海綿城市背景下的城市內澇防控策略研究

任建超，謝水波，劉 慧，孫 波

(1.南華大學建筑學院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學土木工程學院，湖南 衡陽 421001)

當前，我國正處于城鎮化的快速發展階段，在人類活動和水文、氣候等自然環境異常的共同作用下，我國城市內澇災害風險和災損率呈現持續上升趨勢。2010年，住房和城鄉建設部對我國351個城市的專項調研顯示: 2008—2010年期間，62%的城市發生過內澇，137個城市超過3次發生內澇災害，57個城市的最大積水時間超過12h。國家水利部發布的《中國水旱災害公報》統計中，2008—2018年期間，平均每年因洪澇災害死亡人口約為760人，直接經濟損失為2119.50億元。2012年，北京“7·21”內澇事件造成至少77人死亡，迫使近6萬人撤離，直接經濟損失估計在100億元人民幣左右。

2013年12月在中央城鎮化工作會議上，習近平總書記談到要建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”。2014年10月住房和城鄉建設部正式發布《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建( 試行)》(以下簡稱《指南》)，當前海綿城市建設在應對一般降雨已經取得了較好的成果，但是在應對超標降雨中，還存在城市內澇頻發的現象[1]。因此，本研究根據當前城市面臨的城市水問題，結合當前海綿城市建設的背景就如何系統的構建海綿城市內澇災害防控體系，提升城市應對內澇災害的彈性展開深入的探索。

1 城市內澇災害的成因、機理

近年來，我國一些城市面臨著逢雨必澇的尷尬局面，主要是在城市建設和管理中，城市的自然和社會水循環系統出現問題，這是在多種因素共同作用的結果，主要分為以氣象、水文、地形地貌等相關的自然因素和人類活動造成的社會因素兩大類[2]。

1.1 自然因素

IPCC 報告指出全球氣候變暖增加了城市降水強度和洪澇災害事件發生的風險[3]。綜合考慮我國地理位置與氣候特征，我國降雨分布有明顯的時空差異性，總體呈現從北向南、從西向東逐漸遞增的規律，主要集中在6—8月份，近年來，受季風氣候異常影響，城市極端降雨天氣頻發，其中，北方部分地區、長江流域及東南沿海等地區降雨強度及強降雨頻率均呈現上升趨勢[4]。研究表明，快速城鎮化影響了局地氣候特征和水文變化規律，形成了“熱島效應”和“雨島效應”，導致短時強降雨由農村向城市轉移，由于城市土地覆被變化(LUCC)，降雨產生的地表徑流呈現產匯流時間短、流量峰值高等特征，造成雨水短時間無法排出，發生城市內澇災害[5]。受地形地貌影響，丘陵、山地城市經常發生山洪與內澇災害疊加的情況，造成更大的損失[6]。

1.2 社會因素

社會因素包含的致災因素較為復雜，主要是人類主導的城鎮空間建設下對孕災環境的改變，體現在城市規劃、排水防澇工程建設以及城市災害應急管理3個方面[7]。在城市規劃方面，傳統的城市規劃在利益驅動下，容易發生城市生態空間管控失效，導致土地過度開發，造成城市生態空間碎片化、面積縮減和不透水面積增加等城市問題，破壞原有自然排水體系和雨洪調蓄功能，影響城市的水循環系統。在進行城市排水防澇工程建設方面，一些老城區排水采用設計標準較低和存在較多雨污合流系統，部分城市排水系統缺乏維護與建設混亂，管道系統存在嚴重的錯接、沉降、堵塞等問題，導致排水系統無法正常運行，另外，早期城市排水管網的建設過于重視“灰色基礎設施”的利用，缺乏與自然調蓄系統的銜接，造成灰綠排水設施割裂的情況。在城市災害應急管理方面，我國在應對內澇災害的非工程性措施尚不完善，存在缺乏相應的法律法規、應急管理指揮體系不完善和缺乏災害應急教育等問題，導致可控災害缺乏預警和不可控災害風險的進一步擴大。

1.3 城市內澇災害形成機理

從災害系統論的角度出發，以城市內澇災害形成的致災因子、孕災環境及承災體之間的拓撲關系構建城市內澇災害鏈[8]。

城市內澇災害(D)是在承災體(V)、孕災環境(S)、致災因子(R)的相互作用的結果，如圖1所示[8- 9]。首先，人類主導的城市空間及人類作為承災體，在社會因素的影響下，城市生態、水文、氣候等自然環境發生異常，導致城市空間環境的穩定性降低，致災因子的強度提升。其次，孕災環境指內澇災害發生的城市空間環境，其穩定性的降低，導致城市應對極端降雨的適應性減弱，反向刺激承災體提升自身應對環境改變的能力。最后，極端降雨作為城市內澇災害最為直接的致災因子，在自然因素和社會因素的作用下，降雨強度的提升和城市空間環境應對內澇災害的能力不足時，增加城市內澇災害發生的風險。

