建设海绵城市中遇到的问题及研究路径

海绵城市论文范文第五篇：建设海绵城市中遇到的问题及研究路径

　　摘要：建设海绵城市是中国落实生态文明的重要举措， 它强调"自然积存、自然渗透、自然净化"的理念， 目前已上升到中国国家战略层面， 已有3个城市 （如济南、武汉、厦门、北京、天津、上海等） 开展了海绵城市建设试点工作。但中国海绵城市的研究和实践尚处在初级阶段， 注重工程性措施而忽视了配套的非工程性措施， 尚存在诸多亟需解决的难点问题。文章从海绵城市的提出背景入手， 首先介绍了海绵城市的概念和理论内涵， 包括建设海绵城市的基本原则、规划核心、预期目标以及理论本质等方面， 然后从理论、技术和实践3个层面总结了中国海绵城市研究进展， 重点介绍了这3个层面的主要研究内容和成果；最后从基础理论体系建设、城市面源污染治理技术、现有建成区的改造、建造和运行中的商业模式、非工程性设施建设等5个方面， 指出了当前中国建设海绵城市有待深入解决的问题， 为今后海绵城市的研究指明了方向。

　　关键词：海绵城市；生态文明；国家战略；城市面源污染；雨洪管理；

　　作者简介：袁再健 （1976年生） , 男， 教授， 博士， 主要从事水土保持、面源污染、生态水文与海绵城市研究。；李定强， 研究员， 博士， 主要从事水土保持与面源污染等方面的研究。E-mail:lidq@gzb.ac.cn;

　　Abstract:The construction of sponge city is an important measure to implement Chinese ecological civilization with emphasizing the concept of "natural accumulation, natural infiltration and natural purification", which has been risen to the national strategic level in China.Now, there are 3 cities （such as Ji'nan, Wuhan, Xiamen, Beijing, Tianjin and Shanghai, et al.） carried out the construction of sponge city, but the research and practice of sponge city is still at the primary stage in China which emphasized engineering measures and ignored non engineering measures.This paper firstly introduced the concept and connotation of the sponge city （including the basic principles, core planning, expected target and theoretical essence to construct the sponge city） , and summarized the progress of sponge city research in China from theory, technology and practice aspects, then focused on introducing the main research contents and achievements of the three aspects.Finally, some problems that need to be further studied were discussed, such as the construction of basic theory system, the technology of non-point source pollution control, the transformation of the existing built-up area, the commercial model of construction and operation and the construction of non-engineering facilities, and pointed out the problems that need to be solved in the construction of sponge city in China presently and the direction of the research of sponge city in the future.

　　Keyword:sponge city; ecological civilization; national strategic; urban non-point source pollution; stormwater management;

　　引用格式：袁再健， 梁晨， 李定强。217.中国海绵城市研究进展与展望[J].生态环境学报， 26 （5） :896-91.

　　YUAN Zaijian, LIANG Chen, LI Dingqiang.217.Progress and prospect of the study on sponge city in China[J].Ecology and Environmental Sciences, 26 （5） :896-91.

　　近年来， 中国城市水环境日益恶化， 城市水资源短缺、水环境污染、水安全事件频发等问题突出 （章林伟， 215） .一方面， 城镇化进一步增加了城区不透水地表面积， 破坏了城区原有自然水循环机制， 导致水资源过度开发、水质恶化， 而片面追求经济利益的工程设施， 加剧了水系统整体机制的破坏 （刘文等， 215;俞孔坚等， 215a） ;另一方面， 传统依赖灰色设施的排水系统忽视雨水资源化利用， 导致应对日益严重的极端降水事件的能力不足， 很多城市出现严重内涝事件 （杨阳等， 215;李树平等， 22） , 甚至出现内涝与缺水并存的现象 （邹宇等， 215） .为缓解城市与环境之间的矛盾， 212年， 中国提出了建设海绵城市的战略构想。自214年底中华人民共和国住房和城乡建设部发布《海绵城市建设技术指南》 （以下简称《指南》） 以后， 中国兴起了建设海绵城市的热潮， 学者们纷纷从不同角度展开了海绵城市研究工作， 但目前的研究工作尚存在诸多问题和不足， 本文旨在梳理海绵城市的研究成果， 总结中国海绵城市研究现状并展望未来研究重点。

