中国海绵城市建设理论探究

中国海绵城市建设理论探究

摘要:通过对海绵城市建设领域中的理论成果和研究文献进行梳理,发现国内在海绵城市专项设计、技术应用等理论领域内取得了突出的成绩。此外,同海绵城市具体建设工作息息相关的融资方式、建设评估、政策法规、经验介绍等内容也是实践者与学者们探讨的重要对象。通过文献与成果梳理可知,国内在海绵城市建设方面的理论探讨基本覆盖了该领域所能涉及的主体范围,但是在本土理论探索、有效技术开发和跨学科综合研究方面仍显薄弱,有待后续研究的补充完善。

关键词:海绵城市;绿地系统;排水排涝;研究综述

据中国网报道,2016年以来全国14个省(区、市)遭遇暴雨,共573个县遭受洪涝灾害,受灾人口近900万人,农作物受灾面积超800多万亩,直接经济损失超138亿元[1]。此外,随着我国城市化进程的加速推进,一系列环境与生态问题不断衍生,例如雨水下渗困难、地下水资源过度开采、水体污染与水质恶化、水系统径流功能退化等,这些问题进一步影响我国经济社会发展。2013年12月,在中央城镇化工作会议上明确指出了建立海绵城市的重要性。2014年,住房与城乡建设部印发《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试用)的通知》(后文简称“指南”)。根据指南,“海绵城市”就是比喻城市像海绵一样,遇到降雨时能够就地或者就近吸收、存蓄、渗透、净化雨水,补充地下水、调节水循环;在干旱缺水时有条件将蓄存的水释放出来,并加以利用,从而让水在城市中的活动符合自然规律的城市形态。2015年,住房与城乡建设部办公厅印发《海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)的通知》。在上述一系列政府文件的推动下,近年我国在海绵城市建设领域进行了诸多探索,并取得了大量成绩。为方便我国学界在海绵城市建设领域开展深入研究,本文从专项设计、技术应用等方面梳理并述评我国在海绵城市建设领域中的已有实践成果与研究文献,通过探讨这些成果与文献的先进与不足之处,对未来该领域的研究方向进行展望,并为现实应用研究与实践工作提供参考。

1专项设计研究

海绵城市在建设之初,应基于生态理念统筹开展水系工程、道路交通、绿地景观、市政工程等领域的工作,事先提出有针对性的专项系统规划,并将其同城市总体规划、控制性详细规划进行协调与结合,以确保海绵城市建设的科学性、系统性与可实施性。

1.1城市水系。城市水系是城市小区域生态与自然环境的重要构成部分,同时也是城市径流雨水自然排放,甚至城市用水排放的重要受纳体、通道和调蓄空间。在未来海绵城市建设与城市水系统调度运行中,除现有溢洪道、排水渠等泄洪主体外,亦应考虑自然水系连通段的景观廊道与泄洪排水渠道的双重功能。在人工水道方面,应充分利用原有自然地形和地貌,工程设计宜与建设地点地势相一致,厂区雨水宜就近排入处理单元。水系的布局与规划可以由单一或多种类型构成,现实当中既有的构成形式包括串联式、并联式与组合式三种。具体来看,既可以根据出水用途独立规划设计雨水通道和湿地,也可按照预处理、调蓄与处理单元的先后顺序选择使用串联和并联形式。若要循环处理雨水和用水,可以采用串联式实现水资源循环使用;若雨水和用水可以直接进行排放,可采用并联式设计水系统以方便出水向附近自然水系排放;组合式的运用则应该综合考虑现实情况与城市需求。

1.2市政道路。在市政道路的海绵化方面,主要是要在道路双侧铺设具有吸收、滞蓄、过滤、下渗、净化雨水与补充地下水的低影响设施[2]。以厦门市洋塘居住区的海绵化建设为例,市政道路双侧海绵体的建设应具备汇入径流、净化径流、减缓径流速度、滞留径流、下渗径流、排放径流、防治泥土冲刷流失与拦截污染物的功能。在市政道路海绵体的具体内容方面,应该依托优化竖向设计,借助自然地势地形来对市政道路周边的雨水进行收集。马越等(2016)指出市政道路双侧的海绵体包括下沉式绿地、植草沟、速渗井等不同类型[3]。现有的海绵城市建设研究主要侧重于针对市政道路海绵体的功能、形式与建设等方面进行探讨。

