海绵城市规模优化研究进展

李翠梅，丁 录

（苏州科技大学 环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009）

为适应经济的快速发展，我国改革开放40年来，城市建设速度和水平一直领先于世界各国，城市建设规模之大、城镇化速度之快，是其他国家无法相比也基本无法实现的。从卫星地图上可以看出，各个城市市域面积至少翻了一番，中心城区面积也至少扩大了2～3倍。以苏州为例，伍子胥建造的苏州古城区面积及周边不足40 km2，现在的苏州中心城区（含苏州工业园区、苏州高新区、相城区、吴中区、吴江区）的面积至少有540 km2，是伍子胥造城时的11倍左右，是改革开放前7～8倍，可见城市建设发展的规模之大和速度之快。

社会经济持续快速发展，给城市水生态系统带来了严重的问题，主要表现为水污染严重加剧、水环境面积缩减。国家水利系统对全国103个湖泊调查表明，全年总体水质达到Ⅰ类～Ⅲ类标准的仅有23个，占调查湖泊总数的22．33%，监测结果为Ⅳ、Ⅴ类水质标准的有55个，占调查湖泊总数的53．40%，监测结果为劣Ⅴ类水质标准的有25个，占调查湖泊总数的24．27%；同时，全国有一半左右的城市地下水污染较为严重[1-3]。另有研究表明，城市化程度较高的城市，降雨径流中化学需氧量（COD）含量较高，根据有关学者对上海、北京等地的调研表明，在排入城市地表水环境的COD总量中，地表径流提供的COD含量超过30%[3-4]。在传统的城市发展模式下，水环境逐渐遭到污染，水生态平衡逐渐被破坏，生态问题也日益突出[5-6]。

研究表明，降雨径流污染是水环境遭受破坏不可忽略的因素之一[7-8]。在城市化进程中，城区面积的扩张、土地利用类型的变化等都会影响城市地表的透水性，渗透型下垫面逐渐减少，汇水面积逐渐增大，从而导致城市降雨径流量大幅度增加，缩短雨洪峰值到来的时间[9-11]。与此同时，城市非点源污染问题的日益加剧增加了城市地表的污染物累积量[12-14]，降雨径流在汇至雨水管网的过程中不断冲刷地表汇聚的大量污染物，将这些污染物带入城市水体破坏水环境。大量研究数据显示[15-17]，在降雨径流初期，径流中通常会携带大量的污染物，形成初期冲刷效应，主要原因是相对于径流中后期而言径流初期的污染物总量和浓度都有一个较高的峰值，而初期冲刷效应的发生往往会使城市水环境遭到严重的威胁。因此，大量的雨水监测和模拟研究都曾针对雨水径流初期各种高含量污染物进行了控制与削减。但是，由于初期雨水污染面广量大，碎片化的措施无法从根本上解决系统的污染问题。同时，我国200多座城市近年来内涝问题突出，如何彻底解决雨水问题成了焦点，海绵城市建设势在必行。

2013年11月9日，习总书记在《关于〈中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定〉的说明》“山水林田湖是一个生命共同体，人的命脉在田，田的命脉在水，水的命脉在山，山的命脉在土，土的命脉在树。用途管制和生态修复必须遵循自然规律。”2013年12月12日，在北京召开了中央城镇化工作会议，习近平总书记再次指出：在提升城市排水系统时，要在顺应自然的基础上，优先考虑把城市有限的雨水留下来，优先考虑利用自然力量排水，建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”。

至此，党和国家从战略高度指明了解决城市雨水问题的根本途径，进行海绵城市建设就是要把城市内涝和水环境污染作为一个整体来考虑，对城市的生态系统进行再构造，为进一步增强系统弹性，将绿色基础设施与灰色基础设施有机结合，建设新型的生态城市，增强系统的自然积存、自然渗透、自然净化能力。

海绵城市作为可以建立更好的城市水生态系统的一种有前景的策略而被提出和贯彻[18-20]，是目前我国城市水环境保护和可持续发展雨洪管理的新概念[21-22]，它是基于模拟自然水文条件原理，采用源头控制理念，以传统雨水系统改造为起点，以LID（Low Impact Development）为主导[23-26]，实现雨洪综合管理和利用。

