海绵城市建设背景、争论、定位与实证分析

2024-05-08许文斌谢千辰王立风曾燕林

中国防汛抗旱 2024年4期

唐明许文斌谢千辰王立风曾燕林

（1.南昌工程学院水利与生态工程学院，南昌 330099；2.江西省水文水资源与水环境重点实验室，南昌 330099；3.南昌市城市规划设计研究总院，南昌 330038）

0 引言

由于我国城市内涝防治系统历史欠账多，短板突出[1]；加上近年来全球气候变化和城市“雨岛效应”的影响，城市降雨的量级和强度均呈上升趋势[2]，不少城市遭受了严重内涝。无论是地方政府还是广大民众，都渴望“城市看海”问题早日得到解决[3]。2012年北京“7·21”特大暴雨后，国务院对城市内涝问题更加重视，于2013 年出台了《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》（国办发〔2013〕23 号）（以下简称23 号文）。此后，住房和城乡建设部（以下简称住建部）按照23 号文的要求，及时组织修订《室外排水设计规范》（GB 50014），将城市排水管网的设计标准由3 年一遇提高到3 年一遇至5 年一遇；同时补充了城市内涝防治要求。但城市排水设施建设达标非一日之功，在社会普遍关注城市内涝问题的背景下，中央提出了通俗易懂的海绵城市建设概念，住建部印发了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》（以下简称《技术指南》），并先后于2015年、2021年、2022年又出台了《关于推进海绵城市建设水利工作的指导意见》（水规计〔2015〕321 号）（以下简称321 号文）、《关于推进海绵城市建设的指导意见》（国办发〔2015〕75 号）（以下简称75 号文）、《关于加强城市内涝防治的实施意见》（国办发〔2021〕11 号）（以下简称11 号文）、《关于进一步明确海绵城市建设工作有关要求的通知》（建办城〔2022〕17 号）（以下简称17 号文）等重磅文件，加强城市内涝防治工作。

1 中国海绵城市建设背景

1.1 国际社会城市水管理理念的更新与发展

全球气候变化和快速城市化改变了自然水循环过程，城市水问题越来越突出[5]；内涝多发、水环境污染和雨水资源大量流失等已成为制约城市可持续发展的关键问题[6]。在此过程中，为促进水循环利用、进一步获取雨水资源，应对全球性水危机，一系列雨洪管理理念诞生。主要包括美国的低影响开发（Low Impact Development，LID）、最佳管理措施、绿色基础设施及绿色雨水基础设施，英国的可持续城市排水系统，德国的雨水利用和雨洪管理，澳大利亚的水敏性城市设计，新西兰的低影响城市设计与开发，日本的雨水贮存渗透计划等[7]。尽管这些理念的名称不同，但所采取的工程措施基本涵盖透水铺装、雨水花园、绿色屋顶、植草沟等雨水渗透、滞留设施，以及生物滞蓄池、湿地等雨水贮存设施[8]，本质都是要让雨水在城市中的循环过程更加自然，彻底改变以排为主的雨水管理模式，效仿自然，提高雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力[9]，减少地表径流量和峰值流量，并运用过滤技术，控制径流污染强度。

1.2 国内不断加剧的城市内涝灾害

进入21世纪，“城市看海”成为网络热词与社会关注热点，广州、武汉、北京、杭州等特大城市几乎“逢雨必涝，遇涝则瘫”，更是引发广泛关注。2010 年，住建部对351 个城市进行了城市内涝调查，结果表明，由于城市排水设施不健全、标准低等原因，有61%的城市出现不同程度内涝。

1.3 城市水体污染、生态恶化问题的倒逼

随着经济社会的高速发展，生态破坏及环境污染问题不断凸显，进入城市水域的污染物质数量超出水环境容量，城市水质下降，并逐渐恶化。2013 年，在中央城镇工作会议上，针对城市水少、水脏的环境问题，习近平总书记首次提出“在提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，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”。此后，又在2014 年考察京津冀协同发展座谈会、2014 年中央财经领导小组第5 次会议、2016 年中央城市工作会议等场合，反复强调要建设海绵城市[10]。

