刘昌明--郑州海绵城市发言

1、海绵城市：水生态文明社会建设发展模式的若干探讨刘昌明 海绵城市规划建设管理论坛，河南省建设厅，郑州2016年10月 发言提纲 1.关于生态文明社会建设与可持续发展2.城镇化LID开际经验、与国内发展3. 我国城镇化的低影响建设理念的若干思考4. 海绵城市建设的主要科技问题的讨论5. 小结：建设海绵城市的几点建议1.关于生态文明社会建设与可持续发展若干认知：人类文明的重大进步 人类经历了原始文明、农业文明、工业文明三个阶段，人类即将迈入新的生态文明阶段。农业文明是“黄色文明”，工业文明是“黑色文明”，生态文明就是“绿色文明”，生态文明是人类对工业文明进行深刻反思的成果，是人类文明的重大进步。 生

2、态文明突出生态的重要，强调尊重和保护环境、人类在改造自然的同时必须尊重和爱护自然，而不能随心所欲。文明包括物质、政治、精神、生态等文明。 生态文明并不是要求人们在自然面前无所作为，而是在把握自然规律的基础上利用自然，改造自然，为人类服务，在这一点上是与物质文明一致的。 人类的发展不仅要讲究代内公平，而且要讲究代际之间的公平 若干认知：文明与文化的区别文化存在于人类生存的始终，人类在文明社会之前便已产生原始文化，文明则是人类文化发展的一定阶段； 广义的“文明”是文化发展积极成果的总和，指良好的生活方式和精神风尚，物质文明、精神文明和政治文明达到较高水平。而狭义的文明是指与野蛮相对的社会体系。 文

3、明与文化的区别：文化是人类征服自然、社会及人类自身的活动、过程、成果等多方面内容的总和，而文明则主要是指文化成果中的精华部分。 2005年欧洲国家提出了新水文化(徐宗学译，刘昌明校)，强调坚持水生态系统的“不恶化原则”。 若干认知：关于景观生态学 l 基于景观生态学原理的城市景观河湖治理 l 景观生态学研究景观生物群落与环境条件之间复杂 的因果互馈关系，研究景观结构、空间格局及其过 程间的相互作用及其尺度效应。是生态文明建设的 组分之一； l 水土保持是小流域治理的基本单元。密切结合河道 水、沙关系研究，做到水土保持研究要”下河“， 泥沙研究要”上岸“ 若干认知：城市是经济社会发展的火车头 p

4、 预计：2030年城市城镇人口超过 10亿人。三个主要问题：？城市洪涝灾害？初雨面源污染？缺水雨水利用若干认知：国内城镇化发展快，问题很多2.城镇化LID开与国内发展际经验、不同国情的3个发达国家的经验：USA: 最早提出LID理念与绿色基础设施UK：英国水多，强调可持续排水SuDS AUSTRALIA：澳洲水少，强调水敏感城市表明不同自然与社经应有不同解决方案：中国是季风气候国家，采用海绵城市“Sponge City”不同国情的3个发达国家经验：USA不同国情的3个发达国家经验：美国：要求在源头维持和保护场地自然水文功能、 强调还原开发前水文循环 更多针对中小降雨控制径流污染 提出增强对流域

5、大暴雨峰流量控制不同国情的3个发达国家经验：英 国 UK： Sustainable Drainage System（SuDS） 英国水多，强调排水利用源头管理方法对径流和污染物进行控制“排”的过程中体现可持续性全过程进行分级削减和控制生物多样性环境的舒适水量调控水质保护不同国情的3个发达国家经验：澳大利亚Australia ：澳洲水少，采取水敏感城市设计（WSUD:Water SensitiveUrban Design） 基于雨水源头控制，减少了暴雨径流，同时也增加供水，在城镇化中采用新型的节水技术。 p 综上所述，SC，SuDS，WSUD，绿色发展和水利部门的“水生态文明城市”等等的提法，都

6、可以统一到LID的的理念。伍业钢Springer公司杂志：Resilience in Ecology and Urban Design Future CityVolume 3, 2013, pp 301-306，Date: 14 Dec 2012Sponge City作者：Ignacio F. Bunster-Ossa DS(法)苏菲巴尔波奈杰尔邓尼特、 安迪克莱登 国内发展： Practices in China中国城镇化的发展五个阶段（根据周长青）1.2.3.4.5.1978Before 1978: no plan1978-1992: starting phases1993-2002: e

7、nhancing phase2003-2012: fostering phaseAfter 2012:innovatinge phase19801982198419861988199019921994199619982000200220042006200820102012201480600070500060400050300040302000201000基础设施固定资产投资（亿元）城市化率（%）10001978198019821984198619881990199219941996199820002002200420062008201020122014年份1 2 3 4 5 Urbanizat

