王夏青^1,2, 孙思远¹, 杨萍¹, 邹小燕¹, 易巧梅¹, 彭保发^,1,2, 许建伟¹1. 湖南文理学院资源环境与旅游学院,常德 415000
2. 洞庭湖生态经济区建设与发展湖南省协同创新中心,常德 415000

Evaluation on ecological effects under the sponge city construction at the Chuanzi River catchment in the Changde city, China

WANG Xiaqing^1,2, SUN Siyuan¹, YANG Ping¹, ZOU Xiaoyan¹, YI Qiaomei¹, PENG Baofa^,1,2, XU Jianwei¹1. College of Resources and Environment and Tourism, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, Hunan, China
2. Hunan Province Cooperative Innovation Center for the Construction & Development of Dongting Lake Ecological Economic Zone, Changde 415000, Hunan, China;

通讯作者: 彭保发(1963-), 男, 湖南桃源人, 博士, 教授, 主要从事区域生态服务评价研究。E-mail: pengbaofa@163.com

收稿日期:2019-01-21修回日期:2019-10-10网络出版日期:2019-10-25

基金资助:

国家自然科学基金项目.No.41471114 湖南省社科评审委员会重大课题.No.XSP17ZDA002 湖南文理学院博士科研启动基金项目.No.E07017015

Received:2019-01-21Revised:2019-10-10Online:2019-10-25

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China.No.41471114 Key Project of Hunan Provincial Social Science Achievement Review Committee.No.XSP17ZDA002 PhD Research Startup Foundation of Hunan University of Arts and Science.No.E07017015

作者简介 About authors
王夏青(1986-),男,山西昔阳人,博士,讲师,主要从事流域侵蚀与生态环境演变研究E-mail:wangxq1517@hotmail.com。









摘要
海绵城市建设被认为是解决城市内涝、水污染和水资源短缺、热岛效应等问题的有效途径之一。中国自2015年起共确立30个海绵城市建设试点城区,为今后海绵城市建设在全国范围的推广提供示范。基于实地调研、查阅资料并对比分析穿紫河流域海绵城市建设前后的水文、植被和气候等自然要素变化。结果表明：常德市城市内涝有效缓解,但在暴雨发生时局部仍出现积水和内涝现象;穿紫河水质总体上由劣Ⅴ类转变为Ⅲ类,但在冬季周期性恶化及污染物富集;穿紫河流域生物多样性显著增加,同时也表现出植物种类单一、具有环境净化功能的植物种类较少、生态系统不完整和管理不善等问题;常德市夏季的热岛效应有一定程度缓解。常德市2004-2019年的海绵城市建设显著提升了穿紫河流域的生态效应,为该地区的社会经济发展和人居环境改善提供了重要的生态基础,也为合理评价其他试点城区海绵城市建设效果提供借鉴。
关键词： 海绵城市;城市内涝;热岛效应;生态效应;穿紫河流域;常德市

Abstract
Sponge city construction (SCC) is regarded as one of the effective ways to solve the urbanization problems in China, such as waterlogging, water pollution, water shortage and heat island. Since 2015, a total of 30 pilot cities had been set up as sponge cities for providing the models of a nationwide SCC in the future. Nevertheless, the studies about the SCC mainly concentrated on its concept, planning and goal in some pilot cities, few are known about the changes of the ecological effects under the SCC. As the first city in China to accept the sponge city concept and put it into practice, the Changde city, Hunan province, with the Chuanzi River catchment as the study area, provides the ideal area to evaluate the ecological effects under the SCC in China due to a longer SCC history over the period of 2004-2019. In this study, the ecological effects under the SCC in this catchment were analyzed based on field investigation and the comparsion of the measured data of hydrology, vegetation, and temperature before and after the SCC. The results showed that the SCC effectively alleviated the waterlogging in the Changde city, but some waterlogging sites still presented at the different areas in the catchment under the rainstorm. Meanwhile, the water quality in the Chuanzi River had been generally improved from bad Ⅴ to Ⅲ grade, but there was periodically deterioration due to the pollutants enrichment in the water during the winter seasons, which were the results from both closed water system and low temperature environment. In addition, the biodiversity in the catchment had significantly increased, but it also showed some existing problems at the same time including single plant species, few plants with environmental purification functions, incomplete ecosystem and poor management. Besides, the SCC had alleviated the heat islands in summer in the Changde city to some extents. As a result, the SCC over the period of 2004-2019 in the Changde city has significantly improved the ecological effects at the Chuanzi River catchment, which provides an important ecological basis for the socio-economic development and the improvement of the living environment in this area, and provides the reference for the reasonable evaluation on the SCC effects in other pilot cities in China.
Keywords：Sponge city;waterlogging;heat island;ecological effect;Chuanzi River catchment;Changde city


PDF (5318KB)元数据多维度评价相关文章导出EndNote|Ris|Bibtex收藏本文
本文引用格式
王夏青, 孙思远, 杨萍, 邹小燕, 易巧梅, 彭保发, 许建伟. 海绵城市建设下的生态效应分析——以常德市穿紫河流域为例. 地理学报[J], 2019, 74(10): 2123-2135 doi:10.11821/dlxb201910012
WANG Xiaqing. Evaluation on ecological effects under the sponge city construction at the Chuanzi River catchment in the Changde city, China. Acta Geographica Sinice[J], 2019, 74(10): 2123-2135 doi:10.11821/dlxb201910012

