海绵城市建设及相关技术问题分析

方　正，张　磊，刘　非

(武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)



海绵城市建设及相关技术问题分析

方正，张磊，刘非

(武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)

摘要：建设海绵城市已经受到了各级政府的高度重视，但由于其建设理念与传统的城市雨洪管理模式存在很大差别，各地在落实过程中面临着诸多问题和困难，从而影响了海绵城市的建设与实际效果。详细阐述海绵城市产生背景及工程措施，结合国外海绵城市建设的探索经验，对我国建设海绵城市过程中存在的规划、设计、评估、调度、运营维护等关键问题进行了分析,旨在为推进海绵城市建设进程提供参考依据。

关键词：海绵城市；雨洪管理；关键问题

1海绵城市产生的背景

2013年12月12日，习近平总书记在中央城镇化工作会议上提出我国城市要建设“自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”。2014年11月，住房与城乡建设部发布了《海绵城市建设技术指南》[1]。2015年1月，财政部、住房与城乡建设部、水利部三部门联合下发《关于组织申报2015年海绵城市建设试点城市的通知》。2015年10月11日国务院又下发了《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》，海绵城市已经成为我国城镇化建设的重要发展方向，也是规划未来城市防洪排涝、雨洪管理的重要指导思想，海绵城市思想的提出跟我国城市在过去发展过程中出现的一系列社会和生态问题不无关系。

1.1快速城市化

建国60多年来，特别是改革开放的30多年，我国城市建设取得了很大成就，城镇化水平有了很大的提高。2014年末，全国的设市城市已从1949年的136个发展到657个，建制镇的数量也从1949年5 000多个，增加到2011年末的19 683个。城镇化水平在1949年仅为10.6%，1980年为19.4%，2014年达到54.7%。城镇人口1949年只有5 765万，2014年全国城镇常住人口为74 916万。我国城市建成区扩大迅速，80年代初期我国城市建成面积为7 438 km2，2014年已经达到4.98万km2。根据国家新型城镇化规划(2014—2020年)，到2020年，城镇化水平将进一步提升，常住人口城镇化率达到60%左右。

城市化的发展带来了土地集约化使用，建筑、道路等硬化面积不断扩大，同时，我国还逐步发展成了以长三角、京津冀和珠三角领头的十大城市群和十几个中小城市群，以各个城市群为中心向四周辐射[2]。城市群的发展在带来经济社会群集效益的同时，用水与排水集中度加大，极大干扰了水循环过程，给生态环境带来巨大压力，各类水问题日益凸显[3]。

1.2城市极端天气增加

由于城市各类生产企业及居民生活的热量集中释放，城市上空热岛效应明显，导致城市小气候发生较大变化，出现极端暴雨和极端干旱的概率增加，形成城市的雨岛效应。观测表明，近50年来，城市短历时暴雨强度明显增加、极端降水天数也在增多。特别是在市区及城市下风向的地区有降水量增多的现象。上海汛期(5—9月)平均降水量分布显示，最大降水量中心位于市区，向外逐渐减小，市中心的降水比郊区多约60 mm。北京城区年降雨量大于郊区雨量，增雨系数(城区/郊区)为1.04，城区汛期(6—9月)雨量占年雨量比例增幅为3.35%。

1.3城市内涝频发

由于城市土地硬化面增加，城市雨岛效应和下垫面产汇流过程畸变导致内涝现象频发。2007—2013年，全国超过360个城市遭遇内涝，其中1/6的城市单次内涝淹水时间超过12 h，部分城市道路淹水深度超过1 m，北京、广州、南宁、济南等城市甚至发生了造成人员伤亡的内涝事故。2007年7月18日，济南市遭遇特大暴雨，市区平均雨量134 mm，致使南部城区形成了类似山洪性质的街巷洪水，市区积水1 m以上的路段达51处，部分低洼地段最大积水深度达4 m，个别坡度较陡路段水流流速达3 m/s以上，造成26人死亡。2012年7月21日，北京遭遇强降雨，城市道路、立交桥严重渍水，造成79人死亡，京广铁路中断，京港高速最深积水达6 m，160万人受灾。住房与城乡建设部对全国城市的内涝情况调研显示，全国有213个城市发生过不同程度的积水内涝，占调查城市的62%，北京、上海、广州、重庆、昆明、杭州、武汉、西安等都出现过严重的内涝灾害。

