南方多雨地区海绵城市建设研究 - 以湖南省宁乡县为例 - 图文

第35卷第9期2015年9月经济地理ECONOMICGEOGRAPHYVol.35，No.9Sep.，2015南方多雨地区海绵城市建设研究

——以湖南省宁乡县为例

2

邹宇1，许乙青1，，邱灿红1

（1.湖南大学建筑学院，中国湖南长沙410082；

410082）

2.湖南大学设计研究院有限公司城乡规划设计二所，中国湖南长沙

摘要：快速城市化和暴雨造成许多城市内涝渍害等问题，迫使我国一些城市探索海绵城市建设。文章回顾了国内

外海绵城市建设的理论与实践，以宁乡县海绵城市规划与建设为案例，实证分析了南方多雨地区海绵城市建设的理念、规划等问题。研究表明：基于海绵城市理论的宁乡县总体规划前后，实施道路本体透水化与道路选线分级化相结合的规划措施，显著提高生态水网完整性，城市自然排水系统得到大幅改善；硬质地面的海绵化综合处理方式，增强了城区地表水循环过程，增大了降雨下渗，削弱了降雨径流峰量，降低城市雨水排水系统压力。在案例分析基础上，提出前期规划、经济调节、制度完善、公众参与的建设海绵城市建议，以期在海绵城市的建设中减弱对现有治水途径“工程性措施”的依赖，提供具有前瞻性的“规划性措施”新思路。关键词：海绵城市；生态水网连接度；城市不透水率中图分类号：TU984.11文献标志码：A文章编号：1000-8462（2015）09-0065-07DOI：10.15957/j.cnki.jjdl.2015.09.009

TheResearchonSpongeCityConstructioninSouthernHillyArea

—ACaseStudyofNingxiangCountyinHunanProvince

2

ZOUYu1，XUYi-qing1，，QIUCan-hong1

（1.SchoolofArchitecture，HunanUniversity，Changsha410082，Hunan，China；2.TheSecondCityPlanningGraduate

School，DesignInstituteCo.Ltd.ofHunanUniversity，Changsha410082，Hunan，China）

Abstract:Rapidurbanizationandrainstormleadtoproblemssuchaswaterlogginginmanycities,whichforcesthemto

explorespongecityconstruction.Thispaperreviewedthetheoriesandpracticesofthespongecityconstructionathomeandabroad,andbytakingNingxiangCounty’sspongecityplanningandconstructionasthecase,empiricallyanalyzedtheideasandplansofthespongecityconstructioninsouthernrainyareas.TheresearchshowsthataccordingtoSpongeCityTheory,Ningxianghaschangedalotaftertheproject.Viafeaturesofroadpermeablecharacteristicandroadchosenbyleveldiscrepancy,thecountyitselfhasimprovedalotintheaspectofecologicalwaternetwork.Also,thecity’snaturaldrainagesystemhasbeenstrengthened.Comprehensivedealingmethodofmakingthehardgroundmorelikethespongestrengthensthewatercirculationonthesurfaceofurbanareas,increasestheamountofrainwaterwhichwouldpermeateintotheground,decreasestherainfallrunoffpeakamountandreducesthepressureofurbandrainagesystem.Basedonthecasestudy,thesuggestionisputforwardonpre-planning,economicregulation,systemimprovementandpublicparticipationwiththeexpectationofreducingdependenceonthecurrentwayofengineeringmeasuresandprovidinganewideaofplanningmeasureswhichisforward-lookingaswell.

Keywords:spongecity;ecologicalwaternetworkconnectivity;urbanimperviousrate

随着经济和社会的不断发展，城市的作用和地位日益突出，一方面推动着整个社会的经济发展，另一方面也对自然环境造成了影响［1］。城市与环境之间的矛盾在城市内涝与缺水并存现象中得到显著的体现，位于中国北方半湿润—半干旱区如北

京、洛阳、鄂尔多斯等多个城市内涝频发，威胁城市

居民生命财产安全，也影响城市经济的持续发展。大自然保护协会（TNC）和C40世界大都市气候先导集团共同发布的《城市水蓝图》（UrbanWaterBlue?print），在水量风险研究中指出中国深圳、西安、青

收稿时间：2015-03-01；修回时间：2015-06-28

作者简介：邹宇（1990—），男，湖南衡阳人，硕士研究生。主要研究方向为丘陵地区城市规划理论与设计。E-mail：317169641@qq.com。

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岛和长春等6个主要城市正面临严重缺水压力和风险。更多的城市在发展过程中忽略环境承载能力，延续多年的生态平衡逐渐被打破，形成了更为复杂的生态型内涝与缺水问题［2］。