1 引言

城市（镇）化进程的快速推进及极端气候灾害频发,使中国部分城市的内涝、水体污染、水资源短缺、热岛效应等问题日益突出^[1,2],严重影响了城市社会经济等方面的健康发展。海绵城市建设是解决上述问题最为科学、有效、经济的途径之一,被认为是中国城市当前发展转型的重要形式^[3,4,5,6]。中国的“海绵城市”一词首次出现于2009年的《水城常德—常德市江北区水敏性城市发展和可持续性水资源利用框架》中。随后,“海绵城市”概念在2013年的《中央城镇化工作会议》中正式提出,2014年住建部、财政部和水利部联合发行《海绵城市建设技术指南》,并于2015年和2016年在全国范围设立30个海绵城市试点城区^[6,7]。如今,优越的社会经济条件和大额资金的配套投入使得国内众多城市兴起了海绵城市建设浪潮。在此背景下,相关****分析了中国海绵城市建设的机遇和挑战^{[8,9,10,11,12,13]}。Xia等^[6]提出海绵城市建设虽是解决中国城市水问题的有效途径之一,但当前主要局限于源头控制措施的低影响开发（LID）方法而未考虑流域整体景观的关键功能,且需整合多学科方法及技术改进。Nguyen等^[14]进一步系统性地评价了海绵城市建设的适应性及发展历程,并提出了当前海绵城市建设障碍及未来的改进意见。

类似于国外城市雨水管理系统,如美国的最佳管理措施（BMPs）和低影响开发技术（LID）^[15]、澳大利亚的水敏感城市设计（WSUD）、英国的可持续城市排水系统（SuDS）^[16],中国的“海绵城市”是新一代城市雨洪管理概念,具体指城市在适应环境变化和应对自然灾害（暴雨和洪涝等）等方面具有良好的“弹性”。其本质是通过控制雨水径流,使其地表径流过程尽可能达到开发前的自然状态,即恢复“海绵体”,从而实现修复水生态、涵养水资源、改善水环境、提高水安全、复兴水文化5个目标。海绵城市建设理念可概括为六字方针,即“渗、滞、蓄、净、用、排”^[6]。国内外对海绵城市的研究主要集中于海绵城市建设的内涵及目标、功能及意义、理念及规划及其建设技术等方面^{[4, 8-10]},但对其带来的生态效应等方面的研究较为少见^[13,14]。随着国内试点城区海绵城市建设进入验收阶段,关于海绵城市的最新研究热点逐渐转向其功效的模拟及其对当地环境的影响^{[17,18,19,20,21,22]}。例如,Zhou等^[18]基于MIKE FLOOD模型评估自2015年起海绵城市建设的湖南凤凰县城中所有建设设施对雨水的控制效果,表明当地的渗透和储存措施虽能减少但不能完全消除该地的城市内涝。Hou等^[21]利用SWMM模型和GIS、遥感影像全面模拟了2016年起海绵城市建设下宁夏银川市的生态暴雨过程,表明当地的建设设施有效削弱了暴雨径流、热岛效应和污染物富集。然而,基于实测数据的海绵城市建设下的生态效果分析更为欠缺,其主要原因在于各试点城区较短的建设时间（自2015年）和验收阶段（自2018年）难以提供充足的相关数据。

地处西洞庭湖区的湖南省常德市是中国海绵城市建设的首批试点城区之一,也是国内最早提出“海绵城市”概念的区域。常德市位于亚热带季风区,地势平坦且水系复杂,水面率高达17.6%。穿城而过的沅江及其支流均具有峰高量大、水旱夹击等特征,洪涝灾害频发,城市内涝及水体污染严重,严重影响了常德市生态、社会、经济的健康发展。针对上述问题,常德市政府早在2004年就与德国汉诺威政府、德国汉诺威水协、荷兰乌得勒支政府及湖南省建设厅合作,以常德市穿紫河流域为治理对象向欧盟申请并开展了城市河流污染治理环境对话项目,是中国最早认可海绵城市理念并付诸于实践的先行城市^{[7, 23-25]}。因此,常德市穿紫河流域是基于实测数据分析海绵城市建设下生态效应的最佳区域。

本文选取洞庭湖区常德市穿紫河流域为研究对象,在充分调研和数据分析的基础上,全面对比该流域海绵城市建设前后的水文、植被和气候等生态要素变化,明确该流域海绵城市建设效果及其所带来的生态效应,进而为该流域海绵城市的评价体系建设提供科学依据,同时也为不同流域和城区的海绵城市建设及评价提供借鉴。

2 研究区概况

穿紫河流域地处常德市江北城区内,是沅江的一级支流（图1）。穿紫河西起竹叶港,东至南睧,呈“Y”字型分布,其东西两头与沅水一堤之隔,东北角与19.76 km2的柳叶湖相通。目前,穿紫河共长约17.3 km,流域面积为27.97 km2,相对落差约为32 m。该流域属典型亚热带季风气候区,年平均气温17.0 ℃,年平均降水量1293.1 mm,且降水时空分布不均,主要集中于4-9月间。洪涝灾害是该流域最主要的自然灾害,且频率约为1年一遇。该流域属西洞庭湖平原区,地势平坦,土壤类型为南方典型红土,土壤透水性低。穿城而过的穿紫河是常德市中心城区的重要水系,其水文、生态状况等直接影响常德市的城市安全和生态文明建设（图1）。

图1

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图1常德市穿紫河流域地理位置示意图及海绵城市建设点分布

Fig. 1The geographic position of the Chuanzi River catchment and the distribution of the sponge city construction sites in the Changde city