2 海绵城市的社会认知与争论

2.1 海绵城市建设的推进

在生态文明建设的大背景下，如何实现城市转型升级，解决城市建设中的水环境、水生态和水安全等问题，从而提高城市发展的持续性、宜居性，促进人与自然和谐共生，成为各地发展迫切需要解决的问题。2015 年4 月，财政部、住建部、水利部联合开展第一批16 个海绵城市建设试点；2015 年10 月，国务院办公厅推出75 号文，正好契合了地方需求[11]，很多城市积极争取成为海绵城市建设试点。

2015 年确定了首批16 个试点城市，2016 年确定了第二批14个试点城市。这些试点城市的海绵城市建设项目规划总投资在27 亿～210 亿元，平均投资为3.2 亿元/km2。中央财政对海绵城市建设试点给予专项资金补助，直辖市每年6亿元，省会城市每年5亿元，其他城市每年4亿元。各地在发挥中央补助资金的撬动效应方面做努力，把海绵城市与棚户区改造、城乡危房改造、旧城改造结合在一起，采取公共私营合作（Public-Private-Partnership，PPP）模式吸引社会资本参与海绵城市建设，多渠道筹集资金，推动海绵城市建设项目的落地。据住建部统计，除了第一、第二批30 个试点城市外，我国先后有超过400 个城市出台了海绵城市建设实施规划方案[12]。

2.2 城市内涝触发的海绵城市质疑声

对于城市内涝，各地深受其害，同时对海绵城市的“治涝效果”寄予过高的期望，将海绵城市看成解决城市内涝的“神丹妙药”。各路媒体对海绵城市建设的宣传口径也大都聚焦在“告别雨季‘看海’”“根治城市内涝”等。因此，一旦城市再次出现内涝，公众便难以接受被淹的现实，质疑声四起。

2016 年入汛以后，我国南方地区连续出现10 多次强降雨过程，几乎每次强降雨，都会引发部分城市的严重内涝，网络上关于“看海”的言论不断，海绵城市建设试点城市成为公众关注焦点。《中国经济周刊》记者统计发现，全国30个海绵城市试点中，有19个城市出现内涝现象，占比达到63%。不少人认为海绵城市建设效果不够理想，甚至认为海绵城市试点失败了。

集成学习是建立基分类器的基础上进行有效融合集成形成强分类器，其中包括两个主要工作，一是基分类器的构建，二是多分类器的融合集成方法。集成学习算法的一般实现框架如图1所示。

2021 年7 月下旬，河南省多地遭遇特大暴雨，郑州市发生严重内涝，而“郑州已经在5年前就被列为海绵城市建设试点城市，3 年前提出投入534.8 亿元建设海绵城市”的爆料，使得公众对海绵城市的质疑再次达到高潮，“海绵城市无用论”的观点广泛传播。

2.3 有关海绵城市的主要争论

（1）海绵城市的建设内容，是主要争论之一。第1 类观点，有专家认为真正的海绵城市是基于自然，给水更大的空间，让自然河道、湿地、绿地发挥作用，并认为基于自然是海绵城市的核心，而不是投入巨资建设孤独的灰色基础设施。这种“只绿不灰”的观点将快排模式与海绵城市对立，认为前者是以改造自然、利用土地为主，改变原有生态，是一种粗放式建设；而后者是顺应自然，保护原有生态，使人与土地和谐，是低影响开发[13]。因此就有了将海绵城市建设的功能定位在“打造城市垂直系统”上的观点，需要强化源头分散和慢排缓释，以确保城市能真正“涝时吸水，旱时吐水”[14]。第2类观点，不少专家更倾向于将海绵城市定义为蓝绿灰综合体，包括雨水控制等绿色基础设施、市政管网（调蓄池）等灰色措施和河湖水系等蓝色空间。绿色基础设施虽然建设运维费低，但占用空间大、用地多、效率低；而灰色基础设施用地少、效率高，因此单一靠绿色或灰色设施发挥作用都难以为继[15]。这个观点认为建设海绵城市不能仅仅理解为建设透水路面、加强雨水利用及植树种草，应该采取渗、滞、蓄、净、用、排等措施，既要让城市遇到强降雨“不看海”，又要让雨水留得住、再利用，最大程度地减少城市开发建设对生态环境的影响。

