水弹性城市-智慧海绵城市建设课题研究

摘要：在我国城市化进程加快的过程中，传统的城市建设模式己然不能满足城市健康发展的需求。"海绵城市〃是面对我国城市出现的诸如城市内涝、水资源污染、水生态破坏、雨水再利用等水资源问题而提出的一种新型城市建设理念。本文通过分析海绵城市建设的必要性和现状，提出海绵城市建设的关键技术要点和试点建设想法。

关键词：智慧海绵城市；雨水收集；雨水再利用；水质。

1海绵城市概述

海绵城市就是比喻城市像海绵一样，遇到有降雨时能够就地或者就近吸收、存蓄、渗透、净化雨水，补充地下水、调节水循环；在干旱缺水时有条件将蓄存的水释放出来，并加以利用，从而让水在城市中的迁移活动更加"自然"。

海绵城市建设的核心目标：维持场地开发前后径流不变。雨水总量控制目标应以开发建设后径流排放量接近开发建设前自然地貌的径流排放量为标准。可有效防治城市内涝、保障城市生态安全，为城市构建起可持续、健康的水循环系统。

图一 海绵城市水的循环收集与释放示意图

2海绵城市建设的必要性

我国传统城市建设模式在应对城市内涝以及水污染等问题上的弊端不断显露。在传统的城市建设模式中，城市排水主要依靠工程管道、管渠等基础工程设施，对于城市的防洪规划和排水工程规划相对滞后，弊端凸显在以下几点：

2.1一方面城市缺水，尤其是北方城市，国家耗费巨资启动诸如“南水北调”的工程；一方面城市内涝造成巨大经济损失甚至危及人民群众生命安全的事件频频出现，包括不少北方城市。因此，如何对雨水资源再利用，已经成为很关键的问题。

2.2粗放式的建设模式忽视自然的力量的结果，不可避免地带来了诸如城市内涝、水资源污染、水生态破坏等水资源问题。

海绵城市建设理念正是在这一系列问题 的基础上提出来的一种城市建设思路，通过国际上已有的成功案例借鉴，结合我国国情解决城市建设过程中出现的一系列问题。

3我国海绵城市建设思路

3.1区域层面：生态系统保护与恢复

对城市原有生态系统的保护。最大限度地保护原有的河 流、湖泊、湿地、坑塘、沟渠等水生态敏感区，留有足够涵养水源、应对较大强度降雨的林地、草地、湖泊、 湿地，维持城市开发前的自然水文特征，这是海绵城市建设的基本要求；同时生态修复已被破坏的自然环境和生态调蓄空间。

3.2城市层面：低影响生态开发

按照对城市生态环境影响最氐的开发建设理念，合理控制开发强度，在城市中保留足够的生态用地，控制城市不透水面积比例，最大限度的减少对城市原有水生态环境的破坏，同时，根据需求适当开挖河湖沟渠、增加水域面积，促进雨水的积存、渗透和净化。

3.3海绵城市八大技术

3.4实施流程

4国外的一些做法

4.1德国：高效集水，平衡生态

得益于发达的地下管网系统、先进的雨水综合利用技术和规划合理的城市绿地建设，不仅能够高效排水排污，还能起到平衡城市生态系统的功能。首都柏林，其地下水道长度总计约9646公里，可以同时处理污水和雨水。其好处在于可以节省地下空间，不妨碍市内地铁及其他地下管线的运行。而在郊区，主要采用分离管道系统，即污水和雨水分别在不同管道中进行处理。这样做的好处是可以提高水处理的针对性，提高效率。

4.2美国：强化设计，加快改建

美国大多数城市秉承传统的水利设施设计理念：在郊外储存雨水，利用水渠送到市区，污水通过地下沟渠排走。

美国于上个世纪90年代末提出低影响开发模式，是一种较为先进的雨水管理模式， 其原理是通过分散的、小规模的源头控制机制和设计技术，来实现对暴雨径流的管理和控制。低冲击开发模式的基本目标是使区域开发后水文状态尽量接近开发前的 状态，不增加地表径流量。

LID的核心雨水调蓄方式包括入渗、蒸发、 滞留、蓄集等，采用的基本措施有生物滞 留带、绿色屋顶、植草沟、雨水花园、储水池等。

• LID技术可以减少约30%-99%的暴雨径流并延 迟大约5-20分钟的暴雨径流峰值；
• LID技术可有效去除雨水径流中的磷、油脂、 氮、重金属等污染物，并具有中和酸雨的效果, 是可持续发展技术的核心之一。
• LID能将雨水大部分留在原地以回流地下，变雨水为资源。

4.3瑞士：雨水工程，民众参与

20世纪末开始，瑞士在全国大力推行“雨水工程”。这是一个花费小、成效高、实用性强的雨水利用计划。他们利用建筑物从房顶连接地下的雨水管道，雨水经过管道直通地下水道，然后排入江河湖泊。

以一家一户为单位，在原有的房屋上动了一点儿“小手术”：在墙上打个小洞，用水管将雨水引入室内的储水池，然后再用小水泵将收集到的雨水送往房屋各处。各家在使用时，靠小水泵将沉淀过滤后的雨水打上来，用以冲洗厕所、擦洗地板、浇花，甚至还可用来洗涤衣物、清洗蔬菜水果等。

瑞士政府还采用税收减免和补助津贴等政策鼓励建设这种节能型房屋，从而使雨水得到循环利用，节省了不少水资源。瑞士制定了水使用和水处理法律，使得雨水工程在制度上、法律上得以严格、高效推行。

4.4新加坡：疏导有方，标准严格

新加坡作为一个雨量充沛的热带岛国，却鲜有城市内涝的情况发生。这一切要归功于设计科学、分布合理的雨水收集和城市排水系统。首先，预先规划城市排水系统。其次，加强雨水疏导，建立大型蓄水池。第三，建立严格的地面建筑排水标准。

