新时期“海绵城市”设计的技术途径与主要问题——以大都市武汉为例

◎ 文剑钢 刘华明

一、武汉海绵城市建设的背景

中国作为2017年世界创新指数排名第17位的发展中国家，新型城镇化建设成效让世界瞩目。为修复环境生态，建设低碳、环保、生态城市所做的承诺与担当，正在逐步推进兑现。然而在早期高速城市化中，因时代、观念局限与科技手段落后而导致的许多城镇基础建设问题依然存在并阻碍着城镇健康发展，尤其是面临暴雨、内涝突发之际，城市因雨水无法及时排出而危机频现，威胁着人民生命和财产的安全[1]。例如武汉市历史上多次雨洪泛滥，抗洪救灾成为汛期武汉人民的生活常态。作为我国首批入选的“海绵”试点城市，武汉开始借助海绵功效，积极打造属于自己的雨洪生态管理体系。

武汉是我国中部地区的重要城市，有较强的经济赶超实力和发展潜力。2016年7月，受厄尔尼诺影响，武汉市再次出现严重内涝，灾情辐射广泛，这进一步强化了社会各界建设生态大武汉的决心。同年12月，国家发改委在《促进中部地区崛起十三五规划》中指出“支持武汉建设国家中心城市”；2017年10月，习近平总书记在《中国共产党第十九次全国代表大会报告》的14条基本策略的第9项中明确提出要加快生态文明体制改革，建设美丽中国。利用海绵城市建设，构建城市生态廊道和生物多样性保护网络，提升生态系统质量和稳定性，解决城市问题，突破发展局限刻不容缓[2]。

二、国内外海绵城市研究与实践

（一）国内外海绵城市设计研究概述

“海绵城市”理念和技术20多年前已经被西方国家提出并推广运用，现在虽然看起来概念不新、方法不奇，但是参照对应解决我国某些城市热岛、内涝以及环境、生态、低碳问题却另具深意，因为“海绵”方法可以将城市变成“逢雨而吸收、遇水而储存、受挤而供用”的海绵一样，通过“渗、滞、蓄、缓、净、用、排”化害为利、减灾受益。

当前许多国家建立了具有本国特色的雨水管理体系。例如，美国的“最佳管理措施”（BMPs）和“低影响开发”（LID），英国的“可持续城市排水系统”（SUDS）体系，澳大利亚的“水敏感性城市设计”（WSUD）体系，日本的“第二代城市排水总体规划”，德国的“雨水利用设施标准”（DIN）。由于LID技术有施工难度低、对现状破坏小的特点，因此被国内主流设计采用（表1）。

2003年，我国学者俞孔坚教授最早提出“海绵城市”理念，深圳市最先引进了LID概念。2013年12月，中央城镇化会议提出要建设自蓄、自渗、自净的“海绵城市”，明确了相关概念和方向。2016年12月，《国务院关于印发“十三五”生态环境保护规划的通知》发布，明确要求推进海绵城市建设，保护和修复城市生态。2017年10月，党的十九大报告基于低影响开发与绿色基础设施理论，明确指出要加大生态系统保护力度。我国海绵城市建设理论与实施从盲目借鉴转向本土化，城市设计中对于雨洪的处理变得更加理性，方法逐步完善。

表1 各国雨洪管理特点比较

（二）国内海绵城市建设现状

深圳市光明区率先在城市建设中采取相关的技术，并且在雨水综合利用方面已初具成效，对全国各地的海绵城市建设有一定示范效用。各地根据自身的情况采取了相应的措施和方法（表2）。

尽管我国在低影响开发的理念下对城市推行“海绵”化取得了一定成就，但是究其目标方法，依然显得单一偏颇。从推广应用看，尚存认识不足，显得“口号强，落地弱”。海绵建设工程措施带来小范围的短时效益，并未触及问题本质。例如，对雨污的处理利用方法，普遍做法是重污水净化，轻污染源根治；对防洪则重在堤岸防护，忽略了河道之外的城市基础设施完善与市政管网系统改造。导致对海绵城市设计产生“理念高、成效低，呼声大、动作小”的错误看法。其实换一种思维，聚焦问题本质，就能够以海绵低成本解决雨洪大问题。

