欒勇，劉家宏

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京100038）

海綿城市建設(shè)中相關(guān)支撐技術(shù)簡(jiǎn)介

欒勇，劉家宏

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京100038）

城市化的快速推進(jìn)給城市防洪治澇及城市河流生態(tài)環(huán)境的保障工作帶來(lái)了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。海綿城市的建設(shè)理念是解決這些問(wèn)題的方法之一，并且很具發(fā)展?jié)摿?。文章綜述了國(guó)內(nèi)關(guān)于海綿城市建設(shè)理念的研究；并基于海綿城市的理念，分析了海綿城市建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，包括在其規(guī)劃設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)改進(jìn)及調(diào)度管理等階段遇到的技術(shù)難點(diǎn)；初步建立了海綿城市建設(shè)的技術(shù)體系，并系統(tǒng)地介紹了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀；分析了關(guān)鍵技術(shù)在海綿城市建設(shè)過(guò)程中的應(yīng)用前景。

海綿城市；城市雨洪；海綿體；建設(shè)技術(shù)；LID；BMP；SWMM模型

1 研究背景

近年來(lái)，隨著城市的快速發(fā)展及城市人口的急劇增加，城市防洪治澇及城市河流生態(tài)環(huán)境的保障等工作面臨重大挑戰(zhàn)。海綿城市的建設(shè)理念在解決這些問(wèn)題方面很具發(fā)展?jié)摿Α：＞d城市可以發(fā)揮城市綠地、道路、水系等對(duì)雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，在有效緩解城市內(nèi)澇、削減城市徑流污染負(fù)荷、更加有效地利用雨水資源的同時(shí)，保護(hù)和改善城市生態(tài)環(huán)境。

國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)海綿城市理念進(jìn)行了研究和探討。董淑秋等［1］探討“生態(tài)海綿”的構(gòu)建技術(shù)方案及相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建設(shè)；莫琳等［2］針對(duì)北京市面臨的內(nèi)澇水患及水資源短缺的問(wèn)題，提出了以綠地和水系為主體構(gòu)建城市“綠色海綿”的理念，并以北京市亦莊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)南拓片區(qū)為例研究了構(gòu)建“綠色海綿”的技術(shù)方案；蘇義敬等［3］基于“海綿”城市及國(guó)內(nèi)外最新的雨洪管理理念設(shè)計(jì)了下沉式綠地，其下沉式綠地可以實(shí)現(xiàn)防治內(nèi)澇、水資源利用和景觀美化的多重效益。

目前，海綿城市建設(shè)研究更多地是處于一個(gè)設(shè)計(jì)理念階段，如何具體建設(shè)海綿城市及對(duì)其建設(shè)效果的有效評(píng)估仍缺乏實(shí)際有效的標(biāo)準(zhǔn)和方法。本文試圖在分析海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)的同時(shí)，系統(tǒng)地介紹包括城市開(kāi)發(fā)及管理技術(shù)與城市雨洪徑流模型等海綿城市的建設(shè)技術(shù)、國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析其在海綿城市建設(shè)過(guò)程中的應(yīng)用潛力，為海綿城市的發(fā)展及規(guī)劃者提供一些有益的建議。

2 海綿城市建設(shè)的技術(shù)要點(diǎn)

海綿城市設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是“小雨不積水，大雨不內(nèi)澇，水體不黑臭，熱島有緩解”。海綿城市是綠色和灰色雨洪基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)合［4］。海綿城市的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用綠色化、生態(tài)化的開(kāi)發(fā)及管理措施，以達(dá)到促滲減排、慢排緩釋的目的，同時(shí)強(qiáng)調(diào)減少城市雨水徑流量，增加雨水下滲，并利用地下蓄水空間等灰色雨洪設(shè)施將部分下滲的雨水資源進(jìn)行人工收集，利用各種綠色處理手段對(duì)雨水進(jìn)行凈化處理，并回收利用，從而在減輕城市內(nèi)澇的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)城市雨洪資源化。當(dāng)新建人工“海綿體”，其主要建設(shè)形式可分為三種：點(diǎn)狀海綿體、線狀海綿體和面狀海綿體。點(diǎn)狀海綿體即各式各樣的蓄水池和儲(chǔ)水設(shè)施；線狀海綿體即城市河流水系；面狀海綿體即城市水庫(kù)、湖泊及集中綠地和透水地面。

