“海綿城市”建設的關鍵科學問題與思考

李 蘭,李 鋒

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 延邊大學濕地研究中心,延吉 133000 3 中國科學院大學,北京 100049

水是一切生命系統的基礎,又是人類賴以生存和發展的重要資源。水生態系統可提供多種生態系統服務,如產品提供功能、調節功能、文化功能、生命支持功能等等[1],具有巨大的生態系統服務價值。研究表明,全球濕地生態系統服務總價值約為4879×109元/a,單位面積價值約為1.4785美元 hm-2a-1[2]。但隨著城市化進程加快,城市基礎設施建設速度跟不上城市化發展步伐,不合理的利用與開發水資源,導致水資源短缺、水質嚴重污染,水生態系統服務整體退化。不科學的工程措施也導致了城市建筑多、綠地少、排水及雨水收集系統不發達,雨水排放無法滿足現代城市管理要求,給城市帶來了很多水生態和水環境問題[3- 4]。建筑、道路、廣場等高強度人工建設導致下墊面過度硬化,改變了城市原有的自然生態本底和水文特征,使地表徑流從10%增加到60%,下滲補充的地下水急劇減少,甚至是零[5]。據2010年住建部對全國351個城市的內澇情況進行調研顯示,2008—2010年間,全國62%的城市發生過不同程度的積水內澇,內澇災害超過3次的城市有137個,占全部城市數量的39%。2011年南京“7.18”特大暴雨、2012年北京“7.21”特大暴雨、2013年廈門、2014年深圳、2015年上海、2016年武漢大暴雨等每年夏季不斷發生,“城市看海”現象非常嚴重。因此,頻發的城市內澇使得越來越多的人認識到水生態系統以及城市生態基礎設施的重要性,傳統的單一“快速排放”理念的灰色雨水基礎設施與管理模式,已難以應對快速城市化過程中出現的雨水困境。

為了應對如此突出的城市水問題,國家越來越重視城市雨洪管理以及水生態系統服務,大力推進“海綿城市”建設。“海綿城市”是以雨洪管理為目標,加強生態基礎設施和排水系統建設的新的城市建設模式,可以緩解城市內澇、水資源短缺、城市熱島,提高生態環境質量、生物多樣性,能緩解城市多方面的生態環境問題,受到相關部門的很大關注,并成為一項重要的國策[5]。本文擬在濕地及其生態系統服務的相關研究基礎上,歸納“海綿城市”的研究背景、概念與內涵、與生態基礎設施的關系、國內的研究現狀,并提出科學問題以及建設思考,為今后的研究和建設提供依據和決策參考。

1 “海綿城市”的概念及內涵

1.1 “海綿城市”的定義及發展過程

城市建設行業內和學術界習慣用“海綿”來比喻城市的某種吸附能力,例如澳大利亞人口研究學者布吉(Budge)應用海綿來比喻城市對人口的吸附現象[3,6- 7],Ignacio F. Bunster-Ossa用海綿城市來形容城市像海綿一樣處理雨洪自然事件問題的彈性能力[6,8]。由于其與生態雨洪管理理論和思想一致,更多的學者用海綿比喻了城市或土地的雨澇調蓄能力[9]。對于“海綿城市”的概念,出現了多種名稱,主要有綠色海綿、海綿體城市、生態海綿城市等,最終在國家政策層面確定了“海綿城市”[6],并被定義為城市像海綿體一樣,下雨時能夠吸水、蓄水、凈水、滲水,需要時將蓄存的水“釋放”出來并加以利用,形成具有“彈性”的城市[10]。“彈性”指的是能承受一系列改變并保持結構和功能的能力、自組織能力和學習適應能力,具有適應性和彈性的城市水系設施是彈性城市的重要組成元素[6,11- 12]。“海綿城市”是以“自然積存、自然滲透、自然凈化”的生態基礎設施來實現,發揮地形地貌等原始生態本底對雨水的滲透作用、植被與濕地等對水質的凈化作用、自然和人工相結合的手段,使城市對雨水具有吸收和釋放的作用。如人工濕地、雨水花園、屋頂綠化、下凹式綠地、植草溝、生態公園等城市綠地和城市水體是主要的“海綿體”。

