海綿城市建設中若干水文學問題的研討 （1. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學水安全研究院，湖北 武漢 430072；3. 水資源安全保障湖北省協同創

海綿城市建設中若干水文學問題的研討
                                         夏軍1,2,3，石衛1，王強1，鄒磊1
（1. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2. 武漢大學水安全研究院，湖北 武漢 430072；3. 水資源安全保障湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430072）
摘要：針對海綿城市建設面臨的問題和挑戰，提出了以水循環為紐帶、將城市暴雨-徑流、水污染治理和城市生態綠地、濕地建設與市政建設（排水、排污）規劃管理聯系為一體的“城市水系統”的概念與方法；基于水文學原理，分析了目前海綿城市建設中最為關鍵、也質疑較多的年徑流總量控制率的概念，指出現行的年徑流總量控制率的計算實質是年降水總量控制率。如果回歸到水文學概念，年徑流總量控制率就必須與水文系統響應的增益因子，即徑流系數建立內在的聯系；需要研究徑流系數并非常數，而是與土壤濕度、降水強度和下墊面組合的時變非線性理論問題。此外，論文對比分析了現行海綿城市建設LID措施和改進后的年徑流總量控制率之間的關系，深入剖析了“城市看海”發生的條件與風險。最后就海綿城市建設與規劃的水文學基礎亟待改進：徑流系數非線性、區分自然條件和城市化后的蓄水量變化的差別、考慮河湖水系調蓄和陸地蒸散發、與流域大海綿調控結合、風險管理等方面進行了研討，提出了未來我國海綿城市建設的若干個建議。
關鍵詞：海綿城市；城市化；水系統；水文學；總徑流控制率；低影響開發
中圖分類號：TU984    文獻標識碼：A   文章編號：1004-6933（2017）01-0001-12
Discussions on several hydrological issues in the sponge city construction
XIA Jun1,2,3, SHI Wei1 ,WANG Qiang1, ZOU Lei1
（1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China；2.The Research Institute for Water Security, Wuhan University, Wuhan 430072; 3.Hubei Provincial Collaborative Innovation center for Water Resources Security, Wuhan 430072）
Abstract: As a developing country, China is facing more and more challenges on urban construction under global change and social development. This paper gives the reviews on the problems and challenges of sponge city construction. The concept and method of “urban water system” integrating with urban sprawl-runoff, water pollution control and urban ecological greenbelt, wetland and municipal construction (drainage and sewage), are proposed. Based on the theory of hydrology, hydrological control criteria which is the most critical and questionable in the construction of sponge city is analyzed, and points out that the calculation of the control rate of total annual runoff is to calculate the control rate of total annual precipitation. Thence, it is necessary to establish an internal relation with the gain factor of the response of the hydrological system, i.e. the runoff coefficient. It also needs to reveal that runoff coefficient of the hydrological system i.e. the gain factor is not a constant, but the time-varying nonlinearity of the combination of soil moisture, precipitation intensity and underlying surface. Additionally, hydrological control criteria of sponge city construction is modified to analyze the conditions and risks of the “see the sea from the city”. Finally, the runoff coefficient nonlinearity, the change differences in storage capacity between the natural conditions and after urbanization, considering the lake water system storage and land evaporation, the basin sponge regulation and control, and risk management, should be strengthened in the hydrological basis of sponge city construction and planning. Aiming at the upsurge of sponge city construction, some suggestions on future sponge city construction in China are put forward.
Key words: Sponge City construction; Urbanization; Water system; Hydrology; Total runoff control rate; Low impact development
1 研究背景
    受氣候變化和人類活動因素影響，城市面臨洪澇災害、水資源短缺、水體黑臭以及生態系統退化與修復的諸多問題。在極端氣候變化和城市快速發展共同影響下，我國“城市看海”的城市愈來愈多，城市洪澇災害造成了巨大的社會經濟損失[1-3]。僅以武漢市為例，截至2016年7月6日，暴雨災害造成全市12個區75.7萬人受災。共轉移安置災民167897人次，目前80207名群眾處于轉移安置狀態，全市布設安置點68個，農作物受損97404hm2，倒塌房屋2357戶5848間。直接經濟損失22.65億元，因災死亡14人。武漢市投資巨大的排水系統，但依然年年“看海”，城市內澇問題十分突出。城市發展如何與水問題和平共處？中國城市陷入的“治水方略”之困境又該如何解開？成為當前及未來涉及人口最多和經濟發展壓力最大的中國城市化建設面臨的嚴峻的亟待研究解決的城市化建設的戰略問題。
  為了解決城市化導致的一系列負面效應，自20世紀90年代發達國家如美國就開始提出了低影響開發(LID，Low Impact Development)[4]、英國的可持續排水（SUDS，Sustainable Urban Drainage Systems)[5]，澳大利亞的水敏感城市設計（WSUD，Water Sensitive Urban Design）[6]等城市雨洪問題管理體系。LID從源頭上對徑流調控，通過入滲、過濾和蒸發等方式模擬自然水文條件，進而實現減少徑流、降低污染負荷和保護受納水體的目標，與城市生態建設有機結合，根本改變城市健康問題，關鍵要素如圖1所示[7-8]。WSUD根據城市水循環系統概念，對城市供水、污水處理以及水的再循環等作為一個整體進行綜合管理（見圖2），并促進城市規劃設計與建造方式的改變，維持城市可持續發展[10]。SUDS基于城市發展可持續性理念，除了城市生存環境至關重要的飲用水、水環境外，進一步將地表水功能性價值考慮在內，使其排水系統更具持續性[5]。

