孫文佳 張 琨 鄭艷娜 劉心媚

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

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·水·暖·電·

“海綿城市”理念的研究應(yīng)用現(xiàn)狀與未來展望★

孫文佳 張 琨 鄭艷娜*劉心媚

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

系統(tǒng)總結(jié)了“海綿城市”理念在建筑、道路、景觀、濕地等多種載體中的應(yīng)用情況與科學(xué)研究現(xiàn)狀，進(jìn)而分析了“海綿城市”在未來的發(fā)展方向，為“海綿城市”理念的發(fā)展與應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

海綿城市，道路，景觀，濕地，水資源

0 引言

隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，科技的進(jìn)步，以及產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國正在逐步向城市化邁進(jìn)，一方面雖然我國水資源儲量豐富，但城市缺水現(xiàn)象十分嚴(yán)重；另一方面由于城市化引起的溫室效應(yīng)、雨島效應(yīng)、阻礙效應(yīng)等一系列的氣候問題打破了水資源循環(huán)的平衡性，導(dǎo)致城市遭遇洪澇災(zāi)害。為了有效解決我國水資源時空分布不均衡等問題，近年來“海綿城市”理念日益得到關(guān)注。構(gòu)建“海綿城市”，即把城市建造成彈性的“海綿體”，降雨時載體進(jìn)行蓄水，缺水時載體中的水就會被“擠”出來供給城市居民生活以及興利工程建設(shè)。

從水資源開發(fā)利用的角度考慮，首先，傳統(tǒng)的排水機(jī)制采用的是管道快排的方式，以雨水排得越快越多為目標(biāo)，并沒有對這部分水資源進(jìn)行合理的利用，浪費(fèi)了水能量，而且增大了城市排水壓力。其次，使用蓄水池將洪水儲蓄起來，雖然節(jié)約了水資源，但長時間使用蓄水池，其內(nèi)的水體循環(huán)流動性較弱，導(dǎo)致水質(zhì)變差。此外，修建蓄水池時采用的是鋼筋混凝土材料，對生態(tài)環(huán)境會造成破壞，而且這一系列的管道排水、蓄水池修建過程中人類的參與程度極大，打破了自然界自身的水體循環(huán)規(guī)律。如果采用自然界的“海綿”將水資源進(jìn)行儲存可大大緩解這些影響，因此構(gòu)建“海綿城市”可以從根本上解決上述問題。

1 載體

1.1 建筑

在建筑方面的載體主要應(yīng)用形式是屋頂綠化，因?yàn)橐酝钠胀ň用駱俏蓓敳牧蠟殇摻罨炷?，其滲水性與蓄水性較差，且城市屋頂不透水面積約為城市不透水總面積的40%～50%[1]。因此對綠色屋頂?shù)难芯恳草^多，如屋頂材料的選擇、屋頂結(jié)構(gòu)的建設(shè)、屋頂厚度、屋頂滯留率、徑流量與徑流系數(shù)、溫度等。建筑方面的其他載體還有凹形槽屋檐和屋頂植被淺溝。

1.2 道路

傳統(tǒng)城市道路的硬化面積占道路總面積的75%左右[2]。過快的城市化使得我們的城市道路由原本的天然土體、植被綠草變成冰冷的混凝土、瀝青等不透水材料，因此將道路改成透水材料是建設(shè)道路載體的主要應(yīng)用形式。根據(jù)不同用途，路面材料可選水泥孔磚、網(wǎng)格磚、透水瀝青、透水混凝土瀝青路面、PC路面、PICP1路面、CGP路面、PICP2路面、喜濕性草皮卵石路面、新型聚氨酯碎石透水路面、新型混凝土砂基透水路面、新型透水混凝土連鎖磚路面等。路面結(jié)構(gòu)可以選擇新型“JW生態(tài)工法”、雙側(cè)透水路面技術(shù)、多孔路面改造技術(shù)、菱形開口磚塊、橢圓形開口磚塊、路牙石碎化、路邊雨水滲透暗渠等。透水路面的影響因素主要有道路的選址、橫斷面形式、道路坡度、坡向、管線高程、地表高程、滲透水量、滲透系數(shù)、降雨入滲控制指標(biāo)、面源污染控制指標(biāo)、路面的抗滑性、耐候性以及透水路面的維修維護(hù)等多個方面。

