海绵城市设计理论及应用

一、海绵城市概念概述
海绵城市是新的城市雨洪管理概念，它主要指城市在建设过程中在应对环境变化及雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，在国际中的通用语为“低影响开发雨水系统构建”。

这一雨水系统能够在下雨时吸水、蓄水、渗水等，在需要的时候又将储存的雨水释放出来再加以利用。

1.1海绵城市理论的发展背景
城镇化是保持经济持续健康发展的强大引擎，是推动区域协调发展的有力支撑，也是促进社会全面进步的必然要求。

我国自本世纪初开始进入城镇化高速发展时期现已经全面进入“城市时代”。

然而，快速城镇化的同时，城市发展也面临巨大的环境与资源压力。

因此，城市建设的方式应当从传统的单一城市外拓转变为系统思考城市内涵，促进城镇发展与资源环境的协调共存。

近年来，我国许多城市如北京、上海、武汉等雨洪灾害频发，生命财产损失严重，全国城乡年均受灾人口在1亿人左右。

另一方面，在城市雨洪灾害频发的同时，我国水资源短缺的问题却日益严重，普遍存在用水不足的问题。

当我国人口增至16亿时，人均水资源将下降到1750m³，接近国际公认的水资源紧张标准（图1.1）。

图1.1 世界与我国人均水资源占有量对比图
图片来源：根据相关材料绘制
内涝灾害与水资源短缺并存的矛盾局面不仅使城市居民的生存安全受到严峻威胁。

在城市转型发展的时代背景下，探索合理解决城市水安全问题、协调城市发展与自然环境矛盾的新型城市发展路径，是新时期城市建设的重要任务。

1.2海绵城市理论的现实意义
城市雨洪灾害频发，究其原因，是由于老化的城市雨水管网无法承受自然短期强降雨的巨大压力。

然而，更深层次的原因在于快速城镇化导致城市地面不透水面积大幅增加，自然环境中“降雨——下渗——径流——滞蓄——蒸发”的水
文循环被打破，雨水径流大幅增加，无法仅通过雨水管网排除（图1.2）。

同时，城市水资源短缺的解决路径不能依赖区域性调水措施，应增强城市本身的水源涵养能力，综合回收利用雨水资源。

因此，建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”，成为解决城市内涝和水资源短缺问题的必然路径。

图1.2 城市开发前后雨水去向示意图
海绵城市是化解城市发展与自然环境矛盾的新型城市发展模式，在城市建设的过程中避免建设行为对自然软质地表的过度破坏，恢复自然水文循环过程，保护地域化的水文地景格局，形成城市建筑与雨水和谐共生的新体系，对推动新型城镇化建设，拉动经济增长具有重要的意义。

二、海绵城市基本理论
2.1海绵城市基本原理
海绵城市建设以遵循生态优先的原则，设计理念和目标是区域场地不仅在下雨时能迅速排水、吸水，减少雨水表面囤积，而且在过程中渗水、滞水、蓄水、净水，更在需要时将蓄存的水释放并加以利用，之后排出。

