淺議構建海綿城市建設系統(tǒng)的技術要點

海 霞，王久振，李艷艷，王 鵬，朱學虎，雷克剛

(1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300100;2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030)

1 概述

自2013年首次提出建設“海綿城市”以來，無論是在政策鼓勵、制度創(chuàng)新，還是建設理念、規(guī)劃引領、工程試點等方面均取得較大進展。幾年來，受益于中央政策和財政資金的大力支持，30個國家海綿城市試點、近百個省級海綿城市試點先后開展了規(guī)劃與建設工作，探索建設機制和運營模式，一大批“海綿小區(qū)”、“海綿道路”、“海綿公園”初具規(guī)模，成效顯著。“綠色、生態(tài)”的城市開發(fā)建設理念已深入人心，這不但在國內引起社會的廣泛關注，而且在國外也產生了很大影響[1-2]。文章結合海綿城市規(guī)劃設計與實施經驗，本著系統(tǒng)解決城市錯綜復雜的涉水問題，分析海綿城市建設方案中幾個關鍵系統(tǒng)以及彼此之間的銜接，提出系統(tǒng)分析、統(tǒng)籌建設才是實現(xiàn)海綿城市建設多目標的有效途徑。

2 海綿城市建設系統(tǒng)分析的必要性

實現(xiàn)海綿城市建設多目標，需要做到科學地、系統(tǒng)地、合理地、定量地分析確定水量水質和生態(tài)特征指標[3]。針對城市內澇、水污染等多重水問題，需要因地制宜地選擇工程設施位置與規(guī)模，同時將具有單一功能的工程設施合理組合，以實現(xiàn)水量、水質、生態(tài)控制等指標的全面達標，以下就海綿城市建設系統(tǒng)分析的必要性做幾點分析：

1)系統(tǒng)分析是對海綿城市專項規(guī)劃的深化和補充

海綿城市建設工作推進速度相對較快，短時間內完成的海綿城市專項規(guī)劃，其核心在于指標分解，在如何系統(tǒng)解決問題方面考慮不足。

2)系統(tǒng)分析是實現(xiàn)各系統(tǒng)之間有效銜接的前提

海綿城市建設牽扯水安全、水環(huán)境、水資源和水生態(tài)等多個系統(tǒng)，需要統(tǒng)籌分析水質與水量、生態(tài)與安全、分布與集中、綠色與灰色、景觀與功能、地上與地下、岸上與岸下等各方面的協(xié)調關系[4]，同時還需考慮城市原有或正在編制的相關專項規(guī)劃之間的銜接問題，尤其是城市豎向系統(tǒng)和各涉水專項規(guī)劃之間的關系。

3)系統(tǒng)分析可為海綿城市智慧管控提供數(shù)據(jù)支撐

海綿城市建設系統(tǒng)分析一般會體現(xiàn)區(qū)域內相關實測數(shù)據(jù)和數(shù)學模型模擬數(shù)據(jù)，且要求將實施、運維、管理等全過程的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、優(yōu)化調度數(shù)據(jù)和動態(tài)管控數(shù)據(jù)進行實時反饋，以便及時進行方案優(yōu)化與調整。將全生命周期內的多種數(shù)據(jù)集成化處理，為海綿城市智慧管控提供準確的數(shù)據(jù)支撐。

4)系統(tǒng)分析是統(tǒng)籌海綿城市建設有序開展的要求

海綿城市是一個包含很多系統(tǒng)的大系統(tǒng)，是一個跨學科、跨專業(yè)、跨部門的整體[5]，其建設需要根據(jù)區(qū)域城市建設發(fā)展計劃、經濟能力、現(xiàn)場實施空間條件等綜合因素，經過嚴密論證，制定科學合理的建設分期計劃和時序，這也是影響海綿城市建設綜合目標實現(xiàn)的關鍵因素。筆者認為，海綿城市建設應以至少包含源頭、過程和末端的一個完整的排水系統(tǒng)為基本單元進行實施，是實現(xiàn)逐步降低內澇風險、提高水資源利用率、控制污染排放等目標的有效途徑，同時應進行精準地量化分析，并統(tǒng)籌好每個排水分區(qū)間水量和水質的銜接關系，進而達到直觀地預評估每個實施單元對實現(xiàn)區(qū)域海綿城市建設綜合目標的貢獻率。

3 海綿城市建設系統(tǒng)分析的技術要點

3.1 道路及豎向系統(tǒng)

