夏 軍,石 衛(wèi),王 強,鄒 磊

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢 430072; 2.武漢大學水安全研究院,湖北 武漢 430072;3.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430072)

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海綿城市建設中若干水文學問題的研討

夏 軍1,2,3,石 衛(wèi)1,王 強1,鄒 磊1

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北 武漢 430072; 2.武漢大學水安全研究院,湖北 武漢 430072;3.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430072)

針對海綿城市建設面臨的問題和挑戰(zhàn),提出了以水循環(huán)為紐帶、將城市暴雨-徑流、水污染治理和城市生態(tài)綠地、濕地建設與市政建設(排水、排污)規(guī)劃管理聯(lián)系為一體的“城市水系統(tǒng)”的概念與方法?；谒膶W原理,分析了目前海綿城市建設中最為關鍵、也是質(zhì)疑較多的年徑流總量控制率概念,指出現(xiàn)行的年徑流總量控制率的計算實質(zhì)是年降水總量控制率。如果回歸到水文學概念,年徑流總量控制率就必須與水文系統(tǒng)響應的增益因子,即徑流系數(shù)建立內(nèi)在的聯(lián)系;需要研究徑流系數(shù)并非常數(shù),而是與土壤濕度、降水強度和下墊面組合的時變非線性理論問題。此外,對比分析了現(xiàn)行海綿城市建設低影響開發(fā)措施和改進后的年徑流總量控制率之間的關系,深入剖析了“城市看海”發(fā)生的條件與風險。最后就海綿城市建設與規(guī)劃的水文學基礎亟待改進的方面:徑流系數(shù)非線性、區(qū)分自然條件和城市化后的蓄水量變化的差別、考慮河湖水系調(diào)蓄和陸地蒸散發(fā)、與流域大海綿調(diào)控結(jié)合、風險管理等,進行了研討,并提出了未來我國海綿城市建設的若干建議。

海綿城市;城市化;水系統(tǒng);水文學;總徑流控制率;低影響開發(fā)

1 研究背景

受氣候變化和人類活動因素的影響,城市面臨洪澇災害、水資源短缺、水體黑臭以及生態(tài)系統(tǒng)退化與修復的諸多問題。在極端氣候變化和城市快速發(fā)展共同影響下,我國“城市看海”的城市愈來愈多,城市洪澇災害造成了巨大的社會經(jīng)濟損失[1-3]。僅以武漢市為例,截至2016年7月6日,暴雨災害造成全市12個區(qū)75.7萬人受災,共轉(zhuǎn)移安置災民167 897人次,截至發(fā)稿前，80 207名群眾處于轉(zhuǎn)移安置狀態(tài),全市布設安置點68個,農(nóng)作物受損97 404 hm2,倒塌房屋2 357戶5 848間,因災死亡14人,直接經(jīng)濟損失22.65億元。武漢市對排水系統(tǒng)投資巨大,但依然年年“看?！?城市內(nèi)澇問題十分突出。城市如何與水和平共處?中國城市陷入的“治水方略”之困境又該如何解開?這成為當前及未來涉及人口最多、經(jīng)濟發(fā)展壓力最大的中國城市化建設面臨的嚴峻城市化建設戰(zhàn)略問題,亟待研究解決。

圖1 LID關鍵組成要素[9]

圖2 水敏感城市設計中的水綜合管理[10]

為了解決城市化導致的一系列負面效應,自20世紀90年代發(fā)達國家就提出了一些城市雨洪問題管理體系,如美國的低影響開發(fā)(low impact development,LID)[4]、英國的可持續(xù)排水(sustainable urban drainage systems,SUDS)[5]、澳大利亞的水敏感城市設計(water sensitive urban design,WSUD)[6]等。LID從源頭上對徑流調(diào)控,通過入滲、過濾和蒸發(fā)等方式模擬自然水文條件,實現(xiàn)減少徑流、降低污染負荷和保護受納水體的目標,與城市生態(tài)建設有機結(jié)合,根本解決城市健康問題,其關鍵要素見圖1[7-8]。WSUD根據(jù)城市水循環(huán)系統(tǒng)概念,將城市供水、污水處理以及水的再循環(huán)等作為一個整體進行綜合管理(圖2),促進城市規(guī)劃設計與建造方式的改變,以維持城市的可持續(xù)發(fā)展[10]。SUDS基于城市可持續(xù)性發(fā)展理念,除了考慮對城市生存環(huán)境至關重要的飲用水、水環(huán)境外,進一步將地表水功能性價值考慮在內(nèi),使城市排水系統(tǒng)更具可持續(xù)性[5]。

