西南喀斯特地區(qū)海綿城市建設(shè)探究

游媛+韋小茶+楊玉銀+楊珍招+周玉馨

摘 要：當(dāng)前，我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程正在逐步加速，城市不透水地面面積比例增大導(dǎo)致城市內(nèi)澇的現(xiàn)象出現(xiàn)?？λ固氐貐^(qū)是典型的工程型缺水的區(qū)域，水的生態(tài)失衡十分顯著，而我國西南地區(qū)的喀斯特發(fā)育最為典型。喀斯特地區(qū)海綿城市的建設(shè)探究正基于此背景。本文通過分析當(dāng)前國內(nèi)外的海綿城市的研究理念及成果，結(jié)合喀斯特地區(qū)的水文特征以及當(dāng)前喀斯特地區(qū)城市化過程中面臨的水問題，認(rèn)為喀斯特地區(qū)海綿城市建設(shè)應(yīng)主要結(jié)合綠色建設(shè)、藍(lán)色建設(shè)、灰色改造、智慧化建設(shè)的方法，兼顧水土流失防治，通過加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)來達(dá)到水生態(tài)平衡的目的。

關(guān)鍵詞：海綿城市；喀斯特地區(qū)；生態(tài)建設(shè)

中圖分類號：X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170732080

我國城鎮(zhèn)化正在穩(wěn)穩(wěn)推進(jìn)，但是我國水資源供需矛盾卻日益突出。對全國640個城市的調(diào)查顯示，每年缺水城市達(dá)300多個，其中嚴(yán)重缺水城市有144個[1]。據(jù)國家防總辦公室2015年統(tǒng)計(jì)，過去3a內(nèi)我國超過360個城市遭遇內(nèi)澇，暴雨洪水已經(jīng)直接造成了約353億元的經(jīng)濟(jì)損失?！坝銮缫缀担鏊诐场笔乾F(xiàn)代城市的通病，二者看似是2個極端，實(shí)則都是城市水生態(tài)不平衡的表現(xiàn)。現(xiàn)代城市內(nèi)澇的產(chǎn)生看似是城市現(xiàn)代化與城市滯后的排水系統(tǒng)之間的矛盾，但究其癥結(jié)也是城市水生態(tài)不協(xié)調(diào)。海綿城市建設(shè)具有防治城市內(nèi)澇和緩解城市水資源缺乏2方面的直接意義，而且在改善城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，提高城區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能價(jià)值方面的間接意義也不容忽視[2]?？λ固氐貐^(qū)地高水低，石多土少，土薄易旱，雨多地漏的特點(diǎn)導(dǎo)致具有地方特質(zhì)的喀斯特干旱，也稱為工程性缺水。同時(shí)，喀斯特地區(qū)的特殊自然條件也導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，在這樣的地區(qū)進(jìn)行海綿城市建設(shè)存在一定難度。目前我國的海綿城市建設(shè)還處于探索階段，大部分還是借鑒來自美國、澳大利亞、德國、日本等國的理念方法和成果，這些國家的氣候、地質(zhì)地貌、水文條件都與喀斯特地區(qū)有顯著差異，關(guān)于喀斯特地區(qū)的海綿城市建設(shè)尚在起步階段。海綿城市的建設(shè)必須因地制宜，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、地質(zhì)地貌、土壤和水文條件制定適合當(dāng)?shù)氐暮＞d城市方案，一味地生搬硬套只會適得其反。從我國的實(shí)際情況看，當(dāng)前我國各城市的防洪工程還是比較完善，城市的排水網(wǎng)絡(luò)也有一定的基礎(chǔ)，對于一般的降雨能夠起到較好的控制作用，但是對于超過城市排水設(shè)施能力的大規(guī)模降雨則是力不從心[3] 。這說明，我國海綿城市建設(shè)的理念和方法都還需要進(jìn)一步地提升，對于喀斯特地區(qū)的海綿城市建設(shè)無法回避，應(yīng)充分體現(xiàn)因地制宜的理念。

