李翠梅，丁 錄

（蘇州科技大學 環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009）

為適應經濟的快速發(fā)展，我國改革開放40年來，城市建設速度和水平一直領先于世界各國，城市建設規(guī)模之大、城鎮(zhèn)化速度之快，是其他國家無法相比也基本無法實現的。從衛(wèi)星地圖上可以看出，各個城市市域面積至少翻了一番，中心城區(qū)面積也至少擴大了2～3倍。以蘇州為例，伍子胥建造的蘇州古城區(qū)面積及周邊不足40 km2，現在的蘇州中心城區(qū)（含蘇州工業(yè)園區(qū)、蘇州高新區(qū)、相城區(qū)、吳中區(qū)、吳江區(qū)）的面積至少有540 km2，是伍子胥造城時的11倍左右，是改革開放前7～8倍，可見城市建設發(fā)展的規(guī)模之大和速度之快。

社會經濟持續(xù)快速發(fā)展，給城市水生態(tài)系統帶來了嚴重的問題，主要表現為水污染嚴重加劇、水環(huán)境面積縮減。國家水利系統對全國103個湖泊調查表明，全年總體水質達到Ⅰ類～Ⅲ類標準的僅有23個，占調查湖泊總數的22．33%，監(jiān)測結果為Ⅳ、Ⅴ類水質標準的有55個，占調查湖泊總數的53．40%，監(jiān)測結果為劣Ⅴ類水質標準的有25個，占調查湖泊總數的24．27%；同時，全國有一半左右的城市地下水污染較為嚴重[1-3]。另有研究表明，城市化程度較高的城市，降雨徑流中化學需氧量（COD）含量較高，根據有關學者對上海、北京等地的調研表明，在排入城市地表水環(huán)境的COD總量中，地表徑流提供的COD含量超過30%[3-4]。在傳統的城市發(fā)展模式下，水環(huán)境逐漸遭到污染，水生態(tài)平衡逐漸被破壞，生態(tài)問題也日益突出[5-6]。

研究表明，降雨徑流污染是水環(huán)境遭受破壞不可忽略的因素之一[7-8]。在城市化進程中，城區(qū)面積的擴張、土地利用類型的變化等都會影響城市地表的透水性，滲透型下墊面逐漸減少，匯水面積逐漸增大，從而導致城市降雨徑流量大幅度增加，縮短雨洪峰值到來的時間[9-11]。與此同時，城市非點源污染問題的日益加劇增加了城市地表的污染物累積量[12-14]，降雨徑流在匯至雨水管網的過程中不斷沖刷地表匯聚的大量污染物，將這些污染物帶入城市水體破壞水環(huán)境。大量研究數據顯示[15-17]，在降雨徑流初期，徑流中通常會攜帶大量的污染物，形成初期沖刷效應，主要原因是相對于徑流中后期而言徑流初期的污染物總量和濃度都有一個較高的峰值，而初期沖刷效應的發(fā)生往往會使城市水環(huán)境遭到嚴重的威脅。因此，大量的雨水監(jiān)測和模擬研究都曾針對雨水徑流初期各種高含量污染物進行了控制與削減。但是，由于初期雨水污染面廣量大，碎片化的措施無法從根本上解決系統的污染問題。同時，我國200多座城市近年來內澇問題突出，如何徹底解決雨水問題成了焦點，海綿城市建設勢在必行。

2013年11月9日，習總書記在《關于〈中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定〉的說明》“山水林田湖是一個生命共同體，人的命脈在田，田的命脈在水，水的命脈在山，山的命脈在土，土的命脈在樹。用途管制和生態(tài)修復必須遵循自然規(guī)律?！?013年12月12日，在北京召開了中央城鎮(zhèn)化工作會議，習近平總書記再次指出：在提升城市排水系統時，要在順應自然的基礎上，優(yōu)先考慮把城市有限的雨水留下來，優(yōu)先考慮利用自然力量排水，建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”。

至此，黨和國家從戰(zhàn)略高度指明了解決城市雨水問題的根本途徑，進行海綿城市建設就是要把城市內澇和水環(huán)境污染作為一個整體來考慮，對城市的生態(tài)系統進行再構造，為進一步增強系統彈性，將綠色基礎設施與灰色基礎設施有機結合，建設新型的生態(tài)城市，增強系統的自然積存、自然滲透、自然凈化能力。

海綿城市作為可以建立更好的城市水生態(tài)系統的一種有前景的策略而被提出和貫徹[18-20]，是目前我國城市水環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展雨洪管理的新概念[21-22]，它是基于模擬自然水文條件原理，采用源頭控制理念，以傳統雨水系統改造為起點，以LID（Low Impact Development）為主導[23-26]，實現雨洪綜合管理和利用。

