(煙臺市城市水源工程管理局，山東 煙臺 264000)

在海綿城市建設(shè)上，無論參考北美、西歐經(jīng)驗，還是中東、日本模式，都有其適用性和局限性，不能照搬、移植，應一切從實際出發(fā)，充分考慮我國國情、發(fā)展階段以及自然地理特征和氣候條件，根據(jù)城市自身特點和自然稟賦，通過借鑒、吸收和改進、創(chuàng)新來建設(shè)城市海綿體。

1 海綿城市基本理論

1.1 理論的產(chǎn)生和發(fā)展

海綿城市是一項新生事物，目前正處于探索和實踐階段,其理論萌芽起源于城市雨洪管理。國外在20世紀70年代開始了該理論的研究與實踐[1],包括美國的最佳管理措施(BMP)及低影響開發(fā)(LID)體系、澳大利亞的水敏城市設(shè)計(WSUD)、英國的可持續(xù)排水系統(tǒng)(SUDS)、新西蘭的低影響城市設(shè)計和開發(fā)(LIUDD)、日本的雨水貯存滲透(RSI)等理論。我國對城市雨洪管理理論的研究則相對較晚。進入21世紀后，不少學者開始借鑒發(fā)達國家城市雨洪管理的先進理論和成熟經(jīng)驗，開展了相關(guān)研究和實踐，取得了一定成果。但國內(nèi)的城市基礎(chǔ)設(shè)施和管理體系與國外差別較大，難以形成全面的、系統(tǒng)的、完整的城市雨洪綜合管理理論。近幾年來，受極端氣候頻現(xiàn)、城鎮(zhèn)化發(fā)展加快及環(huán)境承載能力不足等因素影響，我國城市普遍面臨的水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)惡化、水災害加劇等問題日益凸顯，特別是眾多城市內(nèi)澇造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。這些問題的集中爆發(fā)，充分說明了我國城市水循環(huán)出現(xiàn)了嚴重問題。為應對這一系列愈演愈烈的水安全問題，海綿城市的概念逐漸浮出水面。2011年，董淑秋等[2]學者在《基于“生態(tài)海綿城市”構(gòu)建的雨水利用規(guī)劃研究》一文中首次明確提出海綿城市的概念；2013年，習近平總書記在中央城鎮(zhèn)化工作會議上發(fā)表講話時提出要建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”的總體要求；2014年10月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》(下文簡稱《指南》)[3]；2015年8月，水利部印發(fā)了《關(guān)于推進海綿城市建設(shè)水利工作的指導意見》[4]；同年10月，國務院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于推進海綿城市建設(shè)的指導意見》[5]。海綿城市理論在國家政策層面得到了豐富和完善，其外延在城市雨洪管理的基礎(chǔ)上有了進一步拓展，涵蓋了城市防洪除澇、水資源保障和水生態(tài)環(huán)境治理3方面重要內(nèi)容，形成了符合我國國情的、具有中國特色的、易于推廣和普及的城市治水理論。

1.2 理論的內(nèi)涵和本質(zhì)

海綿城市是用海綿的基本特性比擬城市的基本功能，其內(nèi)涵主要包括3方面：①彈復性。城市作為一個復雜的巨型系統(tǒng)，應該具備一定的魯棒性，在遭受自然破壞或部分功能失效后能夠自行修復而繼續(xù)運行。②保水性。城市的土地(水系、土壤、植被)應具備收集、調(diào)蓄、儲備水資源的功能。③濾凈性。城市的土地應具備對雨污水過濾、涵養(yǎng)和自然凈化的功能。海綿城市的這3方面功能對我國當前面臨的城市內(nèi)澇頻發(fā)、水資源短缺和利用率低、水生態(tài)惡化等城市水問題具有特殊意義，海綿城市在本質(zhì)上是一種城市水系統(tǒng)綜合治理模式。

