从流域和多空间尺度探讨城市内涝现象及治理建议

王沫

摘 要：以“海绵城市”的概念为出发点，从生态学的尺度、城市尺度和流域尺度三方面分析了城市内涝现象，并提出了保护水系水岸植被、治理湖泊污染淤积、合理建设水利防洪工程等治理建议。

关键词：海绵城市;洪水;流域;空间尺度

中图法分类号：TU992              文献标志码：A               DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0302

1  “海绵城市”与城市内涝

1.1 “海绵城市”的概念

“海绵城市”是低影响开发（Low Impact Development）在中国的通俗版本，旨在通过在城市里建设很多“海绵体”似的雨水花园、草地、林地、湿地、水塘、湖泊来储蓄雨水资源，加快、加大雨水下渗率，减少、减小地表径流（水土流失、面源污染）。“海绵城市”提出了“雨洪是资源”的正确概念其建设者也进一步提出了“以海绵城市建设解决城市内涝问题”等理念。

1.2   海绵城市建设不能解决城市内涝

城市内涝是在区域或者流域的尺度上产生的问题，也只能在区域或流域的尺度上解决问题。这是生态学的基本常识，即一切生态关系是以生态尺度为基础的生态系统关系。“海绵城市”可以在城市内小区域尺度上解决地表径流、小区域尺度的雨水资源等问题，城市中大大小小的“海绵体”可以实现其海绵的功能，例如解决区域内雨水下渗、减少地表径流、减少面源污染等问题。但是它不具备“海绵城市”所预期的解决城市内涝的功能和效应。

2  城市尺度上的城市内涝

城市化发展改变了城市下垫面物质组成与结构，原有湿地、林地、草地被住宅、公路、街区等替代，城市降水径流过程发生了显著变化。以武汉市为例：历史上，武汉有“三山六水一分田的说法”。现在武汉的六分水（湖、河漫滩、湿地）变为二分水，其余四分水变成了城市，无法承载暴雨带来的城市洪涝。究其原因，一是城市不透水面积增加，排水系统相对滞后;二是部分城区建在“雨洪通道”上（低洼处），防洪高堤又阻止了雨水外排的可能。“一分田”是雨水可能的“出路”，可以规划建设能将雨水尽快引入田间的途径。

古今中外，城市一般都依山傍水而建，概括起来两种建法：一是将城市建立在最大洪水线之上，称之为“安全建设高程”。暴雨来了，雨水自然往水系里排。二是例如荷兰的阿姆斯特丹那样，城市建在低洼地，建时就把城市围起来，洪水来了，把水往外抽。

城市尺度上的城市内涝问题跟城市的空间格局有关。现在的城市大多土地平整，由于水表张力和城区平坦，暴雨雨水无法向四周扩散而在城内聚集，城市内涝不可避免了，平整的城区面积越大，城市内涝就越严重。为此，城市建设者建设城市的排水系统，以期能够解决城市排涝问题。但是排水井口总是在城市低洼处，暴雨一来，最容易堵塞的也是排水井口。目前，解决此问题有两种办法：一是改进井口的设计，改平坦式井口为凸起式井口;二是城市按地形地势分隔成地表面流的排水街区或路段，让水以最可能短的距离、最快的速度往低洼地散开。防止大量雨水淤积，进而堵塞，最后汇集为洪流，或避免大量雨水汇集入路网成为水（渠）网，造成水土流失和面源污染。

另外，现在的部分道路设计，往往绿化带比路面高，绿化带里的雨水和泥水流入道路路面，路面的雨水顺着道路往低处流，路面形成“水渠”，城市街道也会形成“水渠”网，从而造成城市内涝。因此，要解决这一问题，一是在道路规划建设时，路面应该比道路两边的绿化带高，雨水就会自然流向道路两边，路面不会积水积淤。二是路边每隔几十米设置分散的排水口，避免雨水在路边形成水流。对雨水进行管理的原则，一是加大就地下渗;二是尽可能尽快用“面流”的方式分散雨水;三是在有条件的情况下尽可能尽快将雨水引入低洼的农田、水系、湿地。

