海綿城市建設中的生態選擇研究

關卓今

（北京市水科學技術研究院，100048，北京）

海綿城市建設中的生態選擇研究

關卓今

（北京市水科學技術研究院，100048，北京）

綜合我國城市雨水利用現有研究成果，提出了綠色環境生態系統的生態設計模式作為海綿城市建設格局的生態選擇，并對其應用要點做了分析闡述；指出了該生態設計模式與往常城市雨水管理利用的典型下凹式綠地應用的根本區別和應用方法。該生態設計模式強調了城市綠色環境生態系統的格局特點、規模含義、豎向規劃、土壤的作用、綠地的城市自凈核心作用、LID理念生態學思想的理解及其模式的應用方法等，通過該海綿城市生態設計模式的應用，促進城市雨水利用和城市規劃建設向具有巨大節水效益、有效的防洪防澇能力、良好的生態環境生態系統、有效控制空氣粉塵污染和消除面源污染強大自凈能力等良性循環的城市綠色環境生態系統發展，建成能自然積蓄、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，使城市雨水管理利用在城市建設中釋放出巨大的生態效益和經濟效益。

城市雨水利用；海綿城市；城市生態設計模式；綠色環境系統；下凹式綠地；城市自凈能力；空氣粉塵

隨著城市化迅速發展、城市面積擴大、城市生態環境質量下降和改善的愿望增強，城市雨水管理利用受到了前所未有的重視。自1982年6月在美國夏威夷召開了第一屆雨水集流利用國際會議以來，人們給予城市雨水管理利用越來越多地關注、研究和應用，城市雨水管理利用的理論技術水平也已有長足的發展并且受到當地政府重視。美國的最佳城市雨水管理利用和低影響開發理念應用，日本資源化收集利用以及后來的將各種雨水滲透作為城市總體規劃的組成部分，德國近期的把雨水利用與周圍建筑、景觀、綠地、生態、城市規劃以及設計人等6個方面結合，其理念在全社會普及，在許多國家城市中很好地進行了實踐。如今，面對城市缺水、洪澇災害頻發、粉塵PM2.5居高不下、城市對面源污染自凈能力低下等環境問題，中國政府提出了極具生態學意義的“海綿城市建設”理念，從而為城市生態基礎建設的雨水管理提供了明確的指導方針。海綿城市建設的核心思想 “自然積蓄、自然滲透、自然凈化”等內容顯示，雨水管理利用的生態學思想受到了極大重視。

在我國，縱觀城市雨水利用的理論和方法，能從規模上、整體上系統而有序地進行雨水利用、實現海綿城市建設模式的首推城市綠色環境生態系統雨水利用生態設計模式。該模式是由建筑、道路、綠地及排水系統等構成的城市綠色環境生態系統，建筑和路面等硬化面高程高于綠地高程，雨水口設置綠地內，雨水排水口低于硬化面高程并高于綠地高程。該模式在北京“雨水控制與利用工程設計規范”和“北京市園林綠地雨水利用技術規程（草案）”中已作為“典型下凹式綠地”示范。這種下凹式綠地在我國城市雨水利用建設中也普遍應用。盡管如此，但并不是有了這種模式我國的海綿城市就能順利地建設成功，也并不能完全打消一些人對海綿城市建設能否成功抱有的懷疑態度。現行的許多工程是以高投資來完成雨水利用項目的要求，如果實現“指南”或更高的要求，從而在一個城市乃至全國全面實現這種海綿城市建設，那么將會付出巨額的投資和代價。所以，在應用生態設計模式時，能否對設計做出正確的生態選擇，是能否成功解決實現低價的、具有巨大經濟社會效益和生態效益的海綿城市建設的關鍵所在。

一、海綿城市建設的生態設計模式選擇

1.海綿城市建設與生態設計模式的生態學意義

考察并綜合現有的城市雨水利用研究和應用，海綿城市建設的理論和模式最佳選擇莫過于城市綠色環境生態系統生態設計模式。該模式在一些城市雨水利用規范和綠化規程中作為了典型下凹式綠地提出，也為多數研究人員所推崇。

