干旱地區(qū)海綿城市建設(shè)的特點研究
——以內(nèi)蒙古包頭市為例

關(guān)卓今 ，張德舉 ，王 慧 ，張玉寶 ，宋瑞靜 ，薛 倩 ，張 欣 ，琳 娜 ，朱向宏

（1.北京市新水季環(huán)境工程有限公司，100048，北京；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，100048，北京；3.北京市密云水庫管理處，101512，北京；4.北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，100048，北京）

干旱地區(qū)海綿城市建設(shè)的特點研究
——以內(nèi)蒙古包頭市為例

關(guān)卓今1，2，張德舉3，王 慧4，張玉寶1，宋瑞靜1，薛 倩1，張 欣1，琳 娜1，朱向宏1

（1.北京市新水季環(huán)境工程有限公司，100048，北京；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，100048，北京；3.北京市密云水庫管理處，101512，北京；4.北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，100048，北京）

城市綠色環(huán)境系統(tǒng)生態(tài)設(shè)計模式在干旱地區(qū)海綿城市建設(shè)中更具應(yīng)有優(yōu)勢。表現(xiàn)在：最大限度地雨水利用情況下具有更低的風(fēng)險和更大的雨水利用率；利于擴大綠化面積并節(jié)約澆灌用水；可基本消除城市雨洪內(nèi)澇；極大地消除風(fēng)塵和粉塵之類空氣顆粒物等空氣環(huán)境問題；減輕雨水排水壓力和管線負(fù)荷；減少排水管線堵塞，免除建設(shè)蓄水池和土地開挖等特殊雨水管理工程設(shè)施，大大減少和節(jié)省建設(shè)費用等。該生態(tài)設(shè)計模式的應(yīng)用可使海綿城市建設(shè)在干旱地區(qū)變得容易和節(jié)約，并且釋放其巨大的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。

海綿城市；干旱半干旱地區(qū)；城市雨水利用；城市生態(tài)設(shè)計；城市綠色環(huán)境系統(tǒng)；包頭市

海綿城市是一種具有生態(tài)思想的城市雨水管理利用的建設(shè)形式，是現(xiàn)代城市生態(tài)基礎(chǔ)建設(shè)的重要部分；海綿城市建設(shè)的核心思想就是對城市雨水管理要求上的自然積蓄、自然滲透、自然凈化；通過自然積蓄和自然滲透，實現(xiàn)城市雨水節(jié)水利用和減少發(fā)生洪澇的可能，同時加強城市生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)利用和循環(huán)過程、發(fā)展和強化生態(tài)系統(tǒng)的功能、提高城市的自凈能力，從而極大地改善城市環(huán)境，使城市形成一個合理、有序、協(xié)調(diào)、良性運轉(zhuǎn)的城市綠色環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)。

我國大力推進海綿城市建設(shè)，國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于推進海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2015〕75號），尚未將400 mm以下降雨量地區(qū)的城市列入?yún)⑴c范圍，但并不意味著這些地區(qū)不需要海綿城市建設(shè)，也不意味著這些地區(qū)不能實施海綿城市建設(shè)。我國干旱半干旱地區(qū)占國土面積52%，分布著眾多城市。由于干旱半干旱地區(qū)自然環(huán)境獨特，進行海綿城市建設(shè)具有獨特特點。這些地區(qū)存在降雨量少、植被覆蓋度低、綠化難、風(fēng)沙大、暴雨泥沙量多等不利條件，卻可以在海綿城市建設(shè)行動下，以極小的投入使居住環(huán)境有較大的改觀，尤其對較為惡劣的生態(tài)環(huán)境可有意想不到的效果，如節(jié)水改善城市綠化，降低揚塵和粉塵，解決城市排水系統(tǒng)堵塞及內(nèi)澇問題，控制面源污染及減少固體廢物堆積等。

一、干旱半干旱區(qū)的氣候水文特性及城市格局特點

1.氣候特點

地處大陸中心和受歐亞大陸—太平洋形成的季風(fēng)氣候影響下的干旱半干旱地區(qū)，降水集中于夏秋季節(jié)，年降水量多在400 mm以下；盡管年內(nèi)降水較少，但較為集中，多分布在7—8月；盡管每年總有幾場幾十毫米的較大降雨出現(xiàn)，但最大次降雨量較濕潤地區(qū)小得多，如包頭市歷史記錄年最大日降雨量為83 mm。由于降水量少，植被以草原和荒漠為主、覆蓋度低，風(fēng)沙大，風(fēng)塵起土、揚沙天呈常見的環(huán)境問題。