　　1 海绵城市的概念与内涵

　　1.1 海绵城市的概念

　　《指南》中提出， 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自然灾害等方面具有良好的'弹性', 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" （中华人民共和国住房和城乡建设部， 214） .《中华人民共和国国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》对海绵城市的概念作出了进一步的解释："海绵城市是指通过加强城市建设管理， 充分发挥建筑、道路、绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用， 有效控制雨水径流， 实现自然积存、自然渗透、自然净化的发展方式" （中华人民共和国国务院办公厅， 215） .由此可见， 海绵城市着眼点于城市对雨水资源的利用与管理， 并以发展的眼光统筹全局， 旨在解决城市发展进程中面临的水安全、水资源与水污染问题。

　　1.2 海绵城市的内涵

　　《指南》将海绵城市建设的基本原则总结为规划引领、生态优先、安全为重、因地制宜和统筹建设。从水生态系统的构建和服务角度来看， 海绵城市的理论核心是增强生态系统的整体服务性功能体系， 建立多种尺度上的水生态设施， 并结合多类具体技术共同建设水生态基础设施， 这些尺度可以分为3层， 即流域或区域宏观尺度， 城区、乡镇或村域中观层面， 以及微观层面的具体建设单元 （俞孔坚等， 215a） .海绵城市的目标是通过机制建设、规划调控、设计落实、建设运行等过程， 实现雨水资源化利用， 应对暴雨洪涝灾害并控制水体污染， 即实现雨水径流的"渗、滞、蓄、净、用、排", 达到城市良性水文循环， 从而保护城市水生态系统 （车伍等， 215a;王文亮等， 215a） .从规划角度来讲， 这些目标可以归纳为4个方面， 即径流总量控制、径流峰值控制、径流污染控制和雨水资源化利用 （中华人民共和国住房和城乡建设部， 214） .由此可见， 海绵城市的本质是以可持续发展的眼光协调、解决城镇化进程及伴随其产生的资源环境问题之间的矛盾 （仇保兴， 215） .这种思维方式改变了传统的改造自然以适应人类需求的方式， 转而采用适应自然的方式构建城市设施， 反映了生态文明建设理念中的和谐共生、良性循环、全面发展的宗旨。

　　2 中国海绵城市研究进展

　　"海绵城市"一词最早来源于澳大利亚学者， 他们把城市对于其周边人口的吸附作用称之为海绵 （Paterson, 212;Rogers et al, 26） , 后来这一词被引进到城市的雨洪管理中， 利用了海绵的吸纳、保持、释放以及其持久易恢复的形象比喻 （吴丹洁等， 216） .中国学者对城市化中雨洪管理问题的关注由来已久。早在上世纪8年代末， 吴林祖等人就对杭州市径流污染特征、径流水文效应以及城市防洪等问题展开研究， 认为城市化会引起降雨增长、径流系数增大、洪水次数增多等问题， 同时也指出了保持城市自然排水能力的重要性， 提出自然水系对降雨径流的调蓄作用等管理思想 （吴林祖， 1987;洪亚华等， 1991） .此后的研究表明， 城市化对水环境有显著影响， 具体表现在降水量增加、洪峰流量提高、洪峰出现时间提前、径流水质下降、地下水位下降等问题上 （李树平等， 22;冉茂玉， 2;张志华， 2） , 这一阶段的治理措施， 除了传统的灰色排水模式以外， 也逐渐出现了雨水资源化利用方法 （李树平等， 22;冉茂玉， 2） 、现代雨洪管理 （张伟等， 211;潘安君等， 29） 等思想。当前， 国内海绵城市研究正呈现出多元化、系统化、专业化的趋势， 总体而言， 这些研究成果可以概况为以下3个方面：

　　2.1 海绵城市理论研究

　　海绵城市是雨洪管理的发展和进步 （杨阳等， 215） , 国际上成体系的雨洪管理研究主要起始于美国， 早在1977年颁布的清洁水法案及其修正案中， 美国提出了以控制农业面源污染为目的的最佳管理措施 （Stormwater Best Management Practices, BMPs） , 后来发展成为一项综合控制径流和水质的措施， 但是早期的BMPs多以末端的、集中处理方式为主， 存在投入大、效率低、实施困难等问题 （车伍等， 214） .到了2世纪9年代， 马里兰州的乔治王子郡环境资源署提出了以小型设施、源头控制为主的低影响开发 （Low Impact Development, LID） 理论， 而后这一理论被其他国家争相效仿， 同时也与其他雨洪管理理论以及各国的实际情况相结合， 形成了如英国的可持续城市排水系统 （Sustainable Urban Drainage Systems, SUDS） , 澳大利亚的水敏感性城市设计 （Water Sensitive Urban Design, WSUD） , 新西兰借鉴各国的管理模式提出的低影响城市设计与开发 （Low Impact Urban Design and Development, LIUDD） , 新加坡的ABC水计划 （The Active Beautiful Clean Waters Program） 等理论。