國外早在20世紀60年代開始了海綿城市相關建設,不同國家按城市開發、設計賦予了不同的名稱。如美國的最佳管理措施(BMPs)和低影響開發(LID)、英國的可持續排水系統(SUDS)、澳大利亞的水敏感性城市設計(WSUD)、新西蘭的低影響城市設計與開發(LIUDD)等[13- 14],都是以“海綿城市”理論出發,考慮了水量和水質并重方面,推進雨水收集與利用,追求雨洪管理設施和景觀的有機融合,實現了與水環境的和諧、可持續發展的城市建設。

1.2 “海綿城市”的內涵與尺度問題

“海綿城市”實際上是一種城市建設模式的轉變。傳統的城市建設模式主要依靠管渠、泵站等“灰色基礎設施”來組織排放徑流雨水,以“快速排除”和“末端集中”控制為主要的設計原則,而海綿城市則強調優先利用植草溝、雨水花園、生物滯留池、下沉式綠地等生態基礎設施來組織排放徑流雨水,以“慢排緩釋”和“源頭分散”控制為主要設計理念,強調采用低影響開發技術,合理利用雨洪資源、有效控制雨水徑流,從而建立水資源與城市協調發展的模式。“海綿城市”是一個生命的系統,用來綜合地、系統地、可持續地來解決水問題[15],提供人類生活所需求的生態系統服務,是城市發展的剛性骨架[3,16- 18]。從水安全格局到水生態基礎設施,不僅維護城市雨澇調蓄、地下水回補、雨污凈化、土壤凈化,還能使地表徑流量保持不變[3]。

關于“海綿城市”建設的尺度問題,具有不同的觀點。俞孔堅[19]認為城市水問題的解決前提是保護區域水生態過程,因此，海綿系統構建是跨尺度的綜合而系統的,并且對應于現行的城市規劃體系,分國土、流域、區域的尺度來分析問題。但也有很多研究認為[5,10,20],“海綿城市”就是低影響開發建設,通過綠地、濕地、雨水花園等綠色基礎設施來實現。對于專家們不同的意見,可歸納為低影響開發雨水系統是一個微觀的城市開發技術,可以緩解局部的水循環,但不能完全解決城市水問題,需要宏觀尺度的研究和解決方案。

本文認為,“海綿城市”是一個主動的、具有選擇性的建設模式,不是被動的擬合傳統模式和思想的單一理論和建設。針對城市不同的水問題,流域、區域、新建區的“海綿體”發揮的生態功能和生態價值有所不同,取決于地理單元的生態特性、評價目標、評價方法等主觀的和客觀的各種要素。其建設的尺度因具體的水環境目標而異。

2 “海綿城市”與生態基礎設施的關系

城市生態基礎設施是社會賴以生存與發展的基本物質條件,也是城市及其居民持續獲得生態系統服務的保障[21]。從改造自然,改變原有自然生態的粗放式建設模式轉化為順應自然、保護原有的城市生態系統,減少地表徑流量,提倡低影響開發建設[20],通過土地和城市的規劃設計,最終成為水生態基礎設施[3]。“海綿城市”實際上是生態基礎設施的融合,給城市及其居民帶來持續的生態系統服務。美國High point住宅區,是典型的低影響開發(LID)技術示范區和“海綿城市”建設案例。High point原本是一個能夠容納多階層的混合式居住區,建筑密度較高,屋頂的匯水面積較大,通過屋頂綠化、植被淺溝、不透水鋪裝等措施提高了住宅區的海綿性[22]。澳大利亞墨爾本成為城市雨洪管理領域的世界領軍城市,是以“源頭控制”為原則,就地解決水量和水質問題,過程控制,避免下游雨水集中導致排水壓力,首次引入了雨水、地下水、飲用水、污水及再生水的全水環節管理體系[22]。德國城市地下管網的發達程度與排污能力處于世界領先地位,城市擁有現代化的排水設施,因地制宜的處理污水和雨水,不僅能夠高效排水排污,還能起到平衡城市生態系統的作用[22]。日本早在20世紀80年代開始推廣雨水資源的綜合利用,90年代正式要求新建和改建的大型公共建筑上必須設置雨水就地下滲設施,對城市新開發土地每公頃應附設500m3的雨洪調蓄池,改善了城市水問題[22]。