这一理念在全球水资源紧张的情况下，缓解城市水资源的短缺，起到了双重的作用。

2.2海绵城市理论的优缺点
低影响开发。

20世纪90年代初美国城市雨洪管理逐步形成了LID理念，是从径流源头控制开始的、以恢复城市自然水文系统为基础的暴雨管理和面源污染处理技术。

低影响开发减小区域开发对雨水的影响。

绿色基础设施。

海绵城市理论把自然系统作为城市不可或缺的基础设施加以规划、利用和管理，即“绿色基础设施是城市自然生命保障系统，是一个由多类型生态用地组成的相互联系的网络”。

资金需求量大。

住建部部长曾预计海绵城市建设投资将达到每平方公里1
亿元至1.5亿元。

按当前国家海绵城市的建设规划预估，至2020年，全国658个城市建成区的20%以上面积需要达到设计标准，全国每年投资总额预计将超过
4000亿元。

缺乏稳定收益回报。

《关于推进海绵城市建设的指导意见》提出，坚持政府引导、社会参与。

积极推广政府和社会资本合作（PPP）、特许经营等模式，吸引社会资本广泛参与海绵城市建设。

但是PPP模式用在海绵城市，相当于在建一个生态绿地系统。

这部分的服务计算是一个难点目前还没有特别成功和完善的模式。

不容易为民众接受。

2.3海绵城市理论主要技术措施
2015年10月国务院办公厅印发了《关于推进海绵城市建设的指导意见》，发布了相关的规范、技术指南以及地方标准。

目前海绵城市的技术措施已有很多，按照不同雨落的部位分为三种：屋面雨水、场地排水和道路雨水。

2.3.1屋面雨水收集措施
屋面雨水的储蓄措施有以下几种：平屋面改坡屋面，种植屋面以及虹吸屋面。

和平屋面相比，坡屋面能增强排水性能，加大排水速度，配合地面蓄水系统使用。

种植屋面也称屋顶绿化，根据种植基质深度，分为简单绿化和花园景观绿化。

雨水通过植物通过基质层、过滤层进入排水层，汇入蓄水池。

这种方式有效的延长了雨水汇聚时间，降低了雨水峰值强度，减少屋面径流总量（图2.1）。

虹吸屋面是通过负压原理加大排水量，这种方式造价高，需要对水力精密计算且对屋面的高度及面积方面有要求，目前使用较少。

图2.1屋顶雨水收集
2.3.1场地雨水收集措施
场地排水设计（图2.2）是海绵城市技术措施中重要的一环，在加强场地竖向设计的基础上，还有一些其他的技术措施，包括下凹式绿地、透水铺装、雨水调蓄池、除生物滞留设施以及景观水体等雨水调蓄池是雨水收集设施，占地面积较大，适合建造在公共场地下方，主要有收集和暂存雨水的作用。

除此之外，还
有其他的一些措施，例如除生物滞留设施，适用于地势较低的区域，通过植物、土壤以及微生物系统，达到净化经流水的技术。

生物滞留系统由表面雨水滞留层、种植土壤覆盖层、植被及种植土层、砂率层和雨水收集等部分组成。

图2.2场地雨水收集
2.3.3道路雨水收集措施
道路是城市的交通网络，也是城市排水的主要依托。

首先在道路的材质上，选择渗透性强的材料，可以采用透水铺装，既可以快速排出路表的积水，又能使雨水得到合理利用，节约水资源（图2.3）。

但透水铺装做法不适用于承载力要求高、交通流量大的主干道。

主干道可采用透水性沥青路面做法，沥青混合料中细集料配比减少，将混合料孔隙率变大，加强下渗。

同时，在道路规划设计方面，可将对向行车道之间、车道与人行道用绿化下沉带隔开，设置溢流口、检查井及植草沟。

图2.3道路雨水收集
三、海绵城市设计案例分析——德国诺威康斯伯格生态社区
3.1项目概述
Kronsberg城区从规划到施工，始终将可持续发展与生态化设计列在第一位。

在能源，水处理，垃圾以及土地规划各个方面和专业部门共同合作。

城区贯彻了节约能源，“近自然”的雨水规划，注重环境保护等理念，在雨水规划、新能源利用、生态建筑、土壤利用、生态恢复等方面作了全面、科学的规划设计。

3.2核心技术概念及技术策略
整个雨水规划中的几个大型雨水滞留区都很好的结合地形设计，由于地势东高西低，在场地的西边缘最低洼处，规划了一个可作为公园绿地使用的大型滞水区域（图3.1），下暴雨时可滞留大量雨水从而起到防洪作用，平时是可进入的休闲绿地。

