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1、Sponge City 海绵城市理论与技术发展沿革及构建途径 Development and Constructive Approaches for Theories and Technologies of Sponge City System 车生泉 / CHE Sheng-quan 谢长坤 / XIE Chang-kun 陈丹 / CHEN Dan 于冰丨心 / YU Bing-qin 摘 要：为实现中国生态文明的发展及生态城市的建设，海绵城市技术的应用是我国城市自然式雨洪管控的核心手段。首先 对国外发达国家的雨洪管理和技术应用进行了论述，然后，对海绵城市及其相关理论 (最佳管理措施、低影
2、响开发和绿色基础 设施 )进行了辨识，在此基础上对海绵城市建设的目标、内容和途径进行了系统的分析，并借鉴国外的实践案例，结合我国城 市建设的特点，提出了适于我国海绵城市建设的发展策略，以指导我国海绵城市的建设，推动生态文明的发展。 关键词：风景园林；海绵城市；低影响开发；绿色基础设施 文章编号： 1000-6664(2015)06-0011-05 中图分类号 ： TU 986 文献标志码 ： A 收稿日期： 2015-05-05; 修回日期： 2015-05-23 基金项目：国家十二 五科技支撑计划 (编号 2012BAC13B04)资助 Abstract: In order to promo
3、te the development of ecological civilization and the construction of the ecological city, the techniques of sponge city were used as the critical approaches for natural rainwater management. Firstly, the theories and methods of rainwater management in developed countries were discussed. By means of
4、 the identification of related theories, as BMPs, LID and Green Infrastructure, the aims, contents and approaches of sponge city construction were analyzed. Referring the practices in the developed countries, as well as the characteristics of the Chinese cities, the constructive approaches were prop
5、osed to provide theoretical foundation for sponge city construction and promote the development of ecological civilization. Key words: landscape architecture; sponge city; low impact development; green infrastructure 1海绵城市建设的背景 城市雨洪灾害和水污染管理是制约我国城 市生态发展的核心问题之一 |1，其产生原因是 城市地表不透水面积比例的急剧增大、雨水下 渗量减少、地表径流
6、增加及市政排水系统的负 荷的加重 2气此外，初期雨水中的污染物直接 排入水体，使受纳水体的水质受到了极大的威 胁 4_5。为此，结合国内外在城市雨洪管理等方 面取得的理论成果及实践经验，以自然积存、 自然渗透、自然净化为目标的 “ 海绵城市 ” 理 论得以应用和发展，以融合城市雨洪调蓄渗 技术、城市规划和风景园林设计。相比美国、 德国、日本等发达国家的城市雨洪管理系统建 设，中国在 “ 海绵城市 ” 的研究及实践方面起 步相对较晚，因此借鉴国外成熟的实践案例， 结合我国的国情、气候、地理等因素的差异， 研究我国 “ 海绵城市 ” 理论的内容目标、技术 方法、构建途径及实施策略，对我国海绵城市
