海绵城市建设中相关支撑技术简介

栾勇，刘家宏

（中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京100038）

海绵城市建设中相关支撑技术简介

栾勇，刘家宏

（中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京100038）

城市化的快速推进给城市防洪治涝及城市河流生态环境的保障工作带来了严重挑战。海绵城市的建设理念是解决这些问题的方法之一，并且很具发展潜力。文章综述了国内关于海绵城市建设理念的研究；并基于海绵城市的理念，分析了海绵城市建设过程中的关键技术难点，包括在其规划设计、评价改进及调度管理等阶段遇到的技术难点；初步建立了海绵城市建设的技术体系，并系统地介绍了相关的关键技术在国内的应用现状；分析了关键技术在海绵城市建设过程中的应用前景。

海绵城市；城市雨洪；海绵体；建设技术；LID；BMP；SWMM模型

1 研究背景

近年来，随着城市的快速发展及城市人口的急剧增加，城市防洪治涝及城市河流生态环境的保障等工作面临重大挑战。海绵城市的建设理念在解决这些问题方面很具发展潜力。海绵城市可以发挥城市绿地、道路、水系等对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，在有效缓解城市内涝、削减城市径流污染负荷、更加有效地利用雨水资源的同时，保护和改善城市生态环境。

国内诸多学者对海绵城市理念进行了研究和探讨。董淑秋等［1］探讨“生态海绵”的构建技术方案及相关评价指标体系的建设；莫琳等［2］针对北京市面临的内涝水患及水资源短缺的问题，提出了以绿地和水系为主体构建城市“绿色海绵”的理念，并以北京市亦庄经济技术开发区南拓片区为例研究了构建“绿色海绵”的技术方案；苏义敬等［3］基于“海绵”城市及国内外最新的雨洪管理理念设计了下沉式绿地，其下沉式绿地可以实现防治内涝、水资源利用和景观美化的多重效益。

目前，海绵城市建设研究更多地是处于一个设计理念阶段，如何具体建设海绵城市及对其建设效果的有效评估仍缺乏实际有效的标准和方法。本文试图在分析海绵城市建设的关键点及难点的同时，系统地介绍包括城市开发及管理技术与城市雨洪径流模型等海绵城市的建设技术、国内的应用现状，分析其在海绵城市建设过程中的应用潜力，为海绵城市的发展及规划者提供一些有益的建议。

2 海绵城市建设的技术要点

海绵城市设计的主要目标是“小雨不积水，大雨不内涝，水体不黑臭，热岛有缓解”。海绵城市是绿色和灰色雨洪基础设施的结合［4］。海绵城市的设计应当优先采用绿色化、生态化的开发及管理措施，以达到促渗减排、慢排缓释的目的，同时强调减少城市雨水径流量，增加雨水下渗，并利用地下蓄水空间等灰色雨洪设施将部分下渗的雨水资源进行人工收集，利用各种绿色处理手段对雨水进行净化处理，并回收利用，从而在减轻城市内涝的同时，实现城市雨洪资源化。当新建人工“海绵体”，其主要建设形式可分为三种：点状海绵体、线状海绵体和面状海绵体。点状海绵体即各式各样的蓄水池和储水设施；线状海绵体即城市河流水系；面状海绵体即城市水库、湖泊及集中绿地和透水地面。

海绵城市建设过程中，面临诸多技术难点，主要集中在4个方面，即“海绵体”的规划及设计、海绵城市的建设施工、海绵城市建设的效果评价及改进和“海绵体”建成后的调度及管理。

2.1 “海绵体”的规划设计海绵城市建设的核心是修建城市“海绵体”，其面临的挑战主要有以下几方面：（1）“海绵体”的设计建设。确定城市“海绵体”建设形式时需要在考虑城市发展现状、未来规划及实际经济技术条件的基础上，通过灰色与绿色工程的结合系统优化设计，选用合适的施工技术及建设材料，并应用最新海绵城市建设的技术产品，从而实现海绵城市功能的最大化。目前，在确定城市“海绵体”建设形式缺乏可以参考的规范及实际经验等软措施；（2）“海绵体”修建的具体位置。确定城市“海绵体”修建的具体位置应结合城市的气候条件、自然地理条件及城市发展规划。目前，在确定城市“海绵体”修建的位置时缺乏科学的方法；（3）“海绵体”的布局及联系。单个“海绵体”对城市防洪系统产生的作用有限，通过对“海绵体”适当的布局，有机地将独立的“海绵体”连系成统一的“海绵体”系统，能够最大程度地发挥其防洪蓄滞潜力。目前，在修建城市海绵体时，缺乏用于模拟城市海绵体布局和联系的系统工具及可操作的方法。

