海绵城市建设中若干水文学问题的研讨 （1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2. 武汉大学水安全研究院，湖北 武汉 430072；3. 水资源安全保障湖北省协同创

海绵城市建设中若干水文学问题的研讨
                                         夏军1,2,3，石卫1，王强1，邹磊1
（1. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2. 武汉大学水安全研究院，湖北 武汉 430072；3. 水资源安全保障湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430072）
摘要：针对海绵城市建设面临的问题和挑战，提出了以水循环为纽带、将城市暴雨-径流、水污染治理和城市生态绿地、湿地建设与市政建设（排水、排污）规划管理联系为一体的“城市水系统”的概念与方法；基于水文学原理，分析了目前海绵城市建设中最为关键、也质疑较多的年径流总量控制率的概念，指出现行的年径流总量控制率的计算实质是年降水总量控制率。如果回归到水文学概念，年径流总量控制率就必须与水文系统响应的增益因子，即径流系数建立内在的联系；需要研究径流系数并非常数，而是与土壤湿度、降水强度和下垫面组合的时变非线性理论问题。此外，论文对比分析了现行海绵城市建设LID措施和改进后的年径流总量控制率之间的关系，深入剖析了“城市看海”发生的条件与风险。最后就海绵城市建设与规划的水文学基础亟待改进：径流系数非线性、区分自然条件和城市化后的蓄水量变化的差别、考虑河湖水系调蓄和陆地蒸散发、与流域大海绵调控结合、风险管理等方面进行了研讨，提出了未来我国海绵城市建设的若干个建议。
关键词：海绵城市；城市化；水系统；水文学；总径流控制率；低影响开发
中图分类号：TU984    文献标识码：A   文章编号：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
    受气候变化和人类活动因素影响，城市面临洪涝灾害、水资源短缺、水体黑臭以及生态系统退化与修复的诸多问题。在极端气候变化和城市快速发展共同影响下，我国“城市看海”的城市愈来愈多，城市洪涝灾害造成了巨大的社会经济损失[1-3]。仅以武汉市为例，截至2016年7月6日，暴雨灾害造成全市12个区75.7万人受灾。共转移安置灾民167897人次，目前80207名群众处于转移安置状态，全市布设安置点68个，农作物受损97404hm2，倒塌房屋2357户5848间。直接经济损失22.65亿元，因灾死亡14人。武汉市投资巨大的排水系统，但依然年年“看海”，城市内涝问题十分突出。城市发展如何与水问题和平共处？中国城市陷入的“治水方略”之困境又该如何解开？成为当前及未来涉及人口最多和经济发展压力最大的中国城市化建设面临的严峻的亟待研究解决的城市化建设的战略问题。
  为了解决城市化导致的一系列负面效应，自20世纪90年代发达国家如美国就开始提出了低影响开发(LID，Low Impact Development)[4]、英国的可持续排水（SUDS，Sustainable Urban Drainage Systems)[5]，澳大利亚的水敏感城市设计（WSUD，Water Sensitive Urban Design）[6]等城市雨洪问题管理体系。LID从源头上对径流调控，通过入渗、过滤和蒸发等方式模拟自然水文条件，进而实现减少径流、降低污染负荷和保护受纳水体的目标，与城市生态建设有机结合，根本改变城市健康问题，关键要素如图1所示[7-8]。WSUD根据城市水循环系统概念，对城市供水、污水处理以及水的再循环等作为一个整体进行综合管理（见图2），并促进城市规划设计与建造方式的改变，维持城市可持续发展[10]。SUDS基于城市发展可持续性理念，除了城市生存环境至关重要的饮用水、水环境外，进一步将地表水功能性价值考虑在内，使其排水系统更具持续性[5]。

图1 LID关键组成要素[9]

图2水敏感城市设计中的水综合管理[10]

近几年，海绵城市建设成为我国城市水问题关注的热点[3]。2013年12月，在中央城镇化工作会议上首次提出了海绵城市的理念：“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，建设自然保存、自然渗透、自然净化的海绵城市”。随后，习近平总书记先后在2014年考察京冀协同发展座谈会、中央财经领导小组第5次会议和2015年中央城市工作会议上多次强调了海绵城市建设的部署。2014年10月，住房和城乡建设部颁发的《海绵城市建设技术指南（试行）》（以下简称《指南》）[11]，为促进我国海绵城市建设提供技术支撑和理论指导；2014年12月份，中央相关部门随即开展了全国首批试点城市的申报工作；至2015年4月份，在组织和相关部门的积极努力下全国首批16个试点城市正式确定。国务院办公厅2015年10月印发 《关于推进海绵城市建设的指导意见》（以下简称《指导意见》）， 部署推进我国海绵城市建设工作。
2 海绵城市建设面临的问题和挑战
 

