇防御安全的弱點(diǎn)。怎么協(xié)調(diào)這二者的矛盾,需要研究,需要智慧。洪水本身是一個自然水文現(xiàn)象,人類應(yīng)學(xué)會與洪水和諧相處,不要一提洪水就想“治之”。在現(xiàn)有技術(shù)水平、生產(chǎn)力水平和財(cái)政投入條件下,不一定按照一個標(biāo)準(zhǔn)去規(guī)劃城市防洪建設(shè),不一定完全消除“城市看?！爆F(xiàn)象,可以允許部分城市部分區(qū)域“城市看?！?就像預(yù)留一定的“蓄滯洪區(qū)”。此外,城市水資源安全或供水保障安全也不是城市集水區(qū)完全能解決的。從全世界的城市用水情況來看,絕大多數(shù)城市供水來源于過境水或外調(diào)水,因此,通過海綿城市建設(shè)來解決水安全問題是比較困難的,存在比較大的風(fēng)險(xiǎn)。如何管控這一風(fēng)險(xiǎn)以及如何適應(yīng)城市化建設(shè),目前有關(guān)研究還比較薄弱。

從這一難題可以看出,核心點(diǎn)是如何揭示水安全風(fēng)險(xiǎn)機(jī)理，科學(xué)認(rèn)識水安全問題，從而進(jìn)行水安全風(fēng)險(xiǎn)管控。研究途徑有3方面:①通過大量的實(shí)踐,揭示水安全風(fēng)險(xiǎn)機(jī)理,系統(tǒng)分析水安全風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避思路,實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處，實(shí)現(xiàn)多因素和諧調(diào)控;②海綿城市建設(shè)涉及水安全的方方面面,需要建立一個覆蓋多方面的城市水安全預(yù)警系統(tǒng),該系統(tǒng)是城市水管理系統(tǒng)的一個子系統(tǒng),也是智慧城市建設(shè)的重要部分;③研究適應(yīng)城市化發(fā)展的水安全風(fēng)險(xiǎn)管控機(jī)制。隨著城市化加劇、海綿城市的建設(shè),水安全風(fēng)險(xiǎn)因素增多,管控難度加大,對預(yù)警系統(tǒng)的要求大大提高。這一難題主要涉及水安全范疇,也部分涉及水文學(xué)、水資源、水環(huán)境、水工程、水法律、水信息范疇。

3.6海綿城市水管理體系

海綿城市建設(shè)的根本點(diǎn)是“水”,解決水問題不僅僅靠工程建設(shè)“硬件”,還要依靠科學(xué)管理“軟件”。海綿城市水系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng),需要構(gòu)建完善的水管理體系。首先,水管理涉及經(jīng)濟(jì)活動、宣傳教育、文化傳承、政策法律等許多方面,需要系統(tǒng)化管理、標(biāo)準(zhǔn)化管理、信息化管理、智能化管理。其次,需要建立一個龐大的水管理系統(tǒng),集“水循環(huán)模擬、水資源高效利用、水環(huán)境保護(hù)、水安全保障、水工程科學(xué)規(guī)劃、水市場建設(shè)、水法律政策制度建設(shè)、水文化傳承建設(shè)”為一體[16],涉及水管理的方方面面,是智慧城市建設(shè)的重要部分。無論從實(shí)踐上,還是從技術(shù)上,目前關(guān)于這方面的研究和應(yīng)用還遠(yuǎn)達(dá)不到需求。

從這一難題可以看出,核心點(diǎn)是由于水系統(tǒng)的復(fù)雜性,水管理涉及方方面面,需要加強(qiáng)涉水多學(xué)科的交叉研究。研究途徑有兩方面:①加強(qiáng)水管理體系的研究和建設(shè),構(gòu)建包括水工程投資、經(jīng)濟(jì)分析管理、文化宣傳、全民素質(zhì)教育、政策法律保障等全方位的水管理體系;②加強(qiáng)“智慧水利”建設(shè),構(gòu)建基于通訊技術(shù)和虛擬技術(shù)的智能水管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)管理信息化、決策智能化,達(dá)到優(yōu)化決策、精準(zhǔn)調(diào)配、高效管理、自動控制、主動服務(wù)的目標(biāo),是智慧水利的“決策與服務(wù)體系”,涉及水利工程建設(shè)與維護(hù)、防洪抗旱減災(zāi)、供水分配、節(jié)水、水環(huán)境保護(hù)、水安全保障、水權(quán)交易、水法律政策制度、水文化傳承等各方面需求[16]。建設(shè)的水管理系統(tǒng)是智慧城市建設(shè)的重要部分。這一難題主要涉及水信息、水經(jīng)濟(jì)、水法律、水文化、水教育范疇,也部分涉及水文學(xué)、水資源、水環(huán)境、水安全、水工程范疇,幾乎覆蓋水科學(xué)10個學(xué)科方向。也就是說,要解決水管理問題,需要水科學(xué)多方向共同努力。

