如何理解海绵城市的概念？它在城市排水防涝建设中可以起到什么样的作用？
解读“海绵城市”的水文效应 “海绵城市”中的水体，称为海绵体。——人民日报 （链接高能预警）城市，让生活更勃起！ —— @布衣卿前言：去年我国住建部印发了《海绵城市建设技术指南-低影响开发雨水系统构建
如何理解海绵城市的概念？它在城市排水防涝建设中可以起到什么样的作用？ 解读“海绵城市”的水文效应
Fig.1 自然植被覆盖情况下空降兵分布示意图 (Modified from Growth and Water Resources EPA )
2. 城市化开发之后的水量平衡分析
2.1 城市化开发之后的水量平衡
在第一部分中，笔者分析了这片林地在自然状况下的水量平衡。现在由于城市的扩张，城乡结合部的这块林地被开发成了城市新区，原先的乔木、灌木和草类被高楼大厦、硬化路面和少许的绿化带替代。我们的研究对象还是那部分从地面流到河里的水量，也就是图4中提到的“胜利逃亡”的空降兵。
Fig.4 城市化开发后空降兵分布示意图 (Modified from Growth and Water Resources EPA )
对比Fig. 1 and Fig. 4, 地面最大的变化就是：树林、草地和裸露土壤被高楼大厦和硬化路面所代替，于是本来可以阻挡和困住“空降兵”的条件基本消失殆尽。空降兵落地之后可以快速地经屋顶和路面顺利抵达河流中，实现胜利大逃亡；只有少量的空降兵被绿地和城市水体困住，落入陷阱或者战败被俘。从定量的角度考虑，不同程度的城市化的开发对空降兵的分布数量有什么影响呢？
Fig. 5展示了不同程度的城市化进程中的水量平衡。我们首先关注重点研究对象——胜利逃亡的空降兵(Runoff)。随着城市化进程的增加，胜利逃亡的士兵越来越多，高强度开发强度下的胜利逃亡的占比为55%，比自然状况下的胜利逃亡数量增加四倍还多；也就是说，如果将一片林地开发成CBD，该区域将增加四倍多的地面径流！这部分突增的地面径流会造成很多问题，我们下文再详细讨论。
其次，如果水量是平衡的，有增就有减。从Fig. 5中可以看出，战败被俘和落入陷阱的空降兵数量大大减少——这是因为城市化之后，地面大部分都是屋顶和硬化路面，降水很难渗入土壤中，所以入渗的水量大大减少。
Fig. 5 Water balance in different scenarios of urbanization degrees (Modified from Growth and Water Resources EPA )
2.2 城市化之后的水文过程分析
城市化的发展不仅会对水量产生影响，城市硬化路面的增加对水文过程也会产生影响。对比图6中的城市化开发前后的降雨径流过程线，我们可以明显看出城市化对降雨径流的两大影响：
3 城市化对降雨径流的负面影响及传统应对策略
虽然城市化的高楼大厦对降雨径流有明显的负面影响，但是我们目前看来，城市化的进程是不可避免的，所以我们需要解决城市中降雨径流增大的引发的问题。传统的应对策略是“另辟蹊径”：
然而，问题并没有这么简单。由于城市地下空间紧张、排水管网造价较高、管理不善造成的淤堵以及城市规划的不足等等原因，某些城市的市政管网能力较弱，碰到小雨倒还罢了，万一遇到暴雨甚至大暴雨，城市就“一秒”变成了海洋，居民出行困难，甚至淹死人都时有耳闻。(不好意思，笔者没有在说帝都，图7也不是帝都的照片 (匿~~) )
图7 某市看海图(Source: eastday.com 的页面)