  由于中国社会经济发展，未来2030年左右我国的水资源安全将面临严峻的问题与挑战[12]。以城镇化和供水为例，1981年，我国城镇化率21.16%，到了2011年全国城镇化率已经攀升到51.27%，预计2030年和2050年将分别达到70%和80%。当前我国城市（含县）日供水总规模3.14亿m3，其中城市日供水2.57亿m3，按照传统的供需模式，未来水资源的供给需求和缺口将进一步加大。我国的城镇化速度快，建设速度跟不上城市综合治理的速度，传统的城市建设凸显的城市“病”愈来愈突出：
（1）城市内涝及洪涝灾害损失愈来愈严重。2016年全国多地如北京、广州、武汉发生“看海”城市内涝情景；
（2）城市水环境问题也愈来愈凸显。城市垃圾、生活污水排放、河道水流堵塞导致城市水体黑臭问题；
（3）城市水生态退化严峻。例如有“百湖”之称的武汉市湖泊退化，据2010年武汉市水务局的调查数据显示，近几十年来武汉的湖泊面积减少了228.9 km2，五十年来近100个湖泊人间“蒸发”，中心城区仅存的38个湖泊，还面临着继续被侵蚀的危险；
（4）城市人群疾病多发。生存环境的水污染、废气和雾霾凸显，人口膨胀、交通拥堵、住房紧张等，将会加剧城市负担、制约城市化发展以及引发市民身心疾病。
国家关于推进海绵城市建设的部署，为彻底改变我国城市建设工作，提供了战略性的发展机遇。但是，我国海绵城市建设过程中存在许多挑战性的问题：
（1）一些地方对海绵城市缺乏科学的认识，在没有进行合理规划设计之前，就盲目施工建设；
（2）海绵城市建设的核心是水问题，但是海绵城市建设规划、设计、施工、监控与管理过程中缺少以水文学为核心的海绵城市规划建设团队与实体；缺乏涉水的海绵城市建设与管理基础监控系统与体系；缺乏针对海绵城市的“水与气候”、“水与环境”、“水与生态”、“水与社会”联系的城市综合水系统及其交叉学科的先进科研技术支撑，目前存在一系列技术障碍；缺乏必要的海绵城市建设的后评估管理体系和制度建设；
（3）我国海绵城市建设有“大上快干、急于求成”、实效并不理想等诸多问题。尤其2016年南方城市遭受大暴雨，城市洪涝灾害严重，给中国的海绵城市建设带来严峻的思考与挑战。
我们的观点：国外的LID等好的经验的确要学，但是要考虑中国独特的自然条件（中国季风气候特性）和城市经济建设发展现状（客观基础、条件与问题）。如何对症下药，真正解决中国的城市水问题，需要认真思考、科学研究、科学地城市规划、科学管理与正确决策。
3 海绵城市建设的水系统概念
  海绵城市建设的核心是一个复杂水系统问题，基本概念是以水循环为纽带，联系降雨-径流物理过程、以水环境水生态表征的生物地球生物化学过程和以城市建设高强度人类活动为特点的人文过程的相互作用和反馈的复杂系统[12](图3)。

       图3水循环联系的三大过程和水系统[12]