1 喀斯特地區(qū)海綿城市建設(shè)原則

1.1 加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)

我國典型的喀斯特地貌主要分布于西南部，西南巖溶出露面積達(dá)54km?，水土流失嚴(yán)重，其環(huán)境容量低，生態(tài)環(huán)境敏感度高，生態(tài)環(huán)境脆弱，承災(zāi)閾值彈性小?？λ固氐孛矃^(qū)屬于我國4大生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)之一，是我國生態(tài)建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域之一，喀斯特植被破壞后，生境的旱生化迅速加劇，局部陰濕生境消失，水土流失越發(fā)嚴(yán)重[4]?？λ固氐某鞘薪ㄔO(shè)就是在這樣的背景下，所以保持水土，防治水土流失是喀斯特地區(qū)海綿城市建設(shè)的重要任務(wù)。

1.2 新建為主，舊改為輔

西南喀斯特地區(qū)國家級貧困縣多達(dá)152個，整體而言，由于人地關(guān)系矛盾突出，喀斯特地區(qū)較我國其他地區(qū)相比多為欠發(fā)達(dá)地區(qū)。近幾年，雖然在國家的大力扶持和開發(fā)下，城市化進(jìn)程加快，但經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較差，地形破碎，建筑密集，新城區(qū)綠化面積少，舊城區(qū)排水系統(tǒng)老化嚴(yán)重。所以 ，要完成“在2020年及2030年分別達(dá)到城市建成區(qū)20%及80%以上的面積達(dá)到海綿城市建設(shè)目標(biāo)”要求，應(yīng)積極在城市新區(qū)開展海綿城市的建設(shè)，而對于舊城區(qū)，應(yīng)僅以問題為導(dǎo)向，結(jié)合舊城改造實(shí)施低影響開發(fā)實(shí)施的建設(shè)，不宜大拆大建，大面積鋪開進(jìn)行海綿城市的改造[5]。

1.3 加強(qiáng)景觀建設(shè)

喀斯特地貌類型多樣，造型奇特，風(fēng)景秀麗，具有非常好的旅游價(jià)值，喀斯特地區(qū)適宜旅游業(yè)的開發(fā)，因此在喀斯特地區(qū)進(jìn)行海綿城市的建設(shè)時(shí)要考慮景觀的美觀與協(xié)調(diào)。在國外已經(jīng)應(yīng)用比較成熟的雨水花園以及綠色屋頂、垂直綠化都有很好的景觀美化作用，同時(shí)有很好的實(shí)用性。我國西南喀斯特地區(qū)位于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，春夏有非常好的雨熱條件，適宜建設(shè)此類景觀。

1.4 污染控制

喀斯特地區(qū)的水污染包括地面水污染和地下水污染2個部分?？λ固氐孛驳牡叵滤l(fā)育良好，地下水的水循環(huán)周期漫長，極易受到污染，重新恢復(fù)十分困難，因此在喀斯特地區(qū)建設(shè)海綿城市更需注意水污染的防治。

2 喀斯特地區(qū)海綿城市建設(shè)方法

2.1 綠色建設(shè)

植物具有良好的儲水功能，能利用自身根部所儲存的水自我供養(yǎng)，對水的調(diào)節(jié)功能極為強(qiáng)大。因此在海綿城市建設(shè)中，植物必不可少，綠色建設(shè)尤為重要。綠色建設(shè)包括建筑綠化、道路綠化、公園綠化、保水保土。

