杨霄

摘要：海绵城市建设的持续推进以及城市 “双修”的开展为城市水体带来了更高层次的设计要求。通过分析西安护城河现状及关键性问题，制约其城市功能发挥的主要因素在于内涝防治、景观生态与水资源调配之间的矛盾。结合西安海绵城市建设需求，在综合考虑水安全、水环境、水生态及水资源的基础上提出顶层设计策略，从而构建护城河成为集雨洪调蓄、生态循环、水质净化以及景观旅游于一体的多功能城市设施。

Abstract： The process of sponge city construc

1 问题的提出

海绵城市，旨在建设能够自然积存、自然渗透、自然净化的“水弹性城市”；城市“双修”，是指生态修复、城市修补，是治理“城市病”、改善人居环境、转变城市发展方式的有效手段。城市水体在城市排水防澇、生态环境改善及城市水系统循环过程中发挥着重要作用，是海绵城市建设及“双修”工作中最为关键的内容之一。西安是全国第二批城市双修试点城市，护城河作为古代城池建筑的重要组成元素，经历时代的变迁，如今成为城市水体的一部分，作用和地位也发生了巨大的变化，同时也呈现出排涝不畅、水体感官差、个别河段有异味、富营养化严重等水安全、水环境问题[1]。因此维持以护城河为代表的城市水体健康完整、水流通畅、水质良好在海绵城市建设中至关重要。

目前，由于对海绵城市建设的深刻内涵没有理解，对于城市水体的海绵建设多数仅仅围绕生态护岸的建设展开，而忽略了城市水体对于建立城市良性水循环的核心作用。“顶层设计”理念，伴随着海绵城市建设由小范围试点迈向大规模推广逐渐得到国内专家、学者以及规划设计人员的重视和推崇[2]，同时也通过城市“双修”试点工作的开展得到进一步升华。该理念下的海绵城市建设，是指突破传统的专业限制，由水利、景观、市政、规划、道路等多专业站在顶层角度下统一规划设计，对象也由单一目的转变为包含生态、资源、污染、环境、安全等跨领域的复杂工程。对于城市水体而言，顶层设计更指向于建立具有综合生态效益、经济效益、社会效益的城市综合载体，平时发挥正常的景观、休闲、娱乐功能，汛期发挥防洪安全及调蓄功能，结合雨水资源化利用、再生水回用等原则，充分发挥城市水体在海绵城市中的主线作用。本文以西安护城河为例，通过对水体体系进行时态分析，深入剖析护城河在城市功能中的现状问题，对护城河从水源、水流、水量三方面策略统一进行规划控制，探索基于海绵城市理念下城市水体的顶层设计路径。

2 西安护城河现状及关键问题分析

2.1 基础概况

西安明城墙护城河形成于公元1370年，距今已有645年的历史，与城墙一体，是古代城堡防御体系的重要组成部分。西安护城河环线周长14.65km，河道东南角高，西北角低，河底落差10.96m，河底坡度2.5‰-0.35‰，河底宽度15-20m。护城河综合提升工程全部完成后，将形成7个阶梯形库区，总库容131.6万m3。现状供水由大峪水库和再生水供水，年供水量约1272万m3，其中大峪水库补水787万m3，再生水补水485万m3，大峪水库补充水为V类水，再生水为污水处理厂I级A水质。

护城河不仅是西安市重点旅游区域之一，同时还承担者主城区约35.64km2的雨水排泄和调蓄任务，经由护城河西北角退水管进入下游漕运明渠，最终流入渭河。历史上西安护城河曾受过严重的污染，通过清淤和截污工程，一定程度上缓解了护城河的淤积问题，但现状仍存在自净能力差、富营养化严重等水质问题。

2.2 护城河现状汇水分析

通过现状调研及基础资料分析，利用SWMM软件建立护城河流域分区的城市雨洪模型，对护城河承担的排水分区现状高程、现状汇水及现状管网进行评估，为深入剖析护城河关键性问题及构建海绵城市提供前期准备。