8、ion process in China: investment & population ratio 基础设施固定资产投资（亿元）城市化率（%）“今天，中国仍然是世界上最大的发展中国家。中国的人均国内生产总值仅相当于全球平均水平的三分之二、美国的七分之一、”第四阶段，2000年初北京市就开始了城市总体规划（2004-2020)，对雨洪利用作出规划（取得的批准）其中提出：“结合城市建设、城市绿化和生态建设，广泛采用透水铺装、绿地渗蓄、修建蓄水池等措施，在满足防洪要求前提下，最大限度地将雨水就地截留利用或补给地下水”示范： 如西城区双紫园小区等6个小区 （北京似在我国率先考虑“海绵”的城市） 中

9、国城镇化建设重点针对的三大水问题 l Flooding & inundation/waterlogging相当多的城市缺水的同时，雨洪内涝与污水蔓延。2008至2010年间，全国有62%的城市发生过不同程度的内涝，其中内涝灾害超过3次以上的城市有137个l Water pollution/non-point城镇化初雨面源污染严重，河湖水系被随意侵占，生态; 全国2/3的城市l Rainwater catchment/haresting缺水。雨水是资源，而硬化建筑与河道渠化将径流 迅速排去，使得大量宝贵的雨水资源白白流失。 国内城镇化问题评价：发展快，环境、生态问题严重 Urban growth

10、 in China is very fast resulting in great number of severe contamination and ecological degradation.In 2015-2016 30 “Pilot-Sponge Cities” been selected for awarding subsidies by the Central government已有30个城市通过了竞争性评审获得国家财政资助，打响了中国海绵城市建设战役。 2015年全国曾有130个城市申请试点。筛选16位城市作为试点： 迁安、白城、镇江、嘉兴、池州、厦门、萍乡、济南、鹤壁、武

11、汉、常德、南宁、重庆、遂宁、贵安新区和西咸新区 2016年中央筛选14个财政支持试点城市：北京市、天津市、大连市、上海市、宁波市、福州市、青岛市、珠海市、深圳市、三亚市、玉溪市、庆阳市、西宁市和固原市。 显然30个城市的自然和社经条件差异非常大，各有代表性 （我们团队参加的试点为： 常德市、固原市（研究案例） 3.城镇化的低影响建设理念与若干思考大自然本身就是 “海绵体”。随着工业化、城市化的推进，“钢筋混凝土”构建的城市建筑破坏了自然“海绵体”。 Sponge City海绵城市：适合生态文明社会建设的目标主席关于海绵城市的科学论述：解决城市缺水问题，必须顺应自然。优先考虑更多利用自然力量排水

12、，建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市。 必须指出：提出的海绵城市建设,是最为适应中国季风气候特点的高瞻远瞩 1)基于人与自然和谐和人水和谐的理念正确对待城市发展与自然环境保护之间矛盾的对立 统一 坚持在城市开发中维护自然水循环，在维护良性水 循环中开发城市； 尊重自然规律，以自然恢复为主，人工修复与自然 修复并举 2)考虑自然与社经条件的因地制宜的城市化开发城镇化LID发展模式或海绵体的构建的地理分异性： - 国际：因国情不同而异： - 国内：因地区不同而异。 - 中国是季风气候国家，降水时空变异特大，需要采用海绵城市实现LID是合理的发展模式。 海绵城市理念：维护良性/健康水循环p

13、海绵城市理念：用“海绵”的概念来比喻自然系统的 洪涝调节能力，指调节河水之丰欠，缓解旱涝灾害，使雨水就地蓄留、资源化，与城市中的公园系统、湿地系统一起，形成统一的水生态基础设施自然 保护系统。让城市降雨时能有效蓄水、防洪涝、不 污染，干旱时释放蓄水，自然地起到调节作用。 p 主要科技涉及跨/多学科，主要包括与水生态相关的学科（如水文水资源、园林生态）、土木建筑科 学（如城市规划设计与工程等等）。是一个系统工程、与经济社会学综合集成研究的科学领域。 3)根据系统观在宏观、中观与微观层面把握建设海绵城市（1）宏观层面着眼于整个城镇流域或所在区域的水循环完整性，不能局限于建成区，要分析区域性水 安全

14、格局。结合地理信息系统、遥感技术、水文学、生态学、灾害学、景观规划等多学科知识，进行 水资源量、水质、洪涝等多重风险分析，为城市总 体规划提供理论依据。实行城市规划、土地利用、 水利等多个部门协同工作，划定水生态功能区，总 体把握城市生态建设与恢复的方向。 3)根据系统观在宏观、中观与微观层面把握建设 （2）中观层面主要研究城镇、县区或其他城市功能 区尺度上，合理布局、建设维护良性水循环的LID 模式。在解决城镇总体及其不同功能区的物理性、生态与环境问题方面，应基于宏观尺度的风险分布和水生态功能格局，用流域水文模型、系统调控、空间优化等方法，定量分析不同LID措施布 局对水量、水质的响应能力，