（三）武汉市现状研究与实践

1.武汉市水文及地形特征

江河湖塘水系网络密布的特点。武汉市水资源丰富，水域面积占全市土地面积的1/4（图1）。长江、汉水穿越市区，将城切分为汉口、汉阳、武昌三镇，因之“滨江造城、依水而建”的江城武汉，既得益于水，又受制于水。每年4～8月，伴随着降雨量加大、汛期逼近，武汉地下管网等基础设施将迎来抗灾排涝新考验。

图1 武汉市水系分布图

表2 我国各地建设海绵城市的措施和方法

武汉地势呈东南高、西北低的特点。武汉城区南部分布有东西走向的条带状丘陵和密集的枝状冲沟，具有山水交融的复杂地形。陆地最高海拔150米左右，最低约18米，主要呈现剥蚀丘陵区、剥蚀堆积垄岗区、堆积平原区等三种地貌形态类型。

2.武汉市城市内涝的主要因素

江河水系和低洼地势给武汉带来了丰水喜悦与水患困扰，因此武汉海绵城市建设，主要集中在解决城市内涝问题上，而城市内涝往往因素众多，主要原因汇集如下：（1）地表硬化。便于人车通行而大量铺设混凝土道路。广场、街巷、小区建筑、室外地面的硬质铺装阻碍雨水的自然下渗，加快了地表径流，导致路面积水，地下管网泄洪瞬时超载，引起内涝。（2）排水系统落后。武汉传统的排水系统是一套单一的处理方法。通常雨水降落到地面后会经过排水沟汇流进入下水管道、雨水箱涵、泵站到达污水处理厂，经过处理后方能排放。这种方法效率低，遇暴雨无效。（3）大面积湖泊消失。“填湖建城”使得城市天然的水洪调节能力受到破坏。武汉曾经被誉为“百湖之城”，拥有大小湖泊127个，如今仅剩38个，城市自主雨洪调蓄能力下降严重。一旦降雨量超过100毫米，武汉的积水面积就会在10km2以上[3]。（4）城区地势低下。武汉每年4～8月降雨量较大，此时正值汛期。 据统计，武汉市年均最高洪水位为25.5米，而武汉市内60%的区域地面高度低于25.5米，导致雨水无处可排。

表3 LID技术的应对手段

三、利用LID技术解决武汉当前问题

相比传统雨水设施，LID更加经济、环保，施工简单、投资少，兼具景观效果，对降雨径流的水质处理水量控制更加高效。针对武汉市现存问题分别从源头、中途和末端选出较有代表性的技术类型和可行性分析如下（表3）。

（一）源头上

1.透水铺装

武汉市内涝往往始于无法顺畅排水，硬质铺地是诱因之一。透水铺装在方便人车通过的同时还可快速排除积水，并对吸收城市噪声，降低城市温度和削路面减径流有明显效果。常用的透水铺装有三类，分别是透水性沥青铺装、透水性地砖及透水性混凝土铺装等。

透水性沥青铺装具有防滑、耐久、吸声、抗压、排水效率高的优点；透水性地砖美观、施工简单，铺装孔隙率可达25%，当然这也造成其承重能力较低、整体性较差，因此只能用于荷载较低的路面；而透水混凝土铺装外观朴素，整体性优良，刚性承载力较好，但是抗折能力较差，需要做承载能力的设计和限定。对武汉市停车场、广场等地面合理利用铺装特性，可利于提高地面渗、吸、滞、排等功能。

2.雨水花园

通过天然或人工下凹地形收集雨水，利用地表绿植和沙土使之得到净化。降雨初期利用地面的渗透作用进行滞、排水，当降雨量超过地面渗透速度时，积水汇集通过溢流口排入下水管。雨水花园“海绵”主体由蓄水层、树皮覆盖层、换土层、透水土工布或砂层、穿孔排水板和砾石层等6个部分组成，水处理分为两类：雨水渗透型和雨水收集型。前者以控制径流量为主，后者则更注重于对雨水的净化收集。

“海绵”体建设需要注意武汉水系众多、地下水位较高的地理特点，选址尽量避开地下水较高的区域和低洼地带，下层选择通透性较好的土壤，避免长期积水带来其问题。

3.屋顶绿化

屋顶绿化是在建筑物、构筑物或大型人工假山山体上进行种植树木花卉的统称。屋顶绿化能通过构筑物顶部设置绿植削减雨水径流量，并利用绿植对雨水进行初期净化。

2008年在汉口暨济电力商城顶部建成了武汉最大的屋顶绿化，效果明显。 同年为鼓励建设楼顶绿化，武汉曾提出对试点单位给予20%的补贴。在2015年1月23日，武汉市对2005年出台的《武汉市建设工程项目配套绿地面积审核管理办法》进行了修订。 因此，相对于技术上的问题，建设屋顶绿化更多需要政府支持、开发商和公众的多方参与协作。