城市内涝频发的原因有如下几点：

1)城市化导致不透水面积增加。在天然植被覆盖状况下，降雨有40%直接蒸散发掉，有25%雨水浅层入渗，25%深层入渗，只有10%形成地表径流;在10%～20%不透水面情况下，降雨有38%蒸散发，21%浅层入渗，21%深层入渗，还有20%形成地表径流;而到了75%～100%不透水面情形时，蒸散发只占降雨量的30%，有10%浅层入渗，5%深层入渗，55%形成了地表径流。

2)城市雨岛效应。

3)城市排水基础设施建设不足。大多数城市排水基础设施建设严重滞后于城市化的发展进程，重地上，轻地下，我国大部分城市排水系统的设计暴雨重现期小于1年，一些老城区的排水管网甚至比规范规定的下限还要低，不仅如此，城市内排水系统(市政排水管网)与外排水系统(河道)衔接不协调，存在瓶颈、卡口、甚至“断头管”现象，例如北京丰草河河段排涝标准没有达到20年一遇，“7.21”洪水时导致河水顶托倒灌。

4)下凹式立交桥等设施增加。随着城市立体交通的发展，下凹式立交桥、深槽路段、地下通道等易涝设施增多，这些设施往往处在城市交通的关键点上，一旦出现内涝，极易出现交通系统的整体性瘫痪，严重影响城市正常运转，例如北京“7.21”暴雨时，90座下凹式立交桥采取一桥一预案，24 h监控，巡查人员、抢险车辆到位仍然解决不了积水问题。

5)城市排水设施维护管理不善，多数城市排水管网淤塞严重，马路清洁工经常把灰尘、垃圾等扫入排水的“雨篦子”，导致本来标准就偏低的雨水管网被淤塞70%～80%，严重影响排水效果。

1.4城市的自然水体被大量侵占

城市的形成离不开水系，我国很多城市有许多河流、湖泊、坑塘等天然水体，这些水体本身就是城市雨水的天然消纳场所，但随着城市化的发展，城市人口密集程度日益提高，城市用地紧张，为了承载更多的经济总量和社会人口，许多湖泊洼地被开发利用、河道整治缩减，比如北京市区水面积比例由5%降低到2%左右，武汉解放前有109个湖泊，但近年来被大量填没[4]。

2国外海绵城市建设探索

国外海绵城市的建设探索可追溯到19世纪，大规模的建设始于20世纪70年代。早在1852年，巴黎的城市排水系统就被纳入城市建设规划之中。1859年，伦敦地下排水系统工程动工，全长2 000 km。美国在1972年以前没有内涝防治体系，之后由于合流制的污染和城市内涝等原因，开始规划建设大排水系统。澳大利亚在1974年以前没有内涝工程体系，由于1974年的大洪水等原因，于1974年开始规划建设城市内涝体系[5]。日本于1992年开始建造所谓的“地下神庙”，耗资30亿美元，建成了世界上最先进的排水系统。但随着人们对城市雨水排除认识的逐渐深入，单纯增加下水道排水尺寸的做法并不科学，从降雨开始到整个径流形成全过程控制更能有效改善城市内涝现象。目前国际上比较通行的雨洪管理模式和设计理念包括：美国的低影响开发(LID)[6]、英国的可持续发展排水系统(SUDS)、澳大利亚的水敏感性城市设计(WSUD)以及日本城市泄洪系统和雨水地下储存系统。

2.1低影响开发(LID)