7、的构建具有积极的现实意义。 2海绵城市概念及相关理论辨识 “ 海绵城市 ” 的理论基础是最佳管理措 施(BMPs)、 低影响开发 (LID)和绿色基础设 施 (GI)。20世纪 70年代，美国提出了 “ 最佳 管理措施 ”（ BMPsfL最初主要用于控制城 市和农村的面源污染，而后逐渐发展成为控 制降雨径流水量和水质的生态可持续的综合 性措施 7。在 BMPs的基础上， 20世纪 90年 代末期，由美国东部马里兰州的乔治王子县 (Prince George s County)和西北地区的西 雅图 (Seattle)、波特兰市 (Portland)共同提出 了 “ 低影响开发 ” 的理念。其初始
8、原理是通过 分散的、小规模的源头控制机制和设计技术， 来达到对暴雨所产生的径流和污染的控制，减 少开发行为活动对场地水文状况的冲击，是一 种发展中的、以生态系统为基础的、从径流源 头开始的暴雨管理方法 8。 1999年，美国可持 续发展委员会提出绿色基础设施理念，即空间 上由网络中心、连接廊道和小型场地组成的天 然与人工化绿色空间网络系统，通过模仿自然 的进程来蓄积、延滞、渗透、蒸腾并重新利用 雨水径流，削减城市灰色基础设施的负荷 9。 上述 3种理 念在雨洪管理领域既存在差异也有部 分交叉，均为构建 “ 海绵城市 ” 提供了战略指 导和技术支撑。 2012年 4月，在 2012低碳城市与区域
9、发 展科技论坛中， “ 海绵城市 ” 的概念首次提 出；2013年 12月 12日，习近平总书记在中 央城镇化工作会议的讲话中强调： “ 提升城 市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下 来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自 然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市 ” 。 而海绵城市建设技术指南 低影响开发雨 水系统构建 (试行 ) （ 建城函 2014275号 )以及 仇保兴 1C)发表 的海绵城市 (LID)的内涵、途 径与展望则对 “ 海绵城市 ” 的概念给出了明 确的定义，即城市能够像海绵一样，在适应环 境变化和应对自然灾害等方面具有良好的 “ 弹 主题海绵城市 表 1 德国、美国、曰
10、本的城市雨洪管理体系对比 国家 提出时间 法律、政策及机构 管理目标 实施措施及成效 德国 20世纪 90年代 联邦水法 联邦水法补充条款 地区法规 征收雨水排放费用 17 强调 “ 排水量零增长 ” ，对新建或 者改建开发区，要求开发后的降雨 径流必须经过处理达标后才允许排 放 康斯伯格社区 (150hm2)开发前雨水流失量 14mm/a， 开发后雨水流失 量为 19mm/a,两者非常接近，远低于普通居民区的流失量 165mm/ a18;又如，仅20世纪 90年代，德国投入使用的小型分散型雨水收集 利用装置就超过了 10万座，雨水集蓄使用量大于 60万 m317 美国 1972年 联邦水污染
11、控制法 水质法案 清洁水法 绿色建筑认证 LEED21 总税收、发放补贴、发行义务债券和投资分扣、 贷款对建筑按照不透水区域面积征收雨水排放费 用 19-20 对新开发区和改建区提出了较高的 要求，即改建或新建开发区的雨水 下泄量不得超过开发前的水平，并 且滞洪设施的最低容量均能控制 5 年一遇的暴雨径流，即为强制执行 “ 就地滞洪蓄水 ” 17_19 2007年，美国环境保护署对低影响开发项目进行了 “ 初步效益一费 用 ”评估 2()。结果显示，相比传统雨洪管理技术，低影响开发技术 节约了 15%80%的成本 22。据保守估计，美国 10年内低影响开发的 市场达 3 800亿美元 美国加州
