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实施特定的城市水管理--海绵城市

摘要

许多国家的气候变化、快速城市化和不恰当的城市规划政策导致了城市与水有关的问题，如洪涝灾害、水污染和水资源短缺。为了解决这些问题，自2013年，以海绵城市所知的具体城市水管理战略已经在中国实施。这是一个复杂的方法且面临着许多挑战。本文对与传统城市水管理相关的方法进行了批判性的评估，然后仔细审查海绵城市的概念及其采用，以全面评估其局限性和机遇，并提出海绵城市的四大原则，即城市水资源利用原则、生态用水管理原则、绿色基础设施原则和城市透水路面原则。海绵城市设计和规划中的不确定性，以及最严重的资金不足问题，可能会导致海绵城市建设的失败。虽然存在重大障碍，但实施海绵城市的机会是显而易见的。要实现海绵城市的多生态系统服务，应根据不同的决策层次或流域特点，在流域尺度上灵活实施。必须应用智能决策机制，并考虑到中央政府与各个机构之间密切合作的必要性。建设规模适度、和谐的海绵城市，实现社会经济发展和环境保护的相互平衡、是我们最终理想。

关键词:海绵城市；城市水管理；阻碍；绿色基础设施；社会经济发展；环境保育

1、引言

水管理是城市可持续发展的一个重要方面（Schaffer和Vollmer，2010）。与城市水有关的问题已经引起了科学界的广泛关注（Marlow等人，2013）。由于快速城市化和极端天气现象，现在的水问题包括城市洪涝，地下水的过度开采，城市水资源短缺，雨水资源的浪费和水污染（Jia等人，2015；Marlow等人，2013）。例如，在城市发展中过度使用灰色建筑，如混凝土和沥青，造成了不透水的表面，不能吸收水分。这导致了城市洪水。城市环境中的建筑建设一直是为了容纳迅速增长的人口，这些人口从农村地区迁移到城市地区。这导致天然雨水蓄积基础设施被拆除，包括林地、绿地、天然湖和用于雨水回收过程的湿地。例如，雨水被当作废水排放，而不是被吸收到土壤中；它应该被添加到地下水储备中以涵养水源，或者作为水资源重复利用，以维持人们的生活、居住和农业生产。

造成洪涝灾害的另一个主要原因是城市地区排水系统的不适应性。城市雨水管理不当，不仅对人体健康有害，而且对水生态系统也是有害的。过去几十年的重点一直是减少洪水，但现在需要实现一些目标，来改善水质和回收雨水。从城市水的角度来看，许多科学家断言，由于气候变化、城市化和社会环境的限制，目前的城市的集中排水模式是不合适的（Brown等人，2009；Pahl-Wostl，2007）。自20世纪70年代以来（Fletcher等人，2014），城市水灾和污染一直是发达国家研究的对象。已经提出了许多解决方案来解决城市地区的水问题，包括智能增长城市和绿色城市（Liu和Jensen，2018）。

科学家和政策制定者已经提出了几个概念和城市水规划理论。其中包括20世纪70年代在美国被提出的的最佳管理实践理论（BMP）（Fletcher等人，2014；Scholz，2006）。同时，在英国，可持续城市排水系统（SUDS）被提出，用来解决水污染和洪水危害（Fletcher等人，2014）。自20世纪90年代以来，低影响发展（LID）战略不仅在美国，同时在新西兰也被采用（Chui等人，2016；Fletcher等人，2014；Mao等人，2017）。澳大利亚经历了城市水资源管理的六个发展阶段，对水敏感的城市（WSC）或对水敏感的城市设计（WSUD）始于21世纪，并且带来一系列好处，不仅保护了城市水资源的退化，而且通过管理和回收雨水，使城市变得可持续、宜居和具有有弹性（Brown等人，2009；Ashley等人，2013）。然而，这些概念和战略在很大程度上仍处于研发阶段，它们仅在小规模环境中应用，如试验性试点和本地化区域。