21世纪初期,常德市城区向北逐步扩大至穿紫河流域,其部分河道被填埋且被分割成多段水体（图2a）。为防止洪涝灾害,在原穿紫河两岸修筑混凝土为主体的防洪堤,堤高约为34.6 m。然而,由于城市排水系统不合理和不完善,雨水及生活污水直接排入河流,且无上游天然来水,早期的穿紫河流域总体表现为自然功能丧失、水污染严重、水系不完整、路河矛盾突出且生态系统遭到破坏等特征。穿紫河逐渐变成了一条黑臭河,严重影响常德市区的形象定位和快速发展^[26]。

图2

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图22006年和2018年常德市穿紫河流域的土地利用方式分布

Fig. 2The land use at 2006 (a) and 2018 (b) at the Chuanzi River catchment in the Changde city



为治理穿紫河日益恶化的生态环境和促进城市经济文化的良性发展,常德市政府自2004年起与德国汉诺威政府、德国汉诺威水协、荷兰乌得勒支政府及湖南省建设厅合作。在欧盟资助的城市河流污染治理环境对话项目下,通过源头减排、过程控制、系统治理的综合方案布局,以穿紫河流域为核心,整体设置水系绿带、滨水建筑区、道路和休闲公园等的大海绵城市建设体系。至2009年逐步完成该流域的水系河道清淤、岸线硬化工程、沅江补水工程,并全面规划该流域生态廊道及大海绵城市建设框架。至2014年在穿紫河主河道逐步改造和建设了沿线泵站、调蓄池、生态滤池、生态浮岛等海绵城市设施,以船码头泵站改造为示范点（图1~3）,实现对入河水体的收集、污染物过滤和净化等。在海绵城市试点建设期（2015-2017年）,主要进行流域周边公园、小区及各单位等中海绵城市设施的改造,如雨水花园、植草沟、绿色屋顶等（图3）,从源头控制水体及污染物的排放。至今,穿紫河流域的海绵城市建设已步入后期验收和维护阶段。

图3

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图3常德市穿紫河流域海绵城市建设设施示例照片

Fig. 3The pictures of the sponge city facilities at the Chuanzi River catchment in the Changde city

3 研究方法与数据获取

通过对穿紫河流域的实地考察,重点调研常德市环境保护局在该流域的典型断面,了解和掌握穿紫河河道的现有状况,包括河道形状、修建材质、植被状况等。穿紫河河道经海绵城市建设由原先的水泥堤坝改造为生态驳岸,河岸标高由34.6 m降低为32.6 m,但设计洪水水位由30.6 m上升为31.6 m,河道蓄水量总体增加了1.3×10⁶ m³,防洪和蓄水能力经海绵城市建设显著提升。在此基础上,查询并整理穿紫河流域城市内涝、水质、植物种类、夏季气温等数据,进而评估该流域海绵城市建设前后的水文、植被和气候效应。

穿紫河流域2016年1月-2019年4月间的水质类别及主要污染物来源于常德市环境保护局实测的相关数据（表1）,并从德国汉诺威水协驻常德办和常德市海绵办获取穿紫河流域在海绵城市建设前后的城市内涝、植被等详细信息。最后,筛选和整理常德市、株洲市、邵阳市和衡阳市1989-2018年6-9月间逐月的平均气温数据,以期明确穿紫河流域海绵城市建设对常德市热岛效应的影响。

Tab. 1
表1
表12016年1月-2019年4月间穿紫河的水质类型及主要污染物
Tab. 1The water quality types and main pollutants in the Chuanzi River from January 2016 to April 2019

时间	水质类型	超标污染物	时间	水质类型	超标污染物	时间	水质类型	超标污染物
2016.01	Ⅴ	总磷	2017.03	Ⅱ	无	2018.05	Ⅲ	无
2016.02	Ⅴ	COD	2017.04	Ⅲ	无	2018.06	Ⅲ	无
2016.03	劣Ⅴ	氨氮	2017.05	Ⅲ	无	2018.07	Ⅲ	无
2016.04	Ⅴ	总磷	2017.06	Ⅲ	无	2018.08	Ⅲ	无
2016.05	劣Ⅴ	总磷	2017.07	Ⅲ	无	2018.09	Ⅲ	无
2016.06	劣Ⅴ	总磷	2017.08	Ⅲ	无	2018.10	Ⅳ	溶解氧
2016.07	Ⅴ	总磷	2017.09	Ⅲ	无	2018.11	Ⅳ	溶解氧
2016.08	劣Ⅴ	COD	2017.10	Ⅳ	总磷	2018.12	Ⅴ	氨氮
2016.09	Ⅳ	无	2017.11	Ⅴ	氨氮	2019.01	劣Ⅴ	氨氮
2016.10	Ⅱ	无	2017.12	Ⅴ	氨氮	2019.02	Ⅲ	无
2016.11	Ⅲ	无	2018.01	Ⅴ	氨氮	2019.03	Ⅲ	无
2016.12	Ⅲ	无	2018.02	Ⅲ	无	2019.04	Ⅳ	氨氮
2017.01	Ⅱ	无	2018.03	Ⅳ	氨氮
2017.02	Ⅱ	无	2018.04	Ⅲ	无