海綿城市建設(shè)過(guò)程中，面臨諸多技術(shù)難點(diǎn)，主要集中在4個(gè)方面，即“海綿體”的規(guī)劃及設(shè)計(jì)、海綿城市的建設(shè)施工、海綿城市建設(shè)的效果評(píng)價(jià)及改進(jìn)和“海綿體”建成后的調(diào)度及管理。

2.1 “海綿體”的規(guī)劃設(shè)計(jì)海綿城市建設(shè)的核心是修建城市“海綿體”，其面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾方面：（1）“海綿體”的設(shè)計(jì)建設(shè)。確定城市“海綿體”建設(shè)形式時(shí)需要在考慮城市發(fā)展現(xiàn)狀、未來(lái)規(guī)劃及實(shí)際經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)灰色與綠色工程的結(jié)合系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用合適的施工技術(shù)及建設(shè)材料，并應(yīng)用最新海綿城市建設(shè)的技術(shù)產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)海綿城市功能的最大化。目前，在確定城市“海綿體”建設(shè)形式缺乏可以參考的規(guī)范及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)等軟措施；（2）“海綿體”修建的具體位置。確定城市“海綿體”修建的具體位置應(yīng)結(jié)合城市的氣候條件、自然地理?xiàng)l件及城市發(fā)展規(guī)劃。目前，在確定城市“海綿體”修建的位置時(shí)缺乏科學(xué)的方法；（3）“海綿體”的布局及聯(lián)系。單個(gè)“海綿體”對(duì)城市防洪系統(tǒng)產(chǎn)生的作用有限，通過(guò)對(duì)“海綿體”適當(dāng)?shù)牟季?，有機(jī)地將獨(dú)立的“海綿體”連系成統(tǒng)一的“海綿體”系統(tǒng)，能夠最大程度地發(fā)揮其防洪蓄滯潛力。目前，在修建城市海綿體時(shí)，缺乏用于模擬城市海綿體布局和聯(lián)系的系統(tǒng)工具及可操作的方法。

2.2 海綿城市建設(shè)效果的評(píng)價(jià)及改進(jìn)修建“海綿體”能為城市提供更多的透水面積，降低城市地區(qū)徑流系數(shù)，有效地改善城市河道水質(zhì)。海綿城市建設(shè)過(guò)程中，需要對(duì)修建的城市“海綿體”進(jìn)行評(píng)估，包括其對(duì)城市防洪的貢獻(xiàn)及城市雨水資源利用的效果評(píng)估。定量的評(píng)價(jià)不同建設(shè)情境下“海綿體”的蓄滯功能，生態(tài)功能及水文功能，合理科學(xué)地對(duì)“海綿體”的評(píng)價(jià)，有利于改進(jìn)現(xiàn)有的“海綿體”，并為后續(xù)的“海綿體”建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)支持。然而，由于缺乏有效的評(píng)價(jià)體系及公認(rèn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)海綿城市建設(shè)的評(píng)價(jià)面臨諸多困難。

2.3 “海綿體”建成后的調(diào)度及管理維護(hù)“海綿體”建設(shè)完成后，為保障其正常運(yùn)行，需要進(jìn)行科學(xué)的調(diào)度管理及必要的維護(hù)。在“海綿體”的調(diào)度管理中，針對(duì)不同強(qiáng)度的降水-徑流事件，制定各類“海綿體”特別是具有調(diào)蓄功能的海綿體的運(yùn)行方式，對(duì)于控制城市徑流，增加雨水資源利用，最大限度地發(fā)揮海綿城市功能具有十分重要的作用。目前，“海綿體”的管理權(quán)限仍不明確，水利部門(mén)，市政部門(mén)及環(huán)境部門(mén)都應(yīng)當(dāng)參與到“海綿體”的管理中，目前尚缺乏相關(guān)的部門(mén)合作機(jī)制。此外，“海綿體”運(yùn)行過(guò)程中，如何對(duì)其進(jìn)行科學(xué)管理使之高效運(yùn)轉(zhuǎn)尚缺乏相關(guān)的技術(shù)支持。

