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海绵城市”理论及其在中国城市的应用意义和途径

来源: 作者: 发布时间: 2016-11-28 10:23:00

 引言

城市是人类文明发展至今的集大成产物,它集中体现人类所有的成功和失败。目前全球约有一半人口生活在城市,而在中国城市人口比例已将近60%,且以极快速度增长。在中国巨大的人口规模以及高速城市化背景下,城市文明所体现的成功与失败无疑都被凸显,例如资源匮乏、环境污染、交通拥堵等。城市作为拥有自然属性和社会属性的复合生态系统,这两大属性的平衡协调发展才能造就稳定且具有韧性的城市系统。反观现今中国城市发展,普遍面临自然属性弱化甚至丧失等问题,如林地、农田和水系等生态空间占用破坏,破碎化而至功能减退,城市下垫面硬质化等,由此直接导致中国城市普遍的水系统破坏和水资源不平衡问题,如城市内涝、水质型干旱、水体富营养化等。据住建部调查数据,2008-2010年期间,全国62%的城市发生过城市内涝,内涝灾害超过3次以上的城市有137个,57个城市的最长积水时间超过12小时。内涝也造成了巨大的财产损失和生命伤亡,内涝已然成为中国将近一半城市面临的常态化城市问题。

针对上述中国城市发展过程中的水环境问题,相关管理和建设部门也做了大量的改善工作,由于爆发的集中性、应对的单一性和城市的系统性,并没有对快速城市化过程中水质和水涝问题形成有效解决方案,但是城市管理者普遍形成了共识,即城市水环境问题仅从末端处置已是为时已晚。随着基于源头低影响开发和现代雨洪管理的海绵城市理论的提出,中国城市建设者和管理者们对于海绵城市理论给予极大的肯定,海绵城市创建工作也在政府主导下全国范围内如火如荼地开展。海绵城市建设涉及城市建设和管理的多个方面,因而也在不同层次和部门引发了大量对于海绵城市建设理念、技术途径和存在问题的思考和争论。但海绵城市建设并非“一朝一夕”可促成,也不是“一劳永逸”的集中建设可以成就,它是一项系统性和长期性的工作。海绵城市建设应该与不同气候区域特点和中国现行城市特点相匹配,海绵城市理论和技术应该在现地化适配的基础上进行应用,应在充分分析城市的地域气候、地形环境、城市下垫面特征等的差异基础上,分析中国不同区域城市创建海绵城市的途径及对策,而目前“千城一式”的海绵城市建设模式显然不具有可持续性。

1 海绵城市的理论基础

海绵城市(Eco-sponge City),是新一代城市雨洪管理概念,是指城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”或“韧性”。而海绵城市建设因其主要理论基础为低影响开发技术,因此在欧美又被称为低影响设计和低影响开发(Low Impact Designor Development)。海绵城市最早始于西方学者用于描述城市对周边乡村或区域的人口、资源等的吸附作用,此后逐渐变成描述城市与水文的关系。此后美国研究者基于城市雨洪管理研究奠定了海绵城市建设的三个理论基础:

(1)最佳管理措施。最佳管理措施(BMPs)最初是用于管理美国城乡的面源污染的非强制性政策,后来发展成为控制城市降雨径流量和水质的综合性措施,但是其核心理念仍是停留在末端的综合管理,并于1972年在《联邦水污染控制法案》中首次被以法律形式明确作为城市雨水的“最佳管理措施”。

(2)低影响开发。20世纪90年代初美国城市雨洪管理逐步形成了LID理念,是从径流源头控制开始的、以恢复城市自然水文系统为基础的暴雨管理和面源污染处理技术。相比于BMPs, LID更侧重于城市雨水管理的源头介入及其生态性、系统性和可持续措施的应用。低影响开发的主要理念是减小区域开发对雨水的影响。LID理念和技术对于城市规划和管理产生了根本性的影响。

