我國海綿城市建設中的水科學難題

左其亭

(1.鄭州大學水利與環境學院,河南 鄭州　450001; 2.鄭州大學水科學研究中心,河南 鄭州　450001)

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我國海綿城市建設中的水科學難題

左其亭1,2

(1.鄭州大學水利與環境學院,河南 鄭州450001; 2.鄭州大學水科學研究中心,河南 鄭州450001)

摘要：在總結我國海綿城市建設實踐和相關研究成果的基礎上,分析海綿城市建設提出的背景和承載的期望以及可能存在的問題,從水科學學科體系的10個方面(水文學、水資源、水環境、水安全、水工程、水經濟、水法律、水文化、水信息、水教育),闡述水科學在海綿城市建設中的應用和海綿城市建設中可能遇到的6方面水科學難題:海綿城市建設水文效應與水系統模型、水資源高效利用機理及方案優選、面源污染物通過土壤滲慮消減機理及效應、“滲、蓄、滯”作用機理與城市雨洪計算、水安全風險管控及適應機制、水管理體系研究,并初步提出這些難題的解決途徑,旨在為海綿城市建設的研究和實施提供參考。

關鍵詞：海綿城市;海綿城市建設;水科學;水系統

快速城市化帶來了一系列問題,產生了環境污染、水旱災害頻發、生態系統退化等資源與環境問題。如何采取措施來減小快速城市化對資源與環境的影響, 20世紀90年代國外提出了“低影響開發”(low impact development,LID)。針對城市建設改變了原先的陸面系統,水循環路徑發生較大的變化,雨水下滲量減少，地表徑流增加，洪水洪量增加，洪峰形成時間縮短,頻繁出現“城市看海”現象,我國提出了海綿城市建設,即把城市建成像“海綿”一樣的區域,下雨時能及時吸水、蓄水、滲水,雨期過后又能將蓄存的水“釋放”并加以利用,增加下滲水量、減少洪量、延遲洪峰形成時間,有利于城市雨水利用、地下水補給和防洪除澇。2013年12月12日,習近平總書記講話中強調建設海綿城市之后,我國很快出臺了《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》[1],接著在2015年10月國務院辦公廳印發了《關于推進海綿城市建設的指導意見》,我國掀起了海綿城市建設的熱潮。

我國學術界關于海綿城市建設的研究是從近幾年開始的。筆者于2016年5月20日從中國知網上查閱,以“海綿城市”為題目的文獻,2011年只有一篇文章基于“生態海綿城市”的相關研究[2],2012年也只有一篇文章,提出構建“城市綠色海綿”[3],2013年只在報紙上一篇報道中提到“海綿城市值得期待”[4]。到2014年文獻上升到30多篇,但多數還是報紙上的新聞報道,學術性研究成果仍較少。到2015年迅速上升到750多篇,如,鞠茂森[5]對海綿城市建設理念、技術和政策問題的理論分析和討論,張亞梅等[6]對海綿城市建設與城市水土保持的分析和研究,車伍等[7-10]對海綿城市建設指南的多個關鍵內容進行了深入的解讀和分析;廖朝軒等[11]研究了國外雨水管理對我國海綿城市建設的啟示,崔廣柏等[12]系統總結了海綿城市建設的研究進展,并探討了關鍵問題。從這些文獻來看,對海綿城市概念、理念、某些具體做法的探討較多,海綿城市建設的許多問題仍有待深度研究。

海綿城市建設的根本點是“水”,是在水上做文章。因此,研究海綿城市的水科學問題是很重要的。筆者基于水科學的全局角度,闡述水科學各個分支學科在海綿城市建設中應用的必要性、可行性,分析海綿城市建設中可能遇到的水科學難題,并提出問題解決途徑,目的是想說明在海綿城市建設中應從水科學全局出發,系統考慮,在看到海綿城市好處的同時，也要看到其存在的問題,在建設海綿城市中加強對水科學問題的深度研究。