最大限度地發揮城市海綿的作用，就是在城市雨水管理利用中，從城市整體規劃的角度出發，在城市整體規模基礎上，形成有序的格局和運行系統，城市建設相關行業自然協作進行有規律的城市建設和運行管理，使其成為城市生態基礎建設的重要部分和內容；從而實現海綿城市建設“自然蓄積、自然滲透、自然凈化”的核心生態價值，達到城市綠色環境生態系統對雨水最大限度地自然利用、節約灌溉用水；對城市洪澇的水量最大限度地自然控制；對生態系統從規模、生物量到生態作用最大限度擴大和發展；并對大環境空氣粉塵、面源污染等自然控制、減少和降低，同時減少進入河湖污染物質，減少富營養化作用等增強城市自凈能力；減少雨水排水泥沙攜帶，減輕排水系統堵塞等。同時，在這種海綿城市建設生態設計模式的雨水管理利用過程中可體現出其格局利用分布上的均勻性和輕量負荷特點，與LID生態學思想一致；從而可使該城市系統運行保持可持續性。

2.海綿城市建設生態設計模式

城市整體格局的生態選擇即選擇什么樣的生態設計模式。也就是在城市建設中，城市的結構或城市綠色環境生態系統中，建筑—硬化面—下凹式綠地—排水系統等各要素的高程關系為：建筑和路面等硬化面高程高于綠地高程；雨水口設置在綠地內，雨水口低于路面高程并高于綠地高程。這種高程關系，是一個城市建設的普遍概念或要求，而具體的高程和格局安排應根據現場具體情況，因地制宜。

3.低影響開發的核心理念與海綿城市建設

所謂的低影響開發（LID：Low Impact Development）概念，是美國人從對雨水管理實踐中獲得的生態學理念。這是一種植被滯留與吸收下滲的雨水處理方式代替了傳統的雨水最優管理模式 （BMPs：Best Management Practices）。低影響開發強調城鎮開發應減少對環境 （包括已建成區域已有設施）的沖擊，其核心是基于源頭控制和延緩沖擊負荷的理念。LID的生態學理解應含有環境和設施對雨水利用的最大規模和最小負荷的源頭處理和分散處理的行為，從而分散地將雨水在可控制并對生態系統最小沖擊或有利的情況下，實現充分利用雨水使城市綠色環境生態系統充分發揮防洪防澇、節水利用、消塵去污、凈化環境的作用。

當雨水還沒有構成局部負荷過大或沖擊危害的時候，大多數的環境生態系統都可以對雨水加以利用，這樣整體城市就形成巨大規模的利用；所以雨水管理利用越是源頭越為容易，而中途和末端的措施則應該是不在萬不得已的時候盡量不采用。

4.海綿城市建設中生態設計模式應用要領

（1）海綿城市生態設計的高程關系

高程關系即為豎向設計，是城市規劃設計的重要內容，它規定了城市建設中各要素間的垂向關系。以綠地為核心的建筑、道路等硬化面、綠地及排水系統等構成的綠色環境生態系統各要素間的豎向關系包括：各硬化面與建筑基準面的關系、硬化面與土地基準面的關系、綠地與各硬化面的關系、綠地與排水口的關系、硬化面與路牙的關系、硬化面與排水口的關系、不同硬化面間的關系、建筑物門欄與硬化面的關系、建筑物門欄與綠地的關系、綠地平均面與基準面的關系、綠地與植物的關系以及受雨的建筑物頂傾斜方向和出水面的關系等。所強調的是，這種“下凹綠地”不是綠地要低于硬化面，而是硬化面建設的時候要高于綠地；并且，生態設計如果缺乏系統的豎向設計體系，將難以避免城市雨水利用會出現各種不規范現象，從而極大地降低其作用。高程的選擇也應因地制宜，本著最大限度地發揮綠色環境生態系統的作用，最大限度實現自然蓄積、自然滲透和生態系統自然凈化的作用。

雨水利用豎向設計受到較多因素限制，其中主要的限制因素有當地氣候或降水量限制 （包括最高降水量、年均降水量和年內分布）、土壤下滲能力，綠地中植物選擇（耐淹耐濕及耐鹽堿等能力）以及地形特點等。

（2）海綿城市建設生態設計的6個結合

從總體上講，海綿城市生態設計模式雨水利用，從城市綠色環境生態系統出發，應該與系統中建筑、景觀、城市規劃、生態作用、綠地、設計人員等6個要素相結合，達到海綿城市建設的規劃性、整體性、規模性、有序性、系統性，從而有可能從根本上實現海綿城市效果的建設，而不是一個個措施局部應用的效果。

生態設計的6個結合，其含義簡述如下：

①與建筑結合。在城市綠色環境生態系統中，建筑、道路、排水系統是重要的成分，互相之間的作用極大地影響生態設計的雨水利用，其各種關系處理是否得當，將直接影響系統實現最大限度的、有序的雨水利用過程；相互間的關系主要建立在豎向設計上。所以，應將雨水利用周圍環境生態系統中的建筑與雨水利用作為一個統一體進行考慮。這種統一體也是海綿城市生態設計模式的重要特點之一。