城市径流不仅会造成雨量上的影响，也会对水质产生污染。城市的屋顶和路面上有大量的泥沙、枯枝落叶、油脂、沉降污染物等等，雨水径流会冲刷屋顶和路面，携带大量的污染物流入河流、湖泊等水体中；同时，我国很多城市还没有实现“雨污分流”，大量的较为干净的雨水与生活污水混在一起，既增加了污水总量，又增大了污水处理难度。
总而言之，我国现阶段由于城市化的发展带来的雨水问题愈来愈引起人们的重视，在传统的排水系统无法抵御暴雨甚至大暴雨的“洗礼”背景下，人们将视野转向世界上非常流行的“低影响开发”( Low Impact Development, LID)，试图用这个技术来缓解甚至解决城市化中的排洪除涝和水质污染问题。
3. 低影响开发的主要思想和应用举例
3.1 低影响开发的指导思想
低影响开发是一种旨在尽量减少土地利用类型的改变对雨水径流产生影响的技术思想(Source: Low Impact Development (LID))。再次翻译一下，就是说既然土地利用类型一定要发生改变，例如农田开发成商业区或者工业园区，我们也要尽量保证开发后的雨水径流接近自然状况下的雨水径流。例如图8中所示，城市化开发之后，雨水径流过程肯定会受到影响；LID的思想就需要尽可能减少城市化开发的影响，以期开发后的流量过程与开发前没有变化。
图8 自然状况下、城市化开发后和低影响开发后的降雨径流过程线 (Modified from Hydrology & Hydraulics ) Note：LID的流量过程为示意图。
由于上文中提到，城市化的发展会对雨水径流的总量和过程产生影响，包括：
3.2 低影响开发应用举例
鉴于低影响开发在国外已经发展了数十年，形成了一整套的评价体系和应用技术，而本文篇幅有限，笔者无法详细的回溯低影响开发的形成过程，于是本文中将以“雨水花园”为例，大致介绍低影响开发的实际应用。
雨水花园(Rain Garden)， 又称生物滞留池(Bioretention)，是一种结合了景观设计与污染治理的新技术，主要依靠土壤和土壤中生活的生物来净化雨水水质。下图是一张典型的雨水花园的设计图,其中有三个重要的参数：雨水花园的面积、雨水花园的积水深度以及雨水花园中的渗透系数。容笔者一一进行分析。
图 9 雨水花园设计示意图(Modified from: City of Durham)
首先，在目标区域需要有一块可供建设雨水花园的绿地，要求地面平坦，可以顺利接纳来自屋顶或者道路的雨水径流；
然后，雨水花园的土壤需要测定一下渗透系数，如果当地土壤渗透性较差，需要进行换土或者掺杂一些介质来增加渗透性——这一步是为了增加土壤渗透能力；
其次，根据需要来开挖一定深度的土坑，这个深度非常重要。
最后，雨水花园需要种植一些适宜的植物，不仅具有美观作用， 也可以辅助净化水质。
补充，还有一种雨水花园是排水型，即雨水花园的底部安装了一根或数根排水管。排水型的雨水花园与本文中介绍的入渗型雨水花园原理类似，不再赘述。
4. 总结(Take-home points)
PS:最后吐个槽，知乎上有几个水利方向的月经贴：
水利行业只有十年的发展期，以后的水利人怎么办？
水文专业的就业前景怎么样?
急求前辈现身，水利专业的前景是不是不太好？ etc
笔者每次看到这些问题都吐槽无能，关于水的研究和应用方向太多太多，每一个方向吃透了都能大显身手；不说家财万贯，最起码吃喝无忧。所以笔者奉劝很多忧心忡忡的师弟师妹们，好好学习专业知识，最起码水文的同学们可以用城市水文学的知识在海绵城市的大规模建设中分一杯羹！
The end, thanks for reading.