1.3 存在的問題和改革方向

(1)解決城市水問題，應將城市水系統(tǒng)作為海綿城市的建設(shè)重心?！吨改稀分袠?gòu)建的技術(shù)路線及當前各地政府宣傳建設(shè)的海綿城市試點都側(cè)重于中小尺度的城市開發(fā)，僅將城市水系定位為超標雨洪水徑流排放系統(tǒng)的組成部分[6]。如果單一從中小尺度措施入手，對于應對常規(guī)降雨所帶來的面源污染具有一定效果，對于應對極端天氣帶來超標準洪水則顯得力不從心[7]。應充分認識城市河湖水系和地下水系統(tǒng)在海綿城市建設(shè)中的基礎(chǔ)性作用[8]，將城市水系統(tǒng)提升到海綿城市建設(shè)的戰(zhàn)略核心地位。

(2)破解城市水循環(huán)失調(diào)，恢復良性水循環(huán)，要充分依靠系統(tǒng)治理工程。當前在海綿城市試點建設(shè)過程中，輿論宣傳和學術(shù)研究主要聚焦在單一化措施上，包括透水鋪裝、綠色屋頂、下凹綠地、植被緩沖帶、雨水濕地、蓄水池等[9-10]，治理措施零散、破碎、不成規(guī)模，難以形成整體治理效應。要想統(tǒng)籌協(xié)調(diào)現(xiàn)有傳統(tǒng)排水設(shè)施與新建城市海綿體、各行業(yè)與各專業(yè)、綠色與灰色基礎(chǔ)設(shè)施之間的關(guān)系，系統(tǒng)治理水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)惡化、水災害加劇等問題，必須充分認識和依靠系統(tǒng)治理工程。

(3)灰綠結(jié)合，充分利用工程措施的引導作用。海綿城市理論強調(diào)充分利用土壤、植被、水系的自然滲透、積存和凈化能力，讓自然發(fā)揮主導作用。但在實踐過程中往往被誤讀，部分學者認為“海綿”即是以景觀為載體的水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，應將城市水文條件恢復到原始狀態(tài)，推出“綠色基礎(chǔ)設(shè)施萬能論”和“傳統(tǒng)灰色基礎(chǔ)設(shè)施無用論”，進而否定工程措施[9]。中國城市人口和建筑密集，暴雨強度高，污染物排放量大、來源廣，僅靠自然調(diào)蓄和凈化是難以實現(xiàn)雨洪高標準管理的。海綿城市建設(shè)應該在區(qū)域、流域、城市及片區(qū)等不同尺度上，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)灰-綠基礎(chǔ)設(shè)施，使其有機結(jié)合，從而激活自然生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)揮自然之力。

(4)兼收并蓄，高效利用現(xiàn)有傳統(tǒng)灰色蓄排系統(tǒng)。低影響開發(fā)的外延在源頭削減的基礎(chǔ)上拓展增加了中途轉(zhuǎn)輸和末端調(diào)蓄[3，10]，主要包括：綠色屋頂、下凹綠地、植草溝、植被緩沖帶、前置塘、濕塘、滲透塘、調(diào)節(jié)塘、雨水濕地、蓄水池、蓄水池，在城市新建區(qū)大量設(shè)置這些設(shè)施尚且易于推行，而設(shè)置在土地集約、建筑密布、街道縱橫、管線交錯的老城區(qū)，要么受到空間限制，要么需要大拆大建，勞民傷財，這與最大限度減少對城市生態(tài)環(huán)境破壞的低影響開發(fā)建設(shè)理念背道而馳。建設(shè)城市新海綿體應具有一定的包容性，要充分利用現(xiàn)有傳統(tǒng)灰色蓄排系統(tǒng)，對其進行改造升級，使其發(fā)揮應有的價值。