1　我國海綿城市建設提出的背景與承載的期望

1.1提出的背景

a. 城市擴張導致城市洪澇災害問題越來越突出,建設海綿城市成為破解這一困境的選擇。在國外20世紀90年代提出的LID理念,其最初的出發點或目的是應對城市暴雨和面源污染。隨著城市化的發展,城市規模越來越大,帶來的城市洪水問題越來越突出,“暴雨一來,城市看海”現象屢見不鮮。也就是在這一背景下,人們把目光聚焦到海綿城市建設。至于海綿城市建設是否能完全解決城市洪水問題,還需不斷探索。

b. 為了盡量減少城市建設對自然水系統的影響,建設具有“水系統自然積存、自然滲透、自然凈化”功能的海綿城市是出路。自古以來,城市都是人類集聚區,也是人類活動最強烈的地區,對地表下墊面甚至地下空間的改造都很強烈。特別是現代城市建設,對地表的占用和改造、對地下空間的挖掘與利用,都與日俱增，這樣就在很大程度上對自然水系統產生影響。為了追求近自然的目標,按照開發前的水系統功能來引導城市建設,這就是海綿城市建設的精髓。

c. 城市面源污染集中且嚴重,為了治理城市面源污染,保護水環境,需要先進的治理理念,其中海綿城市建設是途徑之一。海綿城市建設的思路是,從地表、地下,從源頭、過程、末端,從規劃、設計、建設、管理,從建筑、小區、道路、廣場、公園、綠地、用水、排水全覆蓋,系統治理城市水系統,包括治理面源污染,保護地表、地下水環境。這既是環境保護的需要,也是城市生態文明建設的需要。

1.2承載的期望

a. 提高城市防洪能力。希望城市像“海綿”一樣,將雨水下滲、滯蓄、徑流外排,從而降低洪峰流量，延遲洪峰到達時間，提高防洪能力。

b. 解決面源污染問題。通過生態系統建設,綜合運用物理、生物和生態作用,在“海綿體”下滲、滯蓄的過程中,降解污染物,起到凈化水質的作用。

c. 回歸自然水功能。建設具有“水系統自然積存、自然滲透、自然凈化功能”的海綿城市,通過人工措施來彌補城市區高強度人類活動帶來的水系統功能的改變,使水系統回歸自然水功能。

2　水科學體系及其在海綿城市建設中的應用

2.1水科學體系介紹

“水科學”是最近20年來出現頻率很高的一個詞,但對水科學一詞的界定和認識存在很多觀點,也有很多文獻進行討論,文獻[13]對水科學研究范疇進行了一些初步梳理和評述,定義了水科學的概念及研究范疇,總結了水科學體系包括相互交叉的10個方面,即水文學、水資源、水環境、水安全、水工程、水經濟、水法律、水文化、水信息、水教育。此外,為了系統總結這10個方面的水科學研究進展,筆者主持的撰寫團隊擬兩年發布一本水科學研究進展報告,其中在文獻[14-15]中已對我國2011—2012年、2013—2014年的水科學研究狀況進行了總結。

2.2水科學體系在海綿城市建設中的應用

筆者根據對水科學10個方面的理解,闡述水科學在海綿城市建設中的應用,見圖1。

圖1　水科學在海綿城市建設中的應用框架

a. 水文學。海綿城市建設的根本點是“水”,必然涉及水循環問題的研究,因此加強城市水文學研究非常必要,如研究城市高強度人類活動區水循環機理和模型、城市化水文效應、城市水文分析與計算、洪水計算、城市尺度高精度水文預報、生態水文過程和模型等。

b. 水資源。海綿城市建設的重要目標之一是解決城市水資源開發、利用和保護問題,涉及水資源的高效利用、有效保護等基礎科學問題,因此應高度重視城市水資源的研究工作,如研究海綿城市建設引起的水資源變化規律與水系統模型、水資源高效利用途徑、非常規水利用、最嚴格水資源管理、人水和諧調控、水資源優化配置等。

