海绵城市建设中的生态选择研究

关卓今

（北京市水科学技术研究院，100048，北京）

海绵城市建设中的生态选择研究

关卓今

（北京市水科学技术研究院，100048，北京）

综合我国城市雨水利用现有研究成果，提出了绿色环境生态系统的生态设计模式作为海绵城市建设格局的生态选择，并对其应用要点做了分析阐述；指出了该生态设计模式与往常城市雨水管理利用的典型下凹式绿地应用的根本区别和应用方法。该生态设计模式强调了城市绿色环境生态系统的格局特点、规模含义、竖向规划、土壤的作用、绿地的城市自净核心作用、LID理念生态学思想的理解及其模式的应用方法等，通过该海绵城市生态设计模式的应用，促进城市雨水利用和城市规划建设向具有巨大节水效益、有效的防洪防涝能力、良好的生态环境生态系统、有效控制空气粉尘污染和消除面源污染强大自净能力等良性循环的城市绿色环境生态系统发展，建成能自然积蓄、自然渗透、自然净化的“海绵城市”，使城市雨水管理利用在城市建设中释放出巨大的生态效益和经济效益。

城市雨水利用；海绵城市；城市生态设计模式；绿色环境系统；下凹式绿地；城市自净能力；空气粉尘

随着城市化迅速发展、城市面积扩大、城市生态环境质量下降和改善的愿望增强，城市雨水管理利用受到了前所未有的重视。自1982年6月在美国夏威夷召开了第一届雨水集流利用国际会议以来，人们给予城市雨水管理利用越来越多地关注、研究和应用，城市雨水管理利用的理论技术水平也已有长足的发展并且受到当地政府重视。美国的最佳城市雨水管理利用和低影响开发理念应用，日本资源化收集利用以及后来的将各种雨水渗透作为城市总体规划的组成部分，德国近期的把雨水利用与周围建筑、景观、绿地、生态、城市规划以及设计人等6个方面结合，其理念在全社会普及，在许多国家城市中很好地进行了实践。如今，面对城市缺水、洪涝灾害频发、粉尘PM2.5居高不下、城市对面源污染自净能力低下等环境问题，中国政府提出了极具生态学意义的“海绵城市建设”理念，从而为城市生态基础建设的雨水管理提供了明确的指导方针。海绵城市建设的核心思想 “自然积蓄、自然渗透、自然净化”等内容显示，雨水管理利用的生态学思想受到了极大重视。

在我国，纵观城市雨水利用的理论和方法，能从规模上、整体上系统而有序地进行雨水利用、实现海绵城市建设模式的首推城市绿色环境生态系统雨水利用生态设计模式。该模式是由建筑、道路、绿地及排水系统等构成的城市绿色环境生态系统，建筑和路面等硬化面高程高于绿地高程，雨水口设置绿地内，雨水排水口低于硬化面高程并高于绿地高程。该模式在北京“雨水控制与利用工程设计规范”和“北京市园林绿地雨水利用技术规程（草案）”中已作为“典型下凹式绿地”示范。这种下凹式绿地在我国城市雨水利用建设中也普遍应用。尽管如此，但并不是有了这种模式我国的海绵城市就能顺利地建设成功，也并不能完全打消一些人对海绵城市建设能否成功抱有的怀疑态度。现行的许多工程是以高投资来完成雨水利用项目的要求，如果实现“指南”或更高的要求，从而在一个城市乃至全国全面实现这种海绵城市建设，那么将会付出巨额的投资和代价。所以，在应用生态设计模式时，能否对设计做出正确的生态选择，是能否成功解决实现低价的、具有巨大经济社会效益和生态效益的海绵城市建设的关键所在。

一、海绵城市建设的生态设计模式选择

1.海绵城市建设与生态设计模式的生态学意义

考察并综合现有的城市雨水利用研究和应用，海绵城市建设的理论和模式最佳选择莫过于城市绿色环境生态系统生态设计模式。该模式在一些城市雨水利用规范和绿化规程中作为了典型下凹式绿地提出，也为多数研究人员所推崇。

