干旱地区海绵城市建设的特点研究——以内蒙古包头市为例

关卓今 ，张德举 ，王 慧 ，张玉宝 ，宋瑞静 ，薛 倩 ，张 欣 ，琳 娜 ，朱向宏

（1.北京市新水季环境工程有限公司，100048，北京；2.北京市水科学技术研究院，100048，北京；3.北京市密云水库管理处，101512，北京；4.北京市水利规划设计研究院，100048，北京）

干旱地区海绵城市建设的特点研究
——以内蒙古包头市为例

关卓今1，2，张德举3，王 慧4，张玉宝1，宋瑞静1，薛 倩1，张 欣1，琳 娜1，朱向宏1

（1.北京市新水季环境工程有限公司，100048，北京；2.北京市水科学技术研究院，100048，北京；3.北京市密云水库管理处，101512，北京；4.北京市水利规划设计研究院，100048，北京）

城市绿色环境系统生态设计模式在干旱地区海绵城市建设中更具应有优势。表现在：最大限度地雨水利用情况下具有更低的风险和更大的雨水利用率；利于扩大绿化面积并节约浇灌用水；可基本消除城市雨洪内涝；极大地消除风尘和粉尘之类空气颗粒物等空气环境问题；减轻雨水排水压力和管线负荷；减少排水管线堵塞，免除建设蓄水池和土地开挖等特殊雨水管理工程设施，大大减少和节省建设费用等。该生态设计模式的应用可使海绵城市建设在干旱地区变得容易和节约，并且释放其巨大的生态效益和经济效益。

海绵城市；干旱半干旱地区；城市雨水利用；城市生态设计；城市绿色环境系统；包头市

海绵城市是一种具有生态思想的城市雨水管理利用的建设形式，是现代城市生态基础建设的重要部分；海绵城市建设的核心思想就是对城市雨水管理要求上的自然积蓄、自然渗透、自然净化；通过自然积蓄和自然渗透，实现城市雨水节水利用和减少发生洪涝的可能，同时加强城市生态系统的物质利用和循环过程、发展和强化生态系统的功能、提高城市的自净能力，从而极大地改善城市环境，使城市形成一个合理、有序、协调、良性运转的城市绿色环境生态系统。

我国大力推进海绵城市建设，国务院办公厅印发的《关于推进海绵城市建设的指导意见》（国办发〔2015〕75号），尚未将400 mm以下降雨量地区的城市列入参与范围，但并不意味着这些地区不需要海绵城市建设，也不意味着这些地区不能实施海绵城市建设。我国干旱半干旱地区占国土面积52%，分布着众多城市。由于干旱半干旱地区自然环境独特，进行海绵城市建设具有独特特点。这些地区存在降雨量少、植被覆盖度低、绿化难、风沙大、暴雨泥沙量多等不利条件，却可以在海绵城市建设行动下，以极小的投入使居住环境有较大的改观，尤其对较为恶劣的生态环境可有意想不到的效果，如节水改善城市绿化，降低扬尘和粉尘，解决城市排水系统堵塞及内涝问题，控制面源污染及减少固体废物堆积等。

一、干旱半干旱区的气候水文特性及城市格局特点

1.气候特点

地处大陆中心和受欧亚大陆—太平洋形成的季风气候影响下的干旱半干旱地区，降水集中于夏秋季节，年降水量多在400 mm以下；尽管年内降水较少，但较为集中，多分布在7—8月；尽管每年总有几场几十毫米的较大降雨出现，但最大次降雨量较湿润地区小得多，如包头市历史记录年最大日降雨量为83 mm。由于降水量少，植被以草原和荒漠为主、覆盖度低，风沙大，风尘起土、扬沙天呈常见的环境问题。

2.城市水资源供应紧缺

干旱半干旱地区城镇水资源短缺显而易见，城市用水主要取自地下水或过境水，地下水的使用造成地下水水位逐年下降；过境水在水系空间范围内用水的平均化，使得原来用水量大的城市面临着缺水的威胁。例如包头市是全国严重缺水城市之一，绿化占用水资源的很大一部分，因此需给予很大的投入。

3.植被与绿化用水特点

干旱半干旱地带植被主要是耐旱草本和灌木植物或地面裸露。由于绿地维护极端艰难，城市面积扩大要付出巨大的代价，投入维护的费用极其高昂。如果按包头市2010年的水资源规划，在包头市区绿化规划的180 km2的范围内，按照35%绿化，绿化面积达到6300 hm2；如果绿地每年用水0.8 t/m2，那么每年绿化用水将达5 040万t；除去1/3的天然降水，需人工补水灌溉3 360万t，即平均每日需水9万t；接近于包头市最大提水站（包头黄河大桥提水站）的日均提水量。

