干旱區(qū)的海綿城市建設(shè)—以白銀市為例

■ 丁兆棟

本文結(jié)合白銀市區(qū)域環(huán)境背景，提出生態(tài)海綿城市建設(shè)思路與關(guān)鍵技術(shù)，即從低影響開發(fā)、城市徑流控制與模擬、排水系統(tǒng)規(guī)劃等方面入手，加強(qiáng)城市水環(huán)境信息化管理，統(tǒng)籌自然水和社會(huì)水循環(huán)過程，發(fā)揮城市的海綿效用。

白銀市地處我國干旱與半干旱生態(tài)脆弱帶上，城市水資源短缺、水質(zhì)污染和排水不暢的問題尾大不掉。以海綿城市建設(shè)為契機(jī)，探討白銀市海綿城市建設(shè)思路并提出其相應(yīng)措施，以期為促進(jìn)城市和諧發(fā)展提供決策參考。

一、水問題研判：旱澇并存

白銀市位于我國中央經(jīng)線偏北、黃河流域腹地，地形以山地、高原為主。區(qū)域?yàn)楸睖貛Т箨懶詺夂颍募狙谉岫檀?、冬季寒冷綿長。境內(nèi)河流發(fā)源于兩側(cè)山脈，均屬黃河水系，區(qū)域水資源年季變化大、流量不穩(wěn)定。本區(qū)黃土地貌發(fā)育，植被覆蓋度較低、水源流失嚴(yán)重。

水生態(tài)環(huán)境惡劣。白銀市深居黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)，區(qū)域水源涵養(yǎng)能力較差：①地表疏松、植被密度稀疏、降水強(qiáng)度大，導(dǎo)致土壤可蝕性強(qiáng)、水土流失嚴(yán)峻，不僅造成水資源浪費(fèi)，還破壞了地區(qū)生態(tài)功能。②白銀市以能源、重工業(yè)經(jīng)濟(jì)體系為主體，工業(yè)需水量與廢物排放量大；加之農(nóng)耕區(qū)土壤侵蝕遷移過程，全市地表水、地下水污染問題凸顯，水質(zhì)堪憂。③白銀市經(jīng)濟(jì)開發(fā)占用河道、湖泊、濕地、林草地等生態(tài)用地，局域蓄水調(diào)節(jié)功能降低。

水資源供需矛盾加劇。白銀市年均降水量不足 （500mm/a），蒸發(fā)量高達(dá)1700mm，氣候干燥，難以為生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供穩(wěn)定的水源。白銀市人均水資源量僅為168m3，僅占全國平均水平的1/12，并且每年地下水超采0.7億m3。地下水資源供應(yīng)不足成為該市可持續(xù)發(fā)展的限制條件之一。

極端災(zāi)害天氣頻發(fā)。受全球氣候變化影響，局域大氣環(huán)流穩(wěn)定狀態(tài)被打破，從而導(dǎo)致極端天氣的概率大大增加。近數(shù)十年來白銀市降水波動(dòng)性變強(qiáng)，降水強(qiáng)度更加集中，秋季降水增多、夏季有所減少，冬春季節(jié)降水量增加。氣候模式突變，對(duì)歷史積累的防洪抗旱經(jīng)驗(yàn)與設(shè)施來說是不利的，勢必增加應(yīng)災(zāi)成本和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

傳統(tǒng)水問題治理缺漏。白銀市水資源引起的自然災(zāi)害主要是洪澇和干旱，傳統(tǒng)治理模式難以適應(yīng)水循環(huán)過程變化對(duì)城市生態(tài)彈性的要求。鑒于此，應(yīng)當(dāng)正視并解決傳統(tǒng)旱澇災(zāi)害防治存在過程分離和同城不兼顧的問題。

