基于海绵城市建设的气象问题思考

2017-07-21黄高平王甲生潘维良

绿色科技 2017年12期

黄高平++王甲生++潘维良

摘要：指出了建设海绵城市是一项系统工程，需要多方面、多部门的共同协作，其已成为建设、水利等领域实行的新技术，在工程实践中推广应用。尽管在海绵城市建设过程中，气象部门的作用不可或缺，但是由于种种原因，目前气象部门大多仅作为协作单位，参与深度不够，因此，有必要对此现象进行探讨。分析了海绵城市建设中几个与气象关系密切的问题，以全国首批海绵城市建设试点城市池州市为例，结合笔者的工作实践进行了思考，提出了相应的建议，以期为海绵城市建设提供参考。

关键词：海绵城市；气象概念；问题思考；池州市

中图分类号：TU984

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）12016004

1引言

随着我国城镇化的发展，气候变化对城市的影响日益显现出来。我国相当多的城市不仅面临着缺水问题，还面临着城市内涝，每到夏季，受强降水侵袭，“城市看海”在多地出现。城市建设带来的水资源紧缺、水安全威协、水生态恶化等问题已成为当下城市急需解决的难题。如何科学规划城市的空间布局，使城市在遭遇气象灾害时经得住考验，值得我们思考。因此，海绵城市建设已成为新型城镇化建设的迫切需求。

海绵城市是一种形象的表述，是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用[1]。自2015年4月国家启动海绵城市试点项目以来，目前全国海绵城市建设如火如荼。池州市作为全国首批海绵城市建设试点城市，各项建设顺利推进，一些建成的示范区，水患大为降低，减少了城市居民生命与财产损失。因此，有必要总结海绵城市建设中如何将城市气象灾害减少到最低限度的成功经验。鉴于海绵城市建设技术在国内尚属起步阶段，示范项目建设和推广实践较少，笔者结合工作实践，就海绵城市建设中的气象问题进行了探讨。

2“海绵城市”中涉及的气象概念

2.1雨水与降水

目前，我国城市排水基本上采取的是快排模式，雨水落到地面汇集后，通过地下管道排出。这种以“快速排除”和“末端集中”控制为目标的建设模式[2]，往往容易造成逢雨必涝，涝旱急转，雨水的循环利用考虑较少。建设海绵城市，就是利用工程措施解决雨水资源流失、城市内涝灾害频发等一系列问题，减少市政管网压力和投资。优先考虑把有限的雨水留下来，涵养城市水资源，补充城市地下水，促进城市水循环。由此可见，海绵城市具有两大功效：一是防治城市内涝，二是雨水的收集利用。

显然，这里的“雨水”实际上就是气象上所说的降水。降水是水自然循环的重要环节，是地下、地表径流的唯一源泉，也是人类水资源的唯一来源。建设海绵城市，首要问题就是要摸清楚城市降水的底，在防治城市内涝和雨水收集利用上做文章。海绵城市依据的重要数据是城市水循环中自然降雨量的多少，这是涉及气象的核心问题。

2.2年径流总量控制率与设计降雨量

在《海绵城市设计技术指南》中，有两个术语與气象关系十分密切，即年径流总量控制率和设计降雨量。

作为海绵城市的设计和考核指标，年径流总量控制率是根据多年日降雨量统计数据分析计算，通过自然和人工强化的渗透、储存、蒸发（腾）等方式，场地内累计全年得到控制（不外排）的雨量占全年总降雨量的百分比。而设计降雨量是为实现一定的年径流总量控制目标（年径流总量控制率），用于确定低影响开发设施设计规模的降雨量控制值[3]，一般通过当地多年日降雨资料统计数据获取，通常用日降雨量来表示。

2.3城市内涝

海绵城市建设是针对城市内涝现状提出来的。城市内涝是指在城市区域遭遇暴雨或短时强降水天气后发生的气象衍生灾害。当城市地区降水量过多，超过其排水能力时，往往形成低洼地段积水，当积水过深、范围过大，影响到城市交通、居民生活和生产活动时即形成内涝气象灾害。

根治内涝的关键是要保护和恢复城市内原有的河湖、湿地、坑塘等具有集水涵养功能的自然“海绵体”，通过科学规划，完善城市排水防涝系统，打造人工湿地、雨水花园、下沉式绿地、“绿色”屋顶等人工“海绵体”，就地蓄留和消化雨洪，提高城市防御内涝的能力。

2.4暴雨强度公式

城市内涝在很大程度上是由暴雨造成的。城市排水系统的工程预算和相关设施建设与其设计的流量，特别是暴雨形成的流量息息相关。一般说来，设计流量的合理计算依赖于所采用的暴雨强度公式的精准程度，其计算结果直接影响城市排水工程的安全性与经济性。