c. 水環境。海綿城市建設的重要目標之一是解決城市面源污染問題。保護水環境,涉及高強度人類活動區水污染機理、水質運移規律和模擬、水污染處理、水生態修復和保護等,因此應高度重視城市水環境的研究工作,如研究海綿城市建設引起的水環境變化機理與水質模型、海綿城市建設的水環境效應、水環境調查和評價、污染物總量控制及其分配、水污染防治、水生態保護與修復、生態需水量計算與保障等。

d. 水安全。海綿城市建設不能危及水安全,包括水資源安全、水環境安全、水生態安全、水工程安全、供水保障安全、洪澇防御安全,而應該在一定程度上提升城市水安全保障能力,因此應高度重視城市水安全的研究工作,如研究城市洪水、干旱、污染的危害機理及安全調控、水安全保障能力提升建設等。

e. 水工程。海綿城市建設包括一系列大規模的工程建設,其中包括水工程建設項目,涉及水工程規劃、設計、施工、管理的許多方面,因此應高度重視城市水工程的研究工作,如與海綿城市建設相聯系的河流治理工程、雨水收集與利用工程、污水收集處理和回用工程、河湖水系連通工程等的方案論證、工程建設順序、工程調度、運行管理等。

f. 水經濟。海綿城市建設必然要涉及大規模的建設投資、經濟分析、財務管理等,因此應高度重視城市水經濟的研究工作。海綿城市建設中的經濟學問題有:水資源-經濟-社會-生態環境綜合效益的評估、投融資途徑、財務型投入產出模型、經濟運行方式和模式、水價水權及水市場等。

g. 水法律。海綿城市建設是一項制度性、政策性很強的工作,涉及很多單位和個人,特別是在目前依法治國施政理念下,需要有一套新的城市建設法律作保障,因此應高度重視城市水法律的研究工作,如水權制度、生態需水保障制度、涉水生態補償機制、水事糾紛處理機制等。

h. 水文化。海綿城市建設是對城市文化、水文化的傳承和創新,是生態文明建設的重要組成部分,涉及水文化的挖掘、傳承、保護和建設,因此應高度重視城市水文化的研究工作,如海綿城市建設文化傳承、工程建設文化底蘊挖掘、水文化旅游點開發等。

i. 水信息。海綿城市建設需要大量信息、海量數據,必須基于信息系統建設、智慧城市建設,以龐大的系統管理平臺為支撐,因此高度重視城市水信息的研究工作,開展水系統數據采集模擬與預報、洪災監測與預警等方面研究。

j. 水教育。海綿城市建設涉及城市的每一個人,因此應高度重視城市水教育的研究工作,開展城市水情教育,包括水危機認識、技術培訓、涉水宣傳等。

3　海綿城市建設中的水科學難題及研究途徑

海綿城市建設的根本點是“水”,期望通過海綿城市建設解決城市洪水、面源污染問題,回歸自然水功能,可能會遇到一些水科學難題。

3.1海綿城市建設水文效應與水系統模型

城市人工改造力度巨大,可以說,幾乎城市區范圍內的自然系統完全控制在人為活動管控之下,再加上目前推行的海綿城市建設,自然水循環路徑改變更大。這些人工改造導致水文過程極其復雜,必須把人類活動與水循環過程完全耦合一起進行研究。海綿城市建設涉及許多具體小單元(如房屋頂、集雨綠地),只能采用小尺度、微觀尺度進行模擬計算。以往的大尺度、自然水系統演變過程模擬模型的應用大大受到限制,甚至不能使用,因此需要發展小尺度或微觀尺度的水系統模型。目前這方面研究顯然不足。

