2.3 海绵城市建设基本理论研究

2.3.1 海绵城市的基本概念

海绵城市（Sponge City），从海绵的水分特性上，可以简单地理解为：城市可以像海绵一样，让雨水在城市的利用与迁移过程中，更加的“便利”。更进一步的理解，可以认为，在降雨的过程中，雨水可以通过吸收、调蓄、下渗及处理净化等方式积累起来，等待需要时再将存蓄的水“释放”出来，用以灌溉、冲洗路面、补充景观水体和地下水等。从海绵的力学特性上，可以认为，城市能够像海绵一样压缩、回弹和恢复，能够很好地应对自然灾害、环境变化，从而最大限度的防洪减灾。

城市的“海绵体”不仅包括小区建筑物的屋顶、植草沟、园林绿化、透水铺装等相配套的设施，同时也包含了城市的各种水系，如江、河、人工景观湖等，见图2.3。

传统的城市，未考虑雨水的可持续开发与利用，重点强调了“排”的概念。传统城市只是利用雨水口、雨水管道和管渠、雨水泵站等设施对雨水进行收集和快速排出。随着城市化的不断发展，道路不透水路面的增多，盲目地开发使得雨水无法及时的下渗和利用，造成了城市内涝和径流污染频繁发生。海绵城市，可以有效地解决城市内涝问题，对于维持开发前后的水文特征，保持生态平衡，促进人与自然和谐发展具有重要的意义。传统城市与海绵城市的特点比较见表2.1。

2.3.2 海绵城市建设基本理论

雨水产生的洪涝灾害和径流污染等造成的经济损失、环境污染和人员伤害是十分巨大的。20世纪60年代以来，很多发达国家越来越重视城市雨洪的控制，并进行了大量的科学研究。同时出台了一系列可行的政策，更为有效地将雨水收集、利用起来，重视人与自然的和谐相处。美国环保局（Environment Protection Agency）于20世纪70年代提出了最佳管理模式（BMP）的概念，并对其进行了多方面的完善。重点利用雨水，解决水质与水量的问题，强调生态平衡及社会的和谐发展。目前，BMP措施已经在德国、南非、新西兰等国家和地区广泛的应用，并产生了不错的效果。基于BMP措施，美国的暴雨研究专家又着手进行了景观控制的微观探讨，提出了低影响开发（Low Impact Development，LID）的观点。同时，澳大利亚的水敏感性城市设计（Water Sensitive Urban Development，WSUD）、日本的管理政策、英国的可持续排水系统（Sustainable Urban Drainage Systems，SUDS）等在本国及其他发达国家的雨洪控制管理、水资源利用与保护方面也起到了不错的效果。海绵城市的成功范例层出不穷，例如美国波特兰的绿色街道、日本东京新宿区的雨洪调蓄设施、德国的波茨坦广场雨水收集和英国的世纪穹顶，等等。

2.3.2.1 最佳管理措施（BMPs，Best Management Practices）

（1）最佳管理措施定义与发展。

最佳管理措施(Best Management Practices，BMPs)相关技术起初主要用于农业非点源污染控制，随着城市雨洪问题的凸显，而逐渐被运用到城市雨洪管理实践中。

1972年，最佳管理措施在美国联邦水污染控制法案中被首次正式提出，这一概念是针对城市非点源污染控制而提出的雨洪管理技术体系。美国环保局（EPA）把BMPs定义为：“任何能够减少或预防水体污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措施的操作和维护程序”。起初其应用属于终端处理模式，现如今已发展成为一种全面的措施体系，利用更完善的系统处理雨洪问题，更加强调与开放空间和景观设计的结合。景观设计师威廉·马什指出BMPs是为降低土地使用对环境产生的不利影响而采取的一系列举措。

我们可以将其理解为：在政策法律等条件的保障下，通过合理的规划设计、工程建造、管理维护等手段，来避免城市雨水径流运动过程中可能引起的城市洪涝灾害、非点源污染、生态系统破坏等问题，以及在一定条件下实现雨水资源化利用的一种系统化的雨洪管理方式。

（2）最佳管理措施技术体系和目标。

BMPs技术体系包括大量技术措施，充分考虑雨洪在项目建设不同阶段对于土地、水体等产生的影响，可分为施工期措施和使用期措施。在项目建设的施工期采用的控制施工场地地表径流、土壤淤积、水土流失、工地管理措施结合使用期的工程性技术措施、非工程性技术措施对雨水径流进行有效控制。使用期措施是建设完成后能发挥雨洪管理长期效益的措施，按控制阶段还可分为三类：源头控制、传输控制和末端控制。常见的具体设施有下凹绿地、植草沟、滞留池等。通过各项措施的综合运用，最终实现生态环境保护和可持续发展目标。

BMPs的目标主要包括：以生态敏感度标准来判断BMPs的实施效果，对水量、水质的控制目标，对回补地下水和受纳水体的保护目标等。

BMPs、LID作为可持续的雨洪管理方式，LID从BMPs发展而来，两者有共性也有区别。通过表2.2中对传统管网、BMPs、LID的比较分析，可以总结出LID的核心思想即通过保护性的场地开发方式，限制硬质铺装面积，并与场地景观设计相结合，模拟自然水文环境，通过建设分散的、小规模、低成本的综合雨水管理设施从源头上降低对水文条件的改变和生态环境的破坏，维持和创造优美的自然环境。

