西南喀斯特地区海绵城市建设探究

游媛+韦小茶+杨玉银+杨珍招+周玉馨

摘 要：当前，我国城镇化进程正在逐步加速，城市不透水地面面积比例增大导致城市内涝的现象出现。喀斯特地区是典型的工程型缺水的区域，水的生态失衡十分显著，而我国西南地区的喀斯特发育最为典型。喀斯特地区海绵城市的建设探究正基于此背景。本文通过分析当前国内外的海绵城市的研究理念及成果，结合喀斯特地区的水文特征以及当前喀斯特地区城市化过程中面临的水问题，认为喀斯特地区海绵城市建设应主要结合绿色建设、蓝色建设、灰色改造、智慧化建设的方法，兼顾水土流失防治，通过加强生态建设来达到水生态平衡的目的。

关键词：海绵城市；喀斯特地区；生态建设

中图分类号：X171.4 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170732080

我国城镇化正在稳稳推进，但是我国水资源供需矛盾却日益突出。对全国640个城市的调查显示，每年缺水城市达300多个，其中严重缺水城市有144个[1]。据国家防总办公室2015年统计，过去3a内我国超过360个城市遭遇内涝，暴雨洪水已经直接造成了约353亿元的经济损失。“遇晴易旱，遇水易涝”是现代城市的通病，二者看似是2个极端，实则都是城市水生态不平衡的表现。现代城市内涝的产生看似是城市现代化与城市滞后的排水系统之间的矛盾，但究其症结也是城市水生态不协调。海绵城市建设具有防治城市内涝和缓解城市水资源缺乏2方面的直接意义，而且在改善城市生态环境质量，提高城区自然生态系统的服务功能价值方面的间接意义也不容忽视[2]。喀斯特地区地高水低，石多土少，土薄易旱，雨多地漏的特点导致具有地方特质的喀斯特干旱，也称为工程性缺水。同时，喀斯特地区的特殊自然条件也导致其经济欠发达，在这样的地区进行海绵城市建设存在一定难度。目前我国的海绵城市建设还处于探索阶段，大部分还是借鉴来自美国、澳大利亚、德国、日本等国的理念方法和成果，这些国家的气候、地质地貌、水文条件都与喀斯特地区有显著差异，关于喀斯特地区的海绵城市建设尚在起步阶段。海绵城市的建设必须因地制宜，结合当地气候、地质地貌、土壤和水文条件制定适合当地的海绵城市方案，一味地生搬硬套只会适得其反。从我国的实际情况看，当前我国各城市的防洪工程还是比较完善，城市的排水网络也有一定的基础，对于一般的降雨能够起到较好的控制作用，但是对于超过城市排水设施能力的大规模降雨则是力不从心[3] 。这说明，我国海绵城市建设的理念和方法都还需要进一步地提升，对于喀斯特地区的海绵城市建设无法回避，应充分体现因地制宜的理念。

1 喀斯特地区海绵城市建设原则

1.1 加强生态建设

我国典型的喀斯特地貌主要分布于西南部，西南岩溶出露面积达54km?，水土流失严重，其环境容量低，生态环境敏感度高，生态环境脆弱，承灾阈值弹性小。喀斯特地貌区属于我国4大生态环境脆弱区之一，是我国生态建设的重点区域之一，喀斯特植被破坏后，生境的旱生化迅速加剧，局部阴湿生境消失，水土流失越发严重[4]。喀斯特的城市建设就是在这样的背景下，所以保持水土，防治水土流失是喀斯特地区海绵城市建设的重要任务。

1.2 新建为主，旧改为辅

西南喀斯特地区国家级贫困县多达152个，整体而言，由于人地关系矛盾突出，喀斯特地区较我国其他地区相比多为欠发达地区。近几年，虽然在国家的大力扶持和开发下，城市化进程加快，但经济基础较差，地形破碎，建筑密集，新城区绿化面积少，旧城区排水系统老化严重。所以 ，要完成“在2020年及2030年分别达到城市建成区20%及80%以上的面积达到海绵城市建设目标”要求，应积极在城市新区开展海绵城市的建设，而对于旧城区，应仅以问题为导向，结合旧城改造实施低影响开发实施的建设，不宜大拆大建，大面积铺开进行海绵城市的改造[5]。

