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关于中国城市水问题的“海绵城市”建设将面临的机遇与挑战
摘要：积水是中国绝大部分的城市中主要的水问题之一，并且直接限制了城市化进程。对于“海绵城市”的建设是解决城市水问题特别是积水问题的一种有效方法。本研究中同时对处于飞速城镇化阶段的中国出现的城市问题和关于水问题的“海绵城市”建设中出现的问题进行了调查，也提及未来“海绵城市”建设中将会面临的机遇与挑战。经研究发现目前的雨水管理专注在基于迅速排水理念的灰色基础设施（如排水管网和水箱）建设而忽略了绿色基础设施（如河流，湖泊和湿地），成本较高并且难以满足城市的迅速扩张，也不匹配城市的非渗透表面。而且目前的海绵城市建设仍然受限于低影响发展（简称LID）方法，该方法在不影响周边环境（即山脉，河流，湿地，森林，农场和湖泊）主要功能的前提下专注于资源控制措施，而综合城市水系统方法的应用和它所支持的技术（包括市政工程、城市水文、环境科学和生态景观）相对而言还不完善并且需要提高。除此之外，特殊“海绵城市”计划和示范区域的缺乏也是一个值得考虑的问题。本论文对未来良好“海绵城市”建设的提出了一些预期，例如都市计划想法和建设的关键应当符合完整系统的可持续城市发展理念。因此，无论是基本理论研究还是诸如管理系统、排水设施或是示范区域的基础设施建设都应当被加强，同时，城市水管理系统和教育系统的改革与创新都应当即时实行。
关键词：海绵城市 积水 综合水系统方法 机遇与挑战 中国
1.中国“海绵城市”建设的要求
作为世界上人口最密集和最大的发展中国家，中国如今正处于快速城镇化的阶段。自1949年中华人民共和国成立以来，城镇化率以每年0.68%的速度从10.64%上升至2015年的56.10%（图1）（Pan 等人，2015）。特别是在二十世纪七十年代后期实行改革开放政策后增长速率达到了每年0.98%。同时，在2015年年底，随着中国的全部人口增长至14亿（其中华中与华东地区就包含超过90%的人口），六座特大城市（即上海，北京，重庆，广州，天津，深圳）的人口已达到一千万。然而中国的城镇化率却远远落后于发达国家（如美国，英国，德国和日本），城镇化在中国的发展中仍然是核心任务之一。
盲目城镇化造成了城市问题，自1998年中国步入城镇化阶段以来，就逐渐出现混乱的资源使用和过度的废气排放现象。其中典型问题有房价高昂、环境恶化（水和空气污染，雨岛和热岛效应）、资源短缺、交通拥堵和积水，这些问题直接威胁到人体健康、社会稳定和经济发展。例如90%的城市水体均遭到严重污染，大部分省会城市与沿海发达城市的水资源短缺，尤其是城中雨后积水已成为最严峻的普遍现象。据中国国家防汛抗旱总指挥部办公室的统计数据，自2008年以来，全国数百城市每年都有类似灾害。如2012年7月21日在北京发生的严重城市积水造成了重大生命与财产损失（79人遇难，经济损失达116.4亿人民币）。同样糟糕的情况也出现在武汉，尽管武汉有数以百计的湖泊，却每年夏天都会出现城市积水，也因此被戏称为“在城市看海”。造成这些灾害发生的主要原因是城镇化完全改变了自然水文过程（Xue和Tan，2009），并且城市不透水区域的迅速扩张，使难以通过旧式灰色基础设施系统排出的地表径流量显著增加。除此之外，地表下沉提高了积水的可能性，同时城市排水系统的设计标准也过于松懈（每1到3年仅一次）。
自二十世纪七十年代以来，很多发达国家（如美国，德国，英国，日本，新加坡和澳大利亚）均在城市积水与雨水污染方面投入了很多精力（Fletcher等人，2015），提出了一系列概念及理论如“智能发展城市”、“绿色城市”和“城市园林”，用于解决快速城镇化问题和相关环境问题。此外还提出了数个代表性的设计方法来指导城市规划，如最佳管理办法（BMP）、低影响开发（LID）、绿色基础设施（GI）、可持续城市排水系统（SUDS）和水敏感城市设计（WSUD）。二十世纪七十年代北美（美国和加拿大）在控制雨水污染时首次提出和实施最佳管理办法（BMP）。在BMP的基础上，九十年代提出低影响开发（LID）并广泛应用在北美洲及新西兰（美国环境保护署，2000），与此同时在2000年提出可与LID交替实施的绿色基础设施（GI），作为环境、社会和经济可持续性发展的战略计划框架（Benedict 2000）。可持续城市排水系统（SUDS）则是七十年代在英国提出的，用于处理城市污水系统造成的洪涝灾害和雨水污染（Jefferies，2004）。水敏感城市设计（WSUD）则是澳大利亚旨在保护自然环境并提高生活质量提出的（Coombes等人，2000）。