2.2 海绵城市建设效果的评价及改进修建“海绵体”能为城市提供更多的透水面积，降低城市地区径流系数，有效地改善城市河道水质。海绵城市建设过程中，需要对修建的城市“海绵体”进行评估，包括其对城市防洪的贡献及城市雨水资源利用的效果评估。定量的评价不同建设情境下“海绵体”的蓄滞功能，生态功能及水文功能，合理科学地对“海绵体”的评价，有利于改进现有的“海绵体”，并为后续的“海绵体”建设提供经验及技术支持。然而，由于缺乏有效的评价体系及公认的评价标准，对海绵城市建设的评价面临诸多困难。

2.3 “海绵体”建成后的调度及管理维护“海绵体”建设完成后，为保障其正常运行，需要进行科学的调度管理及必要的维护。在“海绵体”的调度管理中，针对不同强度的降水-径流事件，制定各类“海绵体”特别是具有调蓄功能的海绵体的运行方式，对于控制城市径流，增加雨水资源利用，最大限度地发挥海绵城市功能具有十分重要的作用。目前，“海绵体”的管理权限仍不明确，水利部门，市政部门及环境部门都应当参与到“海绵体”的管理中，目前尚缺乏相关的部门合作机制。此外，“海绵体”运行过程中，如何对其进行科学管理使之高效运转尚缺乏相关的技术支持。

3 海绵城市建设的关键技术

目前，海绵城市建设的技术关键主要包括城市规划设计与管理技术及城市雨洪径流模型。其中，国际上比较先进的城市规划设计与管理技术主要包括LID低影响开发技术［5］和BMP最佳雨洪管理实践［6］。城市雨洪径流模型利用较多的是SWMM模型［7］及欧洲地区常用的MIKE模型，其中SWMM模型广泛运用于中国城市水文过程的模拟中。

在海绵城市建设阶段，LID低影响开发技术、BMP最佳雨洪管理实践及以SWMM模型为代表的城市雨洪径流模型，能够为海绵城市建设时的规划设计、评估及管理维护阶段提供一定的技术支持。这些技术在海绵城市建设过程中的应用前景如图1所示。

图1 海绵城市建设技术框图

3.1城市规划设计及管理技术

3.1.1 LID低影响开发低影响开发理念是20世纪90年代发达国家提出的一种新兴的城市规划管理理念。低影响开发强调通过源头分散的小型绿色工程控制设施，维持和保护场地自然水文功能、有效缓解城市不透水面积的增加所造成的洪峰流量增加、径流系数增大和面源污染负荷加重等问题。

低影响开发主要通过生物滞留设施、屋顶绿化设计、植被浅沟设计、雨水利用公园和雨水处理公园等绿色工程措施维持开发前原有水文条件，减少城市径流，控制径流污染，减少城市河道污染排放，提高城市雨水资源利用率，实现开发区域可持续水循环［5］。

国内关于低影响开发的研究很多，主要集中在低影响开发理念的分析及具体应用上。王建龙等［8］介绍了低影响开发的具体体系及实施方法；王红武等［9］分析了影响低影响开发工程效果的因素，提出了一些改善低影响开发技术的措施；邢薇等［10］提出了构建基于低影响开发的可持续城市雨水系统，强调了雨洪资源的利用；苗展堂等［11］分析了干旱半干旱地区基于LID的城市雨水设施体系模式，并核算了干旱半干旱区入渗模式的渗透设施面积。

在城市规划阶段，低影响开发技术强调采用“集水区”的原则进行城市水文设计。“集水区”原则要求在城市规划过程中，考虑城市自然地理条件，将城市以汇水边境划分为多个子流域“集水区”，并在“集水区”内进行城市雨水设计。“集水区”的原则考虑了城市水文条件，强调在不剧烈改变当地水文条件的基础上，进行合理的城市雨水管理。在海绵城市建设过程中，“集水区”原则值得借鉴。具体的城市“海绵体”建设过程中，应在规划阶段划分城市“集水区”，在“集水区”内修建“海绵体”时，考虑所在“集水区”间的水文联系，可以采取修建城市“绿道”等措施将各“海绵体”联系成一体的系统网络，最大程度地发挥“海绵体”的水文生态功能。