最大限度地发挥城市海绵的作用，就是在城市雨水管理利用中，从城市整体规划的角度出发，在城市整体规模基础上，形成有序的格局和运行系统，城市建设相关行业自然协作进行有规律的城市建设和运行管理，使其成为城市生态基础建设的重要部分和内容；从而实现海绵城市建设“自然蓄积、自然渗透、自然净化”的核心生态价值，达到城市绿色环境生态系统对雨水最大限度地自然利用、节约灌溉用水；对城市洪涝的水量最大限度地自然控制；对生态系统从规模、生物量到生态作用最大限度扩大和发展；并对大环境空气粉尘、面源污染等自然控制、减少和降低，同时减少进入河湖污染物质，减少富营养化作用等增强城市自净能力；减少雨水排水泥沙携带，减轻排水系统堵塞等。同时，在这种海绵城市建设生态设计模式的雨水管理利用过程中可体现出其格局利用分布上的均匀性和轻量负荷特点，与LID生态学思想一致；从而可使该城市系统运行保持可持续性。

2.海绵城市建设生态设计模式

城市整体格局的生态选择即选择什么样的生态设计模式。也就是在城市建设中，城市的结构或城市绿色环境生态系统中，建筑—硬化面—下凹式绿地—排水系统等各要素的高程关系为：建筑和路面等硬化面高程高于绿地高程；雨水口设置在绿地内，雨水口低于路面高程并高于绿地高程。这种高程关系，是一个城市建设的普遍概念或要求，而具体的高程和格局安排应根据现场具体情况，因地制宜。

3.低影响开发的核心理念与海绵城市建设

所谓的低影响开发（LID：Low Impact Development）概念，是美国人从对雨水管理实践中获得的生态学理念。这是一种植被滞留与吸收下渗的雨水处理方式代替了传统的雨水最优管理模式 （BMPs：Best Management Practices）。低影响开发强调城镇开发应减少对环境 （包括已建成区域已有设施）的冲击，其核心是基于源头控制和延缓冲击负荷的理念。LID的生态学理解应含有环境和设施对雨水利用的最大规模和最小负荷的源头处理和分散处理的行为，从而分散地将雨水在可控制并对生态系统最小冲击或有利的情况下，实现充分利用雨水使城市绿色环境生态系统充分发挥防洪防涝、节水利用、消尘去污、净化环境的作用。

当雨水还没有构成局部负荷过大或冲击危害的时候，大多数的环境生态系统都可以对雨水加以利用，这样整体城市就形成巨大规模的利用；所以雨水管理利用越是源头越为容易，而中途和末端的措施则应该是不在万不得已的时候尽量不采用。

4.海绵城市建设中生态设计模式应用要领

（1）海绵城市生态设计的高程关系

高程关系即为竖向设计，是城市规划设计的重要内容，它规定了城市建设中各要素间的垂向关系。以绿地为核心的建筑、道路等硬化面、绿地及排水系统等构成的绿色环境生态系统各要素间的竖向关系包括：各硬化面与建筑基准面的关系、硬化面与土地基准面的关系、绿地与各硬化面的关系、绿地与排水口的关系、硬化面与路牙的关系、硬化面与排水口的关系、不同硬化面间的关系、建筑物门栏与硬化面的关系、建筑物门栏与绿地的关系、绿地平均面与基准面的关系、绿地与植物的关系以及受雨的建筑物顶倾斜方向和出水面的关系等。所强调的是，这种“下凹绿地”不是绿地要低于硬化面，而是硬化面建设的时候要高于绿地；并且，生态设计如果缺乏系统的竖向设计体系，将难以避免城市雨水利用会出现各种不规范现象，从而极大地降低其作用。高程的选择也应因地制宜，本着最大限度地发挥绿色环境生态系统的作用，最大限度实现自然蓄积、自然渗透和生态系统自然净化的作用。

雨水利用竖向设计受到较多因素限制，其中主要的限制因素有当地气候或降水量限制 （包括最高降水量、年均降水量和年内分布）、土壤下渗能力，绿地中植物选择（耐淹耐湿及耐盐碱等能力）以及地形特点等。

（2）海绵城市建设生态设计的6个结合

从总体上讲，海绵城市生态设计模式雨水利用，从城市绿色环境生态系统出发，应该与系统中建筑、景观、城市规划、生态作用、绿地、设计人员等6个要素相结合，达到海绵城市建设的规划性、整体性、规模性、有序性、系统性，从而有可能从根本上实现海绵城市效果的建设，而不是一个个措施局部应用的效果。

生态设计的6个结合，其含义简述如下：

①与建筑结合。在城市绿色环境生态系统中，建筑、道路、排水系统是重要的成分，互相之间的作用极大地影响生态设计的雨水利用，其各种关系处理是否得当，将直接影响系统实现最大限度的、有序的雨水利用过程；相互间的关系主要建立在竖向设计上。所以，应将雨水利用周围环境生态系统中的建筑与雨水利用作为一个统一体进行考虑。这种统一体也是海绵城市生态设计模式的重要特点之一。