通过提取护城河流域分区数字高程模型（DEM），该排水分区地形坡度较缓，整体由分区东南角坡向西北角。城市雨洪模型显示，该分区管网普及率约73%，排水标准较低，约67.3%的管网设计重现期在0.5-1年。通过模拟该分区10年、20年及50年一遇暴雨条件下城市内涝风险，评估结果显示护城河现状仅满足20年一遇城市内涝标准。

2.3 护城河内涝防治与景观功能之间的矛盾

根据《城镇内涝防治技术规范》[3]，西安市内涝标准应达到50年一遇。护城河承担的排水分区属于西安市中心城区，开发强度较大，不透水地面比例高，阻碍了雨水的自然下渗，导致径流量大大增加，加之城市热岛效应造成的区域气候变化，都加剧了该分区雨水汇流成洪。此外，西安市更新了暴雨强度供公式，在P=50、100a的情况下，老公式的降雨量明显小于新公式的降雨强度。新暴雨强度公式条件下，城市雨洪模拟结果显示50年一遇暴雨时该分区产水182万m3。护城河全部调蓄能力131.6万m3，现状退水能力仅为6.8万m3/h。护城河下游漕运明渠承担着自身61km2的排水任务，同时承担护城河的退水任务。随着漕运明渠承担区域开发建设强度的增大，漕运明渠相应的排水任务也加大，在暴雨条件下能够分摊给护城河退水的能力逐渐减少。因此该分区水安全保障能力存在不足，急需海绵城市建设。

根据《西安市防洪排涝规划》，护城河需首先考虑滞洪调蓄功能。而护城河与西安城墙、环城公园及环城路共同构成了四位一体的城市休闲、娱乐活动区域，是城市历史风貌传承的基本载体，因此护城河的景观作用和地位在西安市历史文化名城中占据了重要地位。现状西安护城河景观功能正常需水量在50-60万m3之间，要让护城河发挥全部调蓄功能，一方面会造成水资源的巨大浪费；另一方面受退水能力限制，暴雨前临时排空需要8h以上，存在较大的内涝风险。西安市降雨集中在每年5月-10月，同时也是城市的旅游旺季。倘若在汛期全部排空景观常水位，则会对护城河景观效果造成巨大破坏，使得古城西安的形象及名片遭到恶劣影响。而若考虑全部依托于新建调蓄设施来解决护城河流域分区的内涝问题，则需要巨大的人力、财力和用地需求，也使得护城河原有调蓄功能造成浪费。

2.4 护城河景观功能与生态功能之间的矛盾

西安护城河原来水质清洁，水生生物丰富多样，兼备良好水景观与水生态功能。但随着上世纪城市扩大、人口剧增、工业飞速发展，毫无节制的排污使得护城河彻底成为一条纳污河，丧失了景观与生态功能。之后开展的护城河综合治理，通过截污工程、清淤工程以及引水工程等措施，恢复了护城河的大部分景观功能。但由于历史污染原因造成的误区，很长时间以来，对护城河生态功能的恢复采用了不恰当的做法。在看重节水措施、营造历史景观效果、为保护古城墙而产生的防渗需求、清淤减淤等多方面景观功能的需求下，护城河多采用现浇混凝土、混凝土板、浆砌石等材料对护岸边坡甚至是河床进行铺制。这种形式不但阻断水体和土壤之间的自然交换，水、土、植物、微生物之间形成的物质和能量良性自然循环系统被彻底破坏[4]，使水体的自净能力丧失，受到轻微的外界干扰就会造成严重的生态后果。

为一定程度保证护城河的现状景观功能，现行采取的护城河截污工程的总体设计原则是截留城市污水及初期雨水，对排入护城河的管道采取分段、分系统、分散截留的方式。然而由于城市排水管网尚未完善，雨污分流不彻底，存在雨污混接、错接等现象。同时，根据现状截留工程排水能力校核，现状护城河截污箱涵仅满足1年一遇降雨时的平均流量，不满足1年一遇降雨最大流量，未实施段截流箱涵排水能力仅满足0.5年一遇降雨强度，远远达不到护城河水生态功能要求。

