干旱区的海绵城市建设—以白银市为例

■ 丁兆栋

本文结合白银市区域环境背景，提出生态海绵城市建设思路与关键技术，即从低影响开发、城市径流控制与模拟、排水系统规划等方面入手，加强城市水环境信息化管理，统筹自然水和社会水循环过程，发挥城市的海绵效用。

白银市地处我国干旱与半干旱生态脆弱带上，城市水资源短缺、水质污染和排水不畅的问题尾大不掉。以海绵城市建设为契机，探讨白银市海绵城市建设思路并提出其相应措施，以期为促进城市和谐发展提供决策参考。

一、水问题研判：旱涝并存

白银市位于我国中央经线偏北、黄河流域腹地，地形以山地、高原为主。区域为北温带大陆性气候，夏季炎热短促、冬季寒冷绵长。境内河流发源于两侧山脉，均属黄河水系，区域水资源年季变化大、流量不稳定。本区黄土地貌发育，植被覆盖度较低、水源流失严重。

水生态环境恶劣。白银市深居黄土高原生态脆弱区，区域水源涵养能力较差：①地表疏松、植被密度稀疏、降水强度大，导致土壤可蚀性强、水土流失严峻，不仅造成水资源浪费，还破坏了地区生态功能。②白银市以能源、重工业经济体系为主体，工业需水量与废物排放量大；加之农耕区土壤侵蚀迁移过程，全市地表水、地下水污染问题凸显，水质堪忧。③白银市经济开发占用河道、湖泊、湿地、林草地等生态用地，局域蓄水调节功能降低。

水资源供需矛盾加剧。白银市年均降水量不足 （500mm/a），蒸发量高达1700mm，气候干燥，难以为生态环境与经济社会发展提供稳定的水源。白银市人均水资源量仅为168m3，仅占全国平均水平的1/12，并且每年地下水超采0.7亿m3。地下水资源供应不足成为该市可持续发展的限制条件之一。

极端灾害天气频发。受全球气候变化影响，局域大气环流稳定状态被打破，从而导致极端天气的概率大大增加。近数十年来白银市降水波动性变强，降水强度更加集中，秋季降水增多、夏季有所减少，冬春季节降水量增加。气候模式突变，对历史积累的防洪抗旱经验与设施来说是不利的，势必增加应灾成本和灾害风险。

传统水问题治理缺漏。白银市水资源引起的自然灾害主要是洪涝和干旱，传统治理模式难以适应水循环过程变化对城市生态弹性的要求。鉴于此，应当正视并解决传统旱涝灾害防治存在过程分离和同城不兼顾的问题。

二、治水思路：尽量存续、利用

图1 白银市生态海绵城市建设的总体思路

自海绵城市概念被提出后，国家部门在有关城市进行试点并推出系列指导方案。虽然各地实践环境不同且对海绵城市建设思路存在差异，但综合来讲其总体要求就是以调控水资源循环为核心目标，依托于城市构建城市流域生态系统与经济社会系统，充分发挥生态性与社会性功能，从而达到城市与水资源环境和谐可持续发展。其具体要求可以概括为：①遵循自然水循环过程机制来改变地表产流、径流环境，增强水土保蓄能力。②将生态水转化为社会水，在此过程中不会伤害水体质量和水环境承载力。③社会水循环过程赋予其自然生态过程，确保其不会对生态水循环以及环境造成破坏。④统筹水资源生态、社会双重属性，达到按需分配、按时调节、可操作性强的目标。

白银市生态海绵城市总体建设思路如图1所示。建设海绵城市主要工作就是在划分城市内景观流域单元的基础上，明确自然水与社会水循环过程主线及其二者之间无损关联，据此充分利用水资源；同时规范人类对水环境的干扰，加强污染治理并提升排放标准。图1中绿色部分为对生态水循环过程的实施策略；棕色部分为对社会水的治理方案；蓝色部分为天然降水。综上而言，遵循自然水资源循环中的降水、渗流、蓄水、净水、蒸散等过程，基于防洪安全考虑排蓄平衡，在此基础上最大限度加以存续、利用，并保证水资源安全性、生态性，构成一个自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市。