12、富雷斯诺市的 “Leaky Areas” 地下水回灌系统，其在 1971 年至1980年的 10年间，回灌总量为 1.338x 108m3,回灌量占该市年 用水量的 1/523 曰本 1980年 曰本建设省通过推广 “ 雨水贮留渗透计划 ” 1988年成立了民间组织 “ 日本雨水贮留渗透技术 协会 ” ； 1992年颁布的 “ 第二代城市下水总体规划 ” ； 对雨水 管 理 项 目 补 助 费 用 可 达 到 总 投 资 的 1/31/219 正式将透水地面、渗塘及雨水渗沟 作为城市总体规划的组成部分，要 求雨水就地下渗设施在新建和改建 的大型公共建筑群区必须设计 17 曰本建设省经过有关部门
13、对渗透池、渗透侧沟、透水性铺盖、调节 池等雨水花园渗透设施长达 5年的观测和调查，东京附近 20个平均降 雨里在 69.3mm的地区的径流流出率由 51.8%降低到 5.4%，平均流出 量由原来的 37.59mm降低到 5.48mm24 性 ” ，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要 时将蓄存的水 “ 释放 ” 并加以利用。提升城市 生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生。 总体来说，海绵城市的建设主要包括 3方面 内容： 1)保护原有生态系统； 2)恢复和修复受 破坏的水体及其他自然环境； 3)运用低影响开 发措施建设城市生态环境 1()。海绵城市技术基 础设施除了自然河流、湖泊、林地等外，城市
14、 绿地应当受到高度重视。在满足绿地功能的前 提下，通过研究适宜绿地的低影响开发控制目 标和指标、规模与布局方式、与周边汇水区有 效衔接模式、植物及优化管理技术等，可以显 著提高城市绿地对雨水管控能力。 3国内外海绵城市发展现状 3.1国外海绵城市发展现状 近 20年来，英、美、澳、德、日等国家针 对城市化过程中所产生的内涝频发、径流污染 加剧、水资源流失、水生态环境恶化等突出问 题，分别形成了效仿自然排水方式的城市雨洪可 持续发展的管理体系，相应的措施和技术也得 到了长足发展和实践应用 11 V13。例如，英国建 立了 “ 可持续城市冰系统 ” （ SUDS)14，以通 过科学途径管理降雨径流
15、，实现良性的城市水 循环。澳大利亚则以城市水循环为核心，建立 了 “ 水敏感性城市设计 ” （ WSUD)体系 15。同 时，新西兰也在LID和 WSUD的理念背景下， 整合、发展、建立了 “ 低影响城市设计与开 发 ”（ LIUDD)体系 16。此外，德国、美国、日 本等国家对雨水管控方法的探索更早，法律法 规相对完善，实践效果显著 (表 1)。 3.2国内海绵城市研究现状 我国城市雨水控制技术起步于 20世纪 80 年代，初期主要集中在雨水利用，近年来雨水 控制技术重心逐渐转向雨洪调控及污染控制。 国务院关于加强城市基础设施建设的意见 (国发 2013 36号 )中明确提出应建设下沉 式绿
16、地及城市湿地公园，提升城市绿地汇聚雨 水、蓄洪排涝、补充地下水、净化生态等功 能。较发达城市区域率先做出了一些探索，例 如，深圳市光明新区、北京市顺义某住宅小 区、上海市世博会区等开展了城市区低影响开 发雨水系统建设项目等。但是目前关于城市海 绵城市技术的实践主要通过湿地、潜流湿地等 手段进行局部雨水收集和水体净化，缺乏明确 的整体规划和系统性设计。住房和城乡建设部 于 2014年发布了海绵城市建设技术指南一一 低影响开发雨水系统构建 (试行 )，从目标、 指标、过程、手段、管理方面系统性给出建设 指南，将为我国海绵城市构建起到指引作用。 其后，财政部陆续发出 “ 关于开展中央财政支 持海绵城
17、市建设试点的通知 ” 财建 (2014)838 号、“ 关于组织申报 2015年海绵城市建设试点 城市的通知 ” 财办建 20154号，将切实推动了 我国海绵城市构建的进程。 4海绵城市构建途径与技术 4.1水生态系统功能主体保护与修复 4.1.1识别水资源保护生态斑块 在宏观尺度上，科学合理地划定城市水资 源保护生态斑块，主要包括河流、湖泊、湿地 及水源涵养区，也包括农田及原野 13。对已划 定的水资源保护生态斑块应严加别和保护。 4.1.2保护水系网络及生态系统 制定与河道管理相关法律、法规相配套的城 市河道管理条例或实施办法，建立、健全河道治 理、岸线利用与保护相结合的 m制。河道蓝线管