2.1.1 建筑綠化

建筑綠化也稱為立體綠化，包括垂直綠化、屋頂綠化、樹圍綠化、護(hù)坡綠化、高架綠化等形式。立體綠化是海綿城市建設(shè)過程中不可缺少的一個環(huán)節(jié)。城市是一個人口密集，建筑物密集的地區(qū)，特別是城市中心區(qū)，幾乎都是被建筑物所覆蓋，此時(shí)應(yīng)該從建筑物本身來入手，充分利用不同的立地條件增加城市綠化。由于城市建筑群密集，硬地面比松軟的土壤和植被具有更強(qiáng)大的吸熱功能，所以使得城市地區(qū)的氣溫普遍高于周邊的郊區(qū)，這就是城市熱島效應(yīng)。城市熱島效應(yīng)增強(qiáng)空氣對流，空氣中的煙塵提供了充足的水汽凝結(jié)核，所以城市降水比郊區(qū)多。垂直綠化的意義就在于通過增加植物來調(diào)節(jié)城市的小氣候，使雨水通過植物蒸騰作用在城市自然循環(huán)，因?yàn)橛晁诮德涞降孛嬷敖?jīng)過越多的植物的攔截和吸收就能更多地蒸騰進(jìn)入大氣或者被植物自身利用。雖然垂直綠化不但給人以視覺的美感，而且可以改善熱島效應(yīng)，但是建設(shè)和維護(hù)成本過高，并且我國的垂直綠化技術(shù)還正在啟蒙階段，技術(shù)不穩(wěn)定，目前垂直綠化在我國的普及還需要一段探索的時(shí)間。因此，深圳市的設(shè)計(jì)促進(jìn)中心的黃偉文提倡選擇屋頂綠化，他認(rèn)為屋頂綠化效果更強(qiáng)，成本更低。綠色屋頂相較垂直綠化除了具有相同的優(yōu)點(diǎn)之外，維護(hù)和管理也更為簡單，技術(shù)也較為成熟，在歐美地區(qū)廣泛應(yīng)用于雨水徑流的控制和建筑環(huán)境的改善。喀斯特地區(qū)具雨多地漏的特點(diǎn)，對喀斯特坡地6種不同土地利用條件下徑流小區(qū)的地表徑流，植被穿透雨量以及地下水出口水位的初步監(jiān)測結(jié)果表明，6個徑流小區(qū)地表徑流系數(shù)均非常小，介于0.01%～12.81%，平均值為0.62%[6]。顯然，喀斯特坡地的地表徑流易于入滲并轉(zhuǎn)化為地下徑流。而《室外給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50014-2006中3.2.2規(guī)定，給排水設(shè)計(jì)屋面、混凝土或?yàn)r青路面徑流系數(shù)取值為0.85～0.95。顯然，硬化路面的徑流系數(shù)比喀斯特自然地面大很多，這說明喀斯特的坡面降雨易被自然路面吸收，而硬化屋面不易吸收，喀斯特地區(qū)的自然地面很難留住雨。要將一定降雨量的雨水“留”下來，需加強(qiáng)“滯”方面的工程措施，增加雨水在城市內(nèi)的流行時(shí)間，同時(shí)增加“滲”的功能和效果，緩解洪峰的峰值，降低內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)[7] 。研究表明綠色屋頂能阻滯大約63%的雨水[5]。植物是綠色屋頂?shù)闹饕采w物，通過植物對雨水的截留、吸收作用以及土壤層對雨水的吸收作用，可以大大降低屋面雨水徑流的流量和流速，且經(jīng)過凈化的雨水可以收集后回用[9]。

2.1.2 道路綠化

在我國一些先行的海綿城市建設(shè)中已將不透水性的路面更換成了透水性磚，雖然透水性磚以其高效透水，價(jià)格低廉的特點(diǎn)成為海綿城市建設(shè)過程中不可或缺的一部分，但是其也有弊端。人們對透水磚的偏愛，很容易造成透水磚的大量使用，而忽略未覆蓋自然土壤面積大量減少的局面，造成城市自凈能力大幅下降[10]。因此在海綿城市建設(shè)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的場地和功能選擇透水性鋪設(shè)，如廣場和停車場就可以選擇嵌草磚，嵌草磚有助于雨水的下滲，加雨水植物蒸騰作用。在我國西南喀斯特地區(qū)可以選擇抗旱、耐一定水濕、耐瘠薄、抗病蟲害能力強(qiáng)、耐踐踏、喜溫暖濕潤氣候的結(jié)縷草。