近幾年,海綿城市建設成為我國城市熱點水問題[3]。2013年12月,在中央城鎮(zhèn)化工作會議上首次提出了海綿城市的理念:“在提升城市排水系統(tǒng)時要優(yōu)先考慮把有限的雨水留下來,優(yōu)先考慮更多利用自然力量排水,建設自然保存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”。隨后,習近平總書記先后在2014年考察京冀協(xié)同發(fā)展座談會、中央財經(jīng)領導小組第5次會議和2015年中央城市工作會議上多次強調(diào)了海綿城市建設工作的部署。2014年10月,住房和城鄉(xiāng)建設部頒發(fā)《海綿城市建設技術指南(試行)》(以下簡稱《指南》)[11],為促進我國海綿城市建設提供技術支撐和理論指導;2014年12月,中央相關部門開展了全國首批海綿城市建設試點城市的申報工作，至2015年4月,全國首批16個試點海綿城市正式確定。國務院辦公廳2015年10月印發(fā) 《關于推進海綿城市建設的指導意見》(以下簡稱《指導意見》), 部署推進我國海綿城市建設工作。

2 海綿城市建設面臨的問題和挑戰(zhàn)

2030年左右我國的水資源安全將面臨嚴峻的問題與挑戰(zhàn)[12]。以城鎮(zhèn)化和供水為例,1981年,我國城鎮(zhèn)化率21.16%,到了2011年全國城鎮(zhèn)化率已經(jīng)攀升到51.27%,預計2030年和2050年將分別達到70%和80%。當前我國城市(含縣)日供水總規(guī)模3.14億m3,其中城市日供水2.57億m3。按照傳統(tǒng)的供需模式,未來水資源的供給需求和缺口將進一步加大。我國的城鎮(zhèn)化速度快,建設速度跟不上城市綜合治理的速度,傳統(tǒng)的城市建設凸顯的城市病愈來愈突出:①城市內(nèi)澇及洪澇災害損失愈來愈嚴重。2016年全國多地，如北京、廣州、武漢，發(fā)生“城市看?！眱?nèi)澇情景。②城市水環(huán)境問題也愈來愈凸顯。城市垃圾、生活污水排放、河道水流堵塞導致城市水體黑臭。③城市水生態(tài)退化嚴峻。如有“百湖”之稱的武漢市湖泊退化,2010年武漢市水務局的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,近幾十年來武漢的湖泊面積減少了228.9 km2,50年來近100個湖泊人間“蒸發(fā)”,中心城區(qū)僅存的38個湖泊,還面臨著繼續(xù)被侵蝕的危險;④城市人群疾病多發(fā)。水污染、廢氣和霧霾等環(huán)境問題凸顯,人口膨脹、交通擁堵、住房緊張等,引發(fā)市民身心疾病，加劇城市負擔，制約城市發(fā)展。

圖3 水循環(huán)聯(lián)系的三大過程和水系統(tǒng)[12]

國家關于推進海綿城市建設的部署,為徹底改變我國城市建設工作提供了戰(zhàn)略性的發(fā)展機遇。但是,我國海綿城市建設過程中存在許多挑戰(zhàn)性的問題:①一些地方對海綿城市缺乏科學的認識,在沒有進行合理規(guī)劃設計之前就盲目施工建設;②海綿城市建設的核心是水問題,但是海綿城市建設規(guī)劃、設計、施工、監(jiān)控與管理過程中缺少以水文學為核心的海綿城市規(guī)劃建設團隊與實體;缺乏涉水的海綿城市建設與管理基礎監(jiān)控系統(tǒng)與體系;缺乏針對海綿城市的“水與氣候”、“水與環(huán)境”、“水與生態(tài)”、“水與社會”聯(lián)系的城市綜合水系統(tǒng)及其交叉學科的先進科研技術支撐,目前存在一系列技術障礙;缺乏必要的海綿城市建設的后評估管理體系和制度建設;③我國海綿城市建設存在“大上快干、急于求成”而實效并不理想等諸多問題。如,2016年南方城市遭受大暴雨,城市洪澇災害嚴重,給中國的海綿城市建設帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。

