基于海綿城市建設的氣象問題思考

黃高平++王甲生++潘維良

摘要：指出了建設海綿城市是一項系統工程，需要多方面、多部門的共同協作，其已成為建設、水利等領域實行的新技術，在工程實踐中推廣應用。盡管在海綿城市建設過程中，氣象部門的作用不可或缺，但是由于種種原因，目前氣象部門大多僅作為協作單位，參與深度不夠，因此，有必要對此現象進行探討。分析了海綿城市建設中幾個與氣象關系密切的問題，以全國首批海綿城市建設試點城市池州市為例，結合筆者的工作實踐進行了思考，提出了相應的建議，以期為海綿城市建設提供參考。

關鍵詞：海綿城市；氣象概念；問題思考；池州市

中圖分類號：TU984

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）12016004

1引言

隨著我國城鎮化的發展，氣候變化對城市的影響日益顯現出來。我國相當多的城市不僅面臨著缺水問題，還面臨著城市內澇，每到夏季，受強降水侵襲，“城市看海”在多地出現。城市建設帶來的水資源緊缺、水安全威協、水生態惡化等問題已成為當下城市急需解決的難題。如何科學規劃城市的空間布局，使城市在遭遇氣象災害時經得住考驗，值得我們思考。因此，海綿城市建設已成為新型城鎮化建設的迫切需求。

海綿城市是一種形象的表述，是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用[1]。自2015年4月國家啟動海綿城市試點項目以來，目前全國海綿城市建設如火如荼。池州市作為全國首批海綿城市建設試點城市，各項建設順利推進，一些建成的示范區，水患大為降低，減少了城市居民生命與財產損失。因此，有必要總結海綿城市建設中如何將城市氣象災害減少到最低限度的成功經驗。鑒于海綿城市建設技術在國內尚屬起步階段，示范項目建設和推廣實踐較少，筆者結合工作實踐，就海綿城市建設中的氣象問題進行了探討。

2“海綿城市”中涉及的氣象概念

2.1雨水與降水

目前，我國城市排水基本上采取的是快排模式，雨水落到地面匯集后，通過地下管道排出。這種以“快速排除”和“末端集中”控制為目標的建設模式[2]，往往容易造成逢雨必澇，澇旱急轉，雨水的循環利用考慮較少。建設海綿城市，就是利用工程措施解決雨水資源流失、城市內澇災害頻發等一系列問題，減少市政管網壓力和投資。優先考慮把有限的雨水留下來，涵養城市水資源，補充城市地下水，促進城市水循環。由此可見，海綿城市具有兩大功效：一是防治城市內澇，二是雨水的收集利用。

顯然，這里的“雨水”實際上就是氣象上所說的降水。降水是水自然循環的重要環節，是地下、地表徑流的唯一源泉，也是人類水資源的唯一來源。建設海綿城市，首要問題就是要摸清楚城市降水的底，在防治城市內澇和雨水收集利用上做文章。海綿城市依據的重要數據是城市水循環中自然降雨量的多少，這是涉及氣象的核心問題。

2.2年徑流總量控制率與設計降雨量

在《海綿城市設計技術指南》中，有兩個術語與氣象關系十分密切，即年徑流總量控制率和設計降雨量。

作為海綿城市的設計和考核指標，年徑流總量控制率是根據多年日降雨量統計數據分析計算，通過自然和人工強化的滲透、儲存、蒸發（騰）等方式，場地內累計全年得到控制（不外排）的雨量占全年總降雨量的百分比。而設計降雨量是為實現一定的年徑流總量控制目標（年徑流總量控制率），用于確定低影響開發設施設計規模的降雨量控制值[3]，一般通過當地多年日降雨資料統計數據獲取，通常用日降雨量來表示。

2.3城市內澇

海綿城市建設是針對城市內澇現狀提出來的。城市內澇是指在城市區域遭遇暴雨或短時強降水天氣后發生的氣象衍生災害。當城市地區降水量過多，超過其排水能力時，往往形成低洼地段積水，當積水過深、范圍過大，影響到城市交通、居民生活和生產活動時即形成內澇氣象災害。

根治內澇的關鍵是要保護和恢復城市內原有的河湖、濕地、坑塘等具有集水涵養功能的自然“海綿體”，通過科學規劃，完善城市排水防澇系統，打造人工濕地、雨水花園、下沉式綠地、“綠色”屋頂等人工“海綿體”，就地蓄留和消化雨洪，提高城市防御內澇的能力。