---------------版权声明-----------------
1. 笔者对所有的回答和专栏均拥有所有版权，引用内容除外。
2. 笔者允许从此网站的“分享”链接分享至微博或者朋友圈等个人分享行为。
3. 除知乎及相关产品外，笔者不允许，除个人分享外，任何转载或者分享，包括但不限于微博和微信的营销账号、各种非营利组织、各种大学的微信和微博的官方账号等组织转载和分享。
4. 如果某组织未经许可分享笔者的内容，那么该组织也默认接受了“千字千元”的计酬标准，其中原创图片折算成百字。无论是营利或者非营利组织，均需支付稿费。
5. 任何转载均不得删除此版权声明。
“海绵城市”中的水体，称为海绵体。——人民日报 （链接高能预警）
城市，让生活更勃起！ —— @布衣卿
前言：去年我国住建部印发了《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》)，旨在全国范围内建设“自然积存、自然渗透、自然净化”的“海绵城市”。今天笔者试图从城市水文学的角度，解读一下海绵城市在城市防洪排涝中可能起到的作用。为了辅助理解，本文会从自然情况下的水文过程出发，探讨城市建设对水文过程的负面影响，最后探讨相应治理措施的机理。考虑到不同读者的知识背景和教育水平，笔者将读者预设为初中文化水平，即初中生基本能够看懂本文。文中可能会有一些示意图，比喻等写作手法，请专业人士们轻拍~~
1. 自然植被情况下的水量平衡
首先明确研究对象：某地城乡结合部有一块正方形林地，林地旁边有条小河经过。林地中生长不同种类的植物，包括草类、灌木和乔木等等；林地的表面也不是平坦的，存在一定的低洼地。当林地发生降雨时，一部分降雨会从地面流到河里。我们的研究对象就是那部分从地面流到河里的水量。
我们可以将降雨中的雨滴假想成空降兵，这些空降兵的战斗目标是最快时间内行军到林地中的河流里。假设一大群空降兵在林地上空均匀的空降，每个地方空降的士兵数量相同；实施伞降之后，那些空降兵会面对什么样的命运呢？开一下脑洞：
- 战死沙场：由于种种原因，空降兵会发生一定程度的减员，包括被敌军杀死、被杀俘等战斗减员，以及降落伞故障死亡、挂在树上等非战斗减员。
- 战败被俘：一部分空降兵会在地面遭遇敌方士兵，如果空降兵的数量大于敌兵，空降兵会战胜脱困；如果空降兵数量小于敌兵，空降兵将会不幸战败被俘。
- 落入陷阱：林地地面上有一些深坑之类的陷阱，一些空降兵落地后直接被陷阱困住直到战斗结束。落入陷阱与战败被俘的区别是，落入陷阱后还有可能逃脱，而被俘后逃脱概率较小。
- 胜利逃亡：如果空降兵数量足够多，总有一部分空降兵顺利降落地表，沿着地表行进至河流中。在本文中，这部分“胜利逃亡”的空降兵是我们的主要研究对象。
Fig.1 自然植被覆盖情况下空降兵分布示意图 (Modified from Growth and Water Resources EPA )
现在问题来了，如果空降了100个空降兵，有多少能够胜利逃亡到指定地点呢？根据U.S. EPA(美国环保局)的一项调查显示，在自然状况下只有10个空降兵可以通过地表到达指定地点，剩下的空降兵都损耗在空降后的行军过程中。
图2 自然植被覆盖情况下空降兵分布数量 (Modified from Growth and Water Resources EPA )
在实际生活中，我们不仅关注多少空降兵可以到达指定地点，同时也关心空降兵们的到达时间。也就是说，我们不仅关注“数量”，也关注“时间”。首先，由于林地各处的情况不同，空降兵的行军速度不同；其次，每个空降兵距离集合地点的距离也不同，如果空降兵们同时出发，我们在集合点观察，每小时有多少空降兵到达集结点呢？
由于产汇流计算过程非常复杂，笔者在这里直接用实际数据来讲解。图3是一个实际情况中的雨水径流过程图。根据我们的假设，如果飞机投放三次空降兵之后，空降兵们开始从不同地点以不同速度向制定目标前进，每小时到达指定地点的空降兵数量先升后降，存在一个极大值，称之为洪峰(Peak)。由于本文考虑的是城市防洪排涝，我们重点关注空降兵到达数量的最大值以及这个最大值出现的时间，也就是图3中的洪峰流量和峰现时间。
图3 自然状况下的降雨径流过程线 (Modified from Hydrology & Hydraulics )
到现在为止，笔者已经介绍了自然状况下水文过程的几大要点，包括：