2 地下水庫工程簡介

2.1 概 念

地下水庫與地表水庫相對應，是利用天然地下儲水空間興建的集水資源調(diào)控、雨洪資源利用和水生態(tài)環(huán)境修復于一體的生態(tài)水利樞紐工程[11]，是自然環(huán)境和諧型的水系統(tǒng)治理工程。地下水庫強化了地表水與地下水的相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化，既調(diào)節(jié)了地表水資源，也調(diào)蓄了地下水資源，實現(xiàn)了地表水和地下水的聯(lián)合利用。

2.2 分 類

地下水庫的分類方法較為廣泛，按是否有地下截滲壩，可分為：有壩、無壩地下水庫2類；按地下水埋藏條件不同可分為：潛水、承壓水和混合型地下水庫3類；按儲水介質(zhì)的不同，可分為：松散孔隙介質(zhì)、基巖裂隙介質(zhì)、巖溶介質(zhì)地下水庫3類；按工程規(guī)模，可分為：大(1)型、大(2)型、中型、小(1)型、小(2)型5類[12]。

2.3 根本目標

地下水庫根本目標是：在豐水期將地表余水通過人工回灌促滲等手段，補給到地下儲水構(gòu)造中進行涵養(yǎng)、凈化，改變了水資源的空間分布；枯水期使用豐水期的儲水，改變了水資源的時間分布。因此可以說，地下水庫是以調(diào)節(jié)水資源時空分布兼有改善水生態(tài)環(huán)境凈化水體而使其適應人類需求為根本目標。無論在內(nèi)涵、功能還是目標方面，地下水庫工程與海綿城市建設(shè)框架高度契合，是一類應該進行進一步研究和發(fā)展的低影響、環(huán)境和諧型生態(tài)工程。

3 海綿城市中地下水庫工程建設(shè)框架

3.1 可行性

我國城市中人口和建筑密集，城市水系往往受限于用地條件約束，修建地面排蓄水場所、恢復地表河道在實際操作中難度較大、可操作性不強[13-15]。因此，我國部分大城市將目光轉(zhuǎn)向地下，通過新建大型地下排蓄系統(tǒng)，強化雨洪排蓄能力。例如，廣州開展了深隧排水工程試驗段的建設(shè)，北京規(guī)劃建設(shè)上百千米的東西地下蓄排水廊道，上海將在蘇州河下開建深達60余米的地下深層排水調(diào)蓄管道系統(tǒng)，深圳市也規(guī)劃建設(shè)沿海深層排水隧道。這種以龐大而完善的地下蓄排、截污凈化等基礎(chǔ)設(shè)施作為基礎(chǔ)的雨洪管理方式，在絕大多數(shù)的非一線城市卻往往因為財力條件而難以推行，可以說我國絕大部分城市目前不具備建設(shè)像國外地下雨洪調(diào)蓄海綿體的條件[15]。而地下水庫工程為建設(shè)中國特色的城市海綿體提供了嶄新的更加可行的思路[16]。

雨洪資源具有短時性、高強度、突發(fā)性的特點，城市下墊面高度隔水化，過境雨洪水很難滲透進入地下儲水空間，這要求我們應該從改善下墊面透水性、延長滲透時間和加大滲透壓力方面下功夫[17-19]。地下水庫工程采用透水鋪裝和雨水收集系統(tǒng)，可加強城市下墊面的雨水徑流入滲能力；通過地表攔蓄系統(tǒng)加強對地表徑流攔蓄能力，延長雨洪滯留時間，提高入滲量；通過加壓回灌系統(tǒng)，快速將雨洪水注入地下儲水空間，提高回灌效率。

3.2 工程措施

“肚大口小，能容難進，引用困難”是以往對地下水庫的特點描述。主要是受以往技術(shù)及資金限制，未能將相關(guān)配套工程建設(shè)到位而致。地下水庫工程是一項以自然系統(tǒng)為主體、以人工措施為引導的系統(tǒng)工程，要想其在海綿城市建設(shè)中充分發(fā)揮“滲、滯、蓄、凈、用、排”的系統(tǒng)治理效益，就必須建設(shè)相應配套工程。地下水庫的相應配套工程包括：地表攔蓄系統(tǒng)、陸域雨水收集系統(tǒng)、回灌補源系統(tǒng)、地下蓄水系統(tǒng)、取水系統(tǒng)、水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、污水排放及處理系統(tǒng)等。

