海绵城市背景下的城市内涝防控策略研究

任建超，谢水波，刘 慧，孙 波

(1.南华大学建筑学院，湖南 衡阳 421001；2.南华大学土木工程学院，湖南 衡阳 421001)

当前，我国正处于城镇化的快速发展阶段，在人类活动和水文、气候等自然环境异常的共同作用下，我国城市内涝灾害风险和灾损率呈现持续上升趋势。2010年，住房和城乡建设部对我国351个城市的专项调研显示: 2008—2010年期间，62%的城市发生过内涝，137个城市超过3次发生内涝灾害，57个城市的最大积水时间超过12h。国家水利部发布的《中国水旱灾害公报》统计中，2008—2018年期间，平均每年因洪涝灾害死亡人口约为760人，直接经济损失为2119.50亿元。2012年，北京“7·21”内涝事件造成至少77人死亡，迫使近6万人撤离，直接经济损失估计在100亿元人民币左右。

2013年12月在中央城镇化工作会议上，习近平总书记谈到要建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”。2014年10月住房和城乡建设部正式发布《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建( 试行)》(以下简称《指南》)，当前海绵城市建设在应对一般降雨已经取得了较好的成果，但是在应对超标降雨中，还存在城市内涝频发的现象[1]。因此，本研究根据当前城市面临的城市水问题，结合当前海绵城市建设的背景就如何系统的构建海绵城市内涝灾害防控体系，提升城市应对内涝灾害的弹性展开深入的探索。

1 城市内涝灾害的成因、机理

近年来，我国一些城市面临着逢雨必涝的尴尬局面，主要是在城市建设和管理中，城市的自然和社会水循环系统出现问题，这是在多种因素共同作用的结果，主要分为以气象、水文、地形地貌等相关的自然因素和人类活动造成的社会因素两大类[2]。

1.1 自然因素

IPCC 报告指出全球气候变暖增加了城市降水强度和洪涝灾害事件发生的风险[3]。综合考虑我国地理位置与气候特征，我国降雨分布有明显的时空差异性，总体呈现从北向南、从西向东逐渐递增的规律，主要集中在6—8月份，近年来，受季风气候异常影响，城市极端降雨天气频发，其中，北方部分地区、长江流域及东南沿海等地区降雨强度及强降雨频率均呈现上升趋势[4]。研究表明，快速城镇化影响了局地气候特征和水文变化规律，形成了“热岛效应”和“雨岛效应”，导致短时强降雨由农村向城市转移，由于城市土地覆被变化(LUCC)，降雨产生的地表径流呈现产汇流时间短、流量峰值高等特征，造成雨水短时间无法排出，发生城市内涝灾害[5]。受地形地貌影响，丘陵、山地城市经常发生山洪与内涝灾害叠加的情况，造成更大的损失[6]。

1.2 社会因素

社会因素包含的致灾因素较为复杂，主要是人类主导的城镇空间建设下对孕灾环境的改变，体现在城市规划、排水防涝工程建设以及城市灾害应急管理3个方面[7]。在城市规划方面，传统的城市规划在利益驱动下，容易发生城市生态空间管控失效，导致土地过度开发，造成城市生态空间碎片化、面积缩减和不透水面积增加等城市问题，破坏原有自然排水体系和雨洪调蓄功能，影响城市的水循环系统。在进行城市排水防涝工程建设方面，一些老城区排水采用设计标准较低和存在较多雨污合流系统，部分城市排水系统缺乏维护与建设混乱，管道系统存在严重的错接、沉降、堵塞等问题，导致排水系统无法正常运行，另外，早期城市排水管网的建设过于重视“灰色基础设施”的利用，缺乏与自然调蓄系统的衔接，造成灰绿排水设施割裂的情况。在城市灾害应急管理方面，我国在应对内涝灾害的非工程性措施尚不完善，存在缺乏相应的法律法规、应急管理指挥体系不完善和缺乏灾害应急教育等问题，导致可控灾害缺乏预警和不可控灾害风险的进一步扩大。

1.3 城市内涝灾害形成机理

从灾害系统论的角度出发，以城市内涝灾害形成的致灾因子、孕灾环境及承灾体之间的拓扑关系构建城市内涝灾害链[8]。

城市内涝灾害(D)是在承灾体(V)、孕灾环境(S)、致灾因子(R)的相互作用的结果，如图1所示[8- 9]。首先，人类主导的城市空间及人类作为承灾体，在社会因素的影响下，城市生态、水文、气候等自然环境发生异常，导致城市空间环境的稳定性降低，致灾因子的强度提升。其次，孕灾环境指内涝灾害发生的城市空间环境，其稳定性的降低，导致城市应对极端降雨的适应性减弱，反向刺激承灾体提升自身应对环境改变的能力。最后，极端降雨作为城市内涝灾害最为直接的致灾因子，在自然因素和社会因素的作用下，降雨强度的提升和城市空间环境应对内涝灾害的能力不足时，增加城市内涝灾害发生的风险。