日本同样也在海绵城市基础设施建设上投入了很大精力，不仅出于日本气候特征的原因，也出于其面临严峻的水资源短缺现状。新西兰则提出作为低影响开发（LID）与水敏感城市设计（WSUD）综合发展的低影响城市设计与发展（缩写LIUDD），LIUDD强调对城市与周边乡村同时合理开发，着重关注水质量与水数量、生物多样性、土地利用等。新加坡则实行ABC（即活力（active）、美观（beautiful）、清洁（clean））计划，这是一种合理的雨水收集与排水系统分配的科学设计，因此尽管这个热带岛屿雨量充沛，内陆洪水也几乎没有发生过。此外，全球也有很多成功的案例，例如美国波特兰的格林大街、德国柏林的波茨坦广场和日本东京的两国地区。然而，很多理论与方法都集中关注雨水资源控制，这是因为在发达国家人口数量相对较少，并且绿化覆盖率足以负担扩大的不透水区域造成的雨水累积（住房与城乡发展部，2014）。
中国很多城市拥有大量人口，并在不透水道路与屋顶的情况下进行集约型发展。然而关注这些城市化问题时不同的政府部门实施的举措却是破碎、过时而低效的，通常使用简单和恒定净流量系数法或国外成熟的模型来报告暴雨模拟（例如暴雨管理模型（SWMM）,城市管网模型（MIKE-URBAN））（北京市政工程设计研究院，2006）。在中国90%以上的城市中，目前雨水排水系统的设计概念是基于快速排放理念，集中在灰色基础设施的建设上（Qiu，2015），成本高昂，难以追及城市及其不透水层的快速扩张。因此，污水处理厂建设的污染控制和污水处理技术的发展，造成人力资源与投资成本的大量消耗。虽然国外的方法（如LID、GI）逐渐应用于中国城市雨水管理中，但他们的目标主要集中在资源控制上，在开发前后很难保持完全相同的水文特征（如总量、流量峰值和时间）。应采用中途和终端控制方法（住房和城乡建设部，2014）。因此，应进一步发展综合观念、理论和方法，以适应城市发展，解决中国的城市化问题。
“海绵城市”的概念最早是在2012年的低碳城市发展和技术论坛上提出的。2013年，中国国家主席习近平在中央城市化工作会议上首次正式提出中国“海绵城市”的建设。国务院发布了国务院关于加强城市基础设施建设的意见（Guo Fa，2013年第36号）和“改善城市排水与洪涝设施建设的通知”（Guoban Fa，2013年第23号）。2015年，中国住房和城乡建设部提出关于国内暴雨系统低影响发展的“海绵城市”的建设指导方针。财政部、住房和城乡建设部、水利部选择16和14个城市地区分别作为全国第一和第二批试点海绵城市，包括大都市（如北京，上海，天津，深圳）、中小城市（如镇江，常德，固原，庆阳）以及处于在各种气候条件下(如冷、热、干、湿)的地区。在接下来的3年里，每座城市都投资了12-18亿人民币，用于建设雨水渗透、保留、储存、净化、利用和排放的海绵措施。“海绵城市”的建设成为实现“新型城镇化”和“全面建设小康社会”目标的重要国家战略。尽管投入了大量的资金，但2016年夏天“在城市看海”的现象仍在大部分南方城市发生。应根据中国实际情况，对已在发达国家取得有效效果的源控制技术的适应性进行进一步的评估。除了源控制措施（如LID，GI），海绵城市的整体措施还应包括用于中途控制的灰色基础设施系统（如污水排放网，抽水泵）和周围的景观（如河流，湿地，森林，农田和湖泊）。特别是，中国在过去30年里一直保持着世界上人口最多国家的经济快速增长，但是中国的城市基础设施建设仍然很差并且亟待改进。中国正在海绵城市的建设中面临新的机遇和挑战。
“海绵城市”建设也将成为中国未来的热点问题。本研究中提出关于“海绵城市”建设的城市水问题与主要目标，如下：
（1）阐明“海绵城市”建设的要求，特别是其水文知识系统；
（2）探究“海绵城市”建设中存在的问题的原因；
（3）提出一些关于“海绵城市”建设中机遇与挑战的建议，特别是水文基础方面。
它将为中国建设好“海绵城市”提供更深入的思考，并为城市规划建设、城市水文学科建设指明未来的方向。
2.中国“海绵城市”建设的问题
（1）缺乏综合城市水系统理论。
在中国，目前的“海绵城市”建设主要在城市单元的规模上使用LID方法，比如居住面积。对于城市积水来说，LID方法在城市地区通过生物保留、雨水花园等措施在小或中等密度降水的初始阶段，在提高雨水渗透和贮存方面起着关键作用。然而，如果暴雨强度过高乃至超过城市单元的储存能力，那么小范围LID的作用将是相当有限的。
城市水系统的方法不仅考虑到LID的作用和城市湖泊与河流系统的存储功能，也考虑到水的数量、质量问题、生态系统问题以及人类组件在整个城市水系统中的改变（如图2），该方法将会有更好的表现。
