0 引 言
2015年发布的《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》确立了海绵城市建设的总体工作目标，并指出：“到2020年，城市建成区20%以上的面积达到目标要求；到2030年，城市建成区80%以上的面积达到目标要求。”其后，海绵城市建设项目在全国30个试点城市展开，建设区域从南至北，城市规模从一线到三四线均有分布。根据我国海绵城市建设评价标准[1]，当前雨水控制利用模式主要以降水量作为划分依据进行分类指导。然而我国地域面积广阔，不同的自然地理及气候特征将直接影响河流及水资源分布、降雨量、雨水汇流、下渗等情况。针对不同的自然条件和城市本底，海绵设施的应用效果、适应性也存在差异。
2019年，30个海绵城市的建设试点工作均通过国家专家组验收，各个试点城市基于主导问题，采用各具特色的技术实施路线，形成了多样化的海绵城市建设体系，同时也积累了大量的可复制可推广的经验。本文综合各类因素进行城市分类，并总结现有海绵城市试点经验，提出基于我国地域分类和社会属性分类的海绵城市建设策略和范式，以期为后续的海绵城市建设的大面积推广提供借鉴。
1 基于自然因素的海绵城市分类建设策略与范式
1.1 城市分类的主要影响因素
海绵城市的实施是一个系统工程，需要考虑到诸多因素。城市地形地势对雨水蓄集与排放具有重要影响，旱涝灾害的分布影响各地区建设目标的合理设定，植被的耐淹耐涝抗旱性与气温、土壤、降水有关，渗透设施的效果与不同地区土壤渗透性能和地下水位等有关。影响海绵城市方案设计及建设成效的因素可分为自然因素与社会因素，其中自然因素又可分为水文地质和气候条件等因素，具体分类如表1所示。
表1 海绵城市建设的自然影响因素分类
Table 1 Natural factors influencing the construction of sponge city construction
影响类型影响因素对海绵城市建设的具体影响水文地质自然地形山地、平原、丘陵等水系分布干流、支流、水资源量地下水位与土壤高地下水位的城市、土壤渗透性能气候条件降水年降水量及分布气温寒冷地区湿度蒸发量其他自然灾害暴雨、洪涝、干旱和地质灾害
1.2 地形地势对海绵城市建设分类的影响
地形地势是城市土地利用布局的重要影响因素，一定程度上影响城市的用地功能和开放空间的位置。地形因子包括坡度、坡向和高程等，这些因素与城市生态敏感性、地表径流方向、水流速度等有着密切关联。坡度决定雨水汇水方向和山体地形的稳定性。坡向不同的地块，日照长短、温度有所不同，水体的蒸发量也不同。高程分析则是汇水分区的重要依据，同时还可反映区域山水格局等地形水系特征。因此，在海绵城市规划设计中，坡度、坡向及高程分析是不可或缺的重要环节。按照城市所处的地形分类，我国位于山前洪积、冲积扇平原的城市数量较多，其次为低山丘陵河谷地区的城市，高原山间盆地或谷底的城市，而位于中山、高山地区数量的城市极少；除了大平原中腹和三角洲平原外，城市选择2种地形过渡或交接的部位形成发展也非常普遍。不同土壤类型的颗粒粗糙程度、含砂率、通气性、入渗性能与吸水能力不同，地下水位也将影响径流下渗。
1.3 气候条件对海绵城市建设分类的影响
我国幅员广阔，温度带包含寒温带、中温带、暖温带、亚热带、热带和高原气候区，气候差异大、降雨时空分布不均。必须根据当地的气候条件及降雨特点，因地制宜地选择相应设施及雨水利用方案并确定运行维护方法，最大限度地提高系统的效率和安全性，这直接关系到海绵城市建设的可持续性。
降雨量及径流分析是海绵城市设计的关键一环。我国的年降水量地域分布情况如下：东南沿海地区为1500～2000 mm；长江中下游地区为1000～1600 mm；淮河、秦岭一带和辽东半岛年降水量为800～1000 mm；黄河下游、渭河、海河流域以及东北大兴安岭以东大部分地区为500～750 mm，黄河上、中游及东北大兴安岭以西地区为200～400 mm；西北内陆地区年降水量为100～200 mm。我国海绵城市建设评价标准的年径流总量控制率分区也基本基于上述的降水总量确定。