2015年4月，我國財政部、住房和城鄉(xiāng)建設部及水利部聯合發(fā)文，公布了首批的16個海綿城市建設試點城市，其分布圖如圖1所示。海綿城市的建設，可以更好地控制雨水徑流，解決城市內澇問題，有效削減徑流污染，改善水環(huán)境，提升城市各類生態(tài)系統功能，提高水資源保障能力。不少研究都曾針對不同的研究區(qū)域，構建相應的雨水管理模型，以模擬出的不同LID措施的水文水質效果為目的，通過多方案比選確定適合所研究區(qū)域的海綿城市措施，以實現經濟、社會及環(huán)境整體效益的最優(yōu)化[27-29]。

圖1 海綿城市試點城市分布圖

然而，海綿城市的建設可以通過更有效率的方式去實施。起初，設計海綿城市措施時更著重于減少雨水徑流量、避免洪澇災害，遵循能夠更好吸收雨水從而減少地面積水的重要準則。后來，建設海綿城市時逐漸考慮到降雨徑流污染對受納水體和城市水環(huán)境帶來的巨大破壞，以徑流量控制率和徑流污染削減率為綜合規(guī)劃目標。但相關理論研究和工程實例大都是基于其對整個徑流過程的水文水質改善效果去設計海綿城市LID規(guī)模的，并未考慮到污染物濃度較大的徑流初期在整個雨水徑流污染過程中的特殊性，因此，利用LID技術緩解初期雨水沖刷效應的效率還有待進一步提高。

在降雨徑流的淋溶及沖刷作用下，城市地表徑流、農藥化肥的大量使用、農村牲畜糞便、土壤侵蝕、林木采伐等諸多活動中產生的污染物擴散性地進入到水環(huán)境中，形成降雨徑流污染。自20世紀60年代起，降雨徑流污染開始受到發(fā)達國家的關注。而到20世紀70年代后，隨著點源污染控制程度的提高，越來越多的人開始從不同的角度認識降雨徑流污染問題，相應的管理措施和控制技術被提出，研究建立降雨徑流模型。20世紀80年代初，我國開展了全國范圍內的湖泊、水庫富營養(yǎng)化調查和河流水質規(guī)劃研究，也開始關注和研究城市降雨徑流污染問題，由此展開了對降雨徑流污染的相關研究。近幾年，通過海綿城市建設的提出，降雨徑流污染的研究和控制工作也取得極大進展[30]。

1 國外研究現狀

自20世紀以來，生態(tài)城市的雨洪管理研究得到許多人的重視，城市雨水管理發(fā)展呈現多樣化趨勢，制定出了許多降雨徑流污染控制管理措施。1972年，美國通過了“污染控制修正案”，開始推行“最佳流域管理措施（Best Management Practices，BMPs）”來控制洪峰流量和污染物，達到治理城市水資源面源污染的目的[31-33]。BMPs是一個或幾個措施的組合，被美國EPA定義為“任何能夠減少或預防水資源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作和維護程度”[34]，在設計時要求切實可行的措施來使水質達標。其中，BMPs的工程性措施主要包括人工濕地、入滲溝、滲透性路面、滯留池、雨水罐等，用以增強地表滲透性、減緩徑流流速、延長徑流路程，從而控制地表徑流，而非工程性措施的操作和維護程序主要指通過政策法規(guī)和規(guī)章制度的建立健全，以及BMPs知識的廣泛宣傳來約束人們的行為，以達到更好的管理和維護已建成的BMPs工程設施的目的。隨后，美國又提出了基于微觀尺度的“低影響開發(fā)（LID）”模式[35]，即通過分散式的調控設施，維持自然水文功能，可滯納并蓄滲區(qū)域內90%的地表徑流，凈化其中70%的懸浮固體，在充分回補地下水的同時，能夠達到緩解地表徑流、凈化徑流水體的作用，最終保護城市水環(huán)境，節(jié)約資源和能源。主要包括下凹式綠地、生態(tài)植草溝、生物滯留設施、綠色屋頂、滲透性路面等具體措施。LID模式可以充分開發(fā)雨水的調蓄容積，適用性較強，運行維護簡單，同時可以美化景觀環(huán)境，節(jié)約成本。