对于像中国这样的发展中国家，大多数城市地区都经历了高密度的人口增长、不透水道路和屋顶的密集扩张，以及气候变化方面的洪水灾害（Chan等人，2018）。他们的城市化地区现有的城市水管理系统正在努力应对这些问题。因此，一种新的城市水管理方法对发展中国家至关重要。海绵城市计划于2013-14年启动，通过改善径流、提高水质、更好的蓄水和减少温室气体排（Wang等人，2018）放来为城市社区解决和克服上述问题（Li等人，2017）。中国的目标是创建一种被称为海绵城市的新型城市水管理系统。许多海绵城市试点项目始于2015年和2016年，中国政府表示，大约70%的雨水将通过渗透、滞留、储存、净化等措施进行回收（Li等人，2017）。此外，中国政府的目标是到2020年将20%的城市地区将成为海绵城市；并且到2030年，这一比例将上升到80%。

实施海绵城市项目的原因是为了减轻城市发展对自然生态系统的影响，同时解决与城市水相关的问题（Li等人，2018；Wang等人，2018）。目前海绵城市建设中普遍采用的技术有绿色屋顶、绿地、人工雨水湿地、渗水池、生物滞留设施、透水铺装等（Chen等人，2015；Chen，2016；Jia等人，2017；Li等人，2017；Li等人，2016；Li等人，2018；Wu等人，2017；Wu，2015；Zhang and Che，2016）。为了实现海绵城市的概念，中国政府在这个项目上投入了大量资金，从2015年到2016年，30个城市地区被选为海绵城市试点（Chan等人，2018；Li等人，2017）。以往的一些研究阐述了海绵城市的发展、挑战和机遇。最近，Chan等人.（2018）和Wang等人（2018）总结了海绵城市实施对城市防洪和城市规划的目标和影响。Jia等人（2017）介绍了海绵城市的技术途径和遇到的问题。一些论文指出了中国海绵城市建设面临的挑战和机遇，包括技术问题、公众接受程度、财务问题和整体法律框架（Li等人，2017；Li等人，2016；Li等人，2018；Wang等人，2017a，2017b；Xia等人，2017a，2017b）。

不幸的是，对海绵城市全面和系统的评价在城市的发展过程中是罕见的；而且，针对海绵城市的挑战和障碍提出的解决方案也是不够的。本文旨在阐明以下几个方面：（1）了解世界和中国城市水管理的演变，特别是海绵城市在中国实施的驱动力；（2）从中国城市化和气候变化的角度，清楚地解释海绵城市的主要概念和目标；（3）了解中国海绵城市建设的障碍和不确定性；（4）海绵城市可行性解决方案的状况；（5）海绵城市在大规模背景下的发展前景。重要的是要考虑对正在经历严重的缺水和洪水问题的发展中国家的实际影响。

2、海绵城市的实施

2.1实施的驱动因素

中国正在实施海绵城市，主要目的是防止城市洪灾。造成城市洪水的主要因素有三：气候变化、城市化和城市管理部门进行的不恰当的城市规划（见图1）（Jiang等人，2018）。

图1. 城市洪水的主要原因

根据江等人，的说法，造成中国洪灾的主要因素之一是气候变化，这导致了强降雨的发生，在短时间内可能会产生危险的洪涝灾害。此外，气候变化意味着频繁的极端降水，增加了洪水风险。洪涝灾害发生的另一个原因是快速城市化（Wang等人，2018；Wang等人，2016；Wang等人，2017b；Xia等人，2017b）。在城市化过程中，自然土地被转化为住宅或商业场所，导致城市地区更多不透水的表面，从而产生不受控制的径流，从而使城市居民面临更多的洪水。例如，虽然以经济发展的名义优先建造摩天大楼和建筑物，但这实际上是在取代或威胁到湖泊和湿地等水生生态系统，最终结果是可用水资源严重受损。

因此，大城市地区没有能力吸收、净化和过滤雨水的能力，从而导致洪涝或其再次发生的灾害（Dong等人，2018；Li等人，2018；Wang等人，2018）。不适当的城市规划策略，包括糟糕和不足的排水系统以及放任平原上的城市发展，对环境造成了严重的问题，且只会增加城市洪水的威胁（Li等人，2017；Li等人，2016；Liu，2016；Liu等人，2017）。例如，传统的城市排水系统与城市化和气候变化不一致，设施陈旧，雨水管理的设计标准无法适应城市人口增长（Jiang等人，2018；Nkwunonwo等人，2016）。一方面，平原上建筑和工业区的建设和发展加剧了城市洪水的风险（Nkwunonwo等人，2016）。因此，有必要建立一个有效和常规的雨水管理系统，使其与城市扩张和气候极端事件保持一致。2015年启动的许多海绵城市项目都有能力吸收和重复利用至少70%的雨水来防止洪水的发生。

