海綿城市研究進展綜述：從水文過程到生態恢復

趙銀兵,蔡婷婷,孫然好,倪忠云,張婷婷

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 成都理工大學旅游與城鄉規劃學院,成都 610059

在全球氣候變化及區域人地耦合作用日益復雜的背景下,一些城市因規劃、建設和管理等方面的歷史原因,缺水、洪澇和地下水污染等問題日益突出,探索城市建設與水文關系的“海綿城市”理念由此應運而生[1]。“海綿城市”(Sponge City)也稱“水彈性城市”,比喻城市像海綿一樣,在降雨時能就地或就近吸收、存蓄、入滲和凈化雨水,從而補充地下水,實現城市雨水資源的有效利用;在干旱缺水時將蓄存的水釋放出來,從而讓水在城市中更加“自然”地進行傳輸和循環。“海綿城市”是一種形象的表達,其學術術語為“低影響開發雨水系統構建”(Low Impact Development of Rainwater System Construction,LIDRSC)。

從19世紀起,國外一些城市陸續開展了各種形式的治水探索：法國于1852年將城市排水系統納入建設規劃,英國從1859年開始修建地下排水系統工程,美國從1972年起規劃建設大型排水系統并在后續的城市建設中提出“低影響開發”(Low Impact Development,LID)模式,澳大利亞自1975年起開始規劃防治城市內澇,日本東京從1992年開始歷經15年建成了世界上最先進的下水道排水系統。雖然國外并沒有以“海綿城市”這一表述來定義城市雨水利用與水綜合管理,但各國實踐都與海綿城市強調的滲、滯、蓄、凈、用、排等理念相似。

在國內,俞孔堅等人在2003年出版的《城市景觀之路: 與市長們交流》一書中提及“海綿”的概念,比喻自然濕地與河流等對城市旱澇災害的調蓄作用,由此推及“海綿城市”是具備“海綿”功能的城市。“海綿城市”在國內雖屬新概念,但追溯至中國古代,就有“天水不外泄”、“四水歸堂”、“南面風水塘”等利用雨水資源的做法,正如《管子·乘馬》中強調正確處理城市與水的空間關系,北宋時期江西贛江獨創福壽溝“水窗”,這些古代實踐在雨水調蓄思想上都與當代“海綿城市”具有異曲同工之妙[2- 3]。

1 海綿城市發展現狀

1.1 以水循環過程為基本原理

海綿城市理念針對城市洪澇及水環境問題提出,是一種以實現水文過程動態管理與調控為目的的城市建設模式,這種模式對不同時期和不同性質的城市建設所造成的多元化水文過程干預加以考慮。中國古代城市水利建設強調化有為無、以大化小,將排他轉為包容,將集中轉為分散,快轉化為慢,硬化轉為柔和[4],普遍采用排水和蓄水的方式,即最大限度地尊重城市的水文過程。近現代硬質化城市建設形式濫用導致自然匯水方式發生改變,當這種改變超過了城市水文過程的自我調節極限,就出現了城市結構功能性退化,進而引發城市水循環失衡[5]。國外針對這一類似問題,從20世紀60年代就展開了關于城市化對水文過程影響的研究。如美國于1965年制定了城市雨水和水文控制指標體系并進行效益分析,該項舉措被視為城市徑流與水文研究的起點。20世紀80年代城市水文學開始與生態學加強對接,逐步興起了生態水文學,旨在研究水文過程與生態過程的互饋關系[6]。國內外的水文學研究奠定了海綿城市的建設理論和實踐基礎。2015年出臺試行的《海綿城市建設績效評價與考核辦法》強化了水環境、水資源、水安全、水生態等方面的建設指標,可見城市水文循環過程是否穩健和可持續是各個試點海綿城市評價考核的重要衡量標準[7]。雖然水文學對海綿城市影響的各項研究已經開展起來,但是城市極端水旱災害發生的頻率與強度仍在增加,水資源系統應對氣候變化的適應能力較弱,濕地退化、流域水循環失衡、城市熱島效應等問題仍然突出。