4.城市格局与雨水管理特点

干旱半干旱地区现有城市建设结构格局和对雨水的管理方式，与全国其他地区模式一样，都是垂向设计为三级台阶式，即最高阶的绿化绿地、次高的人行道硬化面和最低的机动车行道硬化面，这种模式让雨水以最短的距离和最快的速度进入排水系统而排离城区。随着城区不断扩张、硬化面迅速扩大，出现排水能力不足、道路大量积水等现象，形成城市内涝；而且雨水携带的泥土沉积于道路，形成道路尘土来源以及造成排水管网堵塞。

干旱半干旱地区的现状城市格局容易产生环境问题。这种结构格局在快速发展的城市由于硬化面的急速增加容易发生3种常见的后果。①雨水快速排离城区，使原有雨水水文环境破坏，雨水资源未得到充分利用，城市绿化面积受到限制，而且由于水分浇灌不足还会造成绿化质量下降，以及绿化生态功能等效果降低和生态环境恶化，城市自净能力进一步降低，并造成热岛效应、干岛效应等一系列环境问题。②短暂的雨水汇集形成城市雨洪造成内涝，这种情况在这些地区已并不罕见。③植被覆盖率低，风尘和粉尘问题比较湿润地区更为突出，难以控制；同时雨水径流携带的泥沙造成排水管道内污泥堆积，清理困难，净容量和排量减少，也成为内涝因素之一。

二、干旱半干旱地区海绵城市建设的应用特点分析

干旱半干旱地区应当以“典型下凹绿地”结构格局作为海绵城市生态设计基本模式，即在建筑、道路等硬化地面和绿地、排水系统组成的城市绿色环境系统单元中，要求硬化面高于绿地面，排水口置于绿地内、高于绿地面而低于硬化面；硬化面最高，绿地面最低。

1.雨水利用的最大化

干旱半干旱地区年降水量和日最大降雨量相对较小，而且一般地带土壤也有较强的透水性，采用生态设计模式的海绵城市建设，可将每次降雨尽可能全部控制利用而达到雨水利用的最大化。也就是通过生态设计模式建设，在城市绿色环境系统中，只通过采用“典型下凹绿地”即可将降水尽可能全部利用。

2.城市建设结构格局全面变革的风险

由于干旱半干旱地区城市采用生态设计模式，能自然将雨水全部控制利用，符合LID等生态学思想，可产生有益的生态和经济效果。这种建设结构格局模式与现行的三级台阶式的城市结构格局相比，从整体上有相对较大的变革。在应用风险上，由于这种模式使最大降水能在最低影响开发管理范围内全部利用，因而雨水利用风险可控，那么这种格局变革的风险也将最小。

3.绿地格局与绿地功能

在城市绿色环境生态系统中，绿地将在城市建设中最大限度地分散分布，各单元绿地在相对源头平均接收雨水，从而使绿地或绿色环境系统的各种负荷达到最轻，受到的冲击在平均状态下达到最小；这样的绿地在接收雨水的同时将接收雨水携带的其他环境物质，如泥沙、碎屑、悬浮物及溶解的营养污染物质等，且都将在可控制范围内，符合LID等生态学思想；同时有促进绿色环境系统生态功能的发展和提高作用。

4.海绵城市的净化作用

一是城市自净能力提高。由于城市绿色雨水利用环境系统接收了大量有利于生态系统发展的物质，如雨水、营养物质、泥沙等，生态系统中植物会得到更加旺盛生长的机会，土壤微生物大量生长和发展，从而使生态系统更加健康发展，生态功能得以极大提高；相应生态系统可通过产生新鲜空气、吸收空气污染物、净化空气粉尘等改善空气质量，通过吸收净化雨水污染物、分解净化固体废物接收等清除空气粉尘来源以及抑制和杀灭病原微生物等，从根本上提高城市自净能力，使城市环境得以改善。

二是对雨水的净化。干旱半干旱地区城市降雨量较小，所携带的物质浓度较高。海绵城市生态设计模式对雨水的全部或绝大部分的利用，也会将所携带的污染物控制在绿地中以便于净化；绿地的分散作用和接收的轻负荷效果，也使其对雨水携带的污染物控制和净化作用加强，从而减少污染物向下游进一步扩散。