美国的低影响开发融合了经济、生态环境、可持续发展等理念。其目的是维持本区域自然状态下的水文机制，通过一系列分布式措施创造与自然状态下功能相当的水文和土地景观，减轻城市化地区生态、水文过程畸变带来的负面影响。最大程度地降低雨洪径流对城市地表的影响，其技术主要包括控制城市的不透水面积、最大限度的保护天然水体和自然植被、维持天然的排泄河道、减少排泄河道的应用等。通过一系列的截流、滞流等调控措施使得降雨径流均匀地分布在整个区域，尽量避免集中排放，维持天然状态下径流的汇流时间，并对排泄量进行调控。

2.2可持续发展排水系统(SUDS)

英国的可持续发展排水系统(SUDS)，采用的是包括对地表水和地下水进行的一种可持续式管理技术，其设计理念遵循三大原则：排水渠道的多样化，避免传统排水管道作为雨水的单一出口；排水设施兼顾过滤、截留，减少污染物直接进入河道；尽可能重复利用降水。

可持续排水系统包括如下几个方面的措施：①对雨水进行收集，将从屋顶、停车场等流下来的雨水就地或在附近用水箱储存起来再利用。②源头控制，新开发或改造项目都要确保尽可能就地将地表水保留在其源头，如采用渗水塘、可渗水步道以及进行屋顶绿化等措施。③就地滞留，把从屋顶等流下来的雨水引入水池或洼地蓄水池。④区域控制，通常利用人工湖、池塘或湿地消纳一个地区的雨水。

2.3水敏感性城市设计(WSUD)

澳大利亚的水敏感性城市设计(WSUD)，是从城市规划的各个阶段将城市开发建设与城市的水循环相结合的一种城市规划新方法。WSUD综合考虑基础设施设计、城市景观、城市防洪、道路及排水系统和河道生态环境等，通过引入模拟自然水循环过程的城市防洪排水体系，来减小城市降雨对城市基础设施的冲击。

WSUD体系将雨洪和污水管理一体化，它的设计理念为：

1)保护城市流域范围内的自然生态系统，包括河流、湿地等。

2)通过改善城市排放的雨水径流水质来保护地表和地下水质。

3)通过在景观设计中结合雨水处理系统，将雨水处理后排入景观水体，提供多功能用途。

4)通过调蓄池等设施短时间的储存(包括回用)减少城市峰值流量。

5)减少排放到自然环境中的污水量。

目前澳大利亚政府要求，2 hm2以上的土地开发必须进行雨洪管理设计，包括：控制径流量，即开发后防洪排涝系统上下游的设计洪峰流量、洪水位和流速不超过现状；保护受纳水体水质，即水质处理目标根据下游水体的敏感性程度确定；结合城市景观建设雨洪处理设施；提高雨水收集回用率。雨水调蓄措施主要包括透水铺装、下凹绿地、蓄水池、人工湖、雨水花园等；水质处理措施主要有道路雨水口截污装置、生态排水草沟、沉砂池、人工湿地等。

2.4城市泄洪系统和雨水地下储存系统

日本东京充分利用城市水系的防洪功能，让大量降雨流归河道，建设了“京都圈外围排水工程”。在中小河流的适当位置修建地下蓄水池，共建设了5处单个容积约为4.2万m3的蓄水池。蓄水池之间由地下管道相连，管道最终通向位于东京都附近河流江户川旁的地下水库(“地下神庙”)。地下水库容积有40多万 m3，可以起到存蓄洪水的作用。水库还装有4台大型排水泵，单台功率达10 290 kW，全部开启时，可以200 m3/s的流量向江户川内排出洪水。东京每年至少要遭受5～6次台风袭击，却没有被淹过，就是因为拥有完善的城市泄洪系统和雨水地下储存系统。从90年代开始，日本修改了建筑法，要求大型建筑必须建设地下雨水储存和再利用系统。这一系统将建筑物周围的雨水收集起来，储存于地下建设的蓄水池中，而在平时，这些雨水将用于冲洗建筑物的厕所和浇灌花木等。