城市豎向系統(tǒng)是劃定排水分區(qū)、確定行泄通道、組織雨水徑流排放和設計排水管渠的依據(jù)[6]，對城鎮(zhèn)內澇防治起著至關重要的作用，也是影響源頭減排設施(LID設施)利用率大小的關鍵因素。海綿城市建設中應特別注重城市豎向設計，充分研究城市道路標高和場地豎向。合理的豎向系統(tǒng)可大大降低甚至避免城市內澇積水的發(fā)生[6]。筆者認為隨著城市開發(fā)建設進程的加速，因各種不可抗拒因素或者其它人為因素的影響，城市豎向系統(tǒng)也應隨之做出更合理的調整，與之相關的規(guī)劃也應適時進行調整或修編。

在進行下沉式綠地、植草溝、雨水花園、小型濕塘等源頭減排設施設計時，應注意兩方面的豎向問題。一是建設地塊“外部”的豎向問題。要實現(xiàn)建設地塊對雨水的蓄存、滲滯或傳輸功能，必須保證建設地塊相對于周邊其他地塊具有合理的高差，充分利用高程較低的地塊優(yōu)勢，將周邊雨水蓄存和凈化；二是建設地塊“內部”豎向問題，合理的豎向設計是保證源頭減排設施利用率較高的前提條件。如固原市九龍公園設計中，有效利用地塊高低起伏的特點，在地塊內布設LID設施，用植草溝將雨水花園和小型濕塘緊密連接，實現(xiàn)雨水傳輸、蓄存。

3.2 城市排水系統(tǒng)的構成

傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)主要是指市政排水(雨水)管渠系統(tǒng)。隨著城市開發(fā)建設過程中愈演愈烈的內澇現(xiàn)象的出現(xiàn)，住建部提出城市內澇系統(tǒng)，2013年又提出了海綿城市建設理念，至此，城市排水系統(tǒng)包括從源頭、過程至末端的四大系統(tǒng)。本文將源頭減排設施(LID設施)定義為微排水系統(tǒng)，傳統(tǒng)排水(雨水)系統(tǒng)稱為小排水系統(tǒng)，行泄通道、大型調蓄池等防澇設施定義為中排水系統(tǒng)，河、湖、溝等末端水系定義為大排水系統(tǒng)(見圖1所示)。另外，溢流系統(tǒng)是四大排水系統(tǒng)之間的連接紐帶，承上啟下，驗證各系統(tǒng)在豎向上的合理性。四大排水系統(tǒng)是一個即相互獨立又相互銜接的整體，不僅僅包括“排”，也包括一切可起到削峰減峰的方式和措施，其本質區(qū)別在于設計標準、針對目標、具體形式和設施種類的不同，在海綿城市建設中，需要其共同作用，提高城市預防暴雨災害的能力。

圖1 城市排水系統(tǒng)組織示意

3.2.1微排水系統(tǒng)分析

微排水系統(tǒng)是指由源頭減排設施組成的排水系統(tǒng)。旨在實現(xiàn)年徑流總量控制率、雨水資源利用率、年SS控制率和水態(tài)系統(tǒng)修復等目標。該系統(tǒng)沒有固定的計算標準，以各區(qū)域的徑流總量控制率對應的設計降雨量作為設計依據(jù)，主要控制占全年80%～90%左右的中小降雨[3]。在源頭有效減輕市政排水管渠系統(tǒng)的排水壓力，需要注意的是該系統(tǒng)與市政雨水管網系統(tǒng)在豎向上的合理銜接。

1)“海綿道路”系統(tǒng)中的微排水

采用新型材料或技術從源頭緩解道路排水問題，結合道路規(guī)劃設計條件，如果道路紅線范圍內沒有充足的綠地空間發(fā)揮雨水的滯、蓄作用，人行道可采用全透水型鋪裝，超過下滲能力的雨水可沿人行道流至路面。在濕陷性黃土等不適宜采用下滲材料的區(qū)域，可采用表面透水的人行道，經表面凈化后的雨水通過人行道雨水導流口排到路面，超標雨水作為客水排入下游地塊，或者通過雨水篦子進入市政雨水管網；如果道路紅線范圍有足夠的綠化帶，可按照綠地承接道路雨水原則，結合道路的橫坡方向，將綠化帶或隔離帶設計為下沉式綠地(具體設施類型以實際項目為準，下同)，根據(jù)實際地形，隔段可設計小型擋水堰，增加滯、蓄空間，同時設計路緣石開口，將道路雨水導入下沉式綠地，達到年徑流總量控制率目標。