暴雨强度公式是描述降雨量、降雨历时和重现期三者之间数学关系的经验公式，它依据水文气象频率分析的理论，基于已有的降雨记录数据，采用数理统计的方法得到的城市暴雨量、暴雨强度、降雨历时、时间空间的分布等，是科学表达城市降雨规律的一种方法[4]。

目前我国城市建设所采用的暴雨强度公式多为20世纪80年代初期编制，受当时气象资料、观测站点及计算条件所限，准确性大大降低。近30年来，在气候变暖的背景下，极端的暴雨频率、暴雨强度和局地强降雨特征发生了变化，现行的暴雨强度公式已不能客观反映当地暴雨的实际情况，因此，有必要重新修订和编制适用性更强、精度更高的暴雨强度公式，以适应“海绵城市”建设的需要。

2.5降水监测和内涝风险预警

降水监测是城市内涝风险预警的前提。由于城市各区域内地形地貌不同，遭遇强降水时，各处的内涝程度也不尽相同。因此，有必要开展易涝点的实地调查和研究，圈定易发洪涝及积涝点，划分高风险区域。要利用区域自动气象站的实时雨量观测数据分析雨情，为内涝风险预警提供参考依据。同时要根据强降水的监测，及时发布强降雨临近预报和城市内涝风险预警信息。

随着海绵城市建设的深入，越来越多城市的气象部门在开发研究以城市内涝仿真模拟为基础的城市内涝风险预警系统。在城市遇到强降水时，可根据自动雨量站的逐时雨量、应用数值预报产品、雷达估测、预测降水产品等，结合城市河道、路面、地下管道等多种不同地理信息，模拟出城市积水深度，并实现城区分区预警，全面提升城市内涝灾害的预报预警服务能力。

2.6城市干旱与缺水

城市缺水的主要原因是少雨干旱，此外，城市地面硬化面积的增加，使城市内能够涵养水源的绿地、湿地、河流、湖泊面积减少，破坏了自然水循环，加上地下水过度开发，城市水资源便会出现紧缺。

解决城市缺水问题，应顺应自然，在确保城市排水防涝安全的前提下，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，补充地下水、调节水循环。同时，应加强生态绿地等“海绵体”建设，涵养水资源。在干旱缺水时，可发挥“海绵体”的功效，让这些涵养和蓄存的水资源能够“释放”出来，并加以利用。

当然，在城市干旱缺水严重时，气象部门开展人工影响天气，选择合适时机，适时启动增雨作业，在一定程度上也可缓解城市旱情和缺水问题。

2.7城市热岛效应

城市热岛效应，是指城市市区的气温高于郊外的一种气候现象。由于城市的工业、公共设施与居民等耗费大量燃料，使城市成为一个重要热源。无论从早上到日落以后，市区的气温都比周边地区高，相对于外围温度较低的农村，城市好像是一个“热岛”[5]。

减轻热岛效应的关键是改造城市的生态环境，最有效的措施是增加城市的绿化面积，增加市区的水体容积，营造新的小气候。开展城市绿化既可美化环境，又可调节空气温度、湿度是改善城市气候的途径之一。城市水体的热容量大，在吸收相同热量的情况下，升温值最小，表现出比其他下垫面的温度低；水面蒸发吸热，也可降低水体的温度[6]，在一定程度上能够缓解热岛效应。

3池州市海绵城市建设分析

3.1自然气候

池州市位于安徽省西南部，长江中下游南岸，市域地形为东南高、西北低，自南向北呈阶梯分布；境内有三大水系十条河流，江河湖水面348.4 km2，占总面积的4%，水资源极为丰富。池州市属暖湿性亚热带季风气候，季风特征明显，雨量充沛，但是自然降雨的季节分布却极不均匀，根据池州地面气象站的观测资料发现，池州市每年2～11月均有暴雨发生，其中5～8月为暴雨多发时段，暴雨日数占全年的78.9%。近50年的气象统计数据显示，池州市的年平均降水量为1556.1 mm，其中总暴雨1107 场次。由于其地理位置和环境十分复杂，天气复杂多变，池州市降水年际变化大，春、夏季易涝、秋、冬季易旱，总的说来，旱、涝年份多于风调雨顺的年份。