1.3 加强景观建设

喀斯特地貌类型多样，造型奇特，风景秀丽，具有非常好的旅游价值，喀斯特地区适宜旅游业的开发，因此在喀斯特地区进行海绵城市的建设时要考虑景观的美观与协调。在国外已经应用比较成熟的雨水花园以及绿色屋顶、垂直绿化都有很好的景观美化作用，同时有很好的实用性。我国西南喀斯特地区位于亚热带湿润气候区，春夏有非常好的雨热条件，适宜建设此类景观。

1.4 污染控制

喀斯特地区的水污染包括地面水污染和地下水污染2个部分。喀斯特地貌的地下水发育良好，地下水的水循环周期漫长，极易受到污染，重新恢复十分困难，因此在喀斯特地区建设海绵城市更需注意水污染的防治。

2 喀斯特地区海绵城市建设方法

2.1 绿色建设

植物具有良好的储水功能，能利用自身根部所储存的水自我供养，对水的调节功能极为强大。因此在海绵城市建设中，植物必不可少，绿色建设尤为重要。绿色建设包括建筑绿化、道路绿化、公园绿化、保水保土。

2.1.1 建筑绿化

建筑绿化也称为立体绿化，包括垂直绿化、屋顶绿化、树围绿化、护坡绿化、高架绿化等形式。立体绿化是海绵城市建设过程中不可缺少的一个环节。城市是一个人口密集，建筑物密集的地区，特别是城市中心区，几乎都是被建筑物所覆盖，此时应该从建筑物本身来入手，充分利用不同的立地条件增加城市绿化。由于城市建筑群密集，硬地面比松软的土壤和植被具有更强大的吸热功能，所以使得城市地区的气温普遍高于周边的郊区，这就是城市热岛效应。城市热岛效应增强空气对流，空气中的烟尘提供了充足的水汽凝结核，所以城市降水比郊区多。垂直绿化的意义就在于通过增加植物来调节城市的小气候，使雨水通过植物蒸腾作用在城市自然循环，因为雨水在降落到地面之前经过越多的植物的拦截和吸收就能更多地蒸腾进入大气或者被植物自身利用。虽然垂直绿化不但给人以视觉的美感，而且可以改善热岛效应，但是建设和维护成本过高，并且我国的垂直绿化技术还正在启蒙阶段，技术不稳定，目前垂直绿化在我国的普及还需要一段探索的时间。因此，深圳市的设计促进中心的黄伟文提倡选择屋顶绿化，他认为屋顶绿化效果更强，成本更低。绿色屋顶相较垂直绿化除了具有相同的优点之外，维护和管理也更为简单，技术也较为成熟，在欧美地区广泛应用于雨水径流的控制和建筑环境的改善。喀斯特地区具雨多地漏的特点，对喀斯特坡地6种不同土地利用条件下径流小区的地表径流，植被穿透雨量以及地下水出口水位的初步監测结果表明，6个径流小区地表径流系数均非常小，介于0.01%～12.81%，平均值为0.62%[6]。显然，喀斯特坡地的地表径流易于入渗并转化为地下径流。而《室外给排水设计规范》GB50014-2006中3.2.2规定，给排水设计屋面、混凝土或沥青路面径流系数取值为0.85～0.95。显然，硬化路面的径流系数比喀斯特自然地面大很多，这说明喀斯特的坡面降雨易被自然路面吸收，而硬化屋面不易吸收，喀斯特地区的自然地面很难留住雨。要将一定降雨量的雨水“留”下来，需加强“滞”方面的工程措施，增加雨水在城市内的流行时间，同时增加“渗”的功能和效果，缓解洪峰的峰值，降低内涝风险[7] 。研究表明绿色屋顶能阻滞大约63%的雨水[5]。植物是绿色屋顶的主要覆盖物，通过植物对雨水的截留、吸收作用以及土壤层对雨水的吸收作用，可以大大降低屋面雨水径流的流量和流速，且经过净化的雨水可以收集后回用[9]。