3.1.2 BMP最佳雨洪管理实践最佳雨洪管理实践起源于20世纪的美国，现广泛运用于欧美各国，BMP主要有两种类型，即结构性的BMP（Best management practicies）和非结构性的BMP。结构性的BMP主要涉及城市雨洪管理系统的物质组成，如路面材料组成、储水设施的修建、渗透系统及过滤系统的组成等；非结构性的BMP主要涉及新的管理实践的引进或对已有管理实践的改进，如常规雨水管理、不渗水区域的控制、民众教育和相关法规等。BMP的核心在于强调对于较小的降雨事件如2.54 cm以下的降雨实施有效控制，可以覆盖当地年降雨事件和径流量的90%，并在对洪涝、峰值流量和水质的控制之外增添了对地下水回灌与受纳水体的安全保护标准的总体控制［12］。

结构性的BMP设计与LID技术在处理城市内涝具有一定的相似性，都是强调通过绿色工程措施减少城市地区径流，减少城市面源污染，BMP中的非结构性BMP包含更多的管理方法及宣传教育等策略。国内关于BMP的研究相对目前较少。韩秀娣［13］综述了BMP在非点源污染控制中的应用现状，并对其应用前景进行了展望；贾海峰等［14］选用了合适的LID BMPs措施，并对其进行了选址及布局研究，并对不同规划方案进行了优化，给出了最具成本-效益的规划情景方案。

海绵城市建设过程中，需要科学有效的管理策略。维护和修建“海绵体”的实践中，需要提出有效的管理目标，参考最佳雨洪管理实践的做法，应提出具体的城市雨洪控制目标，设定降水频率，并要求对降水频率一下的降水过程进行有效控制；同时也应当对城市地下管道内的雨水水质及城市河道内的水质进行管控。

3.2 城市雨洪径流模型20世纪70年代以来，城市雨洪径流模型作为一种有效的城市雨洪管理工具，在城市水文模拟中得到了广泛的应用。城市雨洪径流模型根据建模基础理论主要分为概念性水文模型及数学物理水力模型。目前，运用较多的城市雨洪径流模型主要有SWMM，STORM，HSPF，TRRL及MIKE等模型。其中，SWMM模型是目前最完整的降水—径流—水质模型。SWMM模型采用非线性水库蓄水过程线的方法模拟降雨径流过程，包括洼地渗透储存过程、蒸发及地表径流过程等；通过使用改进的运动波近似方程和假定完全混合流来示踪水流和污染物在地下排水管网中的路径［15］。

SWMM模型在国内的研究及应用很广泛，研究内容主要集中在城市降雨模拟及地下管网优化等方面。董欣等［15］应用SWMM模型研究了城市不透水下垫面的降雨径流过程和污染负荷；董欣等［16］利用SWMM模型对深圳市城市排水系统进行了系统模拟，分析了未来排水系统规划的环境影响；丛翔宇等［17］以SWMM模型为基础计算了北京一典型地区小区不同频率设计暴雨条件下积水及排水情况；李彦伟等［18］利用SWMM模型模拟了所选区域排水系统的运行现状，提出了改变节点高程及增大管径的管网改造方案。

在海绵城市建设、管理及评价过程中，SWMM模型都可以作为一个有效的模拟工具。在“海绵体”项目规划阶段，可以利用SWMM模型模拟不同建设情景下海绵城市的建设效果，考虑包括不透水面积，城市径流系数及地下管网的负荷等因素的影响，可以参考模型结果选取适当的建设形式；在海绵城市的管理过程中，SWMM模型能够根据不同管理措施模拟城市水文响应，评估管理措施的效果及可靠性，从而优化城市海绵的调度管理；在城市新建“海绵体”的评价过程中，可以结合SWMM模型对城市地下管网的模拟及突发性降雨时的城市积水深度的综合模拟，评估“海绵体”的建设效果，并可为后续的“海绵体”建设提供经验。

然而，SWMM模型在应用过程中仍然存在诸多缺点。比如，SWMM模型对城市管网资料的要求较高，国内许多城市难以提供详细的管网资料，影响了模型的推广，此外，SWMM模型对汇流单元的考虑还比较简单，海绵体的作用在模型中如何体现还缺乏成熟的模块。

图2 SWMM模型在海绵城市建设中应用的结构框图

4 结语

海绵城市的理念为城市防洪治涝及雨洪资源利用提供了一个很具潜力的解决方法，然而海绵城市的建设目前仍处于探索试点阶段，在海绵城市建设过程中需要更多的技术支持。文章系统地梳理了海绵城市建设过程中的规划设计，评价改进及管理维护等阶段的关键技术问题，介绍了包括城市规划开发及管理技术与城市雨洪径流模型的建设技术在国内的应用现状，并对其应用前景进行了展望。

［1］董淑秋，韩志刚.基于“生态海绵城市”构建的雨水利用规划研究［J］.城市发展研究，2011，18（12）：37-41.