圖1 LID關鍵組成要素[9]

圖2水敏感城市設計中的水綜合管理[10]

近幾年，海綿城市建設成為我國城市水問題關注的熱點[3]。2013年12月，在中央城鎮化工作會議上首次提出了海綿城市的理念：“在提升城市排水系統時要優先考慮把有限的雨水留下來，優先考慮更多利用自然力量排水，建設自然保存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”。隨后，習近平總書記先后在2014年考察京冀協同發展座談會、中央財經領導小組第5次會議和2015年中央城市工作會議上多次強調了海綿城市建設的部署。2014年10月，住房和城鄉建設部頒發的《海綿城市建設技術指南（試行）》（以下簡稱《指南》）[11]，為促進我國海綿城市建設提供技術支撐和理論指導；2014年12月份，中央相關部門隨即開展了全國首批試點城市的申報工作；至2015年4月份，在組織和相關部門的積極努力下全國首批16個試點城市正式確定。國務院辦公廳2015年10月印發 《關于推進海綿城市建設的指導意見》（以下簡稱《指導意見》）， 部署推進我國海綿城市建設工作。
2 海綿城市建設面臨的問題和挑戰
 

  由于中國社會經濟發展，未來2030年左右我國的水資源安全將面臨嚴峻的問題與挑戰[12]。以城鎮化和供水為例，1981年，我國城鎮化率21.16%，到了2011年全國城鎮化率已經攀升到51.27%，預計2030年和2050年將分別達到70%和80%。當前我國城市（含縣）日供水總規模3.14億m3，其中城市日供水2.57億m3，按照傳統的供需模式，未來水資源的供給需求和缺口將進一步加大。我國的城鎮化速度快，建設速度跟不上城市綜合治理的速度，傳統的城市建設凸顯的城市“病”愈來愈突出：
（1）城市內澇及洪澇災害損失愈來愈嚴重。2016年全國多地如北京、廣州、武漢發生“看海”城市內澇情景；
（2）城市水環境問題也愈來愈凸顯。城市垃圾、生活污水排放、河道水流堵塞導致城市水體黑臭問題；
（3）城市水生態退化嚴峻。例如有“百湖”之稱的武漢市湖泊退化，據2010年武漢市水務局的調查數據顯示，近幾十年來武漢的湖泊面積減少了228.9 km2，五十年來近100個湖泊人間“蒸發”，中心城區僅存的38個湖泊，還面臨著繼續被侵蝕的危險；
（4）城市人群疾病多發。生存環境的水污染、廢氣和霧霾凸顯，人口膨脹、交通擁堵、住房緊張等，將會加劇城市負擔、制約城市化發展以及引發市民身心疾病。
國家關于推進海綿城市建設的部署，為徹底改變我國城市建設工作，提供了戰略性的發展機遇。但是，我國海綿城市建設過程中存在許多挑戰性的問題：
（1）一些地方對海綿城市缺乏科學的認識，在沒有進行合理規劃設計之前，就盲目施工建設；
（2）海綿城市建設的核心是水問題，但是海綿城市建設規劃、設計、施工、監控與管理過程中缺少以水文學為核心的海綿城市規劃建設團隊與實體；缺乏涉水的海綿城市建設與管理基礎監控系統與體系；缺乏針對海綿城市的“水與氣候”、“水與環境”、“水與生態”、“水與社會”聯系的城市綜合水系統及其交叉學科的先進科研技術支撐，目前存在一系列技術障礙；缺乏必要的海綿城市建設的后評估管理體系和制度建設；
（3）我國海綿城市建設有“大上快干、急于求成”、實效并不理想等諸多問題。尤其2016年南方城市遭受大暴雨，城市洪澇災害嚴重，給中國的海綿城市建設帶來嚴峻的思考與挑戰。
我們的觀點：國外的LID等好的經驗的確要學，但是要考慮中國獨特的自然條件（中國季風氣候特性）和城市經濟建設發展現狀（客觀基礎、條件與問題）。如何對癥下藥，真正解決中國的城市水問題，需要認真思考、科學研究、科學地城市規劃、科學管理與正確決策。
3 海綿城市建設的水系統概念