- 水量平衡
- 地表径流量
- 雨水径流过程线
2. 城市化开发之后的水量平衡分析
2.1 城市化开发之后的水量平衡
在第一部分中，笔者分析了这片林地在自然状况下的水量平衡。现在由于城市的扩张，城乡结合部的这块林地被开发成了城市新区，原先的乔木、灌木和草类被高楼大厦、硬化路面和少许的绿化带替代。我们的研究对象还是那部分从地面流到河里的水量，也就是图4中提到的“胜利逃亡”的空降兵。
Fig.4 城市化开发后空降兵分布示意图 (Modified from Growth and Water Resources EPA )
对比Fig. 1 and Fig. 4, 地面最大的变化就是：树林、草地和裸露土壤被高楼大厦和硬化路面所代替，于是本来可以阻挡和困住“空降兵”的条件基本消失殆尽。空降兵落地之后可以快速地经屋顶和路面顺利抵达河流中，实现胜利大逃亡；只有少量的空降兵被绿地和城市水体困住，落入陷阱或者战败被俘。从定量的角度考虑，不同程度的城市化的开发对空降兵的分布数量有什么影响呢？
Fig. 5展示了不同程度的城市化进程中的水量平衡。我们首先关注重点研究对象——胜利逃亡的空降兵(Runoff)。随着城市化进程的增加，胜利逃亡的士兵越来越多，高强度开发强度下的胜利逃亡的占比为55%，比自然状况下的胜利逃亡数量增加四倍还多；也就是说，如果将一片林地开发成CBD，该区域将增加四倍多的地面径流！这部分突增的地面径流会造成很多问题，我们下文再详细讨论。
其次，如果水量是平衡的，有增就有减。从Fig. 5中可以看出，战败被俘和落入陷阱的空降兵数量大大减少——这是因为城市化之后，地面大部分都是屋顶和硬化路面，降水很难渗入土壤中，所以入渗的水量大大减少。
Fig. 5 Water balance in different scenarios of urbanization degrees (Modified from Growth and Water Resources EPA )
2.2 城市化之后的水文过程分析
城市化的发展不仅会对水量产生影响，城市硬化路面的增加对水文过程也会产生影响。对比图6中的城市化开发前后的降雨径流过程线，我们可以明显看出城市化对降雨径流的两大影响：
- 增加洪峰流量
- 缩短峰现时间
3 城市化对降雨径流的负面影响及传统应对策略
虽然城市化的高楼大厦对降雨径流有明显的负面影响，但是我们目前看来，城市化的进程是不可避免的，所以我们需要解决城市中降雨径流增大的引发的问题。传统的应对策略是“另辟蹊径”：
不是说雨水无法入渗嘛，我们在地面开几个口，买几根管子，直接通到河里，雨水不就直接流到河里去了，地面也没有积水，问题解决了~~~ ^-^ ^-^
然而，问题并没有这么简单。由于城市地下空间紧张、排水管网造价较高、管理不善造成的淤堵以及城市规划的不足等等原因，某些城市的市政管网能力较弱，碰到小雨倒还罢了，万一遇到暴雨甚至大暴雨，城市就“一秒”变成了海洋，居民出行困难，甚至淹死人都时有耳闻。(不好意思，笔者没有在说帝都，图7也不是帝都的照片 (匿~~) )
图7 某市看海图(Source: eastday.com 的页面)
城市径流不仅会造成雨量上的影响，也会对水质产生污染。城市的屋顶和路面上有大量的泥沙、枯枝落叶、油脂、沉降污染物等等，雨水径流会冲刷屋顶和路面，携带大量的污染物流入河流、湖泊等水体中；同时，我国很多城市还没有实现“雨污分流”，大量的较为干净的雨水与生活污水混在一起，既增加了污水总量，又增大了污水处理难度。
总而言之，我国现阶段由于城市化的发展带来的雨水问题愈来愈引起人们的重视，在传统的排水系统无法抵御暴雨甚至大暴雨的“洗礼”背景下，人们将视野转向世界上非常流行的“低影响开发”( Low Impact Development, LID)，试图用这个技术来缓解甚至解决城市化中的排洪除涝和水质污染问题。
Note: 由于本题主要针对海绵城市对“城市防洪排涝”方面的影响，水质问题不会深入展开，如果大家有兴趣会抽时间深入探讨雨水处理与回收利用方面的问题。
3. 低影响开发的主要思想和应用举例
3.1 低影响开发的指导思想