　　除了对于现代雨洪管理体系的梳理和辨析， 理论层面的研究主要集中于海绵城市的建设背景、理论内涵以及实践意义等方面。具体而言， 首先阐述了中国发展海绵城市建设的必然性， 主要体现为：建设海绵城市是由地理位置以及气候条件等因素决定， 中国城市存在多季节性暴雨干旱、水资源时空分配不均等问题；此外， 由于近年来城镇化水平不断提高， 城市规模扩大人口增加、规划编制不科学、工程设施建设标准滞后以及忽视绿色设施建设等， 直接导致或加剧了水资源短缺、城市内涝、面源污染， 甚至水系统整体功能退化等一系列严重问题 （俞孔坚等， 215a;杨阳等， 215;章林伟， 215;吴丹洁等， 216） .因此， 建设能够协调资源利用与环境保护之间关系的海绵城市， 是城镇化进入可持续发展的转型时期的必然举措 （中华人民共和国住房和城乡建设部， 214） .其次， 从概念角度讲， 海绵城市基于多技术、跨尺度的水生态基础设施建设与规划， 是对城市排水思路由传统的快排模式向雨水资源化利用的转变， 是城市建设在价值观上对雨水资源、生态环境、旱涝灾害等问题的弹性适应与灵活应对， 从哲学角度上体现了消纳 （就地化解水旱矛盾而不转嫁给异地） 、减速 （减缓径流速度以提高雨水下渗、净化和土地滋养） 以及适应 （顺应河流洪水发生情况、弹性设立防洪抗洪设施） 的策略， 其本质是协调城镇化与资源环境之间的矛盾， 核心是兼顾广义与侠义的低影响开发 （LID） 理论， 通过对原有生态系统的保护、修复、低影响开发等途径， 以及机制建设、规划调控、设计落实、建设运行管理等过程， 实现径流总量、峰值污染以及雨水资源化利用的目标， 即实现雨水的"渗、滞、蓄、净、用、排" （中华人民共和国住房和城乡建设部， 214;车生泉等， 215;仇保兴， 215;俞孔坚等， 215a;杨阳等， 215;车伍等， 215a;张书涵， 215;李俊奇等， 216;俞孔坚， 215b） .第三， 结合景观设计、智慧化城市等跨界模式是未来海绵城市的发展方向 （仇保兴， 215;李运杰等， 216;李俊奇等， 216） , 然而就中国第一批海绵城市试点建设情况来看， 仍然存在着非工程性措施上制度标准建设不完善， 工程性设施效果有限、维护成本高、与现有城市设施衔接不紧密、宏观规划无经验等问题 （凌子健等， 215） , 甚至由于很多试点并没有经受住暴雨考验， 社会上出现了很多质疑海绵城市建设的观点 （王绍增等， 216） .实际上， 传统排水系统的局限性已经凸显， 单纯的依靠灰色基础设施不能解决城市雨洪问题， 这已成为业内共识 （车伍等， 215a;车伍， 215b） , 而由于政策导向与社会关注所引起的海绵城市建设热潮， 使得很多人忽视了对理论内涵关系和建设工作难度的认知， 以至于操作僵化、成效甚微 （车伍， 215b） , 因此要避免建设过程中的"万能论"与"无用论"、"灰色派"与"绿色派"的极端误区， 海绵城市作为可持续发展的必由之路， 是一项综合性、历史性、长期性、艰巨性的任务， 在建设过程中仍需要全社会的共同关注和努力 （吴丹洁等， 216） .