如此,生態基礎設施是城市可持續發展的重要基礎,也是建設“海綿城市”的重要保證。在城市生態環境問題嚴重的情況下,有機整合有生命的生態基礎設施和無生命的灰色基礎設施,形成協同共生、循環再生的綜合網絡體系,并開發各種生態適宜、經濟可行和社會可接受的技術集成是解決城市水生態環境問題的有效途徑。

3 建設途徑與主要技術

“海綿城市”建設是一個跨行業、跨部門、跨學科的系統工程,涉及到規劃、建筑、排水、結構、道路、園林景觀、水文等多個專業[23],需要將從生態學理念植入建設工程,進行符合生態學原則的城市建設[24]。《國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見》(國辦發[2015]75號)指出海綿城市建設是通過加強城市規劃建設管理,充分發揮建筑、道路和綠地、水系等生態系統對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用,有效控制雨水徑流,實現自然積存、自然滲透、自然凈化的城市發展方式。主要建設思想為保護城市原有的河流、湖泊、濕地、坑塘、溝渠等生態敏感區,發揮其海綿功能,利用天然植被、土壤、微生物等治理水環境,再結合生態基礎設施和低影響開發技術,逐步恢復被破壞的城市生態系統。建設途徑主要有3個方面,一是對城市原有生態系統的保護;二是生態恢復和修復;三是低影響開發[10]。主要技術以“滲、滯、蓄、凈、用、排”等六大要素來實現,分收集、蓄水和用水三大措施。“海綿城市”強調“以自然為主”、“源頭控制”和“因地制宜”的基本原則,保護自然、師法自然、 盡可能保留城市生態空間,恢復生物多樣性,營造優美的景觀環境。保護與修復措施包括從宏觀尺度開始,識別生態斑塊,構建生態廊道,加強斑塊之間的聯系,形成網絡化,并劃定藍線與綠線,進行水生態環境修復;對微觀的城市道路、城市綠地、城市水系,居住區及具體建筑,采取要強制性手段保護生態斑塊,維持其自身的調蓄能力,加強源頭控制,形成不同尺度的生態海綿體[13,20]。這些過程是在城市總體規劃、專項規劃、控制性詳細規劃等不同層次的城市規劃區海綿城市設計與改造中實現的。

表1 海綿城市建設的主要技術

4 國內發展現狀

在政策管理方面,2013年12月12日,習近平總書記在《中央城鎮化工作會議》的講話中提出“在提升城市排水系統時要優先考慮把有限的雨水留下來,利用自然的力量排水,建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”。為此,2014年10月,住房城鄉建設部發布了《海綿城市建設技術指南》,強調了城市雨水管理頂層設計的重要性,以及規劃引領,生態優先為基本原則的城市建設。2015年8月,《海綿城市建設績效評價方法》明晰了對中央財政資金的使用要求,并對試點示范城市的建設成效提出了指引。根據《指南》和相關標準規范,中國建筑標準設計研究院初步構建了“海綿城市建設標準設計體系”,包括新建、擴建和改建的海綿型建筑與小區,道路與廣場、公園綠地、城市水系等相關技術和基礎設施的建設及管理。在國家政策的支持下,2015年和2016年,財政部、住房城鄉建設部、水利部組織開展了海綿城市試點工作。遷安、白城、鎮江、嘉興、池州、廈門等16個城市入選第一批試點城市,福州、珠海、大連、深圳、上海、青島、天津、北京等14個城市入選第二批試點城市,有序開展海綿城市建設。另外,中央財政部引入政府和社會資本合作(PPP)模式,提高政策性金融支持。《政府和社會資本合作模式操作指南(試行)》規范了其項目識別、準備、采購、執行、移交等各環節操作流程,《政府和社會資本合作項目政府采購管理辦法》全面規范了政府采購行為。