3.2背景与现状

作为中国第一个国家生態经济示范区，池州市拥有园林城市、森林城市的称号，具有得天独厚的“海绵城市”架构，市区内绿化面积大，水体容积大，水域面积占中心城区面积的11.7%，湿地面积达11 km2，天然“海绵体”硕大丰满。然而，伴随城市在短期内的急剧扩张，快速的城镇化挤占河湖，城市建设侵占雨水通道和雨洪调蓄空间，河流行洪能力减弱；同时，由于城市排水系统不完善，原有城市排水管网规划设计标准偏低，排水基础设施滞后，严重降低了城市调蓄水量的能力，在遇有强降水条件下，无法及时排除地面积水。加上城区受到长江洪水和上游山洪的双重威胁，一方面，下游城区段直接受长江水位顶托；另一方面，上游山洪未得到有效控制，涝情显得尤为严重，城区内不少易涝点往往不堪重负，积水成涝。

据池州防汛部门统计，近几十年来，池州主城区多次发生水灾，内涝严重时，中心城区易涝点高达200多个，主要积水区域有30多处，多表现为市政道路、居民小区积水，阻断城市交通，带来严重损失。由此可见，池州市海绵城市建设的重点是要解决好城市的内涝问题。

3.3规划目标

为积极保护和改善城市环境现状，引导海绵城市建设示范区及其他新建的建设项目实践低影响开发建设模式，池州市在成功申报全国首批海绵城市建设试点城市过程中，制定了《池州市海绵城市建设水系及湿地规划》，根据规划，选取中心城区核心区域18.5 km2的范围，辅之点、线示范，先行先试。示范区覆盖池州市主要建成区（老城区）和典型新城区（天堂湖新区）。其中，老城区10.68 km2，占比57%；天堂湖新区为7.82 km2，占比42%。试点区域人口17.6万人。同时，专门编制了3年实施计划，计划建设水生态水安全系统等5 大类117 个项目。到2017年底，示范区年径流总量控制率72%，对应设计降雨量24.2 mm/d，城市内涝防治标准达30年一遇，城市防洪标准达100年一遇，基本建成现代雨水控制利用系统和海绵城市建设长效管理机制。

此外，池州市天然拥有丰富的水系，城市内河管道复杂，平天湖、天堂湖、月亮湖和秋浦河、白洋河、清溪河所构成的“三湖三河”六块“大海绵”，为池州市打造“海绵城市”提供了充足的自然优势，方便在降雨的时候充分将雨水留住。在这样的前提条件下，通过科学规划，优质施工，可以为雨洪创造足够的蓄洪空间并进行资源化利用，充分发挥自然海绵体系功能，既能在多雨时避免洪涝，又能在干旱时缓解缺水，真正构建名副其实的“海绵城市”。

2017年6月绿色科技第12期

4海绵城市建设中的气象思考

海绵城市建设是一个全新的课题，如何在海绵城市建设中更好地发挥气象的作用，有如下思考。

（1）城市建设规划需经过气候可行性论证，在《气象法》中有明确表述，但在海绵城市建设规划中，决策者和设计人员对其中的气象认识程度不高，忽视或淡化气象概念，往往借用或套用国外或外地的数据模式，气候可行性论证的不多。因此，气象部门应适时参与海绵城市建设总体规划编制，还应参与做好排水、防涝等专项规划编制，完善顶层设计和确定防洪标准。要依据《海绵城市设计技术指南》，将雨水年径流总量控制率、年降雨量、日降雨系数等与气象关联的指标作为刚性控制指标纳入海绵城市建设指标体系中，并落到实处。

（2）年径流总量控制率作为海绵城市规划控制目标中的首要指标，从理论上讲，其控制率取值越高，内涝防治的综合效益越好，但是工程投资和实施难度也越大。因此，气象部门要开展城市年降水综合径流系数、年降水量、日降雨强度等指标测算，通过研究确定实现各目标的年径流总量控制率。事实上，我国地域辽阔，气候特征、土壤地质等天然条件和经济条件差异较大，径流总量控制目标也不同[7]，如池州市，根据我国大陆地区年径流总量控制分布图，池州市位于Ⅲ区（75%～85%），而实际规划中池州市海绵城市示范区年径流总量控制率定为72%，位于Ⅳ区（70%～85%），这其中考虑到了市区的地表类型、水资源禀赋情况、降水规律、开发强度等多因素条件影响，是因地制宜确定的结果[8]。