2.5 护城河景观、生态功能与水资源调配之间的矛盾

护城河现行的景观方案，其根本原则是引水入河，作为景观用途。大峪引水工程作为护城河的主要引水水源，一方面受自身生态需水量的限制，另一方面由于护城河上游芙蓉湖、曲江池及规划中的航天湖等城市水体的用水需求，水量已无法可靠保障。受水源限制，护城河水动力条件很差，属于缓流水体，长期下来造成水体缺氧，进一步加剧护城河水体黑臭现象。

与此同时，根据前述护城河景观与生态之间的矛盾问题，由于现状截污工程标准较低，进入护城河的雨水由于水质仍无法保障，会对原有景观用水带来较大的冲击，加剧护城河水生态恶化；而另一方面，雨水作为非常规水资源，得不到有效的利用，造成资源浪费。

从护城河生态功能角度上，为遏止由于护城河流量减少或断流所造成的进一步生态环境恶化，并能一定程度改善护城河系统基本结构与功能，就要求年内各段的径流量维持一定的水平，即生态环境需水量。护城河生态环境最小需水量为0.54m3/s[5]，年需水量为1700万m3。现状供水量仅为1272m3/a，水源水量仍存在一定缺口。

3 护城河水体格局顶层设计的策略

基于海绵城市理念下城市水体的顶层设计，其实质就是以水为主线，充分发挥城市水体在水安全、水生态、水环境、水景观、水资源等方面的综合作用，缓解城市内涝、缺水、水体污染及水生态环境恶化等综合性问题。通过对西安护城河现状的剖析，其关键问题是在于现状护城河在城市景观、生态、资源配置以及防洪排涝各项功能之间的矛盾，因而从梳理水体结构、组织水体功能、保护水生态空间等方面提出了诉求。构建护城河成为集雨洪调蓄、生态循环、水质净化以及景观旅游于一体的多功能城市设施，如何解决护城河的“水量、水源、水质”问题是本次研究的重点。

3.1 调蓄设施及分层滞洪系统

调蓄设施及分层滞洪系统旨在解决护城河的“水量”问题，兼顾“水质、水源”问题。护城河是西安市主城区的最大水体，也是整个主城区海绵城市创建的核心框架。将护城河作为一个巨型的“海绵体”，运用系统的方法串联起整个区域的海绵体系，实现城区对降雨的弹性控制。

在区域有条件的地块考虑建设地下蓄水设施，或者利用城市地下空间开发建设具有停车等功能的多功能调蓄设施，增加对雨洪径流的滞蓄和承泄能力。在城市低洼地段规划建设低运动场、低公园广场、低草地等城市蓄水滞水设施[6]，大雨时作为拦截、调蓄雨洪设施，形成区域内小、多、分散的水生态斑块，增加城市水面、改善城市小气候的同时，减轻护城河的排涝压力。

通过清淤手段，清除护城河河道行洪障碍。同时扩大护城河调蓄库容，对河道蓄水空间进行分层设计，将河道分为上、下两层水域，上部为景观水域，下部为蓄滞洪区，并预留溢流通道。一方面，最大程度降低超标雨水进入护城河水体造成的冲击，保证护城河的景观功能不受调蓄功能的影响；另一方面，保证当超标降雨进入护城河时，整个护城河将作为重要的内涝滞洪区，降低水流速度、缓冲水量，避免雨洪对城市其他地区造成侵害，从而起到调节雨洪的作用。同时，充分考虑不同强度下的城市洪涝风险。在保障50年一遇城市内涝安全的基础上，可针对100年一遇甚至更高的城市内涝水位，设计可淹没区，并能保证在淹没之后能保存完好并迅速恢复使用。

从城市整体层面上考虑西安市海绵城市建设的顶层设计，还应该优化城市整体的大排水系统，扩充护城河下游漕运明渠的行泄能力，平衡各个区域的内涝防治及排水任务，提高城市排水防涝水平。