筆者的觀點是:國外的LID等好的經(jīng)驗的確要學,但是要考慮中國獨特的自然條件(中國季風氣候)和城市經(jīng)濟建設發(fā)展現(xiàn)狀。如何對癥下藥,真正解決中國的城市水問題,需要認真思考，科學研究，科學開展城市規(guī)劃，進行科學管理與正確決策。

3 海綿城市建設的水系統(tǒng)概念

海綿城市建設的核心是一個復雜水系統(tǒng)問題,基本概念是以水循環(huán)為紐帶,聯(lián)系降雨-徑流物理過程，以水環(huán)境水生態(tài)表征的生物地球生物化學過程和以城市建設高強度人類活動為特點的人文過程相互作用和反饋的復雜系統(tǒng)[12](圖3)。

國際上全球水系統(tǒng)科學(GWSP)發(fā)展前沿[12]:①強調(diào)水循環(huán)聯(lián)系的三大過程觀測與機理研究,揭示水系統(tǒng)演變規(guī)律;②強調(diào)水循環(huán)聯(lián)系的三大過程作用-反饋的水系統(tǒng)“耦合-解耦”模型研究,認識三大過程的相互作用關系;③強調(diào)水系統(tǒng)關鍵的“調(diào)控”,為變化環(huán)境下的城市建設與綜合治理提供科學支持。

變化環(huán)境下的水系統(tǒng)科學涉及“水與氣候”、“水與環(huán)境”、“水與生態(tài)”、“水與社會”多個方面的綜合問題[13],其核心是水文學。因此,我國海綿城市建設的水系統(tǒng)科學基礎系統(tǒng)包括城市水文學(城市暴雨洪水-徑流形成、徑流總量控制率)，城市水生態(tài)(生態(tài)水文、綠地、濕地、河湖)，城市水環(huán)境(環(huán)境水文、面源、水污染控制)，海綿城市水系統(tǒng)規(guī)劃(水量、水質(zhì)、水環(huán)境調(diào)控的工程措施和非工程措施,以及海綿城市建設監(jiān)測與監(jiān)控,海綿城市建設后評估與管理等)。這是海綿城市建設新的需求。武漢市海綿城市建設的水系統(tǒng)需求為:①需要強調(diào)整體水系統(tǒng)規(guī)劃;②需要建設有效的水系統(tǒng)監(jiān)測與監(jiān)控體系;③需要發(fā)展基于水與氣候、水與環(huán)境、水與生態(tài)、水與社會相互聯(lián)系與反饋的城市水系統(tǒng)模型與調(diào)控/管理平臺;④需要推動海綿城市建設的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,海綿城市建設的體制、制度改革,社會倫理教育和公眾服務體系。

4 海綿城市建設的水文學問題

國務院辦公廳2015年10月印發(fā)指導意見，指出海綿城市建設總體要求為“通過綜合采取‘滲、滯、蓄、凈、用、排’等措施,最大限度地減少城市開發(fā)建設對生態(tài)環(huán)境的影響,將70%的降雨就地消納和利用。到2020年,城市建成區(qū)20%以上的面積達到目標要求;到2030年,城市建成區(qū)80%以上的面積達到目標要求。” 2016年3月住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)出“關于印發(fā)海綿城市專項規(guī)劃暫行規(guī)定”的通知,其中第十三條明確了海綿城市建設目標(主要為雨水年徑流總量控制率)和具體指標,明確近、遠期要達到海綿城市要求的面積和比例,參照《海綿城市建設績效評價與考核辦法(試行)》提出海綿城市建設的指標體系。關于年徑流總量控制率定義,《指南》指出,年徑流總量控制率指按30年日降雨量排序,占總量70%的年均總量對應的20～30mm的中小降雨事件。目前海綿城市建設主要集中在小區(qū)尺度上的LID項目上。

4.1 年徑流總量控制率

年徑流總量控制率是海綿城市建設中一個最基礎的水文學問題。2016年住房和城鄉(xiāng)建設部提出的《指南》定義年徑流總量控制率為:根據(jù)多年日降雨量統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析計算,通過自然和人工強化的滲透、儲存、蒸發(fā)(騰)等方式,場地內(nèi)累計全年得到控制(不外排)的雨量占全年總降雨量的百分比。

圖4 城市水循環(huán)示意圖[14]