（3）从气象上讲，海绵城市构建目标主要划分为针对常规降雨、极端降雨的两级控制目标。常规降雨是指频率较高的中、小降水，极端降雨是指径流峰值大的大雨、暴雨等极端强降水。这两种目标在不同区域的影响效果不同，控制策略也应不同。目前的海绵城市研究与实践主要集中在针对常规降雨的径流总量控制，对于极端降雨情况考虑较少，应引起重視。由于极端降雨是城市内涝的重要诱因，在海绵城市规划设计中，规划区的极端降雨控制目标必须量化。鉴于此，池州市制定了30年一遇的城市内涝防治标准和100年一遇的城市防洪标准，并以此确定了示范区年径流总量控制率对应的设计降雨量为24.2 mm/d[9]。

（4）海绵城市不是一蹴而就的，可能需要3年、5年，甚至更长时间才能建成，在建设过程中和工程结束后都可能遇到强降水而形成城市内涝。据相关资料统计，截至2016年底，第一批试点的16个海绵城市中有10个发生内涝；第二批试点的14个海绵城市中有9个发生内涝。总体计算，目前已纳入试点的30个城市中，共有19个城市发生内涝，占比63%。可见根治内涝顽疾始终是海绵城市建设的重头戏。针对这种情况，气象部门要结合当地降水特点，加快完成暴雨强度公式修订，开展暴雨强度公式运算，科学计算市区雨水排水设计流量，为城市排水管网布设、城市规划设计提供更科学数据。为服务海绵城市建设，2015年池州市气象局根据试点城市需求，对原有的暴雨强度公式重新进行了修订编制，但仍存在一些问题，如暴雨强度公式的细化程度、适用性幅度还有待提高，如何把暴雨强度公式细化到市内的新城区、旧城区、示范区等问题都有待进一步优化和改进[10]。

（5）现阶段，我国大部分城市已具有一定网格化的自动气象监测，这些由自动气象监测站组成的气象监测站网能为海绵城市运行提供实时降水数据。但不少城市现行雨量自动监测网的密度与海绵城市建设不相适应，气象部门应配合市政及有关职能部门做好城市站网规划，把自动气象监测站建设纳入海绵城市建设配套项目。目前，在池州城区内，仅有4个自动降雨监测站，精细化监测有待提高，离海绵城市建设的需求还存在较大差距，气象部门正根据雨量站网密度要求筹建新的自动降雨监测站点，选址位于海绵城市示范区及周边区域和低洼地带，力求为海绵城市设施的合理运行、建设项目的效果评估提供气象数据参考[11]。

（6）根据雨水利用、排水防涝等要求，气象部门应加强城市内涝气象灾害监测，通过气象大数据的综合应用分析、移动互联等现代信息技术为海绵城市建设提供技术支撑。要建立城市内涝信息共享、联合会商、险情报告、隐患排查等联动机制，如池州气象部门积极争取与公安部门合作，在城市内涝严重时，利用市内的“天网工程”监控平台，可对城市道路、交通路口、住宅园区等水情进行采集，随时获取内涝灾害情报，及时发出预警信息，确保在强降水时市区易积涝点的快速疏通。此外，气象部门还应依托业务与管理一体化平台开展城市内涝灾害综合分析评估，适时发布城市内涝灾害风险预报预警气象专报，为海绵城市建设提供更加精准高效的气象保障服务[12]。

5结语

气象与海绵城市建设是有联系的，在城市规划中需要气象数据，在工程设计施工过程中需要气象支持。由于我国海绵城市建设刚刚起步，技术标准体系尚未形成，各专业间缺乏相互融合，特别是专业间已有的标准互不协调，需要多部门的共同努力，气象部门应积极参与。在实际工作中，要认真分析海绵城市中的气象元素，研究气象科学对海绵城市建设的技术支撑，将与气象关联的指标作为刚性控制指标纳入规划指标中，积极争取把自动气象监测站网建设纳入海绵城市建设配套项目，搞好精细化降水监测，开展城市内涝风险预报预警，推进跨部门信息共享，实现部门信息互联互通，为海绵城市建设提供更加精准高效的气象保障服务。

参考文献：

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住房和城乡建设部.海绵城市建设技术指南：低影响开发雨水系统构建（试行）[R].北京：住房和城乡建设部，2014.

[2]秦昇益.海绵城市建设应重视新技术产品[N].中国建设报，2015-11-17.

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[4]住房和城乡建设部.城市暴雨强度公式编制和设计暴雨雨型确定技术导则[R].北京：住房和城乡建设部，2014.

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[6]仇保兴，海绵城市（LID）的内涵、途径与展望[J].中国勘察设计，2015（9）.

[7]车伍，赵杨，李俊奇. 海绵城市建设热潮下的冷思考[J].南方建筑， 2015（4）.

[8]彭海阳，詹圣泽，郭英远. 基于厦门前沿的福建自贸区对台合作新探索[J]. 中国软科学，2015（8）.

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