(3)绿色基础设施。至1990年代末,“绿色基础设施”的定义首次出现,并逐步得到政府认可,它把自然系统作为城市不可或缺的基础设施加以规划、利用和管理,即“绿色基础设施是城市自然生命保障系统,是一个由多类型生态用地组成的相互联系的网络”。绿色基础设施理念和技术不仅仅针对城市水文管理,它首次将自然资源作为变化的主体纳入城市建设和管理,通过规划设计技术手段限制和引导人们对其的使用,进一步丰富了海绵城市理论的内涵。

海绵城市理论强调建设开发尽量减少对于城市自然组分的破坏和影响,目前相关技术在城市雨洪管理和水质处理方面较为成熟,但其意义不仅仅体现在城市水环境建设方面。进入21世纪以来,英美等发达国家进一步提出了“韧性城市”(Resilient Cities)理念,强调城市系统自组织和自协调能力的恢复与保持,它将城市系统的海绵功能扩充到应对人为扰动和自然扰动影响的生态层面上。

2 海绵城市创建的国家战略

中国快速城市化过程带来高速的社会发展和经济腾飞,但快速发展不可避免带来城市功能不完善的弊端。针对城市目前凸显的城市内涝、水质退化等水文安全问题,政府已将海绵城市建设上升到国家战略层面。习总书记在2013年的中央城镇化工作会议上明确指出:“解决城市缺水问题,必须顺应自然,要优先考虑把有限的雨水留下来,优先考虑更多利用自然力量排水,建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市。”[9] 此后,国家相关部门积极推进海绵城市建设的规范和试点工作,如2015年全国公布16个海绵城市建设试点,国家住房和城乡建设部发布了《海绵城市专项规划编制暂行规定》、《海绵城市建设技术指南》等。同时,在国家“十三五”规划中明确全面支持海绵城市发展,提出“加强城市防洪防涝与调蓄、公园绿地等生态设施建设,支持海绵城市发展,完善城市公共服务设施。提高城市建筑和基础设施抗灾能力” 

3 海绵城市理念在中国的应用途经

3.1 中国降水量分布与海绵城市创建

目前,中国城市普遍内涝原因可归结为地理位置(气候、尤其降水量及时空分布等)、水文条件破坏(湖泊河道水系破坏、植被破坏等)、城市地表固化(下垫面硬化、土壤紧实等)、下水道不足(地下管网建设滞后等)、城市小气候变化(雨岛效应、热岛效应等)和其他因素6大方面原因。根据近年来发生内涝城市及其降水量分析,大部分内涝城市分布于800mm降水量及以上区域,少部分城市位于400~800mm降水量区域内(图1)。因而,城市内涝与其地理位置因素密切相关,中国海绵城市创建应以年降雨量在800mm以上城市为主。不同降水量和分布特点是影响城市内涝的先决条件,这一定程度决定不同区域海绵城市创建途径的根本差异。2014年,住建部印发了《海绵城市建设技术指南》(以下简称《指南》),是目前全国性唯一的海绵城市创建技术指南,概括了“渗、滞、蓄、净、用、排”6大技术途径。《指南》作为符合全国普遍的纲领性文件具有一定指导意义,但其具体做法应该根据不同区域城市气候特点和自然禀赋特点进行具体化,不同区域的6字方针应有不同侧重点,如华北干旱区域应侧重“蓄”与“用”,华东湿润区域应更侧重“渗”与“排”。

 

3.2 中国不同区域海绵城市创建途径

海绵城市创建涉及大量不同领域概念和技术,诸如水务、规划、建设、园林、林业和环保等领域,其本质是利用城市唯一的自然系统(绿色基础设施),包括河湖江等水系、湿地、林地、绿地以及农田等,在降水源头多层次控制、分散、滞留,以减少城市管网集中排放的压力。经验表明:在正常的气候条件和完备的城市管网建设背景下,典型海绵城市可以截流80%以上的雨水;对于自然禀赋优良的城市,海绵城市建设更多落在了对于水系、湿地、林地等自然系统的功能恢复上;而一些城市化水平更高、自然禀赋较差的城市,特别是其老城区海绵改造任务更多依托城市园林绿地的“海绵”功能,如屋顶绿化、城市绿地公园、人工湿地等。但许多城市在海绵城市建设过程中也形成了很多误区,例如重视地上建设忽略更为根本和基础的地下排水管网改造,仅仅利用大规模的绿地海绵化改造牺牲城市公园绿地景观功能,海绵化改造片段化缺乏对于系统性的考虑等等。海绵城市建设并非否定城市地下管网主体功能,而是在城市完善的排水系统基础上,提升城市自然系统组分的附加功能,使城市复合生态系统的水文功能趋于动态平衡,最终解决城市内涝问题。