1.2 技術措施多元變化

國內外海綿城市建設的技術措施包括雨洪模型、流域治理與徑流控制措施、大型工程措施、低影響開發技術措施4種類型[8- 9]。雨洪模型分為水動力學模型和水文模型,水動力學模型是物理和數學方法上的實驗,水文模型關注城市實踐應用。作為認識和理解城市水文循環的有效工具,水文模型可以在海綿城市建設措施實施前,用于評價分析數據信息采集與模擬。2014年頒布的《海綿城市建設技術指南》也強調通過水文模型與相關計算從而優化城市控制性詳細規劃涉及的各項指標。結合城市化對水文過程影響機制的研究成果,國內外集成了各種水文模型,根據適用對象可以劃分為流域、城市和單元等類型(表1)[10- 11]。

表1 適用于海綿城市建設的常見模型

流域治理與徑流控制措施和大型工程措施以達到維持水文平衡為目的,可以緩解因建設尺度不一而造成的實施困境。流域調蓄系統、自然保護區濕地和河湖攔蓄等有效處理了降雨時的溢流污染及地區積水問題,本土植被種植和土壤改良以生態治理為核心進行水土防治,減輕了水資源環境壓力[15]。

國外低影響開發研究起步較早,以綠色基礎設施(Green Infrastructure,GI)為主,將其視作雨水資源化的重要部分,涉及城市景觀與市政層面的規劃與設計,重點研究降低洪澇災害、改善水環境質量和保護城市生態系統的方法[16- 17]。如著重解決小尺度層面集水滲水問題的雨水花園、植草溝、生物滯留池和透水鋪裝等措施被廣泛運用,旨在從城市建筑和景觀綠化入手增加和維系調水蓄水的天然載體[18]。國內試點城市在做居住區景觀規劃設計和局部給排水規劃時,大都以這類小尺度技術措施為參考進行分散式的海綿體布局,以增加集水能力和污水凈化功能。而在建設的空間尺度相對更大時,各城市傾向于選用可兼顧項目系統性和可實施性的海綿城市技術措施。值得關注的是,國外大部分遵循低影響開發理念建成的項目都會提及,只有在一定區域和一定降雨量范圍內,低影響開發方案才可正常運行。丹麥規劃設計師在2016年所完成的《哥本哈根暴雨應對行為準則》中特別指出,特定方案對于超出范圍的暴雨量是不可控的。因此,當下海綿城市實踐中所取得的成果雖然可以解決小雨和中雨等情景下的問題,是否也能抵御大雨甚至暴雨的沖擊還有待檢驗。

1.3 研究領域融合拓展

在國外,與海綿城市理念緊密相關的研究是低影響開發和雨洪管理,研究熱點有四個方面：綠色基礎設施(Green Infrastructure,GI),指相互關聯的網絡化綠色空間,它保存自然生態系統價值和功能,為海綿城市建設提供基礎條件支撐[19- 20];可持續排水系統(Sustainable Drainage System,SUDS)有利于提升城市治水效益,但因水文和工程的基礎資料不全,它在部分地區尤其是發展落后城市的實施仍受到諸多條件限制[21- 22];水敏感城市設計(Water Sensitive Urban Design,WSUD)強調人工濕地和景觀水體的作用[23];水資源綜合管理(Integrated Water Resources Management,IWRM)融合城市水文學和工程水文領域的知識與技術,以實現城市水文循環平衡和水環境安全為目標[24- 25]。