②与城市规划相结合。城市雨水利用与城市规划相结合使城市整体建立雨水利用系统。城市建设的各行各业将雨水利用要素纳入、形成系统，并使雨水利用形成规模，从而发挥雨水利用的巨大作用，包括生态作用。所以说，雨水管理利用在整个城市形成系统有序的体系，需要与城市规划结合。海绵城市建设生态设计模式是即具有在整体意义上也有对局部具体操作有指导意义的生态规划设计特点。

③与景观结合。雨水在绿色环境生态系统中也是重要的水资源来源，对其充分地加以利用，与景观充分结合可以起到环境美学效果。

④与生态结合。雨水积蓄的过程中不可避免地携带环境中一定量的污染物质，而在进入河湖后容易造成富营养化或污染，与生态结合充分利用未被占据的生态空间，将发挥水环境生态作用对雨水起到净化作用；环境生态系统的发展需要大量的水分和营养物质供给，与雨水利用结合可极大地增强生态系统的发展和生态功能的增强。总之海绵城市雨水利用与生态充分结合才能使其环境改善效益显现出来，如降低城市空气粉尘、减少面源污染、有利于绿化发展等。

⑤与绿地结合。绿色环境生态系统中绿地是海绵城市雨水利用生态设计的核心部分，是雨水海绵作用的核心，也是城市自净能力的核心。绿地生态系统土壤对雨水的自然积蓄和渗透的巨大的海绵作用、对雨水携带污染物质的过滤及净化作用、对病原微生物的抑制灭杀作用，对粉尘等固体物质的接收和控制作用，植物对土壤渗透性改善和地下水的平衡作用等都体现了绿地的核心作用。海绵城市生态设计模式将城市固定比例的绿地最大限度地分散、以最大限度地利用并降低本身在雨水利用过程中的负荷，降低受损风险，是出于LID最本质的生态思想。

⑥与设计人员结合。对于城市建设、雨水利用或“下凹式绿地”的设计，设计人员在不明确新的生态设计思想、新的设计模式要点以及对其中概念，如绿地的“下凹”，严格地讲，是针对什么的情况，便可能会出现千差万别的设计结果；致使海绵城市绿色环境系统雨水利用作用受到限制，从而使海绵城市建设大打折扣；因而，对于新的海绵城市建设的理论设计模式，应该对设计人员有详细和严格的培训，从而使得海绵城市建设纳入有系统性的计划内。

二、城市局部建设设计中的生态选择

海绵城市建设是城市重要的生态基础建设。在城市局部建设的各个设计中，生态选择对于实现海绵城市建设至关重要。生态设计模式为海绵城市建设的系统的生态选择，并在海绵城市建设中将表现出这些重要生态选择的作用。

1.海绵城市典型下凹式绿地生态设计模式的生态选择

①城市雨水的最大限度地利用而不是有限制性利用的选择。在城市各种因素限制条件下对雨水最大限度地利用，以实现雨水利用的经济效益和生态效益的最大化。

②城市绿化规定有限固定面积的分散性与绿地在源头分散接收雨水，而不是集中绿地或绿化带在雨水利用的途中或末端。对于一般城市建设要求的大约30%的绿地面积，将其分撒地在城市生态设计模式下利用，有利于充分发挥绿地的生态作用，并且符合LID的源头、分散、轻负荷避免系统受损处理的生态思想。

③建设高的硬化面和低的绿地概念的统一性和确定性，而不是绿地“下凹”概念的不确定性。在城市绿色环境生态系统中，设计人员对于“典型下凹式绿地”的设计应该让硬化面高于基本的绿地面，而不是让绿地低于较低的硬化面而形成更为低的下凹或下沉的绿地；如果只讲是绿地的下凹或下沉，很有可能会出现千差万别的设计结果；在人为控制极为强烈的城市生态系统中，已经很难找到上游水文状况与下游原有水体的水文平衡，更多的情况是本身上游城市水文循环正常状况的受损；所以，应综合考虑水文和生态因素和条件，最大限度进行雨水利用。