2.城市水資源供應(yīng)緊缺

干旱半干旱地區(qū)城鎮(zhèn)水資源短缺顯而易見，城市用水主要取自地下水或過境水，地下水的使用造成地下水水位逐年下降；過境水在水系空間范圍內(nèi)用水的平均化，使得原來用水量大的城市面臨著缺水的威脅。例如包頭市是全國嚴(yán)重缺水城市之一，綠化占用水資源的很大一部分，因此需給予很大的投入。

3.植被與綠化用水特點

干旱半干旱地帶植被主要是耐旱草本和灌木植物或地面裸露。由于綠地維護極端艱難，城市面積擴大要付出巨大的代價，投入維護的費用極其高昂。如果按包頭市2010年的水資源規(guī)劃，在包頭市區(qū)綠化規(guī)劃的180 km2的范圍內(nèi)，按照35%綠化，綠化面積達到6300 hm2；如果綠地每年用水0.8 t/m2，那么每年綠化用水將達5 040萬t；除去1/3的天然降水，需人工補水灌溉3 360萬t，即平均每日需水9萬t；接近于包頭市最大提水站（包頭黃河大橋提水站）的日均提水量。

4.城市格局與雨水管理特點

干旱半干旱地區(qū)現(xiàn)有城市建設(shè)結(jié)構(gòu)格局和對雨水的管理方式，與全國其他地區(qū)模式一樣，都是垂向設(shè)計為三級臺階式，即最高階的綠化綠地、次高的人行道硬化面和最低的機動車行道硬化面，這種模式讓雨水以最短的距離和最快的速度進入排水系統(tǒng)而排離城區(qū)。隨著城區(qū)不斷擴張、硬化面迅速擴大，出現(xiàn)排水能力不足、道路大量積水等現(xiàn)象，形成城市內(nèi)澇；而且雨水?dāng)y帶的泥土沉積于道路，形成道路塵土來源以及造成排水管網(wǎng)堵塞。

干旱半干旱地區(qū)的現(xiàn)狀城市格局容易產(chǎn)生環(huán)境問題。這種結(jié)構(gòu)格局在快速發(fā)展的城市由于硬化面的急速增加容易發(fā)生3種常見的后果。①雨水快速排離城區(qū)，使原有雨水水文環(huán)境破壞，雨水資源未得到充分利用，城市綠化面積受到限制，而且由于水分澆灌不足還會造成綠化質(zhì)量下降，以及綠化生態(tài)功能等效果降低和生態(tài)環(huán)境惡化，城市自凈能力進一步降低，并造成熱島效應(yīng)、干島效應(yīng)等一系列環(huán)境問題。②短暫的雨水匯集形成城市雨洪造成內(nèi)澇，這種情況在這些地區(qū)已并不罕見。③植被覆蓋率低，風(fēng)塵和粉塵問題比較濕潤地區(qū)更為突出，難以控制；同時雨水徑流攜帶的泥沙造成排水管道內(nèi)污泥堆積，清理困難，凈容量和排量減少，也成為內(nèi)澇因素之一。

二、干旱半干旱地區(qū)海綿城市建設(shè)的應(yīng)用特點分析

干旱半干旱地區(qū)應(yīng)當(dāng)以“典型下凹綠地”結(jié)構(gòu)格局作為海綿城市生態(tài)設(shè)計基本模式，即在建筑、道路等硬化地面和綠地、排水系統(tǒng)組成的城市綠色環(huán)境系統(tǒng)單元中，要求硬化面高于綠地面，排水口置于綠地內(nèi)、高于綠地面而低于硬化面；硬化面最高，綠地面最低。

1.雨水利用的最大化

干旱半干旱地區(qū)年降水量和日最大降雨量相對較小，而且一般地帶土壤也有較強的透水性，采用生態(tài)設(shè)計模式的海綿城市建設(shè)，可將每次降雨盡可能全部控制利用而達到雨水利用的最大化。也就是通過生態(tài)設(shè)計模式建設(shè)，在城市綠色環(huán)境系統(tǒng)中，只通過采用“典型下凹綠地”即可將降水盡可能全部利用。

2.城市建設(shè)結(jié)構(gòu)格局全面變革的風(fēng)險

由于干旱半干旱地區(qū)城市采用生態(tài)設(shè)計模式，能自然將雨水全部控制利用，符合LID等生態(tài)學(xué)思想，可產(chǎn)生有益的生態(tài)和經(jīng)濟效果。這種建設(shè)結(jié)構(gòu)格局模式與現(xiàn)行的三級臺階式的城市結(jié)構(gòu)格局相比，從整體上有相對較大的變革。在應(yīng)用風(fēng)險上，由于這種模式使最大降水能在最低影響開發(fā)管理范圍內(nèi)全部利用，因而雨水利用風(fēng)險可控，那么這種格局變革的風(fēng)險也將最小。

