城镇水生态文明建设低影响发展模式与对策探讨

2016-05-19刘昌明王恺文

中国水利 2016年19期

关键词：水循环海绵城镇

刘昌明，王恺文

（1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，100101，北京；2.北京师范大学水科学研究院，100875，北京）

城镇水生态文明建设低影响发展模式与对策探讨

刘昌明1，2，王恺文1

（1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，100101，北京；2.北京师范大学水科学研究院，100875，北京）

我国经济建设快速发展，城镇化过程稳步推进，人民物质生活水平普遍提高，随之带来的各种“城市病”也备受关注。城镇生态文明建设由此成为城镇化发展的主要方向。城市内涝问题是新型城镇化建设的核心问题之一，备受党中央的高度重视。为实现习近平总书记提出的“建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”这一战略目标，结合多年水文地理科研实践，提出宏观、中观、微观三个不同层面的城镇水生态文明建设低影响发展模式，并根据我国现存水资源安全问题给出若干维护城镇流域良性水循环的对策、建议，旨在综合解决城镇突出的水生态安全问题，为建设人水和谐、生态健康、安全宜居的中国特色社会主义现代化城市提供参考。

城镇水生态文明建设；低影响发展模式；海绵城市；水生态安全；城镇流域良性水循环

现在我国仍然是世界上最大的发展中国家，人均国内GDP仅相当于全球平均水平的2/3、美国的 1/7，可见我国仍要以经济建设为中心，把集中力量发展社会生产力放在首位。目前全国城镇常住人口为7.7亿人，城镇人口占总人口比重为56.1%，预计2030年将趋近或超过70%，估计城镇GDP占全国的比例将由目前的75%增加到95%。在可以预见的城镇化发展趋势下，2015年12月14日，中共中央政治局会议重点部署了城市工作，强调城镇化是现代化的必由之路，既是经济发展的结果，又是经济发展的动力。根据诺瑟姆曲线，我国已进入城镇化高速发展时期，大规模的城镇建设与开发将改变自然生态条件，产生一系列的城镇环境问题，特别是水生态退化与水污染将直接影响人居环境，危及亿万人民的生活与健康。为此国家出台了《国务院办公厅关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》（国办发〔2013〕23号）、《国务院关于印发水污染防治行动计划的通知》（国发〔2015〕17号）、《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》（国办发〔2015〕75号）、《中共中央、国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》等多项政策和建议。2014年10月，住房和城乡建设部正式印发了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》，2015年水利部制定了《水利部关于推进海绵城市建设水利工作的指导意见》，以指导各地海绵城市建设。目前已有30座自然和社会经济条件差异显著、各具代表性的城市被选定为全国海绵城市建设的试点。海绵城市建设已成为我国城镇化进程中的一项重要战略。

从城镇水生态维护的角度看，必须未雨绸缪，探索基于生态安全的低影响发展（LID）模式，维护城镇良性水循环，集中力量解决城市防洪排涝问题，控制面源污染，实现雨洪资源化利用，这对全国范围内的生态文明建设有重大意义。

一、城镇化对水生态系统的主要影响

城镇化改变了城镇流域自然地理要素的循环过程。城镇流域下垫面的改变，直接影响了城镇范围内的大气循环，水循环过程改变了城镇地区的水转换规律。地表光学、热力学性质的改变产生了城市热岛、雨岛效应，形成了城镇流域复杂的降雨、蒸发特性，增加了城市特别是特大城市极端降水事件发生的频率；自然的土壤、植被下垫面被硬化路面取代，彻底改变了流域的产流特性，建成区的下渗能力显著降低；硬化路面与河道渠化加快了汇流排水速度，增加了暴雨径流峰值，导致城市暴雨内涝风险加剧，自然低洼处的硬化路面更是成了危害城市安全的暴雨积涝点。据住房和城乡建设部2010年对351个城市专项调研显示，在2008—2010年间62%的城市发生过内涝，灾害超过3次以上的城市有137个。

城镇化地区人类活动剧烈，人与自然关系复杂，生态、环境破坏严重，城镇水生态系统自我修复能力差。城市建成区的不断扩张，大面积阻断了自然土壤对天然降雨的吸纳，阻断了包气带土壤水分的垂向运移，极大减少了城镇流域生态蓄水的补给；城镇化进程的推进，直接增加了工农业、生活用水的需求量，城镇用水压力极大，导致了河流、湿地等自然系统的生态功能用水紧张，生态系统退化严重。城镇化一方面增加了多种污染物，另一方面又破坏了天然土壤—植被综合体，严重影响了自然生态系统对污染的净化能力，导致雨水径流中的TSS、COD、TP、TN、重金属等污染严重。最近研究表明，与美国相比，我国许多城镇非点源污染各主要污染物平均浓度偏高，并且高于我国地表水环境质量Ⅴ类标准，以北京为例，TSS、COD、TP、TN的超标倍数分别为3.89、13.55、3.35和15.97。在屋面、道路、绿地等3种主要的城市下垫面中，路面径流水质最差，有研究表明道路次降雨径流量约为25%，却产生了40%～80%的污染物。

