可持续雨水管理与海绵城市的分析与启示

桂敬传，黄茜子，欧阳皓月 （.安徽地平线建筑设计有限公司，安徽 合肥 0000；.中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，安徽 合肥 0000；.厦门大学，福建 厦门 6000）

1 引言

随着城镇化进程加快，城市下垫面形态日趋改变，加之全球气候变化，城市洪涝已成为城市最主要的自然灾害之一。城市洪涝带来经济、社会、环境等方面的严重危害（表1），且受洪涝影响的城市数量、强度不断增大。据统计，中国668 座城市中96%以上开展防洪工作，近12 年防洪投入资金增加8 倍。1980s 开始，发达国家开始由常规的“堤坝围堵”“集中排放”的雨水管理方式转向“就地截流”“分散处理”的可持续雨水管理[1]。可持续雨水管理是利用建筑用地、建筑物、构筑物等将城市雨水收集转换后充分利用的方式，减少雨水径流，实现场地水资源循环。其方法的核心在于通过事先预防的方式达到小范围水资源供需循环，从而恢复城市生态能力，从根源解决洪涝问题，形成海绵城市[2]。

表1 城市洪涝危害[8]

2 城市雨水原因分析

在自然条件下的环境雨水下落地表后，首先，通过下渗、植物吸收、自然水体等方式进行储存；其次，在环境中通过水体蒸发、植物蒸腾等作用回归大气；最后，在温度湿度等自然条件通过雨、雪、霜、露等形式回落地面，由此形成自然的水循环系统（图1）。但由于城镇化是城市下垫面快速硬化，水体下渗速率急速降低、以及全球气候变暖，水体蒸发加快，使得自然条件下水资源循环受阻，从而造成洪涝、地表沉降、水体污染等一系列城市雨水问题[3]。

图1 自然水循环系统

2.1 渗透量减少，横向径流增加

据国家统计局统计，全国常住人口城镇化率2000-2022 年从34.39%上升到65.22%，且呈继续上升趋势。而城市下垫面主要构成为硬屋面、混凝土或沥青路面等，其中下垫面硬化比例高达80%。硬化后的下垫面下渗率急剧降低，导致地表水横向径流增大。其过程造成两方面影响：其一，下垫面截断了城市土壤水体下渗，地下水补充不足，造成城市地下水位降低，破坏地表受力结构造成建筑、路面等开裂倾斜，沿海城市会造成海水倒灌等危害；其二，横向径流增大，使得城市雨水绝大部分从排水管网疏散，增加城市排水压力，刷新排水系统峰值。

2.2 蒸散作用不平衡，局部降雨量增大

城市降雨频率与降雨强度均高于郊区，原因如下所示。其一，气压差加强对流作用，在自然状态下，除海平面外的区域内各部分蒸发量较为均衡。城市建设后，城市的植被量大量减少，植物蒸腾作用减弱，城市上空水蒸气生成量远低于郊区。城市热岛使得城市上空温度高于郊区，地面潮湿空气迅速进入高空，易形成阵雨。其二，城市建筑阻挡空气横向流动，使得空气主要向上流动，增加降雨频率。同时，城市的横向阻挡作用使静止锋停止，延长降雨时间，增大其降水量。其三，城市排放气体中的粉尘颗粒物具有凝结核作用，能够加速聚集空气中的小水滴，致使降雨速度加快。

2.3 雨水污染严重

横向径流作用在城市的影响上增大了城市排水量，而对于水体本身而言，加大了水体污染程度。自然条件下雨水自然下渗，其污染性较小，不影响水质。而城市中滞留了工业生活排放大量的有毒有害气体、固体颗粒物等，雨水降落后，在城市地表大面积径流，溶解、混合了大量污染物质（如烃类、病原体、氯化物、营养物、镉、锌、铅、铜、锰等）。径流后的部分水下渗土壤或回流至湖泊、海洋等水体，造成地下水和地表水水质的恶化。另一部分水进入地下管网，增加了城市水体清洁回收流程与费用。

3 城市雨水管理现存问题

早期，在城市洪涝频发且危害日渐严重后，英国最开始建立现代城市雨水管理系统，其原则是加快城市雨水排放速度，将雨水聚集起来集中处理，避免城市洪涝的形成。就当时而言，无疑是快速缓解灾害的有利策略，因此许多国家相继开展，我国目前常见的雨水管理也沿用此模式。然而，随着城市发展与研究的深入，发现常规的雨水管理难以缓解洪涝危害。

3.1 重大洪水发生概率增大

在逻辑上，采用直径更大、数量更多的排水管网可以在短时间内快速排水，是满足防洪需求的措施。然而，排水上游的排水量越多，其终端处理水量峰值越大，排水量呈倍数增长，导致雨水终端洪涝发生率增大，且下游排水一经堵塞，或可造成城市排水瘫痪[4]。更大的排水系统无法从根源增加城市的抗灾能力，反而增加了其峰值水流量和附加峰值水流量（图2）。

图2[2] 常规雨水管理与可持续雨水管理

3.2 无法解决雨水污染

快速排水原理下的雨水管理无法解决横向径流增大的过程，因此并不能缓解雨水在径流过程中受到的污染。

3.3 建造与维护成本较高

开挖城市地下排水系统费用高昂，不仅在于建设本身花费，对于城市交通、贸易、生活等均造成影响。其排水峰值更大的排水系统需要加大水管直径、增大排水网密度，其设备成本较高。同时，城市管网使用寿命有限，需要根据年限与状况不定时开挖更新。此外，污水处理的费用也是不容小觑。据《中国城市建设统计年鉴》统计，我国排水系统维护费用明显不足，严重影响排水功能。

