從流域和多空間尺度探討城市內澇現(xiàn)象及治理建議

王沫

摘 要：以“海綿城市”的概念為出發(fā)點，從生態(tài)學的尺度、城市尺度和流域尺度三方面分析了城市內澇現(xiàn)象，并提出了保護水系水岸植被、治理湖泊污染淤積、合理建設水利防洪工程等治理建議。

關鍵詞：海綿城市;洪水;流域;空間尺度

中圖法分類號：TU992 ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0302

1 ?“海綿城市”與城市內澇

1.1 “海綿城市”的概念

“海綿城市”是低影響開發(fā)（Low Impact Development）在中國的通俗版本，旨在通過在城市里建設很多“海綿體”似的雨水花園、草地、林地、濕地、水塘、湖泊來儲蓄雨水資源，加快、加大雨水下滲率，減少、減小地表徑流（水土流失、面源污染）?！昂＞d城市”提出了“雨洪是資源”的正確概念其建設者也進一步提出了“以海綿城市建設解決城市內澇問題”等理念。

1.2 ? 海綿城市建設不能解決城市內澇

城市內澇是在區(qū)域或者流域的尺度上產生的問題，也只能在區(qū)域或流域的尺度上解決問題。這是生態(tài)學的基本常識，即一切生態(tài)關系是以生態(tài)尺度為基礎的生態(tài)系統(tǒng)關系?！昂＞d城市”可以在城市內小區(qū)域尺度上解決地表徑流、小區(qū)域尺度的雨水資源等問題，城市中大大小小的“海綿體”可以實現(xiàn)其海綿的功能，例如解決區(qū)域內雨水下滲、減少地表徑流、減少面源污染等問題。但是它不具備“海綿城市”所預期的解決城市內澇的功能和效應。

2 ?城市尺度上的城市內澇

城市化發(fā)展改變了城市下墊面物質組成與結構，原有濕地、林地、草地被住宅、公路、街區(qū)等替代，城市降水徑流過程發(fā)生了顯著變化。以武漢市為例：歷史上，武漢有“三山六水一分田的說法”?，F(xiàn)在武漢的六分水（湖、河漫灘、濕地）變?yōu)槎炙?，其余四分水變成了城市，無法承載暴雨帶來的城市洪澇。究其原因，一是城市不透水面積增加，排水系統(tǒng)相對滯后;二是部分城區(qū)建在“雨洪通道”上（低洼處），防洪高堤又阻止了雨水外排的可能?！耙环痔铩笔怯晁赡艿摹俺雎贰保梢砸?guī)劃建設能將雨水盡快引入田間的途徑。

古今中外，城市一般都依山傍水而建，概括起來兩種建法：一是將城市建立在最大洪水線之上，稱之為“安全建設高程”。暴雨來了，雨水自然往水系里排。二是例如荷蘭的阿姆斯特丹那樣，城市建在低洼地，建時就把城市圍起來，洪水來了，把水往外抽。

城市尺度上的城市內澇問題跟城市的空間格局有關?，F(xiàn)在的城市大多土地平整，由于水表張力和城區(qū)平坦，暴雨雨水無法向四周擴散而在城內聚集，城市內澇不可避免了，平整的城區(qū)面積越大，城市內澇就越嚴重。為此，城市建設者建設城市的排水系統(tǒng)，以期能夠解決城市排澇問題。但是排水井口總是在城市低洼處，暴雨一來，最容易堵塞的也是排水井口。目前，解決此問題有兩種辦法：一是改進井口的設計，改平坦式井口為凸起式井口;二是城市按地形地勢分隔成地表面流的排水街區(qū)或路段，讓水以最可能短的距離、最快的速度往低洼地散開。防止大量雨水淤積，進而堵塞，最后匯集為洪流，或避免大量雨水匯集入路網成為水（渠）網，造成水土流失和面源污染。

另外，現(xiàn)在的部分道路設計，往往綠化帶比路面高，綠化帶里的雨水和泥水流入道路路面，路面的雨水順著道路往低處流，路面形成“水渠”，城市街道也會形成“水渠”網，從而造成城市內澇。因此，要解決這一問題，一是在道路規(guī)劃建設時，路面應該比道路兩邊的綠化帶高，雨水就會自然流向道路兩邊，路面不會積水積淤。二是路邊每隔幾十米設置分散的排水口，避免雨水在路邊形成水流。對雨水進行管理的原則，一是加大就地下滲;二是盡可能盡快用“面流”的方式分散雨水;三是在有條件的情況下盡可能盡快將雨水引入低洼的農田、水系、濕地。