對國內城市發展而言,“海綿城市”這一概念明確了城市雨洪管理和雨水利用的內涵,指出了技術措施和實現路徑,強調了城市建設、城市水文以及城市生態系統三者之間的耦合關系。目前國內海綿城市研究的重點是水文模型開發、城市給排水系統升級改造及綜合性規劃、城市市政工程綜合排澇能力評估、城市水文控制模型與效益分析、低影響開發技術措施的改良優化等。隨著科學技術逐漸發展,海綿城市建設不再局限于某個單一領域,而開始重視水與環境、氣候、技術、經濟、生態、社會等領域的交叉與融合(圖1)。在氣候變化的宏觀背景下,城市的脆弱性、防洪減災能力及適應氣候變化的能力被納入城市規劃的考慮范疇,海綿城市研究與大氣科學的聯系也越發密切[26]。地理背景研究有助于監測分析地表覆被變化與地表徑流的作用關系,進而服務海綿城市建設的水文模擬。建筑信息模型(Building information modeling, BIM)可以對工程項目進行模擬并指導施工,在老舊城區地下排水工程管線信息缺失的情況下可保證一定的準確性[27]。BIM技術與遙感、地理信息系統、大數據和云計算等相結合,有效地提高了海綿城市的定量化、綜合化、動態化研究水平,有助于解決水文預報和災害防控等方面的問題[28- 29]。農學與林學涉及到的土壤和植被問題成為海綿城市生態建設需要解決的重點問題,其中主要包括植被修復和土壤改良等城市生態恢復方面的內容。

圖1 海綿城市研究涉及領域Fig.1 Fields of sponge city research

2 海綿城市發展趨勢

2.1 增強地理和氣候適應性

在全球氣候急劇變化的背景下,水文循環時空演變規律已成為大氣科學和水科學研究的熱點,水資源系統適應地理和氣候的能力受到考驗[30]。研究地理因子和水文過程的作用機理,可為流域及城市的水資源可持續利用提供理論依據[31]。海綿城市的地理影響要素主要分為地形地貌、氣候和水文等。地形地貌作為城市下墊面,是海綿城市建設的基礎本底[32]。氣候要素包括大氣環流、太陽輻射和下墊面狀況等,對海綿城市建設形成長時序和區域性影響。水文要素包括降雨量、水位、水質、流量、蒸發量等,是水文過程模擬和水文調控的關鍵對象。為解決上述問題,應當充分認識氣候變化與流域和城市之間的非線性關系,突破洪澇災害研究局限在不透水面積變化、排水標準劃定和防護措施等單一領域的不足[33]。在海綿城市建設中需考慮氣候變化對水資源脆弱性的影響,并做到因地制宜,結合氣候適應性城市的思想,按照氣候特征劃分建設區域,基于區域氣候風險、城市規模與功能進行分類指導,開展面向氣候變化的影響評估和風險測評。進一步針對不同領域劃定指標并制定建設方案,實現將氣候響應指標納入城鄉規劃體系與建設標準的目標。

地理區位的差異使各類海綿城市的建設措施及目標不同,平原、山地、高原的城市應區別對待,結合各自地理狀況和洪澇災害歷史合理解決雨洪災害和雨水利用問題。對處于不同地理區位的城市在規劃初期就應注意空間布局和功能協調,根據城市所在地區的地形地貌特征,分析用地性質設置合理的技術措施,避免無序擴張[34]。干旱地區重點需要保證飲用水水源保護區安全,加強水質監測,并將單一的工程治水轉變為與生態治水相結合的方式[35]。降雨充沛的洪澇頻發地區應強化城市排水系統,實現高水高排及生態補水目標,提高城區的蓄洪和排洪能力。受水環境污染的城市,重點解決面源污染問題,改善生態環境。生態本底良好的城市,可以構建水系廊道、生態廊道和生態斑塊等自然生態空間格局,規劃利用水資源完成水生態修復規劃。熱島效應嚴重的城市,生態保護與雨水徑流調控應同時進行,通過構建自然海綿與人工海綿優化藍綠空間布局以調節水文循環[36]。

2.2 強調水文過程的生態功能

臺風、暴雨、洪澇、干旱等引起的城市型水問題,增加了城市水文循環的壓力。城市化的水文效應研究可以指導陸地水域的保護工作,除了與城市水文學接軌,海綿城市的研究還應增加水文循環的生態性研究。從生態水文學的角度出發,可以研究城市水文過程如何影響降雨徑流以及河流、湖泊的洪水調節功能,從而提高水資源質量、城市的生態效益和生態系統保護功能,增強海綿城市的“海綿”效應。