为实现城市发展和环境资源协调，建设具有自然积存、自然渗透、自然净化功能的海绵城市，成为今后我国城市建设的主要方向。海绵城市建设理念，首次出现在2014年10月住房与城乡建设部出台的《海绵城市建设技术指南》，提出海绵城市建设——即构建低影响开发的雨水系统基本原则，将进入的雨水短暂地存储起来，缓慢下渗或汇集到生态水系系统，在减轻城市排水负担的同时，有效提高原有市政排水设施抵御暴雨的能力，补充涵养地下水、复活泉水和恢复河川基流，恢复城市地表的天然水系环境［3］。“绿色海绵”的构建，与城市生态安全格局相结合，分散蓄留和初步净化，摆脱了城市雨水管理单一工程化的视角。

在我国城镇化进入以提升质量为主的转型发展新阶段［4］，如何缓解和解决水资源浪费、水生态损害、水环境污染等，是建立“资源节约型、环境友好型”的社会形态的新城市问题［5］。笔者在参与宁乡县城市规划设计实践中，尝试引入海绵城市的建设理念，科学规范城市开发行为，将保护自然排水系统与地面设施、城市道路等基础建设结合，在规划建成区内最大限度地保留原有河流、湖泊、湿地、坑塘、沟渠等水生态敏感区，对实际建成区中已经受到破坏的水体和其他自然环境，运用生态手段进行恢复，用绿地、水系等自然要素构建城市“绿色海绵”，以期探索适应我国南方多雨地区的“海绵城市”建设模式提供参考与借鉴。

1国内外海绵城市研究

1.1国外研究综述

自1970年代以来，由于全球范围内水资源紧缺和暴雨洪水灾害频繁，城市对待雨水管理的态度从原本的“快速、高效的工程排水”变为了“雨水蓄

［6］

渗、缓排、利用”。瑞典、加拿大、丹麦、德国等多个国家学者在城市和农村开展了不同规模的雨水水利用研究，制定了众多指导性的建设方针，为城市雨水的可持续利用提供了理论保障。

德国相关机构进行了基于工商业区不同汇水面的径流水质分类研究［7］，将受城市地理位置、汇水面条件、大气质量、情况等因素影响的雨水径流水质大致分为轻度、中度、重度三类污染径流，在实

施雨水管理的过程中，利用GIS技术对雨水处置方

结合城市各地区水质条件和处案进行规划设计［8］，

置目的，选择最终落实的处置设施。这种针对性的雨水管理解决方案虽然高效、简洁，但其实施的前置条件在于德国本身经历了1989年《雨水利用设施标准》出台后的“第一代”雨水利用技术城市改革，同时伴随1992年自控技术的提升，目前雨水利用技术正处于设备集成化的“第三代”发展阶段［9］，德国的城市功能分区和雨水管理已形成了较完备的管理框架，这与国内多数城市还未从快速扩张脚步中慢下来的基本现状不适应。北美学者所侧重的

［10］

“场地层面”雨水微观管理研究，既包括在城市规划建成区以现有自然系统为基础集成整合规划构架，保留重要水文特征和功能，确定流域、小流域和邻里尺度下雨水管理的有利条件和约束，也包括对城市实际建成区的水文功能恢复，减轻靠近水源地带的土地利用活动水文影响，将自然水文功能，如洼地储存、渗透等，均匀分布在整个场地。在微观上控制径流的雨水管理技术效益是巨大的，能够与国内城市复杂的建设条件相协调，逐步实现雨水管理革新。在瑞典和丹麦推行的“雨水最佳管理实践”研究［11-12］，融合水文考察、环境整合、公共景观设计、公众参与、管理制度改革。研究倡导尽可能在源头处理雨水，并通过蒸腾、截留的生物方式，减少径流量、洪峰高度及污染度，结合城市阶段控制城市不透水地面面积，日常管理中街道清扫减少污染物的排放，普及民众雨水回收利用教育等，综合管理雨水及洪水防治等。雨水最佳管理实践研究的推行模式因其处理成本低，处理效果好而被广泛接受，其亦可以在国内中小城市进行前期实践，作为探索现阶段适应我国城市雨水管理的方向之一。1.2国内研究综述

仇保兴认为海绵城市建设应区别于“快排式”的传统雨水模式，考虑水的循环利用，引入弹性城市垂直园林建筑的精细化设计、海绵城市（社区）结合水景观再造、碳排放测算等设计和技术手段，把雨水渗透、滞留、集蓄、净化、循环使用和排水密切结合，统筹内涝防治、径流污染控制、雨水资源化利用和水生态修复等多个目标［13］；胡灿伟在城市水资源紧缺以及城市雨水利用技术快速发展的背景下，提出海绵城市建设的多层次要求：首先通过低影响开发、雨水利用等源头减控措施，将较小重现期的降雨进行资源利用或者渗透地下；其次通过排水管渠的改进和完善，使中等重现期的降雨能够得以排