新窗口打开|下载CSV

4 结果与讨论

4.1 海绵城市建设下的水文效应

4.1.1 城市内涝现象 城市内涝形成的主要原因是在强降水作用下由于硬质下垫面和不良的排水系统导致水体在某点汇集,严重威胁人财安全。海绵城市建设的主要目的之一即为有效消除城市内涝现象^{[6, 9, 17-19]}。2014年住建部发行的《海绵城市建设指导准则》要求城市排水系统至少确保当地30年一遇的24 h降水在海绵城市建设区无积水和内涝。在此基础上,各试点根据当地的气候及水文特点,制定海绵城市建设的排水防涝专项规划。常德市海绵城市示范区要求雨水管渠及泵站保证2年一遇重现期的降雨时,地面不积水;排水防涝系统保证的24 h降水量时,城市不发生内涝灾害;发生超过30年一遇的降雨时,城市运转基本正常且不得造成重大财产损失和人员伤亡。

根据德国汉诺威水协驻常德办对穿紫河流域的前期调查,该流域在2004年暴雨发生时共有约32个内涝点,说明在海绵城市建设前穿紫河流域排水系统不完善,内涝问题频发,严重影响当地居民生活和城市发展。在穿紫河河道清淤及岸线硬化和修整后,该流域在2012年暴雨发生时减至19个内涝点。随着泵站和调蓄池、生态滤池及透水路面等在2014年的逐步改造和建设,该流域又进一步消除了3个内涝点。进入试点建设期,海绵城市设施建设逐步在径流源头（小区、公园等）开展,流域内涝点大幅减少。2016年7月1-2日的连续暴雨,降水量高达180 mm,为2016年前5年内最大值,且远超城区降雨日排水的设计标准（120~150 mm）,但试点区域仅正在开展水系治理工程的8处区域出现内涝,海绵城市建成区域未出现大面积内涝现象。2017年6月30日暴雨为30年一遇,城区仅现9处地段积水,而未出现大面积内涝。这均表明穿紫河流域的海绵城市建设有效消除了常德市城区的内涝现象,基本实现了“小雨无积水、大雨无内涝”。类似地,在江苏省镇江市示范区2015年海绵城市改造完成后共经历了两次大暴雨的考验,24 h降水量分别高达138 mm和125 mm,但示范区内均没有明显内涝^[27]。因此,海绵城市建设是缓解中国城市内涝现象的有效措施之一。然而,常德市相关单位在2019年5月的调研指出海绵城市建设区再次出现了7处内涝点,这是排水管网建设不健全、江河湖水系未完全连通、暴雨时排渍能力不强等建设现状的结果。Zhou等^[18]指出湖南省凤凰县海绵城市建设的渗透和储存措施有效减少但不能消除城市内涝,并建议排水管网系统需进一步改进。上述报道和研究表明海绵城市建设对城市内涝的影响需在建设后期的维护阶段持续监测和评估。

4.1.2 对穿紫河水质的影响 海绵城市建设对城市水系的设计目标之一为保护和改善水质,形成良好水系生态格局。通过分离雨污排水系统,修建生态滤池、生态驳岸等设施,控制源头面源污染输出等,从而降低污染物输入、增强污染降解并改善河流水质^[19,20,21]。根据常德市海绵城市总体规划（2015-2030年）,穿紫河水系的海绵城市建设目标为水质优于《地表水环境质量标准》的Ⅳ类水体标准,可作为非接触性娱乐和景观生态用水。穿紫河水体2016年1月-2019年4月间逐月的水质类别及主要污染物的分布情况如图4所示。穿紫河水质在近3年时间内由劣Ⅴ类逐步恢复为Ⅲ类,水质类别总体呈下降趋势（相关性分析斜率为-0.01）,说明穿紫河水质得到了有效改善（图4）。Hou等^[21]利用模型推演银川市在海绵城市建设下的生态净化过程,表明海绵城市建设措施（特别是雨水花园、植草沟等）有效截留雨污水中的污染物。因此,海绵城市建设是改善城市河流水质的有效措施之一。

图4

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图42016年1月-2019年4月间穿紫河水质类别及主要污染物分布

Fig. 4The distribution of the water quality types and main pollutants in the Chuanzi River from January 2016 to April 2019



通过仔细分析穿紫河水质类别在2016年1月-2019年4月间的变化,大体可分为6个阶段（图4）。第（1）阶段为2016年1-9月,呈Ⅳ类、Ⅴ类和劣Ⅴ类水,河水重度污染,氨氮、总磷化学需氧量（COD）等污染物超标,表明自2014年已完善的泵站、调蓄池、生态滤池、生态浮岛等设施建设直至2016年9月未明显改善水体水质,污染源在该段时间内未得到有效控制,同时也反映了海绵城市建设前期穿紫河水体的水质特征,为评估后期变化提供了参考基础。第（2）阶段为2016年10月-2017年9月,这一年时间内总体呈Ⅱ类和Ⅲ类水且无污染物超标。相比于第（1）阶段,这一阶段的穿紫河水质改善主要归因于该流域污水的源头控制,小区院落和公园的雨水花园、植草沟、绿色屋顶等海绵城市建设设施的完成有效截流生活污水直接排入到穿紫河中。需指出的是穿紫河2016年冬季的优质水体可能与当时沅江水体多次抽水注入及水系生态系统初建有关。第（3）阶段为2017年10月-2018年1月,即2017年冬季穿紫河水质恶化至Ⅳ类和Ⅴ类水,总磷、氮氨等污染物再次富集。这一时期属穿紫河流域海绵城市建设尾期,相关设施均已建设完成,源头控制及生态功能起作用下仍出现了水质恶化和污染物富集,这可能是封闭的穿紫河流域和低温环境等因素共同作用的结果。第（4）阶段为2018年2-9月,总体表现为无污染的Ⅲ类水质。这表明随着气温回暖和降水增多,穿紫河水质再次变好。海绵城市试点建设已完成并进入后期验收和维护阶段,穿紫河水体在海绵城市建设下维持了良好的水质状态。第（5）阶段为2018年10月-2019年1月,穿紫河水体水质再次恶化为Ⅳ类至劣Ⅴ类水,且溶解氧、氨氮等污染物超标。这一阶段的水质恶化与第（3）阶段类似,发生原因也一致。第（6）阶段为2019年2-4月,水质再次变好,逐步回到了第（4）阶段的水质状态。总体而言,穿紫河水质经海绵城市建设得到了显著改善,基本达到了《常德市海绵城市总体规划（2015-2030年）》的水体标准（Ⅳ类）要求,但也反映出海绵城市建设过程中水质改善存在明显的滞后效应。相比于流域范围大型海绵设施（泵站、生态浮岛等）的建设,源头改造措施更能有效控制污水排放和改善河流水质。更重要的是穿紫河水质在海绵城市建设完成后表现出冬季的周期性恶化及污染物富集现象。