图1 城市内涝灾害链

2 海绵城市概念、内涵

2.1 海绵城市概念

海绵城市是我国新型城镇化下的城市雨洪管理措施，改变传统的雨水排放模式，以生态理念来应对城市的水问题，提高城市应对雨水自然灾害的弹性，因此也称之为“水弹性城市”。“海绵”是一种应对城市雨洪问题的技术与管理模型，采用高度形象化和感性的语言表述，《指南》中给出的海绵城市的定义，将城市比喻为“海绵”，维持与恢复城市开发区域未开发状态下的水文状态[10- 12]。

2.2 海绵城市内涵

海绵城市的建设是在城市雨洪管理内涵上发展的一个多学科、多层次、多尺度的水系统协同治理体系，其内涵丰富，不同专业的学者对海绵城市建设的理解有所侧重，本文运用系统理论从城市规划、灾害学以及生态学等多学科融合的角度，根据海绵城市产生的三大驱动因素：洪涝灾害、水生态恶化及水资源短缺，并结合《指南》中海绵城市建设的三大途径，认为海绵城市的本质可以归纳为：综合考虑城市面临的水问题，运用生态理念和系统理论重构城市水生态格局，提升城市应对水问题的弹性，实现水资源的可持续发展[11- 14]。

3 国内外城市内涝防控系统研究现状

3.1 城市雨洪管理体系

20世纪70年代，发达国家针对本国的城市水问题开展城市雨洪管理体系研究，其中，以美国的最佳管理措施(BMPs)、低影响开发(LID)和绿色基础设施(GI)及澳大利亚的水敏感性城市(WSUD)、新西兰的低影响城市设计与开发(LIUDD)、英国的可持续城市排水系统(SUDS)等发达国家的雨洪管理理念研究较为成熟[15]。我国关于现代雨洪管理体系研究起步较晚，结合我国水问题，借鉴国外先进的雨洪管理理念，提出以LID理念为核心的雨洪管理体系并发展为如今的海绵城市。随着我国30个海绵城市试点的展开，许多学者在城市建设中对海绵城市做了大量的研究。例如，谢映霞通过对海绵城市试点城市建设中的经验和问题分析，提出以问题为导向，参考国外经验，构建系统的治水思路，提高海绵城市建设的综合效益[16]。

3.2 城市内涝模型模拟和风险评估

当前，国内外采用的城市内涝灾害风险评估的方法主要分为历史灾情法、指标体系法、基于RS和GIS技术耦合的洪涝灾害风险评估以及基于情景模拟的风险评估法4种类型[17]。其中，基于情景模拟的风险评估法是当前城市内涝灾害风险评估的研究热点，它运用水文水动力模型构建一维、二维及一维二维耦合模型动态模拟内涝灾害的形成过程，更加直观的展示易涝点的空间分布特征，实现内涝灾害风险区划和评价，为城市防灾减灾规划、排水防涝规划及城市内涝灾害预警等提供参考。国外发达国家对于内涝模拟模型的研究较为成熟，如SWMM、SCS、STORM、MOUSE、Info Works和Wallingford Model 等模型，我国关于内涝模拟模型的研究起步较晚，在借鉴国外已有模型的基础上研发出具有区域特征的SSCM、CSYJM等模型。例如，苏伯尼等人运用二维水力模型，模拟积水的时空分布[18]；殷杰、伊占娥等人从灾害系统论的角度利用GIS对城市暴雨内涝风险进行情景模拟及灾害风险评估[19]。

3.3 大排水系统

国外发达国家在应对城市雨水问题时，通常采用小排水系统和大排水系统相结合的方式。小排水系统对应重现期较小的一般降雨，主要包括城市排水管道、暗渠及LID等基础设施，大排水系统主要对应重现期较大的极端降雨，通常包括地表雨洪行泄通道、地下超级排水工程、城市湿地和调蓄设施等组成，因此也称为城市内涝防治系统或者超标雨水排蓄系统[20- 21]。

大排水系统的建设对于内涝防控具有较高的效益，是海绵城市建设的重要部分。国外发达国家关于大排水系统的建设起步较早，具备较为成熟的建设技术与运营管理手段，比较著名的有日本东京的“地下神殿”、德国慕尼黑的地下蓄水库以及吉隆坡的“聪明隧道”等大排水系统。我国作为发展中国家，对大排水系统的研究与建设起步较晚，虽然GB50014—2006《室外排水规范》已明确大排水系统的建设标准，但在资金、技术手段等条件的限制下，一些针对大排水系统的构建还处于概念分析、规划方法和建设技术的研究阶段。例如，李俊奇等人介绍了大排水系统的基础概念和组成，指出大排水系统是海绵城市建设的关键，提出构建大排水系统的技术手段[22]；程小文等人从定位、功能及构成进行大排水系统与城市小排水系统的对比，提出大排水系统的规划方法[23]。