2.4暴雨強度公式

城市內澇在很大程度上是由暴雨造成的。城市排水系統的工程預算和相關設施建設與其設計的流量，特別是暴雨形成的流量息息相關。一般說來，設計流量的合理計算依賴于所采用的暴雨強度公式的精準程度，其計算結果直接影響城市排水工程的安全性與經濟性。

暴雨強度公式是描述降雨量、降雨歷時和重現期三者之間數學關系的經驗公式，它依據水文氣象頻率分析的理論，基于已有的降雨記錄數據，采用數理統計的方法得到的城市暴雨量、暴雨強度、降雨歷時、時間空間的分布等，是科學表達城市降雨規律的一種方法[4]。

目前我國城市建設所采用的暴雨強度公式多為20世紀80年代初期編制，受當時氣象資料、觀測站點及計算條件所限，準確性大大降低。近30年來，在氣候變暖的背景下，極端的暴雨頻率、暴雨強度和局地強降雨特征發生了變化，現行的暴雨強度公式已不能客觀反映當地暴雨的實際情況，因此，有必要重新修訂和編制適用性更強、精度更高的暴雨強度公式，以適應“海綿城市”建設的需要。

2.5降水監測和內澇風險預警

降水監測是城市內澇風險預警的前提。由于城市各區域內地形地貌不同，遭遇強降水時，各處的內澇程度也不盡相同。因此，有必要開展易澇點的實地調查和研究，圈定易發洪澇及積澇點，劃分高風險區域。要利用區域自動氣象站的實時雨量觀測數據分析雨情，為內澇風險預警提供參考依據。同時要根據強降水的監測，及時發布強降雨臨近預報和城市內澇風險預警信息。

隨著海綿城市建設的深入，越來越多城市的氣象部門在開發研究以城市內澇仿真模擬為基礎的城市內澇風險預警系統。在城市遇到強降水時，可根據自動雨量站的逐時雨量、應用數值預報產品、雷達估測、預測降水產品等，結合城市河道、路面、地下管道等多種不同地理信息，模擬出城市積水深度，并實現城區分區預警，全面提升城市內澇災害的預報預警服務能力。

2.6城市干旱與缺水

城市缺水的主要原因是少雨干旱，此外，城市地面硬化面積的增加，使城市內能夠涵養水源的綠地、濕地、河流、湖泊面積減少，破壞了自然水循環，加上地下水過度開發，城市水資源便會出現緊缺。

解決城市缺水問題，應順應自然，在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度地實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化，補充地下水、調節水循環。同時，應加強生態綠地等“海綿體”建設，涵養水資源。在干旱缺水時，可發揮“海綿體”的功效，讓這些涵養和蓄存的水資源能夠“釋放”出來，并加以利用。

當然，在城市干旱缺水嚴重時，氣象部門開展人工影響天氣，選擇合適時機，適時啟動增雨作業，在一定程度上也可緩解城市旱情和缺水問題。

2.7城市熱島效應

城市熱島效應，是指城市市區的氣溫高于郊外的一種氣候現象。由于城市的工業、公共設施與居民等耗費大量燃料，使城市成為一個重要熱源。無論從早上到日落以后，市區的氣溫都比周邊地區高，相對于外圍溫度較低的農村，城市好像是一個“熱島”[5]。

減輕熱島效應的關鍵是改造城市的生態環境，最有效的措施是增加城市的綠化面積，增加市區的水體容積，營造新的小氣候。開展城市綠化既可美化環境，又可調節空氣溫度、濕度是改善城市氣候的途徑之一。城市水體的熱容量大，在吸收相同熱量的情況下，升溫值最小，表現出比其他下墊面的溫度低；水面蒸發吸熱，也可降低水體的溫度[6]，在一定程度上能夠緩解熱島效應。

3池州市海綿城市建設分析

3.1自然氣候

池州市位于安徽省西南部，長江中下游南岸，市域地形為東南高、西北低，自南向北呈階梯分布；境內有三大水系十條河流，江河湖水面348.4 km2，占總面積的4%，水資源極為豐富。池州市屬暖濕性亞熱帶季風氣候，季風特征明顯，雨量充沛，但是自然降雨的季節分布卻極不均勻，根據池州地面氣象站的觀測資料發現，池州市每年2～11月均有暴雨發生，其中5～8月為暴雨多發時段，暴雨日數占全年的78.9%。近50年的氣象統計數據顯示，池州市的年平均降水量為1556.1 mm，其中總暴雨1107 場次。由于其地理位置和環境十分復雜，天氣復雜多變，池州市降水年際變化大，春、夏季易澇、秋、冬季易旱，總的說來，旱、澇年份多于風調雨順的年份。