三是对泥沙、风尘、粉尘的净化。生态设计模式对环境的净化，将为居民改善空气环境质量，也将减缓泥沙对雨水排水系统的堵塞问题。

四是对有机物碎屑的接纳和循环。高程较低的绿地系统有利于动植物残体等有机物碎屑、固体废物等进入，并将其分解或存留作为土壤的一部分，从而加强物质循环和营养物质的利用，促进生态系统发展并增强系统生态功能。

五是对绿地土壤的修复。增加的土壤水分以及土壤物质循环和营养改善，使得土壤内动物及微生物大量发展，从而改善土壤性能，使绿地土壤得到较好的修复，土壤生态系统的生态功能得到增强，并在一定程度上增加土壤的雨水渗透能力。

六是对疾病卫生环境的改善。绿地植物的发展、土壤微生物的发展，使城市绿色环境生态系统生产运行规模壮大、生态作用和效果极大增强，从而形成巨大的疾病环境控制屏蔽，改善城市卫生环境。

三、投资特点分析

目前海绵城市建设的投资主要包括：雨水接收系统，如绿地、蓄水系统、接收雨水管线等；雨水储蓄系统，如雨水接收系统、净化设施、蓄水池、排放系统等；雨水渗透系统，如各类湿地系统、雨水绿地系统、雨水花园等；雨水净化系统，如初雨分离系统、初雨接收、储存、净化系统等；雨水利用系统等。按照城市绿色环境系统生态设计模式，在干旱半干旱地区进行海绵城市建设时，由于该地区的特殊性和应用生态设计模式的优越性，上述多数雨水利用工程或将无须建设，也就相应极大地降低其建设费用。

一是蓄水池。干旱半干旱地区由于年降雨量多在400 mm以下，没有建造蓄水池作为蓄水利用价值或作为临时雨水滞留作用的需要，即可省去这类雨水利用工程。

二是雨水净化设施。由于无雨水积蓄利用工程设施，并自然积蓄雨水用于绿化，绿地中雨水自然净化，相应也就不需要专门的雨水净化设施系统、初雨分离系统和初雨净化系统。

三是雨水收集系统。由于无蓄水池等特定的积蓄工程设施，对雨水的收集采用简单的常规建设方式即可，雨水只需要自然经过硬化面进入绿地，通过调整绿色环境系统中各要素的边缘结构使边缘效应符合要求而不必做专门的雨水接收工程系统。这样有利于将面源污染物质汇入绿地。

四是强化渗透系统和湿地系统。由于接收雨水量相对较少而绿地面积较大，强化渗透系统相应降低需要，多数情况在没有必要时，应因地制宜，减少其投入。雨水花园等湿地系统不做特殊利用时，可与绿地同样作为生态设计雨水利用的广义绿地，发挥雨水利用的生态作用，不需额外投入。

五是典型下凹绿地。以“典型下凹式绿地”的生态设计模式对绿地加以利用，在建设时，绿地高程保持原有地面基准高程，在建设较高位的硬化面时，会自然形成较低位的下凹绿地。因此，并不需要对下凹绿地做专门建设和投资；而且可减免旧格局建设时硬化面需要下挖的土方，同时由于硬化面抬高而为多种开挖提供了土方平衡的条件，故可减少土方下挖和运输费用。所以从干旱半干旱地区整体城市雨水利用讲，“典型下凹式绿地”的建设没有增加额外建设投入。

六是雨水排水系统。雨水通过生态设计模式“典型下凹式绿地”因地制宜、最大限度地加以利用，进入排水系统的雨水会大大减少或被全部利用进入环境，因此排水系统的建设规模可大幅度减小、其排水设计标准也可大幅度降低，从而可间接降低城市排水系统的建设费用。

七是固体废物。生态设计模式的“典型下凹式绿地”可将降雨携带的泥沙、风等生态动力携带的沙土、粉尘收集于绿地，减少环境中动植物残体废物等成为垃圾而进入绿地的物质循环，从而可减少大量城市固体废物垃圾数量，并减少城市填埋场压力。

八是绿化。海绵城市的生态设计建设将极大地利用降水自然进入绿地，可使绿化面积大幅度扩大，并减少绿化浇灌用水，从而降低绿化用水和浇灌费用。

四、应用要点分析

1.绿地面积和深度选择

一是绿地面积。如果是以城市绿化要求不低于1/3的面积作为城市绿地面积，那么应尽量将绿地地块分散分布，与建筑及硬化面均匀分布，以最大限度使雨水接收利用均匀化；并且尽量降低包括透水铺装的硬化面面积扩大土壤为基质的绿地面积。