4 启示

在漫长的城市发展过程中，英国为首提出的“快速排水”“集中处理”的雨水管理策略不再适用于现代化城市发展。自1980s 开始，美、日、德等国家相继开展可持续雨水管理措施（表2），将其归纳为“渗、滞、蓄、净、用、排”的综合排水。根据现有的可持续雨水管理的研究与实践，对我国雨水管理导向下的海绵城市建设具有启示作用。

表2 各国家和地区可持续雨水管理措施[1,7]

4.1 分区域进行可持续雨水管理

可持续雨水管理并不意味摒弃原有排水系统，不等同于反对城市地下排水系统，而是尽可能多将降雨就地存储、回收、利用，在小范围内排水，避免大面积雨水径流。

首先，在洪水发生率方面，增大地表下渗能力，如采用透水材质、增加植被覆盖、降低硬化地面比例，最大可能地下渗雨水，保持水体蒸发与植物蒸腾相平衡，减少温室效应。同时建立雨水收集系统，一方面最大程度对下落建筑物表面的水体进行收集回收，以供区域内水资源利用；另一方面，对于区域内径流开挖滞留池，既具蓄水功能又具景观效应。由此，形成完善的区域水循环供给平衡，如德国里瑟菲尔德住区、沃邦住区等，均已实现区域水循环，从源头减少城市洪涝发生率。

其次，水质污染方面，一方面，横向径流的减少可较大程度地减少水质污染水平；另一方面，完善的生态环境空间可以修复区域内的水质条件，水体通过其自身物理作用、化学作用和生物作用，完成自我净化。其中，物理作用是在水体流动过程中，杂质进行稀释、沉降、滞留等效应，改变污染物浓度，但不改变污染物的总量。化学作用是水体中其它物质与杂质发生氧化、还原、分解、中和等反应，改变水体的化学性质，如酸碱度等。生物作用是水中的微生物，通过生命活动使水中有机物氧化还原，分解为无机物，降低污染物含量。

最后，在成本方面，可持续雨水管理建设在短期内的支出成本高于常规可持续雨水管理。但从长远来看，可持续雨水管理使用寿命长、更新周期长、维护成本较低，可在小区域内完成更新与修缮，同时减少污水场处理费用。此外，常规雨水管理在生态修复、污染治理上支出的高昂费用，可持续雨水管理可通过环境自然修复的方式将其大大降低。

4.2 建立健全雨水管理法律法规

在进行城市规划与城市更新过程中，应建立规范的海绵城市设计法案。可持续雨水管理不再是可有可无的建设，而是缓解城市发展弊端、环境污染危害的必要举措。从现有海绵城市较为完善的国家分析，建立健全水循环法律法规是海绵城市的关键，也是改变传统雨水管理框架的重中之重。

4.3 提高区域水质评价标准

现存雨水污染无法有效解决的重要原因在于我国还未建立有效的雨水排放水质评价标准，雨水径流对地下水及地表水的污染还未得到重视。在现有较为完善的水质评价中，已不局限雨水中有毒、有害物质浓度标准。在德国，建立了腐生生物系统的水质标准，其地表下渗水须达到欧Ⅱ标准；在美国，水质标准细化至79 项具体指标，各州以美Ⅱ标准为强制性水质标准。国内地区，还未建立地表下渗水强制标准，且生活饮水等级较低。因此，提高水质评价标准是保障优质水源的重要举措，也是保障可持续雨水管理有效运行的关键。

4.4 完善雨水管理观念

首先，海绵城市建设是城市各部分区域共同努力的结果，是各区域水资源供需循环并由此形成大范围的水环境平衡。这一过程需要各领域共同参与，政府管理规划、部门贯彻实施、区域规划合理、业主积极落实[5]。

其次，我国水文地质、气候地理条件复杂多样，因地制宜是建设海绵城市的重要原则。借鉴国外先进理念和技术，地域化针对性地进行可持续雨水管理。

最后，发挥主观能动性。可持续雨水管理观念深入人心，需从教育中积极引导，以生态保护为重要目标。

5 结语

可持续雨水管理是以恢复城市抗灾害能力为目标，从城市设计层面将雨水纳入城市循环系统，修复城市发展带来的自然资源破坏。十八大以来，生态建设纳入国家发展总体布局，国家及住建部发布重要政策文件鼓励与发展海绵城市建设。目前，全国有470 多个城市开展了海绵城市建设，已建成30 个试点城市并基本实现预期目标[6]。因此，可持续雨水管理目标下的海绵城市建设对城市生态恢复、实现城市可持续发展具有重要意义，是经济、社会实现可持续发展的基础。

此外，海绵城市的建设是以建设用地为范围，以城市设计为导向，从每一小块城市用地出发，建设小范围的水资源循环系统。因此，海绵城市的建设必将是漫长而复杂的过程，需要多方合作、多学科交融，时刻警惕一蹴而就、一劳永逸的思想。其次，海绵城市的核心是雨水管理，在建设中要准确定位其建设目标与方向，避免走入形式主义。