5海绵城市建设存在的问题

第一：缺少相关政策法规、行业标准的支撑，粗放式城市水利建设，

对雨水的再利用价值意识不足，在使雨水变害为利的宣传上力度不足。

第二：针对海绵城市建设的科研相对滞后，出现了诸如城市内涝、水资源污染、水生态破坏等水资源问题。

第三：一些行之有效的技术和产品没能得到政策、宣传、资金方面的足够扶持，难以推广。

第四：物联网、云计算、人工智能、数字孪生、区块链、边缘计算等数字化、信息化技术未能在海绵城市建设中发挥应有的作用。如何发挥这些技术在精准高效、节省人力、实现人力不能及的功能方面的应用场景是一个重要的长期的课题。

6海绵城市建设的专项解决方案和设想

6.1雨水控制与综合利用系统

通过有效地利用和控制雨水我们可以实现:

•有效地节约水资源；

•减少城市内涝；

•缓解水体的面源污染；

•缩小城市雨水管网规模，减少城市污水处理设施的投资;

•回补地下水，缓解地面沉降，减少海水入侵，改善生态环境。

系统构成：

主要应用于：

• 建筑与小区；
• 绿地与广场；
• 道路与桥梁；
• 城市水系；
• 水生态；
• 黑臭水体；
• 设施农业；
• 岛屿等等。

6.2虹吸系统

虹吸雨水排放手机系统利用“伯诺里”方程，经过周密的计算，充分利用屋面和地面的高度差产生的能量形成虹吸作用，系统在满流状态下快速排出雨水，并为后续的雨水收集提供便利。

6.3智慧化海绵城市系统设想

6.3.1智慧海绵城市总体架构：

以物联网、仿真模型、云计算、人工智能、数字孪生、区块链、边缘计算等技术为手段，建立城市水环境综合管理体系、雨水资源化利用管理体系、城市防洪排量综合管理体系和海绵城市建设运行管理体系，为实现海绵城市径流总量控制、径流峰值控制、径流污染控制、雨水资源化利用等目标提供信息化支撑与辅助决策支持。通过系统平台，能够科学合理规划海绵城市建设时序，加强精细化管理能力，提升海绵城市整体运营水平。

6.3.1智慧海绵城市综合管控平台：

平台对公共服务和通用业务服务做了归纳和封装，为平台上各应用系统提供通用功能。平台的数据交换与服务共享为政府决策、信息公开提供全面多层次的数据服务。

6.4智慧化雨水调蓄利用系统监控平台

6.4.1平台功能要求：

6.4.2平台重点应用

• 根据未来24小时降雨量，调蓄设施内的现存总量，自动调整调蓄设施运作工况，实现自动调蓄方法，或短信、微信预警提醒，有效杜绝暴雨来临蓄水池无法承载的情况；
• 与建筑BIM结合，接入建筑信息化管理系统，高效直观管理所有设备；
• 根据不同季节自动调整数据传输频率，降低通讯费用；
• 兼容各种传感器，各种不同信号格式；

6.5数字化、信息化技术的几个重点应用场景

6.5.1系统监测的指标众多，如何量化考核，直观快速的看到系统带来的效益。

比如，海绵城市水节点常规监测指标如下表：

通过仿真建模构筑数字孪生平台，通过系统间联动与数据交互，人工智能算法分析出一段时间内收集了多少雨水，雨水再利用了多少，产生了多少具体的收益。

6.5.2智慧海绵城市系统，点位分散且多分布于屋顶、地下、路边等会给维修人员带来危险或者不易进入的地方，如何通过人工智能自学习、自决策、自判断、自进化等能力，精确地追溯过往记录，精准的监控实时动态，智慧的预测判断设备、系统即将到来的故障，在数字孪生平台快速直观地呈现出来，第一时间发送给维护、管理、决策的相关人员，通过人员定位，确保第一时间派出维护人员且维修人员在最近的仓库得到了必须的维修工具及备品备件，这是一项重要课题，能大大提升运维效率，节省大量人力成本，把可能的灾害风险降至最低乃至消解于无形。

同时，维保人员的水平高低不齐，通过系统的智能分析，将相应故障的维修资料发送到前往处理故障的维修人员，维修过程中，远程工程师能通过语音或者视频对其进行指导。

6.5.3搭建海绵城市建设的信息交互平台，满足群众对自己关心区域的绿地、花园、可渗透路面等项目实施情况的了解欲，进而投身到海绵城市的建设、运维中。同时，也可以满足有些群众在水质监测、水污染、雨水循环利用方面的服务需求。

6.5.4系统误操作、误显示的处理。因设备故障、环境因素或者网络因素造成系统误报无操作时，如何通过与其它系统联动（含智慧海绵以外的就近的系统）、人工智能算法加以杜绝。

比如，气象预报两小时后暴雨将来临，系统开始启动各蓄水池排水，如果系统显示某个水箱正在排水，而现场并非如此，就会造成不必要的损失。

7结束语

随着我国海绵城市建设理论的沉淀与发展，如今已到了理论发展的攻坚阶段, 我们要做的是如何准确、高效地将理论付诸实践，并从实践中吸取经验进一步升华完善理论，这也是海绵城市建设推进的重点和难点，在可持续发展战略的时代大趋势下，绿色生态家园建设必将如火如荼的展开，在民族发展史上写下浓重的一笔。

参考文献：

（1）仇保兴。海绵城市（LID）的内涵、途径与展望[J]•建设科技，2015（1）：11-18

（2）徐君，任腾飞，王育红等.海绵城市建设的综合动力机制分析一一以河南省为例[J]•科技管理研究，2016, 36 (06) : 192-198.