3  流域尺度上的城市内涝

3.1  河流比降对城市内涝的影响

根据目前研究发现，从流域尺度考虑城市内涝问题首先需要关注流域里的河流比降，即河流水面比降，又称水力坡度。从理论上说河流水面比降受水流速、河床、水质等诸多因素的影响。但从实用的角度出发要注意以下情况：一是比降小于0.004%，水面是一个静止的状态，此坡度下，由于水表张力的作用，水体无法流动。打比方，如果从三峡大坝到重庆朝天门码头约600km，三峡大坝的水位为145m高程，即使没有水的流动重庆的水位也会在169m高程以上。二是比降大于0.004%，小于0.01%，则会产生泥沙沉淀，堵塞河道，形成死水。三是比降大于0.01%，小于0.1%，是水体自净化能力最强的水流。四是比降大于0.1%，水流顺畅，但自净化功能降低了，冲刷增加了，水资源也就快速流失了。比降大时，河流就会冲刷拐弯加大长度，减少比降，直到达到平衡。洪水来时，水头压力加大，比降也会加大。水流尤其是洪水，受到大坝的阻拦，就会增加水头的压力，比降就会抬高。即使是抬高到0.1%，当三峡大坝处于145m的水位时，重庆水位可能会达到195～205m，就可能造成城市内涝。

3.2  气象对城市内涝的影响

根据气象资料发现，近20年全国各城市的年平均降雨量跟前20年并没有太大的差别。但是，一次连续降雨量能占据年平均降雨量的30～70%，甚至达到年平均降雨量的120%。比如，河北省赞皇县历史上年均降雨量568mm，而2016年7月19日一次连续降雨量高达721mm，超过年均降雨量26.9%。2020年梅雨期，长江流域降雨强度大、时间长，有的突破历史极值。据统计：2020年6月8日入梅以来，武汉市梅雨期历时45天，与1998年梅雨期时长持平，时长历史第二。共经历8轮强降雨，累计降水量达到801.1～1046.9mm，局部地区超过1 100mm，全市平均累计降水量904.1mm，接近2016年历史同期平均累计雨量（923mm），居历史同期第二位;其中江夏乌龙泉最大累计雨量为1 122mm，最大24小时降雨量472.3mm，为历史极值。同时，整个流域同时产生突发性和多发性连续强降雨的可能性越来越大。例如，迈阿密是近60年来在海岸湿地上发展起来的城市，整座城市水网交错，看不到防洪堤坝，房屋临水而居，高出水面（即海平面）不到3m。迈阿密年降雨量超过1 800mm，一次连续降雨量（包括台风雨）可超过300mm，却无城市内涝现象发生，其原因值得探究。根据在卫星测量，这座大都市水面面积与陆地面积之比超过20%。也就是说，如果一次300mm的连续降雨量倾泄到100km2的汇水面积上（不考虑下渗和其他因素），300mm的雨水从100km2汇集到20 km2的水面上，水面上的水位会升高5倍即1.5m。在对于水面面積与陆地面积之比的研究中发现，田纳西州作为美国最早成立流域管理局的区域，其水面面积与陆地面积之比是7～11%。而中国许多省份的水面面积与陆地面积之比都在1%以下，这是我国“生态文明建设亟需关注的问题。

4  建議

4.1推进海绵城市建设

从小区域的尺度来说，需要完善海绵建设，实现雨水就地下渗、减少地表径流;从城市尺度来说，应该将城市建设在安全高程之上，避免占用水面，“围城”而不“围水”，将雨水管理作为城市设计的第一基本功，做到“按一片天管好一片地”（王浩院士语）;从流域的尺度来讲，应该保护水系的自然水文形态、保护河流的弯曲度、保护河漫滩和湿地，更重要的是要保护水系水岸植被（河流基本上是“裸河”）。同时，加大力度恢复湿地和水面，扩大其面积。

4.2  治理湖泊污染淤积

正常情况下，自然湖泊的淤积底泥以每年1mm的速度增加。而许多受到污染的湖泊的淤积底泥每年的增加都超过15cm，这有150倍之差。这些被污染的湖泊都是“平底湖”，平均水深3m左右，处于风力可以对底泥产生影响（搅拌）的作用范围。风力不断把富营养化的底泥搅拌到水体里，在阳光的作用下，各种藻类疯狂生长，死后沉淀进入淤泥，又被搅拌重新进入水体。如此循环直到水体耗尽氧气而发臭，底泥不断淤积，使得湖泊成为“死湖”，失去生态功能和蓄水的水资源功能。生态修复的目标就是杜绝污染、清除淤泥、使湖泊和湿地恢复到原有面积（湿地面积一般占湖泊面积的5～20%）、实现湖泊三类水水质（这是恢复湖泊水生态系统功能的关键）。更重要的是，为了维持湖泊生态系统的可持续性，应该通过生态工程建立0.01%到0.1%比降的“锅底状”湖底，使水深超过3m，降低风力对底泥的影响程度，恢复湖泊的自然水动力，恢复水体自净化系统。这里的恢复是指增加湖泊湿地的蓄洪能力，减少污染、减少淤积也是增加湖泊的蓄洪能力。不同生态尺度上的生态系统关系从来都不是单一的。

