基于海綿城市理念下城市水體頂層設計的路徑探討

楊霄

摘要：海綿城市建設的持續推進以及城市 “雙修”的開展為城市水體帶來了更高層次的設計要求。通過分析西安護城河現狀及關鍵性問題，制約其城市功能發揮的主要因素在于內澇防治、景觀生態與水資源調配之間的矛盾。結合西安海綿城市建設需求，在綜合考慮水安全、水環境、水生態及水資源的基礎上提出頂層設計策略，從而構建護城河成為集雨洪調蓄、生態循環、水質凈化以及景觀旅游于一體的多功能城市設施。

Abstract： The process of sponge city construc

1 問題的提出

海綿城市，旨在建設能夠自然積存、自然滲透、自然凈化的“水彈性城市”；城市“雙修”，是指生態修復、城市修補，是治理“城市病”、改善人居環境、轉變城市發展方式的有效手段。城市水體在城市排水防澇、生態環境改善及城市水系統循環過程中發揮著重要作用，是海綿城市建設及“雙修”工作中最為關鍵的內容之一。西安是全國第二批城市雙修試點城市，護城河作為古代城池建筑的重要組成元素，經歷時代的變遷，如今成為城市水體的一部分，作用和地位也發生了巨大的變化，同時也呈現出排澇不暢、水體感官差、個別河段有異味、富營養化嚴重等水安全、水環境問題[1]。因此維持以護城河為代表的城市水體健康完整、水流通暢、水質良好在海綿城市建設中至關重要。

目前，由于對海綿城市建設的深刻內涵沒有理解，對于城市水體的海綿建設多數僅僅圍繞生態護岸的建設展開，而忽略了城市水體對于建立城市良性水循環的核心作用。“頂層設計”理念，伴隨著海綿城市建設由小范圍試點邁向大規模推廣逐漸得到國內專家、學者以及規劃設計人員的重視和推崇[2]，同時也通過城市“雙修”試點工作的開展得到進一步升華。該理念下的海綿城市建設，是指突破傳統的專業限制，由水利、景觀、市政、規劃、道路等多專業站在頂層角度下統一規劃設計，對象也由單一目的轉變為包含生態、資源、污染、環境、安全等跨領域的復雜工程。對于城市水體而言，頂層設計更指向于建立具有綜合生態效益、經濟效益、社會效益的城市綜合載體，平時發揮正常的景觀、休閑、娛樂功能，汛期發揮防洪安全及調蓄功能，結合雨水資源化利用、再生水回用等原則，充分發揮城市水體在海綿城市中的主線作用。本文以西安護城河為例，通過對水體體系進行時態分析，深入剖析護城河在城市功能中的現狀問題，對護城河從水源、水流、水量三方面策略統一進行規劃控制，探索基于海綿城市理念下城市水體的頂層設計路徑。

2 西安護城河現狀及關鍵問題分析

2.1 基礎概況

西安明城墻護城河形成于公元1370年，距今已有645年的歷史，與城墻一體，是古代城堡防御體系的重要組成部分。西安護城河環線周長14.65km，河道東南角高，西北角低，河底落差10.96m，河底坡度2.5‰-0.35‰，河底寬度15-20m。護城河綜合提升工程全部完成后，將形成7個階梯形庫區，總庫容131.6萬m3。現狀供水由大峪水庫和再生水供水，年供水量約1272萬m3，其中大峪水庫補水787萬m3，再生水補水485萬m3，大峪水庫補充水為V類水，再生水為污水處理廠I級A水質。

護城河不僅是西安市重點旅游區域之一，同時還承擔者主城區約35.64km2的雨水排泄和調蓄任務，經由護城河西北角退水管進入下游漕運明渠，最終流入渭河。歷史上西安護城河曾受過嚴重的污染，通過清淤和截污工程，一定程度上緩解了護城河的淤積問題，但現狀仍存在自凈能力差、富營養化嚴重等水質問題。