3 海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

目前，海綿城市建設(shè)的技術(shù)關(guān)鍵主要包括城市規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理技術(shù)及城市雨洪徑流模型。其中，國(guó)際上比較先進(jìn)的城市規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理技術(shù)主要包括LID低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)［5］和BMP最佳雨洪管理實(shí)踐［6］。城市雨洪徑流模型利用較多的是SWMM模型［7］及歐洲地區(qū)常用的MIKE模型，其中SWMM模型廣泛運(yùn)用于中國(guó)城市水文過(guò)程的模擬中。

在海綿城市建設(shè)階段，LID低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)、BMP最佳雨洪管理實(shí)踐及以SWMM模型為代表的城市雨洪徑流模型，能夠?yàn)楹＞d城市建設(shè)時(shí)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、評(píng)估及管理維護(hù)階段提供一定的技術(shù)支持。這些技術(shù)在海綿城市建設(shè)過(guò)程中的應(yīng)用前景如圖1所示。

圖1 海綿城市建設(shè)技術(shù)框圖

3.1城市規(guī)劃設(shè)計(jì)及管理技術(shù)

3.1.1 LID低影響開(kāi)發(fā)低影響開(kāi)發(fā)理念是20世紀(jì)90年代發(fā)達(dá)國(guó)家提出的一種新興的城市規(guī)劃管理理念。低影響開(kāi)發(fā)強(qiáng)調(diào)通過(guò)源頭分散的小型綠色工程控制設(shè)施，維持和保護(hù)場(chǎng)地自然水文功能、有效緩解城市不透水面積的增加所造成的洪峰流量增加、徑流系數(shù)增大和面源污染負(fù)荷加重等問(wèn)題。

低影響開(kāi)發(fā)主要通過(guò)生物滯留設(shè)施、屋頂綠化設(shè)計(jì)、植被淺溝設(shè)計(jì)、雨水利用公園和雨水處理公園等綠色工程措施維持開(kāi)發(fā)前原有水文條件，減少城市徑流，控制徑流污染，減少城市河道污染排放，提高城市雨水資源利用率，實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)區(qū)域可持續(xù)水循環(huán)［5］。

國(guó)內(nèi)關(guān)于低影響開(kāi)發(fā)的研究很多，主要集中在低影響開(kāi)發(fā)理念的分析及具體應(yīng)用上。王建龍等［8］介紹了低影響開(kāi)發(fā)的具體體系及實(shí)施方法；王紅武等［9］分析了影響低影響開(kāi)發(fā)工程效果的因素，提出了一些改善低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)的措施；邢薇等［10］提出了構(gòu)建基于低影響開(kāi)發(fā)的可持續(xù)城市雨水系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)了雨洪資源的利用；苗展堂等［11］分析了干旱半干旱地區(qū)基于LID的城市雨水設(shè)施體系模式，并核算了干旱半干旱區(qū)入滲模式的滲透設(shè)施面積。

在城市規(guī)劃階段，低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)強(qiáng)調(diào)采用“集水區(qū)”的原則進(jìn)行城市水文設(shè)計(jì)?！凹畢^(qū)”原則要求在城市規(guī)劃過(guò)程中，考慮城市自然地理?xiàng)l件，將城市以匯水邊境劃分為多個(gè)子流域“集水區(qū)”，并在“集水區(qū)”內(nèi)進(jìn)行城市雨水設(shè)計(jì)?！凹畢^(qū)”的原則考慮了城市水文條件，強(qiáng)調(diào)在不劇烈改變當(dāng)?shù)厮臈l件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行合理的城市雨水管理。在海綿城市建設(shè)過(guò)程中，“集水區(qū)”原則值得借鑒。具體的城市“海綿體”建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)在規(guī)劃階段劃分城市“集水區(qū)”，在“集水區(qū)”內(nèi)修建“海綿體”時(shí)，考慮所在“集水區(qū)”間的水文聯(lián)系，可以采取修建城市“綠道”等措施將各“海綿體”聯(lián)系成一體的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，最大程度地發(fā)揮“海綿體”的水文生態(tài)功能。