低影响开发是一种旨在尽量减少土地利用类型的改变对雨水径流产生影响的技术思想(Source: Low Impact Development (LID))。再次翻译一下，就是说既然土地利用类型一定要发生改变，例如农田开发成商业区或者工业园区，我们也要尽量保证开发后的雨水径流接近自然状况下的雨水径流。例如图8中所示，城市化开发之后，雨水径流过程肯定会受到影响；LID的思想就需要尽可能减少城市化开发的影响，以期开发后的流量过程与开发前没有变化。
图8 自然状况下、城市化开发后和低影响开发后的降雨径流过程线 (Modified from Hydrology & Hydraulics ) Note：LID的流量过程为示意图。
由于上文中提到，城市化的发展会对雨水径流的总量和过程产生影响，包括：
- 降低土壤渗透能力
- 增大雨水径流总量
- 增加洪峰流量
- 缩短峰现时间
- 增加土壤渗透能力
- 减少雨水径流总量
- 削减洪峰流量
- 延长峰现时间
3.2 低影响开发应用举例
鉴于低影响开发在国外已经发展了数十年，形成了一整套的评价体系和应用技术，而本文篇幅有限，笔者无法详细的回溯低影响开发的形成过程，于是本文中将以“雨水花园”为例，大致介绍低影响开发的实际应用。
雨水花园(Rain Garden)， 又称生物滞留池(Bioretention)，是一种结合了景观设计与污染治理的新技术，主要依靠土壤和土壤中生活的生物来净化雨水水质。下图是一张典型的雨水花园的设计图,其中有三个重要的参数：雨水花园的面积、雨水花园的积水深度以及雨水花园中的渗透系数。容笔者一一进行分析。
图 9 雨水花园设计示意图(Modified from: City of Durham)
首先，在目标区域需要有一块可供建设雨水花园的绿地，要求地面平坦，可以顺利接纳来自屋顶或者道路的雨水径流；
然后，雨水花园的土壤需要测定一下渗透系数，如果当地土壤渗透性较差，需要进行换土或者掺杂一些介质来增加渗透性——这一步是为了增加土壤渗透能力；
其次，根据需要来开挖一定深度的土坑，这个深度非常重要。
- 第一，土坑中可以积蓄一部分雨水径流，减少流到路面的雨水——减少雨水径流总量；
- 第二，在降雨刚开始时，雨水会优先蓄满雨水花园的凹陷处，蓄满之后才会流出雨水花园产生地表径流——延长峰现时间；
最后，雨水花园需要种植一些适宜的植物，不仅具有美观作用， 也可以辅助净化水质。
补充，还有一种雨水花园是排水型，即雨水花园的底部安装了一根或数根排水管。排水型的雨水花园与本文中介绍的入渗型雨水花园原理类似，不再赘述。
笔者曾经的一篇专栏中有一些雨水花园的实例照片，请移步查看，多图预警！
“美貌”与“智慧”并存的雨水花园（多图） - 每周学点土壤知识 - 知乎专栏
4. 总结(Take-home points)
- 城市化的发展会对雨水径流的总量和过程产生影响，包括：
- 降低土壤渗透能力
- 增大雨水径流总量
- 增加洪峰流量
- 缩短峰现时间
- 低影响开发是一种旨在尽量减少土地利用类型的改变对雨水径流产生影响的技术思想；
- 雨水花园是一种“美貌”与“智慧”并存的最佳管理措施(BMPs)；
- 海绵城市作为城市开发和建设思想转变的标志，具有很深远的影响。
PS:最后吐个槽，知乎上有几个水利方向的月经贴：
水利行业只有十年的发展期，以后的水利人怎么办？
水文专业的就业前景怎么样?
急求前辈现身，水利专业的前景是不是不太好？ etc
笔者每次看到这些问题都吐槽无能，关于水的研究和应用方向太多太多，每一个方向吃透了都能大显身手；不说家财万贯，最起码吃喝无忧。所以笔者奉劝很多忧心忡忡的师弟师妹们，好好学习专业知识，最起码水文的同学们可以用城市水文学的知识在海绵城市的大规模建设中分一杯羹！
The end, thanks for reading.
---------------版权声明-----------------
1. 笔者对所有的回答和专栏均拥有所有版权，引用内容除外。
2. 笔者允许从此网站的“分享”链接分享至微博或者朋友圈等个人分享行为。
3. 除知乎及相关产品外，笔者不允许，除个人分享外，任何转载或者分享，包括但不限于微博和微信的营销账号、各种非营利组织、各种大学的微信和微博的官方账号等组织转载和分享。
4. 如果某组织未经许可分享笔者的内容，那么该组织也默认接受了“千字千元”的计酬标准，其中原创图片折算成百字。无论是营利或者非营利组织，均需支付稿费。
5. 任何转载均不得删除此版权声明。
责任编辑：
