海绵城市理论与运用实践初探

马婷婷　方莉　杨波

近年来，暴雨过后，“内陆看海”的段子便成了街头巷尾茶余饭后的谈资，调侃的背后是人们对于城市内涝问题的无奈与关切。起初，媒体和大众普遍关注的焦点几乎都是地下管网排水不畅或是不合理，结果大量财力物力进行管网建设，一场大雨过后仍就“海面”依然。经过反省才发现，原来是城市在开发的过程中忽视了生态，建设密度太高，城市路面硬化，使城市失去了“弹性”，大量雨水无法下渗到土地中，只能利用管渠等方式排泄，多个洪峰一叠加很容易就会形成内涝。在全国上下一片看海的呼声中，习近平总书记2013年12月12日中央城镇工作会议上指出：在提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自然存积、自然渗透、自然净化的“海绵城市”。

1.海绵城市综述

1.1海绵城市的概念

“海绵城市”是指城市能够像海绵一样，在应对各种环境变化及自然灾害方面具有良好的弹性，在降雨时，通过吸收、储存、净化、下渗等途径将雨水储存并利用，从而补充地下水；在城市需要水时可以将储存的雨水释放利用，统筹完善降水、地表及地下水循环系统性，综合协调给排水利用的各个环节，以应对长期复杂的自然、人工环境。

“海绵城市”的概念来自于“低影响开发系统（LID）”（LOW Impact Development）。低影响开发技术是上世纪90年代发展起来的一种城市雨洪及污染控制的管理技术，旨在利用分散的、小规模的源头控制来达到对暴雨产生的径流及污染的控制，使开发后的地区尽量接近自然的（开发前的）水文循环。“海绵城市”建设就是要使得水体在城市中的循环流动更加的顺畅、自然，通过透水铺装、植草沟、绿地等城市海绵体，有效的滞留、吸收、排放地表径流水，加强对城市降雨雨水的控制和管理，从而进一步实现逐步缓解城市雨水内涝、提高雨水利用率、降低市政管道建造成本、优化美化城市环境等诸多目标，最终构建起可持续性的协调有序的城市水循环系统。

1.2“海绵城市”理论提出的背景

我国的降水受到季风的影响极大，季节差异大且分布不均，夏季降水往往占到全年总降水量的一半以上。与此同时，由于我国的气候存在着较大不稳定性，因此常常出现暴雨、洪水等灾害，由此导致每年夏季城市内涝多发。由于汛期中绝大多数洪水都未能下渗并得以利用，因此洪水泛滥与河流断流的风险不仅交替出现，而且风险逐渐增大。

近年来，气候变化和生态环境污染等的灾害对全球各地城市的抵抗能力造成了愈来愈严重的冲击。据统计，内涝最严重的2011年，全国城市总计损失达到了惊人的4000亿元；从2010年以来，年均损失在千亿元以上，全国有15个省份的损失过百亿。城市内涝基本覆盖所有31个省份，全国城乡年均受灾人口在1亿人左右。雨洪问题，发人深思！城市发生内涝，表面上是由于城市地下排水系统落后于城市建设，但究其根源却是建设和建筑改变了地表径流量，增加了地下管网的负担。城市面临的水生态问题以及水资源短缺和水安全问题，主要归咎于传统城市工程管道式灰色排水基础设施、防洪规划和排水工程规划的落后及雨水资源合理利用意识的薄弱，使得我国受灾城市的数量、规模、经济损失程度和人员死伤均呈显著上升的态势。

随着我国城镇化进程的加快，我国对水资源开发空前过度，北方地区的大部分河流都存在下游断流的情况，湖泊与湿地的面积也在迅速减少。与此同时，地下水与沿海海域的水质也在逐渐恶化，地下水污染非常严重。由于城镇化与基础设施建设的灰色化导致了很大程度上的水土流失、植被破坏以及地下水与地表水的连接中断，这对于其周边区域的水文地质条件将会造成极为严重的负面影响。

1.3“海绵城市”的理论内涵

水环境与水生态问题是跨尺度、跨地域的系统性问题，也是互为关联的综合性问题。诸多水问题产生的本质是水生态系统整体功能的失调，因此解决水问题的出路不在于河道与水体本身，而在于水体之外的环境。如：大量的雨并不是落在河道里，所以防洪不能仅仅死守河道；主要污染源来自水体之外，所以，水净化的解决之道也不在于水体本身。解决城乡水问题，必须把研究对象从水体本身扩展到水生态系统，通过生态途径，对水生态系统结构和功能进行调理，增强生态系统的整体服务功能：供给服务、调节服务、生命承载服务和文化精神服务，这四类生态系统服务构成水系统的一个完整的功能体系。因此，从生态系统服务出发，通过跨尺度构建水生态基础设施（hydro-ecological infrastructure），并结合多类具体技术建设水生态基础设施，是“海绵城市”的核心。