总之，这些雨洪管理理论或者模式在名称上虽然有所不同，但都是将水资源可持续利用、良性水循环、水污染防治、内涝防治以及生态友好作为综合目标，最大限度地减少城市开发对原土地地块所带来的水文及自然环境的影响，从这个角度来说，低影响开发理论是我国建设海绵城市的重要理论基础。

3海绵城市建设的技术措施

海绵城市建设的主要任务是实现雨水的立体多层次、多功能分流分滞，在基本遵循自然产汇流规律的基础上，利用城市空间对降雨“化整为零”进行收集和储存，实现就地渗排、分散立体多层次储水分流、多功能智能合理分洪、科学调控集水和排洪。我国目前将海绵城市建设的主要措施概括为“渗、滞、蓄、净、用、排”6字方针，经过近几年的实践与发展逐步形成了一系列比较成熟的技术。

实现立体多层次、多功能分流分滞的主要技术措施有：

1)建设生态屋顶，即对所有新建或可改造的房屋进行屋顶绿化(或微型菜园)，可有效储存和拦截对应面积的雨水100～300 mm，同时还可以有效削减城市的“热岛”效应，美化城市，改善空气质量和减少环境污染，旧房改造后建设的绿色屋顶如图1所示，屋面雨水收集系统如图2所示。

2)生态景观，即对所有新建或可改造的绿化进行改造，实现旱可高效节水渗灌，涝可快速渗排，可有效储存、拦截和收集对应面积的雨水150～400 mm。

3)生态道路，即对所有新建或改造道路的硬化地面铺设渗透砖、预埋排灌管道，将道路和硬化地面形成的径流经快速便捷沉沙及隔滤井后通过排灌管渗至地下，可有效储存、拦截和收集对应面积雨水100～200 mm。

4)生态水池，可以结合地下消防水池的建设，扩建地下消防水库或新建人工蓄水池以及利用自然湖泊进行错峰调节，削弱径流峰量。

5)生态广场，通过修改城市绿化、公建、休闲空间的国家规范和标准，科学合理地将城市新建或可改造的广场、小区活动中心广场改成下沉式多功能广场，汛期作为分洪储水的人工景观湖，少雨季节可恢复广场和活动中心的功能。

6)强化渗透滞蓄，加大渗水路面、下凹绿地、下凹广场的建设比例，发挥对雨水的下渗、截流和滞蓄作用，建成的下凹式绿地和透水性铺装分别如图3和图4所示。

7)合理利用公园对雨洪的滞蓄作用，例如北京城区玉渊潭公园、紫竹院公园、龙潭湖公园周边建设大口井，4环、5环间约60个郊野公园兴建微地形调蓄容积实现雨水零排放，年综合利用约330万 m3。

8)利用地下空间滞蓄雨洪，在积水点多发，且对城市安全要求运行较高的地区分别建设地下储水箱涵，在城区下凹式立交桥区建设地下滞蓄利用空间。

9)利用天然洼地滞蓄雨水，例如北京结合西部地区山洪滞蓄要求，利用砂石坑建设西部蓄洪回补工程，雨洪调蓄能力达到700万 m3，实现自然回补涵养地下水源；北京奥运中心区屋顶、地面和绿地全部建设有雨水回用设施，年可收集雨水105万 m3，20年一遇的暴雨可全部蓄集在园内。

图1　旧城改造的绿色屋顶

图2　屋面雨水收集

图3　下凹式绿地

图4　透水性铺装

海绵城市建设的主要目标是，通过保护，恢复和修复天然植被、土壤、河湖水域空间，把城市排水系统从“区域快排、末端集中”转变为“源头分散、慢排缓释”，最大限度地减少对区域内低洼地区的冲击，通过保护和修复水生态系统以及河湖水系的廊道作用，形成蓄排得当、自净自渗的城市立体水文循环系统，并针对洪涝雨水的利害两重性，构建“格局合理、蓄泄兼筹、引排得当、环境优美、综合利用”的城市水系统。建设以城市水系为中心的生态体系，形成“水清、岸绿、河畅、自然”的临水宜居型城市。

