水资源论文
海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的弹性，也可称之为"水弹性城市".下面我们就为大家介绍几篇关于海绵城市论文的论文范文，共给大家参考阅读。
海绵城市论文范文第一篇：城市水管理与海绵城市建设之理论基础--城市水文学研究进展
作者：徐宗学 程涛
作者单位：北京师范大学水科学研究院 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室
摘要：过去数十年来， 我国经济社会快速发展， 城市化进程不断加快， 但由于不合理的城市规划和建设， 自然水循环系统受到无序的干扰和破坏， 引发了一系列城市水问题， 城市水管理工作面临巨大挑战。城市水管理的理论支撑就是以研究城市水循环为核心的城市水文科学， "海绵城市"建设作为我国现代城市水管理的重大战略， 必须以城市水文学理论为依据， 深入研究城市水循环机理和规律。本文围绕城市水管理支撑理论， 系统梳理了国内外在城市化水文效应、城市产汇流理论、城市雨洪模拟与管理方面的研究进展， 指出城市水文观测与预报、城市化水文效应与产汇流理论、城市综合水系统模型研究是当前和未来一段时间研究的重点和难点。提出了我国当前城市水管理和海绵城市建设所面临的城市产汇流基础理论、城市气象水文监测和水文过程模拟技术问题， 以及城市水文学研究应对变化环境下城市复杂的综合水问题开展基于多学科理论的全面精细化模拟分析的基本思路。
关键词：城市水管理；城市水文学；城市水文效应；产汇流理论；水系统模型；
作者简介：徐宗学 （1962-） , 博士， 教授， 主要从事水文模型、城市水文和生态水文研究。E-mail:zxxu@bnu.edu.cn;
Abstract:Urbanization has a great impact on natural water cycle system and results in a series of problems such as urban water shortage, degeneration of water ecology and environment and water-induced disas?ters due to unreasonable urban planning, which brings a great challenge to integrated urban water manage?ment. The basic theory and technical support for urban water management are urban hydrology and water-re?lated disciplines. "Sponge city", an advanced urban water management strategy, must take the theory of ur?ban hydrology as its guidance, and should be carried out based on urban water cycle. To lay a foundationfor the basic theory development of urban water management, the major progresses and achievements on hy?drological response to urbanization, mechanisms of urban runoff process, urban stormwater simulation andmanagement are summarized and reviewed in this paper. It is concluded that further studies should paymore attention to the urban hydrometeorological observation and forecasting, hydrological impact of urbaniza?tion, urban runoff generation mechanisms, and integrated urban water system model. It is also pointed outthat more researches should be carried out to strengthen the basic theories of urban water management andsponge city technology. In urban hydrology, the changing environment background and complex urban watersystem pose a great challenge to more comprehensive and elaborate modeling and analysis based on interdisciplinary theories.
Keyword:urban water management; urban hydrology; hydrological impact of urbanization; runoff process; water system model;
1 研究背景
1.1 我国城市水问题现状
近年来， 随着我国经济社会的快速发展， 城市化进程不断加快， 城市化面貌日新月异。城市常住人口迅速增加， 据国家统计局统计资料显示， 1981年中国常住人口城镇化率仅为20.2%, 而在2017年末达到58.5%[1];同时， 城市建成区面积也迅速扩张， 由1981年的7438 km2增加到2017年的5.43万km2.在新型城镇化战略的进一步推动下， 未来一段时间内， 我国的城镇化率将进一步增加， 预计到2050年， 我国的城市常住人口将超过10亿[2].
然而， 由于不甚合理的城市建设规划， 快速城市发展和建设对自然水循环系统造成了无序的干扰和破坏， 引发了一系列城市水问题[3,4].城市建设改变了自然排水格局， 增加产流量并加快汇流速度， 侵占河湖水系， 降低了雨洪调蓄能力， 造成洪涝灾害频发；城市发展显著增加了用水需求量， 水资源供需关系日趋紧张， 全国有400余座城市面临缺水问题；城市生产、生活排污量持续增加， 雨洪非点源污染负荷量增加， 超过了河湖水系环境承载能力， 引起水环境和水生态的恶化问题。上述水灾害问题成为威胁城市健康可持续发展的重要因素， 城市水管理工作面临着前所未有的挑战。
1.2 城市水管理战略--海绵城市
快速城市化导致的自然水循环演变和城市水问题恶化引发了严重的城市病， 人们开始关注城市生态环境系统的健康发展与合理规划， 国际上提出了"低影响开发 （Low Impact Development, LID） "、"最佳管理措施 （Best Management Practices, BMPs） "、"水敏感城市 （Water Sensitive Urban Design, WSUD） "、"可持续排水系统 （Sustainable Drainage System, SUDs） "等一系列措施， 并针对城市雨洪管理和水问题治理开展了深入的科学研究[5,6,7].在新型城镇化背景下， 基于水生态文明理念， 我国提出了建设自然积存、自然渗透、自然净化的"海绵城市", 旨在为我国健康、高效、可持续的城市发展奠定良好的基础[8].在政府的支持和引导下， 我国出台了《海绵城市建设技术指南--低影响开发雨水系统构建 （试行） 》， 并于2015和2016年分两批产生了济南、北京等30座试点城市， 许多城市进行了一定的探索， 结合城市自身特点开展海绵城市建设， 取得了一些成功经验。随着城市发展对生态环境健康提出的高标准、高要求， 海绵城市建设成为我国城市化进程中的重要战略举措。
1.3 城市水管理对水文学基础理论的重大需求
海绵城市作为一项科学的城市水管理战略举措， 其理念的形成经过了严格的科学论证， 也与国际上普遍采用的城市雨水管理理念相一致。然而， 从目前全国海绵城市建设的情况来看， 整体上仍然处于探索阶段[3,4], 一些建设工作的开展仍然存在盲目性， 缺乏针对性的技术参考和理论指导， 导致有些建设工程考虑实际防洪排涝情况不足[9].