2.2 護城河現狀匯水分析

通過現狀調研及基礎資料分析，利用SWMM軟件建立護城河流域分區的城市雨洪模型，對護城河承擔的排水分區現狀高程、現狀匯水及現狀管網進行評估，為深入剖析護城河關鍵性問題及構建海綿城市提供前期準備。

通過提取護城河流域分區數字高程模型（DEM），該排水分區地形坡度較緩，整體由分區東南角坡向西北角。城市雨洪模型顯示，該分區管網普及率約73%，排水標準較低，約67.3%的管網設計重現期在0.5-1年。通過模擬該分區10年、20年及50年一遇暴雨條件下城市內澇風險，評估結果顯示護城河現狀僅滿足20年一遇城市內澇標準。

2.3 護城河內澇防治與景觀功能之間的矛盾

根據《城鎮內澇防治技術規范》[3]，西安市內澇標準應達到50年一遇。護城河承擔的排水分區屬于西安市中心城區，開發強度較大，不透水地面比例高，阻礙了雨水的自然下滲，導致徑流量大大增加，加之城市熱島效應造成的區域氣候變化，都加劇了該分區雨水匯流成洪。此外，西安市更新了暴雨強度供公式，在P=50、100a的情況下，老公式的降雨量明顯小于新公式的降雨強度。新暴雨強度公式條件下，城市雨洪模擬結果顯示50年一遇暴雨時該分區產水182萬m3。護城河全部調蓄能力131.6萬m3，現狀退水能力僅為6.8萬m3/h。護城河下游漕運明渠承擔著自身61km2的排水任務，同時承擔護城河的退水任務。隨著漕運明渠承擔區域開發建設強度的增大，漕運明渠相應的排水任務也加大，在暴雨條件下能夠分攤給護城河退水的能力逐漸減少。因此該分區水安全保障能力存在不足，急需海綿城市建設。

根據《西安市防洪排澇規劃》，護城河需首先考慮滯洪調蓄功能。而護城河與西安城墻、環城公園及環城路共同構成了四位一體的城市休閑、娛樂活動區域，是城市歷史風貌傳承的基本載體，因此護城河的景觀作用和地位在西安市歷史文化名城中占據了重要地位。現狀西安護城河景觀功能正常需水量在50-60萬m3之間，要讓護城河發揮全部調蓄功能，一方面會造成水資源的巨大浪費；另一方面受退水能力限制，暴雨前臨時排空需要8h以上，存在較大的內澇風險。西安市降雨集中在每年5月-10月，同時也是城市的旅游旺季。倘若在汛期全部排空景觀常水位，則會對護城河景觀效果造成巨大破壞，使得古城西安的形象及名片遭到惡劣影響。而若考慮全部依托于新建調蓄設施來解決護城河流域分區的內澇問題，則需要巨大的人力、財力和用地需求，也使得護城河原有調蓄功能造成浪費。

2.4 護城河景觀功能與生態功能之間的矛盾

西安護城河原來水質清潔，水生生物豐富多樣，兼備良好水景觀與水生態功能。但隨著上世紀城市擴大、人口劇增、工業飛速發展，毫無節制的排污使得護城河徹底成為一條納污河，喪失了景觀與生態功能。之后開展的護城河綜合治理，通過截污工程、清淤工程以及引水工程等措施，恢復了護城河的大部分景觀功能。但由于歷史污染原因造成的誤區，很長時間以來，對護城河生態功能的恢復采用了不恰當的做法。在看重節水措施、營造歷史景觀效果、為保護古城墻而產生的防滲需求、清淤減淤等多方面景觀功能的需求下，護城河多采用現澆混凝土、混凝土板、漿砌石等材料對護岸邊坡甚至是河床進行鋪制。這種形式不但阻斷水體和土壤之間的自然交換，水、土、植物、微生物之間形成的物質和能量良性自然循環系統被徹底破壞[4]，使水體的自凈能力喪失，受到輕微的外界干擾就會造成嚴重的生態后果。