［2］莫琳，俞孔坚.构建城市绿色海绵——生态雨洪调蓄系统规划研究［J］.城市发展研究，2012，19（5）：130-134.

［3］苏义敬，王思思，车伍，等.基于“海绵城市”理念的下沉式绿地优化设计［J］.南方建筑，2014，1（3）：39-43.

［4］李光照.海绵城市需重视绿色设施及灰色设施建设［J］.中国勘察设计，2015（11）：66-69.

［5］Prince George's County Maryland，Department of Environmental Resource，Programs and Planning Division Low Impact Development Design Strateg：An Integrated Design Approach［M］.USA：Programs and Planning Divi⁃sion，1999.

［6］US EPA.The use of best management practices（BMPs）in urban watersheds［R］.Washington DC：EPA/600/R-04/184，2004：1-12．

［7］Rossman L A.Storm water management model，V5，user’s manual［M］.USA：US Environmental Protection Agency，2005.

［8］王建龙，车伍，易红星.基于低影响开发的城市雨洪控制与利用方法［J］.中国给水排水，2009，25（14）：6-9，16.

［9］王红武，毛云峰，高原，等.低影响开发（LID）的工程措施及其效果［J］.环境科学与技术，2012，35（10）：99-103.

［10］邢薇，赵冬泉，陈吉宁，等.基于低影响开发（LID）的可持续城市雨水系统［J］.中国给水排水，2011，27（20）：13-16.

［11］苗展堂，王昭.基于LID的干旱半干旱区城市雨水设施体系模式［J］.中国给水排水，2013，（5）：55-58.

［12］HUNT W F.Urban Stormwater Structural Best Management Practices［M］.Ellicott：Center for watershed Protec⁃tion，1999.

［13］韩秀娣.最佳管理措施在非点源污染防治中的应用［J］.上海环境科学，2000，19（3）：102-104，128.

［14］贾海峰，姚海蓉，唐颖，YU Shawlei.城市降雨径流控制LID BMPs规划方法及案例［J］.水科学进展，2014，25（2）：260-267.

［15］董欣，杜鹏飞，李志一，等.SWMM模型在城市不透水区地表径流模拟中的参数识别与验证［J］.环境科学，2008，29（6）：1495-1501.

［16］董欣，陈吉宁，赵冬泉.SWMM模型在城市排水系统规划中的应用［J］.给水排水，2006，32（5）：106-109.

［17］丛翔宇，倪广恒，惠士博，等.基于SWMM的北京市典型城区暴雨洪水模拟分析［J］.水利水电技术，2006，37（4）：64-67.

［18］李彦伟，尤学一，季民，等.基于SWMM模型的雨水管网优化［J］.中国给水排水，2010，26（23）：40-43.

Analysis of sponge city construction technology

LUAN Yong，LIU Jiahong
（Department water resource，IWHR，Beijing100038，China）

The rapid advance of urbanization has brought serious challenges to urban flood control and the protection of the ecological environment in urban rivers.The concept of sponge city proves to be a very promising method of solving these problems.The domestic research on sponge city construction concept is summarized.Based on the concept of sponge city，analysis on main technical points in sponge city construc⁃tion has been conducted，including technical difficulties in planning and design，assessment and improve⁃ment，scheduling management in the construction of sponge city.The sponge city construction technology system is preliminarily established.The related key technologies and its application in domestic are systemat⁃ically introduced.

sponge city；urban rainfall flood；sponge；technology；LID；BMP；SWMM model

TV213

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.05.010

1672-3031（2016）05-0374-05

（责任编辑：王成丽）

2015-11-16

栾勇（1990-），男，河南周口人，硕士生，主要从事水文与水资源研究。E-mail：18801385878@163.com

刘家宏（1977-），男，湖北钟祥人，博士，教授级高级工程师，主要从事水文与水资源研究。E-mail：liujh@iwhr.com