然而，我国不同地区的降水季节分配不均，尤其是易形成洪涝灾害的夏季降水量与上述分区不是完全相关。长江中下游和华南地区的夏季降水占全年50%以下，其他地区的夏季降雨更集中，超过50%[2]。近年来气候变化导致极端降雨事件的频发，使得传统意义上按照降水总量定义的干湿地区与暴雨内涝分布越来越表现出不一致性。属于半干旱区的北京，在2012年7月21日出现特大暴雨，市区形成积水点426处，经济损失 116.4亿元。2013年东北大部雨季早、降雨多、历时长，为全国洪涝灾害最严重的地区。因此，单纯从降雨量角度划分不同地区的雨水控制利用模式，存在一定的不足。
1.4 基于城市自然因素的海绵城市分类建设策略与范式
根据自然因素进行城市分类，主要依据城市的自然地形、气候、降水以及地域分布特征，并结合土壤、地下水等因素对我国城市进行以下分类：1)东北寒冷平原地区；2)西北干旱地区；3)华北及中部暖温地区，并进一步细分为：3-1平原区、3-2山前区；4)南方多雨地区，并进一步细分为：4-1山地丘陵地区、4-2平原河网地区。通过对试点城市的特征解析，识别共性的关键问题，并总结试点城市的海绵城市建设策略及推荐了适用的技术设施，归纳汇总于表2。
2 基于社会属性因素的海绵城市片区分类建设要点
城市/区域的社会属性对海绵城市的建设均有影响，比如，城市的基础设施完善程度、城区功能定位等，当下垫面、排水设施等有差异时，对雨水及水资源规划管理需求及侧重点也应有所不同，具体影响因素如表3所示。随着城市建设能力和理念的变化，老旧城区和新建城区有明显的不同特征，如郑州市老城区的不透水面积占比超过60%，个别区域达到80%，新城区在50%以下[3]。根据表3，从社会属性角度进行分类，海绵城市建设所在的重点特色片区可分为高密度商业及居住区、生态休闲空间、老旧城区、新建城区。
表2 基于自然因素的海绵城市分类建设策略
Table 2 Classified construction strategies of sponge cities based on natural factors
城市分类基本特征关键问题识别海绵城市建设策略及技术设施推荐东北寒冷平原地区1)夏季温热,冬季严寒,降水不均,春季干旱,年均降水量为200～800 mm;2)地层多为砂、砂砾石,渗透性较好,地下水位埋深较浅;3)区域范围:黑吉辽和内蒙古东北部,城市多位于平原,局部丘陵;试点城市:白城、大连(庄河)1)冬季冰雪较多,融雪剂的使用对道路桥梁、植被水体等产生不利影响;2)冬季低温寒冷,生物活性低,污水处理及水体自净效率低;3)透水铺装在冬春季节反复冻融过程中容易破损甚至丧失功能;4)降雨不均,城市内河地表补给集中于雨季,旱季补给不足造成内河生态脆弱和水景功能降低策略:1)冬季采用人工强化处理设施去除污染;2)融雪剂科学布撒、环保型融雪剂或机械清扫等替代传统融雪剂;3)研发并应用具有一定抗冻等级的透水铺装材料;4)加强污染截留和净化处理,进行排水分流制改造;5)提高污水处理率、加强雨水和融雪水净化。技术设施: 1)海绵设施宜选用初期雨水弃流设施、调节池、雨水罐、蓄水池、渗井等,其余绿色设施均可选用,绿色屋顶考虑季节与成本不宜选用;2)适用于融雪径流的净化处理技术或绿色设施;3)抗冻融透水铺装材料西北干旱地区1)夏热冬冷,气候干旱,降水稀少,年均降水量<400 mm;2)沙质土壤,干燥透水,部分地区湿陷性黄土,地下水位埋深浅;3)区域范围:陕甘宁青新,城市主要分布在第2阶梯高原或山间较为低平地区;试点城市:西咸新区、庆阳、西宁、固原1)降雨稀少,水资源严重匮乏;2)生态环境脆弱、水土流失问题较突出;3)海绵城市建设需考虑湿陷性黄土的不利影响;4)基础设施薄弱;5)水环境质量有待提升策略:1)西北地区海绵城市建设的指导思路:“蓄用为主、渗滞相辅、净化提质”;2)加强雨水集蓄利用和再生水回用,以缓解水资源短缺问题,蓄存回用时需注意水质控制;3)湿陷性黄土区应“适渗”和“慎渗”;4)雨水源头或就近集蓄,减少末端调蓄,避免积水及径流造成的冲刷,加强边坡防护及本地化绿化种植,保持水土。