二是绿地深度。对有限的降雨，绿地面积大，则深度可小，反之亦然。一般情况，为尽量将降雨最大限度利用，在可能接收的雨量、土壤渗透能力、地下水状况、地下建筑状况及植物生态类型等各条件适合或满足的情况下，选择较大的绿地深度，以满足植物长期生长体积增长的空间、泥沙尘土等外来沉积物积累、外来其他固体废物积累、动植物残体等存蓄和分解循环场所等的需要。一般绿地深度选择20 cm左右为宜。

2.绿地与排水口高程的配合

如果设计降雨大于绿地的接收和渗透能力，则将选择排水系统；设置排水口应同时跨硬化面和绿地两个区域，并能使雨水先进入绿地；绿地中的雨水口高于绿地平面而低于周围的硬化面；当雨水积蓄高度较大时，再从绿地中的排水口排水。

3.绿地与透水铺装的配合

绿地的生态作用或雨水利用作用远大于透水铺装结构。应尽量选择建设绿地而代替透水铺装，尽量扩大以土壤为基质的绿地的雨水利用面积。

4.绿地与建筑的配合

一是绿地的分布。一定面积的绿地只有分散利用，才可以最大限度接收雨水。一定面积的绿地，以小块面积分布则容易分布均匀，从而实现分散源头、最大限度降低绿地地块负荷过大而受损的风险。

二是建筑的排水方向选择。被绿地收集利用的建筑上雨水，多数以绿色植物利用为主，尤其是乔木，考虑光照、植物的蒸腾作用及生理活动等有利于植物的生长和生态系统的发展，建筑物的排水系统出水应尽量选择阳面一侧。

5.绿地与道路的配合

以生态设计模式进行的绿地对道路雨水的利用，一方面绿地利用道路的雨水，另一方面还应注意雨水径流对绿地及周边的损害。道路绿地应尽可能有较大的面积，从而降低较大面积道路雨水径流集中进入绿地而造成冲击。道路雨水的汇集容易形成雨水长距离径流，对进入的绿地产生冲击。边沟可使道路上超出绿地深度利用的雨水径流在不伤害绿地的情况下流动；而隔断则可使有一定坡度的绿地积聚的雨水保持平静的空间或不产生流动性，避免对绿地造成冲刷破坏，从而保证道路边绿地对雨水利用的局部保持相对独立安全性。

6.绿地中土壤净化作用和重金属运移特点

有研究表明，雨水径流中的重金属在土壤中的运移主要集中在深1 m以内。在较小降雨量和较大土地面积的干旱半干旱地区，源头的、分散的、小负荷的雨水利用可最大限度地发挥绿地的生态作用，对包括重金属在内的环境问题。海绵城市建设用生态措施解决的方式，是符合生态学一般原理的。

[1]仇保兴.海绵城市(LID)的内涵、途径与展望[J].现代城市,2015.

[2]住房城乡建设部.海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）[A].2014.

[3]关卓今.海绵城市建设中的生态选择研究[J].中国水利,2016（4）.

[4]关卓今.城市绿色集雨环境系统生态设计的理论与模式[D].沈阳：中国科学院沈阳应用生态研究所，2001.

[5]杜君兰，等.包头市水资源利用状况分析[J].黄河水利职业技术学院学报，2011（1）.

[6]刘宏伟，等.包头市园林绿地节水关键技术探讨 [J].中国城市林业，2014,12(2).

[7]王晓燕，等.包头市水资源现状及思考[J].内蒙古农业科技，2012（5）.

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[9]北京市水利科学研究院.北京市水资源开发利用关键问题之一——雨洪利用研究[R].1992.

Studies on features of sponge city construction in dry areas——a case study of Baotou City in Inner Mongolia//

Guan Zhuojin,Zhang Deju,Wang Hui,Zhang Yubao,Song Ruijing,Xue Qian,Zhang Xin,Lin Na,Zhu Xianghong

If a sponge city is built in dry area,the design model of green environment system will have advantages,such as low risks and high rate of rainwater utilization;expansion of green areas and water saving in irrigation;reducing waterlogging caused by rain floods in cities and air pollution caused by dusts;improving discharge of floodwater and drainage system;preventing pipeline jam;giving space to water storage and saving cost of construction.The application of this model can generate enormous ecological and economic benefits and is beneficial for the dry areas to build a sponge city easily and in a cost-effective manner.

sponge city;arid and semi-arid zones;rainwater utilization of city;urban ecological design;urban green environment system;Baotou City

TV213.9

B

1000-1123（2017）16-0028-04

2017-03-28

2017-06-11

关卓今，高级工程师，博士，主要从事生态学研究。

国家“十三五”水污染控制与治理科技重大专项（2017ZX0710004-04）。