二、治水思路：盡量存續(xù)、利用

圖1 白銀市生態(tài)海綿城市建設(shè)的總體思路

自海綿城市概念被提出后，國家部門在有關(guān)城市進(jìn)行試點(diǎn)并推出系列指導(dǎo)方案。雖然各地實(shí)踐環(huán)境不同且對(duì)海綿城市建設(shè)思路存在差異，但綜合來講其總體要求就是以調(diào)控水資源循環(huán)為核心目標(biāo)，依托于城市構(gòu)建城市流域生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)，充分發(fā)揮生態(tài)性與社會(huì)性功能，從而達(dá)到城市與水資源環(huán)境和諧可持續(xù)發(fā)展。其具體要求可以概括為：①遵循自然水循環(huán)過程機(jī)制來改變地表產(chǎn)流、徑流環(huán)境，增強(qiáng)水土保蓄能力。②將生態(tài)水轉(zhuǎn)化為社會(huì)水，在此過程中不會(huì)傷害水體質(zhì)量和水環(huán)境承載力。③社會(huì)水循環(huán)過程賦予其自然生態(tài)過程，確保其不會(huì)對(duì)生態(tài)水循環(huán)以及環(huán)境造成破壞。④統(tǒng)籌水資源生態(tài)、社會(huì)雙重屬性，達(dá)到按需分配、按時(shí)調(diào)節(jié)、可操作性強(qiáng)的目標(biāo)。

白銀市生態(tài)海綿城市總體建設(shè)思路如圖1所示。建設(shè)海綿城市主要工作就是在劃分城市內(nèi)景觀流域單元的基礎(chǔ)上，明確自然水與社會(huì)水循環(huán)過程主線及其二者之間無損關(guān)聯(lián)，據(jù)此充分利用水資源；同時(shí)規(guī)范人類對(duì)水環(huán)境的干擾，加強(qiáng)污染治理并提升排放標(biāo)準(zhǔn)。圖1中綠色部分為對(duì)生態(tài)水循環(huán)過程的實(shí)施策略；棕色部分為對(duì)社會(huì)水的治理方案；藍(lán)色部分為天然降水。綜上而言，遵循自然水資源循環(huán)中的降水、滲流、蓄水、凈水、蒸散等過程，基于防洪安全考慮排蓄平衡，在此基礎(chǔ)上最大限度加以存續(xù)、利用，并保證水資源安全性、生態(tài)性，構(gòu)成一個(gè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市。

三、建設(shè)海綿城市關(guān)鍵問題

（一）LID低影響開發(fā)

白銀市LID將核心城區(qū)劃分為253個(gè)單元，對(duì)每個(gè)單元主要采用了生態(tài)涵養(yǎng)、下沉綠地、生態(tài)屋頂、透水裝置鋪設(shè)等措施，參照《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》確定了這4種措施對(duì)地表徑流的影響范圍參數(shù)，經(jīng)核算生態(tài)涵養(yǎng)工程能夠減少徑流量為50～100、120～200、20和12mm。各種工程措施鋪設(shè)見圖2，其中生態(tài)工程措施面積達(dá)1542hm2；下沉式綠地為986.78hm2，其單體鋪裝面積介于0.1～10.56hm2之間；透水裝置鋪設(shè)面積為542.6hm2，單體面積在0.1～5.23hm2之間；綠色屋頂主要分布于建筑物頂層，其面積最小，僅為235.5hm2。通過ArcGIS10.3軟件繪制了白銀市城區(qū)LID措施分布，效果圖如下所示。