3 ?流域尺度上的城市內澇

3.1 ?河流比降對城市內澇的影響

根據(jù)目前研究發(fā)現(xiàn)，從流域尺度考慮城市內澇問題首先需要關注流域里的河流比降，即河流水面比降，又稱水力坡度。從理論上說河流水面比降受水流速、河床、水質等諸多因素的影響。但從實用的角度出發(fā)要注意以下情況：一是比降小于0.004%，水面是一個靜止的狀態(tài)，此坡度下，由于水表張力的作用，水體無法流動。打比方，如果從三峽大壩到重慶朝天門碼頭約600km，三峽大壩的水位為145m高程，即使沒有水的流動重慶的水位也會在169m高程以上。二是比降大于0.004%，小于0.01%，則會產生泥沙沉淀，堵塞河道，形成死水。三是比降大于0.01%，小于0.1%，是水體自凈化能力最強的水流。四是比降大于0.1%，水流順暢，但自凈化功能降低了，沖刷增加了，水資源也就快速流失了。比降大時，河流就會沖刷拐彎加大長度，減少比降，直到達到平衡。洪水來時，水頭壓力加大，比降也會加大。水流尤其是洪水，受到大壩的阻攔，就會增加水頭的壓力，比降就會抬高。即使是抬高到0.1%，當三峽大壩處于145m的水位時，重慶水位可能會達到195～205m，就可能造成城市內澇。

3.2 ?氣象對城市內澇的影響

根據(jù)氣象資料發(fā)現(xiàn)，近20年全國各城市的年平均降雨量跟前20年并沒有太大的差別。但是，一次連續(xù)降雨量能占據(jù)年平均降雨量的30～70%，甚至達到年平均降雨量的120%。比如，河北省贊皇縣歷史上年均降雨量568mm，而2016年7月19日一次連續(xù)降雨量高達721mm，超過年均降雨量26.9%。2020年梅雨期，長江流域降雨強度大、時間長，有的突破歷史極值。據(jù)統(tǒng)計：2020年6月8日入梅以來，武漢市梅雨期歷時45天，與1998年梅雨期時長持平，時長歷史第二。共經歷8輪強降雨，累計降水量達到801.1～1046.9mm，局部地區(qū)超過1 100mm，全市平均累計降水量904.1mm，接近2016年歷史同期平均累計雨量（923mm），居歷史同期第二位;其中江夏烏龍泉最大累計雨量為1 122mm，最大24小時降雨量472.3mm，為歷史極值。同時，整個流域同時產生突發(fā)性和多發(fā)性連續(xù)強降雨的可能性越來越大。例如，邁阿密是近60年來在海岸濕地上發(fā)展起來的城市，整座城市水網交錯，看不到防洪堤壩，房屋臨水而居，高出水面（即海平面）不到3m。邁阿密年降雨量超過1 800mm，一次連續(xù)降雨量（包括臺風雨）可超過300mm，卻無城市內澇現(xiàn)象發(fā)生，其原因值得探究。根據(jù)在衛(wèi)星測量，這座大都市水面面積與陸地面積之比超過20%。也就是說，如果一次300mm的連續(xù)降雨量傾泄到100km2的匯水面積上（不考慮下滲和其他因素），300mm的雨水從100km2匯集到20 km2的水面上，水面上的水位會升高5倍即1.5m。在對于水面面積與陸地面積之比的研究中發(fā)現(xiàn)，田納西州作為美國最早成立流域管理局的區(qū)域，其水面面積與陸地面積之比是7～11%。而中國許多省份的水面面積與陸地面積之比都在1%以下，這是我國“生態(tài)文明建設亟需關注的問題。

4 ?建議

4.1推進海綿城市建設

從小區(qū)域的尺度來說，需要完善海綿建設，實現(xiàn)雨水就地下滲、減少地表徑流;從城市尺度來說，應該將城市建設在安全高程之上，避免占用水面，“圍城”而不“圍水”，將雨水管理作為城市設計的第一基本功，做到“按一片天管好一片地”（王浩院士語）;從流域的尺度來講，應該保護水系的自然水文形態(tài)、保護河流的彎曲度、保護河漫灘和濕地，更重要的是要保護水系水岸植被（河流基本上是“裸河”）。同時，加大力度恢復濕地和水面，擴大其面積。

4.2 ?治理湖泊污染淤積

正常情況下，自然湖泊的淤積底泥以每年1mm的速度增加。而許多受到污染的湖泊的淤積底泥每年的增加都超過15cm，這有150倍之差。這些被污染的湖泊都是“平底湖”，平均水深3m左右，處于風力可以對底泥產生影響（攪拌）的作用范圍。風力不斷把富營養(yǎng)化的底泥攪拌到水體里，在陽光的作用下，各種藻類瘋狂生長，死后沉淀進入淤泥，又被攪拌重新進入水體。如此循環(huán)直到水體耗盡氧氣而發(fā)臭，底泥不斷淤積，使得湖泊成為“死湖”，失去生態(tài)功能和蓄水的水資源功能。生態(tài)修復的目標就是杜絕污染、清除淤泥、使湖泊和濕地恢復到原有面積（濕地面積一般占湖泊面積的5～20%）、實現(xiàn)湖泊三類水水質（這是恢復湖泊水生態(tài)系統(tǒng)功能的關鍵）。更重要的是，為了維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，應該通過生態(tài)工程建立0.01%到0.1%比降的“鍋底狀”湖底，使水深超過3m，降低風力對底泥的影響程度，恢復湖泊的自然水動力，恢復水體自凈化系統(tǒng)。這里的恢復是指增加湖泊濕地的蓄洪能力，減少污染、減少淤積也是增加湖泊的蓄洪能力。不同生態(tài)尺度上的生態(tài)系統(tǒng)關系從來都不是單一的。