②與城市規劃相結合。城市雨水利用與城市規劃相結合使城市整體建立雨水利用系統。城市建設的各行各業將雨水利用要素納入、形成系統，并使雨水利用形成規模，從而發揮雨水利用的巨大作用，包括生態作用。所以說，雨水管理利用在整個城市形成系統有序的體系，需要與城市規劃結合。海綿城市建設生態設計模式是即具有在整體意義上也有對局部具體操作有指導意義的生態規劃設計特點。

③與景觀結合。雨水在綠色環境生態系統中也是重要的水資源來源，對其充分地加以利用，與景觀充分結合可以起到環境美學效果。

④與生態結合。雨水積蓄的過程中不可避免地攜帶環境中一定量的污染物質，而在進入河湖后容易造成富營養化或污染，與生態結合充分利用未被占據的生態空間，將發揮水環境生態作用對雨水起到凈化作用；環境生態系統的發展需要大量的水分和營養物質供給，與雨水利用結合可極大地增強生態系統的發展和生態功能的增強。總之海綿城市雨水利用與生態充分結合才能使其環境改善效益顯現出來，如降低城市空氣粉塵、減少面源污染、有利于綠化發展等。

⑤與綠地結合。綠色環境生態系統中綠地是海綿城市雨水利用生態設計的核心部分，是雨水海綿作用的核心，也是城市自凈能力的核心。綠地生態系統土壤對雨水的自然積蓄和滲透的巨大的海綿作用、對雨水攜帶污染物質的過濾及凈化作用、對病原微生物的抑制滅殺作用，對粉塵等固體物質的接收和控制作用，植物對土壤滲透性改善和地下水的平衡作用等都體現了綠地的核心作用。海綿城市生態設計模式將城市固定比例的綠地最大限度地分散、以最大限度地利用并降低本身在雨水利用過程中的負荷，降低受損風險，是出于LID最本質的生態思想。

⑥與設計人員結合。對于城市建設、雨水利用或“下凹式綠地”的設計，設計人員在不明確新的生態設計思想、新的設計模式要點以及對其中概念，如綠地的“下凹”，嚴格地講，是針對什么的情況，便可能會出現千差萬別的設計結果；致使海綿城市綠色環境系統雨水利用作用受到限制，從而使海綿城市建設大打折扣；因而，對于新的海綿城市建設的理論設計模式，應該對設計人員有詳細和嚴格的培訓，從而使得海綿城市建設納入有系統性的計劃內。

二、城市局部建設設計中的生態選擇

海綿城市建設是城市重要的生態基礎建設。在城市局部建設的各個設計中，生態選擇對于實現海綿城市建設至關重要。生態設計模式為海綿城市建設的系統的生態選擇，并在海綿城市建設中將表現出這些重要生態選擇的作用。

1.海綿城市典型下凹式綠地生態設計模式的生態選擇

①城市雨水的最大限度地利用而不是有限制性利用的選擇。在城市各種因素限制條件下對雨水最大限度地利用，以實現雨水利用的經濟效益和生態效益的最大化。

②城市綠化規定有限固定面積的分散性與綠地在源頭分散接收雨水，而不是集中綠地或綠化帶在雨水利用的途中或末端。對于一般城市建設要求的大約30%的綠地面積，將其分撒地在城市生態設計模式下利用，有利于充分發揮綠地的生態作用，并且符合LID的源頭、分散、輕負荷避免系統受損處理的生態思想。

③建設高的硬化面和低的綠地概念的統一性和確定性，而不是綠地“下凹”概念的不確定性。在城市綠色環境生態系統中，設計人員對于“典型下凹式綠地”的設計應該讓硬化面高于基本的綠地面，而不是讓綠地低于較低的硬化面而形成更為低的下凹或下沉的綠地；如果只講是綠地的下凹或下沉，很有可能會出現千差萬別的設計結果；在人為控制極為強烈的城市生態系統中，已經很難找到上游水文狀況與下游原有水體的水文平衡，更多的情況是本身上游城市水文循環正常狀況的受損；所以，應綜合考慮水文和生態因素和條件，最大限度進行雨水利用。

