浅议构建海绵城市建设系统的技术要点

海 霞，王久振，李艳艳，王 鹏，朱学虎，雷克刚

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300100;2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030)

1 概述

自2013年首次提出建设“海绵城市”以来，无论是在政策鼓励、制度创新，还是建设理念、规划引领、工程试点等方面均取得较大进展。几年来，受益于中央政策和财政资金的大力支持，30个国家海绵城市试点、近百个省级海绵城市试点先后开展了规划与建设工作，探索建设机制和运营模式，一大批“海绵小区”、“海绵道路”、“海绵公园”初具规模，成效显著。“绿色、生态”的城市开发建设理念已深入人心，这不但在国内引起社会的广泛关注，而且在国外也产生了很大影响[1-2]。文章结合海绵城市规划设计与实施经验，本着系统解决城市错综复杂的涉水问题，分析海绵城市建设方案中几个关键系统以及彼此之间的衔接，提出系统分析、统筹建设才是实现海绵城市建设多目标的有效途径。

2 海绵城市建设系统分析的必要性

实现海绵城市建设多目标，需要做到科学地、系统地、合理地、定量地分析确定水量水质和生态特征指标[3]。针对城市内涝、水污染等多重水问题，需要因地制宜地选择工程设施位置与规模，同时将具有单一功能的工程设施合理组合，以实现水量、水质、生态控制等指标的全面达标，以下就海绵城市建设系统分析的必要性做几点分析：

1)系统分析是对海绵城市专项规划的深化和补充

海绵城市建设工作推进速度相对较快，短时间内完成的海绵城市专项规划，其核心在于指标分解，在如何系统解决问题方面考虑不足。

2)系统分析是实现各系统之间有效衔接的前提

海绵城市建设牵扯水安全、水环境、水资源和水生态等多个系统，需要统筹分析水质与水量、生态与安全、分布与集中、绿色与灰色、景观与功能、地上与地下、岸上与岸下等各方面的协调关系[4]，同时还需考虑城市原有或正在编制的相关专项规划之间的衔接问题，尤其是城市竖向系统和各涉水专项规划之间的关系。

3)系统分析可为海绵城市智慧管控提供数据支撑

海绵城市建设系统分析一般会体现区域内相关实测数据和数学模型模拟数据，且要求将实施、运维、管理等全过程的实时监测数据、优化调度数据和动态管控数据进行实时反馈，以便及时进行方案优化与调整。将全生命周期内的多种数据集成化处理，为海绵城市智慧管控提供准确的数据支撑。

4)系统分析是统筹海绵城市建设有序开展的要求

海绵城市是一个包含很多系统的大系统，是一个跨学科、跨专业、跨部门的整体[5]，其建设需要根据区域城市建设发展计划、经济能力、现场实施空间条件等综合因素，经过严密论证，制定科学合理的建设分期计划和时序，这也是影响海绵城市建设综合目标实现的关键因素。笔者认为，海绵城市建设应以至少包含源头、过程和末端的一个完整的排水系统为基本单元进行实施，是实现逐步降低内涝风险、提高水资源利用率、控制污染排放等目标的有效途径，同时应进行精准地量化分析，并统筹好每个排水分区间水量和水质的衔接关系，进而达到直观地预评估每个实施单元对实现区域海绵城市建设综合目标的贡献率。

3 海绵城市建设系统分析的技术要点

3.1 道路及竖向系统

城市竖向系统是划定排水分区、确定行泄通道、组织雨水径流排放和设计排水管渠的依据[6]，对城镇内涝防治起着至关重要的作用，也是影响源头减排设施(LID设施)利用率大小的关键因素。海绵城市建设中应特别注重城市竖向设计，充分研究城市道路标高和场地竖向。合理的竖向系统可大大降低甚至避免城市内涝积水的发生[6]。笔者认为随着城市开发建设进程的加速，因各种不可抗拒因素或者其它人为因素的影响，城市竖向系统也应随之做出更合理的调整，与之相关的规划也应适时进行调整或修编。

在进行下沉式绿地、植草沟、雨水花园、小型湿塘等源头减排设施设计时，应注意两方面的竖向问题。一是建设地块“外部”的竖向问题。要实现建设地块对雨水的蓄存、渗滞或传输功能，必须保证建设地块相对于周边其他地块具有合理的高差，充分利用高程较低的地块优势，将周边雨水蓄存和净化；二是建设地块“内部”竖向问题，合理的竖向设计是保证源头减排设施利用率较高的前提条件。如固原市九龙公园设计中，有效利用地块高低起伏的特点，在地块内布设LID设施，用植草沟将雨水花园和小型湿塘紧密连接，实现雨水传输、蓄存。