15、构建相应的模式和模型，为海绵城市的效应与效果做出评估（例如我们在常德市的LID措施布局采用的评估模型） 3)根据系统观在宏观、中观与微观层面把握海绵城市建设 （3）微观层面是指对LID具体措施，包括: 海绵城市“自然积存、自然渗透、自然净化”功能设计的关键技术。特别是分层土壤-植被系统的降雨入渗、土壤水分运移、地下水出流、污染物削减规律的应用； 不同LID措施下垫面的“自然渗透”是产流定量的基础， 蒸发和土壤水运移定量分析是“自然积存”的根据；分层土壤-植被综合体的弥散对流是定量分析“自然净化”的关键: 在工程实践中，点尺度核心理论的研究对于城市建成区点、线形LID措施的再设计有重要意义；水循

16、环基本理论的应用，对城镇扩张区面状生态基础设施或公园、湿地的设计和科学评估是重要的依据。 4.海绵城市建设的主要科技问题的若干讨论海绵城镇的“6+2”：渗、滞、蓄、净、用、排，节、连 科学原理是良镇水循环 。 “6+2”1. permeability 2.Retard 3.Storage 4.Clean 5.Usage 6.Drainage Savingconnect 海绵城市建设的8个重要研究内容l 暴雨发生频率、时空分布变化规律与防洪除涝工程的标准与设计 l 降雨入渗规律、滞蓄雨洪能力计算与拦蓄工程的的标准与设计 l 河湖连通的生态防护，包括水系流通性与蓄水域面积与容积及工程的标准与设计

17、l 调蓄降水的地下水埋深的确定与三水联合调控、利用工程的标准与设计 l 雨洪雨水资源利用潜力计算、利用方式与有效利用工程的标准与设计 l 地表水与地下水体水质变化过程，达标率控制工程的标准与设计 l 节水减排、废污水回收、处理与再生水利用及工程的标准与设计 l 基于LID理念的海绵城市化发展与综合治理与管理模式。 海绵城镇建设技术系统与主要设施 雨洪调控：减少城镇内涝 防治污染：河道管道分流 雨水利用：雨水的资源化 适应技术：高效节水系统 管理体制：最严格三指标 科学规划：按十六字 ,低影响开发主要设施：透水铺装、绿色屋顶、下沉式绿地、 生物滞留设施、渗透塘、渗井、湿塘、雨水湿地、蓄水池、 雨

18、水罐、调节塘、调节池、植草沟、渗管/渠、植被缓冲带、初期雨水弃流设施、人工土壤渗滤、高效节水等等设施。 具有多个功能低影响开发单项设施:例如生物滞留设施的功能除渗透补充地下水外，还可削减峰值流量、净化雨水，实现径流总量、径流峰值和径流污染控制等 技术系统的内容海绵城镇建设的主要工程技术与材料 Designing & materials 考虑以下主要技术（非全部，供参考）1. 城镇水文监测预报系统2. 暴雨计算与雨洪计算模型3. 生态园林规划与工程设计4. 下沉式绿地及城市湿地公园规划设计5. 耐水湿、吸附净化能力强的植物材料6. 城镇污水管网、排水防涝工程与材料7. 透水性铺装与保水建筑材料(

19、如仁创集团等)海绵城镇建设的主要工程材料与技术 Designing & materials 考虑以下主要技术（续）8. 绿地汇聚雨水、蓄洪排涝规划设计9.中水、再生水等非常规水源利用技术10.补充地下水回灌技术11. 城镇热岛效应与人工增雨技术12. 滨海城镇的海水利用，包括冷却与淡化技术13. 海绵城镇生态、环境净化等效应计算技术14. 生态经济综合效益的评估技术。等等海绵城市雨洪模型开发 当前，我国城市雨洪模型的应用以国外模型为主， 例如SWIM, MIKE-URBAN, STORM等 迫切需要开发适用于我国国情且在功能上能够满足 海绵城市规划和设计需求的城市雨洪综合模拟系统气候变化人类活

20、动水系统水管理HIMS水循环综合模拟系统总体框架Hydro-Informatics Modeling (HIMS)流域水循环综合模拟系统：海绵城市应用案例时空变异性资料稀缺性不确定性水短缺问题水污染问题水灾害问题水管理问题多源信息集成多尺度综合模拟系统集成模式耦合水多过程综合 流域分布式水循环模式 原型观测过程机理人类活动水系统水管理气候变化区域水循环模式全球气候模式水生态问题城市雨洪模型在海绵建设中的作用城市雨洪模型在海绵建设中的作用HIMS海绵城市雨洪模型定制开发 城市雨洪模型在海绵城市建设中有着广泛的用途： 防洪排涝风险评估； 低影响开发措施设计； 排水设施设计；雨洪资源利用潜力评估与高