  海綿城市建設的核心是一個復雜水系統問題，基本概念是以水循環為紐帶，聯系降雨-徑流物理過程、以水環境水生態表征的生物地球生物化學過程和以城市建設高強度人類活動為特點的人文過程的相互作用和反饋的復雜系統[12](圖3)。

       圖3水循環聯系的三大過程和水系統[12]

  國際上全球水系統科學（GWSP）發展前沿[12]：
(1) 強調水循環聯系的三大過程觀測與機理研究，揭示水系統演變規律；
(2) 強調水循環聯系的三大過程作用-反饋的水系統“耦合-解耦”模型研究，認識三大過程的相互作用關系；
(3) 強調水系統關鍵的“調控”，為變化環境下的城市建設與綜合治理提供科學支持。
變化環境下的水系統科學涉及到“水與氣候”、“水與環境”、“水與生態”、“水與社會”多個方面的綜合問題[13]，其核心是水文學。
因此，我國海綿城市建設的水系統科學基礎系統包括：城市水文學：城市暴雨洪水-徑流形成、徑流總量控制率；城市水生態：生態水文、綠地、濕地、河湖；城市水環境：環境水文、面源、水污染控制；海綿城市水系統規劃：水量、水質、水環境調控的工程措施、非工程措施，以及海綿城市建設監測與監控，海綿城市建設后評估與管理等。這是海綿城市建設新的需求。
結合武漢市海綿城市建設的水系統需求為例：（1）需要強調一個整體水系統規劃；（2）需要建設一個有效的水系統監測與監控；（3）需要發展一個基于水與氣候、水與環境、水與生態、水與社會相互聯系與反饋的城市水系統模型與調控/管理平臺；（4）需要推動城市海綿城市建設的產業結構調整、海綿城市建設的體制、制度改革、社會倫理教育和公眾服務體系。
4  海綿城市建設的水文學問題研討
  國務院辦公廳2015年10月印發指導意見指出海綿城市建設總體要求為“通過綜合采取‘滲、滯、蓄、凈、用、排’等措施，最大限度地減少城市開發建設對生態環境的影響，將70%的降雨就地消納和利用。到2020年，城市建成區20%以上的面積達到目標要求；到2030年，城市建成區80%以上的面積達到目標要求。” 2016年3月住建部發出關于印發海綿城市專項規劃暫行規定的通知，其中第十三條明確了海綿城市建設目標（主要為雨水年徑流總量控制率）和具體指標，明確近、遠期要達到海綿城市要求的面積和比例，參照《海綿城市建設績效評價與考核辦法（試行）》提出海綿城市建設的指標體系。關于年徑流總量控制率定義，《指南》指出按30年日降雨量排序，占總量70%的年均總量對應的20-30毫米的中小降雨事件。目前海綿城市建設主要集中在小區尺度上的LID項目上。
4.1年徑流總量控制率
  年徑流總量控制率是海綿城市建設中一個最基礎的水文學問題。2016年住建部提出的《海綿城市建設技術指南》（簡稱指南）對年徑流總量控制率定義：“根據多年日降雨量統計數據分析計算，通過自然和人工強化的滲透、儲存、蒸發（騰）等方式，場地內累計全年得到控制（不外排）的雨量占全年總降雨量的百分比。”
《指南》中提出的年徑流總量控制率計算方法是介于美國的徑流總量計算法和降雨場次百分點之間。《指南》中提出“選取至少近30年（反映長期的降雨規律和近年氣候的變化）日降雨（不包括降雪）資料，扣除小于等于2mm的降雨事件的降雨量，將降雨量日值按雨量由小到大進行排序，統計小于某一降雨量的降雨總量（小于該降雨量的按真實雨量計算出降雨總量，大于該降雨量的按該降雨量計算出降雨總量，兩者累計總和）在總降雨量中的比率，此比率（即年徑流總量控制率）對應的降雨量（日值）即為設計降雨量”。由此可見，海綿城市建設中的關鍵指標之一年徑流總量控制率實際上是年降水總量控制率。
例如，上海等設計院依據《指南》的概念，得到了控制徑流的雨量占全年全部雨量的百分比，年徑流總量控制率指標計算公式如下:
                                                                                                         