  国际上全球水系统科学（GWSP）发展前沿[12]：
(1) 强调水循环联系的三大过程观测与机理研究，揭示水系统演变规律；
(2) 强调水循环联系的三大过程作用-反馈的水系统“耦合-解耦”模型研究，认识三大过程的相互作用关系；
(3) 强调水系统关键的“调控”，为变化环境下的城市建设与综合治理提供科学支持。
变化环境下的水系统科学涉及到“水与气候”、“水与环境”、“水与生态”、“水与社会”多个方面的综合问题[13]，其核心是水文学。
因此，我国海绵城市建设的水系统科学基础系统包括：城市水文学：城市暴雨洪水-径流形成、径流总量控制率；城市水生态：生态水文、绿地、湿地、河湖；城市水环境：环境水文、面源、水污染控制；海绵城市水系统规划：水量、水质、水环境调控的工程措施、非工程措施，以及海绵城市建设监测与监控，海绵城市建设后评估与管理等。这是海绵城市建设新的需求。
结合武汉市海绵城市建设的水系统需求为例：（1）需要强调一个整体水系统规划；（2）需要建设一个有效的水系统监测与监控；（3）需要发展一个基于水与气候、水与环境、水与生态、水与社会相互联系与反馈的城市水系统模型与调控/管理平台；（4）需要推动城市海绵城市建设的产业结构调整、海绵城市建设的体制、制度改革、社会伦理教育和公众服务体系。
4  海绵城市建设的水文学问题研讨
  国务院办公厅2015年10月印发指导意见指出海绵城市建设总体要求为“通过综合采取‘渗、滞、蓄、净、用、排’等措施，最大限度地减少城市开发建设对生态环境的影响，将70%的降雨就地消纳和利用。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。” 2016年3月住建部发出关于印发海绵城市专项规划暂行规定的通知，其中第十三条明确了海绵城市建设目标（主要为雨水年径流总量控制率）和具体指标，明确近、远期要达到海绵城市要求的面积和比例，参照《海绵城市建设绩效评价与考核办法（试行）》提出海绵城市建设的指标体系。关于年径流总量控制率定义，《指南》指出按30年日降雨量排序，占总量70%的年均总量对应的20-30毫米的中小降雨事件。目前海绵城市建设主要集中在小区尺度上的LID项目上。
4.1年径流总量控制率
  年径流总量控制率是海绵城市建设中一个最基础的水文学问题。2016年住建部提出的《海绵城市建设技术指南》（简称指南）对年径流总量控制率定义：“根据多年日降雨量统计数据分析计算，通过自然和人工强化的渗透、储存、蒸发（腾）等方式，场地内累计全年得到控制（不外排）的雨量占全年总降雨量的百分比。”
《指南》中提出的年径流总量控制率计算方法是介于美国的径流总量计算法和降雨场次百分点之间。《指南》中提出“选取至少近30年（反映长期的降雨规律和近年气候的变化）日降雨（不包括降雪）资料，扣除小于等于2mm的降雨事件的降雨量，将降雨量日值按雨量由小到大进行排序，统计小于某一降雨量的降雨总量（小于该降雨量的按真实雨量计算出降雨总量，大于该降雨量的按该降雨量计算出降雨总量，两者累计总和）在总降雨量中的比率，此比率（即年径流总量控制率）对应的降雨量（日值）即为设计降雨量”。由此可见，海绵城市建设中的关键指标之一年径流总量控制率实际上是年降水总量控制率。
例如，上海等设计院依据《指南》的概念，得到了控制径流的雨量占全年全部雨量的百分比，年径流总量控制率指标计算公式如下:
                                                                                                         
（1）
为了了解目前指南提出的年径流总量控制率的概念是否合理以及如何改进和科学计算。首先应该理解以下几个关键的基础问题：（1）什么是城市径流形成原理；（2）城市的径流系数分析的问题；（3）如何科学测算一个城市的年径流总量；（4）如何科学计算城市的年径流总量控制率。
4.2径流形成与转化
    由降雨在集雨区（流域或城市）形成径流的过程称为径流形成与转化，包括：产生多少径流的产流及其运动汇流等复杂流域或城市的水文过程，如图4所示。降水产生径流量级的大小称为水文系统增益G，在水文学有个专有名词，即径流系数。

图4 城市水循环示意图[14]

4.2.1 径流系数 
 径流系数为一定汇水面积内总径流量Y(mm)与降水量X(mm)的比值，说明在降水量中有多少水变成了径流，它综合反映了流域内自然地理要素对径流的影响，其计算公式为α=Y/X，而其余部分水量则损耗于植物截留、填洼、入渗和蒸发。
众所周知，径流系数是城市雨洪控制利用系统中的一个重要参数，在雨洪控制利用系统的理论研究、规划、设计计算中应用广泛。径流系数选择的合适与否，对整个排水系统的排水能力和工程造价有重要影响。然而，目前关于径流系数计算基本是以线性理论为基础。
4.2.2 径流系数的非线性问题研究
  从系统水文学的观点，径流系数亦称之为水文系统的增益 （Gain factor）。在总径流线性系统模型，或简单线性模型（Simple Linear Model，简称为SLM）中，增益因子G被假定为一个常数（公式（2）），表示流域多年平均径流系数的概念（见图5）。然而，许多流域的观测数据表明系统增益是时变的，并且和流域湿度成正比例，比如说前期降雨量指数，或者实际蒸散发和降雨的比值[15-16]。
                              