（2）海绵城市的治涝标准，是另一个争论较多的问题。《技术指南》明确，LID雨水系统可以通过对雨水的渗透、储存、调节、转输与截污净化等功能，有效控制径流总量、径流峰值和径流污染。借鉴发达国家实践经验，年径流总量控制率最佳为80%～85%。这一目标主要通过控制频率较高的中、小降雨事件来实现。以北京市为例，当年径流总量控制率为80%和85%时，对应的设计降雨量为27.3 mm和33.6 mm，分别对应约0.5 年一遇和1 年一遇的1 h 降雨量。

有专家认为75 号文中的“小雨不积水、大雨不内涝”，其对应雨情是国家标准《降雨量等级》（GB/T 28592—2012）（24 h降雨量25.0～49.9 mm，或者是12 h降雨量15.0～29.9 mm），且与GB 50014规定的排水管网设计标准相互协调。海绵城市建设是解决经常性降雨发生的城市内涝问题，不能将“小雨不积水、大雨不内涝”泛化为应对“极端天气下的城市内涝”[10]。

也有专家认为75 号文中提出的“大雨”只是形象的说法，不等于严格气象意义上的大雨，而应该理解为海绵城市工程体系设计对应的降雨标准。海绵城市解决的是工程体系设计标准内降雨引起的内涝问题，而不能实现“永不看海”“千年不涝”。

3 海绵城市概念发展脉络

3.1《技术指南》文件精神

2014 年，住建部印发的《技术指南》明确：海绵城市建设应统筹LID 雨水系统、城市雨水管渠系统及超标雨水径流排放系统；低影响开发指在城市开发建设过程中采用源头削减、中途转输、末端调蓄等多种手段，通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，实现城市良性水文循环，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力，维持或恢复城市的“海绵”功能。同时，还明确：城市雨水管渠系统即传统排水系统，应与低影响开发雨水系统共同组织径流雨水的收集、转输与排放。超标雨水径流排放系统，用来应对超过雨水管渠系统设计标准的雨水径流。可解读为低影响开发雨水系统是城市内涝防治系统的重要组成，应与城市雨水管渠系统及超标雨水径流排放系统相衔接，共同达到内涝防治要求，而不是替代城市内涝防治系统。在治涝效果上，低影响开发设施一般对中、小降雨事件的外排径流峰值削减效果较好，有助于降低“逢雨即涝”的频次，但解决不了大暴雨条件下的“城市看海”问题。

3.2 321号文件精神

为进一步指导和推进海绵城市建设水利工作，充分发挥水利部门在海绵城市建设中的作用，2015 年8 月，水利部印发的321 号文指出：海绵城市建设是以低影响开发为基础，防洪排涝体系为支撑，城市规划建设和管理为载体，构建城市良性水循环系统，增强城市水安全保障能力和水资源水环境承载能力；同时还明确：河湖水系和地下水系统是海绵城市建设的重要组成部分，水灾害防治、水资源利用、水环境治理和水生态保护，都是海绵城市建设的重要内容。

321 号文明确提出：城市河湖水系和地下水系统是蓄积、调节和净化雨洪径流的主要场所，是保障海绵城市建设渗、滞、蓄、净、用、排各项措施发挥系统治理效益的重要基础；并要求各地应结合当地实际，合理确定海绵城市建设中的防洪标准、降雨滞蓄率、排涝达标率等水利指标，促进各项水利工作的协同推进。321 号文还进一步明确了雨水径流调蓄和承泄设施的建设内容，在城市河湖水系沿岸适当位置，因地制宜布设旁侧湖、滞水塘、调蓄池、蓄水池等雨水径流调蓄设施，有条件的可建设地下蓄水储水设施、排洪通道，增加对雨洪径流的滞蓄和承泄能力；同时，科学谋划城市建成区内外的防洪排涝工程体系，加强与流域、区域防洪规划的衔接，妥善安排城市洪涝水滞蓄和外排出路，统筹布局泄洪通道和蓄滞场所，合理确定城市防洪排涝分区和建设标准。