（1）
為了了解目前指南提出的年徑流總量控制率的概念是否合理以及如何改進和科學計算。首先應該理解以下幾個關鍵的基礎問題：（1）什么是城市徑流形成原理；（2）城市的徑流系數分析的問題；（3）如何科學測算一個城市的年徑流總量；（4）如何科學計算城市的年徑流總量控制率。
4.2徑流形成與轉化
    由降雨在集雨區（流域或城市）形成徑流的過程稱為徑流形成與轉化，包括：產生多少徑流的產流及其運動匯流等復雜流域或城市的水文過程，如圖4所示。降水產生徑流量級的大小稱為水文系統增益G，在水文學有個專有名詞，即徑流系數。

圖4 城市水循環示意圖[14]

4.2.1 徑流系數 
 徑流系數為一定匯水面積內總徑流量Y(mm)與降水量X(mm)的比值，說明在降水量中有多少水變成了徑流，它綜合反映了流域內自然地理要素對徑流的影響，其計算公式為α=Y/X，而其余部分水量則損耗于植物截留、填洼、入滲和蒸發。
眾所周知，徑流系數是城市雨洪控制利用系統中的一個重要參數，在雨洪控制利用系統的理論研究、規劃、設計計算中應用廣泛。徑流系數選擇的合適與否，對整個排水系統的排水能力和工程造價有重要影響。然而，目前關于徑流系數計算基本是以線性理論為基礎。
4.2.2 徑流系數的非線性問題研究
  從系統水文學的觀點，徑流系數亦稱之為水文系統的增益 （Gain factor）。在總徑流線性系統模型，或簡單線性模型（Simple Linear Model，簡稱為SLM）中，增益因子G被假定為一個常數（公式（2）），表示流域多年平均徑流系數的概念（見圖5）。然而，許多流域的觀測數據表明系統增益是時變的，并且和流域濕度成正比例，比如說前期降雨量指數，或者實際蒸散發和降雨的比值[15-16]。
                              
（2）

圖5總徑流水文線性模型(SLM)與系統增益因子概念示意

系統增益的水文概念為流域的產流系數。夏軍通過對全球不同氣候區域的60多個流域的降雨徑流海量數據資料，辨識了降水、土壤濕度等關鍵性控制因素的時變與非線性特性。由于這些高度非線性，導致了降雨形成徑流的系統增益并非定常和平均態。進一步發現了徑流形成的增益因子G(t)與土壤濕度、降雨強度和下墊面組合的時變非線性指數規律[17]。如果缺乏土壤濕度資料，流域土壤前期影響雨量（API）是一個較理想的替代指標。如圖6所示意，水文時變增益因子與流域土壤前期影響雨量之間的非線性關系可以表達為
                          （3）