為一定程度保證護城河的現狀景觀功能，現行采取的護城河截污工程的總體設計原則是截留城市污水及初期雨水，對排入護城河的管道采取分段、分系統、分散截留的方式。然而由于城市排水管網尚未完善，雨污分流不徹底，存在雨污混接、錯接等現象。同時，根據現狀截留工程排水能力校核，現狀護城河截污箱涵僅滿足1年一遇降雨時的平均流量，不滿足1年一遇降雨最大流量，未實施段截流箱涵排水能力僅滿足0.5年一遇降雨強度，遠遠達不到護城河水生態功能要求。

2.5 護城河景觀、生態功能與水資源調配之間的矛盾

護城河現行的景觀方案，其根本原則是引水入河，作為景觀用途。大峪引水工程作為護城河的主要引水水源，一方面受自身生態需水量的限制，另一方面由于護城河上游芙蓉湖、曲江池及規劃中的航天湖等城市水體的用水需求，水量已無法可靠保障。受水源限制，護城河水動力條件很差，屬于緩流水體，長期下來造成水體缺氧，進一步加劇護城河水體黑臭現象。

與此同時，根據前述護城河景觀與生態之間的矛盾問題，由于現狀截污工程標準較低，進入護城河的雨水由于水質仍無法保障，會對原有景觀用水帶來較大的沖擊，加劇護城河水生態惡化；而另一方面，雨水作為非常規水資源，得不到有效的利用，造成資源浪費。

從護城河生態功能角度上，為遏止由于護城河流量減少或斷流所造成的進一步生態環境惡化，并能一定程度改善護城河系統基本結構與功能，就要求年內各段的徑流量維持一定的水平，即生態環境需水量。護城河生態環境最小需水量為0.54m3/s[5]，年需水量為1700萬m3。現狀供水量僅為1272m3/a，水源水量仍存在一定缺口。

3 護城河水體格局頂層設計的策略

基于海綿城市理念下城市水體的頂層設計，其實質就是以水為主線，充分發揮城市水體在水安全、水生態、水環境、水景觀、水資源等方面的綜合作用，緩解城市內澇、缺水、水體污染及水生態環境惡化等綜合性問題。通過對西安護城河現狀的剖析，其關鍵問題是在于現狀護城河在城市景觀、生態、資源配置以及防洪排澇各項功能之間的矛盾，因而從梳理水體結構、組織水體功能、保護水生態空間等方面提出了訴求。構建護城河成為集雨洪調蓄、生態循環、水質凈化以及景觀旅游于一體的多功能城市設施，如何解決護城河的“水量、水源、水質”問題是本次研究的重點。

3.1 調蓄設施及分層滯洪系統

調蓄設施及分層滯洪系統旨在解決護城河的“水量”問題，兼顧“水質、水源”問題。護城河是西安市主城區的最大水體，也是整個主城區海綿城市創建的核心框架。將護城河作為一個巨型的“海綿體”，運用系統的方法串聯起整個區域的海綿體系，實現城區對降雨的彈性控制。

在區域有條件的地塊考慮建設地下蓄水設施，或者利用城市地下空間開發建設具有停車等功能的多功能調蓄設施，增加對雨洪徑流的滯蓄和承泄能力。在城市低洼地段規劃建設低運動場、低公園廣場、低草地等城市蓄水滯水設施[6]，大雨時作為攔截、調蓄雨洪設施，形成區域內小、多、分散的水生態斑塊，增加城市水面、改善城市小氣候的同時，減輕護城河的排澇壓力。

通過清淤手段，清除護城河河道行洪障礙。同時擴大護城河調蓄庫容，對河道蓄水空間進行分層設計，將河道分為上、下兩層水域，上部為景觀水域，下部為蓄滯洪區，并預留溢流通道。一方面，最大程度降低超標雨水進入護城河水體造成的沖擊，保證護城河的景觀功能不受調蓄功能的影響；另一方面，保證當超標降雨進入護城河時，整個護城河將作為重要的內澇滯洪區，降低水流速度、緩沖水量，避免雨洪對城市其他地區造成侵害，從而起到調節雨洪的作用。同時，充分考慮不同強度下的城市洪澇風險。在保障50年一遇城市內澇安全的基礎上，可針對100年一遇甚至更高的城市內澇水位，設計可淹沒區，并能保證在淹沒之后能保存完好并迅速恢復使用。