关于海绵城市建设， 刘昌明等[10]认为应以探明区域蓄排关系的基础上， 因地制宜的通过各种海绵设施手段处理雨水；左其亭[11]总结了水科学的10个方面及其在海绵城市建设和管理中的应用， 并指出了海绵城市建设中可能遇到的6大水科学难题；夏军等[12]认为海绵城市的理论支撑是考虑城市微气象循环、下垫面及管网因素的城市水文学。总而言之， 城市雨水管理和海绵城市建设应以城市水文科学为基础理论支撑， 结合多学科相关理论， 依托气象水文和地理信息多源监测技术， 基于理论分析、实验研究和模型模拟等方法， 在全面研究城市水循环机理和排水特征的前提下， 对城市水系统进行全面地认识和科学地管理[12].
2 城市水文学研究进展
城市水文学的研究始于城市排水设计的工程实践和经验积累， 人类最早的城市排水系统可追溯到上千年前。工业化发展使人口进一步向城市聚集， 城市规模进一步增加， 产生了水资源短缺、水质污染、水生态环境恶化和洪涝灾害等一系列新的城市水问题， 超出了常规水文学方法研究范畴， 由此诞生了城市水文学， 旨在研究"受城市化影响的城市环境内外的水文过程"[13].最初， 人们通过开展小流域实验和分析历史观测资料研究城市化水文效应， 随着对水文规律的进一步认识和科学技术的发展， 城市水文学研究的内容和方法不断发展， 人们对城市产汇流理论进行了深入的研究， 并陆续开发出一系列城市水文模型， 对城市化水文过程进行定量化模拟， 提出并实施了一系列城市水问题应对措施， 服务于城市健康发展和合理规划[14].
2.1 城市化水文效应
在城市化水文效应方面， 主要是利用历史观测数据、城市小流域水文气象观测实验以及分布式水文模型， 针对城市化所引起的降雨、蒸散发、径流等水文循环要素的变化、水环境恶化与水生态退化问题等方面进行研究。
城市化通过改变下垫面条件和局部小气候， 引起水文循环过程的变化[12].城市化对降雨的影响主要表现在： （1） 降雨具有明显的时空分布， 受到下垫面类型和地形特征的影响， 市区降水量大于郊区， 且市区及其下风向一定范围内的降雨强度大于郊区[15]; （2） 不同量级的降雨均受到城市化的影响， 其中对较高量级的降雨影响尤为显著， 且城市暴雨发生的频率明显增大； （3） 城市化对降雨的影响具有季节性， 冬季降雨受到的影响更为显著， 也有研究持相反观点， 认为夏季降雨受到更为显著的影响[16], 城市化对降雨的影响还表现出区域性特征。主要的影响因素包括热岛效应、地形抬升与阻滞作用、气溶胶效应， 而不同城市地形、地理位置、气候类型下的城市化影响也有一定差异；也有一些研究认为降雨特征变化与城市化并无直接联系[17,18,19], 其响应机制仍待进一步研究[14].
城市化对蒸发的影响主要在于下垫面的变化和局部小气候的改变引起蒸散发的变化， 一般而言， 由于自然植被、土壤和水面被人工混凝土路面所替代， 地表持水能力减弱导致蒸散发持续时间缩短， 因此， 一些研究认为城市化的发展会显著降低城市蒸散发[20,21], 但也有学者认为城市尺度上的蒸散发并非传统所认为的十分微小[12], 有研究表明， 在全面考虑了人为热、建筑物内部蒸散以及渗漏对蒸散发的影响后， 计算得到的城区蒸散量大于自然下垫面蒸散量[22].因此， 有必要从微观尺度出发， 在考虑不同下垫面蒸散发原理和城市自然-社会二元水循环的基础上， 全面核算城市蒸散发量， 进一步探究城市化对蒸散发过程变化的影响机制[14].
城市化的径流效应方面， 主要在于下垫面变化所引起的排水系统、地表下渗系数、地表糙率系数、汇流通路的变化， 使得城市径流过程发生较大变化。由于自然地表被大量硬化的混凝土路面替代， 一方面使城市地表面入渗系数降低， 径流系数增大， 另一方面城市地表糙率系数降低， 排水系统渠 （管） 道化以及截弯取直等， 降雨形成径流后会迅速汇集， 使暴雨期间洪水总量、洪峰流量增大， 峰现时间提前， 造成排水系统的严重超载， 无法及时排除雨水， 形成城市积涝[23,24].也有研究认为[25], 由于城市河道普遍设置小型拦水建筑物以形成景观水体， 一定程度上会降低河道汇流速度， 抵消城市地表糙率降低带来的汇流速度增加效应， 出口断面峰现时间并无明显提前。城市化也造成了地下径流的变化， 如不透水面增加会减少地下径流补给， 地下建筑物的大量修建会阻断自然汇流通路， 造成地下汇流时间延长等；也有研究表明， 由于地下排水管网的渗漏所造成的地下径流补给量十分可观， 同时城市绿化、雨水利用设施和人工回灌等也在一定程度上增加了地下径流[14,26,27].