4.3  合理规划城市防洪工程

从科学工程学视角建议，在实施生态修复工程和水利防洪工程时，不仅应该证明工程项目的可行性，还应该考虑以下：工程建设的必要性，工程建设的优劣，工程的目标，对工程目标的量化和检验，投入资金的合理性，其他更为科学的替代方法等等。比如，考虑到大坝拦阻了泥沙，河水变清加上水的压力，导致河床下切，枯水季节，长江水难以进入鄱阳湖。鄱阳湖有可能成为“鄱阳湿地”或“鄱阳草地”;河床的下切，同时还有可能引起上海的海水倒灌和崇明岛形态的变化。当然，这种空间尺度的变化也涉及到时间尺度的议题。时空尺度的交融，使得未来对“城市防洪排涝问题的科学思维更复杂、更具有挑战性。

5  思考

不同空间尺度对于城市防洪排涝问题具有不同研究视角。不同尺度上的问题有着不同的解决措施和方案。这些不同尺度上的问题、措施、方案还与景观格局密切相关，即是不同空间尺度下的空间关系（也称生态空间关系）。通俗地说，就是不同尺度上不同土地（利用）类型及其变化的相关关系。这也是迈阿密大都市20%的水面面积与陆地面积比避免城市内涝的原因。而如今，有着“四城三山二水一分田”的武汉却时常出现城市内涝现象，其原因就在于“空间格局”的不同，是20%的水跟城市的空间格局（空间关系）的不同。同样20%的水面，武汉的20%水面与城市和江河水面高程和格局的空间关系与迈阿密很不一样，所以城市防汛排涝的结果也大不一样。

那么，对于“海绵城市”建设能不能解决城市内涝问题，是否可以把“海绵城市”的概念扩大为“国土海绵”或者“流域海绵”的广义概念去认识这一讨论。生态学尺度的含义不仅仅是空间范围或面积大小的问题，同时还是一个生态等级（ecological hierarchy）的概念。小区尺度，着眼的是海绵体的问题，关注的是地表径流和就地下渗的问题;城市尺度，关心的是城市内涝的问题，关注的是城市“山水林田湖城”的空间格局和空间关系问题;而流域尺度下的城市防洪排涝问题，关注的是流域水系、水面积及其对突发超强降雨的应对能力问题。通俗地说，生态学尺度就是在不同的生态等级上处理不同的生态关系。“国土海绵”和“流域海绵”不属于城市尺度或流域尺度的等级，因此它无法解决城市尺度和流域尺度上城市防洪排涝问题。

作为空间格局的讨论，进一步引申，讨论全国正在推动的国土空间规划。从流域的空间尺度的基本命题和思路出发推进国土空间规划无疑是正确的，国土空间规划强调了流域生态系统的“山水林田湖”的实体也是正确的。但是，不能忽略“山水林田湖”的相互关系，尤其是空间相互关系，不能忽略“山水林田湖”作为生态系统的结构、功能和其为生态系统服务能力，不能忽略“山水林田湖”与城市扩张和经济发展的空间相互关系。这些空间相互关系对于国土空间规划的重要意义值得关注。因此，国土空间规划必须建立在严格、科学、具有法律效益研究的基础上，以保证国土空间规划的实用性、前瞻性、科学性。在不同生态学尺度上，科学地处理好各种空间关系，使城市不再受“城市看海”和“城市洪水”问题的困扰。

Discussion on Urban Waterlogging Phenomenon and Treatment Suggestions

from the Watershed and Multi-spatial Scales

Wang Mo

（Wuhan Hydrology and Water Resources Survey Bureau， Wuhan 430070， China）

Abstract： Taking the concept of "sponge city" as the starting point， this paper analyzes urban waterlogging from three aspects： ecological scale， urban scale and watershed scale. Proposals were put forward for the protection of waterfront vegetation， the treatment of lake pollution and siltation， and rational construction of water conservancy and flood control projects.

Keywords： sponge city; flood; watershed; spatial scale