技术设施:1)海绵设施适宜性,渗透塘、湿塘、渗井、渗管/渠在湿陷性黄土区较不适用;2)选择耐寒、耐旱、耐涝、耐盐碱抗污染的本地植物适应西北盐碱地华北及中部暖温地区1)气候温暖,四季分明,降雨不均,夏涝春旱,年均降水量为400～800 mm;2)土壤渗透性较好;地下水补给少、水位埋深增大;3)区域范围1:京、津、冀、鲁、豫、皖、苏等平原地区;试点城市:北京、天津、迁安、鹤壁;区域范围2:燕山南麓、太行山东麓、淮阳丘陵北麓、鲁中南丘陵山地外缘,平原与低山丘陵邻接浅山地带;试点城市:池州、济南、青岛1)水资源短缺,地下水超采问题严重,出现地下水漏斗;2)降雨不均,夏季降雨集中,河流泛滥,城市内涝多发;3)地表径流不足,排污量大,水污染严重,水生态失衡;4)排水设施建设与管控不足;5)平原区排水坡降不足易淤积,山前区易受洪涝灾害威胁且生态敏感策略:1)采用“渗”“净”海绵设施,结合净化措施,促进自然下渗,回补地下水,提高雨水“用”,缓解水资源短缺现状;2)增加“蓄”“滞”空间以及健全雨水管网逐级减缓与调蓄雨水,缓解内涝;3)完善城市排水设施,污水厂提标改造,实现达标排放;加强尾水深度处理,进行再生水回用或用以补给径流较少的河道;4)平原区应尽量扩大海绵设施面积,提高城市“弹性”; 5)山前区应利用自然地形水系等构建蓄滞空间,减缓径流避免冲刷。技术设施:1)各类海绵设施均较为适用;2)尾水深度处理技术可采用人工湿地、反硝化滤池等南方多雨地区1)高温多雨,降雨量大,年均降雨量>800 mm;2)土壤质地黏重,渗透性较差;地下水水位高,埋深浅3)区域范围1:三角洲或平原河网区;试点城市:厦门、嘉兴、上海、宁波、福州、珠海、深圳、三亚;区域范围2:华中、华南和华东的中低山区、山前区及丘陵区;试点城市:镇江、萍乡、遂宁、武汉、常德、南宁、贵安新区1)降雨量大,雨季长,洪涝灾害频发;2)水系发达,许多原有水系的连通性被切断;3)人口密度高,排污量大,城市水体黑臭问题较为严重;4)地下水位高,土壤含水率高、下渗难策略:1)总体以防治内涝为主要目标,首选具有“滞”“蓄”“排”功能的海绵设施或天然海绵体;2)平原河网地区,在保证河湖水系调蓄容量、连通性等因素外,还应该重视径流污染的削减以及黑臭水体的整治,总体应遵循“滞、蓄、净”为主,兼顾“渗、用、排”的理念;3)丘陵山地区域将安全作为首要任务,在海绵设施的组织模式上重点关注“滞、蓄、排”,处于凹地或盆地区域的城区,应借鉴平原区排涝模式,留足蓄滞空间。技术设施:1)各类海绵设施均可应用,山地台地城市区域不宜采用下渗设施,以免带来安全风险;2)黑臭水体治理技术包括清淤工程、化学或生物制剂投加、水体复氧技术、旁路处理系统、生态浮岛、沉砂拦砂技术等
表3 海绵城市建设的社会属性因素分类
Table 3 Social attribute factors influencing sponge city construction
影响类型影响因素对海绵城市建设的具体影响社会经济经济发达程度城市规模、GDP、人口密度、城市年龄基础设施排水体制、排水设施完善程度、土地利用新旧城区建成区、新建城区
商业办公区、大型交通枢纽设施等均属于社会经济活动密集区域，多数位于城市中心，建筑较为密集，由于硬化率高、绿地相对较少且人流量大，大规模设置绿色设施难度大，推荐采用以灰色设施为主的地表径流收集排除系统，或分散设置较小型的绿色设施，对雨水进行必要的净化处理。同时还应配合城市空间规划，采用具有海绵功能的城市建筑及景观小品，倡导具备绿色生态概念的建筑形式以丰富城市特色。