城市发展对水生态环境造成了剧烈的影响， 主要在于城市生产、生活排污量激增带来的水质恶化， 地面硬化、河湖衰退等引起的径流变化和生态系统退化等。城市化过程中地面硬化面积增加， 地面径流流速增大， 侵蚀冲刷作用明显， 植被覆盖减少， 对污染物的拦截和消减以及土壤的束缚作用降低， 使水体泥沙沉淀物和污染物增加[14];城市活动导致污染物增多， 生产、生活排污和降雨期间建筑垃圾、汽车尾气、大气沉降等各种污染源形成大量非点源污染， 进一步加重水质恶化[28];城市建设对河湖湿地的任意侵占导致河流竖窄缩短、湖泊湿地面积减少， 导致城市河湖湿地等生物栖息地退化， 物种数量减少， 生态多样性受到严重影响[29].
2.2 城市产汇流理论
城市化使得大面积的耕地、林地、草地和水面等天然下垫面被建筑物和道路等替代， 自然流域土地利用类型和格局均发生改变， 引起下垫面土壤结构、地形地貌和水热通量明显变化， 极大地影响了流域的产汇流规律。与自然流域的产汇流过程相比， 城市流域的降雨时空变异性较大、下垫面构成复杂且具有很大的空间异质性， 城市化水文效应对产汇流过程的改变， 使城市产汇流过程具有自然流域产汇流理论所不能描述的特征， 其产汇流机理目前仍处于探索阶段。
自然流域的地表产流机制一般分为蓄满产流和超渗产流。蓄满产流一般适用于湿润地区， 土壤含水量高， 蓄水容量有限， 降雨首先满足土壤蓄渗后才开始产流。超渗产流一般适用于干旱半干旱地区， 其土壤含水量较低， 降雨易使土壤结皮导致渗透系数减小， 降雨强度超过土壤入渗能力形成径流。在极端降雨条件下， 对于任何区域的任何土壤类型， 降雨强度远远超过土壤渗透系数， 均表现出超渗产流的特征。城市表面由于受到道路铺设和土壤压实等综合作用的影响， 地表土壤入渗率较低， 具有超渗产流的基本特征[30].然而， 随着城市规划趋于科学化， 大量的城市绿地景观和海绵设施的建设也会形成较多高植被覆盖率的湿润土壤， 如绿色屋顶、植草沟、下凹式绿地以及各种人工湿地景观等， 其一定程度上具有蓄满产流的特征。因此， 城市产流计算中， 应根据详细的土地利用和土壤属性分布数据， 考虑降雨特征的时空变异性， 采用与下垫面特征匹配的产流理论[31].
城市化蒸散发受下垫面特征和水热通量变化的控制， 人为的水资源利用和管理也会对城市蒸散发过程造成影响。从较长时间尺度来看， 城市热岛效应会促进蒸发， 但城市地表粗糙度大使得表面横向气流运动减弱， 从而抑制蒸散发；城市绿地灌溉、人工河湖景观等增加土壤含水量和水面面积， 很大程度上促进了蒸散发， 但也有人认为城市绿地和河湖景观改变局地微气候， 能够缓解热岛效应[32], 间接地削弱了蒸散发。因此， 需要利用高时空分辨率的地面或遥感监测数据反映控制蒸散发的主要变量， 对蒸散发过程进行科学合理地描述。而城市更多地会受到短时强降雨的威胁， 由于历时较短， 一般认为蒸散发降雨期间变化不明显， 采用均一的蒸散发值， 但在空间上受城市局地微气候的影响， 具有一定的空间变异性。如刘佳明[33]基于Landsat TM热红外数据反演日均地表温度， 进一步计算城市地表蒸散发， 进行城市产汇流模拟。
城市雨水汇流可分为地表汇流和地下管网汇流， 其中地表汇流又分为坡面汇流和河道汇流， 一般不考虑入渗和管网渗漏雨水在土壤中的汇流。城市河道一般具有规则的渠道断面， 这与排水管道类似， 相对于自然流域河道的不规则断面而言较为简单， 符合渠道/管道非恒定流的基本特征。坡面汇流方面， 传统的自然流域由于地形和下垫面条件较为均一， 通常将具有相同或类似地形特征和下垫面特征的区域当做统一的水文响应单元， 采用相同的理论和参数描述其产汇流过程。而城市各种建筑物和基础设施的建设导致地形、下垫面结构发生显著变化， 对雨水的运移转化状态产生了较大影响， 城市汇流过程非常复杂。
Verbeiren等[34]通过对比常规土地利用产品和基于栅格的遥感数据产品进行水文模拟的结果， 发现后者所模拟的峰值流量要明显大于前者， 分析认为常规土地利用产品不能有效识别不透水面， 造成产流量较少。因此， 需要区分具有不同产汇流特征的城市表面， 而简单地将城市区域划分为透水面和不透水面也与城市地表地下结构复杂的特征相悖， 需要进一步细化下垫面特征类型， 如与流域水文响应单元类似的城市水文单元[35], 将具有相同水文响应特征的最小对象或单元作为产汇流的基础计算单元。刘家宏等[36]将城市下垫面概化为不透水单元、透水单元、半透水单元、伪透水单元、强透水单元、水域单元等6类城市水文响应单元， 每种响应单元对应特定的水文响应过程， 如不透水单元中的建筑屋顶、路面等， 透水单元中的公园绿地等， 以及强透水单元中的雨水花园等海绵设施， 采用对应的理论和方法描述其产汇流过程。
虽然城市水文单元对城市下垫面产汇流特征描述的代表性已较为精细， 但城市区域大量存在各种构筑物、微地形以及各子汇水系统 （地表、地下） 之间的水量交换， 使得城市下垫面破碎化， 汇流过程具有很强的不均一性， 局部地形的突变会导致水流状态的剧烈变化， 城市水文单元及相关理论不能对上述情况进行描述， 基于网格划分的水动力学汇流理论则能很好的描述上述汇流过程， 反映汇流过程中水流的分布性特征， 这方面已有较多的研究和应用[35,37,38,39].