④綠地的面積和綠地的高程決定了雨水利用的規模。在很多城市雨水利用措施中，綠地僅作為雨水積蓄、滲透、凈化的一種設施；其含義中包含了這種措施與其他水利措施共同完成或實現徑流控制或其他一項雨水控制的目標，而不是將這種典型的綠地系統作為城市生態基礎建設的一種普遍應用的格局結構,從而影響綠地雨水利用的規模；所以，這種普遍的格局結構是全市規模的，其生態、水文作用（也就是海綿作用）也是巨大的；而對綠地的不充分利用或有限利用都將是對最大限度地城市雨水利用的巨大影響，會使海綿城市的規模和生態作用大打折扣。

⑤綠地是海綿城市綠色環境生態系統的核心部分，而不可僅作為雨水利用工程中的一種類型。綠地將把營養污染物質保存于相對貧瘠的陸地，而不是讓雨水帶到水體中再進行凈化或引起水體的富營養化污染；綠地保持、聚集和利用更多的泥沙和固體廢棄物包括動植物殘骸及代謝物質，而不是將其送到垃圾填埋場或污水處理廠而增加末端處理投入。

2.綠地植物的生態選擇

綠地植物的選擇主要指在海綿城市綠色環境生態系統雨水利用中起著主要作用的植物。與下凹的綠地中相比非雨水利用地段，植物將需要忍耐一定程度和時間的反復受淹、干旱和鹽堿的考驗；因此，下凹綠地植物應選用耐旱、耐淹、耐濕、耐鹽堿的種類；并且根據具體地形、氣候、氣象、土壤和管理條件及植物特點等進行選擇。這種植物的選擇為綠地在雨水利用中擴大了應用生態空間，可使綠地的集雨停留時間、滲透時間以及集雨的總量大幅度提高，從而可極大地加強其生態作用。因為不同植物的耐水耐濕性、耐旱性、蒸騰能力等特點有較大的差別、可適應不同情況的水分條件，耐淹植物耐淹的時間可以不止24小時，從而雨水積蓄量的提高對于城市綠色環境生態系統在防洪澇、城市生態凈化和節水等潛在海綿作用的生態效應和經濟效益都將是巨大的作用。

3.綠地土壤生態系統的生態選擇

以綠地為核心同周邊建筑、道路等硬化面、排水系統等環境因素構成的綠色環境生態系統格局，綠地發揮著凈化、水分涵養、空氣改善及衛生環境改善等重要的作用。城市綠地各種生態功能的發揮離不開土壤。海綿城市生態設計格局的下凹綠地的土壤生態系統顯然還存在著巨大的生態空間利用；而高程高于硬化面的綠地和較淺的下凹綠地都將不同程度降低其系統的生態功能和作用。

①巨大空隙的海綿體。土壤是水分可以以不同形態儲存、并可被植物根系吸收再利用于生態系統的天然空間。多數城市坐落于山前沖積洪積扇，常常有著深厚的土壤和較好的滲透能力，正如德國雨水利用專家認為的 “地下就是一個巨大的蓄水池”，土壤在綠地中的巨大空間對雨水利用具有巨大的“海綿”吸收作用，土壤的持水能力和植物的吸水利用調節作用使得綠地具有水分平衡能力的“海綿”調節作用。所以，土壤生態系統是城市海綿作用的重要基礎。

②巨大的分解者活動場所。土壤在綠地生態系統中含有大量的微生物和土壤動物等生物有機體，如細菌的數量可達到 106 cfu·g-1（colony forming units）。它們對進入綠地的許多物質進行分解轉化，并為植物所吸收，因此對面源富營養化及其他污染物質的凈化發揮著重要作用；土壤微生物對于病原微生物的殺滅和拮抗作用對城市居民的健康至關重要。進入綠地的雨水將增加綠地生態系統的生產和發展，并可強化土壤生態系統的作用。所以，縮小的綠地土壤面積、限制或不充分的雨水利用都將影響城市綠色環境生態系統的生態功能作用空間。

③固體物質積累和物質循環。典型的下凹式綠地系統是城市很多固體物質的沉降場所，如泥沙、難以分解的碎屑、雨水攜帶的懸浮物、落葉及動物代謝物質等在綠地土壤中進行物質循環的過程，增加綠地生態系統的營養成分，并可極大地降低城市固體廢物數量；一定合理深度的綠地下凹程度對于雨水的自然儲蓄、滲透、固體物質更多進入和容納將展現巨大的生態空間，并使土壤生態系統獲得更多良性的發展機會。