1.3绿地系统。绿地系统的构筑是实现生态与景观绿化目标的重要举措。当前,海绵城市建设主要倾向于从园林设计、生态环境系统规划、作用功能等角度切入,以探讨绿地系统的重要性、必要性与建设路径。功能方面,绿地系统除具备海绵城市理念要求的吸水、蓄水、渗水、净水与排水功能外,还具有生态环境保护与城市美化的作用。郑锴(2016)指出风景园林专业的工作原则建立在尊重与善待自然的基础之上,海绵城市针对风景园林的规划设计提出了更高的要求[4],也预示着园林与海绵城市建设的结合已成为未来城市建设和发展的大趋势。在更微观的具体建设技术方面,张冠等(2015)指出植被的选择是构建生态系统的关键,也是绿色系统和基础设施发挥效用的切入点,并提出应以满足受淹时间的要求为前提来选择景观设计所需要的具体植物类型[5]。

1.4排水防涝。在排水防涝方面,应综合考虑城市及大区域内的地形地势、水系格局、排水系统与水利工程的现实情况,以规划建设科学有效的排水防涝系统。具体来看,在自然排水防涝通道方面,应对下游水坝大闸进行除险加固,以提升其泄洪挡潮排涝的整体能力;对于上游通道,应人工新开渠道、排水防涝水闸与排水出口,以增强上游分流能力。此外,开展生态恢复治理工程,加强流域水土保持以及增加湿地建设,提升区域整体滞蓄能力也是排水防涝工程的重要内容。王强等(2015)通过分析北京永定河文化新区的雨水系统,指出在区内最南端雨水调蓄区建设流量约12m3/s,且4小时能排空的雨水排涝泵站,对于缓解北京永定河文化新区的水涝问题具有重要作用[6]。通过梳理已有成果和研究文献,可以知道在排水防涝领域研究,主要倾向于针对整体规划、设计思路、技术路线等方面进行。

2应用技术研究

指南中,关于具体技术的介绍与说明也是一个重要部分。通过梳理实践经验和研究文献,本部分主要探讨在绿色屋顶、透水铺装、生态驳岸、下沉式绿地、植草沟、生态驳岸和雨水花园等方面针对具体应用技术的研究情况。

2.1绿色屋顶。绿色屋顶即通过合理设计,在建筑物顶上种植植物,以实现雨水收集,并达到美化环境、改善水质等目的的重要海绵城市建设技术。对于绿色屋顶,现有的研究主要侧重于其功能与建设方法的探讨。首先,绿色屋顶是最为便捷的雨水资源收集方式,适用于工厂、办公楼、居住区、学校等各类建筑。绿色屋顶借助集雨桶或蓄水池可直接实现对雨水的收集储存,收集的雨水可以替代非饮用水,用于洗车、浇洒道路、冲洗厕所等。其次,绿色屋顶技术可有效实现地表径流的减少和缓解径流流速,从而减少地表径流带来的水土流失。再次,绿色屋顶对于美化环境、提升水质,以及为乡土植物提供丰富的生长环境亦具有重要作用[7]。

2.2透水铺装。透水铺装对于城市景观渗水性的提升具有重要意义,可以促进其表面部分雨水的下渗效率[8],对于地表积水的减少和地下水的补充具有重要推动作用。透水铺装运用范围较广,适用于广场、停车场、车流量和荷载较小的道路(市政道路的非机动车道)、人行道等。针对不同的建设对象需要选择不同的透水铺装方式。小区内荷载较小的硬化地面可采用纯透水铺装地面,而机动车与消防车路面则宜选用透水砖和透水混凝土等较坚固的材料进行铺装建设;公园内道路采用透水混凝土路面铺筑,支路以透水砖/透水砾石路面为主,全部材料的选用以引导雨水通过面层补给地下水为目标;广场则选用具有仿石材规格和质感的预制透水混凝土,以保证机构层承重的同时,又兼具透水功能[9]。此外,非常用地面可考虑选择松散的砾石与卵石作为铺装材料,并通过在铺装表面撒播草籽,形成一层坚固的绿色表皮,从而充分发挥透水铺装的效用。