2.1.3 公園綠化建設(shè)

在海綿城市的建設(shè)中應(yīng)當(dāng)對公園進(jìn)行綠化建設(shè)，在公園綠化建設(shè)過程中，需要對原有自然環(huán)境進(jìn)行保護(hù)。以森林公園為例，與天然林相比，人工純林對防治水土流失的作用較為有限，如林相單一的人工闊葉林，降雨能在葉面形成較大雨滴，如果林下表土沒有地被遮蓋，則雨滴會對地表產(chǎn)生較強(qiáng)的擊濺作用，從而導(dǎo)致表土層常被沖走 [11]。

治水之本在于興林，在山區(qū)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，人地關(guān)系矛盾突出，而城市多是以第三產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，在喀斯特地區(qū)的城市中，育林、育灌、育草的能力更大，在海綿城市建設(shè)的過程中應(yīng)將公園作為城市生態(tài)建設(shè)的基地，將公園作為城市育林、育灌、育草的重要場所。如濕地公園的建設(shè)，濕地具有調(diào)蓄、削減洪峰、延長水流時(shí)間以及減慢緩流的作用，在海綿城市建設(shè)過程中需要保護(hù)濕地資源。濕地調(diào)蓄能力大小主要取決于濕地自身面積和容積，尤其是容積大小，實(shí)際可用于調(diào)蓄洪水的容積是指水位以上的容積，因此保護(hù)濕地資源刻不容緩。除此之外，在所有公園的建設(shè)中都應(yīng)該做到讓水自然循環(huán)，減少硬地面的面積，特別是不透水的硬地面，在公園的人行道和活動廣場以及停車場應(yīng)盡量選擇嵌草磚。在公園綠化的過程中也要考慮建筑物的屋頂綠化，景觀應(yīng)營造出人與自然和諧相處的氛圍。

2.1.4 保水保土

在城市化進(jìn)程中，由于不當(dāng)?shù)纳a(chǎn)建設(shè)方式，導(dǎo)致了植被遭到了破壞。由于植被破壞，土層變淺，雨水?dāng)r蓄能力降低、徑流系數(shù)增大[12]。當(dāng)暴雨自天而降時(shí)，大量雨水便夾泥沙直下江河，山洪爆發(fā)，造成水位急速攀升，洪災(zāi)勢不可免[12] 。因此在海綿城市建設(shè)過程中，特別是在土層薄的喀斯特地區(qū)需要注意保水保土。在過去長江流域洪澇災(zāi)害治理的過程中開展了香根草生態(tài)工程，香根草在貴州喀斯特山區(qū)的水土保持工程中也有著非常顯著的作用。香根草，別名巖蘭草，是禾本科香根草屬的一種多年草本植物，原產(chǎn)于我國南方、印度、巴西等熱帶亞熱帶地區(qū)，株高1.5～2m，桿莖挺直，直徑約1cm?？鼓嫘院茫秃?，耐瘠，適應(yīng)性廣，根系縱深發(fā)達(dá)，能固持土壤。用香根草保持水土，可減少93%的土壤侵蝕和60%的地表徑流[13]。雖然在海綿城市建設(shè)的過程中，不需要調(diào)節(jié)農(nóng)田小氣候，但是香根草的這些優(yōu)點(diǎn)顯然適用于海綿城市的建設(shè)。香根草生態(tài)工程并不是只種香根草，在開展香根草工程時(shí)，仍然會在草帶間種植其他植物。由于受到綠籬帶的保護(hù)，帶間喬灌草藤植物都能安然生長發(fā)育，并最終和香根草建起一道堅(jiān)實(shí)的“生物壩”[14]。在喀斯特地區(qū)建設(shè)海綿城市，應(yīng)當(dāng)將香根草生態(tài)工程應(yīng)用于城市景觀的構(gòu)建。