2)“海綿小區(qū)”系統(tǒng)中的微排水

隨著生活水平的不斷提升，人們對于住宅小區(qū)的環(huán)境要求也越來越高。因此，在小區(qū)的規(guī)劃建設中，除了滿足人們日常居住需求的相關基礎設施之外，還需考慮居住環(huán)境，“海綿小區(qū)”應運而生。建筑小區(qū)屋面雨水徑流通過雨落管進入雨水罐(第二批海綿試點城市固原市做法)或經消能凈化處理后引入綠地內以滲透和儲存為主要功能的LID設施(第一批海綿試點城市西咸新區(qū)做法)，小區(qū)道路適當采用透水型(或半透水型)鋪裝，其雨水徑流通過盲管或地表有組織的匯入下沉式綠地，最后經過設施內部的溢流口溢流至市政雨水管網。這無疑實現(xiàn)了從源頭地塊有效控制雨水徑流，起到緩解市政管網排水壓力的作用，同時還可改善住宅環(huán)境條件。根據(jù)年徑流總量控制率、雨水資源利用率等指標要求，也可在小區(qū)內部或外部設置模塊化調蓄池，可以提高水資源利用率，用于綠化澆灌、景觀用水等，緩解局部區(qū)域水資源供需矛盾[7]。

3)“海綿公園”系統(tǒng)中的微排水

公園綠地面積較大，地形高低起伏，形態(tài)多樣，天然滲透力極強。將“海綿城市”的理念運用在公園建設中，打造能吸水、凈水、蓄水的最優(yōu)“海綿體”。公園內部主要采用以植草溝為主要形式的生態(tài)排水方式，合理運用微地形、傳輸型植草溝將下沉式綠地、雨水花園、濕塘等多種LID設施連接，形成豐富多彩的“片狀海綿”。

3.2.2小排水系統(tǒng)

小排水系統(tǒng)即為傳統(tǒng)排水(雨水)系統(tǒng)。包括傳統(tǒng)雨水管渠、暗涵、提升泵站等，主要以當?shù)囟虤v時暴雨強度公式為計算依據(jù)，一般承擔重現(xiàn)期為1～10 a的短歷時暴雨[8]。除了具有其原有功能之外，還有承接微排水系統(tǒng)中溢流雨水的作用。在海綿城市建設中，保證市政雨水管網與LID設施中溢流系統(tǒng)的豎向銜接順暢合理尤為重要，換言之，微排水和小排水系統(tǒng)之間科學合理的豎向關系是實現(xiàn)暴雨期間削峰錯峰效果的決定性因素。

3.2.3中排水系統(tǒng)

中排水系統(tǒng)主要包括城市行泄通道和排澇設施，由“排”和“蓄”兩部分組成，其中，“蓄”主要起到消峰減峰的作用。該系統(tǒng)主要功能是承接超過微排水系統(tǒng)和小排水系統(tǒng)設施消納和傳輸能力的雨水徑流，是保證城市不發(fā)生內澇的最后屏障。以近30 a最大24 h統(tǒng)計降雨量作為計算依據(jù)，意在解決小排水系統(tǒng)標準以上、內澇標準以內的地面積水。

在海綿城市建設中，為了減小暴雨期間下游管網排水壓力，降低末端受納水體防洪壓力，減小區(qū)域內澇積水，一般可考慮將公園定位為具有一定水面的雨洪公園，遇到多年一遇暴雨時，可利用常水位和最高水位之間的巨大調蓄空間來減輕下游區(qū)域的洪澇災害[9-10]。

3.2.4大排水系統(tǒng)

大排水系統(tǒng)是指河、湖、溝等末端水系，是城市排水系統(tǒng)的最后一道防線，是“兜底”工程。通常以河道防洪標準(如20年一遇)作為計算依據(jù)。如果城市河道或湖泊等末端水系現(xiàn)狀已經達到設計標準，為了保證上游雨水能夠順暢排入，則可以此為依據(jù)進行逆向設計城市排水管渠或行泄通道。一般習慣是根據(jù)現(xiàn)狀地形和道路豎向等進行排水管渠和行泄通道的正向設計，校核末端水系設計標準工況下的水位和排口水位關系是保證城市不發(fā)生倒灌必不可少的工作。

3.3 水資源利用系統(tǒng)