2.3 城市雨洪模拟模型
城市雨洪模拟是在海绵城市规划和设计中的一项关键性支撑技术， 利用数值模拟技术对城市水循环过程进行模拟， 可以得到城市雨洪过程中的关键状态和特征要素， 对雨洪管理和利用具有指导意义。城市雨洪模拟模型一般按照汇流计算方法， 分为以水文学方法为主的模型、以水动力学方法为主的模型和以地形分析技术为主的模型[40].城市雨洪模型产流计算一般不按模型种类区分， 所有产流计算方法均可用于各种雨洪模型。
关于城市雨洪模型产流部分的模拟， Elliott和Trowsdale[41]在总结了当今流行的多个城市雨洪模型基础上， 发现对于不透水地表均采用降雨量扣除蒸发量、截留量、填洼量等损失来计算， 对于透水地表各个模型采用的方法有所不同， 主要有径流系数法、SCS法、下渗曲线法、Ф指数法及概念性降雨径流法等。
由于城市地表覆盖分布不均， 不透水面与透水面之间呈现错综复杂的空间分布， 而当前研究对城市复杂下垫面产流规律认识不足， 城市水文气象监测资料短缺， 导致城市雨洪的产流计算精度不高。当前多数城市雨洪模型 （如SWMM等） 对于降雨蒸发和入渗的模拟较为简化， 多采用一些简单的经验性公式或数据统计分析拟合公式。如蒸发速率在模拟时段往往设定为恒定不变， 没有考虑不同下垫面和人类活动条件下的蒸散发空间差异[36].虽然入渗模拟区分了透水面与不透水面， 但仅用两种下垫面类型不能表征城市真实特点；所有透水面入渗计算均采用同一公式， 忽略了不同透水性地面的差别和地下设施的影响；入渗计算模型如Horton模型、Green-Ampt模型及Philip模型等均较为简单， 多为经验公式或简化模型， 不能真实描述城市透水面尤其是"海绵城市"建设后透水设施的入渗过程。国内外一些学者[42,43]开展了试验和应用研究探讨城市下垫面类型的产流规律， 但单点尺度或实验室尺度的研究与实际状况仍存在较大差距， 城市区域不透水表面的空间分布以及不透水表面的汇流连通性直接影响到城市的产流特征。
一些学者采用完全分布式的方法来模拟产流， 并基于机理模型模拟雨水入渗过程。如罗鹏和宋星原[44]利用基于栅格的土地利用类型和土壤类型空间分布数据， 构建了一个基于栅格的分布式SCS产流模型， 该模型能够较好地考虑流域下垫面的空间分布及降雨空间分布的不均匀性。Pan等[45]对二维表面产流采用基于网格化单元的一维Richards方程模拟雨水下渗过程， 实现对地表产流过程更为真实的描述。刘佳明[33]采用分布式方法构建城市区域产流模型， 对每一个具有不同覆盖类型的栅格建立物理概念模型推求净雨， 栅格产流考虑树冠截留、蒸散发、土壤下渗等水文过程。
在汇流部分， 以水文学方法为主的模型在坡面汇流阶段采用水文学方法进行模拟， 在排水管网和河道模拟方面采用水文学方法或水动力学方法， 其中水动力学方法中的动力波法能够处理城市管网水流运动中各种流态共存、有压流和无压重力流交替发生以及管网辫状、环状分布的情况， 计算技术的发展使得求解完整圣维南方程组成为可能[46,47].动力波方法较为成功的应用是SWMM模型中的EXTRAN模块， 预示着城市雨水管网计算技术的成熟。任伯帜等[48]通过试验对比分析了几种水文学方法和水动力学方法， 认为马斯京根法与动力波、扩散波计算结果比较接近， 瞬时单位线的计算精度则相对较差。水文学方法采用集总式的概念， 将每个下垫面特征均一的区域当作子集水区进行模拟， 具有模拟精度高、资料需求少的特点， 但一般不能反映地面实际洪涝过程。
为了模拟地面雨洪过程， 有学者[49,50,51]基于地形分析技术， 利用填洼算法， 将降雨产流后的雨水或排水管网溢流根据地形高低进行分配， 得到区域的洪水淹没范围和深度。地形分析法主要包括有源淹没和无源淹没两种方法， 分别针对当前城市主要的两种雨洪过程：河流型和积雨型， 即河流溃口或漫溢进入城市形成的洪涝和暴雨期间积水形成的内涝。Chen等[50]基于地形分析技术构建城市洪涝模拟模型， 模型采用Green Ampt方法计算产流， 不考虑管网汇流而采用稳定下渗率替代管网排水， 采用平静水面 （flat-water） 法计算最终洪水状态。Jamali等[52]通过耦合一维管网排水模型和基于地形分析方法的RFIM模型， 对城市洪涝进行模拟， 模拟结果与MIKE FLOOD等水动力学模拟结果相当。地形分析法演算速度快， 所需数据资料也较少， 但由于只能得到洪水淹没的最终状态， 因此并不能满足当前精细化洪水模拟与管理的需求[49].