2.1.2 道路绿化

在我国一些先行的海绵城市建设中已将不透水性的路面更换成了透水性砖，虽然透水性砖以其高效透水，价格低廉的特点成为海绵城市建设过程中不可或缺的一部分，但是其也有弊端。人们对透水砖的偏爱，很容易造成透水砖的大量使用，而忽略未覆盖自然土壤面积大量减少的局面，造成城市自净能力大幅下降[10]。因此在海绵城市建设中，应当根据不同的场地和功能选择透水性铺设，如广场和停车场就可以选择嵌草砖，嵌草砖有助于雨水的下渗，加雨水植物蒸腾作用。在我国西南喀斯特地区可以选择抗旱、耐一定水湿、耐瘠薄、抗病虫害能力强、耐践踏、喜温暖湿润气候的结缕草。

2.1.3 公园绿化建设

在海绵城市的建设中应当对公园进行绿化建设，在公园绿化建设过程中，需要对原有自然环境进行保护。以森林公园为例，与天然林相比，人工纯林对防治水土流失的作用较为有限，如林相单一的人工阔叶林，降雨能在叶面形成较大雨滴，如果林下表土没有地被遮盖，则雨滴会对地表产生较强的击溅作用，从而导致表土层常被冲走 [11]。

治水之本在于兴林，在山区以农业生产为主，人地关系矛盾突出，而城市多是以第三产业为主导，在喀斯特地区的城市中，育林、育灌、育草的能力更大，在海绵城市建设的过程中应将公园作为城市生态建设的基地，将公园作为城市育林、育灌、育草的重要场所。如湿地公园的建设，湿地具有调蓄、削减洪峰、延长水流时间以及减慢缓流的作用，在海绵城市建设过程中需要保护湿地资源。湿地调蓄能力大小主要取決于湿地自身面积和容积，尤其是容积大小，实际可用于调蓄洪水的容积是指水位以上的容积，因此保护湿地资源刻不容缓。除此之外，在所有公园的建设中都应该做到让水自然循环，减少硬地面的面积，特别是不透水的硬地面，在公园的人行道和活动广场以及停车场应尽量选择嵌草砖。在公园绿化的过程中也要考虑建筑物的屋顶绿化，景观应营造出人与自然和谐相处的氛围。

2.1.4 保水保土

在城市化进程中，由于不当的生产建设方式，导致了植被遭到了破坏。由于植被破坏，土层变浅，雨水拦蓄能力降低、径流系数增大[12]。当暴雨自天而降时，大量雨水便夹泥沙直下江河，山洪爆发，造成水位急速攀升，洪灾势不可免[12] 。因此在海绵城市建设过程中，特别是在土层薄的喀斯特地区需要注意保水保土。在过去长江流域洪涝灾害治理的过程中开展了香根草生态工程，香根草在贵州喀斯特山区的水土保持工程中也有着非常显著的作用。香根草，别名岩兰草，是禾本科香根草属的一种多年草本植物，原产于我国南方、印度、巴西等热带亚热带地区，株高1.5～2m，杆茎挺直，直径约1cm。抗逆性好，耐旱，耐瘠，适应性广，根系纵深发达，能固持土壤。用香根草保持水土，可减少93%的土壤侵蚀和60%的地表径流[13]。虽然在海绵城市建设的过程中，不需要调节农田小气候，但是香根草的这些优点显然适用于海绵城市的建设。香根草生态工程并不是只种香根草，在开展香根草工程时，仍然会在草带间种植其他植物。由于受到绿篱带的保护，带间乔灌草藤植物都能安然生长发育，并最终和香根草建起一道坚实的“生物坝”[14]。在喀斯特地区建设海绵城市，应当将香根草生态工程应用于城市景观的构建。