城镇化对水循环和水生态系统的影响，可以认为是城镇水生态系统的物理性和生态、环境问题。因为水生态系统直接关系人类社会系统的安全性和稳定性，上述问题直接导致了城镇人居环境的脆弱性。我国水资源地区分布不均，水资源分布与土地资源和生产力布局不匹配，半干旱、半湿润地区城镇化的快速发展，使城镇面临空前的用水压力，特别是我国北方城镇对地下水的开采量，远远大于地下水的自然补给能力，致使地下水严重透支，加剧城镇用水危机。由此可见，城镇水生态文明建设必须要根据不同区域的自然地理特征，对症下药。城市建成区的“灰色”市政排水工程通过人工渠道化将径流迅速排放，使得水生生境减少，大量雨水资源流失，城镇地区亟须健全节水型生态基础设施，合理布局LID节水措施。总而言之，在水生态文明建设的背景下，脆弱的人居环境是一个包含地理、社会、工程等诸多方面的综合性问题。在快速大规模城镇化进程中，维护城镇人居环境和提高居民生活质量一直是我们面临的严重挑战。

二、城镇水生态文明建设模式探讨

城镇化流域水循环改变所引发的一系列水安全问题已引起中央的高度关注。2013年12月，习近平总书记在中央城镇化工作会议上明确指出，“在提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市。”其中城镇的水灾害防治、水资源利用、水环境治理和水生态保护是海绵城市建设的重要内容，河湖水系和地下水系统是重要组成部分。

水循环是连接自然生态系统和人类社会系统的重要纽带，系统间相互作用的复杂性需要我国城镇在水生态文明建设中从多个层面综合考虑，科学规划、建设与管理，集中解决城镇水生态系统的物理性，生态与环境和地理、社会、工程性三个方面的问题。

不同层面或尺度建设模式的划分，要综合考虑区（流）域间、区（流）域内差异，不同规模生态基础设施和LID措施的适用范围。建设模式应努力做到维持区域水循环完整性，恢复、增强土壤—植被综合体的渗、滞、蓄、净等生态功能，结合使用自然生态措施和工程技术措施，逐步实现海绵城市的雨洪调控、污染防治、雨水利用、高效节水等功能。

宏观层面着眼于整个城镇流域或所在区域的水循环完整性，分析区域性水安全格局。在解决大流域尺度及区域间、区域内物理性、生态与环境问题方面，需要结合地理信息系统、遥感技术、水文学、生态学、灾害学、景观规划等多学科知识，进行水资源量、水质、洪涝等多重风险分析，为城市总体规划提供理论依据。在工程实践中，需要城市规划、土地利用、水利等多个部门协同工作，划定水生态恢复区、禁建区等多种生态功能区，总体把握城市生态建设与恢复的方向。宏观统筹对于维护良性的城镇水循环至关重要，既可以缓解人类活动对自然水循环的进一步破坏，又可以协同海绵系统的建设。北京大学俞孔坚教授的团队从景观生态与城市规划的角度分析了北京市综合水安全格局与水生态基础设施，同样肯定了宏观尺度水生态安全格局分析与城市总体规划结合的重要性。

中观层面主要从城镇、县区或其他城市功能区尺度上进行研究，合理布局、建设维护良性水循环的LID模式。在解决城镇总体及其不同功能区的物理性、生态与环境问题方面，应结合宏观尺度的风险分布和水生态功能格局，用流域水文模型、系统调控、空间优化等方法，定量分析不同LID措施（如绿色屋顶、植草沟、植物滞留系统、雨水湿地等）布局对水量、水质的响应能力，为海绵城市的具体建设和详细性规划提供理论支撑。在工程实践中，需要探明城市各种防洪排涝设施的排水、蓄水能力，因地制宜地建设多种LID措施，达到消纳局部产水和减轻雨水径流污染负荷的目的；为缓解极端降雨事件对城镇的影响，应结合使用城镇水系、湿地和LID措施等进行排水和调蓄，提高城市的内涝防治能力，恢复城镇生态蓄水能力。刘昌明等从良性水循环理念的角度出发，针对城市防洪排涝、面源污染控制以及雨洪资源化利用等三大核心问题，以城市雨洪模拟技术和LID优化方法为重点，探讨了支撑海绵城市实施的关键技术方法，构建了相应的城市雨洪模型，并为首批海绵城市试点——常德市的LID措施布局提供了重要的技术参考。