2015年4月，我国财政部、住房和城乡建设部及水利部联合发文，公布了首批的16个海绵城市建设试点城市，其分布图如图1所示。海绵城市的建设，可以更好地控制雨水径流，解决城市内涝问题，有效削减径流污染，改善水环境，提升城市各类生态系统功能，提高水资源保障能力。不少研究都曾针对不同的研究区域，构建相应的雨水管理模型，以模拟出的不同LID措施的水文水质效果为目的，通过多方案比选确定适合所研究区域的海绵城市措施，以实现经济、社会及环境整体效益的最优化[27-29]。

图1 海绵城市试点城市分布图

然而，海绵城市的建设可以通过更有效率的方式去实施。起初，设计海绵城市措施时更着重于减少雨水径流量、避免洪涝灾害，遵循能够更好吸收雨水从而减少地面积水的重要准则。后来，建设海绵城市时逐渐考虑到降雨径流污染对受纳水体和城市水环境带来的巨大破坏，以径流量控制率和径流污染削减率为综合规划目标。但相关理论研究和工程实例大都是基于其对整个径流过程的水文水质改善效果去设计海绵城市LID规模的，并未考虑到污染物浓度较大的径流初期在整个雨水径流污染过程中的特殊性，因此，利用LID技术缓解初期雨水冲刷效应的效率还有待进一步提高。

在降雨径流的淋溶及冲刷作用下，城市地表径流、农药化肥的大量使用、农村牲畜粪便、土壤侵蚀、林木采伐等诸多活动中产生的污染物扩散性地进入到水环境中，形成降雨径流污染。自20世纪60年代起，降雨径流污染开始受到发达国家的关注。而到20世纪70年代后，随着点源污染控制程度的提高，越来越多的人开始从不同的角度认识降雨径流污染问题，相应的管理措施和控制技术被提出，研究建立降雨径流模型。20世纪80年代初，我国开展了全国范围内的湖泊、水库富营养化调查和河流水质规划研究，也开始关注和研究城市降雨径流污染问题，由此展开了对降雨径流污染的相关研究。近几年，通过海绵城市建设的提出，降雨径流污染的研究和控制工作也取得极大进展[30]。

1 国外研究现状

自20世纪以来，生态城市的雨洪管理研究得到许多人的重视，城市雨水管理发展呈现多样化趋势，制定出了许多降雨径流污染控制管理措施。1972年，美国通过了“污染控制修正案”，开始推行“最佳流域管理措施（Best Management Practices，BMPs）”来控制洪峰流量和污染物，达到治理城市水资源面源污染的目的[31-33]。BMPs是一个或几个措施的组合，被美国EPA定义为“任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作和维护程度”[34]，在设计时要求切实可行的措施来使水质达标。其中，BMPs的工程性措施主要包括人工湿地、入渗沟、渗透性路面、滞留池、雨水罐等，用以增强地表渗透性、减缓径流流速、延长径流路程，从而控制地表径流，而非工程性措施的操作和维护程序主要指通过政策法规和规章制度的建立健全，以及BMPs知识的广泛宣传来约束人们的行为，以达到更好的管理和维护已建成的BMPs工程设施的目的。随后，美国又提出了基于微观尺度的“低影响开发（LID）”模式[35]，即通过分散式的调控设施，维持自然水文功能，可滞纳并蓄渗区域内90%的地表径流，净化其中70%的悬浮固体，在充分回补地下水的同时，能够达到缓解地表径流、净化径流水体的作用，最终保护城市水环境，节约资源和能源。主要包括下凹式绿地、生态植草沟、生物滞留设施、绿色屋顶、渗透性路面等具体措施。LID模式可以充分开发雨水的调蓄容积，适用性较强，运行维护简单，同时可以美化景观环境，节约成本。