澳大利亞提出了“水敏性城市設計（Water Sensitive Urban Design，WSUD）的方法以解決城市雨水凈化與回收利用問題[36-37]。此方法基于城市設計與規(guī)劃的角度，主要包括不透水河道的改造、自然透水河道的建設、雨水集水箱的利用、涵水景觀的規(guī)劃、綠色屋頂的設計等多種非結構性設施，規(guī)劃過程中減少了對傳統排水的依賴，可以在不同的時間和空間尺度下模擬城市雨洪管理計劃下的地表雨水徑流過程，也能定量評估雨洪管理工程的水量水質指標以及經濟效益，致力于保護城市水環(huán)境改善、確保水質安全，提高居民生活質量。

英國推行了“可持續(xù)性城市排水系統（Sustainable Urban Drainage Systems，SUDS）”的雨水管理模式以緩解城市內澇、同時實現雨水的回收利用[38-39]。此方法注重對地表水和地下水的可持續(xù)管理，具體工程措施有地表滲透性路面、滲塘、干/濕塘、受控雨水口、小型水庫、地下滲渠等，綜合考慮三個方面的生態(tài)經濟效益，分別是城市降雨徑流量、地表徑流水質、環(huán)境生態(tài)性。開發(fā)雨水系統的自然排水功能，減少對傳統排水方式的依賴，實現對雨水徑流的源頭吸收、過程管控、末端調蓄的全方位管理，強調了人與自然的可持續(xù)發(fā)展。

德國在類似“海綿城市”的規(guī)劃建設中提出了“水的可持續(xù)利用理念”，致力于實現排水的零增長[40]。此方法在保證供水安全的基礎上，借助可靠的技術發(fā)展徑流雨水的綜合管理和回收利用，其雨水管網系統對城市地表的徑流處理包括源頭控制、中途轉輸、末端調蓄三個主要過程。德國利用其發(fā)達成熟的地下管網系統、先進可靠的雨水綜合管理方法和規(guī)劃完善的城市綠化用地建設有效解決了地面積水問題、地表徑流污染問題、雨水回收利用問題，實現了城市水生態(tài)系統的良好建設，其開發(fā)后的水文特征也趨近開發(fā)前的自然條件。

新西蘭基于水敏性城市和低影響開發(fā)設計理念，借鑒了兩者的特點，開始逐步倡導“低影響城市設計與開發(fā)（Low Impact Urban Design and Development，LIUDD）”的雨水管理模式[41]，實現對雨水的綜合管控功能和效應；日本也提出了雨水貯存滲透等相關措施，實現雨水的凈化和回收利用。面對城市中出現的不同類型的雨水管理問題，國際上很多國家和地區(qū)都采取了相應的雨洪管理技術措施，其理論和方法都趨于成熟，相對于傳統的雨水快排模式而言，生態(tài)性的雨水綜合管理方法更經濟高效，也都能在一定程度上有效地解決城市地表徑流污染問題。

2 國內研究現狀

20世紀80年代，我國開始對降雨徑流污染進行深入的研究，由于諸多條件的限制，研究僅僅局限在徑流污染的宏觀特征及污染物負荷的定量計算方面，并沒有形成相應的完善的體系。20世紀90年代以后，針對降雨徑流污染管理措施和控制技術的相關研究和理論方法逐步被提出。2012年4月，在《2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》中，首次提出了“海綿城市”的概念。海綿城市是中國特色城市雨水管理，也是一個綜合性的開發(fā)平臺，核心是構建跨尺度的水生態(tài)基礎設施，同時通過構建區(qū)域性城市防洪體系和綠色出行網格、保護生物多樣性、恢復棲息地等措施綜合解決洪澇、干旱、水體污染等一系列城市問題。海綿城市的主要特征是自然積存、自然滲透、自然凈化，LID作為從源頭上實現雨水控制與利用的一種管理措施，能很好的實現這個目標，因此海綿城市的建設主要以LID的規(guī)劃設計為主導。

從我國海綿城市建設的規(guī)劃指導和相關文獻中可以看出，海綿城市的建設是集綜合性多樣性全方位為一體的生態(tài)建設，住建部指出其建設主要包括三個方面，分別是生態(tài)系統的恢復和修復建設、生態(tài)系統的保護建設以及低影響開發(fā)建設。粟杰文等研究學者指出，海綿城市的規(guī)劃建設必須要遵循自然開發(fā)和生態(tài)利用的原則，即以自然水文條件為基礎，減少對原有城市下墊面的改造，落實開發(fā)城市中的透水性道路、綠化、排洪防澇工程等各系統的建設[42]。王國榮等學者研究認為，LID建設的主體工作是針對城市內的綠化用地、水系濕地以及道路廣場等進行規(guī)劃設計[43]。鞠茂森等人研究指出，海綿城市的建設首先要以政府為主導，其次是要增加相關審批環(huán)節(jié)并加強力度，與此同時，資金投入模式最好選用政府和社會資本合作（Public-private Partnerships，PPP）的方式，且需要增加配套的財務管理環(huán)節(jié)；海綿城市建設過程中，可以通過獎勵機制鼓勵還未進行相關建設的城市，也可以通過一系列宣傳推廣活動動員社會全體成員加入其中，同時可以適當爭取國際范圍內的合作[44]。