1.3 城市景觀

“海綿城市”理念在城市景觀中的應(yīng)用主要體現(xiàn)形式為下沉式綠地，即將普通綠地的高程降低至地面以下高度，以蓄積來自相鄰地面的水資源，與普通綠化帶相比增加了綠化面積、增大了蓄水量。另一個主要形式為人工生態(tài)景觀公園，常見的有生物滯留或雨水花園，例如中國臺灣廣慈公園和青年公園的“雨撲滿”設(shè)施[3]，將這些生態(tài)景觀與旅游業(yè)結(jié)合起來，如印度尼西亞的甘榜河地區(qū)[4]，有助于推動當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。其主要影響因素有淺草溝的結(jié)構(gòu)功能參數(shù)、綠地景觀指數(shù)、下沉綠地坡度、生物滯留厚度、重金屬的濃度等。其他城市景觀載體還有樹盒過濾、生態(tài)樹池、生態(tài)公園和人工湖等。

1.4 濕地

“海綿城市”理念對濕地的利用是在保護(hù)原有濕地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建造濕地公園。濕地公園可以使?jié)竦刂車耐寥揽紫抖群秃吭黾樱Φ撞窟M(jìn)行透水處理，可以很好的達(dá)到地表水向地下的下滲功能。濕地公園中通常以水生植物作為主要植物，一般選用莖葉發(fā)達(dá)的植物以阻擋泥沙，采用根系發(fā)達(dá)的植物用于吸收水中污染物，且盡量以當(dāng)?shù)刂参餅橹鳎鈦碇参餅檩o防止破壞生物多樣性，目前大多種植的是香蒲、麝草、蘆葦及美人蕉[5]等。濕地的主要影響因素有濕地蓄滯洪水量、濕地補(bǔ)水難度系數(shù)、濕地水體更新難度系數(shù)、濕地生態(tài)需水量等。

1.5 多載體系統(tǒng)聯(lián)合

除了以上主要單個載體的應(yīng)用研究外，將多個載體聯(lián)合進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)控也是一種較普遍的應(yīng)用現(xiàn)狀，例如深圳光明新區(qū)路面采用的透水瀝青，兩側(cè)綠化帶采用的是下凹式生物滯留，道路路牙采用孔口路牙。

2 未來展望

2.1 實(shí)際應(yīng)用

普遍性：1)隨著國家出臺眾多“棚戶區(qū)改造工程”“城鄉(xiāng)一體化建設(shè)”等政策使得城市人口數(shù)量驟然增多，城市中居民的用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足?，F(xiàn)在屋頂綠化、雨水貯存、凈化、利用的程度還未達(dá)到全面普及，我國只有南方沿海部分城市采取了相關(guān)措施，北方應(yīng)用欠缺，或是只有在一些國家大項(xiàng)目上投入使用，如我國西沙群島的儲水凈水設(shè)備，而個體居民家庭樓房中的儲水循環(huán)系統(tǒng)的可實(shí)用設(shè)備較少。2)前文提到多種新型路面的材料與結(jié)構(gòu)，可將這些路面按照地理?xiàng)l件不同進(jìn)行實(shí)地試用，如東北嚴(yán)寒地區(qū)容易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象、四川盆地地區(qū)或重慶等山地地區(qū)徑流雨水大、坡度大，容易出現(xiàn)沉降現(xiàn)象等。除此之外，我國現(xiàn)在采用的透水路面磚常因強(qiáng)度等不足或各地水分濕度條件等不同常出現(xiàn)斷裂、扭曲、沉降等現(xiàn)象，若能研究出一種高強(qiáng)度的緩沖層則可大大解決此類問題。

應(yīng)用性：1)在實(shí)際施工中，居民普遍反映老城區(qū)的道路改建開挖情況較多，影響居民日常出行，因此在老城區(qū)轉(zhuǎn)化的施工技術(shù)方面有待進(jìn)一步改善加強(qiáng)。2)從經(jīng)濟(jì)方面考慮，每一個海綿載體的花費(fèi)要比原始的普通材料價格昂貴，因?yàn)楦骱＞d載體大部分需要特制或特定，而這方面的制造廠家較少，因此在經(jīng)濟(jì)方面還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

綜合性：1)與城市規(guī)劃結(jié)合，構(gòu)建“海綿城市”主要是用來調(diào)節(jié)水資源，如將城市防洪與海綿城市結(jié)合起來，則會大大減輕城市防洪壓力，增大水資源利用率。但是如若通過各海綿載體的蓄水緩解城市洪澇，載體蓄水的時間大多滯后于最大洪峰流量到來的時間，因此“海綿城市”理念解決洪水的問題還有待進(jìn)一步研究。2)與低碳發(fā)電或太陽能、風(fēng)能、潮汐能等能量結(jié)合起來進(jìn)行綜合利用，將已收集到的水資源能量用來發(fā)電，或利用太陽能傳送裝置運(yùn)輸水資源等，這些都有助于城市工業(yè)化發(fā)展。3)與水土保持相結(jié)合，進(jìn)行監(jiān)測，通過研究構(gòu)建“海綿城市”前后當(dāng)?shù)厮亮魇е笜?biāo)量，分析“海綿城市”建設(shè)的可行性。