4　結(jié)　語

筆者從水科學(xué)如何支持海綿城市建設(shè)的視角,分析海綿城市建設(shè)中可能存在的難題,并從可能性方面提出解決難題的途徑:海綿城市建設(shè)是一個龐大的系統(tǒng)工程,需要系統(tǒng)分析、統(tǒng)籌規(guī)劃、科學(xué)建設(shè);海綿城市建設(shè)的根本點(diǎn)是“水”,涉及水科學(xué)的方方面面,應(yīng)從水科學(xué)多方向交叉研究,促進(jìn)海綿城市建設(shè)中涉水問題的解決。

本文提出海綿城市建設(shè)中水科學(xué)難題的目的,不是有意去否定海綿城市,而是希望更多地去研究海綿城市建設(shè)中可能存在的水科學(xué)問題,更好地支撐海綿城市建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 住房城鄉(xiāng)建設(shè)部. 海綿城市建設(shè)技術(shù)指南：低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)[R]. 北京:住房城鄉(xiāng)建設(shè)部,2014.

[2] 董淑秋, 韓志剛. 基于“生態(tài)海綿城市”構(gòu)建的雨水利用規(guī)劃研究[J]. 城市發(fā)展研究, 2011(12): 37-41.(DONG Shuqiu,HAN Zhigang.Study on planning an “eco-sponge city” for rainwater utilization[J]. Urban Studies,2011(12): 37-41.(in Chinese))

[3] 莫琳, 俞孔堅(jiān). 構(gòu)建城市綠色海綿：生態(tài)雨洪調(diào)蓄系統(tǒng)規(guī)劃研究[J]. 城市發(fā)展研究, 2012(5): 130-134.(MO Lin, YU Kongjian. Structure the urban green sponge: study on planning an ecological stormwater regulation system[J]. Urban Studies,2012(5): 130-134.(in Chinese))

[4] 孫曙巒. “海綿城市”值得期待[N]. 中國環(huán)境報(bào), 2013-11-06(02).

[5] 鞠茂森. 關(guān)于海綿城市建設(shè)理念、技術(shù)和政策問題的思考[J]. 水利發(fā)展研究,2015(3):7-10.(JU Maosen.Thinking about idea,techonolgy and policy of spongy city construction[J].Water Resources Development Research, 2015(3):7-10. (in Chinese))

[6] 張亞梅,柳長順,齊實(shí). 海綿城市建設(shè)與城市水土保持[J]. 水利發(fā)展研究,2015(2):20-23.(ZHANG Yamei, LIU Changshun, QI Shi. Spongy city construction and city soil and water conservation[J]. Water Resources Development Research, 2015(2):20-23. (in Chinese))

[7] 車伍,趙楊,李俊奇,等. 海綿城市建設(shè)指南解讀之基本概念與綜合目標(biāo)[J]. 中國給水排水,2015(8): 1-5.(CHE Wu, ZHAO Yang, LI Junqi,et al.Explanation of sponge city development technical guide: basic concepts and comprehensive goals[J]. China Water & Wastewater, 2015(8): 1-5. (in Chinese))

[8] 李俊奇,王文亮,車伍,等. 海綿城市建設(shè)指南解讀之降雨徑流總量控制目標(biāo)區(qū)域劃分[J]. 中國給水排水,2015(8): 6-12.(LI Junqi,WANG Wenliang,CHE Wu,et al.Explanation of sponge city development technical guide: regional division for total rainfall runoff volume capture target[J]. China Water & Wastewater, 2015(8): 6-12.(in Chinese))