（二）中途上

1.植草沟

植草沟的本质是排水沟，只是比传统排水沟多了一层植被覆盖。这种设计使其可以净化雨水并能避免堵塞。植草沟只对雨水起滞留、收集、引导作用，储藏能力较弱，因此要注意植草沟与城市雨水管道的连接。

植草沟非常适合武汉市道路绿带这类狭长的空间。应对武汉的暴雨天气有很好的效果。其造价低，施工简单，维护成本也不高，但是需要一定的坡度对雨水进行引导，不适合坡度较大区域的雨洪问题。

2.下凹式绿地

下凹式绿地比周围的路面低100～200 mm且不超过200mm，绿地内置本地绿植，并设低于路面且高出绿地50～100mm的雨水口。主要利用植物和土壤的吸附作用，对雨水进行截流和净化，并将流入到这个区域的雨水排向土壤中，当雨水超过了该区土壤的下渗速度时，便会溢入高出绿地的雨水口中，进入下水管网。武汉市大部分绿化设施采取的是花坛式绿化模式，将绿植和道路完全分割开。如将路边的花坛改设为下凹式绿地，当雨水来临时，道路边的雨水会经由道路的坡度引导到道路两边的下凹式绿地中，再经由绿地中的溢流口排到下水道中，将绿地与城市管网相连，使绿化带拥有完整的排蓄体系。

图2 武汉海绵城市重点建设区域分布

（三）末端上

1.生态湿地结合浅层调蓄

利用水系密布、湿地众多的资源，结合浅层调蓄十分契合武汉的地理特征。建设时须在生态湿地的周围设置浅层调蓄模块，并在岸边设置管道口、导流盲管。当暴雨来临，雨水将汇集流入调蓄装置以及生态湿地中。湿地中的水位到达管道口时便会进入调蓄装置之中，从而增加整块区域对雨水的吸收能力。当枯水期来临，生态湿地的水位下降，周边调蓄池的水便会从导流盲管（毛细管）中流出，补充湿地的水分。

生态湿地本身是一块巨大的“海绵”，有湿润空气、净化雨水的功能，湿地中众多生物形成闭环的生态环境，可化害为利。据实验，一公顷的湿地在生长季节可以“消耗”掉七千多吨水分。武汉作为百湖之市，湿地资源居世界内陆城市前列，有巨大的发展潜力。

2.软基础雨水箱

软基础雨水箱本质上是雨水收集装置。它的建造材料并非传统的钢筋混凝土，而是塑料箱做骨架，软性防水基质做外表面的一种新型池体，这种水箱不受场地约束，可以随场地改变形状，最大限度地收集雨水。由于施工简单，造价低廉，可用于武汉市区中的雨水收集。

（四）武汉海绵城市建设现状与未来规划

武汉市政府在2015年至2017年投资了162.9亿元进行海绵城市建设工程。主要用于在都市圈内进行黑臭水治理、内涝防治、湖泊生态修复以及海绵城市示范区建设（图2）。

目前武汉采用LID的建设区域主要在青山区与四新区一旧一新两块。已实施青山、四新示范区海绵化改造项目共计234项，其中已完工38项，完工面积12.62km2；在建项目196项，共计投资50.26亿元，占项目总投资的37.62%。整体上，青山区的建设步伐较快，区内多采取地表上的低影响措施，通过海绵体建设，对降落到地面的雨水进行径流削减，净化收集[4]。

武汉海绵城市近期规划至2020年，将重点建设35个建设区，覆盖区域约203.51km2，中心城区与新城区覆盖区域分别为177.11km2和32.4km2，兴建通道34条，计划对11个湖泊进行生态修复。新改扩建污水处理厂9座，扩建出江泵站18座[5]。结合生态框架和规划布局发挥生态绿地的渗、滞、蓄、净作用，改善城市的自然雨洪调节能力，并计划实现绿地覆盖率达45%的标准（图3）[6]。远期至2030年，内涝防治以常规灰色设施为基础，结合旧城改造和交通系统大建设机遇，加强地下主干管的排水能力，地下支管随地上建筑与道路同步建设，在必要地区，开挖非常规深邃与径流蓄水设施。以收集和处理建设为切入口治理污水，明确分流区和混流区规划建设[7]。