在科學研究方面,早在2003年,俞孔堅曾用“海綿”來比喻自然系統的洪澇調節能力,指出河流兩側的自然濕地如同海綿,調節河水之豐儉,緩解旱澇災害[25],并針對城市突出的水問題,提出了綜合解決城鄉水問題的生態基礎設施途徑。至今,已形成一套“海綿城市”的規劃理論與方法,長期以來持續應用于全國一系列城市生態規劃中[26- 27],如天津橋園、哈爾濱群力雨洪公園和文化中心濕地公園、金華燕尾洲公園、六盤水明湖濕地公園等創造了雨洪管理實踐的成功范例[28]。根據中國知網顯示,繼2011年由北京清華城市規劃設計研究院發表的《基于“生態海綿城市”構建的雨水利用規劃研究》和2012年北京大學建筑與景觀設計學院發表的《構建城市綠色海綿—生態雨洪調蓄系統規劃研究》之后,2014年開始大量發表海綿城市的相關文章,目前有2000多篇相關的中文期刊文獻。關于海綿城市方面的書籍也陸續出版,從2015年開始,伍業鋼的《海綿城市設計：理念、技術、案例》,俞孔堅的《海綿城市——理論與實踐》,戴瀅瀅的《海綿城市——景觀設計中的雨洪管理》,劉云勝等的《理想空間——海綿城市》,肖楚田等的《海綿城市:植物凈化與生態修復》,任心欣的《海綿城市建設規劃與管理》,廣西師范大學出版社的《海綿公園》,中國林業出版社的《海綿城市與園林景觀》,中國建材工業出版社的《海綿城市建設實用技術手冊》等,十多部書籍陸續出版表明當前我國對海綿城市研究和建設的關注和重視。

5 關鍵科學問題與建設思考

國外早已重視暴雨洪澇、雨水收集與利用、美化景觀與城市設計等,制定了相應的管理政策。我國目前“海綿城市”研究和建設在不斷發展,但還是存在以下幾方面的問題。

5.1 “海綿城市”的科學研究

從目前海綿城市概念與內涵、實踐案例等研究來總結,“海綿城市”的主要理念可以歸納為一個核心指導思想、三大建設途徑、三大雨水系統、四大關鍵目標。核心指導思想是低影響開發理念;三大建設途徑是生態系統保護、修復與低影響開發建設;三大雨水系統是低影響開發雨水系統、傳統雨水管渠系統和超標雨水徑流系統;四大關鍵目標是水安全、水環境、水資源和水生態城市的實現。大多數研究傾向于以“低影響開發建設”來代替“海綿城市”建設,而“海綿城市”是解決城市水問題的系統工程,與多個部門的統籌規劃、設計、建設等密切相關,并且受到人口、經濟、自然等多種要素的影響,需要各方面的綜合研究。研究尺度上,在開發微觀尺度的建設技術同時,應從宏觀、中觀、微觀等不同尺度來綜合研究海綿系統和海綿體,進行中遠期的國家規劃建設。如在宏觀尺度,流域空間格局上進行水生態安全格局分析,使它成為區域的生態基礎設施;中觀尺度上,有效利用規劃區域內的河道、坑塘,集水區和匯水節點,形成“海綿系統”;最后進行微觀的“海綿體”研究[3]。這些不同尺度的研究和建設,可以互為補充,共同構成一個完整的生態基礎設施網絡,特別在水生態系統的尺度上,研究海綿體的生態系統服務和生態演變機制,使研究具有科學性、系統性、創新性和可操作性。

5.2 “海綿城市”的生態系統服務

提高生態系統服務是城市生態基礎設施建設的核心與關鍵[20],也是“海綿城市”建設最終的目標。Costanza R[29]研究表明,解決城市水問題,必須把研究對象從水體本身擴展到水生態系統,通過生態途徑,對水生態系統結構和功能進行調理,增強生態系統的整體服務功能。城市水生態系統在城市圈內與各環境要素和社會經濟之間相互以水為中心,形成復雜的生態系統,并且大部分與濕地生態系統相連[30- 31]。據美國威斯康星州河流流域測算,它擁有15%濕地率,洪峰高度比無濕地覆蓋河流低60%—65%[32]。由此可見,濕地生態系統與“海綿城市”密切相關,對減少城市內澇也有明顯效果,在一般情況下,微觀尺度的“海綿城市建設”可視為濕地生態系統的建設。濕地生態系統作為地球上三大生態系統之一,是城市生態系統的重要組成部分,具有其他生態系統不可替代的多種生態系統服務。濕地生態系統可以提供淡水資源、生活及生態景觀用水等供給服務功能;提供調節氣候、調蓄洪水及地表水、補充地下水、水質凈化、固碳等調節服務功能;提供休閑娛樂,生態教育等文化服務功能;還有維持生物多樣性的支持功能[33]。然而,隨著城市進程的加快,城市濕地不斷被破壞,嚴重損壞了城市的“海綿性”,導致了如今的“城市看海”現象。因此,要從濕地生態系統服務角度出發,對各類“海綿體”的結構、生態過程、功能及其機理有明確的研究和修復目標,進行長期的定量評價、監測和管理方面的研究,增強生態系統的整體服務功能,提高其社會、經濟和生態綜合效益。