18、 理范围内的土地划定为规划保留区，严格实行新 上项目报审制度，确需建设项目应当按照基本 建 设程序报请水利、规划等部门批准。在蓝线范围 内，不符合岸线控制利用和保护管理规划的 _切 行为都应依法查处。不符合蓝线规划要求，影响 防洪抢险、除涝排水、引洪畅通、水环境保护及 河道景观效果的建筑物、构筑物及其他设施应当 限期整改或者予以拆除。 4.1.3修复已破坏的水生态斑块及网络 对于绿地、森林等雨水调控功能性强的斑 块、水体面积和体积及水质予以修复，其主要 途径是通过生态红线、绿线划定、截污、底泥 疏浚，构建人工湿地、生态驳岸等技术手段， 将被破坏的水环境逐步恢复。 12 Sponge City
19、4.2源头管理与控制技术 (区域低影响开发） 根据城市降雨过程，区域低影响开发技 术主要分为截留技术、促渗技术和调蓄技术 3 种。其中，截留技术是通过材料或者结构，将 降雨过程中雨水形成径流的速度减缓，通过增 加雨水汇集的面积来达到延缓径流目的的技 术，如绿色屋顶及植物群落冠层截留等；地表 促渗技术是改变地面材料或结构能够让雨水透 过自身的空隙或结构，下渗至场地内部，同时 材料或是结构具有一定的过滤净化作用，如包 括透水铺装和绿色停车场等；调 蓄技术能储存 一定量的雨水径流，并对其进行净化，当设施 内的雨水达到饱和时，通过溢流口排入市政雨 水管网，而干旱时可向周边绿地提供水资源， 如生态沟、雨
20、水花园、调蓄池、人工湿地等 (表 2) 4.2.1截留技术要点及功能 1) 绿色屋顶。 绿色屋顶结构通常分植被层、种植土层、 蓄排水层，根据植物种植密度及种类可以分为 拓展型和密集型两大类，可蓄积约 50% 80% 的雨水资源 25。 2) 冠层截留。 上海交通大学 26对上海市 156个植物群落中 植物滞留能力研究发现植物截留主要分树冠、 枝干及其土壤，其对雨水的截留能力分别约为 9% 12%、 2%及 40%。研究表明针叶植物冠 层截留能力比阔叶植物高 3%左右 (图 1)。 4.2.2促渗技术 1) 透水铺装。 透水铺装主要结构，可以分为可渗透层、 过滤层、排水层等 (图 2)，研究表明
21、，透水铺装 径流削减能力为 40% 90%，比无收集措施时 提高约10%，洪峰削减能力在 20% 80%9。 2) 绿色停车场。 绿色停车场能够汇集自机动车的零件磨损 产生的重金属、汽车排放物以及周边径汇集所 产生的污染，进行初期处理减少面源污染，过 程如图 2所示。 3) 绿色街道。 绿色街道整合了透水铺装的使用、生态沟 的使用以及植物的种植等设施，保护地表和地 下水资源、降低污染，减少雨水的外排。 4.2.3调蓄技术 1) 生态沟。 生态沟从上至下依次为植被层、种植土层、 过滤层、渗排水管以及硕石层。上海交通大学对 适宜于上海地区停车场 (图 3)、广场、道路的生 态植草沟结构及其对径流量
22、、污染量控制能力 进行了研究，设计了 10种运用模式，结构层总 厚度在 60cm左右为宜，根据功能需求设计不同 种植土、砌块砖、砾石层厚度 10 30cm不等， 大雨、暴雨情况下分别可削减径流 22% 35%和 11 % 29%，削减总悬浮物 (TSS)、 化学需氧量 (C D)、 氨氮(NH4+-N)、 总磷 (TP)的量可达到 55%95%27。 2) 雨水花园。 雨水花园由蓄水层、种植层、过滤层、排 水层构成 (图 4)。上海交通大学同样研究了适宜 于上海地区雨水花园的结构及功能，提出 3种不 同功能需求的雨水花园模式，结构层总厚度在 50 80cm为宜，可削减径流 20% 40%，削减
23、 化学需氧量 (C0D)、 总氮 (TN)、 总磷 (TP)等污 染物的量约为 45% 70%28。 3) 多功能调蓄池。 多功能雨水调蓄是雨水调节和雨水储存的 总称。主要目的是为了满足雨水利用的要求而 设置的雨水暂存空间，待暴雨过后将其中的雨 水加以净化，可作为景观用水等。 5海绵城市构建途径与技术的应用 5.1美国波特兰雨洪管理系统 美国俄勒冈州的波特兰市政府通过划定 城市增长边界来限制城市的无限扩张，并通 过法律的手段对城市生态敏感区域进行保 护，限制了建设区域的低密度蔓延。同时， 从区域、街道、邻里等不同尺度上对城市雨 洪管理系统进行规划设计，形成了一套完整 的雨洪管控体系。尤其在城市