3.3 推进海绵城市建设政策例行吹风会

2015年10月9日，国务院新闻办公室举行的推进海绵城市建设政策例行吹风会上介绍：所谓海绵城市，就是充分发挥原始地形地貌对降雨的积存作用，充分发挥自然下垫面和生态本底对雨水的渗透作用，充分发挥植被、土壤、湿地等对水质的自然净化作用，使城市像海绵一样，对雨水具有吸收和释放功能，能够弹性地适应环境变化和应对自然灾害。在城市开发建设中，加强规划建设管控，通过源头减排、过程控制、系统治理，采取屋顶绿化、透水铺装、下凹式绿地、雨水收集利用设施等措施，使建筑与小区、道路与广场、公园和绿地、水系等具备对雨水的吸纳、蓄滞和缓释作用，有效控制雨水径流，使老百姓切实感受到“小雨不积水、大雨不内涝、水体不黑臭、热岛有缓解”的实效。

3.4 75号文件精神

2015 年10 月16 日，国务院办公厅推出75 号文，正式明确：海绵城市是指通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式。并且明确，发布文件的目的是加快推进海绵城市建设，修复城市水生态、涵养水资源，增强城市防涝能力，扩大公共产品有效投资，提高新型城镇化质量，促进人与自然和谐发展。

住建部从2010 年查清城市存在“排水设施不健全、标准低（1 年一遇）”的问题，到2014 年组织修订《室外排水设计规范》GB 50014—2006，提高城市排水管网设计标准并补充城市内涝防治要求，再到75 号文，旨在通过源头减排设施（微排水设施）与市政排水管网（小排水设施）灰绿结合的措施，解决经常性降雨发生的城市内涝问题，从而达到“小雨不积水、大雨不内涝、水体不黑臭、热岛有缓解”的实施效果[10]。

3.5 11号文件精神

2021年，针对自然调蓄空间不足、排水设施建设滞后、应急管理能力不强等问题，国务院办公厅印发11 号文，加快推进城市内涝防治。明确提出，坚持防御外洪与治理内涝并重、生态措施与工程措施并举，“高水高排、低水低排”，更多利用自然力量排水，整体提升城市内涝防治水平；通过河湖水系和生态空间治理与修复、管网和泵站建设与改造、排涝通道建设、雨水源头减排工程、防洪提升工程的实施，系统构建“源头减排、管网排放、蓄排并举、超标应急”的城市排水防涝工程体系。明确了“城市内涝防治系统”的建设范围，涵盖源头控制、中途传输和末端治理，包括了绿色基础设施等低影响开发措施，管网及排涝通道建设，以及排涝泵站的建设与改造；并将“城市内涝防治设计重现期（20～100 a）”作为暴雨事件是否超标的统一标准。此外，11 号文不仅考虑了新老城区的差异，就城市内涝防治设计重现期内的降雨应对，设置了不同水平年的工作目标，还明确了遇到“超出城市内涝防治设计重现期的降雨”时的工作目标。

3.6 17号文件精神

2022 年4 月18 日，住建部办公厅印发的17 号文，对海绵城市规划编制、项目设计、建设运维和长效机制等方面提出了清晰的要求，特别强调了海绵城市建设内涵：应通过综合措施，保护和利用城市自然山体、河湖湿地、耕地、林地、草地等生态空间，发挥建筑、道路、绿地、水系等对雨水的吸纳和缓释作用，提升城市蓄水、渗水和涵养水的能力，实现水的自然积存、自然渗透、自然净化，促进形成生态、安全、可持续的城市水循环系统。明确“海绵城市建设是缓解城市内涝的重要举措之一，能够有效应对内涝防治设计重现期以内的强降雨”；并要求各地的海绵城市建设应聚焦城市建成区范围内因雨水导致的问题，以缓解城市内涝为重点，统筹兼顾削减雨水径流污染，提高雨水收集和利用水平。同时，还强调海绵城市建设要在全面掌握城市水系演变基础上，着眼于流域区域，全域分析城市生态本底，立足构建良好的山水城关系，为水留空间、留出路，实现城市水的自然循环；在摸清排水管网、河湖水系等现状基础上，针对城市特点合理确定，明确雨水滞蓄空间、径流通道和设施布局；落实场地竖向要求，确保雨水收水汇水连续顺畅。