3.2 初雨调蓄及旁路处理系统

初雨调蓄及旁路处理系统旨在解决护城河的“水质”问题。根据城市排水管网及排放口特性，合理组织雨水径流路线。护城河承担的排水分区，建设强度较大，初期雨水污染较为严重，同时现状排水管网存在雨污混接、错接等分流不彻底的现象。因此，在考虑护城河承担分区雨水排放任务时，必须做到未经处理的合流溢流污水及初期雨水不能直接进入护城河内，原则应该将其作为超标降雨的调蓄空间。

采用分散式的初雨调蓄池，将排水分区内的初期雨水进行有效收集。针对现状关键问题，初雨调蓄池的建设，首先对护城河作为受纳水体起到充分的保护作用，可以在暴雨期间收纳一定溢流水量范围内足够多的雨水，弥补因现状截污工程标准不高造成的初雨入河的污染现象；其次，初雨调蓄池可以较长时间的存贮初期雨水，护城河受到雨水污染造成的冲击可以通过自净能力得到較长时间消减；此外，初雨调蓄池通过水质、水量调节，能够有效减轻对污水处理厂的负荷冲击，并能减轻排水管网的压力。

在护城河雨水排放口或者有条件的地方，建设一体化旁路处理站。对于护城河现状，初雨及混接的污水中污染物指标主要包括SS、有机盐、营养盐及有毒有害物质。通过旁路处理措施的建设，一方面能够直接净化初期雨水调蓄池的污染物质，将收纳的初雨处理后达标排放；另一方面能够将进入护城河水体的超标雨水径流进行净化，作为护城河水体的补充水源；再一方面还可以进一步净化护城河的自身水质，提升护城河的水环境、水景观效果。

对护城河现状雨水排放口进行改造，设置碎石过滤带、高效吸附净化带、地下潜阻隔墙等设施，并设置排放口在线监测措施，进一步加强护城河作为排水分区的末端所承担的径流污染控制作用。

3.3 再生水利用及活水系统

再生水利用及活水系统旨在解决护城河的“水源”问题，兼顾“水质”问题。在海绵城市建设中，首先应将雨洪资源纳入城市水资源配置体系当中，增加雨洪资源的利用率。西安市常年平均降雨在500～600mm间，汛期的雨水也在350mm以上，而西安是资源性缺水城市，雨水资源利用意义重大。通过调蓄设施建设，降雨时收集雨水，雨停后采用回用的方式补充护城河的用水需求；通过低影响开发系统、初期雨水调蓄池、旁路处理系统等措施，对雨水径流的污染进行控制及削减，保证进入护城河的水质。

再生水回用作为一种高效的水资源转化方式，有效地减少了污水排放量，做到了经济效益和环保效益兼顾。目前，西安市己建成再生水处理设施9座，再生水处理设施规模38.3万m3/d，根据目前污水处理及再生水利用相关规划及工程建设，可向护城河供给的再生水厂主要有第一污水处理厂、第二污水处理厂的再生水，日供水能力11万m3。考虑现状再生水水质执行污水处理厂污染物排放一级A标准，无法满足景观环境用水水质要求，因此需要对再生水水质进行提升。结合护城河水质自净化系统，提升后的再生水源可作为护城河的主要水源；大峪引水系统作为生态补水备用水源，考虑利用其富余水量，改善湖池水生态、水环境。

在护城河水体建立活水循环系统，增加护城河水环境的流动性，并根据护城河水质时空演变规律，合理制定循环流量，夏季水温高，水质容易恶化，加大循环量进一步保证景观水体水质目标。一方面，活水循环是缓解淡水资源紧张的有效途径，填补现状生态环境需水量与补水量之间的缺口，降低护城河生态、景观功能与水资源调配之间的矛盾；另一方面，“流水不腐”，活水循环能够使护城河水质得到保障，水环境容量增大，解决现状护城河由于被周围环境及人为等因素污染造成的水环境、水景观价值降低问题，延续护城河水体的生命周期，结合旁路处理系统、自净化系统，最终达到护城河水环境的生态平衡。