　　2.2 海绵城市技术研究

　　2.2.1 规划目标分解落实技术

　　海绵城市对雨水管理的规划控制目标包括径流总量控制、峰值控制、污染控制以及雨水资源化利用， 其中， 径流总量控制指标最为重要， 一般采用年径流总量控制率来衡量， 不同的年径流总量控制率对应于相应的设计雨量， 各地应根据气候、地貌、土壤渗透类型以及建设需求等制定合理的控制指标值 （李俊奇等， 215） .王文亮等 （215b, 216） 进一步对径流总量控制指标进行解读， 论述了包括总量控制的内容、区域划分原则， 以及在实际建设过程中的工程措施规划、目标优化方法， 同时提出重量指标的量化分解方法， 即根据总体规划下的径流总量控制目标， 在详细规划层面中， 根据地块的开发利用强度和类型逐层计算， 通过场地内、场地外两种控制模式实现控制目标。有关年径流总量控制指标的计算、分析方法还包括康丹等 （215） 建立的三级分解法、姜勇 （216） 提出的平均分配微调整法、潘笑文等 （217） 分析的典型年法， 以及王诒建 （216） 研究的总目标控制指标和建设效果评估指标体系等。

　　2.2.2 模拟技术

　　雨洪模拟技术是海绵城市的关键技术之一， 但中国在模型研制方面还相对落后， 大多数模拟研究以国外模型为基础 （刘昌明等， 216） .目前， 国际上已开发的雨洪管理模型有几十种， 包括SWMM、MOUSE、SLAMM、MIKE、STORM等 （宋晓猛等， 214;王建龙等， 21） .其中， SWMM模型由于其程序开源， 模拟能力全面， 整合了典型的LID设施模块， 应用最为广泛 （李玥等， 216） .

　　SWMM模型由美国环保署 （USEPA） 于1971年开发的， 其中的水文、水力、水质模块能够很好地模拟地表产流汇流、径流在管道或沟渠中的流动以及污染物累积冲刷等过程 （陈晓燕等， 213） , 因此在排水网管设计 （王祥等， 211;韩松磊等， 216） 、内涝水质模拟 （黄国如等， 215;石赟赟等， 214;王蓉等， 215） , 以及LID设施效果 （李卓熹等， 212;何爽等， 213） 等模拟研究方面应用广泛。对模型参数敏感性的研究发现， 由于模型复杂度较高、参数多 （3个模块共包含2多个参数） , 模型不同参数敏感性差异较大， 同一参数在不同条件下的差异性也较大， 且影响参数敏感性的因素众多 （李春林等， 214;蒋元勇等， 215） , 目前除了直接测算以外， SWMM参数的校准主要应用最优化算法， 包括遗传算法、神经网络、粒子群算法等等 （陈晓燕等， 213;王磊等， 29） .此外， 结合GIS与RS技术对集水区域进行识别和划分， 能实现与SWMM模型的整合 （黄国如等， 211;王海潮等， 211） .

　　2.2.3 材料技术

　　有些学者探索了海绵城市建设过程中设施材料和方法上的创新。唐双成等 （216） 研究了分层填充介质以及降雨特征对于雨水花园建设效果的影响， 结果表明， 以沙、土分层填料作为填充介质的雨水花园， 比用均质黄土在水量削减、峰值范围削减上， 具有明显优势。而用生物炭作为滞留池填料， 不仅具有较好的蓄水能力， 而且对于径流净化也有显著的效果 （汤逸帆等， 216） .传统的海绵城市蓄水层通常采用天然砂石骨料， 而由建筑垃圾制成的再生砖骨料不仅将吸水能力提高了14~15倍， 而且具有更高的蓄水系数和蓄水涵养能力 （李显等， 216） .

　　2.2.4 工程技术

　　典型的海绵城市 （LID理论） 设施类型包括绿色屋顶、透水铺装、生物滞留设施、下沉绿地等。然而这些设施在具体实施过程中常面临诸多问题， 如实际应用过程中出现设计随意、应用盲目、忽视设施维护等问题。针对这些问题， 杜晓丽等 （217） 论述了生物滞留设施在构造、水质净化、设计方案运行维护等方面的内容。下沉式绿地具有截留净化雨水、补充地下水等作用， 且灵活、适用范围广。苏义敬等 （214） 根据北京市的相关规划标准， 计算了对应土质、设计雨量和径流总量控制指标下的下沉式绿地的深度和绿化率参数， 并提出了竖向设计、景观效果设计和植物淹水时间等方面的构建模式。湘江新区交通枢纽中心屋顶绿化工程在调节雨水资源、隔热保温、吸附大气尘埃等方面取得显著成效， 同时也发挥了屋顶休闲、运动、科普等功能， 是海绵城市建设过程中较好的应用实例。张翼维等 （216） 介绍了这项工程在规划设计、基础施工、植被种植等方面的技术。此外， 刘文等 （215） 对比了生物滞留池、绿色屋顶和透水路面在应用时， 对径流或污染物削减的效果， 结果发现3种设施径流削减效果分别为5%~97%、19%~1%、5%~93%, 对于不同污染物的削除率虽有所差别， 但对总悬浮物、总磷、氨氮， 以及铜、铅、锌等污染物都有良好的去除效果。