2.3.2.2 低影响开发技术（Low Impact Development，LID）

（1）基本内容。

20世纪90年代，美国乔治圣马里兰州王子郡的雨洪管理专家们首次提出了LID理念。随后，LID理念由之前的小规模措施发展成为更为全面的综合性措施，并逐渐被美国的各大州所利用。如今，LID理念已被日本、瑞典、新西兰、加拿大等多个发达国家所接受和应用。

LID强调了利用小型（5英亩或更小）、本土化、低成本的雨水控制措施并且结合城市景观功能，来模拟自然水文循环，减少径流污染。同时，LID注重公民的积极参与，将原有的排水方式进行改进，涵养水源。采用绿色屋顶、植草沟、雨水塘、雨水湿地、透水铺装等，可以节省投资、减小径流污染，具有很高的经济效益和环境效益。

LID技术在处理场地径流的过程中，需结合多种控制技术，包括渗透、过滤、径流输送技术，径流调储、保护性技术及低影响景观等六种措施。

（2）低影响开发（LID）技术体系。

LID作为对BMPs的补充，更加全面具体，通过一系列综合技术体系来实现高效雨洪管理。根据美国马里兰州乔治王子郡发布的《Low Impact Development Design Strate gies：An Integrated Design Approach》（低影响开发设计策略：一个综合设计方法）将低影响开发技术方法分为了五部分：场地规划设计、水文分析、综合管理措施、侵蚀和沉淀物控制、公众宣传教育计划，见图2.4和图2.5。

在规划设计层面上，LID更强调通过在场地上结合多种技术设施来综合处理雨水径流，创造生态化绿色雨水基础设施最大程度降低土地开发对场地自然水文条件的影响。其技术具体内容如下：①渗透技术，充分利用土壤和植物对雨水的渗透和吸收作用控制和处理径流，还可以增加土壤水分含量和回补地下水；②保护性设计，降低硬质铺装面积，保护场地内的开放空间；③径流调蓄，收集利用硬质表面产生的径流，减少径流总量和洪峰流量；④过滤技术，通过各种物理、生物作用来降低径流污染物含量，减轻径流流动带来的面源污染；⑤径流传输技术，延长径流流动路径，利用生态传输设施来降低径流流速及流量；⑥低影响景观，将场地雨洪管理技术设施与景观设计相结合，提高渗透效率，发挥景观的生态功能，改善生态环境。

2.3.2.3 可持续排水系统设计（Sustainable Urban Drainage Systems，SUDS）

20世纪70年代，英国针对当时排水体制造成的洪涝灾害及径流污染问题，首次提出了SUDS的理念。SUDS强调了人与自然的可持续发展，在综合设计中重点将水量、水质及景观娱乐紧密结合在一起，使得整个地域的水文系统得到优化。

SUDS与传统的城市排水方式不同，采取过滤式沉淀池、渗透铺装等措施削减洪峰流量，提高径流水质。它既可以应用在城市老区的优化改造中，也可以应用在新建城区的雨水利用项目中，使更多的雨水下渗，补充地下水源。同时，与绿色景观的结合，也为野生动物提供了良好的栖息地。

SUDS与LID、BMP相似，均遵从预防控制、源头控制、场地控制及区域控制。首先，在住宅小区、社区等源头处，采用绿色屋顶、透水铺装等方法对径流和污染进行控制；其次，在整个链带上，利用渗水坑、调蓄池、雨水塘等对径流进行削减、滞留及收集控制；最终，将雨水利用或排入雨水管道。目前，西欧多个国家，均开发出适合本国国情的SUDS可持续发展战略，并广泛应用在城市施工、设计及运行的各个方面。

2.3.2.4 水敏感性城市设计（Water Sensitive Urban Development，WSUD）

水敏感性城市设计（WSUD）起源于澳大利亚，目的为保护澳大利亚的城市水生态系统及供水安全，是对传统开发方式的改进。WSUD致力于保护自然环境，确保地表、地下水的水质安全，减少污水的排放，以提高居民的生活质量。

WSUD利用可持续发展的先进理念，克服了城市开发对水文循环及生态系统的负面影响，对城市进行了科学的规划及设计。与其他的管理体系不同，WSUD系统不仅仅指对雨水的管理，而是将雨水、饮用水、污水管理等水文循环结合在一起，作为一个整体进行综合管理。整个循环间相互影响、相互协调，渗透到城市开发的各个环节中。其中，雨水管理是其中必不可少的一个环节，是城市水循环的关键。澳大利亚通过大量的法律法规来确保WSUD系统的实施和运行，取得了瞩目的效果。

2.3.2.5 低影响城市设计和开发（Low Impact Urban Designand Development，LIUDD）

LIUDD是LID及WSUD综合发展而形成的新的理念。它不仅强调了城市的合理开发利用，同时也适用于城市周边及农村的规划、设计和开发。LIUDD对于水质、水量、生物多样性及土地利用等进行了综合考虑，减少了环境污染，促进良好的生态循环。