3.4 低影响开发系统

低影响开发系统旨在综合解决护城河的“水量、水质”问题。在城市开发过程中，依据不同区域、不同地块的海绵城市建设重点，构建低影响开发雨水系统（LID），增加城市“海绵体”的含有量。针对护城河现状排水分区管网能力不足的问题，对现状小排水系统进行完善，通过改扩建管网以及雨污彻底分流，并将地表雨水径流系统与工程排水系统进行空间上的衔接。护城河流域分区现状坡向、坡度有利于降雨径流发展成为面流，这是构建海绵城市的先天条件。构建低影响开发系统，一方面，减缓暴雨时期的径流速度、调节雨洪、加强城市水系统弹性；另一方面，依据区域汇流特征，对建成区以小流域为单元开展清洁化治理，通过雨水花园建设、雨水收集存储与景观回用，削减城市面源污染，净化水质。

3.5 水体自净化系统

水体自净化系统旨在解决护城河的“水质”问题。对护城河对局部、重点河段开展底泥清淤与脱水干化工作，对护城河内源进行治理，同时对清淤残留底泥及后续新增底泥进行原位修复。在截污控源、内源治理的基础上，采用河道内生物接触氧化直接净化工艺对水体自净能力进行提升，通过推流局部水体在横纵向的流动以及向水体曝气充氧，配合生物毯、生态浮岛等措施为载体的生物膜模块，提供土著微生大量繁殖的条件，利用微生物新陈代谢作用实现对水质的净化作用，提高水体自净能力。

在截污控源以及内源治理以达到正本清源的基础上，对护城河水体自净能力进一步提升，实现水质良好的基础上，修复并重建水生态系统，使得底栖动物、蜉蝣动植物、水生植物、鱼类之间具备高效净化的食物链，以实现水质长效保持。

3.6 城市雨水管理系统

城市雨水管理系统旨在解决护城河的“水量”问题。通过优化控制水位、设置汛期水位，充分发挥和挖掘护城河的调蓄空间。非汛期期间，护城河可适当增加常水位，保证护城河景观功能达到最优；汛期期间，降低护城河内景观水位，水位保证护城河最小生态需求和景观需求。最大程度缓解现状护城河调蓄功能与景观功能之间的矛盾。

依托天气预报及预警、水文自动测报、水利防汛预警、城市防汛抗旱指挥系统，与智慧城市建设工作相结合，完善雨、洪、涝信息的监测、收集、预警、预报、运算、传输系统，通过调度管理，提高护城河防洪、治涝及水资源高效利用综合能力，提高决策指挥能力。

4 结语

海绵城市建设以及城市“双修”工作对解决城市已建成区内涝防治、面源污染、城市基础设施的有机更新以及缓解城市热岛效应具有重大的作用，是一项系统性、长期性工程需要得到持续推进。本文通过解析西安护城河现状在水安全、水环境、水生态、水资源各方面的矛盾，以解决“水量、水源、水质”的核心问题为策略，探讨了城市水体在顶层设计理念下各项措施，旨在从内涝安全保障、雨水径流控制、污染物削减、长效保持等方面，最大程度发挥海绵城市效益，以期为海绵城市建设的推广提供参考。

参考文献：

[1]孙斌.景观湖泊水体整治与海绵城市建设相结合的途径探讨[J].低碳世界，2017（08）：9-11.

[2]车伍.海绵城市的顶层设计与系统实施[J].建设科技，2017（02）：30.

[3]住房和城乡建设部.城镇内涝防治技术规范[S].北京：中国计划出版社，2017.

[4]于远燕.海绵城市理念在滨水空间的应用探讨[J].现代园艺，2016（4）：155-157.

[5]李文宾.西安护城河水环境污染与保护研究[D].长安大学，2014.

[6]王曉红，张艳春，张萍等.海绵城市建设中河湖水系的保护与生态修复措施[J].水资源保护，2016，32（1）：72-74.