從這一難題可以看出,核心點是由于人類活動的加劇、研究區人工化、研究單元小尺度化，因此,要科學揭示海綿城市建設水文效應,就必須更加細致、更加注重微觀水循環變化和機理。研究途徑有兩大方向:一是加強城市水文學實驗與機理研究;二是加強小尺度或微觀尺度水系統模擬研究。無論是實驗研究還是模擬研究,都必須特別關注各種具體的人類活動及其對水系統方方面面的影響、人類活動與水循環交織在一起的水系統耦合過程。構建的水系統模型應該是一個分布式的、人類活動過程與水循環過程耦合一起并考慮小單元水力學方程的復雜、精細、小尺度或微觀尺度模型。模型研究需要基于微觀尺度水文實驗獲得相關方程和參數,需要基于智慧城市的大數據和系統平臺,需要定量表達高強度人類活動下的水動力學方程。這一難題主要涉及水文學范疇,也部分涉及水工程、水經濟、水信息范疇。

3.2水資源高效利用機理及方案優選

在說明海綿城市的優點時,人們會用一些常識性的描述來說明海綿城市建設促進水資源高效利用，如,由于城市化導致硬化地面增加,雨水下滲減少,易形成徑流流出城區;在建設海綿城市后,增加了雨水下滲,把雨水留下來,既增加了土壤水、地下水的補給量,又減少形成城市雨洪的風險。而實際上并非這么簡單,不同地區、不同尺度，可能會得出不同的結論。如,有些地區地下水埋深淺,雨水滲不下去;即使滲下去,也會導致地下水位過高,并不適合增加雨水下滲。對于適宜建海綿城市的地區,情況也不那么簡單,可以這樣定性分析:雨水留下來,增加了土壤水補給量和低洼處水面面積,帶來蒸發量增加,地表徑流和地下徑流總量減少。為了說明水資源高效利用問題,需要對海綿城市建設帶來水資源量的變化和利用效率進行研究,在此基礎上論證水資源高效開發利用方案。而目前關于這方面的研究仍不足。

從這一難題可以看出,核心點是海綿城市建設帶來的水資源轉化關系更加復雜。研究這一難題有兩個途徑:一是基于城市水文學實驗和小尺度或微觀尺度水系統模型,研究水資源高效利用機理;二是基于小尺度或微觀尺度水系統模型,構建水資源高效利用方案優選模型,研究水資源高效利用途徑。需要攻克的關鍵技術是在復雜的水系統和豐富多彩的人類活動作用下水資源高效利用方案優選技術。這一難題主要涉及水資源、水文學范疇,也部分涉及水工程、水經濟、水信息范疇。

3.3面源污染物通過土壤滲慮消減機理及效應

海綿城市對雨水的凈化功能包括土壤滲慮凈化、人工濕地凈化、生物處理。后兩個功能在海綿城市建設之前都存在,人工濕地有凈化水質功能,可以通過生物處理技術進行污染物處理。而第一個功能“土壤滲慮凈化”效果如何,機理不清。有些污染物,如有機質,可能會被土壤中的微生物所降解;有些污染物,如重金屬,不可能被降解。如果污染物在下滲過程中不被土壤降解,就沒有減少污染物總量,只是把污染物轉移到土壤中或滲入地下水中,并沒有起到凈化的作用,而且使未來土壤或地下水污染治理更加困難。因此,在海綿城市建設中,首先要摸清楚面源污染物通過土壤滲慮消減的機理以及土壤滲慮和地下水質變化的效應,在此基礎上研究土壤、地下水污染治理問題。而目前關于這方面的研究不夠深入。