3.綠地格局與綠地功能

在城市綠色環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)中，綠地將在城市建設(shè)中最大限度地分散分布，各單元綠地在相對源頭平均接收雨水，從而使綠地或綠色環(huán)境系統(tǒng)的各種負(fù)荷達到最輕，受到的沖擊在平均狀態(tài)下達到最?。贿@樣的綠地在接收雨水的同時將接收雨水?dāng)y帶的其他環(huán)境物質(zhì)，如泥沙、碎屑、懸浮物及溶解的營養(yǎng)污染物質(zhì)等，且都將在可控制范圍內(nèi)，符合LID等生態(tài)學(xué)思想；同時有促進綠色環(huán)境系統(tǒng)生態(tài)功能的發(fā)展和提高作用。

4.海綿城市的凈化作用

一是城市自凈能力提高。由于城市綠色雨水利用環(huán)境系統(tǒng)接收了大量有利于生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的物質(zhì)，如雨水、營養(yǎng)物質(zhì)、泥沙等，生態(tài)系統(tǒng)中植物會得到更加旺盛生長的機會，土壤微生物大量生長和發(fā)展，從而使生態(tài)系統(tǒng)更加健康發(fā)展，生態(tài)功能得以極大提高；相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)可通過產(chǎn)生新鮮空氣、吸收空氣污染物、凈化空氣粉塵等改善空氣質(zhì)量，通過吸收凈化雨水污染物、分解凈化固體廢物接收等清除空氣粉塵來源以及抑制和殺滅病原微生物等，從根本上提高城市自凈能力，使城市環(huán)境得以改善。

二是對雨水的凈化。干旱半干旱地區(qū)城市降雨量較小，所攜帶的物質(zhì)濃度較高。海綿城市生態(tài)設(shè)計模式對雨水的全部或絕大部分的利用，也會將所攜帶的污染物控制在綠地中以便于凈化；綠地的分散作用和接收的輕負(fù)荷效果，也使其對雨水?dāng)y帶的污染物控制和凈化作用加強，從而減少污染物向下游進一步擴散。

三是對泥沙、風(fēng)塵、粉塵的凈化。生態(tài)設(shè)計模式對環(huán)境的凈化，將為居民改善空氣環(huán)境質(zhì)量，也將減緩泥沙對雨水排水系統(tǒng)的堵塞問題。

四是對有機物碎屑的接納和循環(huán)。高程較低的綠地系統(tǒng)有利于動植物殘體等有機物碎屑、固體廢物等進入，并將其分解或存留作為土壤的一部分，從而加強物質(zhì)循環(huán)和營養(yǎng)物質(zhì)的利用，促進生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展并增強系統(tǒng)生態(tài)功能。

五是對綠地土壤的修復(fù)。增加的土壤水分以及土壤物質(zhì)循環(huán)和營養(yǎng)改善，使得土壤內(nèi)動物及微生物大量發(fā)展，從而改善土壤性能，使綠地土壤得到較好的修復(fù)，土壤生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能得到增強，并在一定程度上增加土壤的雨水滲透能力。

六是對疾病衛(wèi)生環(huán)境的改善。綠地植物的發(fā)展、土壤微生物的發(fā)展，使城市綠色環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)運行規(guī)模壯大、生態(tài)作用和效果極大增強，從而形成巨大的疾病環(huán)境控制屏蔽，改善城市衛(wèi)生環(huán)境。

三、投資特點分析

目前海綿城市建設(shè)的投資主要包括：雨水接收系統(tǒng)，如綠地、蓄水系統(tǒng)、接收雨水管線等；雨水儲蓄系統(tǒng)，如雨水接收系統(tǒng)、凈化設(shè)施、蓄水池、排放系統(tǒng)等；雨水滲透系統(tǒng)，如各類濕地系統(tǒng)、雨水綠地系統(tǒng)、雨水花園等；雨水凈化系統(tǒng)，如初雨分離系統(tǒng)、初雨接收、儲存、凈化系統(tǒng)等；雨水利用系統(tǒng)等。按照城市綠色環(huán)境系統(tǒng)生態(tài)設(shè)計模式，在干旱半干旱地區(qū)進行海綿城市建設(shè)時，由于該地區(qū)的特殊性和應(yīng)用生態(tài)設(shè)計模式的優(yōu)越性，上述多數(shù)雨水利用工程或?qū)o須建設(shè)，也就相應(yīng)極大地降低其建設(shè)費用。