　　2.3 海绵城市规划实践研究

　　这方面的研究主要体现在根据某些特定区域进行的海绵城市建设规划， 这些研究实用性强， 对其他城市有较高的参考价值。如， 针对北京市亦庄经济技术开发区南拓片区地势低洼且地下水超采严重问题， 莫琳等 （212） 应用生态雨洪调蓄系统理念对这一区域进行规划， 设计了三级雨洪调蓄系统以应对一到三年一遇的暴雨事件， 实现了城市防涝、水源涵养和水景营造的多重效益；陈珂珂等 （216） 分析了郑州市土壤类型、绿地和积水区之间的关系， 以此建模， 对绿地建设的规模和布局进行了优化；邹宇等 （215） 通过水文分析， 以生态水网连接度和不透水面积作为指标， 研究发现湖南省宁乡县县城规划具有良好的雨水调蓄、水系保护作用， 同时增强了水系统循环， 降低了城市内涝风险；刘丹莉等 （216） 分析了典型海绵城市设施在西安市的适用情况， 由于西安市的排水网管应对极端暴雨事件的能力逐渐不足， 加之绿地面积少， 雨水滞留利用率有限。应用海绵城市的相关理论建设西安海绵城市有重要的经济、社会和环境效益。

　　3 中国海绵城市研究展望

　　以上分析表明， 中国海绵城市研究和发展在很多方面已取得了一些成果， 但还有不少问题有待进一步深入研究， 主要包括：

　　（1） 基础理论体系建设。海绵城市建设是一项长期的、复杂的系统工程， 因此必须有完整的理论体系支撑， 同时结合给排水、园林绿化、城市规划、气象气候等多学科进行全方位论证和协调， 结合生态城市、低碳城市、智慧城市等概念从多角度构建城市规划方案， 避免单一目标的设计， 从总体上建立城市建设发展方案。

　　（2） 城市面源污染治理技术。中国城市水污染尤其是降雨径流面源污染问题日益严重， 解决城市面源污染问题也是海绵城市建设的核心任务之一， 因此在建设海绵城市时， 需加强城市面源污染防控技术研究， 探索新的净化材料、设施， 建立面源污染的评定与监测体系， 以及相关的管控机制。

　　（3） 城市建成区的雨洪管理改造。目前中国城镇化水平已超5%, 海绵城市的理念如何与传统排水工程进行衔接十分关键。因此应必须结合城市气候特点， 实现雨水快排和资源化利用的平衡。把城市中已经建成的灰色设施与绿色设施结合起来， 量化分析合理的储水排水量， 有针对性地指导城市灰色、绿色设施的投建比例， 达到雨水资源的最优化配置目标。

　　（4） 海绵城市建设的商业模式研究。目前中国海绵城市建设主要采用PPP （Public Private Partnership） 模式， 即企业和政府共同参与投资建设和运行管理， 但是建设海绵城市是一项需长远规划、投资巨大的工程， 如何针对城市之间经济发展水平差异与企业自身条件进行投资建设， 以及如何分配建成之后城市设施的管理维护的职责与费用， 都需要进一步探索。

　　（5） 强化雨洪管理的非工程设施建设。积极宣传推广海绵城市理念， 让更多的群众参与到海绵城市的建设中来， 同时加强制度建设， 强化民众雨水利用意识。这方面可以参考国外的经验， 如美国具有完善的雨洪管理体系；德国在雨洪管理法律法规以及政策体系方面处于世界领先；日本在相关领域的法律体系、权利责任制度以及相应的基础建设经验也值得我们学习。因此， 中国应从加强技术创新、教育宣传、法律制度跟进、明晰权责利义等方面有所突破， 实现美丽"中国梦".

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