3.2 城市排水系统的构成

传统城市排水系统主要是指市政排水(雨水)管渠系统。随着城市开发建设过程中愈演愈烈的内涝现象的出现，住建部提出城市内涝系统，2013年又提出了海绵城市建设理念，至此，城市排水系统包括从源头、过程至末端的四大系统。本文将源头减排设施(LID设施)定义为微排水系统，传统排水(雨水)系统称为小排水系统，行泄通道、大型调蓄池等防涝设施定义为中排水系统，河、湖、沟等末端水系定义为大排水系统(见图1所示)。另外，溢流系统是四大排水系统之间的连接纽带，承上启下，验证各系统在竖向上的合理性。四大排水系统是一个即相互独立又相互衔接的整体，不仅仅包括“排”，也包括一切可起到削峰减峰的方式和措施，其本质区别在于设计标准、针对目标、具体形式和设施种类的不同，在海绵城市建设中，需要其共同作用，提高城市预防暴雨灾害的能力。

图1 城市排水系统组织示意

3.2.1微排水系统分析

微排水系统是指由源头减排设施组成的排水系统。旨在实现年径流总量控制率、雨水资源利用率、年SS控制率和水态系统修复等目标。该系统没有固定的计算标准，以各区域的径流总量控制率对应的设计降雨量作为设计依据，主要控制占全年80%～90%左右的中小降雨[3]。在源头有效减轻市政排水管渠系统的排水压力，需要注意的是该系统与市政雨水管网系统在竖向上的合理衔接。

1)“海绵道路”系统中的微排水

采用新型材料或技术从源头缓解道路排水问题，结合道路规划设计条件，如果道路红线范围内没有充足的绿地空间发挥雨水的滞、蓄作用，人行道可采用全透水型铺装，超过下渗能力的雨水可沿人行道流至路面。在湿陷性黄土等不适宜采用下渗材料的区域，可采用表面透水的人行道，经表面净化后的雨水通过人行道雨水导流口排到路面，超标雨水作为客水排入下游地块，或者通过雨水篦子进入市政雨水管网；如果道路红线范围有足够的绿化带，可按照绿地承接道路雨水原则，结合道路的横坡方向，将绿化带或隔离带设计为下沉式绿地(具体设施类型以实际项目为准，下同)，根据实际地形，隔段可设计小型挡水堰，增加滞、蓄空间，同时设计路缘石开口，将道路雨水导入下沉式绿地，达到年径流总量控制率目标。

2)“海绵小区”系统中的微排水

随着生活水平的不断提升，人们对于住宅小区的环境要求也越来越高。因此，在小区的规划建设中，除了满足人们日常居住需求的相关基础设施之外，还需考虑居住环境，“海绵小区”应运而生。建筑小区屋面雨水径流通过雨落管进入雨水罐(第二批海绵试点城市固原市做法)或经消能净化处理后引入绿地内以渗透和储存为主要功能的LID设施(第一批海绵试点城市西咸新区做法)，小区道路适当采用透水型(或半透水型)铺装，其雨水径流通过盲管或地表有组织的汇入下沉式绿地，最后经过设施内部的溢流口溢流至市政雨水管网。这无疑实现了从源头地块有效控制雨水径流，起到缓解市政管网排水压力的作用，同时还可改善住宅环境条件。根据年径流总量控制率、雨水资源利用率等指标要求，也可在小区内部或外部设置模块化调蓄池，可以提高水资源利用率，用于绿化浇灌、景观用水等，缓解局部区域水资源供需矛盾[7]。

3)“海绵公园”系统中的微排水

公园绿地面积较大，地形高低起伏，形态多样，天然渗透力极强。将“海绵城市”的理念运用在公园建设中，打造能吸水、净水、蓄水的最优“海绵体”。公园内部主要采用以植草沟为主要形式的生态排水方式，合理运用微地形、传输型植草沟将下沉式绿地、雨水花园、湿塘等多种LID设施连接，形成丰富多彩的“片状海绵”。

3.2.2小排水系统

小排水系统即为传统排水(雨水)系统。包括传统雨水管渠、暗涵、提升泵站等，主要以当地短历时暴雨强度公式为计算依据，一般承担重现期为1～10 a的短历时暴雨[8]。除了具有其原有功能之外，还有承接微排水系统中溢流雨水的作用。在海绵城市建设中，保证市政雨水管网与LID设施中溢流系统的竖向衔接顺畅合理尤为重要，换言之，微排水和小排水系统之间科学合理的竖向关系是实现暴雨期间削峰错峰效果的决定性因素。

3.2.3中排水系统

中排水系统主要包括城市行泄通道和排涝设施，由“排”和“蓄”两部分组成，其中，“蓄”主要起到消峰减峰的作用。该系统主要功能是承接超过微排水系统和小排水系统设施消纳和传输能力的雨水径流，是保证城市不发生内涝的最后屏障。以近30 a最大24 h统计降雨量作为计算依据，意在解决小排水系统标准以上、内涝标准以内的地面积水。