一是蓄水池。干旱半干旱地區(qū)由于年降雨量多在400 mm以下，沒有建造蓄水池作為蓄水利用價值或作為臨時雨水滯留作用的需要，即可省去這類雨水利用工程。

二是雨水凈化設(shè)施。由于無雨水積蓄利用工程設(shè)施，并自然積蓄雨水用于綠化，綠地中雨水自然凈化，相應(yīng)也就不需要專門的雨水凈化設(shè)施系統(tǒng)、初雨分離系統(tǒng)和初雨凈化系統(tǒng)。

三是雨水收集系統(tǒng)。由于無蓄水池等特定的積蓄工程設(shè)施，對雨水的收集采用簡單的常規(guī)建設(shè)方式即可，雨水只需要自然經(jīng)過硬化面進入綠地，通過調(diào)整綠色環(huán)境系統(tǒng)中各要素的邊緣結(jié)構(gòu)使邊緣效應(yīng)符合要求而不必做專門的雨水接收工程系統(tǒng)。這樣有利于將面源污染物質(zhì)匯入綠地。

四是強化滲透系統(tǒng)和濕地系統(tǒng)。由于接收雨水量相對較少而綠地面積較大，強化滲透系統(tǒng)相應(yīng)降低需要，多數(shù)情況在沒有必要時，應(yīng)因地制宜，減少其投入。雨水花園等濕地系統(tǒng)不做特殊利用時，可與綠地同樣作為生態(tài)設(shè)計雨水利用的廣義綠地，發(fā)揮雨水利用的生態(tài)作用，不需額外投入。

五是典型下凹綠地。以“典型下凹式綠地”的生態(tài)設(shè)計模式對綠地加以利用，在建設(shè)時，綠地高程保持原有地面基準(zhǔn)高程，在建設(shè)較高位的硬化面時，會自然形成較低位的下凹綠地。因此，并不需要對下凹綠地做專門建設(shè)和投資；而且可減免舊格局建設(shè)時硬化面需要下挖的土方，同時由于硬化面抬高而為多種開挖提供了土方平衡的條件，故可減少土方下挖和運輸費用。所以從干旱半干旱地區(qū)整體城市雨水利用講，“典型下凹式綠地”的建設(shè)沒有增加額外建設(shè)投入。

六是雨水排水系統(tǒng)。雨水通過生態(tài)設(shè)計模式“典型下凹式綠地”因地制宜、最大限度地加以利用，進入排水系統(tǒng)的雨水會大大減少或被全部利用進入環(huán)境，因此排水系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)?？纱蠓葴p小、其排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也可大幅度降低，從而可間接降低城市排水系統(tǒng)的建設(shè)費用。

七是固體廢物。生態(tài)設(shè)計模式的“典型下凹式綠地”可將降雨攜帶的泥沙、風(fēng)等生態(tài)動力攜帶的沙土、粉塵收集于綠地，減少環(huán)境中動植物殘體廢物等成為垃圾而進入綠地的物質(zhì)循環(huán)，從而可減少大量城市固體廢物垃圾數(shù)量，并減少城市填埋場壓力。

八是綠化。海綿城市的生態(tài)設(shè)計建設(shè)將極大地利用降水自然進入綠地，可使綠化面積大幅度擴大，并減少綠化澆灌用水，從而降低綠化用水和澆灌費用。

四、應(yīng)用要點分析

1.綠地面積和深度選擇

一是綠地面積。如果是以城市綠化要求不低于1/3的面積作為城市綠地面積，那么應(yīng)盡量將綠地地塊分散分布，與建筑及硬化面均勻分布，以最大限度使雨水接收利用均勻化；并且盡量降低包括透水鋪裝的硬化面面積擴大土壤為基質(zhì)的綠地面積。

二是綠地深度。對有限的降雨，綠地面積大，則深度可小，反之亦然。一般情況，為盡量將降雨最大限度利用，在可能接收的雨量、土壤滲透能力、地下水狀況、地下建筑狀況及植物生態(tài)類型等各條件適合或滿足的情況下，選擇較大的綠地深度，以滿足植物長期生長體積增長的空間、泥沙塵土等外來沉積物積累、外來其他固體廢物積累、動植物殘體等存蓄和分解循環(huán)場所等的需要。一般綠地深度選擇20 cm左右為宜。