三、建设海绵城市关键问题

（一）LID低影响开发

白银市LID将核心城区划分为253个单元，对每个单元主要采用了生态涵养、下沉绿地、生态屋顶、透水装置铺设等措施，参照《海绵城市建设技术指南》确定了这4种措施对地表径流的影响范围参数，经核算生态涵养工程能够减少径流量为50～100、120～200、20和12mm。各种工程措施铺设见图2，其中生态工程措施面积达1542hm2；下沉式绿地为986.78hm2，其单体铺装面积介于0.1～10.56hm2之间；透水装置铺设面积为542.6hm2，单体面积在0.1～5.23hm2之间；绿色屋顶主要分布于建筑物顶层，其面积最小，仅为235.5hm2。通过ArcGIS10.3软件绘制了白银市城区LID措施分布，效果图如下所示。

图2 白银市LID空间分布

（二）城市径流控制与雨洪模拟

白银市降水量相对不丰、中心城市河流单一，地表产水能力一般，参照《海绵城市建设技术指南》要求其年径流量为控制V区，控制率介于60%～85%，为了准确测算其阈值，利用市内气象站点的逐日观测数据通过格网法测算，将其控制率确定为72%，则其3h设计降水总量为18mm。根据城区本底环境特征、地表覆被和建筑结构，将用地类型规划成水域、绿地、平顶屋、斜顶屋、裸地等5类，以满足LID建设需要。在此基础上划分7大单元（图3），对各单元径流特征进行独立计算，并利用HIMS雨洪模型对7大单元里的253个子单元分别进行降水情景模拟。各地块的径流系数空间分布图如图3所示，城区中西部径流系数相对较高，东部径流系数较小，主要由于东部地势较高，径流过境快；而西部地势较低，径流流速慢而水面较宽。径流系数其值介于0.04～0.72之间，平均值为0.46。排水管道是径流输移的重要通径，通过模拟汇流过程，大部分管道的充满度最大值为0.80，达到有效水平，表明该HIMS雨洪模型模拟结果较为可靠。

（三）排水通道识别与规划

白银市河道、湿地稀疏且河道生态功能性弱，现有的水域环境难以满足产流排蓄需要，应积极构筑地下排蓄系统。本区黄土地层累积深厚且直立性强，这有助于地下施工建设；然而难点在于规划科学的排蓄系统设施。因此提出三点建议：①通过全局雨洪径流特性进行可控径流估算，并结合原有地下排蓄系统进行立体、综合性规划，构建功能分明、差异多元的排蓄体系。②利用现代高新设计方案对地下雨洪调蓄池结构进行空间设计，合理规划调蓄、通径管线、水处理、水文监测等设施。③赋予排蓄通道雨洪调控和水质净化功能，结合水资源承载能力、洪涝安全进行自动化调控排蓄；并实现污水分类处理和循环利用。

（四）系统监管与维护

顶层设计必须统筹全局、系统规划、时空结合。对于基础设施建设好之后加强城市各类水文信息智能、自动关管理极有必要。①多部门（市政、国土、环境、信息）联动，协同监管和服务。②构建城市水文信息系统，通过现代地理信息技术、计算机、数据库技术，实时获取相关水文、设施、人力、物力的时空信息，以便进行排蓄、防洪等决策。

图3 白银市海绵城市计算分区与径流系数空间分布

城市地表产流速率快、下渗透少，发挥城市海绵体的作用主要在于统筹生态蓄水、人工蓄水能力。对湿地、河湖、水域等建设相关的凹式绿地、植被覆盖、透水设施等海绵式装置，一方面缓冲径流过程对地表的侵蚀，另一方面增强水土保蓄能力。另外，还要因地制宜构建排蓄设施。

海绵城市建设需要从城市自然环境出发，对水文特征、生态要素、用水需求、管线通径、排蓄设施等进行系统规划、统筹布局，运用生态学、地理学、系统科学和现代计算机、互联网技术构建水资源与经济社会之间的关联信息系统，做到水资源科学有效调配。在这一系统工程中，秉承“山水林田湖”生态性理念是其精髓，而采用高新科技和现代理念加强生态治理、防洪建设和蓄水工程是其关键技术。