3.1.2 BMP最佳雨洪管理實(shí)踐最佳雨洪管理實(shí)踐起源于20世紀(jì)的美國(guó)，現(xiàn)廣泛運(yùn)用于歐美各國(guó)，BMP主要有兩種類型，即結(jié)構(gòu)性的BMP（Best management practicies）和非結(jié)構(gòu)性的BMP。結(jié)構(gòu)性的BMP主要涉及城市雨洪管理系統(tǒng)的物質(zhì)組成，如路面材料組成、儲(chǔ)水設(shè)施的修建、滲透系統(tǒng)及過(guò)濾系統(tǒng)的組成等；非結(jié)構(gòu)性的BMP主要涉及新的管理實(shí)踐的引進(jìn)或?qū)σ延泄芾韺?shí)踐的改進(jìn)，如常規(guī)雨水管理、不滲水區(qū)域的控制、民眾教育和相關(guān)法規(guī)等。BMP的核心在于強(qiáng)調(diào)對(duì)于較小的降雨事件如2.54 cm以下的降雨實(shí)施有效控制，可以覆蓋當(dāng)?shù)啬杲涤晔录蛷搅髁康?0%，并在對(duì)洪澇、峰值流量和水質(zhì)的控制之外增添了對(duì)地下水回灌與受納水體的安全保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的總體控制［12］。

結(jié)構(gòu)性的BMP設(shè)計(jì)與LID技術(shù)在處理城市內(nèi)澇具有一定的相似性，都是強(qiáng)調(diào)通過(guò)綠色工程措施減少城市地區(qū)徑流，減少城市面源污染，BMP中的非結(jié)構(gòu)性BMP包含更多的管理方法及宣傳教育等策略。國(guó)內(nèi)關(guān)于BMP的研究相對(duì)目前較少。韓秀娣［13］綜述了BMP在非點(diǎn)源污染控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望；賈海峰等［14］選用了合適的LID BMPs措施，并對(duì)其進(jìn)行了選址及布局研究，并對(duì)不同規(guī)劃方案進(jìn)行了優(yōu)化，給出了最具成本-效益的規(guī)劃情景方案。

海綿城市建設(shè)過(guò)程中，需要科學(xué)有效的管理策略。維護(hù)和修建“海綿體”的實(shí)踐中，需要提出有效的管理目標(biāo)，參考最佳雨洪管理實(shí)踐的做法，應(yīng)提出具體的城市雨洪控制目標(biāo)，設(shè)定降水頻率，并要求對(duì)降水頻率一下的降水過(guò)程進(jìn)行有效控制；同時(shí)也應(yīng)當(dāng)對(duì)城市地下管道內(nèi)的雨水水質(zhì)及城市河道內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行管控。

3.2 城市雨洪徑流模型20世紀(jì)70年代以來(lái)，城市雨洪徑流模型作為一種有效的城市雨洪管理工具，在城市水文模擬中得到了廣泛的應(yīng)用。城市雨洪徑流模型根據(jù)建?；A(chǔ)理論主要分為概念性水文模型及數(shù)學(xué)物理水力模型。目前，運(yùn)用較多的城市雨洪徑流模型主要有SWMM，STORM，HSPF，TRRL及MIKE等模型。其中，SWMM模型是目前最完整的降水—徑流—水質(zhì)模型。SWMM模型采用非線性水庫(kù)蓄水過(guò)程線的方法模擬降雨徑流過(guò)程，包括洼地滲透儲(chǔ)存過(guò)程、蒸發(fā)及地表徑流過(guò)程等；通過(guò)使用改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)波近似方程和假定完全混合流來(lái)示蹤水流和污染物在地下排水管網(wǎng)中的路徑［15］。