2.3下沉式绿地。下沉式绿地又称下凹式绿地,是一种低于周边地表,且能借助凹槽的作用实现周边雨水汇流的绿地空间。下沉式绿地具有狭义与广义之分,狭义上是指低于周边路面或硬化地面约20cm以下的绿地。广义的下沉式绿地除包含狭义内涵之外,还涉及生物滞留设施、雨水湿地和渗透塘等[10]。对于下沉式绿地的下凹深度,李俊奇等(2004)明确划定为0.05~0.25m的下凹深度范围以内[11]。对于下沉式绿地的建设,土质与绿化率等情况也是需要考虑的。例如西北黄土地区,因土壤渗透性较高,其下沉式绿地可直接利用原有土壤种植植物,而对于南方粘性较强的红土区域则需考虑加入一些渗透性更好的沙质土壤以方便下沉式绿地作用的发挥。此外,实践中需要合理计算下沉式绿地的蓄水量与植物淹水时间,以规划出足够的建设比率。同时,可实现下沉式绿地同其他雨水设施的有效结合,增强海绵城市的局部与整体观赏性。而在下沉式绿地植物的选择方面,则宜种植多种耐水植物,形成耐水植物体系。

2.4植草沟。植草沟又称植被浅沟,指拥有植被覆盖的地表沟渠,是一种径流引导设施。植草沟可以结合海绵城市的其他设施,用于收集、输送、调蓄和排放雨水径流,且具有净化雨水的功能[12]。现实中,植草沟的适用对象、类型、功能与建设标准是实践者与研究者们探讨的主要方面。一般的,植草沟适用的对象涉及工业区、商业区与住宅区等多种区域,且具体可用于建筑、小区内道路、广场与停车场等不透水面的周边区域。植草沟的建设一般属于整体绿化带的一部分,常与生态水塘结合而建设。例如在小区、公园、广场、校园等主要道路两侧修建植草沟,主要起到收集路面雨水和净化、减少雨水污染的作用[13]。此外,植草沟还具有形成绿色生态廊道的功能。

2.5生态驳岸。生态驳岸是指借助植物或植物同土木工程、非生命植物材料的结合,以缓解坡面与坡脚的易侵蚀性和不稳定性为目的,同时又能实现多种生物共生与繁殖的设施[14]。生态驳岸的运作机制在于其可借助不同的植物带截留雨水与地表径流中的大型固体颗状物,起到缓解径流和净化雨水的作用。在海绵城市的建设中,生态驳岸可因使用建材的不同而具有不同的形式,比如置石驳岸、松桩驳岸、草坡入水式驳岸、亲水平台与卵石滩等,各城市在生态驳岸的建设中,可根据自身需求选择具体建设类型。在生态驳岸的具体设计与建设方面,生态驳岸的宽度宜维持在50m以上,其边坡则应保持在1∶9~1∶6的范围内,生态驳岸自陆地至河流依次可种植陆生植物、挺水植物、沉水植物、藻类与浮生植物[15]。

2.6雨水花园。雨水花园是一种通过较大范围的园林形式来收集雨水的重要海绵城市建设技术,是城市雨水利用基础设施的构成部分,一般设在地势较低的低洼之处。雨水花园的功能主要在于借助植物来实现初期雨水的净化、滞留和消纳等目的。此外,雨水花园还具有丰富景观、改善局部气候环境等多种功效。张毅川等(2015)指出雨水花园结构简单、建造灵活、成本低廉,是值得推广的绿地雨水利用设施[16]。雨水花园可广泛运用于居住、商业等不同类型区域,主要由种植土层、砾石层、蓄水层、覆盖层与人工填料层等多个部分构成。而在设计时,既可选取具有较高观赏价值或特殊的乡土植物,也可选择长势强、根系发达、耐寒,又拥有短暂耐水湿能力与抗逆性良好的植物。除了以上6个突出的海绵城市常用建设技术外,按照渗、滞、蓄、净、用、排6个海绵城市建设目标,海绵城市建设技术研究领域还包括渗透管沟、渗透塘(渗);植被缓冲带、旱溪(滞);人工湖面、景观水体、蓄水池等人工水体与天然湖泊、池塘、河流等自然水系(蓄);人工湿地、稳定塘、湿塘、雨水湿地(净);雨水罐、雨水储存池(用);渗渠、初期雨水弃流设施(排)等。