因此，“海绵城市”的核心是水系统的概念，包括降雨、径流、相对洪水、生态环境系统和城市系统变化下的水污染及利用之间复杂的非线性关系下的城市径流生成。这些密切相关的问题属于一个综合水问题，涉及城市规划、建设、监测和管理的众多相关部门和城市居民和生产部门（Xia等人，2014；住房和城乡建设部，2014）。合理的解决方案是根据水文循环理论，在市政工程、水文学、环境科学、社会科学和生态学等领域进行多部门合作和多学科研究。然而，快速泄洪的思路局限于泄洪而忽略了像蒸散、渗透和利用等其他泄洪方式。当前城市规划和设计的基本原则是市政工程，而水文知识与基本监测系统的规划仍然薄弱。虽然已有“海绵城市”的建设指导原则，但并未发挥太大作用，广泛使用的年平均径流量控制率仅集中在资源控制的贮存和渗透措施上。例如，在地下的绿色空间中，总径流量减少了150-200毫米，可渗透路面40毫米，绿色屋顶14毫米（住房和城乡建设部，2014年）。不考虑几种消耗大部分年平均降水量的重要水文过程（蒸散，河流路径，池塘、湿地和湖泊的储存），特别对蒸散量影响很大。此外城市综合水系统还包括涉及水的物理、社会过程及其伴随的污染物的水文、水污染和水管理等三个组成部分。
（2）缺乏 “海绵城市”专项规划。
目前为了城市的发展与建设已建立众多的总体或专项规划，相关规划包括城市总体规划、城市防洪涝防积水规划、城市园林景观规划、城市道路规划、城市河流和湖泊规划等。这些计划中的大部分只专注于一个特定问题，使得解决整个城市水问题变得困难。2014年10月，中国住房和城乡建设部发布了“中国海绵城市雨水系统低影响建设指南”（住房和城乡建设部，2014），主要强调低影响实践（如小“海绵”措施）的发展，这属于源控制措施。城市和周边的河流与湖泊的改造（如大“海绵”措施）不那么重要，这是终端的储存和排放措施，比源头控制措施具有更大的潜力。此外，一些城市对花费巨大投资和精力盲目建设低影响发展实践取得的成果并没有耐心。整个“海绵城市”建设的前瞻性指引仍然缺失，尤其是“海绵城市”的规划。
（3）过时的“海绵城市”规划技术。
广泛采用的暴雨排水与利用系统设计方法是简单和恒定径流量系数法，该方法的综合水循环理论基础已经过时（北京市政工程设计研究院，2006年）。实际上，径流生成机制与降水强度、土壤水分和底层表面覆盖条件的非线性关系相当复杂（Xia等人，2005）。城市地区的综合水系统模拟仍未报告。虽然一些典型的如TRRL，ILLUDAS，UCURM，SWMM，准动态模型STORM，MIKE-SWMM，MIKE-URBAN，InforWorks和排水管网模拟软件包MOUSE模型等发达国家开发的雨水模型具有简单的径流生成机制，但在中国，仍然需要在城市地表复杂的情况下提高对径流过程的控制。而目前的模型函数无法完全满足中国海绵城市设计的要求。此外，对于目前费时费力的的LID设计方法，尽管自动优化技术（如经济与金融（Coello和Lamont，2004），电力调度（Abido，2006），工程规模设计（Deb和Goel，1993），水资源与环境管理（Suen和Eheart，2006））在其他领域广泛应用，但在城市单元规模中手动调整仍然是主要方法 （Liu等人，2016）。
（4）“海绵城市”的示范区建设远远不够。
目前，成功的“海绵城市”案例在中国并不常见，尤其是在发展中城市。尽管一些特大城市（如北京、上海和深圳）已经建设了成功的示范案例，但它们只是零星分布在大城市中心地区的装饰品。示范区和雨水吸收功能远远不能满足城市积水控制与雨水利用的要求。著名的案例是北京朝阳区的奥林匹克公园中心区域与CBD核心区，以及西安大明宫。根据“海绵城市”建设的指导原则，其建筑面积应覆盖整个城市区域的20%以上。然而，现存基础设施和规划与“海绵城市”建设相矛盾，这使得重建旧式基础设施变得困难和昂贵，估计建设成本1-1.5亿元/平方公里。
3.中国“海绵城市”建设的机遇与挑战
3.1整体与系统的可持续发展理念
“海绵城市”的建设首先需要全面思考。“海绵城市”的目标是消除城市化对水文循环的负面影响，根据中国的实际情况，借鉴发达国家的先进方法建立一个良性循环系统，而不仅仅是碎片化的人造景观。“海绵城市”的主要问题与暴雨的产生、控制、水污染保护等水文问题有关。这些问题通过系统的方法与秉持人与水和谐共存理念的生态技术的整合得到了很好的解决。实施暴雨管理的一个好办法是将防洪的单一目标，转变为城市防洪、环境改善、生态水需求和再利用的多目标。与此同时，“海绵城市”建设也需要包括三个系统等的系统思维，从设计角度看分
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