（2）

图5总径流水文线性模型(SLM)与系统增益因子概念示意

系统增益的水文概念为流域的产流系数。夏军通过对全球不同气候区域的60多个流域的降雨径流海量数据资料，辨识了降水、土壤湿度等关键性控制因素的时变与非线性特性。由于这些高度非线性，导致了降雨形成径流的系统增益并非定常和平均态。进一步发现了径流形成的增益因子G(t)与土壤湿度、降雨强度和下垫面组合的时变非线性指数规律[17]。如果缺乏土壤湿度资料，流域土壤前期影响雨量（API）是一个较理想的替代指标。如图6所示意，水文时变增益因子与流域土壤前期影响雨量之间的非线性关系可以表达为
                          （3）

    式中，为土壤湿度；为下垫面参数；为降雨强度。

                  图6 增益G与土湿的非线性关系

进一步提出了径流计算新的方法与时变增益模型（Time Variant Gain Model, TVGM）同样将降雨-径流之间的转化过程分为流域产流模块和汇流模块两部分。在产流模块中，有效净雨R表达为毛雨P和系统增益G之积，计算公式如下：
                     
（4）
基于时变增益非线性产流机理（5）

即使流域汇流采用线性响应函数模型我们可以从理论上可以导出与普适性Volterra非线性响应函数式同构的具有物理机制的适用解，过程如下：

（6）

式中：g1为流域下垫面相关的线性产流参数，g1为流域下垫面相关的线性产流参数，，g2为流域下垫面相关的非线性产流参数，是与流域土壤水力特性、蒸发相关的参数， 和 都是时间积分变量。该方面研究的意义和价值：从理论上解释了径流非线性响应与土壤湿度（API）、下垫面（g1、g2、Ke）、降雨强度（p）等之间的内在联系；揭示了复杂关系中能够找到一个简单关系的非线性产流机理；非线性系统更能准确描述降雨-径流形成关系，径流系数为定常的线性系统理论只是其一阶特例。时变增益模型中关于径流计算新方法解决了水文线性理论中假定产流增益为常数和为平均态的问题[17]。
因此，海绵城市建设中需要建立与径流系数及其非线性特性联系的年径流总量控制率的新的计算方法。

4.3城市化水文效应- LID作用和认识“看海”问题
    任何一个城市的发展历史都是在原来自然流域/区域/水系的基础上，经历城市不同阶段建设发展起来的。LID以及我国海绵城市建设的核心理念，就是尽可能去城市化的水文效应，回归或等价回归到自然状态[11]。从当前和未来全国海绵城市建设的热潮与面临严峻的“城市看海”困境看，亟待认识LID的作用和如何深刻认识“看海”的本质问题。

（1）自然条件下区域水文平衡关系与径流系数

自然条件下，区域蓄水量变化与年降水量、年径流量、年蒸发量的关系如下：                               （7）

                            （8）

式中，为年降水量；为为年径流量；为为年蒸发量；为蓄水量变化。其中蓄水量变化可由下列公式表示：

             （9）

式中，为陆面土壤渗蓄水量变化；为陆面塘堰蓄水量变化；为陆面河湖蓄水量变化；为陆面湿地蓄水量变化。则径流系数表示为：

                            （10）

 比较公式（1）和公式（10）发现，现行的海绵城市年径流总量控制率未考虑陆地蒸散发，雨水滞蓄量只有LID概念的雨水入下渗量和年滞蓄量，缺少河湖水系调蓄量等。
 

 （2）城市化条件下区域水文平衡关系及其蒸散发和蓄水量的变化
城市化条件下，水文平衡关系以及蒸散发和蓄水量的变化分别如公式（11）和（12）所示：                                     （11）

                                            （12）

（3）城市化条件下径流量R1与径流系数

                     （13）
因此，径流系数1则为：

                                  (14)

从公式（14）中可以发现，城市化后与城市化前径流系数存在一定的关系。再次比较公式（1）与（14），可知现行海绵城市建设LID措施的年径流总量控制率关系式可以表达为：

        (15)

因此，面向城市化问题的海绵城市建设年径流总量最大控制率（%）则为：

   (16)

海绵城市建设目标是通过工程/非工程措施将由于城市化的年雨水土壤入渗量、塘堰雨水滞蓄量、河湖调蓄水量、湿地蓄水量尽可能恢复到自然状态，即四个部分下渗和蓄水减少量趋于0.