雨水顺应东高西低的地势沿地表可形成溪流景观。

图3.1大型滞水区域
城区雨水利用系统由“雨水渗滤沟”、“坡地雨水绿道”、“雨水滞留区域”“蓄水湖”和“输水沟”五个部分组成。

在这个系统中，雨水流入沿路设置雨水渗滤沟，滞留在沟中并慢慢透过沟底的滤水层净化后下渗（图3.2），当遇到暴雨的时溢出的雨水再通过管道运到较大的雨水滞留区域中，保持在那里慢慢渗透和蒸发。

图3.2坡地雨水绿道
在私人户外空间内，业主可以根据法律和合同要求，在技术条件允许情况下做任何形式和尺寸的雨水渗透和滞留设计（图3.3）。

在系统的生态设计中，虽然进行了大面积的施工，康斯伯格地区的自然水位仍得到保持，整个区域的降水几乎完全不流失，极其接近1994年未开发时自然状态下的情况：14mm/a。

和普通居民区雨水165mm/a的流失量相比，康斯伯格城区的流失量仅为19mm/a。

图3.3雨水渗透和滞留设计
而汉诺威市康斯伯格生态住宅小区在考虑建筑节能问题的同时，用生态最佳化的理念指导整个小区的规划和建设，重视对生态观念的普及宣传，重视技术的适用性，并不是片面追求高技术。

在达到住宅节能标准的同时，又实现了全方位的生态最佳化，并满足了人们心理和生活的需要，不仅为欧洲生态住宅小区的建设提供了蓝本，也为中国的可持续发展社区建设，特别是为长株潭两型社会建设综合配套改革试验区的建设提供了发展思路。

四、结语
海绵城市建设普及是日后建设的主要方向。

海绵城市建设要借鉴国外成熟的经验，借鉴国外的技术。

积极引进民间资本，为海绵城市建设筹集足够的资金以保证日后的维护工作。

同时也要大力宣传海绵城市建设，引起群众的保护意识、参与意识。

很多地方都具有雨后洪涝、雨后干旱的特点，因此带来了水资源污染、无资源缺乏的问题。

传统城市建设中大马路、大广场、填河填湖等建设方式忽视了城市生态系统原有的吸纳、渗透、滞蓄、净化等功能，是造成水生态问题的重要原因。

要实现海绵城市建设目标，根本在于强化生态理念，将生态发展理念贯穿于城市规划建设中。

第一，合理控制开发强度，最大限度的保护自然水体不受破坏，将城市河流、湖泊、湿地和其他水生态系统保护纳入城市管理的重要一环，保持其正常功能。

第二，控制城市规模与区域供水量相匹配。

第三，优先建设下沉式绿地、植草沟等“绿色”措施组织排水，建成会呼吸的城市海绵体。

海绵城市运用到建筑设计上的技术主要体现在建筑屋面、场地、道路的布置与设备上。

屋顶绿化，雨水收集，渗水材料，软化铺地，道路两侧雨水收集等等技术。

总之，海绵城市最为主要的保留原有生态系统吸纳、渗透、滞蓄、净化等功能的目的，在建筑上使用屋顶景观、场地设备对雨水的收集和渗透中体现得淋
漓精致。

建筑的屋顶往往很少具备观赏性，而采用海绵城市理念，对屋顶层进行绿化设计，不仅可以调节屋顶层室内环境（主要是室内的保温和隔热），还能够很好地保存屋面雨水将其利用；而场地的设计更是为了观赏，适当采用软质铺地材料如彩色混凝土等，不仅更加美观，还能很好地保水和渗水。

海绵城市的理论是基于绿色环保理念出发的。

随着社会的发展，生态建设一定会成为发展趋势。

对于设计师来讲，将海绵城市技术与景观设计相结合，即达成美观的效果，又能够很好地反馈给社会。

但同时，实现海绵城市不是一件容易的事，这需要政府政策上的支持和对民众的宣传普及。

虽然在前文中提到的PPP 模式目前还没有很好和成熟的案例为民众接受，但相信西方城市运用海绵城市理论成功的案例和近年来多个海绵城市试点建设一定会让民众看见未来生态建设的曙光的。

五、参考文献
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