3其他研究

3.1资金来源。我国海绵城市建设的资金来源主要是政府与社会两个方面,其中使用最多的融资方式是PPP模式,即政府与社会资本合作的方式,该方式有利于先进技术、管理运营经验与行业领军企业的引入,对于海绵城市投资、建设、运营的体制与机制问题的解决效果显著[17]。政府资金投入方面,国家开发银行、农业发展银行等政策性金融机构也是我国海绵城市建设的重要金融力量。

3.2建设评估。在海绵城市的建设过程中,评估评价主要可划分为建设前的风险评价与建成后的验收考核两个方面。建设前的风险评价涉及经济风险、健康风险、环境风险等,而其中评价的较多的为健康风险和环境风险两个方面。健康风险方面主要考虑收集来的雨水所带来的疾病传播和感染的潜在可能性[18];而环境风险方面则主要表现为海绵城市建设中材料、建造、运输、操作与维护对于环境的影响[19]。在建成后的验收考核方面侧重于从建设质量以及同城市的匹配度等方面进行。

3.3政策法规。现有研究表明我国在保障海绵城市实施的政策、法律法规领域的建设力度是不够的,目前仅有的是一些试行指南、办法、倡议书、意见等,而缺乏专门针对海绵城市或其中内容的权威性政策法律法规,因此法律法规体系不健全[20]。

3.4经验介绍。海绵城市建设理论研究的现有成果涉及古今中外,其中以我国古代经验与国外经验介绍为代表。国外海绵城市建设经验及对我国的启示是实施者与研究们探讨的重要领域,在国外经验研究方面,主要倾向于先进理念与技术应用介绍。例如,对日本、德国、新西兰、美国等国家的具体工程与法律体系建设的推崇[21]。古代经验介绍方面,以古人的防水思想和雨水利用为主,例如通过分析我国古代传统民居、古典园林与城市排水中的雨水利用思想,总结出现代海绵城市建设可以借鉴的思路和方法,为城市的可持续发展提供有益启示[22]。

4研究述评与展望

以《海绵城市建设技术指南》的内容划分为基础,结合海绵城市学术研究的基本模块和方向,本文针对我国的海绵城市建设研究成果进行了文献梳理,发现我国在专项设计、技术应用等海绵城市建设的宏微观领域取得了很多先进的成果,这为我国海绵城市进一步的建设提供了有益指导和经验。虽然我国在海绵城市建设研究中取得了不少的研究成果,但是因受很多因素的限制,仍然存在一些研究不足。第一,加强理论研究,为具体应用提供指导。因为海绵城市建设的起步较晚,我国用于海绵城市建设的指导理论与思想多从国外发达国家引入,因而出现了一昧追求建设与应用,而忽视扎根本土的指导理论与思想体系建设。因此,基于我国特殊情况开展土生土长的关于海绵城市的基础理论研究是未来我国海绵城市建设研究领域的一个重要方面。第二,继续发展技术,提升海绵城市功能。谭术魁等以我国首批16个海绵城市的建设为例,考察了我国海绵城市的建设进展情况,结果发现这16座城市中有近一半的城市的海绵化情况同城市需求不匹配,不能很好地解决城市排水排涝问题,这在一定程度上可以反映出我国海绵城市建设的技术存在缺陷,有待于实施者与研究者们的进一步完善或开发更有效的应用技术。另外,我国很多试点城市在建设过程中仍存在迷茫情况,不知该从何入手。因此,继续完善技术,为建设者们提供指导,以推动海绵城市建设力度,仍是未来需要探讨的内容。第三,开展综合研究,全方位打造海绵城市。海绵城市建设是一个复杂的过程,规划制定与工程实施横跨多个部门、多个学科与领域。而目前的研究多从规划、建筑、土木与水利等理工科视角进行,而在一定程度上忽视了文化、社会与经济等部门和学科的作用。从人文社会科学等领域来审视海绵城市的建设对于我国建成适应人类生活与动植物生存的健康的、科学的海绵城市具有重要意义。因此,未来具体的海绵城市建设过程应该是一个融合多部门、多学科、多专业理念的过程,综合从多个视角探讨海绵城市的建设实践与研究是未来实践与学术活动的一个方向。

作者:肖龙 方露萍 李雷婷 单位:福建商学院传媒与会展学院