2.2 灰色改造

所謂灰色改造，就是改造在建設(shè)海綿城市之前能基本實(shí)現(xiàn)污染物排放、轉(zhuǎn)移、和治理但是并不能解決污染根本問題的基礎(chǔ)設(shè)施，將灰色基礎(chǔ)設(shè)施改造為綠色基礎(chǔ)設(shè)施。

我國一些先行海綿城市已將不透水的路面替換成了透水路面。但是我國的透水路面目前多為自透水性混凝土路面。本世紀(jì)初的大量研究，以及早期透水路面工程案例都證明：自透水混凝土（磚）的透水路面，在鋪裝使用3個月，1a后就分別損失了70%，90%以上的透水性能，而且無法恢復(fù)[14]?？λ固氐貐^(qū)多為經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，海綿城市建設(shè)起步晚的喀斯特地區(qū)在積極吸取成功的經(jīng)驗(yàn)同時(shí)避免犯相同的錯誤。

大多數(shù)喀斯特地區(qū)經(jīng)濟(jì)處于欠發(fā)達(dá)狀態(tài)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后，發(fā)達(dá)城市排水系統(tǒng)能完成基礎(chǔ)的污染物的排放和轉(zhuǎn)移，而喀斯特地區(qū)的地下排水系統(tǒng)陳舊老化嚴(yán)重、配置不完善甚至是癱瘓，難以完成污染物的排放和轉(zhuǎn)移。因此在喀斯特地區(qū)進(jìn)行海綿城市建設(shè)時(shí)應(yīng)當(dāng)對老城區(qū)的地下排水系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)和改造，并在地下排水系統(tǒng)原有基礎(chǔ)上增加過濾凈化設(shè)施，削弱水污染。在新城區(qū)應(yīng)配備中水和灰水回收利用的設(shè)施，緩解城市用水壓力。在灰色改造的同時(shí)需進(jìn)行藍(lán)色建設(shè)。

2.3 藍(lán)色建設(shè)

藍(lán)色建設(shè)就是利用雨水資源的設(shè)施配套。海綿城市應(yīng)注意水的生態(tài)平衡。因此雨水的排放也從無組織排放向有組織排放過渡。浙江嘉興地區(qū)所有新建和改建的項(xiàng)目必須設(shè)置雨水徑流污染控制設(shè)施，在雨水排放口末端設(shè)置物理處理及生態(tài)處理設(shè)施，削減雨水中的COD、SS等污染物。為了緩解城市的地下排水系統(tǒng)的負(fù)荷，可以利用集雨工程在雨水降落到地面未滲漏地下之前，攔集和貯蓄水資源。在降雨充沛的喀斯特地區(qū)可以利用屋面集雨，也可以借鑒同樣有豐沛雨水資源的臺北的經(jīng)驗(yàn)在地面建設(shè)雨撲滿系統(tǒng)。而集雨收集應(yīng)當(dāng)由以下6部分組成：集水區(qū)、輸水系統(tǒng)、屋頂沖洗系統(tǒng)、貯水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)。還可以通過人工循環(huán)的方式促進(jìn)水體的有利轉(zhuǎn)化。由于包氣帶對污染物具有一定的過濾淋洗功能，當(dāng)?shù)乇硭鹘?jīng)包氣帶時(shí)，水體經(jīng)過雜質(zhì)吸附過程得以凈化補(bǔ)充地下水，再采用抽排等措施將地下水回補(bǔ)地下水，采用這種人工循環(huán)方式，促進(jìn)了水體的有利轉(zhuǎn)化，最大限度地發(fā)揮水體的使用價(jià)值[15]。海綿城市是水彈性城市，需要輸入水和輸出水的平衡，因此可以嘗試使用在西北干旱地區(qū)實(shí)驗(yàn)并取得顯著成果的微型水庫即抗旱保水劑，它在土壤中能將雨水或澆灌水迅速吸收并保住，并使其變成固態(tài)水而不流動不滲失長久保持局部恒濕，干旱時(shí)緩慢釋放供植物利用。但是由于其主要應(yīng)用于土地荒漠化治理，未在喀斯特地區(qū)使用過，所以仍待進(jìn)一步研究。