5.3 “海綿城市”的評價指標與管理體系

對于海綿城市建設和生態基礎設施的評價和管理,國內還處于摸索發展階段。目前《海綿城市建設績效評價方法》中的評價指標和要點為水生態、水環境、水資源、水安全、制度建設及執行情況、顯示度等六個方面,包括18項指標。有關部門把海綿城市建設重點放在城市規劃、城市設計、施工建設、建設技術、監理和投資等六個環節上。從生態系統角度看,現行的評價指標不能全面反映海綿城市生態系統服務的強弱,需要綜合的水生態系統評價與針對性的生態基礎設施的評價相結合,建立不同空間尺度的評價指標體系。濕地生態系統具有水文地貌分類(HGM)、濕地快速評價法(RAM)、生物完整性指數法(IBI)、濕地評價技術(WET)等生態功能評價方法,是根據水文、地形、生物化學、生物棲息地等生態要素來進行評價的。而且RAM評價方法還包括洪水儲存與控制能力、侵蝕控制、生物多樣性與生物棲息地功能、水質保護與改善能力、美觀與文化娛樂等生態系統服務作為評價指標,可以針對性地進行生態系統服務評價與恢復。這些評價指標與方法在“海綿城市”評價上是可借鑒和應用的。但對于不同基礎設施進行統一的服務功能評價是有缺陷的,還是要有客觀的綜合評價指標體系。在生態基礎設施管理方面,相關管理方法較為分散,缺乏系統而全面的管理體系和法律法規[34],要借鑒國內外先進經驗,必須改進城市各類設計、建設工程、標準、指標和管理規范,加強海綿城市生態系統服務的定量研究和評估模型研究,整合多尺度生態基礎設施管理研究,健全海綿城市評價與管理體系。

5.4 “海綿城市”建設的系統框架

我國地理位置與季風氣候決定了多水患,暴雨、洪澇、干旱等災害集中在夏季,占到全年的60%—80%,氣候變化的不確定性帶來了暴雨洪水頻發、洪峰洪量加大等風險,導致每年夏季成為內澇多發時期。而且快速城鎮化也帶來了水資源過度開發、水質嚴重污染和水資源嚴重緊缺等城市生態環境問題。因此,解決這些城市生態環境問題需要考慮不同的地理環境特征和空間格局,統籌降水、地表水和地下水的系統性,協調水循環利用,考慮其復雜性、多樣性和長期性。

“海綿城市”的本質是科學地考慮城市生態需求,改善城市的水循環過程,讓水在城市的遷移、轉化和轉換等活動中更加“自然”[35]。整體上,“海綿城市”建設需要規劃-設計-建設-管理的一套系統性建設途徑。在規劃方面,微觀的海綿城市規劃是解決不了最終的城市水問題,需要宏觀到微觀的統一的規劃體系,能體現出國土、流域、城市的水生態安全格局的綜合城市規劃體系。在此基礎上,確定子系統規劃,再進行低影響開發建設。宏觀上全流域-區域水系-河湖水系-濕地生態系統連接是關鍵,微觀的區域空間-水生態系統-土地利用-景觀格局-自然生態也是必不可少的。在建設方面,海綿城市建設模式應多元化。特別在一個熱點的興起時期,盲目模仿國外實踐案例去建設綠地、濕地等基礎設施會缺乏自己的特色。海綿城市建設應考慮水生態格局以及生態系統對人類的服務功效,實施相應的生態規劃、設計和建設措施,發展“因地制宜”、“源頭控制”、“以自然為本”的建設模式,體現出生態安全與保障、生態景觀和文化共同發展的生態城市內涵和要求。