21、效节水 城市雨洪模型在海绵建设中的作用HIMS海绵城市雨洪模型原理主要方程： f= R PrW = 0.0864 Q E ti单元产污： ii单元产流：iiYi = P - fi - EiB = C1 (1- e-C t) A -W2Q =10Yi Ai / t3坡面汇流：管道汇流：A + Q = q tx= QmqL1/ 30.50.5-0.52 V= A2 I2L2QmFmF2b1 Q + 11 A(Q ) + cosq x (Kh) + (K - K)h cosq2 gA tgA 0.50.5A xL2FxAt 2 = L /V = 0.278221/ 3Q 0.51 TqUA I= (

22、s- s ) + X 2 2m0fgA xgA道路汇流：三维水动力学方程河道汇流：马斯京根方程HIMS海绵城市雨洪模型参数研发参数的确定：利用便携式野外人工降雨器在北京、济南、等城市进行了上百场次试验，确定了城市不同土地利用类型下HIMS模型产汇流参数。各种屋顶、混凝土和沥青路面大块石砌路面级配碎石路面与广场干砌砖石和碎石路面地面类型非铺砌土地面绿地和草地降水-产流产污实验现场R0.450.871.051.111.141.19r0.360.620.720.770.790.84HIMS application案例研究：常德市 项目来源于“常德市海绵城市专项规划”，也是我国第一批海绵城市专项规划之

23、一。p 湖南省省辖市，省域副中心城市，环洞庭湖生态经济圈核心城市之一。p 城区面积85 km2。2014年末人口143万人，城市化率为45.89%。p 年降水量1200-1900mm。p 综合实力位居湖南省前列，荣获国家园林城市、国家环境保护模范城市等称号。p 城区已经启动110多个涉水项目。p 2015年成功入围全国“首批海绵城市建设试点城市”。Changde关键问题：p 复杂下垫面条件下雨洪多种产汇流过程耦合模拟p 不同地块LID措施综合优化及效果评估HIMS海绵城市雨洪模型开发 模型应用：常德市海绵城市试点规划设计Objectiveofannualprecipitationcapture

24、rate (75%-85%)研究区径流系数分布模拟结果模型定制应用：常德市海绵城市试点规划设计中心城区低影响开发措施后年径流总量控制率模拟20年一遇设计暴雨中心城区易涝点水深分布模拟HIMS 模拟：设计暴雨、房屋路面、管网参数等不同条件下的雨洪过程影响的分布式模拟与评价。常德海绵城市规划构建经验n：城市低影响开发雨水系统构建 强制性指标：年径流总量控制率。引导性指标：下沉式绿地、透水铺装、绿色屋顶率n 城市雨水排放通道构建通过城市内河、大的调蓄水体、城市大排水通道等大排水系统应对。严格保护城市坑塘水体n 城市水系构建，包括河道、河岸山洪防范体系、城市雨水排放骨架城市自然水系机理、城市水系调蓄空

25、间n 城市水环境治理雨污分流、建设截污干管、分流制n 城市水生态治理水生植物修复技术、生态护岸n 城市生态格局构建与保护山体、林地、田园、湿地公园、绿线、内河水系中国海绵城市市场规模预估 （根据中规院） 2020年，城市建成区20%以上的面积达到目标要求，将有1.8万亿元投资规模；2030年，城市建成区80%以上的面积达到目标要求，建设资金规模近8万亿元Public-Private Partnership (PPP)海绵城市PPP模式案例-固原(Guyuan City)n 固原市是贫困地区、地区、革命老区n 第一批国家新型城镇化综合试点城市n “丝绸之路”上的重要节点城市n 地处黄土高原中西部

26、、n 全市城镇化率43.1%南部n 中心城区建成区面积44平方公里，人口28万n 水资源极其匮乏n 选择合适的社会资本n 按照2:8股权比例成立PPP项目公司n 签订PPP项目协议n 项目公司负责PPP合作期内固原市海绵城市的设计、融资、建设与运营顾斌杰 、张敦强、潘云生、杨广欣、黄冠华、左强，2001年始雨水资源化部分研究成果解决城市缺水问题可通过雨水资源化技术实现,包括90年代以来我国开展的雨水利用研究工作， 例如雨水资源化研究发表的雨水利用研究报告”90顾斌杰 、张敦强、潘云生、杨广欣、黄冠华、左强，2001刘昌明 李丽娟 主编，2003刘昌明 翟浩汇辉 主编，19985. 几点小结与建议几点结论与建议： l 实现两个百年的强国战略，城市化是必由之路，海绵城市建设是重大的举措。l 基于人与自然和谐，充分发挥自然恢复力