《指南》中提出的年徑流總量控制率計算方法介于美國的徑流總量計算法和降雨場次百分點之間?！吨改稀诽岢?“選取至少近30年(反映長期的降雨規(guī)律和近年氣候的變化)日降雨(不包括降雪)資料,扣除小于等于2 mm降雨事件的降雨量,將降雨量日值由小到大進行排序,統(tǒng)計小于某一降雨量的降雨總量(小于該降雨量的，按真實雨量計算出降雨總量；大于該降雨量的，按該降雨量計算出降雨總量,兩者累計總和)在總降雨量中的比例,此比例(即年徑流總量控制率)對應的降雨量(日值)即為設計降雨量”。由此可見,海綿城市建設中的關鍵指標之一年徑流總量控制率,實際上是年降水總量控制率。上海某設計院依據(jù)《指南》的計算方法,得到了控制徑流的雨量占全年全部雨量的百分比。年徑流總量控制率指標計算公式為

年徑流總量控制率(%)=

(1)

為了了解目前《指南》中提出的年徑流總量控制率的概念是否合理以及如何改進和科學計算,首先應該理解以下幾個關鍵的基礎問題:①城市徑流形成原理;②城市的徑流系數(shù)分析;③如何科學測算一個城市的年徑流總量;④如何科學計算城市的年徑流總量控制率。

4.2 徑流的形成與轉(zhuǎn)化

降雨在集雨區(qū)(流域或城市)形成徑流的過程稱為徑流形成與轉(zhuǎn)化,包括產(chǎn)生多少徑流的產(chǎn)流及其運動匯流等復雜流域或城市的水文過程(圖4)。降水產(chǎn)生徑流量級的大小稱為水文系統(tǒng)增益因子G,在水文學有個專有名詞,即徑流系數(shù)。

4.2.1 徑流系數(shù) α

徑流系數(shù)α為一定匯水面積內(nèi)總徑流量Y(mm)與降水量X(mm)的比值,它說明降水量中有多少水變成了徑流,綜合反映了流域內(nèi)自然地理要素對徑流的影響。其計算公式為α=Y/X。降水量中的其余部分水量則損耗于植物截留、填洼、入滲和蒸發(fā)。

徑流系數(shù)是城市雨洪控制利用系統(tǒng)中的一個重要參數(shù),在雨洪控制利用系統(tǒng)的理論研究、規(guī)劃、設計計算中應用廣泛。徑流系數(shù)的選擇合適與否,對整個排水系統(tǒng)的排水能力和工程造價有重要影響。然而,目前徑流系數(shù)的計算基本以線性理論為基礎。

4.2.2 徑流系數(shù)的非線性問題研究

從系統(tǒng)水文學的觀點,徑流系數(shù)亦稱為水文系統(tǒng)的增益(gain factor)。在總徑流線性系統(tǒng)模型,或簡單線性模型(simple linear model, SLM)中,增益因子G被假定為一個常數(shù)(式(2)),表示流域多年平均徑流系數(shù)的概念(圖5)。然而,許多流域的觀測數(shù)據(jù)表明,系統(tǒng)增益是時變的,并且和流域濕度成正比,如前期降雨量指數(shù),實際蒸散發(fā)和降雨的比值[15-16]。

(2)

圖5 總徑流水文線性模型(SLM)與系統(tǒng)增益因子概念示意

系統(tǒng)增益G(t)的水文概念為流域的產(chǎn)流系數(shù)(0≤G(t)≤1.0)。夏軍[17]通過對全球不同氣候區(qū)域的60多個流域的降雨徑流海量數(shù)據(jù)資料,辨識了降水、土壤濕度等關鍵性控制因素的時變與非線性特性。由于這些高度非線性,導致了降雨形成徑流的系統(tǒng)增益并非定常和平均態(tài)。進一步研究發(fā)現(xiàn)了徑流形成的增益因子G(t)與土壤濕度API(t)、降雨強度P(t)和下墊面組合的時變非線性指數(shù)規(guī)律。如果缺乏土壤濕度資料,流域土壤前期影響雨量是一個較理想的替代指標。如圖6所示,水文時變增益因子G(t)與流域土壤前期影響雨量(土壤濕度)API(t)之間的非線性關系可以表達為

G(t)=α′API{t,P(t)}β

(3)