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除和利用，满足城市生态环境保护和防洪减灾；最

后通过地表漫流通道、调蓄池、城市河湖等设施应对超过雨水管网排水设计标准的较大降雨径流，满足防洪减灾要求，兼顾资源化利用和生态保护［14］。胡楠等指出城市绿地系统对海绵城市体系的多元化作用，应关注两者间的耦合关系［15］。现有五大类城市绿地可以有效地辅助城市水利设施处理城市雨洪问题，平衡城市建设与自然水文，使海绵城市体系的结构布局更为合理，避免海绵城市体系盲目地运动式发展，促进城市人居环境水平持续健康的提升。王宁等在滨海低洼湾区环境生态状况、水文地质状况等综合状况调研的基础上，分析现状径流系数、雨水收集利用空间以及排水系统存在的主要问题，确定海绵城市建设重点任务，制订系统性和针对性的径流总量控制方案、实施计划及匡算投资，对缓解城市水资源短缺，实现城市水资源可持续利用，防止城市内涝、减少灾害、改善水环境具有重要意义［16］。宋云等利用ARC/INF0地理信息景观安全格局技术，在城市规划和建设之前对控制雨水径流的关键位置和区域进行保护、改造或利用，通过保留和设计滞水湿地、绿色水道、截水沟来实现城市雨水管理，利用蓄滞和下渗实现雨水的资源化，以实现土地的高效利用，城市生态安全和城市的可持续发展［17］。地方性法规中有北京市颁布的《关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定（2003）》，要求各地区新建、改建、扩建工程均需要增加雨水利用设施，否则工程将不予验收合格，这使城市雨水利用有了一个初步的依据，但还未涉及到法律层面。2015年5月南宁市城乡建设委员会编制的《南宁市海绵城市建设技术——低影响开发雨水控制与利用工程设计标准图集（试行）》，则对海绵城市建设中的雨水利用有了指引性的设计模式和工程要求，制定了城市雨水资源化的诸多措施。

中国城市雨水利用起步较晚，城市的雨水利用基本处于探索与研究阶段［18］，目前国内学者均提出了一些雨水资源利用措施，这些措施虽然都有其学术价值，但多数为部分城市区域、社区、小区、道路、技术手段的“工程性措施”效果分析和研究，还未将城市实际建成区与规划建成区这样大范围的城市整体进行综合考虑，同时研究中提及的各个案例，所处既有南北方、丘陵与平原、多雨与少雨地区差别，所属城市规模、经济发展程度、环境承载力大小亦有差异。本文基于城市自然水文条件，运用城市

生态水网连接度、城市不透水率的定量分析方法，

研究处于南方多雨缓丘陵地区的宁乡县城市总体规划设计，比较海绵城市理念下，利用前瞻性的“规划性措施”，城市统筹规划布局前后的经济、社会、生态效益差异，研究成果和建设意见可对中小城市的雨水利用策略进行补充，促进适应我国城市的雨水利用控制规划调整。

2国内外海绵城市实践

2.1国外海绵城市建设与雨水利用实践

海绵城市即把生态雨水调蓄作为城市的“绿色海绵”，美国主张在源头采用分散式、小尺度的技术手段来管理雨水径流［19］，如加州富雷斯诺市的“LeakyAreas”地下水回灌系统，是雨水管理和精明增长理论相结合的产物，实现了环境保护和经济的共同发展；日本则对雨水利用实行补助金奖励制度［20］，例如东京都墨田区1996年开始实行墨田区雨水利用补助金制度，对地下、中型和小型储雨装置给予一定的补助，水池则补40～120美元/m3，雨水净化器可以补1/3～2/3的设备价，促进雨水资源化利用的推广；英国城市雨水利用方式是模仿场地开发之前其自然水文过程，利用雨水径流以清除环境污染物［21］，结合降低洪水风险、改善水质、回灌地下水，满足社区需要以及提供生物栖息地等；新西兰实行具指导意义的水资源管理政策，其主要内容是在城市发展时不仅要满足城市区域规划、政策规划的要求，而且要尽量降低对城市水环境的影响，减少雨水径流带来的污染［22］，规定新开发区域需设置雨水收集和处置设施；澳大利亚将城市整体水文循环和城市的发展和建设过程相结合，把城市发展对水文的负面环境影响减到最小［23］，将雨水处理和景观结合，减少地表径流和洪峰流量，应用的尺度从城市分区到街区、地块，持续阶段从前期规划设计到之后的建设和维持。2.2国内雨水利用现状

国内对于海绵城市的建设集中在近几年，深圳市光明新区，在规划建成区的工程设计中，按照低影响开发理念配套设置雨水综合利用措施，将道路路面雨水汇集进入两侧的生物滞留带进行渗滤、滞蓄，用于补充地下水，利用径流控制、削减峰值流量，修复水文生态；浙江省嘉兴市利用海绵城市理念在城市建设方面进行了有益的尝试，被国家水专项办公室列为示范城市。如嘉兴地区所有新建和改建项目必须设置雨水径流污染控制设施，在雨水排