3.2背景與現狀

作為中國第一個國家生態經濟示范區，池州市擁有園林城市、森林城市的稱號，具有得天獨厚的“海綿城市”架構，市區內綠化面積大，水體容積大，水域面積占中心城區面積的11.7%，濕地面積達11 km2，天然“海綿體”碩大豐滿。然而，伴隨城市在短期內的急劇擴張，快速的城鎮化擠占河湖，城市建設侵占雨水通道和雨洪調蓄空間，河流行洪能力減弱；同時，由于城市排水系統不完善，原有城市排水管網規劃設計標準偏低，排水基礎設施滯后，嚴重降低了城市調蓄水量的能力，在遇有強降水條件下，無法及時排除地面積水。加上城區受到長江洪水和上游山洪的雙重威脅，一方面，下游城區段直接受長江水位頂托；另一方面，上游山洪未得到有效控制，澇情顯得尤為嚴重，城區內不少易澇點往往不堪重負，積水成澇。

據池州防汛部門統計，近幾十年來，池州主城區多次發生水災，內澇嚴重時，中心城區易澇點高達200多個，主要積水區域有30多處，多表現為市政道路、居民小區積水，阻斷城市交通，帶來嚴重損失。由此可見，池州市海綿城市建設的重點是要解決好城市的內澇問題。

3.3規劃目標

為積極保護和改善城市環境現狀，引導海綿城市建設示范區及其他新建的建設項目實踐低影響開發建設模式，池州市在成功申報全國首批海綿城市建設試點城市過程中，制定了《池州市海綿城市建設水系及濕地規劃》，根據規劃，選取中心城區核心區域18.5 km2的范圍，輔之點、線示范，先行先試。示范區覆蓋池州市主要建成區（老城區）和典型新城區（天堂湖新區）。其中，老城區10.68 km2，占比57%；天堂湖新區為7.82 km2，占比42%。試點區域人口17.6萬人。同時，專門編制了3年實施計劃，計劃建設水生態水安全系統等5 大類117 個項目。到2017年底，示范區年徑流總量控制率72%，對應設計降雨量24.2 mm/d，城市內澇防治標準達30年一遇，城市防洪標準達100年一遇，基本建成現代雨水控制利用系統和海綿城市建設長效管理機制。

此外，池州市天然擁有豐富的水系，城市內河管道復雜，平天湖、天堂湖、月亮湖和秋浦河、白洋河、清溪河所構成的“三湖三河”六塊“大海綿”，為池州市打造“海綿城市”提供了充足的自然優勢，方便在降雨的時候充分將雨水留住。在這樣的前提條件下，通過科學規劃，優質施工，可以為雨洪創造足夠的蓄洪空間并進行資源化利用，充分發揮自然海綿體系功能，既能在多雨時避免洪澇，又能在干旱時緩解缺水，真正構建名副其實的“海綿城市”。

2017年6月綠色科技第12期

4海綿城市建設中的氣象思考

海綿城市建設是一個全新的課題，如何在海綿城市建設中更好地發揮氣象的作用，有如下思考。

（1） 城市建設規劃需經過氣候可行性論證，在《氣象法》中有明確表述，但在海綿城市建設規劃中，決策者和設計人員對其中的氣象認識程度不高，忽視或淡化氣象概念，往往借用或套用國外或外地的數據模式，氣候可行性論證的不多。因此，氣象部門應適時參與海綿城市建設總體規劃編制，還應參與做好排水、防澇等專項規劃編制，完善頂層設計和確定防洪標準。要依據《海綿城市設計技術指南》，將雨水年徑流總量控制率、年降雨量、日降雨系數等與氣象關聯的指標作為剛性控制指標納入海綿城市建設指標體系中，并落到實處。

（2）年徑流總量控制率作為海綿城市規劃控制目標中的首要指標，從理論上講，其控制率取值越高，內澇防治的綜合效益越好，但是工程投資和實施難度也越大。因此，氣象部門要開展城市年降水綜合徑流系數、年降水量、日降雨強度等指標測算，通過研究確定實現各目標的年徑流總量控制率。事實上，我國地域遼闊，氣候特征、土壤地質等天然條件和經濟條件差異較大，徑流總量控制目標也不同[7]，如池州市，根據我國大陸地區年徑流總量控制分布圖，池州市位于Ⅲ區（75%～85%），而實際規劃中池州市海綿城市示范區年徑流總量控制率定為72%，位于Ⅳ區（70%～85%），這其中考慮到了市區的地表類型、水資源稟賦情況、降水規律、開發強度等多因素條件影響，是因地制宜確定的結果[8]。