以水动力学方法为主的模型对坡面汇流采用基于物理机制的浅水方程或其简化形式进行模拟， 不需要预先划分积水区边界， 根据地形特征和下垫面分布将城市划分为一定大小的离散网格 （包括结构化网格、非结构化网格和自适应网格） , 能够模拟洪水发生到结束的全程状态， 提供每个栅格点上的洪水水深和流速时间序列[40].Schmitt等[53]利用基于三角网有限体积法离散求解浅水方程组， 并与地下管网系统相耦合， 成功模拟出暴雨条件下城市地表径流二维非恒定流过程。在国内， 仇劲卫等[54]、张新华等[55,56]分别基于不同的离散方法对城市地表二维非恒定流过程进行模拟， 耿艳芬[57]、喻海军[47]、刘佳明[33]分别建立了耦合一维城市排水管网、一维河道汇流和二维地表汇流的城市洪涝模型， 且耦合了城市表面的水文学过程， 实现对城市洪涝过程全面、精细地模拟。李娜等采用中国水利水电科学研究院自主研发的洪涝仿真模型[40], 对济南市大明湖海绵试点区LID措施的内涝削减效果进行研究， 结果表明利用水文水力学模型进行多种方案的模拟分析和比选， 可以考虑措施类型、措施规模、地形、下垫面条件和措施布设位置等因素的影响， 为合理设置LID措施提供了有效手段[58].
3 城市水文学研究重点方向和关键技术
城市水文学严格来说是一门工程水文学学科， 相关的理论和技术方法研究旨在促进高效科学的城市水管理。当前海绵城市建设作为我国城市水管理的重要举措， 需要强有力的理论支撑、技术支持和数据保障。因此， 构建完善的气象水文监测预报系统、深入分析变化环境下的城市水文效应和产汇流机理， 尤其是海绵设施水文水力学响应机理， 并耦合多学科理论构建适合城市复杂下垫面的城市水系统模型， 将是未来的主要研究方向。
（1） 城市水文监测与预报。完善的气象水文观测资料一直是人们认识和研究水文学规律的重要条件， 城市水文观测和预报是进行城市水文学研究的重要内容和关键技术。需要依托最新科技成果， 构建科学完备的气象和水文、地表和地下监测网络系统， 实现对城市降雨、排水系统、洪涝过程的全方位监测；结合多源信息技术， 耦合卫星遥感、气象雷达、手机蜂窝基站、城市视频监控和传感器设备等， 从多角度获取城市雨洪过程重要信息；构建多源数据同化系统， 构建标准化基础数据库， 并联合政府机构、科研院校和网络科技公司， 构建大数据存储和共享系统；构建基于多源信息数据的降雨邻近预报系统， 提供未来短时暴雨过程高精度预测预报信息， 为城市雨洪模拟及洪涝预报和防洪减灾提供科技支撑。
（2） 城市化水文效应与产汇流机理。城市化水文效应研究是辨析城市水问题、探索城市水循环规律并形成城市产汇流理论的基础， 城市产汇流机理则是构建城市水文模型的理论基础， 也是海绵城市建设和评估的技术支撑， 两者是当前城市水文学研究的重要研究方向和关键问题。基于城市气象水文观测数据， 耦合多源信息， 研究城市化对水文过程的影响机理， 总结城市水循环规律；基于城市典型土壤入渗观测、不同类型海绵设施与组合及不同尺度集水区产汇流观测实验， 研究城市不同下垫面产汇流规律；结合卫星、航空和低空无人机等多源遥感数据， 探究城市不透水面空间分布特征对城市产汇流规律及其响应机制的影响；结合遥感数据、地形数据、城市河网水系和排水系统资料， 分析城市排水系统和河湖水系演变规律， 研究城市不透水面水力连通性和河湖连通性对城市产汇流过程的影响。
（3） 城市综合水系统模型。城市水文学的研究对象是城市水文循环过程及其中的各项水文要素， 随着城市化建设的推进， 城市水问题呈现出更加复杂和综合性的特征。因此， 应基于城市产汇流理论和涉水多学科理论方法， 针对复杂城市下垫面条件下的自然水循环和社会水循环过程， 构建城市综合水系统模型， 对水量过程、水质变化、水生态演变和水资源安全及其相互之间的影响进行模拟。在水文方面， 重点研究城市及围绕城市的自然流域的地表径流形成、蒸发和下渗， 地下水的变化、陆表沉积物污染物的产生和迁移过程， 气候、土壤、植被变化的水文响应， 构建水文模型；在水动力学方面， 重点研究水在管道、渠道、道路、坑塘湿地、河流湖泊中的运动及洪涝过程， 也包括水在土壤中的复杂动态渗透过程， 构建水动力学模型；在生态环境方面， 重点研究水域中的沉积物和污染物扩散沉积过程， 水对陆地的侵蚀过程， 水生物多样性、生态栖息地完整性与水环境因子的响应关系， 构建城市生态/环境水文模型；在城市雨洪利用管理方面， 重点研究雨水处理设施优化布局、雨水收集与处理技术、雨水污染控制方法、雨水资源化利用效率、水景观构建与维护， 构建城市雨洪利用模型。
4 结语
现代城市水文学研究已近甲子之年， 围绕城市排水系统规划与设计、城市化水文效应、城市雨洪过程、雨污处理与利用等方面， 基于城市流域气象水文观测、长时间水文序列分析、水文模型模拟等研究方法， 借助多源遥感、数据同化、高性能计算和网络等技术， 开展了大量的研究， 形成了较为完善的城市水文学基础理论和研究方法。国外随着雨洪利用设施的广泛使用， 构建了一套先进的城市雨洪管理与利用体系。我国开创海绵城市建设， 力求构建适合中国国情的雨洪管理利用体系， 但当前仍存在不足之处， 如城市基础数据不完备、水文气象监测较为薄弱、海绵城市建设的基础水文学理论不成熟、城市水文模型开发与维护不系统等， 我国城市水文学研究仍面临诸多挑战， 应尽快借鉴和改进国外技术与方法， 加强基础理论研究和模型、数据系统开发。此外， 国内外城市水文学研究也面临一些问题， 如气候变化条件下水文一致性发生重大改变， 城市区域水文过程面临气候变化与城市化双重环境变化问题；由于城市系统与水系统复杂的相互作用， 城市水问题呈现更加复杂的特征。在未来的城市水文学研究中， 应依托先进理论和科学技术， 进一步加强气象水文和多种要素观测体系建设、加强多种来源数据同化和数据挖掘技术、加强多学科理论交叉研究， 构建综合性水系统研究方法， 全面认识城市水循环和生态、环境、水资源等涉水领域响应过程， 为构建可持续城市生态环境系统提供理论支持。
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海绵城市论文范文第二篇：西北地区海绵城市建设路径探索--以西咸新区为例
作者：张亮
作者单位：深圳市城市规划设计研究院有限公司