從城市整體層面上考慮西安市海綿城市建設的頂層設計，還應該優化城市整體的大排水系統，擴充護城河下游漕運明渠的行泄能力，平衡各個區域的內澇防治及排水任務，提高城市排水防澇水平。

3.2 初雨調蓄及旁路處理系統

初雨調蓄及旁路處理系統旨在解決護城河的“水質”問題。根據城市排水管網及排放口特性，合理組織雨水徑流路線。護城河承擔的排水分區，建設強度較大，初期雨水污染較為嚴重，同時現狀排水管網存在雨污混接、錯接等分流不徹底的現象。因此，在考慮護城河承擔分區雨水排放任務時，必須做到未經處理的合流溢流污水及初期雨水不能直接進入護城河內，原則應該將其作為超標降雨的調蓄空間。

采用分散式的初雨調蓄池，將排水分區內的初期雨水進行有效收集。針對現狀關鍵問題，初雨調蓄池的建設，首先對護城河作為受納水體起到充分的保護作用，可以在暴雨期間收納一定溢流水量范圍內足夠多的雨水，彌補因現狀截污工程標準不高造成的初雨入河的污染現象；其次，初雨調蓄池可以較長時間的存貯初期雨水，護城河受到雨水污染造成的沖擊可以通過自凈能力得到較長時間消減；此外，初雨調蓄池通過水質、水量調節，能夠有效減輕對污水處理廠的負荷沖擊，并能減輕排水管網的壓力。

在護城河雨水排放口或者有條件的地方，建設一體化旁路處理站。對于護城河現狀，初雨及混接的污水中污染物指標主要包括SS、有機鹽、營養鹽及有毒有害物質。通過旁路處理措施的建設，一方面能夠直接凈化初期雨水調蓄池的污染物質，將收納的初雨處理后達標排放；另一方面能夠將進入護城河水體的超標雨水徑流進行凈化，作為護城河水體的補充水源；再一方面還可以進一步凈化護城河的自身水質，提升護城河的水環境、水景觀效果。

對護城河現狀雨水排放口進行改造，設置碎石過濾帶、高效吸附凈化帶、地下潛阻隔墻等設施，并設置排放口在線監測措施，進一步加強護城河作為排水分區的末端所承擔的徑流污染控制作用。

3.3 再生水利用及活水系統

再生水利用及活水系統旨在解決護城河的“水源”問題，兼顧“水質”問題。在海綿城市建設中，首先應將雨洪資源納入城市水資源配置體系當中，增加雨洪資源的利用率。西安市常年平均降雨在500～600mm間，汛期的雨水也在350mm以上，而西安是資源性缺水城市，雨水資源利用意義重大。通過調蓄設施建設，降雨時收集雨水，雨停后采用回用的方式補充護城河的用水需求；通過低影響開發系統、初期雨水調蓄池、旁路處理系統等措施，對雨水徑流的污染進行控制及削減，保證進入護城河的水質。

再生水回用作為一種高效的水資源轉化方式，有效地減少了污水排放量，做到了經濟效益和環保效益兼顧。目前，西安市己建成再生水處理設施9座，再生水處理設施規模38.3萬m3/d，根據目前污水處理及再生水利用相關規劃及工程建設，可向護城河供給的再生水廠主要有第一污水處理廠、第二污水處理廠的再生水，日供水能力11萬m3。考慮現狀再生水水質執行污水處理廠污染物排放一級A標準，無法滿足景觀環境用水水質要求，因此需要對再生水水質進行提升。結合護城河水質自凈化系統，提升后的再生水源可作為護城河的主要水源；大峪引水系統作為生態補水備用水源，考慮利用其富余水量，改善湖池水生態、水環境。