式中:α′,β分別為下墊面參數(shù)。

進一步提出了徑流計算的新方法與時變增益模型(time variant gain model, TVGM),同樣將降雨-徑流之間的轉(zhuǎn)化過程分為流域產(chǎn)流模塊和匯流模塊兩部分。在產(chǎn)流模塊中,有效凈雨R表達為毛雨P和系統(tǒng)增益G之積,計算公式為

R(t)=G(t)P(t)=α′API(t)βP(t)

(4)

基于時變增益非線性產(chǎn)流機理:

R(t)=G(t)p(t)=α′API(t)βp(t)≈

[g1+g2API(t)]p(t)

(5)

圖6 增益因子與土壤濕度的非線性關系

(6)

式中:h1(τ)=g1U(τ),g1為流域下墊面相關的線性產(chǎn)流參數(shù),U(τ)為流域匯流函數(shù);h2(σ,τ)=g2U0(σ)U(τ),g2為流域下墊面相關的非線性產(chǎn)流參數(shù),U0(σ)=exp(-σ/Ke)/Ke,為與流域土壤水力特性、蒸發(fā)相關的參數(shù),τ和σ分別為時間積分變量。

該方面研究的意義和價值是,從理論上解釋了徑流非線性響應與土壤濕度(API)、下墊面相關參數(shù)(g1、g2、Ke)、降雨強度等之間的內(nèi)在聯(lián)系,揭示了復雜關系中能夠找到一個簡單關系的非線性產(chǎn)流機理,非線性系統(tǒng)能更準確描述降雨-徑流形成關系,徑流系數(shù)為定常的線性系統(tǒng)理論,只是其一階特例。時變增益模型中關于徑流計算新方法,解決了水文線性理論中假定產(chǎn)流增益為常數(shù)和為平均態(tài)的問題[17]。

海綿城市建設中需要建立與徑流系數(shù)及其非線性特性聯(lián)系的年徑流總量控制率的新的計算方法。

4.3 城市化水文效應——對LID作用和 “看?！眴栴}的認識

任何一個城市都是在原來自然流域/區(qū)域/水系的基礎上,經(jīng)歷城市不同階段建設發(fā)展起來的。LID以及我國海綿城市建設的核心理念,是盡可能去城市化的水文效應,回歸或等價回歸到自然狀態(tài)[11]。鑒于當前和未來我國海綿城市建設的熱潮,以及面臨的嚴峻“城市看?！崩Ь?對LID的作用和 “城市看海”的本質(zhì)的認識亟待深化。

4.3.1 自然條件下區(qū)域水文平衡關系與徑流系數(shù)α0

自然條件下,區(qū)域蓄水量變化與年降水量、年徑流量、年蒸發(fā)量的關系如下:

ΔS0=P0-R0-E0

(7)

R0=P0-(E0+ΔS0)

(8)

其中ΔS0=ΔS10+ΔS20+ΔS30+ΔS40

(9)

式中:P0為年降水量;R0為年徑流量;E0為年蒸發(fā)量;ΔS0為蓄水量變化;ΔS10為陸面土壤滲蓄水量變化;ΔS20為陸面塘堰蓄水量變化;ΔS30為陸面河湖蓄水量變化;ΔS40為陸面濕地蓄水量變化。

徑流系數(shù)α0表示為

(10)

比較式(1)和式(10)發(fā)現(xiàn),現(xiàn)行的海綿城市年徑流總量控制率未考慮陸地蒸散發(fā),雨水滯蓄量只有LID概念的雨水入下滲量和年滯蓄量,缺少河湖水系調(diào)蓄量等。

4.3.2 城市化條件下區(qū)域水文平衡關系及其蒸散發(fā)和蓄水量的變化

城市化條件下,水文平衡關系以及蒸散發(fā)和蓄水量的變化分別用式(11)和(12)所示:

(11)

E1=E0-ΔE

(12)

ΔS=ΔS1+ΔS2+ΔS3+ΔS4

(13)

式中:ΔS1=ΔS10-d1,ΔS2=ΔS20-d2,ΔS3=ΔS30-d3,ΔS4=ΔS40-d4,其中d1、d2、d3、d4分別為城市化后土壤滲蓄、塘堰蓄水、河湖蓄水、濕地蓄水減少量。城市化雨水積蓄總減少量D則可表示為

D=d1+d2+d3+d4

(14)

4.3.3 城市化條件下徑流量R1與徑流系數(shù)α1

R1=P0-(E0-ΔE+ΔS)=

P0-(E0-ΔE+ΔS0-D)=

P0-(E0+ΔS0)+(ΔE+D)

