自20世纪90年代以来, 中国一直在经历着大规模的、快速的城市扩张, 这种快速的城市化进程缺乏对生态和环境的考虑, 使得城市不透水地面增加, 湖泊、湿地等水生态系统遭受破坏, 从而加剧了城市径流和水土污染以及洪水发生的频率和强度。为解决城市水问题, 我国于2013年正式提出了“海绵城市”倡议。海绵城市将城市的雨水管理与可持续的城市化发展相结合, 在缓解城市水问题的同时加强城市的可持续化发展。

自2013年提出海绵城市倡议以来, 政府出台了一系列政策来推动海绵城市的发展进程。我国学者对于海绵城市的研究主要集中于绿色基础设施、雨洪管理、低影响开发等方面, 但对于评价指标体系方面研究尚不深入。住建部、水利部虽发布了关于海绵城市的评价指标体系, 但该体系缺乏针对性, 未考虑到我国南北方城市气候、水文条件存在的显著差异。本文以南方多雨地区为研究对象, 建立针对南方多雨地区海绵城市的水文评价指标体系。

海绵城市在国外起步较早, 发展至今, 共形成了五种建设模式 (如图1左所示) 。最佳管理实践是1992年在美国提出的, 旨在解决城市面源污染和径流污染问题。随后在美国又提出LID模式强调在城市治理的基础上进行源头的控制, 而绿色基础设施则将水管理和生态治理、土地利用相结合。在澳大利亚提出的水敏感城市设计, 则充分考虑了地域特征, 同时加入社会、管理、法律等内容。英国提出的可持续城市排水系统, 更侧重于项目层面的决策研究。

近年来, 海绵城市在我国也开始发展起来 (如图1右所示) 。2012年在低碳城市与区域发展科技论坛中首次提出海绵城市的概念, 2013年12月海绵城市倡议正式提出。随后分别于2015、2016年公布了两批30个海绵城市试点, 引起了政府、学者等各界人员的高度重视。2015年7月住建部发布《关于印发海绵城市的建设绩效与考核办法 (试行) 》, 为评价海绵城市建设成效提供了科学性的综合参考, 该办法将指标分为了水生态、水环境、水资源、水安全、制度建设及执行情况和显示度六个方面。然而目前我国关于海绵城市的评价指标体系尚不完善, 且我国地域广阔, 南北方差异显著, 需要因地制宜地提出具有地域性的评价体系。

海绵城市作为一项系统工程, 评价指标应涉及到城市水资源、灾害处理、生态保护等方面。海绵城市的评价体系主要有2个基本特点: (1) 综合性, 海绵城市建设包括规划设计、市政排水、水文学等领域, 因此要综合考虑各专业要求; (2) 地域性, 各地区水文情况不尽不同, 相应的与海绵城市有关的建设也会有所差异, 因此在建立指标体系时要遵循科学、综合、可度量等原则。

住建部发布的评价办法从水生态、水环境、水资源、水安全、制度建设及执行情况和显示度六个方面对海绵城市的建设成效进行评价, 鉴于其并未体现地区差异性且部分指标数据较难获取, 本文通过对海绵城市的现有理论以及国内外的海绵城市评价体系研究, 选取水安全、水环境、水生态、水资源四个方面识别出相应的水文评价指标并结合南方多雨地区的特点对指标的重要性程度进行区分。

海绵城市提出的主要目的就在于解决城市内涝问题, 有效控制雨水径流。近年来城市作为人口经济聚集地, 受日益加快的城镇化以及气候变化的影响, 城市内涝灾害频发, “城市看海”现象屡见不鲜。根据住房和城乡建设部发布的数据, 2008年至2010年期间, 213个城市经历了城市内涝, 占被调查城市的62%。我国南方位于多雨地区, 城市的内涝现象更为严重。仅2017年6月下旬, 南方就出现了6次暴雨过程, 其中湖南、广西、贵州遭受严重洪涝灾害。因此在南方地区解决城市内涝、加强城市排水系统建设则显得尤为重要。

“重地上, 轻地下”的城市发展使得我国的城市排水系统严重滞后, 设计标准偏低, 难以应对日益频发的强降雨事件, 在南方地区暴雨频发, 因此排水工程在该地区尤为重要。同时我国的城市化使得大量的非建设用地改为建设用地, 水泥、沥青等硬化路面的建设使得城市的不透水面积大大增加, 切断了雨水的下渗途径, 增大了地表径流从而增大了管网雨水流量以及管网负担。因此在水安全评价层面选取了下凹绿地率、不透水面率、降雨滞蓄率、防洪工程达标率、排水工程维护率、水面率等指标来反映。