3.2.1 地表攔蓄系統(tǒng)

主要指攔河閘壩工程，如橡膠壩、溢流壩等,其中較為常用且工程效益較好的是橡膠壩工程。通過對橡膠壩袋充排水(或氣)來使壩體起落，從而控制河水流量。

由于我國降雨多集中于汛期，地表水庫攔蓄水量受庫容所限，有相當一部分洪水白白流走，最終入海成為棄水，并為下游城市增加防洪負擔。應因地制宜根據(jù)城市自身的水系格局和水資源稟賦，合理設(shè)置閘壩堰等壅水工程及旁側(cè)湖等滯洪工程攔蓄地表水，將汛期雨洪水儲存在地下儲水空間中，從而破解降水量隨時間分布的不均勻性，并通過生物化學的自然凈濾功能凈化涵養(yǎng)水源，待枯水期取用?？稍诔鞘泻拥涝O(shè)置橡膠壩、溢流壩工程等攔蓄工程，通過分段設(shè)置多級橡膠壩階梯式攔蓄河道中的來水。一方面，合理設(shè)置壩體溢流，形成的人工瀑布，既可增強景觀效果，其曝氣作用又可在一定程度上凈化水質(zhì)；另一方面，在確保河道防洪要求及基流生態(tài)需水量的基礎(chǔ)上，增加城市水景觀，提高地表水向地下水的轉(zhuǎn)化率，有效增加地下水入滲補給量。此外，還可利用河道周邊采砂坑、牛軛湖等根據(jù)需要修建河道旁側(cè)湖、漏水水庫和沼澤濕地，形成瓜蔓式流域結(jié)構(gòu)，設(shè)置生態(tài)浮島、曝氣設(shè)施，增加城市水域面積率及防洪、滯洪能力和水體自凈能力，提高地表水與地下水的水力聯(lián)系及洪水下滲能力。

3.2.2 陸域雨水收集系統(tǒng)

陸域雨水收集系統(tǒng)包括雨水收集、轉(zhuǎn)輸和調(diào)蓄設(shè)施，是對地下水庫的地表攔蓄系統(tǒng)的有效補充，通過在建筑屋頂設(shè)置集雨設(shè)施、生物滯留設(shè)施，在廣場、綠地、小區(qū)設(shè)置雨水管渠、雨水罐、蓄水池、調(diào)節(jié)塘、滲透塘等設(shè)施，將雨水資源有效分散蓄滯。

3.2.3 回灌補源系統(tǒng)

回灌補源是地下水庫除徑流滲漏補給外的一項重要補給來源，回灌補源系統(tǒng)是地表水向地下水快速轉(zhuǎn)化的樞紐，是地下水庫工程能否高效運行的關(guān)鍵節(jié)點，是地下水庫工程應用于海綿城市建設(shè)的核心工程。按照是否加壓回灌，可分為自然入滲回灌和加壓回灌2大類。

自然入滲回灌設(shè)備和程序簡潔，建設(shè)和運行成本低廉，可與陸域雨水收集系統(tǒng)對接，廣泛應用在城市廣場、道路、綠地、小區(qū)和水系中，主要通過設(shè)置透水鋪裝以及滲池、滲渠、滲井、滲管，修建漏水水庫、雨水花園，在河道中設(shè)置生態(tài)護岸、生態(tài)濕地、滲透塘等措施，利用地表水和地下水之間的水頭差，就地回灌或?qū)⒅苓厖^(qū)域徑流雨洪水消納回灌貯存在地下儲水空間。