從這一難題可以看出,核心點是由于海綿城市建設導致雨水下滲增加,帶動面源污染物通過土壤下滲,需要分析面源污染物通過土壤滲慮是否消減的機理。研究這一難題需要從3方面進行研究:①通過大量的實驗和分析,研究面源污染物通過土壤滲慮的過程和變化機理;②海綿城市建設帶來面源污染物通過土壤滲慮變化的定量模擬,分析海綿城市建設前后污染物總量的變化大小;③ 如果存在土壤和地下水被污染的風險,必須尋找應對風險的治理措施。實際上,目前對這一過程的機理認識還不清晰,定量模擬的難度仍然很大,對土壤和地下水污染的治理舉步維艱。這一難題主要涉及水環境研究范疇,也部分涉及水文學、水資源研究范疇。

3.4“滲、蓄、滯”作用機理與城市雨洪計算

海綿城市具有顯著的“滲、蓄、滯”作用。但是,城市雨洪設計到底如何考慮海綿城市的“滲、蓄、滯”作用,或者說,“滲、蓄、滯”作用在城市雨洪中起多大作用,目前研究并不成熟。水庫在防洪中的作用有“蓄洪、滯洪、錯峰”作用,水庫的防洪調節計算已有幾十年的研究積累,有比較成熟的計算方法。但具有“滲、蓄、滯”作用的海綿城市如何進行防洪調節計算,還是一個難題。

從這一難題可以看出,核心點是城市雨洪計算如何考慮海綿城市的“滲、蓄、滯”作用。研究這一難題需要深入研究城市雨洪計算方法,特別是借鑒水庫防洪調節計算方法,并在實踐中不斷總結和完善,形成城市雨洪計算新的思路和方法。筆者認為有兩種研究思路:一是簡單化的經驗計算方法的類似于水庫防洪調節計算方法;二是基于水系統模型和洪水演進計算開發大系統分析計算軟件,類似于大系統模擬計算方法。這一難題主要涉及水文學范疇,也部分涉及水安全范疇。

3.5水安全風險管控及適應機制

一般來說,水安全包括水資源安全、水環境安全、水生態安全、水工程安全、供水保障安全、洪澇防御安全。海綿城市建設是一個系統工程,這幾方面的水安全問題都涉及或都有可能存在。海綿城市建設的原意是通過一系列城市建設來保障水安全,但是不是都朝著安全的方向發展,還需要進一步分析。有些因素之間本身就存在比較大的矛盾,顧及一方面就有危及另一方面的可能性存在，如,為了加強供水保障安全,可能會采取一系列保水、儲水措施,而這正是洪澇防御安全的弱點。怎么協調這二者的矛盾,需要研究,需要智慧。洪水本身是一個自然水文現象,人類應學會與洪水和諧相處,不要一提洪水就想“治之”。在現有技術水平、生產力水平和財政投入條件下,不一定按照一個標準去規劃城市防洪建設,不一定完全消除“城市看海”現象,可以允許部分城市部分區域“城市看海”,就像預留一定的“蓄滯洪區”。此外,城市水資源安全或供水保障安全也不是城市集水區完全能解決的。從全世界的城市用水情況來看,絕大多數城市供水來源于過境水或外調水,因此,通過海綿城市建設來解決水安全問題是比較困難的,存在比較大的風險。如何管控這一風險以及如何適應城市化建設,目前有關研究還比較薄弱。

從這一難題可以看出,核心點是如何揭示水安全風險機理，科學認識水安全問題，從而進行水安全風險管控。研究途徑有3方面:①通過大量的實踐,揭示水安全風險機理,系統分析水安全風險規避思路,實現人與自然和諧相處，實現多因素和諧調控;②海綿城市建設涉及水安全的方方面面,需要建立一個覆蓋多方面的城市水安全預警系統,該系統是城市水管理系統的一個子系統,也是智慧城市建設的重要部分;③研究適應城市化發展的水安全風險管控機制。隨著城市化加劇、海綿城市的建設,水安全風險因素增多,管控難度加大,對預警系統的要求大大提高。這一難題主要涉及水安全范疇,也部分涉及水文學、水資源、水環境、水工程、水法律、水信息范疇。