(15)

因此,徑流系數(shù)α1則為

(16)

從式(16)中可以發(fā)現(xiàn),城市化后與城市化前徑流系數(shù)存在一定的關系。再次比較式(1)與(16),可知現(xiàn)行海綿城市建設LID措施的年徑流總量控制率和面向城市化問題的海綿城市建設年徑流總量控制率M(%)關系式可以表達為

海綿城市建設目標是通過工程/非工程措施將由于城市化的年雨水土壤入滲量、塘堰雨水滯蓄量、河湖調(diào)蓄水量、濕地蓄水量盡可能恢復到自然狀態(tài),即4個部分下滲和蓄水減少量趨于0,即d1→0,d2→0,d3→0,d4→0且ΔE=0。

(18)

由于我國南方、北方的地理與氣候條件不同,自然條件下的降雨-徑流關系與特性也不一樣，因此,海綿城市建設的年徑流總量控制率也不能要求一樣。變化環(huán)境下的海綿城市建設尚不能夠徹底告別“城市看海”。

4.3.4 如何減少“城市看海”問題

從水文學的觀點和分析,不難看出幾個基本途徑:

a. 盡可能消除城市化建設帶來的不利水文效應。通過工程/非工程措施將城市年雨水土壤入滲量、塘堰雨水滯蓄量、河湖和濕地調(diào)蓄量盡可能恢復到自然狀態(tài),即:d1→0,d2→0,d3→0,d4→0且ΔE=0。

b. 客觀評估城市基礎設施能夠抗御洪澇災害的能力。城市化后最大蓄水總量等于LID措施下的下滲雨量、水塘、河湖、濕地的蓄水量之和,即,

ΔSmax=ΔS1max+ΔS2max+ΔS3max+ΔS4max

(19)

當發(fā)生超標準大暴雨時,城市的實際產(chǎn)水量近似估計為

Sr=pTTpAψ

(20)

式中:Sr為實際產(chǎn)水量;pT為超標準暴雨,mm/h;Tp為暴雨歷時;A為暴雨面積;ψ為折算系數(shù)。當城市的Sr≥ΔSmax且內(nèi)澇外排能力Sd≤(Sr-ΔSmax)時,城市將發(fā)生洪澇災害風險。因此,當出現(xiàn)超標準暴雨洪水,城市出現(xiàn)“看海”就成為必然,海綿城市建設應有風險管理意識。提高城市的ΔSmax需要科學做好海綿城市規(guī)劃,包括全方位監(jiān)測與監(jiān)控系統(tǒng);雨污分流,河湖聯(lián)通,修復濕地,恢復洼地,建設源頭LID,建設分散性大型蓄水深隧、多用洼地等工程措施;暴雨內(nèi)澇預警預報,科學調(diào)度與管理,建設后評估與跟蹤系統(tǒng)等非工程措施;綠色城市的發(fā)展體制建設與制度創(chuàng)新等。

5 結(jié)論與建議

我國海綿城市建設正處于起步階段,盡管取得了有目共睹的成效,但是在海綿城市建設與規(guī)劃的水文學基礎方面,存在許多薄弱環(huán)節(jié)亟待改進。

a. 海綿城市建設的水文學理論需要更新,需發(fā)展和應用時變非線性變徑流系數(shù)的方法。徑流系數(shù)是城市雨洪控制利用系統(tǒng)中的一個重要參數(shù),在雨洪控制利用、規(guī)劃、設計計算中應用廣泛。徑流系數(shù)選擇的合適與否,對整個排水系統(tǒng)的排水能力和工程造價有重要影響。目前需要探討的是,現(xiàn)行依據(jù)的徑流系數(shù)設計城市排水基本屬于線性和定常徑流系數(shù)的理論范疇。

b. 雨水滯蓄量不僅需要考慮河湖水系調(diào)蓄量,也需要考慮陸地蒸散發(fā)。年徑流總量控制率是海綿城市規(guī)劃和建設考核最重要和最基本的指標,現(xiàn)行的海綿城市年徑流總量控制率計算框架存在需要改進的地方,即要分開自然條件和城市化后的蓄水量變化的差別。

c. 海綿城市建設的本質(zhì)追求是構(gòu)建良性的城市水循環(huán)體系,而非碎片化的人造景觀。

d. 海綿城市需以問題為導向而非以指標為導向,現(xiàn)階段要緩解的突出問題是“城市看?！迸c“水體黑臭”,同時,避免新的開發(fā)過程對城市水安全構(gòu)成更大壓力。