澳大利亚提出了“水敏性城市设计（Water Sensitive Urban Design，WSUD）的方法以解决城市雨水净化与回收利用问题[36-37]。此方法基于城市设计与规划的角度，主要包括不透水河道的改造、自然透水河道的建设、雨水集水箱的利用、涵水景观的规划、绿色屋顶的设计等多种非结构性设施，规划过程中减少了对传统排水的依赖，可以在不同的时间和空间尺度下模拟城市雨洪管理计划下的地表雨水径流过程，也能定量评估雨洪管理工程的水量水质指标以及经济效益，致力于保护城市水环境改善、确保水质安全，提高居民生活质量。

英国推行了“可持续性城市排水系统（Sustainable Urban Drainage Systems，SUDS）”的雨水管理模式以缓解城市内涝、同时实现雨水的回收利用[38-39]。此方法注重对地表水和地下水的可持续管理，具体工程措施有地表渗透性路面、渗塘、干/湿塘、受控雨水口、小型水库、地下渗渠等，综合考虑三个方面的生态经济效益，分别是城市降雨径流量、地表径流水质、环境生态性。开发雨水系统的自然排水功能，减少对传统排水方式的依赖，实现对雨水径流的源头吸收、过程管控、末端调蓄的全方位管理，强调了人与自然的可持续发展。

德国在类似“海绵城市”的规划建设中提出了“水的可持续利用理念”，致力于实现排水的零增长[40]。此方法在保证供水安全的基础上，借助可靠的技术发展径流雨水的综合管理和回收利用，其雨水管网系统对城市地表的径流处理包括源头控制、中途转输、末端调蓄三个主要过程。德国利用其发达成熟的地下管网系统、先进可靠的雨水综合管理方法和规划完善的城市绿化用地建设有效解决了地面积水问题、地表径流污染问题、雨水回收利用问题，实现了城市水生态系统的良好建设，其开发后的水文特征也趋近开发前的自然条件。

新西兰基于水敏性城市和低影响开发设计理念，借鉴了两者的特点，开始逐步倡导“低影响城市设计与开发（Low Impact Urban Design and Development，LIUDD）”的雨水管理模式[41]，实现对雨水的综合管控功能和效应；日本也提出了雨水贮存渗透等相关措施，实现雨水的净化和回收利用。面对城市中出现的不同类型的雨水管理问题，国际上很多国家和地区都采取了相应的雨洪管理技术措施，其理论和方法都趋于成熟，相对于传统的雨水快排模式而言，生态性的雨水综合管理方法更经济高效，也都能在一定程度上有效地解决城市地表径流污染问题。

2 国内研究现状

20世纪80年代，我国开始对降雨径流污染进行深入的研究，由于诸多条件的限制，研究仅仅局限在径流污染的宏观特征及污染物负荷的定量计算方面，并没有形成相应的完善的体系。20世纪90年代以后，针对降雨径流污染管理措施和控制技术的相关研究和理论方法逐步被提出。2012年4月，在《2012低碳城市与区域发展科技论坛》中，首次提出了“海绵城市”的概念。海绵城市是中国特色城市雨水管理，也是一个综合性的开发平台，核心是构建跨尺度的水生态基础设施，同时通过构建区域性城市防洪体系和绿色出行网格、保护生物多样性、恢复栖息地等措施综合解决洪涝、干旱、水体污染等一系列城市问题。海绵城市的主要特征是自然积存、自然渗透、自然净化，LID作为从源头上实现雨水控制与利用的一种管理措施，能很好的实现这个目标，因此海绵城市的建设主要以LID的规划设计为主导。

从我国海绵城市建设的规划指导和相关文献中可以看出，海绵城市的建设是集综合性多样性全方位为一体的生态建设，住建部指出其建设主要包括三个方面，分别是生态系统的恢复和修复建设、生态系统的保护建设以及低影响开发建设。粟杰文等研究学者指出，海绵城市的规划建设必须要遵循自然开发和生态利用的原则，即以自然水文条件为基础，减少对原有城市下垫面的改造，落实开发城市中的透水性道路、绿化、排洪防涝工程等各系统的建设[42]。王国荣等学者研究认为，LID建设的主体工作是针对城市内的绿化用地、水系湿地以及道路广场等进行规划设计[43]。鞠茂森等人研究指出，海绵城市的建设首先要以政府为主导，其次是要增加相关审批环节并加强力度，与此同时，资金投入模式最好选用政府和社会资本合作（Public-private Partnerships，PPP）的方式，且需要增加配套的财务管理环节；海绵城市建设过程中，可以通过奖励机制鼓励还未进行相关建设的城市，也可以通过一系列宣传推广活动动员社会全体成员加入其中，同时可以适当争取国际范围内的合作[44]。