加壓回灌是近幾年發(fā)展起來的快速回灌技術(shù)，在水源充足且地面弱透水層較厚的地區(qū)設(shè)置深層回灌井，通過增壓水泵將雨洪水集中注入地下儲水空間，補給承壓含水層或埋藏較深的潛水含水層。可采用取水-回灌兩用井，并利用井群調(diào)控雨洪，不僅不受地形條件限制，而且提高了雨洪徑流的調(diào)蓄容量和調(diào)配靈活性，提高了地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)化效率，便于實現(xiàn)地下水系與地表水系互連互通和聯(lián)合調(diào)蓄，從而完善城市防洪排澇體系。對于大范圍短時強降雨(3 h內(nèi)降雨量>30 mm)，應采取強排結(jié)合加壓回灌雙管齊下的應急措施，通過排灌泵站對城市澇洼區(qū)洪澇水進行強排入河、加壓回灌入地下水庫，同時將攔河閘壩坍落泄洪。

3.2.4 地下蓄水系統(tǒng)

地下蓄水系統(tǒng)是指地下水庫工程的地下蓄水實體及其庫區(qū)邊界，地下蓄水實體是庫區(qū)邊界范圍內(nèi)由巖土的孔隙、裂隙或溶隙構(gòu)成的相對封閉的地下儲水空間；庫區(qū)邊界可分為底部圍巖邊界、上下游斷面邊界和頂部界面。理想的地下水庫邊界條件是：水能進得來、留得住，要求底部圍巖和下游斷面邊界透水性要差，不利于水的泄出；上游和頂面邊界滲透性要好，有利于補給地下水。如果天然邊界不明顯或有阻隔海水入侵的需要，可通過修建地下截滲壩來確定邊界條件。隨著我國地基處理技術(shù)不斷發(fā)展，地下截滲壩建造技術(shù)也逐漸走向成熟，當前高噴灌漿、帷幕灌漿及機械成槽筑防滲墻等是常用的地下截滲壩建造方式。當前最為經(jīng)濟而高效的方式是充分利用城市超采地下水形成的降落漏斗進行儲水，降落漏斗邊緣即為儲水邊界。

3.2.5 取水系統(tǒng)

指用于抽取地下水庫中地下水，具體工程形式包括：各種開采井、集水廊道及取水泵站等附屬構(gòu)筑物。對于回灌水質(zhì)較好，不需要含水層自然凈化的，則可與回灌井合并設(shè)置，不但可節(jié)約成本，而且對于防止淤堵也有一定作用。

3.2.6 水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

地下水庫的儲水主體位于地下，水環(huán)境要素變化不夠直觀，要保證地下水庫可持續(xù)正常運行，可根據(jù)實際情況建立水環(huán)境信息采集系統(tǒng)，對地下水動態(tài)和環(huán)境變化進行實時監(jiān)測。有條件的城市還可開展進一步研發(fā)和建設(shè)，使地下水庫工程成為學科交叉、部門協(xié)同、產(chǎn)業(yè)集合、科技創(chuàng)新的平臺。采用大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)，掌握城市雨洪運動乃至水循環(huán)基本規(guī)律，為管理人員提供必要的決策支持；利用地理信息系統(tǒng)(GIS)、智能監(jiān)控、遠程遙感技術(shù)，加強暴雨洪澇預報預警，對橡膠壩工程蓄泄、取水-回灌兩用井抽水和回灌、雨污分流工程排污及水處理進行實時控制，從而建立比較完善的地下水庫實時運行調(diào)度管理系統(tǒng)，包括信息采集、傳輸、分析、加工、決策、控制、反饋等方面，實現(xiàn)城市水系統(tǒng)智能化、網(wǎng)格化、精細化管理。

3.2.7 污水排放及處理系統(tǒng)

主要指為防止地表、地下水污染而采取的污水收集、處理、排放工程和垃圾處理工程。對城區(qū)實施雨污分流工程，對生產(chǎn)生活廢污水，通過專門排污管道，經(jīng)污水處理達標后才能排放入河。