圖1 城市內澇災害鏈

2 海綿城市概念、內涵

2.1 海綿城市概念

海綿城市是我國新型城鎮化下的城市雨洪管理措施，改變傳統的雨水排放模式，以生態理念來應對城市的水問題，提高城市應對雨水自然災害的彈性，因此也稱之為“水彈性城市”。“海綿”是一種應對城市雨洪問題的技術與管理模型，采用高度形象化和感性的語言表述，《指南》中給出的海綿城市的定義，將城市比喻為“海綿”，維持與恢復城市開發區域未開發狀態下的水文狀態[10- 12]。

2.2 海綿城市內涵

海綿城市的建設是在城市雨洪管理內涵上發展的一個多學科、多層次、多尺度的水系統協同治理體系，其內涵豐富，不同專業的學者對海綿城市建設的理解有所側重，本文運用系統理論從城市規劃、災害學以及生態學等多學科融合的角度，根據海綿城市產生的三大驅動因素：洪澇災害、水生態惡化及水資源短缺，并結合《指南》中海綿城市建設的三大途徑，認為海綿城市的本質可以歸納為：綜合考慮城市面臨的水問題，運用生態理念和系統理論重構城市水生態格局，提升城市應對水問題的彈性，實現水資源的可持續發展[11- 14]。

3 國內外城市內澇防控系統研究現狀

3.1 城市雨洪管理體系

20世紀70年代，發達國家針對本國的城市水問題開展城市雨洪管理體系研究，其中，以美國的最佳管理措施(BMPs)、低影響開發(LID)和綠色基礎設施(GI)及澳大利亞的水敏感性城市(WSUD)、新西蘭的低影響城市設計與開發(LIUDD)、英國的可持續城市排水系統(SUDS)等發達國家的雨洪管理理念研究較為成熟[15]。我國關于現代雨洪管理體系研究起步較晚，結合我國水問題，借鑒國外先進的雨洪管理理念，提出以LID理念為核心的雨洪管理體系并發展為如今的海綿城市。隨著我國30個海綿城市試點的展開，許多學者在城市建設中對海綿城市做了大量的研究。例如，謝映霞通過對海綿城市試點城市建設中的經驗和問題分析，提出以問題為導向，參考國外經驗，構建系統的治水思路，提高海綿城市建設的綜合效益[16]。

3.2 城市內澇模型模擬和風險評估

當前，國內外采用的城市內澇災害風險評估的方法主要分為歷史災情法、指標體系法、基于RS和GIS技術耦合的洪澇災害風險評估以及基于情景模擬的風險評估法4種類型[17]。其中，基于情景模擬的風險評估法是當前城市內澇災害風險評估的研究熱點，它運用水文水動力模型構建一維、二維及一維二維耦合模型動態模擬內澇災害的形成過程，更加直觀的展示易澇點的空間分布特征，實現內澇災害風險區劃和評價，為城市防災減災規劃、排水防澇規劃及城市內澇災害預警等提供參考。國外發達國家對于內澇模擬模型的研究較為成熟，如SWMM、SCS、STORM、MOUSE、Info Works和Wallingford Model 等模型，我國關于內澇模擬模型的研究起步較晚，在借鑒國外已有模型的基礎上研發出具有區域特征的SSCM、CSYJM等模型。例如，蘇伯尼等人運用二維水力模型，模擬積水的時空分布[18]；殷杰、伊占娥等人從災害系統論的角度利用GIS對城市暴雨內澇風險進行情景模擬及災害風險評估[19]。

3.3 大排水系統

國外發達國家在應對城市雨水問題時，通常采用小排水系統和大排水系統相結合的方式。小排水系統對應重現期較小的一般降雨，主要包括城市排水管道、暗渠及LID等基礎設施，大排水系統主要對應重現期較大的極端降雨，通常包括地表雨洪行泄通道、地下超級排水工程、城市濕地和調蓄設施等組成，因此也稱為城市內澇防治系統或者超標雨水排蓄系統[20- 21]。

大排水系統的建設對于內澇防控具有較高的效益，是海綿城市建設的重要部分。國外發達國家關于大排水系統的建設起步較早，具備較為成熟的建設技術與運營管理手段，比較著名的有日本東京的“地下神殿”、德國慕尼黑的地下蓄水庫以及吉隆坡的“聰明隧道”等大排水系統。我國作為發展中國家，對大排水系統的研究與建設起步較晚，雖然GB50014—2006《室外排水規范》已明確大排水系統的建設標準，但在資金、技術手段等條件的限制下，一些針對大排水系統的構建還處于概念分析、規劃方法和建設技術的研究階段。例如，李俊奇等人介紹了大排水系統的基礎概念和組成，指出大排水系統是海綿城市建設的關鍵，提出構建大排水系統的技術手段[22]；程小文等人從定位、功能及構成進行大排水系統與城市小排水系統的對比，提出大排水系統的規劃方法[23]。