4海绵城市建设的关键技术问题

4.1城市海绵体规划技术

城市海绵体规划技术包括城市海绵体的选择和布局规划，制约因素多、涉及面广，是海绵城市建设最关键也是必须首先考虑的环节，海绵体规划既要考虑城市的自然地形条件及河湖水系格局，现有河湖沟渠、坑塘洼地、滞洪设施、湿地的利用和改造，还要考虑区域降雨条件和水文情势，与城市建设发展、防洪排涝、水资源开发利用、水环境保护相协调，分散滞蓄(地块上的小型蓄水池)与集中调蓄(地下深隧系统)相结合，一方面要针对城市道路、绿地、河湖水系等不同用地特点，将低影响开发设施的量化指标纳入其专项规划，明确各地块的径流控制目标；另一方面还要反过来，如果径流控制无法实现，就应该对城市总体规划的用地提出调整性建议，优化其用地布局。要综合考虑不同地块的空间关系、建设主体、排水防涝要求等，明确每一个地块的年径流总量控制率及其对应的设计降雨量。制定城市低影响开发雨水系统的规划原则和实施策略，因地制宜确定各类海绵体的布局。

4.2“渗、滞、蓄、净、用、排”措施的配置与调度技术

对于“渗、滞、蓄、净、用、排”措施的布局及调度运用技术，首先要处理好“渗、滞、蓄、净、用、排”之间的关系，蓄、滞、渗方面要合理规划空中滞蓄(屋顶花园)、地表滞蓄、土壤入渗、地下滞蓄的比例，研究降雨特性与滞、蓄、排的耦合关系问题，在此基础上设计出降雨与排水系统的最佳匹配方案，并对此进行科学评估，使之既能满足防洪排涝要求，又不至于规模过大，浪费投资。通过建设水系连通工程和节点控制工程，恢复和加强集雨区与海绵体的水力联系。渗、滞、蓄的布局要与城市用水紧密结合，处理好海绵体自然净化与污水处理设施的互补协调关系。另外，通过充分考虑雨污“分流制”排水管网与“合流制”的各自特点，制定配套的净化、处理、回用措施。

4.3城市排水各系统衔接技术

城市排水防涝涉及到源头控制、雨水管网(小排水)、内涝防治(如城市明渠、洼地、内河道、调蓄等，属于大排水上游)、排涝工程(如大江大河的河道、排涝泵站等，属于大排水下游)，这些系统相互关联，如果城市外部排水河道泄水能力有限、内排与外排的不衔接必将导致内涝发生，例如北京“7.21”暴雨，丰益桥的桥下积水用水泵抽取后，排向200 m外的丰草河，但丰草河尚未达到应有的20年一遇洪水标准要求，河水暴涨，导致顶托出现倒灌。

目前由于这些排水系统隶属不同管理部门，各自设计体系也不同，如城市排水系统设计更多地侧重管网、泵站等排水设施的布置与计算，较少考虑与城市管渠、坑塘、河道等大排水系统的衔接，对城市用地布局、高程规划和道路竖向设计对雨水综合利用和排放的评估研究不充分。我国的小排水系统(管道系统)，对应超过雨水管网排水能力的暴雨径流，既没有统一的设计方法，也没有相关的技术标准和规划设计规范，相比之下，澳大利亚采用防洪、大排水系统和小排水相对独立模式，但每个系统的标准均较高；而香港则采用防洪、大排水系统和小排水系统一体化模式，但投资较大。因此，我国还需要建立自己统一的设计标准，促进各系统之间的合理衔接。

4.4设计方法的改进

降雨强度既是重现期，也是降雨历时的函数。降雨历时跟流域汇流时间有关，国内计算一般只考虑24 h的降雨强度，而没有考虑1 h，甚至0.5 h的集中降雨强度。在城市排水中，短历时的降雨往往更加重要，直接关系到城市道路短时间的积水情况。此外，暴雨强度公式计算的是点降雨量，对于面积大的流域，需要调整为面降雨量。对于流域暴雨计算，目前主要采用推理法，该方法只适用于汇流面积较小的区域，而对于汇水量较大的地区准确性大大降低，发达国家普遍采用水文水力模型进行模拟计算，不仅可以更好地解决推理公式法所能解决的问题，还可以进行水动态过程模拟的研究，我国一些研究单位目前也开发并引入了一些计算机仿真软件，可以开展类似的模拟计算工作。