城市水文學研究重點集中于水資源問題,傳統的水文調控過程使得海綿城市研究從水循環過程出發,研究水文特征關聯性,探索水質演化規律,對洪澇災害的發生進行監測和控制,制定有效的風險管理措施。生態水文調控方式填補了水文分析中生態過程研究的空缺,研究生物過程和生態系統變化狀況對降雨量、徑流指數和蒸發量等水相關要素的影響有助于海綿城市工程實施的科學化管理,最終實現城市淡水資源的可持續利用[37](表2)。生態水文調控與海綿城市可持續發展的理念高度契合,可以緩解因水文學、城市水文學領域的各類實踐可能引發的過度工程化以及與生態系統脫節等問題,將有助于增強流域生態穩定性[38]。

當代水文過程呈現多尺度特征[39],未來城市水文模型的開發與改進將成為研究重點,綜合開發大氣、水文和生態研究模式,逐步將水文模型拓展為與生態系統聯系密切的水-生態耦合模型,聯合生態基礎措施提高海綿城市的生態水文分析和服務水平。水文分析和水文預測將成為雨洪設計的重點,利用洪水情景模擬可以科學地反饋信息,尋求城市洪澇的解決辦法[40]。生態水文研究將不再局限于水文景觀單元,大尺度的生態水文恢復將更受關注。

2.3 面向城市生態恢復目標

2017年住房城鄉建設部印發《關于加強生態修復城市修補工作的指導意見》文件中提出的“生態修復、城市修補”是指用再生態的理念,修復城市中被破壞的自然環境、空間環境以及景觀風貌等,最終達成治理城市病和改善人居環境質量的目的。海綿城市的建設過程可以看作是一個以最終促進城市生態結構升級和提升自我愈合能力為目的的改良、修補和更新城市環境的生態恢復過程[41]。隨著生態水文學的興起,城市水文過程的調節與平衡開始加大保護與恢復的比重,生態恢復尤其是生態水文恢復成為一個新興的研究熱點。水文運動過程中受到干擾的城市生態系統具有一定的脆弱性,應首先對受影響的水環境進行恢復,再延伸至植被、土壤和生物群落的恢復,最后才能在技術措施排布以及景觀規劃設計上提高城市生態系統結構功能,并通過建設海綿城市起到錦上添花的作用。

陸地水域是生態過程和水文過程耦合作用的敏感區域,水生態建設至關重要。城市水敏感區應該按類別實施差異化的管理措施和治理政策,有利于提升自然水的自我凈化能力和城市洪水調蓄能力,保障流域生態流量并更新流域循環過程。將流域生態修復和城市植被保護納入現有的海綿城市規劃建設中,提高城市生態系統的抵御力與恢復力作為城市生態建設目標之一[42]。注重城市與流域及氣候之間的關系,探索水文過程和城市生態格局之間的互饋效應,合理規劃城市水文調控過程中的生態水文恢復,建立不同情景下的海綿城市技術方法,豐富城市海綿化建設的途徑、單元和層次,以解決不同的現狀問題。尤其是在洪水防御和調控方面,應掌握城市和區域的災害歷史和變化過程,升級研究工具和手段,總結分析多尺度的城市災害應對經驗,使城市在再次經歷相同類型、相似量級的災害時具有緩沖空間和承受能力,面對超出預計量級的災害時具有一定修復能力,盡可能減輕社會經濟損失。構建城市不同量級和類型的海綿體協同作用體系,保證在任一量級海綿體受到洪澇侵襲時,城市生態系統能發揮效應實現一定程度的保留和修復。