摘要：在全球气候变化及国家生态文明建设的背景下，海绵城市由于具有良好的吸水、持水、释水的水力特性，逐步成为国家统筹解决水资源、水安全、水环境等水系统问题的重要措施和手段，海绵城市建设逐渐在全国范围内铺开。本文以西咸新区为例，结合其本地气候、水文地质、生态环境、体制机制等特点，探讨海绵城市的内涵、建设目标、指标分解、建设策略等关键内容，并重点针对湿陷性黄土区、干旱地区等的海绵城市建设方式进行分析，提出西咸新区的解决措施和方案，为我国西北地区开展海绵城市建设提供参考和借鉴。
关键词：海绵城市；低影响开发；城市规划管控；排水防涝：
作者简介：张亮（1985-），男，硕士，深圳市城市规划设计研究院有限公司副主任工程师，工程师。；
Abstract:In the background of global climate change and national ecological civilization construction,sponge city becomes an important means to solve urban water problems owing to its excellent hydraulic characteristics of water uptake,water retention and water release.The construction of sponge city has been carried out throughout China gradually.Considering the climate,hydrogeology,ecological environment and mechanism of Xixian New Area,this paper studies the connotation,construction goal,target decomposition and construction strategy of sponge city,analyzes the methods for sponge city construction in the collapsible loess and arid regions,and propose the solution and scheme for Xixian New Area,which provides reference and guidance for the construction of sponge city for the areas in northwestern China.
Keyword:sponge city; low-impact development; urban planning control; drainage and waterlogging prevention;
1 引言
2013年12月，习近平总书记在中央城镇化工作会议上提出"建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市".2014年10月，住房和城乡建设部发布了《海绵城市建设技术指南--低影响开发雨水系统构建（试行）》（以下简称《指南》），指导各地新型城镇化建设过程中推广和应用低影响开发建设模式，保障海绵城市建设的顺利开展。同年12月，住建部、财政部、水利部三部委联合启动了全国首批海绵城市建设试点城市申报工作，西咸新区凭借良好的区位示范效应以及已开展多年的低影响开发研究与实践基础，成为西北地区唯一入选的试点城市。2015年10月，国务院办公厅发布《关于推进海绵城市建设的指导意见》，要求综合采取"渗、滞、蓄、净、用、排"等措施，将70%的降雨就地消纳和利用，到2020年，城市建成区20%以上的面积达到目标要求；到2030年，城市建成区80%以上的面积达到目标要求[1].
海绵城市建设在国内处于起步和探索阶段，关于"海绵城市"的内涵以及如何因地制宜开展"海绵城市"的建设仍存在较多的争议，需要结合实际建设进一步深入讨论和研究，各地区也通过海绵城市的试点建设积极总结经验和教训。本文以西咸新区为例，探讨西北地区海绵城市建设的实施策略和控制要点，为其他类似地区的海绵城市建设提供参考和借鉴。
2 西咸新区概况
西咸新区位于陕西省西安市和咸阳市建成区之间，辖空港新城、沣东新城、秦汉新城、沣西新城、泾河新城等五个组团。属温带大陆性季风型半干旱、半湿润气候区。夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，四季干、湿、冷、暖分明。
根据临近的秦都区国家基本气象站1960-2014年日最大降雨量和1981-2010年月平均降雨量的统计分析，西咸新区多年平均降雨量约520mm,其中，7-9月降雨量占全年降雨量的50%左右，且夏季降水多以暴雨形式出现，易造成洪、涝和水土流失等自然灾害。
西咸新区是我国首个以创新城市发展方式为主题的国家级新区，被国务院赋予建设丝绸之路经济带重要支点、我国向西开放重要枢纽、西部大开发新引擎和中国特色新型城镇化范例的历史使命。2012年以来，西咸新区将海绵城市建设作为创新城市发展方式的重要着力点和突破口，按照低影响开发理念开展海绵城市建设探索和实践。
3 海绵城市内涵
海绵城市，从字面上可以理解为像海绵一样的城市。海绵具有良好的"吸水、持水、释水"的水力特性，在城市中则具体表现为下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水"释放"并加以利用。通过自然途径与人工措施的结合，在保障城市排水防涝安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护[2,3].
海绵城市是一种以雨水综合管控为出发点的城市建设模式，是统筹解决水资源、水环境、水安全等水系统问题的重要措施和手段，其核心的技术内容是低影响开发（LID）。相较于国外提出的最佳管理措施（BMP）、可持续排水系统（SUDS）、水敏感城市（water sensitive urban design,WSUD）等雨水管理方式，海绵城市在关注雨水管控的基础上，同时强调对城市原有生态系统的维持和修复，使城市在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的"弹性".