3.3 技術(shù)路線

利用地表攔蓄系統(tǒng)和陸域雨水收集系統(tǒng)，將地表徑流(包括地表水庫泄洪及調(diào)引客水)通過回灌補源系統(tǒng)及地表水庫和攔蓄系統(tǒng)的滲漏補給回灌進入地下蓄水系統(tǒng)，經(jīng)過多年調(diào)蓄、生物化學凈化過濾作用，待水體水質(zhì)達到使用標準，再根據(jù)需要通過取水系統(tǒng)取用?；诤＞d城市理論框架的地下水庫工程與大氣之間的水系統(tǒng)循環(huán)過程見圖1。

圖1 地下水庫工程主導的海綿城市水循環(huán)過程Fig.1 Water circulation of sponge city dominated by underground reservoir project

3.4 效益評估

在海綿城市中建設(shè)地下水庫工程具有以下幾個方面優(yōu)越性。

3.4.1 建設(shè)、運行管理成本低

(1)城市土地寸土寸金，而地下水庫不占用寶貴的城市地表土地資源，不涉及征地、拆遷和移民。

(2)地下水庫通過地基處理即可完善防滲邊界條件，與地表水庫建設(shè)攔河大壩相比，建造成本和技術(shù)難度都低得多，有的地下水庫甚至具有天然邊界和儲水能力，而無需修筑地下攔蓄工程，因此地下水庫的建設(shè)及運行管理成本很低。

3.4.2 水資源利用率高

(1)地下水庫所儲存水體不受日照和風力的作用，因而在長期儲存過程中的蒸發(fā)損失可忽略不計，地表水庫年蒸發(fā)量超過1 000 mm。而我國北方干旱地區(qū)非汛期地表水庫蒸發(fā)損失極大，甚至超過降水量。

(2)將雨洪資源回灌補給疏干的地下水降落漏斗，不但加大城市防洪排澇能力，還可進行多年調(diào)節(jié)，豐蓄枯采，以豐補歉，作為戰(zhàn)略儲備水源地；在南水北調(diào)沿線城市還可作為調(diào)水配套工程，將客水儲備起來，增加長距離調(diào)水效益。

3.4.3 對生態(tài)環(huán)境不利影響小

(1)地下水庫利用地下封閉空間儲水，可較大程度減少地表環(huán)境對地下水體的擾動及污染，儲水層綜合過濾機能及生物化學作用具有涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)等功能。

(2)可恢復地下水位，消減因超采地下水形成的降落漏斗、地面沉降、塌陷、地裂縫，沿海地區(qū)還可阻止海水入侵，改善水文地質(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境，恢復濕地和河流基流，修復水生態(tài)功能。

(3)沒有潰壩、崩塌、滑坡等地表水庫常見地質(zhì)災害，泥沙淤積問題不突出，也不破壞魚類洄游的生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié) 語

中國各城市自然地理和社會經(jīng)濟狀況的多樣性及水問題現(xiàn)狀和成因的不同決定了各城市間海綿體建設(shè)的差異性。不可生搬硬套所謂“模式”，應因地制宜、實事求是地根據(jù)城市實際情況做好前期調(diào)研工作后，方可實施建設(shè)。本研究提出的應用地下水庫系統(tǒng)工程作為城市海綿體的海綿城市建設(shè)思路具有可操作性，其設(shè)計理論科學、合理、有效，為海綿城市建設(shè)提出了完整而高效的系統(tǒng)治理體系，且提供了切實可行的水工程技術(shù)支撐和行之有效的良性水循環(huán)保障，對今后海綿城市建設(shè)具有指導意義。

地下水庫工程是多種水系統(tǒng)治理工程的有機集成，其內(nèi)涵、功能及目標完全吻合海綿城市的建設(shè)要求，以城市水系統(tǒng)為核心的海綿城市建設(shè)必將成為大勢所趨，地下水庫系統(tǒng)工程具有廣闊的發(fā)展和應用空間。