提高水資源利用率是海綿城市建設的核心目標之一。調查發(fā)現(xiàn)，目前國內大部分城市雨水、再生水等非常規(guī)水資源利用率不高，綠化灌溉、道路澆灑等均使用自來水，導致水資源嚴重浪費[11]。從城市整體用水角度出發(fā)，綜合分析區(qū)域水資源整體情況、降雨量和蒸發(fā)量、用水需求、經濟狀況等因素，確定提高城市雨水資源利用率的必要性和需要利用的雨水量，同時結合海綿城市建設，分析確定可建設雨水收集利用設施的的空間位置，最終確定雨水資源利用指標。分析國家兩批試點海綿城市建設情況，雨水資源利用率基本可達到2%～20%，如大連莊河雨水資源利用率為10%，廈門雨水資源利用率為2%，玉溪雨水資源利用率為5%，這無疑是提高城市非常規(guī)水資源利用率的一次千載難逢的機會。

3.4 污染控制系統(tǒng)

因降雨徑流的淋溶和沖刷，大氣和地面污染物通過地表和管網進入水體造成水環(huán)境質量下降。海綿城市建設中，面源污染主要通過透水道路、植草溝、雨水花園、人工濕地等LID設施進行控制，每種設施的控制程度均不一樣，如透水道路對Cu、P和Zn等重金屬的去除率約為81%[12]，這是傳統(tǒng)瀝青路面無法實現(xiàn)的功能。雨水花園對總磷的去除率約為70%～85%[13-14]。目前，我國對于徑流量及其水質監(jiān)測系統(tǒng)缺乏研究，尚未建立與之相匹配的技術和法規(guī)體系[15]。點源和內源污染控制，主要采用技術與傳統(tǒng)處理方式差別不是很大。海綿城市建設中，發(fā)現(xiàn)合流制溢流污染現(xiàn)象更加突出，根據(jù)區(qū)域實際情況，主要采用清污分離、雨污分流、末端集中收集處理設施(CSO調蓄池)等減少溢流量的策略對入河污染物進行有效控制。

4 后續(xù)海綿城市建設的建議

隨著海綿城市試點城市建設的完美收官，正式海綿城市建設也已拉開序幕。筆者根據(jù)近幾年的規(guī)劃設計和實施經驗，對后續(xù)海綿城市的建設提出以下幾點建議和設想。

1)應盡早開展海綿城市專項規(guī)劃，做好頂層設計

海綿城市專項規(guī)劃已經是城市規(guī)劃體系的一部分，應盡早開展編制工作，且將其相關指標、豎向、用地等納入總體規(guī)劃的管控要求。同時應以水為引線，協(xié)調好海綿城市專項規(guī)劃與城市各涉水規(guī)劃之間的銜接關系，指出各規(guī)劃中矛盾的內容或數(shù)據(jù)，并給出修編建議，做好頂層設計。

2)不為“海綿”而做“海綿”

海綿城市建設的理念已深入人心，將體現(xiàn)在城市建設發(fā)展的方方面面。應該植入道路、住宅小區(qū)、商業(yè)區(qū)、公園、河道治理以及其他市政基礎設施的修復與建設中，并不是為了“海綿”而做“海綿”。

3)協(xié)調好各部門之間的配合

由于海綿城市建設牽扯市政、水利、氣象等多部門，建議成立專有部門(如海綿辦)，做好各部門之間的協(xié)調工作，這樣既有利于順利開展海綿城市建設工作，又有利于資料和數(shù)據(jù)管理。

4)做好城市資產管理

相對傳統(tǒng)城市建設的工程來說，海綿城市建設是牽扯專業(yè)最多、行業(yè)最廣、影響因素最泛，耗時較長、涉及政府部門最多的一項長期工程，在做好工程建設的同時，還應注重排水設施等城市資產的管理，為后續(xù)建設項目提供數(shù)據(jù)支撐。

5 結語

海綿城市建設系統(tǒng)分析基于現(xiàn)狀調研分析，始于專項規(guī)劃，貫穿于設計、實施和運維管理等全生命周期，是高效實現(xiàn)綜合目標的法寶。但是也存在以下幾方面的問題：

1)系統(tǒng)分析周期較長，對區(qū)域基礎數(shù)據(jù)的全面性和精度要求較高。

2)系統(tǒng)分析不確定性因素較多，需要在實施、運維、管理等過程中發(fā)現(xiàn)不一致的數(shù)據(jù)實時進行調整優(yōu)化，從而導致后期工程出現(xiàn)變更，影響工期、投資等。

3)系統(tǒng)分析阻力較大。一般工程建設工期緊，而系統(tǒng)分析時間較長，如何做好好二者之間的平衡，需要統(tǒng)籌考慮各方因素。