4 西咸新区海绵城市建设
4.1 建设目标
根据《指南》中我国大陆地区年径流总量控制率分区，西咸新区位于Ⅱ区，年径流总量控制率目标为80%≤α≤85%.综合考虑西咸新区降雨特征、土壤性质、建筑密度等因素，结合已有规划和研究[4],确定年径流总量控制率目标为80%.
通过搜集统计秦都区国家气象站近30年的日降雨（不包括降雪）资料，扣除资料中小于2mm的数据，通过统计处理，得出当设计降雨量为15.9mm时，小于该降雨量的降雨总量占总降雨量的80%（图1），故年径流总量控制率80%对应的设计降雨量为15.9mm,即西咸新区要实现80%年径流总量控制率的目标，海绵城市各项设施需容纳单位面积用地上不低于15.9mm的降雨量。
4.2 指标分解
海绵城市建设指标的分解是落实年径流总量控制率的重要环节，是将总量控制目标分解至排水分区、开发地块及海绵设施等不同层次的设计和控制指标的关键步骤，分解后的指标能够有效地指导海绵城市设施具体的建设和实施，同时也为后期实施方案的考核评估提供了数据依据。
下面以西咸新区海绵城市建设试点区域的1号排水分区为例，介绍指标分解的方法和步骤（表1）。
（1）排水分区年径流总量控制率目标初步分解。根据排水分区的规划用地性质、绿地数量、末端控制设施规模等，将西咸新区年径流总量控制率80%初步分解至不同的排水分区。
（2）地块年径流总量控制率目标初步分解。以控制性详细规划中每个地块为单元，按不同用地性质对各地块目标进行初步设定，保证地块控制容积之和等于分区总控制容积。
（3）地块建设控制指标初步设定。设定各类地块详细控制指标，包括下沉式绿地（生态滞留设施）的建设比例，可渗透地面面积比例，生态绿色屋顶覆盖比例，不透水下垫面径流控制比例等。
（4）道路指标初步设定。鉴于道路的特殊性，其控制指标不宜设置过高，一般应比地块的指标低。道路建设控制指标包括下沉式绿地（生态滞留设施）的建设比例，人行道透水铺装的建设比例等。
（5）搭建SWMM模型。利用SWMM软件，基于地块、道路、集中调蓄设施和规划管网构建水力模型进行仿真模拟，计算地块年径流总量控制率是否可以达到初步设定的值。根据计算结果，结合技术经济分析，依据总体最优化的原则调整地块和道路建设控制指标，直至达到采用最少的设施满足示范区80%年径流总量控制率的结果。
图1 西咸新区多年降雨资料统计规律Fig.1 Rainfall patterns of Xixian New Area in past decades
（6）各级指标最终确定。利用优化后的模拟结果得到每个地块的控制指标及目标，对每个分区内的各地块指标进行加权平均，得到各分区的控制指标和目标。
通过以上步骤，将西咸新区年径流总量控制率80%的目标，逐步分解至各排水分区、控规地块及海绵设施。在指标分解过程中，需要注意以下要点：旧城更新项目（道路）目标和指标低于新建项目（道路）；按已出让地块考虑到协调难度，目标和指标低于未出让地块；地块控制指标应与控规确定的建筑覆盖率、绿地率、容积率等相协调[5].
4.3 建设策略
西咸新区作为西北地区的典型城市，属于半干旱、半湿润气候区，具有降雨量较少、水资源短缺、砂质土层较多、土壤渗透系数较大等水文地质特征。在构建海绵城市的建设体系过程中，必须结合本地特点，因地制宜解决城市发展过程中存在的水系统问题。
（1）生态优先，强化生态保护区的管控和涵养。最大限度地保护原有河流、湖泊、湿地、坑塘、沟渠等水生态敏感区，留有足够涵养水源、应对较大强度降雨的林地、草地、湖泊、湿地，维持城市开发前的自然水文特征[6].以秦岭生态区、渭河干支流、渭北浅山丘陵生态区为骨干，以自然保护区、林地、大遗址为基本要素，延续区域生态格局，构建"两带、三廊、多绿楔"的生态安全格局。
构建城市发展与自然生态、田塬水系相结合的生态绿地系统，主要包括生态公园绿地、道路附属绿地、生态防护绿地、特色农田、滨水生态绿地等类别。在满足绿地系统生态景观、游憩空间、碳汇、隔离带等基本功能的条件下，合理预留或创造空间条件，对绿地自身及周边硬质化地面的雨水径流进行"渗、滞、蓄、净"等处理，并与城市传统雨水排放系统、超标雨水排放系统进行衔接（表2）。
（2）节水为重，通过非常规水利用缓解水资源压力。西咸新区属于严重缺水地区，亟需通过海绵城市建设提高非常规水资源利用比例，以直接回用或者间接涵养的方式，缓解水资源压力。采取以地下水和地表水为主，适时利用中水和雨水资源的水资源配置方式，将开源与节流并重，通过"蓄住天上水、拦住过境水、保护地下水、开发再生水"的水资源利用策略，使水资源得到优化配置、循环利用，满足区域生活、生产、生态用水（图2）。
西咸新区目前的城市用水均来自地下水，结合西咸新区土壤渗透系数较大的特征，采用低影响开发设施中的渗井技术，将雨水回灌至地下以补充地下水，缓解地下水位逐年下降的趋势，形成地下水库。
表1 西咸新区海绵城市建设试点1号排水分区指标分解结果示意Tab.1 Target decomposition result of 1#drainage pision in Xixian New Area
（3）系统治水，修复并发挥山水林田湖的综合生态效益。山水林田湖是一个生命共同体，以海绵城市建设为载体，统筹山水林田湖建设，最大限度修复水体水系和优化生态环境，实现综合生态效益最大化。