在海绵城市建设中，为了减小暴雨期间下游管网排水压力，降低末端受纳水体防洪压力，减小区域内涝积水，一般可考虑将公园定位为具有一定水面的雨洪公园，遇到多年一遇暴雨时，可利用常水位和最高水位之间的巨大调蓄空间来减轻下游区域的洪涝灾害[9-10]。

3.2.4大排水系统

大排水系统是指河、湖、沟等末端水系，是城市排水系统的最后一道防线，是“兜底”工程。通常以河道防洪标准(如20年一遇)作为计算依据。如果城市河道或湖泊等末端水系现状已经达到设计标准，为了保证上游雨水能够顺畅排入，则可以此为依据进行逆向设计城市排水管渠或行泄通道。一般习惯是根据现状地形和道路竖向等进行排水管渠和行泄通道的正向设计，校核末端水系设计标准工况下的水位和排口水位关系是保证城市不发生倒灌必不可少的工作。

3.3 水资源利用系统

提高水资源利用率是海绵城市建设的核心目标之一。调查发现，目前国内大部分城市雨水、再生水等非常规水资源利用率不高，绿化灌溉、道路浇洒等均使用自来水，导致水资源严重浪费[11]。从城市整体用水角度出发，综合分析区域水资源整体情况、降雨量和蒸发量、用水需求、经济状况等因素，确定提高城市雨水资源利用率的必要性和需要利用的雨水量，同时结合海绵城市建设，分析确定可建设雨水收集利用设施的的空间位置，最终确定雨水资源利用指标。分析国家两批试点海绵城市建设情况，雨水资源利用率基本可达到2%～20%，如大连庄河雨水资源利用率为10%，厦门雨水资源利用率为2%，玉溪雨水资源利用率为5%，这无疑是提高城市非常规水资源利用率的一次千载难逢的机会。

3.4 污染控制系统

因降雨径流的淋溶和冲刷，大气和地面污染物通过地表和管网进入水体造成水环境质量下降。海绵城市建设中，面源污染主要通过透水道路、植草沟、雨水花园、人工湿地等LID设施进行控制，每种设施的控制程度均不一样，如透水道路对Cu、P和Zn等重金属的去除率约为81%[12]，这是传统沥青路面无法实现的功能。雨水花园对总磷的去除率约为70%～85%[13-14]。目前，我国对于径流量及其水质监测系统缺乏研究，尚未建立与之相匹配的技术和法规体系[15]。点源和内源污染控制，主要采用技术与传统处理方式差别不是很大。海绵城市建设中，发现合流制溢流污染现象更加突出，根据区域实际情况，主要采用清污分离、雨污分流、末端集中收集处理设施(CSO调蓄池)等减少溢流量的策略对入河污染物进行有效控制。

4 后续海绵城市建设的建议

随着海绵城市试点城市建设的完美收官，正式海绵城市建设也已拉开序幕。笔者根据近几年的规划设计和实施经验，对后续海绵城市的建设提出以下几点建议和设想。

1)应尽早开展海绵城市专项规划，做好顶层设计

海绵城市专项规划已经是城市规划体系的一部分，应尽早开展编制工作，且将其相关指标、竖向、用地等纳入总体规划的管控要求。同时应以水为引线，协调好海绵城市专项规划与城市各涉水规划之间的衔接关系，指出各规划中矛盾的内容或数据，并给出修编建议，做好顶层设计。

2)不为“海绵”而做“海绵”

海绵城市建设的理念已深入人心，将体现在城市建设发展的方方面面。应该植入道路、住宅小区、商业区、公园、河道治理以及其他市政基础设施的修复与建设中，并不是为了“海绵”而做“海绵”。

3)协调好各部门之间的配合

由于海绵城市建设牵扯市政、水利、气象等多部门，建议成立专有部门(如海绵办)，做好各部门之间的协调工作，这样既有利于顺利开展海绵城市建设工作，又有利于资料和数据管理。

4)做好城市资产管理

相对传统城市建设的工程来说，海绵城市建设是牵扯专业最多、行业最广、影响因素最泛，耗时较长、涉及政府部门最多的一项长期工程，在做好工程建设的同时，还应注重排水设施等城市资产的管理，为后续建设项目提供数据支撑。

5 结语

海绵城市建设系统分析基于现状调研分析，始于专项规划，贯穿于设计、实施和运维管理等全生命周期，是高效实现综合目标的法宝。但是也存在以下几方面的问题：

1)系统分析周期较长，对区域基础数据的全面性和精度要求较高。

2)系统分析不确定性因素较多，需要在实施、运维、管理等过程中发现不一致的数据实时进行调整优化，从而导致后期工程出现变更，影响工期、投资等。

3)系统分析阻力较大。一般工程建设工期紧，而系统分析时间较长，如何做好好二者之间的平衡，需要统筹考虑各方因素。