穿紫河水质在海绵城市进入维护阶段（2017年10月-2019年4月）后出现的冬季周期性恶化现象大体可归结为以下原因：① 江河湖水系未完全连通。当前,常德市穿紫河与上游的渐河未完全连通（图2b）,其水体循环主要通过降水及沅江抽水,随后回流到沅江中。在每年春季至秋季,亚热带季风气候驱动下降水较多且雨水充沛,穿紫河水体流动性大,污染物在水体中被快速稀释和冲走,大大缩短了硝化停留时间。而在冬季则表现相反,少量的降水和封闭的流域使得穿紫河水体相对稳定,污染物在水体中长时间滞留和富集,导致水质恶化。② 低温环境的影响。常德市在亚热带季风气候下四季分明,气温变化明显。在冬季气温较低时期,水体中的硝化细菌繁殖速度降低且代谢速度变慢,水生植物净化能力减弱,污染物分解速率下降^[28],穿紫河流域的污染物汇入到河流中无法及时降解。上述因素共同导致穿紫河水质在冬季出现了周期性恶化,造成公众对海绵城市建设的认可度下降。因此,以完整水系为海绵城市建设目标是长期改善水体水质状况的调整方向,而对未完全连通的水体（穿紫河）需在冬季加大上游来水的供水量,但增加和耗费了成本及人力资源,实际上未起到流域生态的“海绵”作用。

4.2 海绵城市建设下的植被效应

相比于硬质灰色城乡建设,海绵城市建设的基本要素之一为植被建设,其涉及海绵城市建设措施中雨水花园、生态岸坡、人工湿地、绿色屋顶等8项措施。植被建设不仅能够丰富生物多样性和完善生态系统,实现截留雨水、吸收和净化污染等功效,而且提高海绵城市的观赏性^[29,30]。海绵城市建设过程中植被类型的选择首要考虑当地自然环境因素及植物的净化与景观功能^[31,32],避免栽种外来植物、植物密度系数及种类单一、景观作用类似及管理不善等导致一些措施演变为“形式化”的海绵城市问题。

常德穿紫河流域早期由于水生态破坏及污染严重,植物生长类型有限,以藻类为主,穿紫河流域绿地覆盖有限（图2a）。通过实地调查,当前的穿紫河流域不同海绵建设设施中常见梭鱼草、长苞香蒲、凤眼蓝、狼尾草、黄花水龙、芦苇、粉绿狐尾藻、粉美人蕉、荷花、睡莲等,显著增加了该区的植被种类和生物多样性。常德市穿紫河流域所种植的植被均为亚热带季风气候下的常见植物,易长期存活,但植物种类较为单一且植被后期管理存在一定问题。如在沿河一些区域可看到大片芦苇杂乱生长和倒塌,破坏了景观美感及水体环境。Li等^[34]进而提出利用常德海绵城市建设中快速生长的植物发展一种绿色工业链模式,提高这些植物的经济利用价值并反哺海绵城市建设及维护。另一方面,常德市穿紫河流域植被多以景观功能为主,而具有水体净化功能的植物较少,主要为粉绿狐尾藻、粉美人蕉、芦苇等。单一的景观植被选择造成了当地游客的审美疲劳,一定程度上限制了沿河旅游的发展。而穿紫河水质冬季的周期性恶化也表明种植的具有净化功能的植物在该时期所起作用甚微（图4）。冬季较低的气温也使得这些植物难易存活,甚至有些区域为维持海绵城市景观在第二年春季重复栽种,植物更新频率过快,未能体现流域生态系统的良性循环。穿紫河流域植被效应的分析表明海绵城市建设中植物的选择和管理需从流域整体生态系统出发,建立完整且良性循环的生态系统,实现海绵城市的“自我呼吸”。

4.3 海绵城市建设下的气候效应

城市（镇）化过程的灰色建筑很大程度上改变原先的土地利用方式（农田、水域等）,导致热岛效应成为当前各城市的主要问题之一^[35]。海绵城市建设虽主要目的为控制径流及消除内涝,但各绿色措施（如生态公园、海绵小区等）增加了城市的植被覆盖和水体面积,有效削弱了热岛效应,进而反过来影响降水过程^[36]。因此,热岛效应强度也是评估试点城区海绵城市建设效果的指标之一^[21,22]。海绵城市建设下城市热岛效应的评价标准是海绵城市建设区域夏季（6-9月）日平均气温不高于同期其他区域的日均气温,或与同区域历史同期相比呈现下降趋势。