e. LID以及我國海綿城市建設的核心理念,是盡可能去城市化的水文效應,回歸或等價回歸到自然狀態(tài)。筆者提出了海綿城市建設LID措施的年徑流總量控制率關系和面向城市化問題的海綿城市年徑流總量最大控制率(%)的計算方法。

f. 我國海綿城市建設要有風險管理意識。盡管國家年年投資“海綿城市”建設,但是由于氣候變化和人類活動影響,當暴雨超出“海綿”承載能力時,“城市看?！睂⒊蔀楸厝弧榇诵柙诹饔?、城市與社區(qū)多個尺度上進行海綿城市統(tǒng)籌規(guī)劃,首先,城市內(nèi)的海綿功能(LID調(diào)節(jié)與河湖庫洼調(diào)蓄的結(jié)合)與城市外流域“海綿”調(diào)節(jié)功能的有機結(jié)合,納入到社會經(jīng)濟發(fā)展的多尺度水系統(tǒng)范疇統(tǒng)一規(guī)劃與建設;其次,海綿城市建設要有風險管理意識與應對機制,其推進模式是指標的逐步完善與提高,而不是高標準建成區(qū)的逐步擴大;最后,海綿城市建設是城建、水務、環(huán)保等相關部門間的協(xié)同運作、良性互動,而非各自為政。

筆者針對以上幾個關鍵問題提出未來我國海綿城市建設的建議:

a. 統(tǒng)籌規(guī)劃和重復利用已有的部門資源,建設好多部門協(xié)調(diào)和有效的遙感、空中、地面、地下為一體的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng);

b. 重視水文學在海綿城市建設的應用。城建部門應多吸收水文、水利、環(huán)保與生態(tài)領域?qū)＜?發(fā)展城市水系統(tǒng)模型與調(diào)控/管理平臺;

c. 加強海綿城市建設的科學技術創(chuàng)新與支撐,核心是抓好以水循環(huán)為核心的海綿城市建設,研究城市防洪安全、供水安全、水質(zhì)安全、水生態(tài)安全等關鍵的科學技術問題,通過科技創(chuàng)新,全面提升海綿城市水安全的功能與保障能力。

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Discussion of several hydrological issues regarding sponge city construction

XIA Jun1, 2, 3, SHI Wei1,WANG Qiang1, ZOU Lei1

(1.StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China;2.ResearchInstituteforWaterSecurity,WuhanUniversity,Wuhan430072,China; 3.HubeiProvincialCollaborativeInnovationCenterforWaterResourcesSecurity,Wuhan430072,China)

Based on a review of the problems and challenges of sponge city construction in China, the concept and methodology of an urban water system integrating urban rainstorm-runoff, water pollution control, and an urban ecological greenbelt with wetland and municipal construction (drainage and sewage) are proposed. Based on hydrological theories, the concept of the control rate of total annual runoff, which is the most critical and difficult-to-quantify factor in the construction of a sponge city, is analyzed. It is pointed out that the currently calculated control rate of total annual runoff is actually the control rate of total annual precipitation. Hence, it is necessary to establish an internal relation with the gain factor of the response of the hydrological system, i.e., the runoff coefficient. It also needs to be noted that the runoff coefficient is not a constant, but the time-varying nonlinearity of the combination of soil moisture, precipitation intensity, and the underlying surface. Additionally, the relationship between low impact development (LID) during sponge city construction and the improved control rate of total annual runoff are analyzed, in order to examine the conditions and risks of sea views in cities. Finally, it is suggested that the runoff coefficient nonlinearity, the differences in storage capacity between natural conditions and the conditions after urbanization, river and lake water system storage and land evapotranspiration, basin sponge regulation and control, and risk management should be strengthened on the hydrological basis of sponge city construction and planning. Some suggestions for future sponge city construction in China are put forward.

sponge city; urbanization; water system; hydrology; total runoff control rate; low impact development

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.01.001

國家自然科學基金(41571028,51279140)

夏軍(1954—),男,中國科學院院士,主要從事水文學及水資源方面研究。E-mail:xiajun666@whu.edu.cn

P349

A

1004-6933(2017)01-0001-08

2016-10-19 編輯：彭桃英)