住建部发布的指导意见中明确提出建设海绵城市就是要最大限度地减少城市建设对环境的负面影响。近年来随着城市废水和污水排放的增加, 水质污染现象也日趋严重。水利部公布的2016年水资源公报表明, I～III类湖泊的水质仅占总评估数的23.7%, 水功能水质符合水功能目标的仅占评估总数的58.7%。工业化的发展使得河流污染现象频发, 嘉陵江便是一个典型的例子。嘉陵江作为四川、重庆的重要饮用水源, 具有重大的生态意义。然而位于陕甘川交界的四川省广元市作为嘉陵江上中游分界点, 却连续三年发生上游输入型污染, 分别于2015年至2017年遭遇锑污染、柴油污染和铊污染, 严重影响了沿线居民的饮用水安全。

降雨消除了空气中酸性气体和工厂废气等污染气体, 由于屋顶和道路不断侵蚀, 后期雨水浓度明显低于初期, 加强初期雨水处理则可以减少雨水的处理总量, 大大增强雨水的处理效率。在南方地区, 地下水位较为稳定, 雨水渗透能力较差, 因此加强对年径流总量的控制可以有效减少径流污染, 特将年径流总量控制率归为水环境类别。对于年径流总量的控制不仅可以促进雨水下渗, 而且还可以通过低影响开发措施, 实现雨水的集蓄利用从而减少城市的面源污染。此外改善水质也是水环境的重要方面, 城市水质遭受污染将严重影响沿线居民的饮水安全, 大大增加城市的供水成本。因此, 在水环境评价层面选择了初期雨水处理率、年径流总量控制率、水功能区水质达标率等指标来反映。

海绵城市建设的另一目标则是加强河湖、湿地系统的保护和生态修复。湿地系统可以通过过滤、降解、吸收污染物质, 达到净化水质的目的, 同时还可以调节城市局部气候, 改善城市热岛效应。然而据国家林业局于2014年的湿地资源普查结果, 我国的湿地为5360.26万公顷, 占国土总面积5.58%, 低于世界平均水平, 且比上一次调查减少8.82%。同时, 大量的硬质护坡代替了城市内部原本的水边陆地, 严重破坏了水循环规律, 使得水生物多样性大量减少。研究表明, 采用生态护坡岸可以显著改善边坡的水土保持能力, 在满足传统护坡安全稳定的前提下, 还可以净化水质减少径流污染。而城市绿地不仅可以缓解城市热岛效应, 还可以过滤雨水污染物, 控制雨水径流。另外, 景观连通性作为绿色基础设施建设的主要内容, 在维护生态系统的稳定方面也起到了重要作用。因此在水生态评价层面选择了湿地保护率、生态坡岸率、建成区绿地率、景观连通性等指标来反映。

海绵城市也旨在储存、收集雨水, 最大限度地利用雨水资源。我国水资源的总量约为28000亿m³, 世界排名第六位, 然而我国人均量却不足2400m³, 远低于世界的平均水平。我国的水资源时空分布不均, 2016年统计显示, 我国南方四区的水资源总量为26874亿m³, 占全国水资源总量的82.8%。近年来城市用水需求的持续增长, 使得多数城市的地下水处于超采状态, 同时随着城市不透水面积的增加, 阻断了雨水的下渗, 这些因素导致了城市的地下水位逐年下降。另外城市废水和污水的排放, 也污染了地表水以及地下水, 这些情况使得南方城市供水成本增长, 水资源日趋枯竭。且与北方地区相比, 南方地区雨水资源丰富, 因此在水资源评价层面选择雨水资源的利用率和再生水利用率两个指标来反映。

通过前一节关于国内外海绵城市系统的研究, 结合中国南方城市目前的水文状况, 共筛选了十五个指标。将结果与住建部发布的水安全、水环境、水生态、水资源类指标进行对比, 如表1所示。