常德市1989-2018年间6-9月气温距平值变化及逐月平均气温分布如图5所示。断点分析（显著性水平p ≤ 0.05）结果表明,常德市6-9月气温距平值的突变点出现在2014年,2014-2018年常德市6-9月气温相较前25年显著降低。进一步地对比,常德市30年来的逐月平均气温变化也表现出类似特征。除8月平均气温基本稳定,常德市6月、7月和9月的平均气温在30年间均呈下降趋势（相关分析斜率为负值,图5）,而且也在2014年后呈现出显著降低。2014年常德市穿紫河流域已逐步完成泵站、调蓄池、生态滤池、生态浮岛等设施的改造和建设,河道疏通和植被种植使得水体面积和绿地覆盖明显增加（图2b）,一定程度削弱了常德市区的热岛效应,降低了6-9月间的气温。

图5

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图5常德市1989-2018年6-9月气温距平值变化及逐月平均气温分布(灰色线为断点分析)

Fig. 5The variation of the temperature anomalies and monthly average temperature in the Changde city from June to September in 1989-2018 (gray line: breakpoint analyzation)



为了明确海绵城市建设对常德市热岛效应的影响,选择处于相同气候区、城市规模接近且未进行海绵城市建设的衡阳市、邵阳市和株洲市,对比分析4个城市在1989-2018年间（特别是气温距平出现突变的2014-2018年）6-9月气温距平值变化（图6）。

图6

新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT
图6海绵城市建设区(常德市)和未建设区(衡阳市、邵阳市、株洲市)1989-2018年6-9月气温距平值变化趋势

Fig. 6The changes of the temperature anomalies in the sponge city construction district (Changde city) and the unbuilt districts (Hengyang city, Shaoyang city, Zhuzhou city) from June to September in 1989-2018



总体而言,衡阳市、邵阳市和株洲市在30年间6-9月气温总体呈上升趋势。各年间气温距平值的相关性虽然较差,但相关分析的斜率均呈现正值（图6b、6c和6d）。这种趋势变化是全球气候变暖的结果,加速的城市化建设也增强了各市的热岛效应。相反地,常德市在该时间段的气温呈现下降趋势,相关分析的斜率呈负值（图6）。这说明在气候总体变暖的作用下,存在其他因素削弱了常德市的高温环境。进一步地,详细观察发现常德市6-9月气温距平值在1989-2013年间也呈现逐步增长趋势（图6a）,其相关性斜率（0.15）与衡阳市和株洲市在1989-2018年的距平变化趋势（斜率分别为0.13和0.14）基本一致,说明常德市在该段时间受气候和城市热岛效应影响持续增温。更重要的是在2000-2010年间常德市夏季距平值显著高于其他3个城市（图6b、6c和6d中灰色区域）,表明常德市在21世纪前10年由于快速城市化建设的热岛效应强于其他3个城市。但常德市6-9月气温距平值在2014-2018年均低于其他3个城市（图6b、6c和6d中黄色区域）,这种差异在2014年最为明显。更突出的是,衡阳市、邵阳市和株洲市在2016年和2018年的6-9月气温高于30年间平均值,而常德市则处于平均值之下（图6a）。相比于其他3个城市,常德市在2014年已完成了海绵城市的基础设施建设,显著改善了该市下垫面状态,土地利用覆盖明显增加了水体和公用绿地面积,特别是公园和穿紫河沿岸。

因此,4个城市2014-2018年间6-9月气温距平值变化表明,在气候变化类似的情况下,常德市海绵城市建设有效缓解了城市热岛效应。但要评估热岛效应的减弱程度,需在海绵城市建设后期维护阶段建立长期监测机制,为明确海绵城市建设对热岛效应的区域影响提供更多支撑。

5 结论

基于实地调研及监测数据分析常德市穿紫河流域海绵城市建设前后水文、植被、气候等生态要素变化,结果表明：

（1）海绵城市建设有效缓解了常德市区的城市内涝,但由于排水管网建设不健全、江河湖水系未完全连通等问题仍在暴雨发生时局部出现积水和内涝现象;穿紫河水体质量总体上得到了改善,在近3年内由劣Ⅴ类水转变为Ⅲ类水,但在冬季其水质周期性恶化,这是封闭水系及低温环境共同造成的结果.

（2）穿紫河流域生物多样性显著增加,但也表现出植物种类单一、生态系统不完整和管理不善等问题,特别是具有环境净化功能的植物种类较少,间接导致了水质的周期性恶化。

（3）常德市海绵城市建设一定程度缓解了该地区的热岛效应,但需基于遥感技术长时序和多区域的实时监测。总体而言,海绵城市建设显著提升了常德市穿紫河流域的生态效应,为该地区的社会经济发展和人居环境改善提供了重要的生态基础。

致谢：感谢长沙市海绵城市生态产业技术创新战略联盟刘波先生、汉诺威水协杨昶高级工程师、常德市海绵办李远国对本文指导和帮助。

参考文献 View Option 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

[1] Yu Kongjian, Li Dihua, Yu Hong , et al. Theory and practice of "Sponge City"
City Planning Review, 2015,39(6):26-36.
[本文引用: 1]

[ 俞孔坚, 李迪华, 袁弘 , 等. “海绵城市”理论与实践
城市规划, 2015,39(6):26-36.]
[本文引用: 1]

[2] Xia Jun, Zhang Yongyong, Zhang Ying , et al. Research and prospect of water problems in China's Sponge City construction
Yangtze River , 2017,48(20):1-5.
[本文引用: 1]

[ 夏军, 张永勇, 张印 , 等. 中国海绵城市建设的水问题研究与展望
人民长江, 2017,48(20):1-5.]
[本文引用: 1]