 

3.2.1 暖温带气候区的海绵城市创建

暖温带气候区域典型城市如北京、天津、徐州、太原等(图2中Ⅲ区域),其降水特点是夏季受温带海洋气团或变性热带海洋气团影响,年降雨量在400~600mm之间且分布不均,降水主要集中在6~8月份,可占全年80%左右,但区域内城市总体为水资源短缺型城市。 其海绵城市建设应重点考虑“蓄”与“排”的平衡。

在自然系统方面,应恢复被填埋河道、湖泊等水系,增加城市内外的蓄水空间,以利于降雨与排水错锋;在道路建设中,应在汇水面下游的雨水干管设置雨水收集调蓄池;应统筹城市不同功能区域尤其居住小区的雨水收集和基础设施的节水;在雨洪源头处,将过量的雨水引入远离城市的河流、湖泊,增加城市内的排水沟渠密度疏导,利用城市内部的河网、排水明沟或暗渠,及时对雨水进行有组织地疏导和排放;各种综合措施促进雨水下渗及自然净化,形成对地下水的有效补充。

3.2.2 北、中亚热带气候区的海绵城市创建

北、中亚热带气候区域典型城市如上海、杭州、南京、武汉、成都等(图2中Ⅳ和Ⅴ区域),年平均降水量在1100~1600mm之间,每年5~6月为梅雨季节,7~10月有台风带来的暴雨,9月份雨量可占全年的25%,全年汛期有春雨、梅雨、秋雨三个雨期。该气候区域城市雨量充沛,且多是湖网、河网密布平原地区,汇水区域大,海绵城市创建应更侧重“渗”、“滞”和“排”。

在自然系统方面,城市水网构建应以自然水系为依托,应最大限度地保护原有的河流、湖泊、湿地、沟渠等“天然海绵体”不受开发活动的影响,并逐步开展城市自然组分水文功能的恢复和修复;应综合考虑城市立体绿化空间、绿地乔木植物冠层空间等多层次绿化对于降雨的滞留效应,同时下沉道路局部绿带提高滞水性和透水性,并提升城市土壤的入渗能力;应提高城市排水管网的建设级别以应对汛期排水。

3.2.3 南亚热带气候区的“海绵城市”创建

南亚热带气候区域典型城市如广州、深圳、桂林等(图2中Ⅵ区域),年平均降水量在1500~2000mm之间,每年自4月起雨量激增,全年雨量集中于5~6月,且多台风带来的热带气旋雨和夏季强对流雨。该气候区域内水热条件优良,城市自然资源丰富,但水质状况较差,海绵城市创建应更侧重“渗”、“滞”、“净”和“排”。

在自然系统方面,利用区域优良水热条件开展城市自然植被恢复,如城市森林、自然湿地等,改良城市小气候,提高生物滞留和净化作用;在城市规划建成区内单位面积控制容积率,划定生态用地红线,并适当增加水域面积;在道路建设方面,改造建成区道路的不透水结构形式,提升道路两侧绿化带建设规模和层次,作为降雨生物净化带;实现城市地块之间生态廊道网络的整合与连贯,提高城市生态网络的完整度。

4 展望

海绵城市理念包含了生态恢复、人为干扰、源头控制、低影响开发等重要生态思想,契合了中国当代生态文明建设的大背景,也是目前解决中国城市内涝和水质问题的可持续方式。中国城市发展应从规划设计之初引入海绵城市的核心——“低影响开发”理念,通过以规划为先导的非工程措施结合以生态为指引的工程技术措施来统筹解决城市水问题。同时,在管理角度应提高市民对海绵城市理念和建设的认识和认同,发动群众为更好地建设、维护城市设施及景观做出贡献。