本文利用调查问卷来收集数据, 随后采用结构方程模型验证构建的评价体系。基于上述识别结果, 设计了指标重要性评估调查问卷。问卷主要包括两大部分, 第一部分包括对指标的主要说明, 以及本次调查问卷的一些意图;第二部分包括被调查者的基本信息, 以及被调查者依据自身知识和经验对指标重要性程度的评价。指标的重要性评级选择了五级李克特量表方法, 该方法将“很不重要”、“不重要”、“一般”、“重要”、“非常重要”分别设置为1、2、3、4、5分。

问卷主要针对在海绵城市、LID、水文学等相关领域有相应研究和项目经验的专家学者, 问卷共发放341份, 有效回收269份。

对有效回收问卷数据进行信度和效度分析, 如表2所示, 四个潜变量的Cronbach’s Alpha系数均满足大于0.7的要求, 且KMO的检验值符合大于0.5的要求, Bartlett球型度检验符合显著性要求。表明问卷的信度以及效度良好, 可以进行下一步分析。

结构方程模型 (SEM) 是一种多元变量统计分析技术, 用于建立估计和测试因果关系模型。近年来SEM常被用来进行因子分析, 分析过程主要包括五个阶段:模型设定、识别、估计、评价以及修正。SEM中变量间的结构关系主要通过路径系数体现, 路径系数越大表明该变量的影响程度越大。本文利用SEM验证南方地区海绵城市的评价指标体系。初始概念模型略。

采用AMOS21.0对模型进行拟合, 最终拟合结果如表3及图2所示, 各项指数均满足要求, 表明模型拟合度较好。最终得到南方多雨地区海绵城市各评价指标影响结果如表4所示。

水安全路径系数为0.82, 处于四类指标中的第一位, 这表明在南方多雨区域海绵城市建设的重要任务是解决城市的内涝问题, 维护城市的水安全。水安全类指标中降雨滞蓄率 (A₃) 和不透水面率 (A₅) 具有较大的路径系数, 因此有必要修建灰色调蓄设施以及改造城市道路系统, 使得城市的透水能力可以与当地降雨量相匹配。排水调蓄措施可以借鉴国外的优秀经验, 例如日本千叶县的雨水调蓄设施, 以及来自荷兰鹿特丹的下沉式市民休闲广场等。镇江是海绵城市试点, 自2010年起以降低城市不透水面率为目标的官塘新城以及生态示范区等规划陆续完成, 它采用雨水花园、渗透性路面和绿色屋顶等措施来改善城市的雨水储存和排水能力。

水生态的路径系数为0.67, 该类指标中路径系数最大的为景观连通性 (C₁) 。近年来我国城市发展过程中不透水面积的增加以及对地下水、河流的不合理开发, 使得城市的水文特征发生明显变化。低影响开发的宗旨是维持城市建设项目前后的水文特征, 因此在城市建设中采用一些LID措施可以构建完整的生态廊道, 从而维持城市生态系统的稳定。在整个海绵城市改造规划中, 镇江市优先考虑生态保护和LID概念, 通过建设排涝性雨水溢流口、下沉式绿地、生态草沟等措施来修复城市水生态系统, 提高城市水系统的自我调节能力。

水环境的路径系数为0.63, 该类指标中路径系数最大的为初期雨水处理率 (B₂) , 这表明加强初始雨水处理对缓解城市水污染至关重要。镇江市在对居民区及老校区进行海绵改造的过程中就采用“城建+海绵”理念, 在部分路段建设雨水花园和透水铺装, 使得雨水可以在介质土、砾石、植物的综合作用下取得初期净化效果, 从而减少雨水的径流污染。

水资源的路径系数为0.53, 小于其他三类指标, 这表明在南方多雨地区水资源相对较为丰富。然而随着城市发展的进程, 我国的水资源短缺问题也日趋严重, 因此即使是在水资源丰富的南方地区也需要加强对雨水以及再生水的利用。例如镇江市在对松盛花苑以及朝阳小区进行改造的过程中, 通过在屋顶设置落水口收集雨水, 这些收集到的雨水就可以进行再利用。

本文对国内外海绵城市研究进行理论分析, 并结合我国南方城市的特征, 从水安全、水环境、水生态以及水资源的角度出发筛选出15个指标, 构成南方海绵城市的评价体系。利用问卷调查对各指标的重要程度进行评价, 并构建结构方程模型进行验证。结果显示南方地区水安全的路径系数明显高于其他三类指标, 表明在南方地区海绵城市建设的重点应放在解决城市内涝、维护城市水安全方面。