    式中，為土壤濕度；為下墊面參數；為降雨強度。

                  圖6 增益G與土濕的非線性關系

進一步提出了徑流計算新的方法與時變增益模型（Time Variant Gain Model, TVGM）同樣將降雨-徑流之間的轉化過程分為流域產流模塊和匯流模塊兩部分。在產流模塊中，有效凈雨R表達為毛雨P和系統增益G之積，計算公式如下：
                     
（4）
基于時變增益非線性產流機理（5）

即使流域匯流采用線性響應函數模型我們可以從理論上可以導出與普適性Volterra非線性響應函數式同構的具有物理機制的適用解，過程如下：

（6）

式中：g1為流域下墊面相關的線性產流參數，g1為流域下墊面相關的線性產流參數，，g2為流域下墊面相關的非線性產流參數，是與流域土壤水力特性、蒸發相關的參數， 和 都是時間積分變量。該方面研究的意義和價值：從理論上解釋了徑流非線性響應與土壤濕度（API）、下墊面（g1、g2、Ke）、降雨強度（p）等之間的內在聯系；揭示了復雜關系中能夠找到一個簡單關系的非線性產流機理；非線性系統更能準確描述降雨-徑流形成關系，徑流系數為定常的線性系統理論只是其一階特例。時變增益模型中關于徑流計算新方法解決了水文線性理論中假定產流增益為常數和為平均態的問題[17]。
因此，海綿城市建設中需要建立與徑流系數及其非線性特性聯系的年徑流總量控制率的新的計算方法。

4.3城市化水文效應- LID作用和認識“看海”問題
    任何一個城市的發展歷史都是在原來自然流域/區域/水系的基礎上，經歷城市不同階段建設發展起來的。LID以及我國海綿城市建設的核心理念，就是盡可能去城市化的水文效應，回歸或等價回歸到自然狀態[11]。從當前和未來全國海綿城市建設的熱潮與面臨嚴峻的“城市看海”困境看，亟待認識LID的作用和如何深刻認識“看海”的本質問題。

（1）自然條件下區域水文平衡關系與徑流系數

自然條件下，區域蓄水量變化與年降水量、年徑流量、年蒸發量的關系如下：                               （7）

                            （8）

式中，為年降水量；為為年徑流量；為為年蒸發量；為蓄水量變化。其中蓄水量變化可由下列公式表示：

             （9）

式中，為陸面土壤滲蓄水量變化；為陸面塘堰蓄水量變化；為陸面河湖蓄水量變化；為陸面濕地蓄水量變化。則徑流系數表示為：

                            （10）

 比較公式（1）和公式（10）發現，現行的海綿城市年徑流總量控制率未考慮陸地蒸散發，雨水滯蓄量只有LID概念的雨水入下滲量和年滯蓄量，缺少河湖水系調蓄量等。
 

 （2）城市化條件下區域水文平衡關系及其蒸散發和蓄水量的變化
城市化條件下，水文平衡關系以及蒸散發和蓄水量的變化分別如公式（11）和（12）所示：                                     （11）

                                            （12）

（3）城市化條件下徑流量R1與徑流系數

                     （13）
因此，徑流系數1則為：

                                  (14)

從公式（14）中可以發現，城市化后與城市化前徑流系數存在一定的關系。再次比較公式（1）與（14），可知現行海綿城市建設LID措施的年徑流總量控制率關系式可以表達為：

        (15)

因此，面向城市化問題的海綿城市建設年徑流總量最大控制率（%）則為：

   (16)

海綿城市建設目標是通過工程/非工程措施將由于城市化的年雨水土壤入滲量、塘堰雨水滯蓄量、河湖調蓄水量、濕地蓄水量盡可能恢復到自然狀態，即四個部分下滲和蓄水減少量趨于0.

                       (17)

由于我國南方、北方的地理與氣候條件不同，自然條件下的降雨-徑流關系與特性也不一樣。因此，海綿城市建設的年徑流總量控制率（%）也不能要求一樣。變化環境下的海綿城市建設尚不能夠徹底告別“城市看海”。

（4）如何減少城市“看海”問題
從水文學的觀點和分析，不難看出幾個基本的途徑：
    ①盡可能消除城市化建設帶來的不利的水文效應：通過工程/非工程措施將城市年雨水土壤入滲量、塘堰雨水滯蓄量、河湖和濕地調蓄量盡可能恢復到自然狀態.