3.6海綿城市水管理體系

海綿城市建設的根本點是“水”,解決水問題不僅僅靠工程建設“硬件”,還要依靠科學管理“軟件”。海綿城市水系統是一個復雜的大系統,需要構建完善的水管理體系。首先,水管理涉及經濟活動、宣傳教育、文化傳承、政策法律等許多方面,需要系統化管理、標準化管理、信息化管理、智能化管理。其次,需要建立一個龐大的水管理系統,集“水循環模擬、水資源高效利用、水環境保護、水安全保障、水工程科學規劃、水市場建設、水法律政策制度建設、水文化傳承建設”為一體[16],涉及水管理的方方面面,是智慧城市建設的重要部分。無論從實踐上,還是從技術上,目前關于這方面的研究和應用還遠達不到需求。

從這一難題可以看出,核心點是由于水系統的復雜性,水管理涉及方方面面,需要加強涉水多學科的交叉研究。研究途徑有兩方面:①加強水管理體系的研究和建設,構建包括水工程投資、經濟分析管理、文化宣傳、全民素質教育、政策法律保障等全方位的水管理體系;②加強“智慧水利”建設,構建基于通訊技術和虛擬技術的智能水管理系統,實現管理信息化、決策智能化,達到優化決策、精準調配、高效管理、自動控制、主動服務的目標,是智慧水利的“決策與服務體系”,涉及水利工程建設與維護、防洪抗旱減災、供水分配、節水、水環境保護、水安全保障、水權交易、水法律政策制度、水文化傳承等各方面需求[16]。建設的水管理系統是智慧城市建設的重要部分。這一難題主要涉及水信息、水經濟、水法律、水文化、水教育范疇,也部分涉及水文學、水資源、水環境、水安全、水工程范疇,幾乎覆蓋水科學10個學科方向。也就是說,要解決水管理問題,需要水科學多方向共同努力。

4　結　語

筆者從水科學如何支持海綿城市建設的視角,分析海綿城市建設中可能存在的難題,并從可能性方面提出解決難題的途徑:海綿城市建設是一個龐大的系統工程,需要系統分析、統籌規劃、科學建設;海綿城市建設的根本點是“水”,涉及水科學的方方面面,應從水科學多方向交叉研究,促進海綿城市建設中涉水問題的解決。

本文提出海綿城市建設中水科學難題的目的,不是有意去否定海綿城市,而是希望更多地去研究海綿城市建設中可能存在的水科學問題,更好地支撐海綿城市建設。

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DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.003

基金項目:國家自然科學基金(51279183);河南省高校科技創新團隊支持計劃(13IRTSTHN030);鄭州大學重大科技項目培育基金(2015ZDPY011)

作者簡介:左其亭(1967—),男,教授,博士生導師,博士,主要從事水文學及水資源研究。E-mail: zuoqiting@163.cn

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0021-06

(收稿日期：2016-05-25編輯：彭桃英)

Water science issues in sponge city construction

ZUO Qiting1,2

(1. School of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China;2.CenterforWaterScienceResearch,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Abstract：Based on summarizing the practice and related research results regarding sponge city construction in China, we analyze the background, expectations, and possible problems regarding the construction of sponge cities, and elaborate on the application of water science to the construction of sponge cities according to the various water science disciplines, including hydrology, water resources, water environment, water security, water engineering, water economy, water law, water culture, water information, and water education. We also put forward six aspects of water science issues probably related to sponge city construction, which involve hydrological effects and water system models in sponge city construction, mechanisms and scheme optimization for effective utilization of water resources, the reduction mechanisms and effects of non-point source pollution through soil percolation, the infiltration-storage-stagnation interaction mechanism and design and calculation of urban rainfall floods, water security risk control and adaptation mechanisms, and water management system research. In addition, we propose solutions to these issues, in order to provide references for the research and implementation of sponge city construction.

Key words：sponge city; sponge city construction; water science; water system