2.4 智慧化建設(shè)

海綿城市建設(shè)主要考核標(biāo)準(zhǔn)是年徑流控制率，健康的水循環(huán)還需要檢測水質(zhì)，建設(shè)過程中急需引入現(xiàn)代信息技術(shù)?，F(xiàn)代信息技術(shù)在信息的監(jiān)測、收集、整合、分析、模擬、優(yōu)化等方面有著傳統(tǒng)技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢[16]?，F(xiàn)代模擬、分析、監(jiān)測的信息技術(shù)對海綿城市規(guī)劃起著重要的作用。喀斯特流域的水文情況十分復(fù)雜，地下水情況難以進(jìn)行人工觀測，枯水期、平水期和洪水期的水文情況不同，且流量對降雨有一定滯后性，更需要現(xiàn)代信息技術(shù)的幫助。當(dāng)前我國海綿城市的建設(shè)主要著眼于工程建設(shè)，而忽略了海綿城市的管理，導(dǎo)致后期維護(hù)工作難以開展。而智慧海綿城市運(yùn)用以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)為核心的新一代信息技術(shù)來感測、分析、整合城市各項(xiàng)信息，作出快速、智能響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)和城市間在智慧技術(shù)支持下的跨越時(shí)空的物與物、人與物、人與人的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信息聯(lián)系，使各類資源的效能最大化和最優(yōu)化，為居民創(chuàng)造更美好的城市生活[17]。

3 結(jié)語

海綿城市是一種理念，每一種海綿城市的模式都只能為建設(shè)海綿城市提供一種意見，而不能生搬硬套。當(dāng)前我國的海綿建設(shè)不缺乏理論指導(dǎo)，而是缺乏精細(xì)化的理論指導(dǎo)，本文也僅僅是探索了喀斯特地區(qū)的海綿建設(shè)的方向。而且真正建設(shè)好海綿城市需要的是絕非僅僅是定性的理論指導(dǎo)，海綿城市面臨的是實(shí)際操作過程，在實(shí)際操作過程中定量的技術(shù)指導(dǎo)非常重要。以我國當(dāng)前已經(jīng)正在逐步普及的透水性路面來說，關(guān)于透水性路面鋪裝后的后續(xù)觀察測量的工作極少。且目前海綿城市較為發(fā)達(dá)的國家已經(jīng)完全棄用自透水混凝土，他們主要使用的是磚縫隙透水為主的結(jié)構(gòu)。對于磚縫隙透水的透水路面結(jié)構(gòu)，則不但規(guī)定了縫隙內(nèi)材料（砂子）的具體粒徑等性能要求，還提出定時(shí)真空吸出清洗后回填的日常使用維護(hù)措施，以保證這種結(jié)構(gòu)形式透水路面的透水性能可長期保持[18]。而我國對于海綿城市建設(shè)中的操作細(xì)節(jié)量化并不精準(zhǔn)，對于海綿城市的維護(hù)工作關(guān)注度較低。如雨水收集時(shí)應(yīng)當(dāng)有雨水棄流過程，雨水棄流需明確不同條件下徑流污染物的沖刷規(guī)律，為非點(diǎn)源污染控制及雨水利用系統(tǒng)中應(yīng)用初期棄流方式[19]。但是我國在雨水收集方面所做的量化不足，應(yīng)用也較少。同時(shí)，現(xiàn)在我國的海綿城市的理論大多參考來自國外的經(jīng)驗(yàn)，但是喀斯特地區(qū)具有獨(dú)特的水文特征和地質(zhì)地貌特征，在海綿建設(shè)的過程中應(yīng)當(dāng)摸索屬于自己的特色道路，在理論指導(dǎo)結(jié)合實(shí)際情況的探索下一定會卓有成效。

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