图3 2016—2020年武汉市绿地系统规划

四、武汉海绵城市建设中的问题解析

（一）城市设计与规划理念落后

过去武汉市城市规划设计受经济、技术、速度、效益指标制约，注重的是“规模开发、路面硬化”，忽略对流域上游生态、自然环境的控制保护与城市内的生态和谐问题。大面积湖泊减少和消失削弱了对市区雨洪自然调蓄能力。在新型海绵城市规划设计建设初期，规划设计过多关注海绵体建设的空间与技术问题，忽略了对生态环境源头的治理与市政给排水管径、网络综合改革，常常以城市道路级别作为雨水管道的布局参考，导致海绵建设手法单一，实际工程与排水规划目标脱节。此外，惯性的总体规划观念，忽视了专项规划与控规的重要作用。

（二）资金困境

国家对武汉海绵城市的专项奖补资金为3年15亿元。然而，这些补助资金相比动辄百亿元的治理雨洪工程的专项资金只是杯水车薪。2014年12月，财政部发布《关于开展中央财政支持海绵城市建设试点工作的通知》，第一条就明确提出PPP模式（即政府与企业共同开发并经营的融资模式），对采取 PPP模式达到一定比例的城市，将奖励补助资金的10%[8]。2016年4月，在财政部和住建部共同发布的《城市管网专项资金绩效考核办法》中，明确规定了 PPP模式的比例所对应的得分，体现了国家对 PPP模式的重视。现在PPP模式建设海绵城市已经在我国各地开展，但是尚存许多问题：PPP模式运行的法律规范保障与运营机制还有待完善；项目的策划、职责担当、收益分配，考核指标、运营问题等界定还不够清晰。且目前主流PPP的项目大多存在融资手段单一、风险较大、投资高、企业签约率低的问题，难以市场化运作。

（三）基础设施建设与管理问题

据湖北省气象局数据显示，2016年6月1日至7月6日，武汉市降雨量达到932.6mm。其中，6月30日20时至7月6日10时，累积降雨560.5mm，为武汉有记录以来的周最大降雨量。此时正值武汉汛期，长江水位高于武汉市城区内的大部分地面高度，导致城内大部分积水无处可排，造成了严重的内涝。可以看出，2016年的强降雨属于灾害天气，武汉起步阶段的海绵建设是无法应对这么高强度的短时降雨的。因此，武汉需要建设可应对这类灾害天气的弹性雨洪设施。

在建设海绵城市过程中，“部门分管、各自为政”的政府管理体制和机制，导致了水系难以统筹管理，在面对雨洪突发时，缺乏快速的反应和系统应对。武汉近年工程项目众多，建设单位为了赶工期，施工粗糙，无法达到预期效果，甚至导致排水管网被破坏、堵塞[9]。这从侧面反映了海绵城市建设中的管理缺失。

五、“PPP＋”提升武汉海绵城市建设质量的基本策略

PPP模式（Public-Private-Partnership）作为部门（政府）、企业（私人）与需求（主体）合作，为社会提供优质公共产品和服务的商业模式。参与项目开发建设、投资、运行管理工作，按政府要求提供相应的服务并收取一定的报酬。在海绵城市建设中政府的参与虽然重要，但是面对如此大规模的城市设计工程，单靠政府力量短时间难以完成，因此企业与公众的协同参与至关重要。

（一）“PPP＋”智慧城市

海绵城市建设规划设计是一项整体系统工程，运用智慧城市大数据、遥感监测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息将给予设计师与决策者可靠的数据支持。

据统计，PPP模式可以帮助政府节省5%～20%的费用，并对项目质量有显著的提升效果。因此，智慧城市与PPP模式结合将更有效提高项目服务质量和运营效率，降低建设成本。对于智慧城市的资金投入可借助PPP的模式，由政府主导引入企业资金，借助科技的力量和主体单位的动力机制对城市的节点进行数据分析，制订对策方案，解决实际问题。