（3）從氣象上講，海綿城市構建目標主要劃分為針對常規降雨、極端降雨的兩級控制目標。常規降雨是指頻率較高的中、小降水，極端降雨是指徑流峰值大的大雨、暴雨等極端強降水。這兩種目標在不同區域的影響效果不同，控制策略也應不同。目前的海綿城市研究與實踐主要集中在針對常規降雨的徑流總量控制，對于極端降雨情況考慮較少，應引起重視。由于極端降雨是城市內澇的重要誘因，在海綿城市規劃設計中，規劃區的極端降雨控制目標必須量化。鑒于此，池州市制定了30年一遇的城市內澇防治標準和100年一遇的城市防洪標準，并以此確定了示范區年徑流總量控制率對應的設計降雨量為24.2 mm/d[9]。

（4）海綿城市不是一蹴而就的，可能需要3年、5年，甚至更長時間才能建成，在建設過程中和工程結束后都可能遇到強降水而形成城市內澇。據相關資料統計，截至2016年底，第一批試點的16個海綿城市中有10個發生內澇；第二批試點的14個海綿城市中有9個發生內澇。總體計算，目前已納入試點的30個城市中，共有19個城市發生內澇，占比63%。可見根治內澇頑疾始終是海綿城市建設的重頭戲。針對這種情況，氣象部門要結合當地降水特點，加快完成暴雨強度公式修訂，開展暴雨強度公式運算，科學計算市區雨水排水設計流量，為城市排水管網布設、城市規劃設計提供更科學數據。為服務海綿城市建設，2015年池州市氣象局根據試點城市需求，對原有的暴雨強度公式重新進行了修訂編制，但仍存在一些問題，如暴雨強度公式的細化程度、適用性幅度還有待提高，如何把暴雨強度公式細化到市內的新城區、舊城區、示范區等問題都有待進一步優化和改進[10]。

（5）現階段，我國大部分城市已具有一定網格化的自動氣象監測，這些由自動氣象監測站組成的氣象監測站網能為海綿城市運行提供實時降水數據。但不少城市現行雨量自動監測網的密度與海綿城市建設不相適應，氣象部門應配合市政及有關職能部門做好城市站網規劃，把自動氣象監測站建設納入海綿城市建設配套項目。目前，在池州城區內，僅有4個自動降雨監測站，精細化監測有待提高，離海綿城市建設的需求還存在較大差距，氣象部門正根據雨量站網密度要求籌建新的自動降雨監測站點，選址位于海綿城市示范區及周邊區域和低洼地帶，力求為海綿城市設施的合理運行、建設項目的效果評估提供氣象數據參考[11]。

（6）根據雨水利用、排水防澇等要求，氣象部門應加強城市內澇氣象災害監測，通過氣象大數據的綜合應用分析、移動互聯等現代信息技術為海綿城市建設提供技術支撐。要建立城市內澇信息共享、聯合會商、險情報告、隱患排查等聯動機制，如池州氣象部門積極爭取與公安部門合作，在城市內澇嚴重時，利用市內的“天網工程”監控平臺，可對城市道路、交通路口、住宅園區等水情進行采集，隨時獲取內澇災害情報，及時發出預警信息，確保在強降水時市區易積澇點的快速疏通。此外，氣象部門還應依托業務與管理一體化平臺開展城市內澇災害綜合分析評估，適時發布城市內澇災害風險預報預警氣象專報，為海綿城市建設提供更加精準高效的氣象保障服務[12]。

5結語

氣象與海綿城市建設是有聯系的，在城市規劃中需要氣象數據，在工程設計施工過程中需要氣象支持。由于我國海綿城市建設剛剛起步，技術標準體系尚未形成，各專業間缺乏相互融合，特別是專業間已有的標準互不協調，需要多部門的共同努力，氣象部門應積極參與。在實際工作中，要認真分析海綿城市中的氣象元素，研究氣象科學對海綿城市建設的技術支撐，將與氣象關聯的指標作為剛性控制指標納入規劃指標中，積極爭取把自動氣象監測站網建設納入海綿城市建設配套項目，搞好精細化降水監測，開展城市內澇風險預報預警，推進跨部門信息共享，實現部門信息互聯互通，為海綿城市建設提供更加精準高效的氣象保障服務。

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