[9] 車伍,武彥杰,楊正,等. 海綿城市建設(shè)指南解讀之城市雨洪調(diào)蓄系統(tǒng)的合理構(gòu)建[J]. 中國給水排水,2015(8): 13-17,23. (CHE Wu,WU Yanjie,YANG Zheng,et al.Explanation of sponge city development technical guide: rational building of urban stormwater detention and retention system[J]. China Water & Wastewater, 2015(8): 13-17,23. (in Chinese))

[10] 王文亮,李俊奇,車伍,等. 海綿城市建設(shè)指南解讀之城市徑流總量控制指標(biāo)[J]. 中國給水排水,2015(8): 18-23. (WANG Wenliang, LI Junqi,CHE Wu,et al.Explanation of sponge city development technical guide: planning index for urban total runoff volume capture[J]. China Water & Wastewater, 2015(8): 18-23.(in Chinese))

[11] 廖朝軒,高愛國,黃恩浩. 國外雨水管理對我國海綿城市建設(shè)的啟示[J]. 水資源保護(hù),2016,32(1):42-45,50.(LIAW Chaohsien,GAO Aiguo,HUANG Enhao. Enlightenment of rainwater management in foreign countries to sponge city construction in China[J].Water Resources Protection, 2016,32(1):42-45,50.(in Chinese))

[12] 崔廣柏,張其成,湛忠宇,等. 海綿城市建設(shè)研究進(jìn)展與若干問題探討[J]. 水資源保護(hù),2016,32(2):1-4.(CUI Guangbo,ZHANG Qicheng,ZHAN Zhongyu,et al. Research progress and discussion of sponge city construction[J]. Water Resources Protection, 2016,32(2): 1-4. (in Chinese))

[13] 左其亭. 水科學(xué)的學(xué)科體系及研究框架探討[J]. 南水北調(diào)與水利科技, 2011(1): 113-117,129.(ZUO Qiting. Discussion on discipline system and research framework of water science[J]. South-to-North Water Diversion and Water Science & Technology,2011(1): 113-117,129. (in Chinese))

[14] 左其亭. 中國水科學(xué)研究進(jìn)展報(bào)告2011—2012[M]. 北京:中國水利水電出版社,2013.

[15] 左其亭. 中國水科學(xué)研究進(jìn)展報(bào)告2013—2014[M]. 北京:中國水利水電出版社,2015.

[16] 左其亭. 中國水利發(fā)展階段及未來“水利4.0”戰(zhàn)略構(gòu)想[J]. 水電能源科學(xué),2015,33(4):1-5.(ZUO Qiting.Development stage of Chinese water conservancy and strategic concept of future “water conservancy 4.0” [J]. Water Resources and Power, 2015,33(4):1-5. (in Chinese))

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.003

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51279183);河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(13IRTSTHN030);鄭州大學(xué)重大科技項(xiàng)目培育基金(2015ZDPY011)

作者簡介:左其亭(1967—),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士,主要從事水文學(xué)及水資源研究。E-mail: zuoqiting@163.cn

中圖分類號：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0021-06

(收稿日期：2016-05-25編輯：彭桃英)

Water science issues in sponge city construction

ZUO Qiting1,2

(1. School of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China;2.CenterforWaterScienceResearch,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Abstract：Based on summarizing the practice and related research results regarding sponge city construction in China, we analyze the background, expectations, and possible problems regarding the construction of sponge cities, and elaborate on the application of water science to the construction of sponge cities according to the various water science disciplines, including hydrology, water resources, water environment, water security, water engineering, water economy, water law, water culture, water information, and water education. We also put forward six aspects of water science issues probably related to sponge city construction, which involve hydrological effects and water system models in sponge city construction, mechanisms and scheme optimization for effective utilization of water resources, the reduction mechanisms and effects of non-point source pollution through soil percolation, the infiltration-storage-stagnation interaction mechanism and design and calculation of urban rainfall floods, water security risk control and adaptation mechanisms, and water management system research. In addition, we propose solutions to these issues, in order to provide references for the research and implementation of sponge city construction.

Key words：sponge city; sponge city construction; water science; water system