2.2实施的演变

海绵城市由传统的城市水管理模型演变而来。早在公元前3000年，人类社会就存在城市雨水管理（Burian和Edwards，2002）措施，当时的目的是避免洪水和收集雨水。城市排水系统的发展经历了人类历史的四个主要时期，分别是：古代世界；罗马帝国；后罗马时代到19世纪；最后是从19世纪到现在（见表1）。

表1. 公元前3000年至今不同城市排水系统的比较

根据Sedlak（2014）的说法，从公元前2500年到现在，水技术的历史可以分为4个时期（指定为水1.0到4.0）。在水1.0中，罗马帝国时期罗马人口的增长导致了对水的需求增加；因此，罗马工程师们建造了一个最初的水系统，用于引水，并通过管网将其分配给家庭和公共场所，然后将用过的水排放至环境中。水2.0是在美国经济增长时开始的，新兴的工业的废水污染了河流，为了应对这种情况，美国细菌学家创造了一种名为生物膜的全新的废水净化系统，以净化受污染的水，使其适合饮用。在水3.0期间，污水处理的发展是重点，通过建造蓄水池来储存污水，调节污水通过过滤器的流动速度，这些过滤器控制的微生物在有毒废物排放到河流之前对其进行处理。最后一个阶段是水4.0，在这个阶段，下一代排水系统通过更换过时的城市供水基础设施和使社区更多地意识到如何管理水资源来解决了前三个排水系统的所有问题（Sedlak，2014）。

排水系统经过多个世纪的试错修改和实施后，已经演变成越来越复杂且具有多用途的可能性。虽然最初城市雨水管理的主要目标是缓解洪水，并结合私人目的收集雨水，但从19世纪到现在，这一目标已经扩展到整合其他方面，包括水资源管理、生物多样性以及娱乐和社区使用。在20世纪，西方工业化国家由于大规模的城市和工业扩张，制定了解决与城市水相关的问题的政策和战略。这些战略包括：最佳管理实践（BMP）战略；20世纪40年代美国的低影响发展战略（LID）（Ice，2004）；20世纪90年代澳大利亚对水敏感的城市设计（WSUD）（Wang等人，2018）战略；以及在本世纪头十年，英国的可持续城市排水系统（SUDS）战略。上述水4.0阶段主要集中在保护水资源，提高当地民众的用水意识上。

在美国，人们在BMPs-LID下构思了各种海绵城市模式，用于收集雨水和改善水质。BMPS-LID分为结构性和非结构性两大类。结构性BMP-LID包括池塘、湿地和绿色屋顶（Scholz，2006），它们是作为多功能概念建造的，包括用于缓解洪水、改善水质、为娱乐创造绿色空间，以及支持生态系统和野生动物的生存。澳大利亚的城市水管理经历了五个不同的阶段，包括供水城市、下水道城市、排水城市、水道城市和水循环城市，然后根据水敏感型城市设计（WSUD）建设水敏感型城市，以应对气候变化和保持生态完整（Brown等人，2009）。这些概念的目的是引入综合城市水管理，使发展可持续。这样做将确保对供水、水处理的最佳管理和限制暴风雨造成的洪水灾害。

这些涉及排水系统措施的实施将根据可持续发展的要求，并考虑雨水管理中的所有问题，包括数量、质量和舒适性。因此，这些战略性设计改善了社区价值、生物多样性、教育和娱乐功能以及空间的多种用途（Developer，2007）。这些策略与城市雨水管理的传统方法不同，后者没有平衡舒适方面的问题，也没有太多地关注质量或数量的问题（另见图2）。

图2. 城市排水系统的传统方法与可持续方法的差异

虽然BMPs-LID、可持续城市排水系统（SUDS）、对水敏感的城市设计（WSUD）和Water4.0在发达国家已经被应用于解决不同的水

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