綜上所述,“海綿城市”建設需要考慮生態格局、生態基礎設施、生態系統服務和管理等多方面的要素,并成為研究和建設重點內容,本文創新性地建立海綿城市建設的“SPONGE”系統框架(圖1)。

圖1 海綿城市建設的系統框架 Fig.1 Systematic framework for sponge city construction

(1)Ecological pattern：生態格局是海綿城市建設最基本和最關鍵的內容。“海綿城市建設”需要納入生態學理念,最大限度地保護與遵循原始生態格局,科學合理地制定城市規劃建設。根據城市生態學的理論和方法,從水域生態格局和陸地生態格局來整合國土尺度的“海綿城市規劃和建設”,再分散到流域、區域、海綿體等,形成水生態格局網絡化,保障水生態循環。

(2)Green infrastructure：綠色基礎設施強調綠地、濕地等生態用地斑塊與生態廊道的有機結合和網絡化,這是海綿城市建設的核心。綠色基礎設施是一個多功能的藍綠空間網絡,連接著水系、濕地、林地以及其他自然環境,維護生態系統自然演替進程。包括重要的雨洪生態調控設施,從源頭上使暴雨滲入地表,通過蒸發、凈化、再利用,有效提高海綿性。

(3)Natural ecology：傳統的城市建設是“以人為主”的建設模式,治標不治本,海綿城市是“以自然為主”的生態建設模式。海綿城市建設是以“源頭控制”、“分散式”、“生態化”、“多目標” 為指導思想的新型雨水控制利用系統,是我國生態文明建設的重要內容之一。要加強建設城市綠地、保護城市水生態系統,維護生態空間,遵循自然規律,減輕大自然的災害。

(4)Organization：機構和組織管理是實現“海綿城市”的重要保障。海綿城市建設工作涉及到城市方方面面,需要國土、規劃、水務、林業、農業、環保、建設、管理等部門的協調配合,號召社會各階層積極參與。政府部門要建立系統的海綿城市建設工作與管理體系,防止分割管理方式,提高整體性和系統性,并且加強相關管理和政策支持。

(5)Participation：海綿城市建設需要全社會轉變觀念、形成共識,充分認識其建設的必要性、緊迫性并付諸實際行動,需要各個相關部門和行業同步推進,特別是公眾的大力參與和支持。在規劃、管理、資金問題上實行優惠政策,引導公眾和社會力量參與,采取PPP模式引進社會資本,鼓勵企事業單位參與城市生態基礎設施建設,增強“海綿城市”實踐和成效。

(6)Service：提高城市生態系統服務是海綿城市建設的最終目標。通過合理的生態格局規劃,充分保護城市原有生態系統,建設不同尺度的生態基礎設施,強化體制與政策支持,結合機構管理和公眾參與,才能發揮高效的生態系統服務,包括生態和社會經濟服務功能,為基于人類福祉和人與自然和諧的生態城市服務。

6 結語

城市是一類以人類活動為中心的社會-經濟-自然復合生態系統[36],城市發展需要注重這三個不同子系統的耦合關系,任何一個環節出現失誤,都會影響城市整體的健康運行。但改革開放以來,我國經歷了快速城市化過程,在促進經濟發展和社會進步的同時,局部嚴重破壞了自然生態系統,出現諸多城市生態環境問題。我國城鎮化率由1978年的17.9%提高到2015年的56.1%,雨水快排模式使城市失去了“滲、透、蓄”的水生態系統服務,導致了如今城市內澇和“城里看海”的現象。城市水問題不僅給人們出行帶來不便,還造成嚴重的生命和財產損失。“海綿城市”是在此背景下提出的一個城市發展的新理念、新方式和新模式[35],可以緩解水資源短缺、洪澇災害、城市熱島、霧霾等多方面的城市化帶來的生態環境問題,是傳統開發模式的轉變,從粗放的建設模式向生態文明發展模式的轉變。但目前, 我國在“海綿城市”建設理論、方法和實踐上還處于起步發展階段,需要加強基于生態學、濕地生態系統服務、生態工程、城市規劃和管理等多學科的交叉和融合研究,實現海綿城市和生態城市建設的多維目標。

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