具体实施方法可分为传感器布控、数据传输、数据收集、提供服务。就水资源的控制来说，企业与政府签订合同，成立水资源控制公司。将城市的管网改造并设置传感器，利用传感器获得管网中的实时的流量，将数据汇总后进行分析并与水资源管理、电力供应、污染控制、交通运输等部门进行信息共享提供精确数据，合作解决已出现或潜在的问题，为武汉市制定适宜的雨洪管理体系。企业将以项目运营获得的收益，并利用掌握的大数据开发新的商业模式。在合同到期后，则由政府管理。此开发模式十分契合党的十九大报告中的“企业为主体，政府主导，公众参与”的环境治理体系。在有利的政策背景下，相信能产生令人满意的效果。

（二）“PPP＋”产业投资基金

尽管PPP开发模式存在许多问题和挑战，但是它优势明显，值得大力推进。对于其现存的问题，可以通过其他的手段进行规避。如将产业投资基金与PPP模式结合。发挥产业投资基金的融资优势，为企业减少投资风险。“PPP+”产业投资基金根据发起方的不同可分为三种模式。（1）由政府主导，省政府（GP）联合金融机构（LP）设立母基金，再由母基金、地方政府与金融机构成立项目基金，用于PPP的投资。其中金融机构为优先方，地方政府为劣后方。（2）由金融机构（GP，LP）主导并作为发起人，与地方政府（LP）成立专项资管计划。专项资管计划与承建公司（LP）共同成立PPP产业基金，承建公司即负责项目的建设与运营，同时还是劣后方。其中金融机构为优先方，地方政府为次优先方，承建公司为劣后方。（3）社会企业（GP，LP）作为主导和发起方，政府只作为合作方，提供经营权和特定的购买服务。社会企业与金融机构（LP）合作负责项目的融资，独自负责项目的建设与运营。金融机构为优先方，地方政府为次优先方，承建公司为劣后方。

相比传统的海绵城市PPP项目，加入产业投资基金的模式进行融资，保证了海绵城市建设顺利开展，合理分配了风险与收益，且突破了传统PPP模式下对参与企业的资本要求较高的障碍，使更多优质企业也能参与。通过基金平台，利用政府的资信担保和政策措施，引入大量的资本，发展可持续的融资模式建设海绵城市[10]。

（三）“PPP＋”城市开发建设

“海绵体”虽然可以“吸收”雨水，但是超负荷溢出雨水依然会注入管道并积蓄在洼地。武汉内涝，根本上是雨水无处可排的问题。面对武汉如此大规模的市政工程基础设施瓶颈，需要的资金、时间与力量等受制约因素众多。对此可以借鉴国际生态城市建设的先进理念，利用新时代“PPP＋”的模式配合城市更新与开发建设。充分发挥政府的政策调控，企业资金、管理和运营优势，高效推动城市改造建设。例如，政企合作融资对武汉的公园、绿地、广场进行蓄水能力的提升并达到一定的标准，从而企业获得投资区域若干年限的运营权以获得投资补偿；另外，由政府主导，与多方（企业）签订合同，企业出资在建筑、道路交通的下方或内涝严重区域修建大型雨水收集和再利用蓄水设施，达到防洪、生态预期标准后可获得周边地区或其他地区若干年限的开发运营权。

参考文献：

[1]仇保兴.海绵城市(LID)的内涵、途径与展望[J].建设科技,2015,(1):1-6.

[2]习近平.在中国共产党第十九次全国代表大会上的报告[EB/OL].http://www.gov.cn/zhuanti/2017-10/27/content_5234876.htm,2017-10-27.

[3]季冬兰,李婷,甄斌.武汉园林绿地中海绵城市建设的思考[J].华中建筑,2015(9):125-127.

[4]梁亚楠,周林,武艳芳.海绵城市建设过程中的问题与对策——武汉市案例研究[J].净水技术,2016(6):119-127.

[5]毛田田.武汉近300个项目打造海绵城市样板[N].中国环境报,2017-04-06.

[6]武汉市国土资源和规划局.武汉市总体规划(2010-2020年)[Z],2010.

[7]武汉市国土资源和规划局.武汉市海绵城市专项规划(2016-2030年)[Z],2016.

[8]财建[2014]838号.关于开展中央财政支持海绵城市建设试点工作的通知[Z],2014.

[9]林小如,曹韵.我国城市雨洪管理困境解析与行动应对[J].现代城市研究,2014(7):14-18.

[10]耿潇,赵阳,车伍.对海绵城市建设PPP模式的思考[J].城市发展研究,2017,24(1):C1-5.