SWMM模型在國(guó)內(nèi)的研究及應(yīng)用很廣泛，研究?jī)?nèi)容主要集中在城市降雨模擬及地下管網(wǎng)優(yōu)化等方面。董欣等［15］應(yīng)用SWMM模型研究了城市不透水下墊面的降雨徑流過(guò)程和污染負(fù)荷；董欣等［16］利用SWMM模型對(duì)深圳市城市排水系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)模擬，分析了未來(lái)排水系統(tǒng)規(guī)劃的環(huán)境影響；叢翔宇等［17］以SWMM模型為基礎(chǔ)計(jì)算了北京一典型地區(qū)小區(qū)不同頻率設(shè)計(jì)暴雨條件下積水及排水情況；李彥偉等［18］利用SWMM模型模擬了所選區(qū)域排水系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，提出了改變節(jié)點(diǎn)高程及增大管徑的管網(wǎng)改造方案。

在海綿城市建設(shè)、管理及評(píng)價(jià)過(guò)程中，SWMM模型都可以作為一個(gè)有效的模擬工具。在“海綿體”項(xiàng)目規(guī)劃階段，可以利用SWMM模型模擬不同建設(shè)情景下海綿城市的建設(shè)效果，考慮包括不透水面積，城市徑流系數(shù)及地下管網(wǎng)的負(fù)荷等因素的影響，可以參考模型結(jié)果選取適當(dāng)?shù)慕ㄔO(shè)形式；在海綿城市的管理過(guò)程中，SWMM模型能夠根據(jù)不同管理措施模擬城市水文響應(yīng)，評(píng)估管理措施的效果及可靠性，從而優(yōu)化城市海綿的調(diào)度管理；在城市新建“海綿體”的評(píng)價(jià)過(guò)程中，可以結(jié)合SWMM模型對(duì)城市地下管網(wǎng)的模擬及突發(fā)性降雨時(shí)的城市積水深度的綜合模擬，評(píng)估“海綿體”的建設(shè)效果，并可為后續(xù)的“海綿體”建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)。

然而，SWMM模型在應(yīng)用過(guò)程中仍然存在諸多缺點(diǎn)。比如，SWMM模型對(duì)城市管網(wǎng)資料的要求較高，國(guó)內(nèi)許多城市難以提供詳細(xì)的管網(wǎng)資料，影響了模型的推廣，此外，SWMM模型對(duì)匯流單元的考慮還比較簡(jiǎn)單，海綿體的作用在模型中如何體現(xiàn)還缺乏成熟的模塊。

圖2 SWMM模型在海綿城市建設(shè)中應(yīng)用的結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)語(yǔ)

海綿城市的理念為城市防洪治澇及雨洪資源利用提供了一個(gè)很具潛力的解決方法，然而海綿城市的建設(shè)目前仍處于探索試點(diǎn)階段，在海綿城市建設(shè)過(guò)程中需要更多的技術(shù)支持。文章系統(tǒng)地梳理了海綿城市建設(shè)過(guò)程中的規(guī)劃設(shè)計(jì)，評(píng)價(jià)改進(jìn)及管理維護(hù)等階段的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，介紹了包括城市規(guī)劃開(kāi)發(fā)及管理技術(shù)與城市雨洪徑流模型的建設(shè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

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Analysis of sponge city construction technology

LUAN Yong，LIU Jiahong
（Department water resource，IWHR，Beijing100038，China）

The rapid advance of urbanization has brought serious challenges to urban flood control and the protection of the ecological environment in urban rivers.The concept of sponge city proves to be a very promising method of solving these problems.The domestic research on sponge city construction concept is summarized.Based on the concept of sponge city，analysis on main technical points in sponge city construc?tion has been conducted，including technical difficulties in planning and design，assessment and improve?ment，scheduling management in the construction of sponge city.The sponge city construction technology system is preliminarily established.The related key technologies and its application in domestic are systemat?ically introduced.

sponge city；urban rainfall flood；sponge；technology；LID；BMP；SWMM model

TV213

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.05.010

1672-3031（2016）05-0374-05

（責(zé)任編輯：王成麗）

2015-11-16

欒勇（1990-），男，河南周口人，碩士生，主要從事水文與水資源研究。E-mail：18801385878@163.com

劉家宏（1977-），男，湖北鐘祥人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水文與水資源研究。E-mail：liujh@iwhr.com