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放口末端设置物理处理及生态处理设施，削减雨水中的COD、SS等污染物。建筑小区、开放空间等用地尽量设置雨水收集、储存、处理和回用水管网等雨水利用设施。在新开发区域和空间条件较好改建区域，采用植被浅沟、渗透沟渠、透水地面等入渗方式，减少雨水径流外排总量，实现雨水径流渗透补给浅层地下水。陕西省西咸新区是立足创新城市发展方式的国家级新区，按照小区地块、市政道路、景观绿地、雨水系统四个层次来推广海绵城市的低影响开发，除了小区内部、市政道路采用雨水花园和下凹式绿地吸收雨水，各地块间建立中央雨水系统，利用生态绿廊下洼6~8m，将两侧2~3个街区约15km2范围内的地表径流，通过地表水沟、市政排水管等直接或间接地收集，成为城市雨水利用核心项目。石家庄市现状绿地较少，造成市内雨水渗透重要环节缺失，所以对城市实际建成区的海绵化改造体现在增加绿地覆盖率，减少市内不透水面积，增大可渗水地块，由于石家庄要正式申报国家生态园林城市，故在绿地建设方面有政策和资金的保障，结合城市绿地规划完善雨水利用系统，把原有的公园、废弃地及不适于城市建设用地进行改造，辅以恢复后水系加以连通，形成绿地与水系共存的城市小环境。

比值。在理想状态时，廊道取直线形ξ=1，所以C=e/n（e为城市水网边数），因此C约为e/n。3.3城市不透水率

不透水地面是城市建成区的特征，不透水率是一个与城市水文、水质污染以及城市热岛现象等研究有关的参数，已有研究表明不透水地面的增加会提高区域降雨径流系数，使得同样降雨条件下的地表径流和河川径流增加，并由此造成城市雨水管道压力加大。同时不透水地面严重阻碍地表水循环，削弱雨水下渗对地下水补充，导致城市地区部分下沉［26］。

基于不透水地面对众多负面环境问题的明显指向性，以及它与城市水循环过程的直接关系，本文用不透水地面与城市建成区比值这一指标反映城市中的复杂环境问题，其比值越高表明综合环境越差。

4宁乡县海绵城市建设的案例分析

4.1研究区域及数据来源

文中以《宁乡县县城总体规划修改（2010—2020年）》中345.97km2的实施范围为研究区域，总体规划修改前后城市形态、道路网络、生态结构为研究对象，分析宁乡县借鉴国际上低影响开发建设模式成功经验，结合我国相关政策法规的要求和低影响开发雨水系统的工程实践，利用自然排水系统的海绵城市建设理念（图1），所产生的经济、生态、社会等方面的效益变化。

宁乡县基础道路、高程矢量、水系网络数据利用ArcGIS软件，经中国科学院计算机网络信息中心（CNIC）下载数据，通过配准、矢量化获得（图2）。城市不透水区光谱信息通过LANDSAT8卫星OLI陆地成像仪影像，对NIR、Red、Green波段RGB三色合成，得到标准假彩色图像［27］。4.2设计分析

4.2.1道路与自然排水系统。原有水系形成的自然排水系统，是海绵城市生态雨水管理的重要组成部分。宁乡县处于丘陵地区，地形复杂多变，规划区内各等级水线纵横交错。针对现有情况，实施道路本体透水化与道路选线分级化（图3）相结合的规划措施，通过规范规划建成区内道路网设计及建设方式，改造实际建成区道路的不透水结构形式，控制和减少道路干扰体对生态水系格局的潜在和累积性影响［28］。

城市道路网的调整（图4）主要集中在：①城市

3研究方法

3.1SpatialAnalyst水文模块

ArcGIS生成的集水流域和水流网络，成为构建地表水文分析模型的主要手段［24］。利用ArcGISspa?tialAnalyst模块提取宁乡县地区径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络等。通过STRAHLE河网分级法对宁乡县基本水文因子的提取以及水网等级分析，DEM栅格表面再现水流的流动过程，完成宁乡县整体水文分析过程。3.2城市生态水网连接度

C指数（城市生态水网连接度）所代表的含义为城市的生态水网结构连接度评价，城市生态水网记作G=（V，E），其中V为网络图G的节点集，E为G的边集，规划区域内各节点依靠廊道相互连通的强度，称为城市生态水网的连接度C［25］。公式为：

LξC=nA研究区域内廊道整体长度（km）为L，总面积（km2）为A，区域内连接节点总和数为n，ξ为城市水网的变形系数，为节点之间廊道长度与直线长度的