4.路牙與降低空氣粉塵的生態選擇

陳橋等人研究認為城市地表污染物是城市降雨徑流污染的主要來源，其累積和降雨沖刷過程分別是沉降—懸浮—再沉降以及懸浮—沉降—再懸浮的動態過程。所以雨水攜帶的泥土在不充分的雨水利用條件和路牙的阻擋下沉淀于硬化地面，成為空氣粉塵的重要來源，經擾動進入空氣，造成空氣粉塵污染。而全面的、具規模的生態設計的典型下凹綠地和無阻的路牙則會極大地避免這一過程。另外，典型下凹綠地或典型綠色環境生態系統在借助多種生態動力源的作用下發揮其凈化功能。例如，在降雨動力源的作用下，可將硬化面上的泥土沖刷帶入相對較低的綠地土壤中，也避免雨水攜帶泥沙進入排水系統長距離輸送造成管道堵塞的難題產生；在風動力源的作用下，使硬化面上的塵土有向低的綠地集中的趨勢；行駛的機動車動力源，有使硬化面上的塵土驅向旁邊低的綠地土壤中的趨勢。

5.透水硬化地面的生態選擇

透水鋪裝作為一種城市雨水管理利用的方法技術已經廣泛地應用于城市建設。尤其是透水磚，由于具有迅速透水性能，路面不易積水、方便市民安全出行等多種良好的性能而被普遍應用于各種雨水利用過程中，因而在近年得到迅速發展。加之城市建設“黃土不露天”意識的影響等，人們對透水磚的偏愛，很容易造成透水磚大量使用，而忽略未覆蓋自然土壤面積大量減少的局面。這種情況的繼續發展，對整個城市生態系統可能存在巨大的潛在危險，造成城市自凈能力大幅下降，并因重新改造而相應造成更大的經濟損失。

三、結 論

1.海綿城市綠色環境生態系統格局的生態設計模式選擇

能充分發揮生態作用的海綿城市格局的生態選擇應該是以典型下凹綠地為核心、由建筑、道路等硬化地面、綠地、排水系統等構成的綠色環境生態系統的生態設計模式；應用中掌握6個結合；充分發揮 “海綿”格局的自然積蓄、自然滲透和自然凈化的作用；充分體現生態設計模式的“自然”作用，實現防洪防澇、節水綠化、補充地下利用及城市凈化等巨大的生態作用，并可相應減少雨水控制和利用設施建設的巨大投入，實現生態設計巨大的經濟效益和生態效益。

2.海綿城市建設的規模意識和效應

城市生態系統是一個整體系統。城市的雨水、面源污染、空氣粉塵污染都具有城市整體規模特性。城市雨水利用與之聯系必然需要在這種程度上才能獲得整體規模的生態效應。僅僅靠以個別單獨的雨水利用工程或個別措施作為雨水利用手段，希望在整體城市中實現雨水利用真正的控制可能難以奏效；沒有從整體規模效果上設計的雨水利用途徑，城市的雨水利用生態效果也將難以從根本上實現，也就難以實現一個具有整體巨大效應的防洪防澇、節水利用、面源污染凈化和空氣粉塵控制的綠色環境生態系統的海綿城市。

3.時效性

在城市生態基礎建設中，因城市建設格局難以無成本進行，具有不可逆的特點，這鑄就了已有城市建設格局已無法改變。因此對于關系到城市建設格局的雨水利用，任何不科學不合理的決策都將會給城市帶來長期的巨大的經濟損失和生態環境損害的后果，應盡早引起重視。生態設計格局的制定是海綿城市建設迫在眉睫的課題！

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責任編輯李建章

Studies on ecological measure of sponge city construction

Guan Zhuojin

According to current research data of rainwater utilization in cities of China,green environment ecosystem is proposed as a design mode for sponge city construction for ecological improvement and issues related to its application and practice are reviewed.Differences between this approach and conventional measures such as concave greenbelt are examined.More attention should be paid on the significance of green environment and ecosystem and it is urgent to carry out the approach of sponge city construction,taking the ecosystem character,scale,vertical planning,functions of soil,self-purification of city,application of LID concept and model applicationintoconsideration.Inorder togeneratemoreecological andeconomicbenefitsfrom improvement of rainwater management,it is necessary to make beneficial use of greenenvironment and ecosystem so that it will encourage water conservation,enhance capacity of flood control,restore environment and ecosystem,reduce air dust and non-point pollution by taking the advantage of self-purification.Moreover,a sponge city that water can be stored and penetrated naturally and self-purified will be realized.

urban rainwater utilization;sponge city;city ecological design model;green environment ecosystem; concave greenbelt;city self-purification;air dust

TU991.14

A

1000-1123（2016）04-0004-05

2015-10-20

關卓今，高級工程師。