2.2 灰色改造

所谓灰色改造，就是改造在建设海绵城市之前能基本实现污染物排放、转移、和治理但是并不能解决污染根本问题的基础设施，将灰色基础设施改造为绿色基础设施。

我国一些先行海绵城市已将不透水的路面替换成了透水路面。但是我国的透水路面目前多为自透水性混凝土路面。本世纪初的大量研究，以及早期透水路面工程案例都证明：自透水混凝土（砖）的透水路面，在铺装使用3个月，1a后就分别损失了70%，90%以上的透水性能，而且无法恢复[14]。喀斯特地区多为经济欠发达地区，海绵城市建设起步晚的喀斯特地区在积极吸取成功的经验同时避免犯相同的错误。

大多数喀斯特地区经济处于欠发达状态，基础设施建设落后，发达城市排水系统能完成基础的污染物的排放和转移，而喀斯特地区的地下排水系统陈旧老化严重、配置不完善甚至是瘫痪，难以完成污染物的排放和转移。因此在喀斯特地区进行海绵城市建设时应当对老城区的地下排水系统进行修复和改造，并在地下排水系统原有基础上增加过滤净化设施，削弱水污染。在新城区应配备中水和灰水回收利用的设施，缓解城市用水压力。在灰色改造的同时需进行蓝色建设。

2.3 蓝色建设

蓝色建设就是利用雨水资源的设施配套。海绵城市应注意水的生态平衡。因此雨水的排放也从无组织排放向有组织排放过渡。浙江嘉兴地区所有新建和改建的项目必须设置雨水径流污染控制设施，在雨水排放口末端设置物理处理及生态处理设施，削减雨水中的COD、SS等污染物。为了缓解城市的地下排水系统的负荷，可以利用集雨工程在雨水降落到地面未渗漏地下之前，拦集和贮蓄水资源。在降雨充沛的喀斯特地区可以利用屋面集雨，也可以借鉴同样有丰沛雨水资源的台北的经验在地面建设雨扑满系统。而集雨收集应当由以下6部分组成：集水区、输水系统、屋顶冲洗系统、贮水系统、配水系统、净化系统。还可以通过人工循环的方式促进水体的有利转化。由于包气带对污染物具有一定的过滤淋洗功能，当地表水流经包气带时，水体经过杂质吸附过程得以净化补充地下水，再采用抽排等措施将地下水回补地下水，采用这种人工循环方式，促进了水体的有利转化，最大限度地发挥水体的使用价值[15]。海绵城市是水弹性城市，需要输入水和输出水的平衡，因此可以尝试使用在西北干旱地区实验并取得显著成果的微型水库即抗旱保水剂，它在土壤中能将雨水或浇灌水迅速吸收并保住，并使其变成固态水而不流动不渗失长久保持局部恒湿，干旱时缓慢释放供植物利用。但是由于其主要应用于土地荒漠化治理，未在喀斯特地区使用过，所以仍待进一步研究。

2.4 智慧化建设

海绵城市建设主要考核标准是年径流控制率，健康的水循环还需要检测水质，建设过程中急需引入现代信息技术。现代信息技术在信息的监测、收集、整合、分析、模拟、优化等方面有着传统技术不可比拟的优势[16]。现代模拟、分析、监测的信息技术对海绵城市规划起着重要的作用。喀斯特流域的水文情况十分复杂，地下水情况难以进行人工观测，枯水期、平水期和洪水期的水文情况不同，且流量对降雨有一定滞后性，更需要现代信息技术的帮助。当前我国海绵城市的建设主要着眼于工程建设，而忽略了海绵城市的管理，导致后期维护工作难以开展。而智慧海绵城市运用以物联网、云计算、大数据为核心的新一代信息技术来感测、分析、整合城市各项信息，作出快速、智能响应，实现城市内和城市间在智慧技术支持下的跨越时空的物与物、人与物、人与人的网络数字信息联系，使各类资源的效能最大化和最优化，为居民创造更美好的城市生活[17]。