海綿城市雖然在近幾年才被提出，但其折射出的水資源管理理念早已在歷史建筑和工程實例中得以應用。例如，金朝時期建造的團城位于北京市北海公園內，其地面鋪設所采用的倒梯形青磚之間均保留了縫隙以便雨水下滲，其中，部分青磚還設置了孔洞，雨水可以通過孔洞進入地下涵洞，從而達到排放雨水的目的；古代揚州構造的水系格局貫穿整座城市，除了為應對濕潤多雨的氣候外，更主要是方便地表徑流快速通過受納水體排除。而如今，關于海綿城市建設的系統性研究工作正在逐步開展。

我國關于海綿城市的研究工作涉及領域較廣泛，包括公共建筑、廣場、生態(tài)保護區(qū)、住宅、城市新建城區(qū)、公園綠地等，研究范圍在逐步擴大，與此同時，研究內容和研究成果也在不斷豐富。王曉昌等研究學者將海綿城市的LID建設理念應用于深圳市某體育中心，通過體育中心的SWMM雨水管理模型模擬出的水文水質數據，評估LID措施的雨洪管控效果，結果顯示LID的應用使得體育中心的年徑流總量得到一定控制，徑流污染也得到一定削減，改善效果明顯。王思思等人通過研究總結并編制了適用于嘉興市的分散式雨水控制利用技術，其研究結果為LID雨水系統的建設管理以及規(guī)劃設計提供了參考依據。陳文立等充分利用海綿城市的建設理念，針對濕陷性黃土地區(qū)某小區(qū)的雨水系統進行了相關規(guī)劃實踐，遵循從源頭控制的原則，通過一系列措施減緩了小區(qū)雨水管網的排水壓力，同時也減少了地面積水量，降低了小區(qū)內澇發(fā)生的幾率。此外，海綿城市的設計理念也逐漸運用到越來越多的城市建設中，涵蓋的范圍較廣。除了已有的工程應用和建筑設計外，當前正在推行的試點城市建設也在為今后全國范圍內的海綿城市建設提供借鑒與參考的價值，促進海綿城市向更先進的方向發(fā)展。對于影響城市水環(huán)境和水生態(tài)系統良性發(fā)展的城市地表徑流污染問題，也可以通過一系列海綿城市措施來改善和處理。

目前，國內外針對降雨徑流污染問題所提出的管理措施和控制技術都有較好的應用。然而，海綿城市措施大都是基于整個降雨徑流過程去設計其規(guī)模的，不一定能很好地應用于污染物濃度相對較高的初期雨水徑流。如果初期雨水水質不能得到改善，那整個徑流過程的雨水水質也很難得以提升，因此，初期雨水徑流污染控制是整個雨水徑流污染控制的關鍵。要想更好地應用海綿城市，更大限度地緩解降雨徑流污染，在合理規(guī)劃的基礎上設計出能高效緩解雨水徑流初期沖刷效應的海綿城市LID最優(yōu)規(guī)模是十分必要的。

3 海綿城市規(guī)模優(yōu)化研究趨勢

海綿城市LID的規(guī)模大都是基于整個徑流過程去規(guī)劃和設計的，如何基于雨水初期徑流過程優(yōu)化LID規(guī)模以提高初期污染物的去除效率，探索改善徑流初期水質、避免發(fā)生污染物初期沖刷效應的LID最優(yōu)設計規(guī)模，緩解徑流污染問題，成為當前海綿城市研究的新趨勢。

城市初期雨水污染物來源主要是地表積累和徑流沖刷。在旱期形成污染物的儲備和增長，在降雨期，積累污染物隨地表徑流匯集至雨水管網而后排入受納水體。此外，城市地表徑流污染的其他來源，包括大氣降塵、城市下墊面改造以及雨水系統。

地表累積污染物主要來源于施工現場建材廢棄物、城市居民生活垃圾、大氣顆粒物沉降、機動車輛尾氣污染等，各種污染組分以不同的狀態(tài)積聚并附著于城市地表，為城市地表徑流污染的發(fā)生埋下了隱患。