④绿地的面积和绿地的高程决定了雨水利用的规模。在很多城市雨水利用措施中，绿地仅作为雨水积蓄、渗透、净化的一种设施；其含义中包含了这种措施与其他水利措施共同完成或实现径流控制或其他一项雨水控制的目标，而不是将这种典型的绿地系统作为城市生态基础建设的一种普遍应用的格局结构,从而影响绿地雨水利用的规模；所以，这种普遍的格局结构是全市规模的，其生态、水文作用（也就是海绵作用）也是巨大的；而对绿地的不充分利用或有限利用都将是对最大限度地城市雨水利用的巨大影响，会使海绵城市的规模和生态作用大打折扣。

⑤绿地是海绵城市绿色环境生态系统的核心部分，而不可仅作为雨水利用工程中的一种类型。绿地将把营养污染物质保存于相对贫瘠的陆地，而不是让雨水带到水体中再进行净化或引起水体的富营养化污染；绿地保持、聚集和利用更多的泥沙和固体废弃物包括动植物残骸及代谢物质，而不是将其送到垃圾填埋场或污水处理厂而增加末端处理投入。

2.绿地植物的生态选择

绿地植物的选择主要指在海绵城市绿色环境生态系统雨水利用中起着主要作用的植物。与下凹的绿地中相比非雨水利用地段，植物将需要忍耐一定程度和时间的反复受淹、干旱和盐碱的考验；因此，下凹绿地植物应选用耐旱、耐淹、耐湿、耐盐碱的种类；并且根据具体地形、气候、气象、土壤和管理条件及植物特点等进行选择。这种植物的选择为绿地在雨水利用中扩大了应用生态空间，可使绿地的集雨停留时间、渗透时间以及集雨的总量大幅度提高，从而可极大地加强其生态作用。因为不同植物的耐水耐湿性、耐旱性、蒸腾能力等特点有较大的差别、可适应不同情况的水分条件，耐淹植物耐淹的时间可以不止24小时，从而雨水积蓄量的提高对于城市绿色环境生态系统在防洪涝、城市生态净化和节水等潜在海绵作用的生态效应和经济效益都将是巨大的作用。

3.绿地土壤生态系统的生态选择

以绿地为核心同周边建筑、道路等硬化面、排水系统等环境因素构成的绿色环境生态系统格局，绿地发挥着净化、水分涵养、空气改善及卫生环境改善等重要的作用。城市绿地各种生态功能的发挥离不开土壤。海绵城市生态设计格局的下凹绿地的土壤生态系统显然还存在着巨大的生态空间利用；而高程高于硬化面的绿地和较浅的下凹绿地都将不同程度降低其系统的生态功能和作用。

①巨大空隙的海绵体。土壤是水分可以以不同形态储存、并可被植物根系吸收再利用于生态系统的天然空间。多数城市坐落于山前冲积洪积扇，常常有着深厚的土壤和较好的渗透能力，正如德国雨水利用专家认为的 “地下就是一个巨大的蓄水池”，土壤在绿地中的巨大空间对雨水利用具有巨大的“海绵”吸收作用，土壤的持水能力和植物的吸水利用调节作用使得绿地具有水分平衡能力的“海绵”调节作用。所以，土壤生态系统是城市海绵作用的重要基础。

②巨大的分解者活动场所。土壤在绿地生态系统中含有大量的微生物和土壤动物等生物有机体，如细菌的数量可达到 106 cfu·g-1（colony forming units）。它们对进入绿地的许多物质进行分解转化，并为植物所吸收，因此对面源富营养化及其他污染物质的净化发挥着重要作用；土壤微生物对于病原微生物的杀灭和拮抗作用对城市居民的健康至关重要。进入绿地的雨水将增加绿地生态系统的生产和发展，并可强化土壤生态系统的作用。所以，缩小的绿地土壤面积、限制或不充分的雨水利用都将影响城市绿色环境生态系统的生态功能作用空间。

③固体物质积累和物质循环。典型的下凹式绿地系统是城市很多固体物质的沉降场所，如泥沙、难以分解的碎屑、雨水携带的悬浮物、落叶及动物代谢物质等在绿地土壤中进行物质循环的过程，增加绿地生态系统的营养成分，并可极大地降低城市固体废物数量；一定合理深度的绿地下凹程度对于雨水的自然储蓄、渗透、固体物质更多进入和容纳将展现巨大的生态空间，并使土壤生态系统获得更多良性的发展机会。