2.2 科學(xué)研究

在建筑載體中，有部分學(xué)者從房屋結(jié)構(gòu)形式方面研究了適宜種植的植物種類，如果能進(jìn)一步結(jié)合氣候、溫度等條件的差異性，將有助于解決我國北方寒冷地區(qū)屋頂綠化的問題。對于屋頂綠化參數(shù)方面，大部分學(xué)者僅從滯留率、儲水量方面研究，而對于植物種植深度與土壤厚度的最優(yōu)化問題還沒有明確的參數(shù)指標(biāo)。

在道路載體中，除了對滲透率、滲透系數(shù)、儲存率等參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算以外，還可通過物理模型實(shí)驗(yàn)或軟件數(shù)值模擬的方式，將這些新型透水材料的土料百分比、抗溫、抗裂、拉應(yīng)力、回彈力以及荷載承載力等相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行指標(biāo)量化。另外，目前一些城市的滲透路面是通過擴(kuò)大內(nèi)部孔隙率來實(shí)現(xiàn)的，隨著孔隙率的擴(kuò)大，在長時間使用過程中往往會出現(xiàn)孔隙堵塞的問題，因此如何進(jìn)行良好的運(yùn)營維護(hù)，以最大化實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益又是另一個需要考慮的問題。

在濕地載體中，濕地水質(zhì)有待進(jìn)一步優(yōu)化，例如牙買加海灣濕地通常會吸引很多候鳥棲息，與此同時也會伴隨著跳蟲、蚊子等傳染性害蟲。濕地植物品種較為單一，目前只有中國和爪哇國的部分地區(qū)采用糧食作物在濕地上種植，若通過雜交等方式，將普通糧食作物品種改良成濕地種植品種，不僅能改善城市水資源問題，而且對改善糧食短缺問題也起到重大作用。

目前，對于“海綿城市”的數(shù)值模擬研究僅有部分學(xué)者利用SWMM軟件,MIKE URBAN軟件,GIS軟件針對個別某一個指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行模擬，無論從軟件種類還是研究內(nèi)容方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。當(dāng)今時代是數(shù)據(jù)時代，對于“海綿城市”的建設(shè)也應(yīng)與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)或數(shù)值模擬等現(xiàn)代化軟件結(jié)合起來，構(gòu)建一套屬于“海綿城市”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系。

3 結(jié)語

當(dāng)前水資源緊缺的情況下應(yīng)盡可能多的利用自然界水循環(huán)中的每一部分水體，而構(gòu)建“海綿城市”成為節(jié)約水資源、緩解城市內(nèi)澇的新選擇。本文主要總結(jié)了“海綿城市”理念在我國建筑、道路、景觀等多種載體中的應(yīng)用現(xiàn)狀，進(jìn)而分析了“海綿城市”未來的發(fā)展趨勢主要集中在實(shí)際應(yīng)用方面與科學(xué)研究方面。

[1] DunnettN,KingsburyN.Planting Green Roofs and Living Walls[M].USA,Portland：Timber Press，2004.

[2] 孫 芳.基于海綿城市的城市道路系統(tǒng)化設(shè)計(jì)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2015：26-27.

[3] 段雯娟.“海綿城市”讓雨水變成財(cái)富[J].生態(tài)環(huán)保，2015(4)：31-35.

[4] Setyaningsih W,Iswati T Y,SriYuliani,et al.Low-Impact-Development as an Implementation of the Eco-Green-Tourism Concept to Develop Kampung,towards Sustainable City[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences,2015(179):109-117.

[5] 李玲璐，張德順.基于低影響開發(fā)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施的植物選擇[J].山東林業(yè)科技，2014(6)：84-91.

Progressandprospectiveofthe“spongecity”theory★

SunWenjiaZhangKunZhengYanna*LiuXinmei

(SchoolofOceanandCivilEngineering,DalianOceanUniversity,Dalian116024,China)

This paper summarizes the application situation based on “sponge city” in the construction, roads, landscape, wetlands and many other carriers and the current situation of scientific research, and then analyzes the future development direction of the “sponge city”, which will provide the technical basis for the development and application of the concept of “sponge city”.

sponge city, road, landscape, wetland, water resourse

1009-6825(2017)12-0099-03

2017-02-11★：海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201405025)；國家自然科學(xué)基金(31572663)

孫文佳(1992- )，女，在讀碩士； 張 琨(1978- )，男，副教授； 劉心媚(1993- )，女，在讀碩士

鄭艷娜(1978- )，女，博士，副教授

TV213.9

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