在護城河水體建立活水循環系統，增加護城河水環境的流動性，并根據護城河水質時空演變規律，合理制定循環流量，夏季水溫高，水質容易惡化，加大循環量進一步保證景觀水體水質目標。一方面，活水循環是緩解淡水資源緊張的有效途徑，填補現狀生態環境需水量與補水量之間的缺口，降低護城河生態、景觀功能與水資源調配之間的矛盾；另一方面，“流水不腐”，活水循環能夠使護城河水質得到保障，水環境容量增大，解決現狀護城河由于被周圍環境及人為等因素污染造成的水環境、水景觀價值降低問題，延續護城河水體的生命周期，結合旁路處理系統、自凈化系統，最終達到護城河水環境的生態平衡。

3.4 低影響開發系統

低影響開發系統旨在綜合解決護城河的“水量、水質”問題。在城市開發過程中，依據不同區域、不同地塊的海綿城市建設重點，構建低影響開發雨水系統（LID），增加城市“海綿體”的含有量。針對護城河現狀排水分區管網能力不足的問題，對現狀小排水系統進行完善，通過改擴建管網以及雨污徹底分流，并將地表雨水徑流系統與工程排水系統進行空間上的銜接。護城河流域分區現狀坡向、坡度有利于降雨徑流發展成為面流，這是構建海綿城市的先天條件。構建低影響開發系統，一方面，減緩暴雨時期的徑流速度、調節雨洪、加強城市水系統彈性；另一方面，依據區域匯流特征，對建成區以小流域為單元開展清潔化治理，通過雨水花園建設、雨水收集存儲與景觀回用，削減城市面源污染，凈化水質。

3.5 水體自凈化系統

水體自凈化系統旨在解決護城河的“水質”問題。對護城河對局部、重點河段開展底泥清淤與脫水干化工作，對護城河內源進行治理，同時對清淤殘留底泥及后續新增底泥進行原位修復。在截污控源、內源治理的基礎上，采用河道內生物接觸氧化直接凈化工藝對水體自凈能力進行提升，通過推流局部水體在橫縱向的流動以及向水體曝氣充氧，配合生物毯、生態浮島等措施為載體的生物膜模塊，提供土著微生大量繁殖的條件，利用微生物新陳代謝作用實現對水質的凈化作用，提高水體自凈能力。

在截污控源以及內源治理以達到正本清源的基礎上，對護城河水體自凈能力進一步提升，實現水質良好的基礎上，修復并重建水生態系統，使得底棲動物、蜉蝣動植物、水生植物、魚類之間具備高效凈化的食物鏈，以實現水質長效保持。

3.6 城市雨水管理系統

城市雨水管理系統旨在解決護城河的“水量”問題。通過優化控制水位、設置汛期水位，充分發揮和挖掘護城河的調蓄空間。非汛期期間，護城河可適當增加常水位，保證護城河景觀功能達到最優；汛期期間，降低護城河內景觀水位，水位保證護城河最小生態需求和景觀需求。最大程度緩解現狀護城河調蓄功能與景觀功能之間的矛盾。

依托天氣預報及預警、水文自動測報、水利防汛預警、城市防汛抗旱指揮系統，與智慧城市建設工作相結合，完善雨、洪、澇信息的監測、收集、預警、預報、運算、傳輸系統，通過調度管理，提高護城河防洪、治澇及水資源高效利用綜合能力，提高決策指揮能力。

4 結語

海綿城市建設以及城市“雙修”工作對解決城市已建成區內澇防治、面源污染、城市基礎設施的有機更新以及緩解城市熱島效應具有重大的作用，是一項系統性、長期性工程需要得到持續推進。本文通過解析西安護城河現狀在水安全、水環境、水生態、水資源各方面的矛盾，以解決“水量、水源、水質”的核心問題為策略，探討了城市水體在頂層設計理念下各項措施，旨在從內澇安全保障、雨水徑流控制、污染物削減、長效保持等方面，最大程度發揮海綿城市效益，以期為海綿城市建設的推廣提供參考。

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