2.4 完善建設技術與管理機制

新型海綿城市應該是集水文穩定性、生態性和韌性為一體的綜合發展模式,該模式應扎根于國內外理論,將自然儲水功能區與社會生活生產用水之間的動態取水排水過程視為完整的海綿城市系統中心,并圍繞它展開各項技術措施開發、雨水資源化、水文過程模擬和水文保護與調控(圖2)。城市水資源管理以平衡蓄水和排水為目標,通過人工設置的各集水設施進行匯流運輸自然水源,挖掘生態水文效應和生態潛力。為促進城市生態系統的保護和功能提升,需要以生態恢復作為重要的建設途徑,以低影響開發核心理念契合各項技術性設施建設,以合理調控水文過程來實現水安全、水環境、水資源和水生態城市等關鍵目標,逐步完善流域生態恢復、植被生態恢復、生態系統修復等內容。

當前政府財政補貼只占海綿城市投資中的極少部分,PPP模式不能完全解決其中的資金與風險問題,因此首先應在已有規劃建設框架基礎上減少資源與能源消耗,將可持續發展理念作為每一環節的實施準則,建立起切實可行的考核指標體系來評價海綿城市的經濟效益、社會效益和生態效益。避開大興土木,追求高效節約的改造方式,提高城市雨水再利用能力和穩定海綿城市收益逐步成為新時期的建設目標。其次建立以流域或城市為尺度的空間單元,把相關產業體系、管理體系和法律體系作為輔助手段。海綿城市規劃應發展為跨界規劃[43],漸次推進城市總體規劃、城市控制性詳細規劃、區域生態規劃、環境保護規劃、綠地系統規劃等不同層級規劃內容之間的融合,避免短暫的規劃期、規定的試點范圍、特定的規劃制度在銜接過程中出現的多重問題。目前海綿城市研究已經打開了生態接口,處于一個逐步升級的過渡過程,未來的建設應基于城市水文過程與生態恢復,同時達到韌性城市的建設目標并完善生態服務功能。環顧當前世界上大部分已建城市,它們的生命線系統、能源設施以及交通設施等都需要改善升級,進一步增強防護能力、適應能力和自我修復能力以應對洪水侵擾,如阿姆斯特丹的“韌性洪利”基礎服務設施便是優先考慮城市生態效益和災害抵御能力,通過建設城市硬件設施上的韌性最終實現海綿城市的韌性[44]。以上基于水文過程和生態恢復的海綿城市建設優化框架有助于使海綿城市理念具有更廣泛的應用性。

3 結論與展望

對城市發展進程來說,海綿城市是城市建設模式的一次轉型,也是一種著眼于更高層面環境需求的長期規劃。從城市所處的地理環境入手,科學地分析流域與城市的關系,面向水文過程開展綜合規劃,保護地表水與地下水質量并保障供水安全,最終推動城市防洪體系建設。推進城市水文學和生態水文學的研究,完善不同環境條件下的城市水文基礎資料,將城市正常降雨和極端暴雨等多種情景統籌考慮,增強海綿城市各項技術措施的可靠性。吸取韌性城市發展模式的先進理念,分析兩類試點城市建設的交叉領域及各自的優缺點,相互借鑒技術和經驗,將有助于解決城市生態功能退化問題。由于城市各水敏感區對水資源的依賴性較大,如何完成城市水陸區域之間的自然過渡成為未來建設過程中的難題。

除此之外,國外已經開始關注海綿城市建設過程中的社會效益,并廣泛推進社會調查,以公眾的意見與實際行動為參考,目標是提高公眾參與率,使雨水利用更加社會化,使公眾正確認識自己的義務,但這類研究已經出現了城市社會經濟利益與可持續發展科學間的沖突[45]。由于法規、技術和需求結構越來越多樣化,多年來各國城市所建立的水管理系統具有不確定性前景,公共事業管理者和水資源研究領域的科學家們在共享戰略上達成共識的困難越來越大。除此之外,在已有的水文模型中,大部分忽略了人類社會的用水活動。可見此類模型的發展仍有一定盲區,未來海綿城市建設關于社會學領域的研究將備受重視。