微观层面是指对LID具体措施，也就是对海绵城市建设中的 “海绵体”进行机理性研究和应用，具体研究实现海绵城市“自然积存、自然渗透、自然净化”功能的关键技术。需要加强机理性研究，特别是分层土壤—植被系统的降雨入渗、土壤水分运移、地下水出流、污染物削减规律的研究。不同LID措施下垫面的产流特性研究是定量分析“自然渗透”的基础，考虑蒸发和再分布的土壤水运移规律是定量分析“自然积存”的根本，求解分层土壤—植被综合体的弥散对流规律是定量分析 “自然净化”的关键。在工程实践中，点尺度核心理论的研究对于城市建成区点、线形LID措施的再设计有重要意义；水循环基本理论的应用也对城镇扩张区面状生态基础设施或公园、湿地的设计、科学评估提供重要依据。俞孔坚教授提出的“大脚革命”，也启发了笔者在LID建设过程中要考虑将景观设计、生态学、水文、水力学相结合，保证LID措施的美学性、生态性和科学性。

三、城镇水生态文明建设对策

针对我国现存的水生态安全问题和维护城镇流域良性水循环的紧迫性，笔者根据城镇化生态文明建设具体实践，基于宏观、中观、微观三个层面海绵城市建设模式的研究，提出对城镇水生态文明建设若干问题的认知和对策，仅供商榷。

1.良性水循环的维护是海绵城市建设的基本原理

城镇化发展带来的水生态安全问题主要有三个，即洪涝灾害、初雨污染与供水压力。上述问题的动因是城镇降雨及下垫面的变化。前者主要受气候变化的影响，后者则是因为各种城市建筑设施改变了天然水循环，主要是水循环的下渗与土壤水再分布过程。下渗的变化又联动着前述的三个水问题，关系密不可分。众所周知，城镇降（暴）雨径（产）流是水循环的基本过程（从水文学科来讲，包含在城市水文学学科中），所以从城镇水循环角度考虑，坚持维护良性水循环过程是海绵城市建设的基本原理。

2.区域统筹，因地制宜地规划全国海绵城市建设

自然地理环境的差异决定了水循环机理的不同，在认识区域自然规律的基础上，宏观层面的统筹规划能够保证全国海绵城市建设协调统一。具体实践中需要针对全国重点、试点城市自然与社会经济条件的不同，以及功能、发展规模的差异，依据气象水文、地形地貌特征等多个因素，分析全国各区的洪涝、初雨污染与供水等问题的风险状况以及水生态安全格局。就目前全国30个海绵城市试点来看，自然与社会经济条件以及城市发展规模等要素差别悬殊，例如其中超大城市与小城镇的人口可相差40～50倍（北京与固原），其他条件亦然。另外，城市建成区自身的水生态条件与其上游流域及流经河流的水情也关系密切（如武汉市并不单纯与其建成区的“海绵”有关，还与湖泊湿地及流经的长江、汉江的水情有关）。总之，海绵城市的建设需要因地制宜。还应指出的是，自然与社会经济条件的地理分异性也为海绵城市的理论创新和科技研发提供了巨大的空间。

3.基于生态安全与维护人民健康的L ID措施布局与管理

在全球气候变化的大背景下，城镇化的快速发展使城镇水循环过程更加复杂，自然流域的水循环规律并不能直接移植应用到城镇流域，这样一来，实现“人水和谐、生态健康、城市安全”的目标任重而道远。在中观尺度上，定量分析LID措施的功能性指标及合理布局是建设海绵城市的关键；健全城市内涝积水和乡镇暴雨洪水预报响应机制是保护人民生命财产安全的重要手段；维护、管理LID设施才能更好地实现民生水利，保证海绵城市提升城镇人居环境质量，长远惠及民生。

4.加强海绵城市L ID措施的工程、材料、综合调控方法等方面的创新

研究微观尺度的 LID措施产汇流特性、土壤水运移规律是理解海绵城市下垫面水文过程的核心，结合我国实际情况，进行基本理论创新是海绵城市科学研究的核心；海绵城市建设需要生态措施、工程措施并重，还需要进一步完善和创新LID措施的材料、设计和调控方法等，并吸取美国、德国、英国、日本、澳大利亚等发达国家城市雨洪管理的先进经验，结合我国城市建设实际问题，在海绵城市雨洪模拟、LID措施优化设计、LID措施工程布局、海绵城市效果评估等方面取得具有中国特色的科技创新。