24、改造的过程 中，运用了大量低影响开发技术，如在建筑 中设计绿色屋顶和落雨 管雨水收集等设施， 在邻里之间布置大量雨水花园、多功能蓄渗 池和小型人工湿地，在道路旁设置生态植草 沟及绿色停车场等，而街道则以可渗透铺装 和绿色街道为主 (图 5)。波特兰雨洪管理系统 应用了前期的截留技术、中期的促渗技术以 及后期的调蓄技术，形成了完整的绿色基础 设施系统。经计算，该雨洪管控系统可以有 效抵御 25年一遇 (24h)的暴雨，表面渗透系 主题海绵城市 表 2 主要低影响开发技术 技术分类 技术名称 技术介绍 截留技术 绿色屋顶 通过屋顶绿化达到雨水吸纳、蓄积和排放目的 冠层截留 通过树冠、枝干对雨水的截
25、留 _蒸腾作用，达到减少径流，雨水自然循环的目的 促渗技术 透水铺装 透水铺装属于多孔介质材料，其较强的孔隙渗透能力，可以应用在停车场、街道、广场等硬质场地上。它能够有效减少雨水径流量，补充地下水 绿色停车场 通过使用透水铺装与植物及生态沟相结合的方式，将雨水径流吸收下渗并进行过滤，多余的径流汇集至生态沟内，通过植物及生态沟的结构层进行过 滤，有效的保护地表和地下水资源 绿色街道 绿色街道通过透水铺装的使用、生态沟的使用以及植物的种植，把低影响开发技术整合成街道的形式来储存、过滤和蒸发雨水 调蓄技术 生态沟 常设置于道路的两侧，收集道路上的降雨径流，对污染径流进行过滤、渗透、吸附及生物降解等一
26、系列作用，以达到就地净化处理、控制径流污染、促 进雨水下渗、延缓瞬间径流系数的目的 雨水花园 由植物、土壤、砂石等自然造景元素和必要的景观建造技术建造的具有良好的景观效果和雨水调蓄功能的绿地景观 多功能调蓄池 雨水调蓄池能以调蓄暴雨峰流量为核心，把排洪减涝、雨洪利用与城市的景观、生态环境和城市其他一些社会功能更好地结合，有效解决城市内涝问题 统可以抵御 10年一遇 (24h)的暴雨。同时， 系统的低影响开发技术可以滞纳、净化并蓄 渗区域内90%的地表径流和其中 70%的悬浮 固体，在极大地回补了地下水的同时，净化 了排入河流的雨水径流，减轻河流的排水和 净化压力。 5.2德国沙恩豪斯社区雨洪管
27、理系统 沙恩豪斯社区 (Scha nhause Park)位于 斯图加特附近的奥斯菲尔敦 ( stfilde n)， A 地面积约 150hm2,人口约 9 000,处于大西 洋和东部大陆性气候之间的凉爽西风带，降雨 偏少，属于较干旱的地区，且地形北高南低。 该社区建设所采用的生态设计模式获得 2006 年德国城市发展 奖。在其规划、设计和建造过 程中运用了大量的节能建筑、可再生能源、雨 洪管理、开放空间多功能利用等低影响开发技 术。其中，雨洪管控系统分为3个等级，建筑 屋面、道路的雨水径流首先进入一级组团生态 设施，包括生态沟、雨水花园；各个组团间的 雨水通过大型生态沟进入二级处理设施多功能
28、 蓄渗池、小型景观湿地，最终再进入三级中型 湖泊湿地。通过系统的规划设计，沙恩豪斯居 住区的雨水收集、净化、入渗、利用率达到了 95%，大大缓解了城市的排水设施压力，同时 也回补了地下水 (图 6)。 6结论与讨论：我国海绵城市建设发展 的思考 为了更好地推进我国的海绵城市建设，基 于雨水管理法律法规不够完善、管理制度不健 全、市场激励机制缺乏、技术力量薄弱以及公 众意识薄弱等现状，提出以下建议。 首先，建立健全的雨水管理法律法规体 系。将低影响开发理念融入规范性文件，确定 在推进海绵城市建设过程中以雨洪管控、削减 污染为主要目标，在相关法律法规等规范性文 件中增加关于雨水管理控制目标、鼓励或
29、惩罚 性规定。 其次，加强技术研发与推广。研究适宜不 同气候条件、城乡梯度和功能类型的场地中的 雨水低影响开发的技术体系和模式，并出台各 地区海绵城市建设技术导则与评价体系。开展 具有示范效应的试点工程。通过电视台、网站 和报纸等媒体及时宣传海绵城市建设工作动态 和成果。 最后，加强多方力量协同合作，寻求政 府、科研、市场、群众等多方力量共同建设海 绵城市的途径。海绵城市建设涉及多个部门， 建议确定牵头部门并形成联动工作机制，成立 由生态学专家、水文学专家、风景园林师等组 成的专家团队，协助相关部门开展工作，鼓励 引导企业主、普通群众参与海绵城市建设。 图 3停车场生态沟示意图 图4雨水花园示
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