3.4 城市內澇災害應急管理

目前大多數學者集中在城市災害應急管理的綜合研究，如智慧城市、彈性城市等理念的提出，關于內澇單一災害應急管理的研究主要集中在應急管理體系、暴雨內澇災害預警機制、城市內澇防控技術、應急管理能力及法治建設5個方面的研究[24- 25]。其中，利用物聯網、仿真模型及大數據等現代信息技術構建城市內澇災害應急管理平臺，更加系統科學地進行內澇災害防控，具有較高的經濟效益和社會效益，已經成為當前研究的熱點[26]。例如，吳先華等人從城市暴雨內澇災害大數據融合的背景下分別從信息科學、概率統計和管理學等角度開展城市內澇災害應急管理研究[27]；陳偉珂等人通過對城市內澇治理呈現的碎片化管理研究，提出整體性治理理論，形成協同多元化治理主體[28]。

4 海綿城市內澇防控系統策略

以當前我國水問題為導向，基于海綿城市理念，運用系統理論，從海綿城市規劃、建設及管理三個層面提出構建海綿城市內澇防控系統[29]。如圖2所示。

圖2 海綿城市內澇防控系統

4.1 完善海綿城市規劃體系

城市規劃作為城市建設的重要依據，進一步將海綿城市理念融入到城市規劃建設中，完善海綿城市規劃體系有利于提高城市內澇災害防控的系統性和科學性。從區域和流域的層面構建水環境生態安全格局、生態安全廊道及劃定三區三線來控制城市生態格局，比如，聯系城市公園廣場、河道、湖泊等城市開放空間，構建“斑塊—廊道—基底”雨洪安全生態系統，提高城市雨洪調蓄的系統性。根據城市實際情況和發展需求將海綿城市內澇防控規劃融入城市各層次規劃中，通過城市綠地系統規劃、排水防澇規劃、道路系統規劃以及豎向規劃等提高城市的排水防澇能力。在進行城市設計時，要進行城市內澇災害風險區劃和城市生態敏感性評價，盡量避開城市易澇區和生態環境敏感的區域，堅持生態保護、修復的城市設計理念構建城市藍綠空間，如在規劃過程中盡量避免在洪泛區、河灘濕地、山林田等區域建設建筑，提前有效地規避內澇災害帶來的損失。海綿城市的建設是一個投資大、周期長的任務，需要規劃近遠期建設方案，優先解決當前城市內澇災害風險最為嚴重的地區，同時結合城市發展實際情況，對已建城區結合舊城改造、道路擴建等規劃逐步推進，以達到資源的合理配置。

4.2 構建“灰綠”排水防澇工程系統

傳統的城市排水防澇工程以快排理念為主，海綿城市內澇防控系統以生態理念為核心，在傳統的排水系統的基礎上構建區域、城市和街區的多層次 “灰綠”排水防澇工程系統，提高城市應對內澇災害的彈性，基本思路是采用源頭減排、過程控制和末端調蓄三大工程技術手段實現城市小雨不積水、大雨不內澇的目標[30]。源頭減排在一般降雨中效果明顯，主要是通過加強LID場地設施的建設，提高城市海綿體的覆蓋率，可以有效地實現對初期雨水的凈化，降低雨水徑流和補充地下水，實現“小雨不積水”的目標。過程控制和末端調蓄是在面對強降雨或者持續性降雨排放時實現“大雨不內澇”的重要手段，在過程控制階段應該加強傳統排水設施與自然排水系統的融合，提升城市排水過程的系統性，結合水庫、洪泛區等末端調蓄設施，推進有條件城市的大排水系統建設，加強對超標雨水的轉輸和調蓄，緩解城市防澇壓力[31- 32]。

4.3 完善LID非工程措施

LID非工程措施作為海綿城市內澇防控系統的重要組成部分，通過構建城市內澇災害應急管理體系，能夠有效地提高城市內澇災害的預警、響應和恢復能力。海綿城市建設有據可依，是指導海綿城市健康發展的首要條件，完善海綿城市規劃建設相關法律法規和技術規范，緊密銜接相關規劃標準，提高排水防澇規劃實踐操作能力。構建多元主體參與的城市內澇災害應急管理體系，海綿城市內澇防控的建設需要多專業、多部門和多群體的共同參與，以政府主導，社會參與的合作體系，推動市場資金的參與，提高城市的防災減災能力。運用大數據，建立城市內澇災害數據庫，構建智慧海綿平臺，加強管網運行管理、內澇監控機制，實現城市內澇災害風險快速評估，提高城市內澇災害預警能力及響應速度[33- 34]。進一步推動內澇災害風險防控知識的宣傳教育，樹立內澇災害風險防范意識，提升民眾的自救能力[35]。

5 結論

本研究基于海綿城市理念，運用系統理論從規劃、建設及管理三個層面提出完善海綿城市規劃體系、構建“灰綠”排水防澇工程系統及完善LID非工程措施三大內澇防控策略，構建海綿城市內澇防控體系，能夠有效地提升城市應對超標降雨的能力，降低城市內澇災害的風險。但是本文就城市對不同強度內澇災害的適應性、敏感性及抵抗力未展開深入研究，導致對于城市內澇災害風險的預警、防災物資儲備及設施建設的指導存在不足，因此應在后續工作中加強關于城市應對內澇災害能力的研究，為城市提供更加完善的內澇防控體系。