海绵城市虽然在近几年才被提出，但其折射出的水资源管理理念早已在历史建筑和工程实例中得以应用。例如，金朝时期建造的团城位于北京市北海公园内，其地面铺设所采用的倒梯形青砖之间均保留了缝隙以便雨水下渗，其中，部分青砖还设置了孔洞，雨水可以通过孔洞进入地下涵洞，从而达到排放雨水的目的；古代扬州构造的水系格局贯穿整座城市，除了为应对湿润多雨的气候外，更主要是方便地表径流快速通过受纳水体排除。而如今，关于海绵城市建设的系统性研究工作正在逐步开展。

我国关于海绵城市的研究工作涉及领域较广泛，包括公共建筑、广场、生态保护区、住宅、城市新建城区、公园绿地等，研究范围在逐步扩大，与此同时，研究内容和研究成果也在不断丰富。王晓昌等研究学者将海绵城市的LID建设理念应用于深圳市某体育中心，通过体育中心的SWMM雨水管理模型模拟出的水文水质数据，评估LID措施的雨洪管控效果，结果显示LID的应用使得体育中心的年径流总量得到一定控制，径流污染也得到一定削减，改善效果明显。王思思等人通过研究总结并编制了适用于嘉兴市的分散式雨水控制利用技术，其研究结果为LID雨水系统的建设管理以及规划设计提供了参考依据。陈文立等充分利用海绵城市的建设理念，针对湿陷性黄土地区某小区的雨水系统进行了相关规划实践，遵循从源头控制的原则，通过一系列措施减缓了小区雨水管网的排水压力，同时也减少了地面积水量，降低了小区内涝发生的几率。此外，海绵城市的设计理念也逐渐运用到越来越多的城市建设中，涵盖的范围较广。除了已有的工程应用和建筑设计外，当前正在推行的试点城市建设也在为今后全国范围内的海绵城市建设提供借鉴与参考的价值，促进海绵城市向更先进的方向发展。对于影响城市水环境和水生态系统良性发展的城市地表径流污染问题，也可以通过一系列海绵城市措施来改善和处理。

目前，国内外针对降雨径流污染问题所提出的管理措施和控制技术都有较好的应用。然而，海绵城市措施大都是基于整个降雨径流过程去设计其规模的，不一定能很好地应用于污染物浓度相对较高的初期雨水径流。如果初期雨水水质不能得到改善，那整个径流过程的雨水水质也很难得以提升，因此，初期雨水径流污染控制是整个雨水径流污染控制的关键。要想更好地应用海绵城市，更大限度地缓解降雨径流污染，在合理规划的基础上设计出能高效缓解雨水径流初期冲刷效应的海绵城市LID最优规模是十分必要的。

3 海绵城市规模优化研究趋势

海绵城市LID的规模大都是基于整个径流过程去规划和设计的，如何基于雨水初期径流过程优化LID规模以提高初期污染物的去除效率，探索改善径流初期水质、避免发生污染物初期冲刷效应的LID最优设计规模，缓解径流污染问题，成为当前海绵城市研究的新趋势。

城市初期雨水污染物来源主要是地表积累和径流冲刷。在旱期形成污染物的储备和增长，在降雨期，积累污染物随地表径流汇集至雨水管网而后排入受纳水体。此外，城市地表径流污染的其他来源，包括大气降尘、城市下垫面改造以及雨水系统。

地表累积污染物主要来源于施工现场建材废弃物、城市居民生活垃圾、大气颗粒物沉降、机动车辆尾气污染等，各种污染组分以不同的状态积聚并附着于城市地表，为城市地表径流污染的发生埋下了隐患。