4 实证分析

4.1 南昌市海绵城市建设概况

南昌市充分发挥城市内河湖众多、水系发达的优势，以排为主、以蓄为辅，排蓄结合，最大程度地减少城市开发建设对生态环境的影响，在建成区结合老旧小区改造、内涝点整治、黑臭水体治理推进海绵城市建设，在新城区全面落实海绵城市理念，采用统筹解决城市水安全、水环境、水生态、水资源的系统方案，集成LID、城市排水防涝、城市面源污染防治、合流制溢流污染治理等多重水治理技术来建设海绵城市。

近年来，南昌市老旧小区改造、新建市政道路人行道大部分采用透水铺装，部分绿化带设计为下凹式绿化带。截至2021 年年底，南昌市已建成海绵设施238 项，主要分为建筑与小区、道路与广场、公园绿地、水系保护和生态修复、排水管网和调蓄设施5 种类型，建设包括下沉式绿地、雨水花园、雨水湿地等源头化海绵设施、雨水收集利用设施等，已建成达标面积96.48 km2。这些项目实施后，增加了城市渗、滞、蓄能力，对缓解城市内涝有一定成效。

另外，为了缓解城市内涝，南昌市改扩建排水管网160 km，扩容泵站2 个，改造电排站2 座、综合治理内河水系13 km，已投资35.2亿元，以上项目均以蓄、排措施为主。

4.2 研究区域概况

南昌市多年平均暴雨日5.7 d，主要在4—8 月。主汛期（5—7月）是暴雨与大暴雨的多发期，而连续性暴雨多在6月中下旬，属于江淮梅雨锋暴雨。江淮梅雨锋暴雨持续时间长，降雨强度大，易发生洪水，造成严重的城市内涝。本文以南昌市凤凰洲片区作为LID 设施的径流峰值控制分析对象。该片区属于新城区，汇水面积500 hm2，辖区内建筑密度高，地势平坦，地面高程18.7～25.3 m。不同调蓄量的径流峰值控制分析的典型小区也选在凤凰洲片区（图1），小区占地面积约3.5 hm2，综合径流系数取0.6，小区雨水系统接入市政雨水管道处的市政主干管管径为DN 1 000。

图1 研究区域图

4.3 基于LID设施的径流峰值控制贡献分析

基于凤凰洲片区的洪涝情景模拟，对LID 设施的径流峰值控制效果进行分析[16]。利用Mike软件模拟不同设计降雨条件下片区添加LID 设施前后的城市雨洪过程，进而对比各种重现期条件下改造后外排径流总量削减率和径流峰值削减率，模拟结果如图2所示。

图2 LID设施建设后的径流峰值控制效果

图2显示，添加LID 设施后，外排径流总量的削减效果比径流峰值的削减效果好，随着暴雨重现期的增加，削减率变化不大，保持在23%～29%；但是，5 a及以上重现期的径流峰值削减率大幅下降，由28%下降到4%～8%，说明LID设施对高重现期的暴雨径流削峰作用很小。

4.4 基于不同调蓄量的径流峰值控制贡献分析

通过在典型小区的洪涝情景模拟中设置不同规模的调蓄池，分析调蓄量对径流峰值的控制效果[17]。以3年一遇的2 h 降雨作为边界条件进行Mike 模拟，提取小区雨水干管末端的流量变化曲线（图3），得出不同调蓄量条件下径流峰值削减率。在应对3年一遇暴雨时，当调蓄雨量由14 mm增大至22 mm，调蓄池对径流峰值的削减率由40.0%增大至71.3%。可见，调蓄设施对径流峰值的削减作用十分明显，峰值出现时间也相应延后了4.8～14.8 min。