2.“海绵城市”理论运用实践——青山区港西泵站海绵改造

2.1项目区位

港西泵站位于青山区临江大道南侧，建设五路东侧，该地块为公建用地。该项目设计面积为10800平方米，其中现状铺装面积为5527平方米，现状绿地面积为2942平方米，建构筑物占地面积2183平方米，水面148平方米。

2.2工程目标

2.2.1总体目标

坚持可持续发展理念，创新新城镇化建设模式，统筹协调城市生态保护、土地利用、水系、绿地系统、市政基础设施建设以及环境保护等关系，因地制宜的制定城市建设开发策略，努力建设青山“海绵城市示范区”，让区域“弹性”适应环境变化与自然灾害，为武汉市海绵城市建设起到良好的示范作用。

2.2.2建设目标

（1）年径流总量控制率

根据《武汉市海绵城市建设青山示范区年径流总量控制规划》，本工程的年径流总量控制目标为70%。

（2）城市排水防涝标准

根据《武汉市中心城区排水防涝专项规划》及《青山区排水防涝专项规划》，本工程的排水防涝标准为有效应对不小于50年一遇暴雨的要求。

（3）城市污水全收集全处理率

根据《武汉市主城区污水专项规划》及《青山区“十三五”水务建设规划》，本工程所在的青山区西部地区达到污水“全收集、全处理”的目标。

2.3工程现状及问题

2.3.1排水现状及问题

通过现场勘察以及对泵站管网的分析，本次改造的泵站区域为合流制，总结排水管网问题主要有以下几点：

①地势低洼及雨水系统缺乏区域易渍水；

②区域内部雨水接入污水的现象繁多；

③区域出口干管接入市政管网雨污混接；

④部分排水设施淤塞严重；

⑤区域出口排水干管标准偏低，部分排水设施破损严重；

⑥区域局部区域雨水系统不完善；

⑦区域内部管网断头。

2.3.2功能区划现状及问题

通过现场勘察以及对社区功能区划的分析，总结泵站功能区划问题主要有以下几点：

①停车位缺乏，随意停车；

②施工场地占据厂区大块绿地；

③现状建筑除办公楼外，棚式构筑乱搭乱盖；

④路面、铺装陈旧，均为水泥地，不透水；

⑤现状绿地大部分为黄土裸露，空地上堆放排水设施器材。

2.3.3绿化现状及问题

通过现场勘察以及对泵站区域园林景观的分析，总结区域园林景观问题主要有以下几点：

①乔木长势良好，覆盖率高，维护不够，品质下降；

②透光率低，小乔木生长不佳；

③植被单一，缺乏层次感，缺少成片组团；

④新建绿地绿化缺失，地面露土，设施杂物乱堆乱放。

2.3.4现状海绵型评估

本项目根据最新地形，进行了区域地表高程信息及下垫面属性提取。泵站区域下垫面类型共4种，分别为屋面、道路、绿地及水面。进行海绵改造的泵站区域下垫面情况如下表所示：

本项目进行海绵改造的“水生态、水环境、水资源、水安全”四个方面控制指标现状如下表所示：

2.4方案设计

2.4.1总体布局

根据泵站现有布局，分为办公区、停车场、厂房区、游憩区和南区绿地5大部分。

（1）办公区：紧邻泵站主入口，主要功能为办公人流集散。因此在设计中保留了现有的铺装场地，根据现有功能对活动区内的铺装进行改造，改为透水混凝土或透水砖。场地中央的水景保留，仅对高出地面的池壁拆除，在外围增加生物滞留带，净化入池的雨水，并修缮现有花坛，保留长势较好的乔木，并增补地被植物。

（2）停车场：位于办公区南侧，设计中主要对现有硬质场地进行改造，变为生态停车场，外围临近围墙及建筑区域增设绿地。

（3）厂房区：保留现状厂房，仅对部分雨落管进行改造，东侧山墙周边绿地改为下沉绿地，并种植爬藤植物和湿生植物为主。

（4）游憩区：现状为施工场地，全部改为绿化及景观用地，设雨水花园一处，沿花园设汀步路供游览。

（5）南区绿地：现状为仓库和空地，全改为绿地，设置特色雨水花园，塘中放置排水用的水泥管做成花筒，做为排水泵站的特色文化符号，上游处设旱溪将雨水导入雨水花园。

2.4.2海绵设施的布局

（1）海绵设施设计流程图

（2）海绵设施布局

通过对上位规划的查询，港西泵站海绵改造工程的年径流总量目标为70%。对设计总平面进行下垫面解析，场地内的综合雨量径流系数为0.29。

将办公楼区域以外的铺装，更换为透水铺装，加大地表渗透空间。规划停车场区域，做成生态停车场。将现有排水明沟改为生态沟，在现有绿地内增加了雨水花园、旱溪和下沉绿地，通过对场地内的雨水进行收集，排入雨水花园后进行净化，合理组织绿地内的地表径流。