城市地块不同类型的功能区和下垫面所对应的地表污染物类型也不相同，而污染物的类型也决定了径流污染的危险程度。城市地表不透水性部分主要由道路、屋顶、广场、停车场、厂区等组成，透水性部分主要包括绿地、公园、低密度居住区等，而不透水表面的污染是雨水径流中主要的污染源。城市道路作为不透水地表的主要下垫面类型，其污染源更是影响降雨径流污染程度的主要因素。Ellis和Kobringer等学者在对路面降雨径流的相关研究中提到：路面径流中携带的污染物以固体颗粒物SS为主，其污染来源主要包括大气干湿沉降、冰盐的使用、运输物的泄露以及轮胎的磨损等[45-47]。

在城市化的进程中，大气污染日益严重，湿沉降的作用也越来越明显。据统计数据表明，30%以上的国土面积遭受酸雨侵蚀，50%的城市降雨平均PH在5．6以下。更有Whipple W等人的研究结果显示：城市屋面雨水径流中，降雨作用带来约25%的S、N和5%的P含量；城市道路及广场的雨水径流中，降雨作用带来的S和P比例分别约占40%、13%，而N比例几乎占100%[48]。此外，在雾霾天气不断恶化的今天，大气干沉降作用下带来的污染物含量和种类也逐渐增多，增加了对城市水环境的威胁。

城市地表径流伴随着污染物的迁移转化，在整个降雨径流过程中，径流污染物与地表径流并不是始终按固定比例进入地表水体的，初期雨水径流污染物浓度明显高于后期，对受纳水体造成严重的污染，对城市水环境造成一定的影响，此类现象称为污染物初期冲刷效应，也是污染物冲刷的独特现象。

目前，污染物的初期冲刷效应主要针对一些常规污染物展开研究，通常包括悬浮固体颗粒物SS、化学需氧量COD、生化需氧量BOD、氮元素、磷元素、部分重金属物质等污染指标。城市地表中，易发生污染物初期冲刷效应的区域主要是不渗透性下垫面，包括道路、广场、屋顶、停车场、厂区等，而渗透性下垫面的土壤层通常对雨水径流有一定吸收作用，同时也能不同程度地削减径流污染负荷。降雨事件发生时，污染物的初期冲刷效应一般只基于某一场降雨事件或某一个降雨过程而产生，但Soller和Lee等研究学者发现，季节变化对城市雨水径流水质影响很大，但前提条件是要处于一些特定的气候环境下[49]。

关于初期冲刷效应的定量识别方法，Lee等提出了初期冲刷系数b的概念[50-51]，定量计算45°对角线与无量纲累积M（V）曲线间的平衡距离，b小于1的情况下则表明发生污染物的初期冲刷，b大于1，则表明没有发生初期冲刷效应。另有很多研究学者通过计算初期冲刷率MFFn的大小来判断初期冲刷效应是否发生，其含义明确且计算方法也相对简便。不少学者利用MFF20/40来判定[52]，即径流过程前20%的径流量中若含有超过40%的污染负荷量，则表明发生初期冲刷效应；也有学者通过MFF25/50来判定，即若前25%的径流量中携带了50%以上的污染物则表明发生了污染物初期冲刷效应；此外，还有不少研究利用MFF20/80、MFF30/80来作为初期冲刷是否发生的判定依据。Saget、Bertrand-Krajewski曾在多场降雨径流事件中利用MFF30/80的标准来判断污染物初期冲刷的发生与否，结果表明，极少有地表径流过程发生过初期冲刷效应，这主要是MFF30/80的评判标准过于严格[53-54]。因此，针对初期冲刷效应进行的相关研究中，利用合理的判断标准能提高研究成果的准确性和可靠性，对径流污染物的高效控制具有指导意义。

4 结语

目前，海绵城市的建设在我国正在大规模开展，政府将海绵城市建设纳入国家绿色发展的战略框架，为城市建设投入了大量的经费，且所采取的措施通常以总的径流控制率和污染物消减率为考核指标，缺少针对海绵城市最优规模和关键性指标的研究，尤其是针对初期雨水冲刷过程的最优规模控制研究较少，建议海绵城市系统规划与设计的过程中，应增加最优规模相关内容和避免雨水冲刷的关键性指标，最大限度的发挥控效果，促进城市的可持续发展。