4.3 ?合理規(guī)劃城市防洪工程

從科學工程學視角建議，在實施生態(tài)修復工程和水利防洪工程時，不僅應該證明工程項目的可行性，還應該考慮以下：工程建設的必要性，工程建設的優(yōu)劣，工程的目標，對工程目標的量化和檢驗，投入資金的合理性，其他更為科學的替代方法等等。比如，考慮到大壩攔阻了泥沙，河水變清加上水的壓力，導致河床下切，枯水季節(jié)，長江水難以進入鄱陽湖。鄱陽湖有可能成為“鄱陽濕地”或“鄱陽草地”;河床的下切，同時還有可能引起上海的海水倒灌和崇明島形態(tài)的變化。當然，這種空間尺度的變化也涉及到時間尺度的議題。時空尺度的交融，使得未來對“城市防洪排澇問題的科學思維更復雜、更具有挑戰(zhàn)性。

5 ?思考

不同空間尺度對于城市防洪排澇問題具有不同研究視角。不同尺度上的問題有著不同的解決措施和方案。這些不同尺度上的問題、措施、方案還與景觀格局密切相關，即是不同空間尺度下的空間關系（也稱生態(tài)空間關系）。通俗地說，就是不同尺度上不同土地（利用）類型及其變化的相關關系。這也是邁阿密大都市20%的水面面積與陸地面積比避免城市內澇的原因。而如今，有著“四城三山二水一分田”的武漢卻時常出現(xiàn)城市內澇現(xiàn)象，其原因就在于“空間格局”的不同，是20%的水跟城市的空間格局（空間關系）的不同。同樣20%的水面，武漢的20%水面與城市和江河水面高程和格局的空間關系與邁阿密很不一樣，所以城市防汛排澇的結果也大不一樣。

那么，對于“海綿城市”建設能不能解決城市內澇問題，是否可以把“海綿城市”的概念擴大為“國土海綿”或者“流域海綿”的廣義概念去認識這一討論。生態(tài)學尺度的含義不僅僅是空間范圍或面積大小的問題，同時還是一個生態(tài)等級（ecological hierarchy）的概念。小區(qū)尺度，著眼的是海綿體的問題，關注的是地表徑流和就地下滲的問題;城市尺度，關心的是城市內澇的問題，關注的是城市“山水林田湖城”的空間格局和空間關系問題;而流域尺度下的城市防洪排澇問題，關注的是流域水系、水面積及其對突發(fā)超強降雨的應對能力問題。通俗地說，生態(tài)學尺度就是在不同的生態(tài)等級上處理不同的生態(tài)關系。“國土海綿”和“流域海綿”不屬于城市尺度或流域尺度的等級，因此它無法解決城市尺度和流域尺度上城市防洪排澇問題。

作為空間格局的討論，進一步引申，討論全國正在推動的國土空間規(guī)劃。從流域的空間尺度的基本命題和思路出發(fā)推進國土空間規(guī)劃無疑是正確的，國土空間規(guī)劃強調了流域生態(tài)系統(tǒng)的“山水林田湖”的實體也是正確的。但是，不能忽略“山水林田湖”的相互關系，尤其是空間相互關系，不能忽略“山水林田湖”作為生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能和其為生態(tài)系統(tǒng)服務能力，不能忽略“山水林田湖”與城市擴張和經濟發(fā)展的空間相互關系。這些空間相互關系對于國土空間規(guī)劃的重要意義值得關注。因此，國土空間規(guī)劃必須建立在嚴格、科學、具有法律效益研究的基礎上，以保證國土空間規(guī)劃的實用性、前瞻性、科學性。在不同生態(tài)學尺度上，科學地處理好各種空間關系，使城市不再受“城市看?！焙汀俺鞘泻樗眴栴}的困擾。

Discussion on Urban Waterlogging Phenomenon and Treatment Suggestions

from the Watershed and Multi-spatial Scales

Wang Mo

（Wuhan Hydrology and Water Resources Survey Bureau， Wuhan 430070， China）

Abstract： Taking the concept of "sponge city" as the starting point， this paper analyzes urban waterlogging from three aspects： ecological scale， urban scale and watershed scale. Proposals were put forward for the protection of waterfront vegetation， the treatment of lake pollution and siltation， and rational construction of water conservancy and flood control projects.

Keywords： sponge city; flood; watershed; spatial scale