                       (17)

由于我国南方、北方的地理与气候条件不同，自然条件下的降雨-径流关系与特性也不一样。因此，海绵城市建设的年径流总量控制率（%）也不能要求一样。变化环境下的海绵城市建设尚不能够彻底告别“城市看海”。

（4）如何减少城市“看海”问题
从水文学的观点和分析，不难看出几个基本的途径：
    ①尽可能消除城市化建设带来的不利的水文效应：通过工程/非工程措施将城市年雨水土壤入渗量、塘堰雨水滞蓄量、河湖和湿地调蓄量尽可能恢复到自然状态.

②客观评估城市基础设施能够抗御洪涝灾害的能力：城市化后最大蓄水总量等于LID措施下的下渗雨量、水塘、河湖、湿地的蓄水量之和，即

                                 (18)

当发生超标准大暴雨时，城市的实际产水量若近似估计为

                                       (19)

当出现超标准暴雨洪水，城市出现“看海”就成为必然，海绵城市建设应有风险管理意识。提高城市的 需要科学做好海绵城市规划，包括：全方位监测与监控系统；雨污分流，河湖联通，修复湿地，恢复洼地，建设源头LID，建设分散性大型蓄水深隧、多用洼地等工程措施；暴雨内涝预警预报，科学调度与管理，建设的后评估与跟踪系统等非工程措施；绿色城市的发展体制建设与制度创新等。

5 讨论与建议
我国海绵城市建设正处于起步阶段，尽管取得了有目共睹的成就，但是在海绵城市建设与规划的水文学基础方面，存在许多薄弱环节亟待改进：
（1）径流系数是城市雨洪控制利用系统中的一个重要参数，在雨洪控制利用、规划、设计计算中应用广泛。径流系数选择的合适与否，对整个排水系统的排水能力和工程造价有重要影响。目前需要探讨的是：现行依据的径流系数设计城市排水基本属于线性和定常径流系数的理论范畴。海绵城市建设的水文学理论需要更新，需发展和应用时变非线性变径流系数的方法。
（2）年径流总量控制率是海绵城市规划和建设考核最重要和最基本的指标。研究表明：现行的海绵城市年径流总量控制率计算框架存在需要改进的地方，即：要分开自然条件和城市化后的蓄水量变化的差别；目前的雨水滞蓄量只有LID概念的雨水滞蓄量，不仅需要考虑河湖水系调蓄量等，也需要考虑陆地蒸散发。
（3） 海绵城市建设的本质追求是构建良性的城市水循环体系，而非碎片化的人造景观。
（4）海绵城市需以问题为导向而非以指标为导向，现阶段要缓解的突出问题：“城市看海”与“水体黑臭”；同时，避免新的开发过程对城市水安全构成更大压力。
（5）任何一个城市的发展历史都是在原来自然流域/区域/水系的基础上，经历城市不同阶段建设发展起来的。LID以及我国海绵城市建设的核心理念，就是尽可能去城市化的水文效应，回归或等价回归到自然状态。本文提出了海绵城市建设LID措施的年径流总量控制率关系和面向城市化问题的海绵城市年径流总量最大控制率（%）的计算方法。
（6）尽管国家年年投资“海绵城市”建设，但是由于气候变化和人类活动影响，当暴雨超出海绵承载能力时，“城市看海”将成为必然。因此，我国海绵城市建设要有风险管理意识。为此需在流域、城市与社区多个尺度上进行海绵城市统筹规划，首先城市内的海绵功能（LID调节与河湖库洼调蓄的结合）与城市外流域“海绵”调节功能的有机结合，纳入到社会经济发展的多尺度水系统范畴统一规划与建设。其次，海绵城市建设要有风险管理意识与应对机制。其推进模式是指标的逐步完善与提高，而不是高标准建成区的逐步扩大。最后，海绵城市建设是城建、水务、环保等相关部门间的协同运作、良性互动，而非各自为政。
小结：海绵城市建设在我国处于起步阶段，本文针对以上几个关键问题进行了研讨，提出了未来我国海绵城市建设的几个建议：
（1）统筹规划和重复利用已有的部门资源，建设好多部门协调和有效的遥感、空中、地面、地下为一体的监测监控系统；
（2）重视水文学在海绵城市建设的应用。城建部门应多吸收水文、水利、环保与生态领域专家，发展城市水系统模型与调控/管理平台；
（3）加强海绵城市建设的科学技术创新与支撑，其核心是抓好以水循环为核心的海绵城市建设，研究城市防洪安全、城市供水安全、城市水质安全、城市的水生态安全等关键的科学技术问题，通过科技创新，全面提升海绵城市水安全的功能与保障能力。
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