2.4.3竖向设计

（1）港西泵站的地形为南高北低，东高西低，由于场地内有多栋现有低层建筑，因此不宜对现有标高进行大范围的调整，竖向设计主要以满足地表排水要求为主。

（2）地表径流主要通过透水铺装和绿地进行下渗，多余径流则通过竖向找坡，疏导至雨水花园，生态沟和部分排水暗沟中，最终通过渗管和排水暗沟导入泵站内部的雨水干管，统一排入市政雨水管网。

（3）绿地内的微地形主要沿雨水花园和植草沟沿线设置，地形高度在0.3-0.5米之间，以满足周边径流的排水坡度为主，兼顾景观竖向的变化。

（4）港西泵站海绵改造工程挖方需2495立方米，地形整理填方需约2200立方米。

2.4.4种植设计

此地块绿化面积约为5240平方米。现状有已绿化场地、黄土裸露地及已停工的施工场地。现有已绿化覆盖地内保留原有长势及树形较好的植物，清理场地内杂乱灌木，种植开花灌木地被。黄土裸露地和施工场地进行绿化设计，结合微地形，雨水花园设计片式组团种植乔木、灌木、地被和水生湿生植物，满足港西泵站景观要求和海绵城市设计需求。

2.5海绵建设效果评估

2.5.1年径总量控制率的简易评估根据本工程海绵建设目标中对年径流总量控制率70%的目标要求，计算本工程所需蓄水容积：

V=10HφF

H——设计降雨量，年径流总量控制率70%对应的设计降雨量H=24.5mm；

φ——场均综合雨量径流系数；根据改造后下垫面场均雨量径流系数分析，φ不透水沥青路面=0.9，φ透水铺装=0.25，φ下沉绿地=0.15，φ硬化屋面=0.9，计算出改造后年径流总量控制率为70%；

F——汇水面积，地块总汇水面积为10800m2，不同下垫面的面积详见表2-5；

扣除下凹式绿地调蓄量后，本工程所需蓄水容积V=77m3可通过雨水花园、生态沟等提供调蓄容积，计算出本工程海绵建设改造后，年径流总量控制率实际为70%，满足建设目标要求。

2.5.2面源污染消减量的简易评估

海绵建设后，透水铺装的污染物去除率为80%，下沉式绿地的污染物去除率为50%，根据表2-5改造后不同下垫面的面积及所占比例，透水铺装面积比例如表2-6，计算出改造后，面源污染消减量（以TSS计，%）=60.2%，满足建设目标要求。

2.5.3峰值径流系数的简易评估

峰值流量径流系数的建议算法采用加权平均法，根据项目区域不同下垫面面积，按不同下垫面的峰值流量径流系数进行加权平均，现状峰值径流系数为：0.636。

根据改造后下垫面流量径流系数分析，φ不透水沥青路面=0.95，φ透水铺装=0.35，φ下沉绿地=0.2，φ硬化屋面=0.95，不同下垫面的面积详见表，根据计算，峰值流量径流系数～=0.402，根据《武汉市海绵城市规划设计导则》，本项目区域属于公用设施用地，峰值径流系数取值为0.6，φ=0.402<0.6，满足建设目标要求。

2.5.4内涝防治水平的简易分析

本项目新建了雨水排放主通道，雨水设计重现期按照P=3年设计，本项目的排水防涝标准能够有效应对不小于50年一遇暴雨的要求，满足建设目标要求。

2.5.5雨污管网分流完成率分析

本项目对工程范围内的雨污水系统进行了全面梳理，按照修建规划完善了雨污水系统，改造纠正了雨污混错接问题，雨污管网分流完善率可达到100%，满足建设目标要求。

2.5.6雨水资源化利用率分析

绿化灌溉就近采用雨水花园的调蓄水量，可以满足25%雨水资源化利用率。

3.结语

国家对“海绵城市”的重视是改变城市规划建设理念的重大契机。围绕这一概念，社会各界通过广泛的讨论来关注城市洪涝问题和一系列相关的生态和环境问题，重新审视工业时代治水思路的利弊，深刻认识生态雨洪管理和城市生态建设的重要性及方法和技术，对实现生态文明和美丽中国具有重要意义。建设海绵城市这一系统性、综合性、历史性的造福工程，是一项长期而艰巨的任务，并非朝夕之事，海绵城市建设要避免“万能论”与“无用论”、“灰色派”与“绿色派”的极端误区。我们应该让海绵城市建设真正成为“美丽中国”、“绿色城镇化”的有力抓手和一种长效机制，充分发挥在我国的城镇化和城市群建设发展过程中的重要历史作用。