生态休闲空间通常包括城市景观水体和绿地公园等较大面积的自然空间，属于分散于城市中的天然海绵体。在海绵城市建设中，应充分利用此类空间资源，对河流空间进行生态修复，同时结合景观设计，打造成集生态、防洪、休闲娱乐为一体的多功能城市空间。如占地26×104 m2的燕尾洲湿地，位于浙江省金华市武义江与义乌江的交汇处，该湿地改造时建设了梯田式的河堤，种植当地的耐淹没植被。雨季时，雨水从公园的不同方向流向河流，经过梯田河堤湿地植被时得到净化。在洪水期间，内湖也作为一个滞留区，水域扩张并最终汇入邻近河流。在旱季，河流中的水通过沙砾层渗透到湖中，并在此过程中得到过滤[4]。
老旧城区是海绵城市建设过程中面临的一大难点，其在海绵城市建设过程中的主要挑战可总结为：1)人口密度偏高，建筑密度大，地表硬化率高，绿化面积极其有限，综合径流系数大；2)土地已基本开发，可改造空间小，大规模应用海绵设施具有较大困难；3)环境本底较差，多为合流制管道，合流制溢流(CSO)污染严重；4)城市内涝、水体黑臭现象严重。因此，在老旧城区，海绵城市建设应以问题为导向，以点带面，形成“一点一策”[5]；同时要注意系统统筹，形成源头-过程-系统的项目体系，避免碎片化[6]。适宜老旧城区建设的LID设施有透水铺装、绿色屋顶、下沉式绿地、生物滞留池以及地下调蓄设施等，建设规模及占地相对较小，既可以减小工程影响，又可以实现径流控制，整体以灰色设施为主，有条件的情况下应尽可能设置绿色设施。
城市新区一般绿化率较高，可利用空间条件较好。在此良好的基础上，新城区的海绵城市建设需要系统和科学的规划，以目标为导向，以面带片；在径流总量控制、径流污染控制的基础上，以绿色设施为主，适当设置灰色设施；优先保护自然生态本底，根据区域的环境和资源承载力，制定海绵城市建设相应的控制指标体系。同时，与老旧城区相比，新建城区在规划设计阶段应通过对道路、绿地的竖向调整来构建行洪排泄系统，与公园、湿地、水系等开放性蓄水空间一起构建城市大排水系统。
3 结 论
我国海绵城市建设的试点城市遍布全国，通过实践积累了大量的可复制可推广的经验。为了使后续的海绵城市建设在大面积推广时更好地对标可借鉴的范式，本文依据城市的自然地形、气候以及地域分布特征，对试点城市进行以下分类：东北寒冷平原地区、西北干旱地区、华北及中部暖温地区和南方多雨地区。通过对试点城市的特征解析，识别共性的关键问题，分类归纳总结了海绵城市建设策略并推荐了适用的技术设施。
[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 海绵城市建设评价标准.[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2019.
[2] 车伍，唐宁远，张炜，等. 我国城市降雨特点与雨水利用[J]. 给水排水，2007，33(6)：45-48.
[3] 郭雷，胡婵娟，高红莉，等. 基于地理国情普查数据的城市海绵城市建设对策研究[J]. 给水排水，2018, 44(增刊2)：108-111.
[4] 马丁·普林斯基，安特耶·施托克曼，苏珊娜·泽勒. 河流空间设计：城市河流规划策略、方法与案例[M]. 北京：中国建筑工业出版社，252-255.
[5] 李俊奇，黄静岩，王文亮. 基于问题导向的建成区海绵城市建设策略[J]. 给水排水，2017，43(8)：41-46.
[6] 周丹，马洪涛，常胜昆，等. 基于问题导向的老城区海绵城市建设系统化方案编制探讨[J]. 给水排水，2019，45(7)：32-38.
部分常见物理量名称及单位
符号量名称单位说明c摩尔浓度mol/m3或 mol/L某物质的量除以混合物的体积,如污染物A的摩尔浓度应表示为c(A)ρ质量浓度kg/L某物质的质量除以混合物的体积,如污染物A的质量浓度表示为ρ(A)w质量分数1,%某物质的质量与混合物的质量之比,如污染物A的质量分数应表示为w(A)φ体积分数1,%某物质的体积与混合物的体积之比,如污染物A的体积分数应表示为φ(A)n物质的量mol如污染物A的物质的量应表示为n(A)M摩尔质量g/mol质量除以物质的量R摩尔气体常数J/(mol·K)理想气体定律中的普适比例常数
注：内容源于GB 3102.8—1993《物理化学和分子物理学的量和单位》。