3 结语

海绵城市是一种理念，每一种海绵城市的模式都只能为建设海绵城市提供一种意见，而不能生搬硬套。当前我国的海绵建设不缺乏理论指导，而是缺乏精细化的理论指导，本文也仅仅是探索了喀斯特地区的海绵建设的方向。而且真正建设好海绵城市需要的是絕非仅仅是定性的理论指导，海绵城市面临的是实际操作过程，在实际操作过程中定量的技术指导非常重要。以我国当前已经正在逐步普及的透水性路面来说，关于透水性路面铺装后的后续观察测量的工作极少。且目前海绵城市较为发达的国家已经完全弃用自透水混凝土，他们主要使用的是砖缝隙透水为主的结构。对于砖缝隙透水的透水路面结构，则不但规定了缝隙内材料（砂子）的具体粒径等性能要求，还提出定时真空吸出清洗后回填的日常使用维护措施，以保证这种结构形式透水路面的透水性能可长期保持[18]。而我国对于海绵城市建设中的操作细节量化并不精准，对于海绵城市的维护工作关注度较低。如雨水收集时应当有雨水弃流过程，雨水弃流需明确不同条件下径流污染物的冲刷规律，为非点源污染控制及雨水利用系统中应用初期弃流方式[19]。但是我国在雨水收集方面所做的量化不足，应用也较少。同时，现在我国的海绵城市的理论大多参考来自国外的经验，但是喀斯特地区具有独特的水文特征和地质地貌特征，在海绵建设的过程中应当摸索属于自己的特色道路，在理论指导结合实际情况的探索下一定会卓有成效。

参考文献

[1]黄理辉.区域再生水资源循环利用[M].山东：山东大学出版社，2014.

[2]郑昭佩，宋德香.山地城市建设的对策研究—以济南市为例[J].生态经济，2016（11）：161-164.

[3]鹿建.海绵城市建设的内涵意义与途径[J].山西建筑， 2015， 41（26）：15-16.

[4]张殿发，欧阳自远，王世杰.中国西南喀斯特地区人口、资源、环境与可持续发展[J].2001，11（1）：72-81.

[5]罗应东.贵州省海绵城市建设的必要性及特点分析[J].低碳世界， 2016（15）：151-152.

[6]彭韬，王世杰，张信宝，等.喀斯特坡地地表径流系数监测初报[J].地球与环境，2008，36（2）：125-129.

[7]罗应东.贵州省海绵城市建设的必要性及特点分析[J].低碳世界， 2016（15）：151-152.

[8]Michael E.Dietz，Low Impact Development Practices：A Review of Current Research and Recommendations for Future Directions[J].Water，air，and soil pollution.2007（1- 4）；351-363.

[9]李琳璐，张德顺.基于低影响开发的绿色基础设施的植物选择[J].山东林业科技， 2014（6）：84-91.

[10]关卓今.海绵城市建设的内涵意义与途径[J].中国水利，2016（10）：4-8.

[11]徐礼煜，夏汉平.长江流域的水土流失与香根草生态工程.许厚泽，赵其国.长江流域洪涝灾害与科技对策[C].北京： 科学出版社， 1999：158-162.

[12]马毅杰，董元华.面对洪水威胁的反思：三峡库区及上游地区生态环境建设刻不容缓.许厚泽，赵其国.长江流域洪涝灾害与科技对策[C].北京：科学出版社， 1999：158-162.

[13]徐礼煜，夏汉平.长江流域的水土流失与香根草生态工程.许厚泽，赵其国.长江流域洪涝灾害与科技对策[C].北京：科学出版社， 1999：158-162.

[14]杜建东.我国海绵城市建设目前缺乏必要的技术支撑[J].建筑砌块与砌块建筑，2015（4）：2-4.

[15]董增川，胡文杰，梁忠民.城市人工水体综合效应与调控[M].北京：科学出版社， 2008.

[16]李运杰，张弛，冷祥阳，等.关于智慧化海绵城市的探讨与展望[J].南水北调与水利科技， 2016， 14（1）：161-164，171.

[17]谢华林.智慧海绵城市方案设计[J].全文版（工程技术），2016（62）：145.

[18]杜建东.我国海绵城市建设目前缺乏必要的技术支撑[J].建筑砌块与砌块建筑.2015（4）：2-4.

[19]车伍，张炜，李俊奇，等.城市雨水径流污染的初期弃流控制[J].中国给水排水.2007，23（4）：1-5.