[3] Qiu Baoxing . The connotation, ways and prospects of LID
Construction Science and Technology, 2015,41(3):1-7.
[本文引用: 1]

[ 仇保兴 . 海绵城市(LID)的内涵、途径与展望
建设科技, 2015,41(3):1-7.]
[本文引用: 1]

[4] Chan F K S, Griffiths J A, Higgitt D , et al. "Sponge City" in China: A breakthrough of planning and flood risk management in the urban context
Land Use Policy, 2018,76:772-778.
[本文引用: 2]

[5] Liu H, Jia Y W, Niu C W . "Sponge City" concept helps solve China's urban water problems
Environmental Earth Sciences, 2017,76(14):473-477.
[本文引用: 1]

[6] Xia J, Zhang Y Y, Xiong L H , et al. Opportunities and challenges of the Sponge City construction related to urban water issues in China
Science China Earth Sciences, 2017,60(4):652-658.
[本文引用: 5]

[7] Wu Danjie, Zhan Shengze, Li Youhua , et al. The emerging trend and practice of Sponge Cities with Chinese characteristics
China Soft Science, 2016(1):79-97.
[本文引用: 2]

[ 吴丹洁, 詹圣泽, 李友华 , 等. 中国特色海绵城市的新兴趋势与实践研究
中国软科学, 2016(1):79-97.]
[本文引用: 2]

[8] Zuo Qiting . Water science problems in the construction of Sponge City in China
Water Resources Protection, 2016,32(4):21-26.
[本文引用: 2]

[ 左其亭 . 我国海绵城市建设中的水科学难题
水资源保护, 2016,32(4):21-26.]
[本文引用: 2]

[9] Zhang Jianyun, Wang Yingtang, Hu Qingfang . Discussion on the construction of Sponge City
Advances in Water Science, 2016,27(6):793-799.
[本文引用: 2]

[ 张建云, 王银堂, 胡庆芳 . 海绵城市建设有关问题讨论
水科学进展, 2016,27(6):793-799.]
[本文引用: 2]

[10] Xia Jun, Shi Wei . Research and prospect of water safety in China under changing environment
Journal of Hydraulic Engineering, 2016,47(3):292-301.
DOI:10.13243/j.cnki.slxb.20150937Magsci [本文引用: 2]
变化环境下水安全问题是国际上关注的热点,也是保障我国水安全战略和实现可持续发展面临的重大挑战性问题。本文归纳总结了国内外有关水安全的定义;针对全球变化影响下我国面临的水安全问题,综述了变化环境下水安全问题研究最新的进展,包括水资源安全的评价研究和气候变化背景下水安全研究与实践的新进展,强调了水安全保障的水文水资源及其与社会科学的交叉应用基础研究,提出了水与人类未来发展的水安全保障的若干对策与建议。
[ 夏军, 石卫 . 变化环境下中国水安全问题研究与展望
水利学报, 2016,47(3):292-301.]
DOI:10.13243/j.cnki.slxb.20150937Magsci [本文引用: 2]
变化环境下水安全问题是国际上关注的热点,也是保障我国水安全战略和实现可持续发展面临的重大挑战性问题。本文归纳总结了国内外有关水安全的定义;针对全球变化影响下我国面临的水安全问题,综述了变化环境下水安全问题研究最新的进展,包括水资源安全的评价研究和气候变化背景下水安全研究与实践的新进展,强调了水安全保障的水文水资源及其与社会科学的交叉应用基础研究,提出了水与人类未来发展的水安全保障的若干对策与建议。

[11] Xia Jun, Shi Wei, Wang Qiang , et al. Discussion on some hydrology problems in Sponge City construction
Water Resources Protection, 2017,33(1):1-8.
[本文引用: 1]

[ 夏军, 石卫, 王强 , 等. 海绵城市建设中若干水文学问题的研讨
水资源保护, 2017,33(1):1-8.]
[本文引用: 1]

[12] Cui Guangbai, Zhang Qicheng, Zhan Zhongyu , et al. Research progress and some problems of Sponge City construction
Water Resources Protection, 2016,32(2):1-4.
[本文引用: 1]

[ 崔广柏, 张其成, 湛忠宇 , 等. 海绵城市建设研究进展与若干问题探讨
水资源保护, 2016,32(2):1-4.]
[本文引用: 1]

[13] Ding L, Ren X Y, Gu R Z , et al. Implementation of the "Sponge City" development plan in China: An evaluation of public willingness to pay for the life-cycle maintenance of its facilities
Cities, 2019,93:13-40.
[本文引用: 2]

[14] Nguyen T T, Ngo H H, Guo W S , et al. Implementation of a specific urban water management - Sponge City
Science of the Total Environment, 2019,652:147-162.
[本文引用: 2]

[15] Li Q, Wang F, Yu Y , et al. Comprehensive performance evaluation of LID practices for the Sponge City construction: A case study in Guangxi, China
Journal of Environmental Management, 2019,231:10-20.
[本文引用: 1]

[16] Lashford C, Rubinato M, Cai Y P , et al. SuDS & Sponge Cities: A comparative analysis of the implementation of pluvial flood management in the UK and China
Sustainability, 2019,11:213. doi: http://www.geog.com.cn/article/2019/0375-5444/10.3390/su11010213.
[本文引用: 1]

[17] Zhang Jianyun, Song Xiaomeng, Wang Guoqing , et al. Development and challenges of urban hydrology under changing environment: I. Hydrological effect of city
Advances in Water Science, 2014,25(4):595-601.
[本文引用: 2]