4.路牙与降低空气粉尘的生态选择

陈桥等人研究认为城市地表污染物是城市降雨径流污染的主要来源，其累积和降雨冲刷过程分别是沉降—悬浮—再沉降以及悬浮—沉降—再悬浮的动态过程。所以雨水携带的泥土在不充分的雨水利用条件和路牙的阻挡下沉淀于硬化地面，成为空气粉尘的重要来源，经扰动进入空气，造成空气粉尘污染。而全面的、具规模的生态设计的典型下凹绿地和无阻的路牙则会极大地避免这一过程。另外，典型下凹绿地或典型绿色环境生态系统在借助多种生态动力源的作用下发挥其净化功能。例如，在降雨动力源的作用下，可将硬化面上的泥土冲刷带入相对较低的绿地土壤中，也避免雨水携带泥沙进入排水系统长距离输送造成管道堵塞的难题产生；在风动力源的作用下，使硬化面上的尘土有向低的绿地集中的趋势；行驶的机动车动力源，有使硬化面上的尘土驱向旁边低的绿地土壤中的趋势。

5.透水硬化地面的生态选择

透水铺装作为一种城市雨水管理利用的方法技术已经广泛地应用于城市建设。尤其是透水砖，由于具有迅速透水性能，路面不易积水、方便市民安全出行等多种良好的性能而被普遍应用于各种雨水利用过程中，因而在近年得到迅速发展。加之城市建设“黄土不露天”意识的影响等，人们对透水砖的偏爱，很容易造成透水砖大量使用，而忽略未覆盖自然土壤面积大量减少的局面。这种情况的继续发展，对整个城市生态系统可能存在巨大的潜在危险，造成城市自净能力大幅下降，并因重新改造而相应造成更大的经济损失。

三、结 论

1.海绵城市绿色环境生态系统格局的生态设计模式选择

能充分发挥生态作用的海绵城市格局的生态选择应该是以典型下凹绿地为核心、由建筑、道路等硬化地面、绿地、排水系统等构成的绿色环境生态系统的生态设计模式；应用中掌握6个结合；充分发挥 “海绵”格局的自然积蓄、自然渗透和自然净化的作用；充分体现生态设计模式的“自然”作用，实现防洪防涝、节水绿化、补充地下利用及城市净化等巨大的生态作用，并可相应减少雨水控制和利用设施建设的巨大投入，实现生态设计巨大的经济效益和生态效益。

2.海绵城市建设的规模意识和效应

城市生态系统是一个整体系统。城市的雨水、面源污染、空气粉尘污染都具有城市整体规模特性。城市雨水利用与之联系必然需要在这种程度上才能获得整体规模的生态效应。仅仅靠以个别单独的雨水利用工程或个别措施作为雨水利用手段，希望在整体城市中实现雨水利用真正的控制可能难以奏效；没有从整体规模效果上设计的雨水利用途径，城市的雨水利用生态效果也将难以从根本上实现，也就难以实现一个具有整体巨大效应的防洪防涝、节水利用、面源污染净化和空气粉尘控制的绿色环境生态系统的海绵城市。

3.时效性

在城市生态基础建设中，因城市建设格局难以无成本进行，具有不可逆的特点，这铸就了已有城市建设格局已无法改变。因此对于关系到城市建设格局的雨水利用，任何不科学不合理的决策都将会给城市带来长期的巨大的经济损失和生态环境损害的后果，应尽早引起重视。生态设计格局的制定是海绵城市建设迫在眉睫的课题！

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责任编辑李建章

Studies on ecological measure of sponge city construction

Guan Zhuojin

According to current research data of rainwater utilization in cities of China,green environment ecosystem is proposed as a design mode for sponge city construction for ecological improvement and issues related to its application and practice are reviewed.Differences between this approach and conventional measures such as concave greenbelt are examined.More attention should be paid on the significance of green environment and ecosystem and it is urgent to carry out the approach of sponge city construction,taking the ecosystem character,scale,vertical planning,functions of soil,self-purification of city,application of LID concept and model applicationintoconsideration.Inorder togeneratemoreecological andeconomicbenefitsfrom improvement of rainwater management,it is necessary to make beneficial use of greenenvironment and ecosystem so that it will encourage water conservation,enhance capacity of flood control,restore environment and ecosystem,reduce air dust and non-point pollution by taking the advantage of self-purification.Moreover,a sponge city that water can be stored and penetrated naturally and self-purified will be realized.

urban rainwater utilization;sponge city;city ecological design model;green environment ecosystem; concave greenbelt;city self-purification;air dust

TU991.14

A

1000-1123（2016）04-0004-05

2015-10-20

关卓今，高级工程师。