3.4 城市内涝灾害应急管理

目前大多数学者集中在城市灾害应急管理的综合研究，如智慧城市、弹性城市等理念的提出，关于内涝单一灾害应急管理的研究主要集中在应急管理体系、暴雨内涝灾害预警机制、城市内涝防控技术、应急管理能力及法治建设5个方面的研究[24- 25]。其中，利用物联网、仿真模型及大数据等现代信息技术构建城市内涝灾害应急管理平台，更加系统科学地进行内涝灾害防控，具有较高的经济效益和社会效益，已经成为当前研究的热点[26]。例如，吴先华等人从城市暴雨内涝灾害大数据融合的背景下分别从信息科学、概率统计和管理学等角度开展城市内涝灾害应急管理研究[27]；陈伟珂等人通过对城市内涝治理呈现的碎片化管理研究，提出整体性治理理论，形成协同多元化治理主体[28]。

4 海绵城市内涝防控系统策略

以当前我国水问题为导向，基于海绵城市理念，运用系统理论，从海绵城市规划、建设及管理三个层面提出构建海绵城市内涝防控系统[29]。如图2所示。

图2 海绵城市内涝防控系统

4.1 完善海绵城市规划体系

城市规划作为城市建设的重要依据，进一步将海绵城市理念融入到城市规划建设中，完善海绵城市规划体系有利于提高城市内涝灾害防控的系统性和科学性。从区域和流域的层面构建水环境生态安全格局、生态安全廊道及划定三区三线来控制城市生态格局，比如，联系城市公园广场、河道、湖泊等城市开放空间，构建“斑块—廊道—基底”雨洪安全生态系统，提高城市雨洪调蓄的系统性。根据城市实际情况和发展需求将海绵城市内涝防控规划融入城市各层次规划中，通过城市绿地系统规划、排水防涝规划、道路系统规划以及竖向规划等提高城市的排水防涝能力。在进行城市设计时，要进行城市内涝灾害风险区划和城市生态敏感性评价，尽量避开城市易涝区和生态环境敏感的区域，坚持生态保护、修复的城市设计理念构建城市蓝绿空间，如在规划过程中尽量避免在洪泛区、河滩湿地、山林田等区域建设建筑，提前有效地规避内涝灾害带来的损失。海绵城市的建设是一个投资大、周期长的任务，需要规划近远期建设方案，优先解决当前城市内涝灾害风险最为严重的地区，同时结合城市发展实际情况，对已建城区结合旧城改造、道路扩建等规划逐步推进，以达到资源的合理配置。

4.2 构建“灰绿”排水防涝工程系统

传统的城市排水防涝工程以快排理念为主，海绵城市内涝防控系统以生态理念为核心，在传统的排水系统的基础上构建区域、城市和街区的多层次 “灰绿”排水防涝工程系统，提高城市应对内涝灾害的弹性，基本思路是采用源头减排、过程控制和末端调蓄三大工程技术手段实现城市小雨不积水、大雨不内涝的目标[30]。源头减排在一般降雨中效果明显，主要是通过加强LID场地设施的建设，提高城市海绵体的覆盖率，可以有效地实现对初期雨水的净化，降低雨水径流和补充地下水，实现“小雨不积水”的目标。过程控制和末端调蓄是在面对强降雨或者持续性降雨排放时实现“大雨不内涝”的重要手段，在过程控制阶段应该加强传统排水设施与自然排水系统的融合，提升城市排水过程的系统性，结合水库、洪泛区等末端调蓄设施，推进有条件城市的大排水系统建设，加强对超标雨水的转输和调蓄，缓解城市防涝压力[31- 32]。

4.3 完善LID非工程措施

LID非工程措施作为海绵城市内涝防控系统的重要组成部分，通过构建城市内涝灾害应急管理体系，能够有效地提高城市内涝灾害的预警、响应和恢复能力。海绵城市建设有据可依，是指导海绵城市健康发展的首要条件，完善海绵城市规划建设相关法律法规和技术规范，紧密衔接相关规划标准，提高排水防涝规划实践操作能力。构建多元主体参与的城市内涝灾害应急管理体系，海绵城市内涝防控的建设需要多专业、多部门和多群体的共同参与，以政府主导，社会参与的合作体系，推动市场资金的参与，提高城市的防灾减灾能力。运用大数据，建立城市内涝灾害数据库，构建智慧海绵平台，加强管网运行管理、内涝监控机制，实现城市内涝灾害风险快速评估，提高城市内涝灾害预警能力及响应速度[33- 34]。进一步推动内涝灾害风险防控知识的宣传教育，树立内涝灾害风险防范意识，提升民众的自救能力[35]。

5 结论

本研究基于海绵城市理念，运用系统理论从规划、建设及管理三个层面提出完善海绵城市规划体系、构建“灰绿”排水防涝工程系统及完善LID非工程措施三大内涝防控策略，构建海绵城市内涝防控体系，能够有效地提升城市应对超标降雨的能力，降低城市内涝灾害的风险。但是本文就城市对不同强度内涝灾害的适应性、敏感性及抵抗力未展开深入研究，导致对于城市内涝灾害风险的预警、防灾物资储备及设施建设的指导存在不足，因此应在后续工作中加强关于城市应对内涝灾害能力的研究，为城市提供更加完善的内涝防控体系。