2.綠地與排水口高程的配合

如果設(shè)計降雨大于綠地的接收和滲透能力，則將選擇排水系統(tǒng)；設(shè)置排水口應(yīng)同時跨硬化面和綠地兩個區(qū)域，并能使雨水先進入綠地；綠地中的雨水口高于綠地平面而低于周圍的硬化面；當(dāng)雨水積蓄高度較大時，再從綠地中的排水口排水。

3.綠地與透水鋪裝的配合

綠地的生態(tài)作用或雨水利用作用遠(yuǎn)大于透水鋪裝結(jié)構(gòu)。應(yīng)盡量選擇建設(shè)綠地而代替透水鋪裝，盡量擴大以土壤為基質(zhì)的綠地的雨水利用面積。

4.綠地與建筑的配合

一是綠地的分布。一定面積的綠地只有分散利用，才可以最大限度接收雨水。一定面積的綠地，以小塊面積分布則容易分布均勻，從而實現(xiàn)分散源頭、最大限度降低綠地地塊負(fù)荷過大而受損的風(fēng)險。

二是建筑的排水方向選擇。被綠地收集利用的建筑上雨水，多數(shù)以綠色植物利用為主，尤其是喬木，考慮光照、植物的蒸騰作用及生理活動等有利于植物的生長和生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，建筑物的排水系統(tǒng)出水應(yīng)盡量選擇陽面一側(cè)。

5.綠地與道路的配合

以生態(tài)設(shè)計模式進行的綠地對道路雨水的利用，一方面綠地利用道路的雨水，另一方面還應(yīng)注意雨水徑流對綠地及周邊的損害。道路綠地應(yīng)盡可能有較大的面積，從而降低較大面積道路雨水徑流集中進入綠地而造成沖擊。道路雨水的匯集容易形成雨水長距離徑流，對進入的綠地產(chǎn)生沖擊。邊溝可使道路上超出綠地深度利用的雨水徑流在不傷害綠地的情況下流動；而隔斷則可使有一定坡度的綠地積聚的雨水保持平靜的空間或不產(chǎn)生流動性，避免對綠地造成沖刷破壞，從而保證道路邊綠地對雨水利用的局部保持相對獨立安全性。

6.綠地中土壤凈化作用和重金屬運移特點

有研究表明，雨水徑流中的重金屬在土壤中的運移主要集中在深1 m以內(nèi)。在較小降雨量和較大土地面積的干旱半干旱地區(qū)，源頭的、分散的、小負(fù)荷的雨水利用可最大限度地發(fā)揮綠地的生態(tài)作用，對包括重金屬在內(nèi)的環(huán)境問題。海綿城市建設(shè)用生態(tài)措施解決的方式，是符合生態(tài)學(xué)一般原理的。

[1]仇保興.海綿城市(LID)的內(nèi)涵、途徑與展望[J].現(xiàn)代城市,2015.

[2]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）[A].2014.

[3]關(guān)卓今.海綿城市建設(shè)中的生態(tài)選擇研究[J].中國水利,2016（4）.

[4]關(guān)卓今.城市綠色集雨環(huán)境系統(tǒng)生態(tài)設(shè)計的理論與模式[D].沈陽：中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，2001.

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[9]北京市水利科學(xué)研究院.北京市水資源開發(fā)利用關(guān)鍵問題之一——雨洪利用研究[R].1992.

Studies on features of sponge city construction in dry areas——a case study of Baotou City in Inner Mongolia//

Guan Zhuojin,Zhang Deju,Wang Hui,Zhang Yubao,Song Ruijing,Xue Qian,Zhang Xin,Lin Na,Zhu Xianghong

If a sponge city is built in dry area,the design model of green environment system will have advantages,such as low risks and high rate of rainwater utilization;expansion of green areas and water saving in irrigation;reducing waterlogging caused by rain floods in cities and air pollution caused by dusts;improving discharge of floodwater and drainage system;preventing pipeline jam;giving space to water storage and saving cost of construction.The application of this model can generate enormous ecological and economic benefits and is beneficial for the dry areas to build a sponge city easily and in a cost-effective manner.

sponge city;arid and semi-arid zones;rainwater utilization of city;urban ecological design;urban green environment system;Baotou City

TV213.9

B

1000-1123（2017）16-0028-04

2017-03-28

2017-06-11

關(guān)卓今，高級工程師，博士，主要從事生態(tài)學(xué)研究。

國家“十三五”水污染控制與治理科技重大專項（2017ZX0710004-04）。