②客觀評估城市基礎設施能夠抗御洪澇災害的能力：城市化后最大蓄水總量等于LID措施下的下滲雨量、水塘、河湖、濕地的蓄水量之和，即

                                 (18)

當發生超標準大暴雨時，城市的實際產水量若近似估計為

                                       (19)

當出現超標準暴雨洪水，城市出現“看海”就成為必然，海綿城市建設應有風險管理意識。提高城市的 需要科學做好海綿城市規劃，包括：全方位監測與監控系統；雨污分流，河湖聯通，修復濕地，恢復洼地，建設源頭LID，建設分散性大型蓄水深隧、多用洼地等工程措施；暴雨內澇預警預報，科學調度與管理，建設的后評估與跟蹤系統等非工程措施；綠色城市的發展體制建設與制度創新等。

5 討論與建議
我國海綿城市建設正處于起步階段，盡管取得了有目共睹的成就，但是在海綿城市建設與規劃的水文學基礎方面，存在許多薄弱環節亟待改進：
（1）徑流系數是城市雨洪控制利用系統中的一個重要參數，在雨洪控制利用、規劃、設計計算中應用廣泛。徑流系數選擇的合適與否，對整個排水系統的排水能力和工程造價有重要影響。目前需要探討的是：現行依據的徑流系數設計城市排水基本屬于線性和定常徑流系數的理論范疇。海綿城市建設的水文學理論需要更新，需發展和應用時變非線性變徑流系數的方法。
（2）年徑流總量控制率是海綿城市規劃和建設考核最重要和最基本的指標。研究表明：現行的海綿城市年徑流總量控制率計算框架存在需要改進的地方，即：要分開自然條件和城市化后的蓄水量變化的差別；目前的雨水滯蓄量只有LID概念的雨水滯蓄量，不僅需要考慮河湖水系調蓄量等，也需要考慮陸地蒸散發。
（3） 海綿城市建設的本質追求是構建良性的城市水循環體系，而非碎片化的人造景觀。
（4）海綿城市需以問題為導向而非以指標為導向，現階段要緩解的突出問題：“城市看海”與“水體黑臭”；同時，避免新的開發過程對城市水安全構成更大壓力。
（5）任何一個城市的發展歷史都是在原來自然流域/區域/水系的基礎上，經歷城市不同階段建設發展起來的。LID以及我國海綿城市建設的核心理念，就是盡可能去城市化的水文效應，回歸或等價回歸到自然狀態。本文提出了海綿城市建設LID措施的年徑流總量控制率關系和面向城市化問題的海綿城市年徑流總量最大控制率（%）的計算方法。
（6）盡管國家年年投資“海綿城市”建設，但是由于氣候變化和人類活動影響，當暴雨超出海綿承載能力時，“城市看海”將成為必然。因此，我國海綿城市建設要有風險管理意識。為此需在流域、城市與社區多個尺度上進行海綿城市統籌規劃，首先城市內的海綿功能（LID調節與河湖庫洼調蓄的結合）與城市外流域“海綿”調節功能的有機結合，納入到社會經濟發展的多尺度水系統范疇統一規劃與建設。其次，海綿城市建設要有風險管理意識與應對機制。其推進模式是指標的逐步完善與提高，而不是高標準建成區的逐步擴大。最后，海綿城市建設是城建、水務、環保等相關部門間的協同運作、良性互動，而非各自為政。
小結：海綿城市建設在我國處于起步階段，本文針對以上幾個關鍵問題進行了研討，提出了未來我國海綿城市建設的幾個建議：
（1）統籌規劃和重復利用已有的部門資源，建設好多部門協調和有效的遙感、空中、地面、地下為一體的監測監控系統；
（2）重視水文學在海綿城市建設的應用。城建部門應多吸收水文、水利、環保與生態領域專家，發展城市水系統模型與調控/管理平臺；
（3）加強海綿城市建設的科學技術創新與支撐，其核心是抓好以水循環為核心的海綿城市建設，研究城市防洪安全、城市供水安全、城市水質安全、城市的水生態安全等關鍵的科學技術問題，通過科技創新，全面提升海綿城市水安全的功能與保障能力。
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