圖2 白銀市LID空間分布

（二）城市徑流控制與雨洪模擬

白銀市降水量相對(duì)不豐、中心城市河流單一，地表產(chǎn)水能力一般，參照《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》要求其年徑流量為控制V區(qū)，控制率介于60%～85%，為了準(zhǔn)確測算其閾值，利用市內(nèi)氣象站點(diǎn)的逐日觀測數(shù)據(jù)通過格網(wǎng)法測算，將其控制率確定為72%，則其3h設(shè)計(jì)降水總量為18mm。根據(jù)城區(qū)本底環(huán)境特征、地表覆被和建筑結(jié)構(gòu)，將用地類型規(guī)劃成水域、綠地、平頂屋、斜頂屋、裸地等5類，以滿足LID建設(shè)需要。在此基礎(chǔ)上劃分7大單元（圖3），對(duì)各單元徑流特征進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算，并利用HIMS雨洪模型對(duì)7大單元里的253個(gè)子單元分別進(jìn)行降水情景模擬。各地塊的徑流系數(shù)空間分布圖如圖3所示，城區(qū)中西部徑流系數(shù)相對(duì)較高，東部徑流系數(shù)較小，主要由于東部地勢較高，徑流過境快；而西部地勢較低，徑流流速慢而水面較寬。徑流系數(shù)其值介于0.04～0.72之間，平均值為0.46。排水管道是徑流輸移的重要通徑，通過模擬匯流過程，大部分管道的充滿度最大值為0.80，達(dá)到有效水平，表明該HIMS雨洪模型模擬結(jié)果較為可靠。

（三）排水通道識(shí)別與規(guī)劃

白銀市河道、濕地稀疏且河道生態(tài)功能性弱，現(xiàn)有的水域環(huán)境難以滿足產(chǎn)流排蓄需要，應(yīng)積極構(gòu)筑地下排蓄系統(tǒng)。本區(qū)黃土地層累積深厚且直立性強(qiáng)，這有助于地下施工建設(shè)；然而難點(diǎn)在于規(guī)劃科學(xué)的排蓄系統(tǒng)設(shè)施。因此提出三點(diǎn)建議：①通過全局雨洪徑流特性進(jìn)行可控徑流估算，并結(jié)合原有地下排蓄系統(tǒng)進(jìn)行立體、綜合性規(guī)劃，構(gòu)建功能分明、差異多元的排蓄體系。②利用現(xiàn)代高新設(shè)計(jì)方案對(duì)地下雨洪調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間設(shè)計(jì)，合理規(guī)劃調(diào)蓄、通徑管線、水處理、水文監(jiān)測等設(shè)施。③賦予排蓄通道雨洪調(diào)控和水質(zhì)凈化功能，結(jié)合水資源承載能力、洪澇安全進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)控排蓄；并實(shí)現(xiàn)污水分類處理和循環(huán)利用。

（四）系統(tǒng)監(jiān)管與維護(hù)

頂層設(shè)計(jì)必須統(tǒng)籌全局、系統(tǒng)規(guī)劃、時(shí)空結(jié)合。對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)好之后加強(qiáng)城市各類水文信息智能、自動(dòng)關(guān)管理極有必要。①多部門（市政、國土、環(huán)境、信息）聯(lián)動(dòng)，協(xié)同監(jiān)管和服務(wù)。②構(gòu)建城市水文信息系統(tǒng)，通過現(xiàn)代地理信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取相關(guān)水文、設(shè)施、人力、物力的時(shí)空信息，以便進(jìn)行排蓄、防洪等決策。

圖3 白銀市海綿城市計(jì)算分區(qū)與徑流系數(shù)空間分布

城市地表產(chǎn)流速率快、下滲透少，發(fā)揮城市海綿體的作用主要在于統(tǒng)籌生態(tài)蓄水、人工蓄水能力。對(duì)濕地、河湖、水域等建設(shè)相關(guān)的凹式綠地、植被覆蓋、透水設(shè)施等海綿式裝置，一方面緩沖徑流過程對(duì)地表的侵蝕，另一方面增強(qiáng)水土保蓄能力。另外，還要因地制宜構(gòu)建排蓄設(shè)施。

海綿城市建設(shè)需要從城市自然環(huán)境出發(fā)，對(duì)水文特征、生態(tài)要素、用水需求、管線通徑、排蓄設(shè)施等進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃、統(tǒng)籌布局，運(yùn)用生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建水資源與經(jīng)濟(jì)社會(huì)之間的關(guān)聯(lián)信息系統(tǒng)，做到水資源科學(xué)有效調(diào)配。在這一系統(tǒng)工程中，秉承“山水林田湖”生態(tài)性理念是其精髓，而采用高新科技和現(xiàn)代理念加強(qiáng)生態(tài)治理、防洪建設(shè)和蓄水工程是其關(guān)鍵技術(shù)。