总体来说，我国海绵城市建设应结合宏观、中观、微观三个层面协同发展，维护城镇流域水循环的完整性，因地制宜地合理布局城镇化LID设施，加强“海绵体”水循环各个环节机理的创新研究。不仅要利用水文、水力、生态、城市规划学知识实现海绵城市“自然积存、自然渗透、自然净化”的功能，还应结合景观规划、设计等新的方法、理念，修复原有自然形态，保护现有生态环境，提高城市环境的宜居性。

四、结语与建议

本文主要探讨了城镇水生态文明建设的低影响发展模式和对策，提出了宏观、中观、微观三个不同层面的发展理念，并根据我国现存的水生态安全问题，给出了若干维护城镇流域良性水循环的对策、意见。笔者结合多年水循环科学研究经验认为，要实现习近平总书记提出的“建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”这一战略目标，深入理解“城市海绵体”下渗、汇流、土壤水运移机理是核心问题，把握多层土壤—植被综合体的蒸发、土壤水再分布和溶质运移规律是合理布局LID措施、最大程度发挥其功能的关键。城镇水生态文明建设还需要综合运用水文、水力、地理、生态、城市规划、景观设计等多个学科的知识，结合生态和工程等多项措施，需要水利、城市规划、土地规划等多个部门协同工作，共同建设人水和谐、生态健康、安全宜居的有中国特色的社会主义现代化城市。

最后提出两点关于海绵城市建设的建议：

①我国城镇化发展的趋势表明，未来将有 10亿以上人口集中于城镇。如何解决水安全问题，科学地进行城镇水生态文明建设，中央已明确了海绵城市的建设任务。新的建设方针需要参考不同发达国家的经验，如美国的绿色基础设施、英国的可持续排水系统、澳大利亚的水敏感城市设计等均为不同国情下的城镇化低影响发展模式。我国的自然地理要素空间分异性强，更应该依托试点城市，因地制宜地拓展全国不同区域海绵城市建设，特别要增强科技创新，加强实验监测与评估，组织国家重大专项科技研发。

②总体上以国家生态文明建设为宗旨，强调海绵城市建设的城镇水生态维护与修复。由于海绵城市建设的相关问题综合性强，涉及各建设部门与各相关领域的科技工作，所以需要非常广泛的协作与统筹，深入加强产、学、研、政、用的协同工作，特别要合理利用社会资本，注重政府和社会资本合作（PPP）的发展模式。 ■

[1]刘昌明，等.维护良性水循环的城镇化LID模式：海绵城市规划方法与技术初步探讨[J].自然资源学报，2016（5）.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家发展和改革委员会，中华人民共和国财政部.城市排水与暴雨内涝防治设施建设的指导意见[EB/OL].http://www.membranes.com.cn/ xingyedongtai/zhengcefagui/2015—01—20/18276.html，2012—12—26.

[3]赵磊，等.合流制排水系统降雨径流污染物的特性及来源[J].环境科学学报，2008（8）.

[4]郦建强，等.我国水资源安全现状与主要存在问题分析[J].中国水利，2011（23）.

[5]俞孔坚，等.“海绵城市”理论与实践[J].城市规划，2015（6）.

[6]杨晓华，等.DNAPP方法在植物滞留系统植物优选中的应用 [J].人民黄河，2013（11）.

责任编辑杨轶

Discussions on the low impact development patterns and strategies of urban water ecological civilization construction

Liu Changming,Wang Kaiwen

The rapid development of economical construction and urbanization not only improves the material life of people,but also leads to some city diseases.Urban ecological civilization construction has become the main direction of urbanization.The water logging problem has been one of the core problems in further urbanization,which attracts high attention from central government.In order to accomplish the strategic goals presented by general secretary Xi Jinping that is building“sponge city”that water can be stored and penetrated naturally and self-purified,according to many years of scientific research,this paper presented three levels of countermeasures that regarded with macro,medium and micro-view of low impact development patterns in urban water ecological civilization construction.According to the existing problems about water security,this paper gives some ideas and suggestions to maintain a benign water cycle in urbanized watershed,for building a modernized city which is harmonious coexistence between man and water, ecological health and livable environment.

urban water ecological civilization construction;low impact development patterns;sponge city;hydroecological safety;benign water cycle in urbanized watershed