建立从源头到中途再到末端的雨水径流管理模式，立足现状，从单纯依靠城市排水设施外排雨水向城市雨洪全过程管理转变，遵循"源头控制、中途蓄滞、末端排放"的原则，构建低影响开发规划、雨水排水系统规划、城市内涝防治规划三位一体的城市排水（雨水）防涝综合规划体系，建立低影响开发、雨水排水系统与内涝防治系统的有机结合，相互协作保障西咸新区有效应对50年一遇暴雨。
（4）研究先行，因地制宜探索西北地区的海绵城市技术。加强对低影响开发设施的理论研究，确定在西北地区的土壤、降雨、水质、水量等条件下，各项低影响开发设施对城市雨水径流水量水质的调控效果、设计和运行参数，为低影响开发的本地化应用提供数据基础和技术支撑。
以干湿分明地区的雨水调蓄、民间传统设计方法的传承等为重点，探索适用于西北地区的技术和标准。研究实践双侧收集滞渗、单侧收集存蓄、分段收集净化三种道路收水方式，为道路低影响开发设计提供指导。
（5）规划引领，各级城市规划中加强海绵城市管控。城市规划是落实海绵城市建设的具体载体，规划部门则是海绵城市相关规划编制的执行部门，应当充分发挥规划的先导作用，将海绵城市的建设目标、控制指标及设计指引等，分解落实至不同层面的城市规划中，对低影响开发设施的布局、规模、用地等进行全面的规划管控，为海绵城市下一层次的方案设计、建设施工以及运营维护提供指导和依据。
图2 西咸新区水资源综合利用示意Fig.2 Comprehensive utilization of water resources in Xixian New Area
在城市总体规划层面，应当在规划方法和理念上进行创新，结合规划区的本地条件，开展低影响开发适宜性的专题研究，确定年径流总量控制率目标和对应的设计降雨量，明确海绵城市建设的总体实施策略和重点发展片区。
在详细规划层面，应当对总体规划及上层次规划确定的海绵城市建设目标进行分解和细化，结合建筑覆盖度、容积率、绿化覆盖率等约束性控制指标，提出各地块的径流总量控制率、绿地下沉比例、透水铺装比例、绿色屋顶比例等控制指标，纳入地块规划设计要点。
在专项规划层面，道路、竖向、绿地、排水防涝、水系等规划应当与海绵城市建设的相关要求进行衔接，规划确定的低影响开发设施应在相应的专项规划中予以落实和布局[7].
5 西北地区海绵城市建设探索
（1）西北湿陷性黄土地区的低影响开发。
表2 西咸新区绿地系统低影响开发指标Tab.2 LID index of green space system in Xixian New Area
湿陷性黄土是一种特殊性质的土，其土质较均匀、结构疏松、孔隙发育。在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较小。当在一定压力下受水浸湿，土结构会迅速破坏，产生较大附加下沉，强度迅速降低[8].西咸新区部分地区存在湿陷性黄土，对低影响开发中的雨水入渗技术存在一定的限制和影响。
为避免在湿陷性黄土区应用低影响开发时引发的技术风险，在进行详细的地质勘查的前提下，确定西咸新区的湿陷性黄土的具体分布，并提出低影响开发的分区建设策略。对湿陷性黄土区（主要分布于渭河以北）开展海绵城市建设，应尽量避免采用深层、大型入渗的低影响开发设施，采用浅层、小型入渗设施时，应采取防渗措施；车行道路不建议采用透水沥青和水泥。
（2）缺水地区的海绵城市建设导向。
西咸新区可利用水资源紧缺，泾河、沣河、皂河三条过境河流水量丰富，但缺乏拦蓄工程，且水质较差，难以直接利用。除地下水资源外，基本依靠区外客水。西咸新区海绵城市建设中，着重发展"渗、滞、蓄、净、用、排"六类低影响开发设施中的"蓄"和"用",提高雨水资源利用率，缓解水资源紧缺的现状。
借助自然力量排水，构建四级雨水收集利用系统，实现雨水在城市中的自然迁移、低碳循环。一是对建筑小区内的雨水应尽可能收集利用。通过采用植生滞留槽、下凹式绿地、植被草沟、景观水体、渗透性路面、雨水调蓄池等工艺，对雨水做到应收尽收。二是市政道路绿地应加强集水和净化功能。在地质适宜的地区，采用豁口路缘石、下凹式绿地、多滤层、速渗井、调蓄池等措施，建设"双侧收集滞渗、单侧收集存蓄、分段收集净化"三种道路收水方式，降低道路径流系数，同时对雨水进行净化、储存、利用，确保水资源的综合利用。三是利用中央雨洪系统和景观绿地形成调蓄枢纽。因地制宜，传统与现代结合，效仿传统农村"涝池"的理念，利用古河道的低洼地带建设不间断生态绿廊，形成区域海绵雨洪调蓄枢纽。四是景观绿地依托地形自然收集雨水。利用原有城市地形，在适当区域建设城市绿地、广场等公共空间，利用植被缓冲带、生态型湿地、多形式湿塘、植草沟等措施对地表径流进行汇集、生态净化、下渗和收集利用，超出设计规模的径流流向自然地势低洼区域，汇聚到由碎石、砂土等构成的渗井，回补地下水。
6 结语
海绵城市建设是城市规划建设理念的一次重要革命，为系统解决城市发展过程中出现的水问题提供了有效的解决手段，是推动中国特色城镇化进程的重要抓手。西咸新区作为国家首批16个海绵城市建设试点城市之一，在西北地区海绵城市建设方面做出了一定的探索，但在体制机制建设、PPP模式构建等方面仍需要进行深入的研究和实践。
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