城市地塊不同類型的功能區(qū)和下墊面所對應的地表污染物類型也不相同，而污染物的類型也決定了徑流污染的危險程度。城市地表不透水性部分主要由道路、屋頂、廣場、停車場、廠區(qū)等組成，透水性部分主要包括綠地、公園、低密度居住區(qū)等，而不透水表面的污染是雨水徑流中主要的污染源。城市道路作為不透水地表的主要下墊面類型，其污染源更是影響降雨徑流污染程度的主要因素。Ellis和Kobringer等學者在對路面降雨徑流的相關研究中提到：路面徑流中攜帶的污染物以固體顆粒物SS為主，其污染來源主要包括大氣干濕沉降、冰鹽的使用、運輸物的泄露以及輪胎的磨損等[45-47]。

在城市化的進程中，大氣污染日益嚴重，濕沉降的作用也越來越明顯。據統計數據表明，30%以上的國土面積遭受酸雨侵蝕，50%的城市降雨平均PH在5．6以下。更有Whipple W等人的研究結果顯示：城市屋面雨水徑流中，降雨作用帶來約25%的S、N和5%的P含量；城市道路及廣場的雨水徑流中，降雨作用帶來的S和P比例分別約占40%、13%，而N比例幾乎占100%[48]。此外，在霧霾天氣不斷惡化的今天，大氣干沉降作用下帶來的污染物含量和種類也逐漸增多，增加了對城市水環(huán)境的威脅。

城市地表徑流伴隨著污染物的遷移轉化，在整個降雨徑流過程中，徑流污染物與地表徑流并不是始終按固定比例進入地表水體的，初期雨水徑流污染物濃度明顯高于后期，對受納水體造成嚴重的污染，對城市水環(huán)境造成一定的影響，此類現象稱為污染物初期沖刷效應，也是污染物沖刷的獨特現象。

目前，污染物的初期沖刷效應主要針對一些常規(guī)污染物展開研究，通常包括懸浮固體顆粒物SS、化學需氧量COD、生化需氧量BOD、氮元素、磷元素、部分重金屬物質等污染指標。城市地表中，易發(fā)生污染物初期沖刷效應的區(qū)域主要是不滲透性下墊面，包括道路、廣場、屋頂、停車場、廠區(qū)等，而滲透性下墊面的土壤層通常對雨水徑流有一定吸收作用，同時也能不同程度地削減徑流污染負荷。降雨事件發(fā)生時，污染物的初期沖刷效應一般只基于某一場降雨事件或某一個降雨過程而產生，但Soller和Lee等研究學者發(fā)現，季節(jié)變化對城市雨水徑流水質影響很大，但前提條件是要處于一些特定的氣候環(huán)境下[49]。

關于初期沖刷效應的定量識別方法，Lee等提出了初期沖刷系數b的概念[50-51]，定量計算45°對角線與無量綱累積M（V）曲線間的平衡距離，b小于1的情況下則表明發(fā)生污染物的初期沖刷，b大于1，則表明沒有發(fā)生初期沖刷效應。另有很多研究學者通過計算初期沖刷率MFFn的大小來判斷初期沖刷效應是否發(fā)生，其含義明確且計算方法也相對簡便。不少學者利用MFF20/40來判定[52]，即徑流過程前20%的徑流量中若含有超過40%的污染負荷量，則表明發(fā)生初期沖刷效應；也有學者通過MFF25/50來判定，即若前25%的徑流量中攜帶了50%以上的污染物則表明發(fā)生了污染物初期沖刷效應；此外，還有不少研究利用MFF20/80、MFF30/80來作為初期沖刷是否發(fā)生的判定依據。Saget、Bertrand-Krajewski曾在多場降雨徑流事件中利用MFF30/80的標準來判斷污染物初期沖刷的發(fā)生與否，結果表明，極少有地表徑流過程發(fā)生過初期沖刷效應，這主要是MFF30/80的評判標準過于嚴格[53-54]。因此，針對初期沖刷效應進行的相關研究中，利用合理的判斷標準能提高研究成果的準確性和可靠性，對徑流污染物的高效控制具有指導意義。

4 結語

目前，海綿城市的建設在我國正在大規(guī)模開展，政府將海綿城市建設納入國家綠色發(fā)展的戰(zhàn)略框架，為城市建設投入了大量的經費，且所采取的措施通常以總的徑流控制率和污染物消減率為考核指標，缺少針對海綿城市最優(yōu)規(guī)模和關鍵性指標的研究，尤其是針對初期雨水沖刷過程的最優(yōu)規(guī)?？刂蒲芯枯^少，建議海綿城市系統規(guī)劃與設計的過程中，應增加最優(yōu)規(guī)模相關內容和避免雨水沖刷的關鍵性指標，最大限度的發(fā)揮控效果，促進城市的可持續(xù)發(fā)展。