4.5不同地区海绵措施的适用技术

由于海绵城市建设在我国的实践时间不长，虽然住建部出台了《海绵城市建设技术指南》，但我国南北气候环境差异较大，不同地区降雨、植物生长条件也大不相同，城市地下水位、水系分布等都会影响海绵措施的实施，如一些灌木在南方由于水分过多，就不适宜采用下凹式绿地，如很多城市使用的行道树樟树、法国梧桐等在水分过量的地方就生长缓慢甚至死亡；还有些地方本身地下水位很高，土壤下渗容量很快就会饱和，此时再采用大量渗透砖等设施就非常得不偿失了。因此，各地必须探索适合本地特点的工程措施，不能简单照搬其他城市的一些做法，因地制宜的制定各地的技术指南。

4.6海绵城市建设目标的评估技术

住房与城乡建设部《海绵城市建设技术指南》提出了海绵城市建设的目标、技术路线和主要措施，但在主要措施和目标之间缺乏有力的支撑工具——分布式城市水循环模型，因此，目标的可达性分析难以落实，也就是建设目标和主要措施之间存在脱节。为了分析和评价海绵城市建设的效果，亟需研制能够反映蓄、滞、渗过程和社会水循环的净、用、排过程的分布式城市水循环模型[7]，对设计建设的海绵措施进行评估，确定是否达到规划的目标。

4.7低影响开发设施建成后的运行维护

海绵城市建设已经成为我国城市发展的重要方向，但建成后各项海绵设施的运营维护还没有引起足够的重视，许多建成的绿地、下凹广场、生物塘等一旦缺乏维护不但起不到改善环境的目的，反而可能演变成臭水坑[8]。因此，应建立健全低影响开发设施的维护管理制度和操作规程，设置相应的监测设备，配备专职管理人员，加强对管理人员和操作人员的专业培训。通过宣传教育和引导，提高公众对海绵城市建设、绿色建筑、水生态修复、内涝防治等工作中雨水控制与利用重要性的认识，鼓励和引导公众、民营企业积极参与低影响开发设施的建设，确保海绵城市的长期运行。

5结束语

建设海绵城市，在参照和借鉴发达国家探索经验的基础上，应结合我国城市发展的客观情况，深刻理解海绵城市的内涵，逐步推进海绵城市建设的进程。对于海绵体规划技术、6字方针的应用及调度技术、城市排水系统规划技术、防洪排涝技术标准、暴雨雨量设计方法、城市洪涝预警调度系统和海绵城市建设目标的可达性分析模型，海绵体的维护与保养等都亟待进一步的改进和完善，从而与海绵城市的建设相适应，促进其健康快速发展。

参 考 文 献

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(责任编辑吴鸿霞)

收稿日期：2016-04-07

作者简介：方正，教授，博士，博士生导师，研究方向：给排水工程与市政工程。

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.03.007

中图分类号：TU992

文献标识码：A

文章编号：2095-4565(2016)03-0031-06

Construction of Sponge City and Analysis on Related Technology Problems

Fang Zheng,Zhang Lei,Liu Fei

(School of Civil Engineering,Wuhan University,Wuhan Hubei 430072)

Abstract：The construction of sponge city has been paid much attention to by the government,but a host of problems and difficulties are occurring constantly in the implementation process as its construction idea is totally different from the traditional urban rainstorm management pattern,which has influenced on the sponge city construction and actual effects.Therefore,the background of sponge city and the engineering measures are elaborated and the critical issues of planning,design,evaluation,control and maintenance during the construction of sponge city in China are analyzed combining with the foreign experience,which provides the reference for the construction of sponge city.

Key words：sponge city;rainstorm management;key problems