[ 张建云, 宋晓猛, 王国庆 , 等. 变化环境下城市水文学的发展与挑战: I. 城市水文效应
水科学进展, 2014,25(4):595-601.]
[本文引用: 2]

[18] Zhou J J, Liu J H, Shao W W , et al. Effective evaluation of infiltrate on and storage measures in Sponge City construction: A case study of Fenghuang city
Water, 2018,10(7):1-11.
[本文引用: 3]

[19] Hu Canwei . "Sponge City" reconstructing urban water ecology
Ecological Economy, 2015,31(7):10-13.
[本文引用: 3]

[ 胡灿伟 . “海绵城市”重构城市水生态
生态经济, 2015,31(7):10-13.]
[本文引用: 3]

[20] Li J K, Zhang B, Mu C , et al. Simulation of the hydrological and environmental effects of a Sponge City based on MIKE FLOOD
Environmental Earth Sciences, 2018,77(2):32-47.
[本文引用: 2]

[21] Hou J W, Mao H X, Li J P , et al. Spatial simulation of the ecological processes of stormwater for Sponge Cities
Journal of Environmental Management, 2019,232:572-582.
[本文引用: 5]

[22] He B J, Zhao D X, Gou Z H , et al. Co-benefits approach: Opportunities for implementing Sponge City and urban heat island mitigation
Land Use Policy, 2019,86:147-157.
[本文引用: 2]

[23] Wang Xinyan, Guan Yimin, Hu Chuanlan , et al. Study on urban water body ecology based on "Sponge City" concept:Take Changde as an example
Cultural Geography, 2016(16):110-111.
[本文引用: 1]

[ 王新燕, 管益敏, 胡川兰 , 等. 基于"海绵城市"理念下城市水体生态化研究: 以常德市为例
城市地理, 2016(16):110-111.]
[本文引用: 1]

[24] Qian Guohui, Su Guiming . Rainwater and sewage diversion to solve inland river pollution: A case study of Chuanzi river basin in Changde city
Town and Country Construction, 2005(7):49-50.


[ 钱国辉, 苏桂明 . 雨水污水分流解决内河污染-以常德市穿紫河流域为例
城乡建设, 2005(7):49-50.]


[25] Peng Chiyan, Grotewal Rob, Zheng Nengshi , et al. Practice of ecological control in the Changde river basin
Landscape Architecture Frontiers, 2017,5(1):106.
[本文引用: 1]

[ 彭赤焰, 罗帕·格罗特瓦, 郑能师 , 等. 常德市穿紫河流域生态治理实践
景观设计学, 2017,5(1):106.]
[本文引用: 1]

[26] Liu Weisi . Study on ecological management of urban water system incorporating the concept of "Sponge City": Taking the boat crossing Changde as an example
Chinese and Overseas Architecture, 2017(6):136-139.
[本文引用: 1]

[ 刘维斯 . 融入“海绵城市”理念的城市水系生态治理研究-以常德市穿紫河船码头为例
中外建筑, 2017(6):136-139.]
[本文引用: 1]

[27] She Nian, Hu Jian, Wang Haozheng , et al. Zhenjiang: Exploring the construction of wisdom water affairs
Informatization of China Construction, 2017(3):20-22.
[本文引用: 1]

[ 佘年, 胡坚, 王浩正 , 等. 镇江:探索智慧水务建设
中国建设信息化, 2017(3):20-22.]
[本文引用: 1]

[28] Xiong Ya, Jia Limin, Zhang Huanzhen , et al. Effect of temperature on hydrolysis-denitrification process
Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2014,36(4):109-114.
Magsci [本文引用: 1]
采用水解反硝化脱氮工艺，将水解酸化与反硝化脱氮过程相结合，取代缺氧反硝化，解决城镇污水冬季脱氮效果差的问题。在水解反硝化工艺的中试系统中，氨氮和总氮的去除效果受温度的影响较小，冬季和夏季氨氮去除率分别达到98.3%和98.4%，总氮去除率分别为65.2%和68.0%。以水解反硝化污泥与AAO工艺中的缺氧池污泥为研究对象，对比分析温度对两种污泥比反硝化速率和耗碳率的影响。结果显示：温度对水解池污泥的影响显著小于缺氧池污泥，在25、30 ℃两者反硝化速率相当，但是当温度为8、15和20 ℃下，水解池污泥的最大比反硝化脱氮速率分别为缺氧池污泥的1.7倍、1.3倍和1.4倍；同时，在各温度条件下，水解池污泥的耗碳率基本为缺氧池污泥的51.2%~81.7%。
[ 熊娅, 贾立敏, 张焕祯 , 等. 温度对水解反硝化脱氮的影响
土木建筑与环境工程, 2014,36(4):109-114.]
Magsci [本文引用: 1]
采用水解反硝化脱氮工艺，将水解酸化与反硝化脱氮过程相结合，取代缺氧反硝化，解决城镇污水冬季脱氮效果差的问题。在水解反硝化工艺的中试系统中，氨氮和总氮的去除效果受温度的影响较小，冬季和夏季氨氮去除率分别达到98.3%和98.4%，总氮去除率分别为65.2%和68.0%。以水解反硝化污泥与AAO工艺中的缺氧池污泥为研究对象，对比分析温度对两种污泥比反硝化速率和耗碳率的影响。结果显示：温度对水解池污泥的影响显著小于缺氧池污泥，在25、30 ℃两者反硝化速率相当，但是当温度为8、15和20 ℃下，水解池污泥的最大比反硝化脱氮速率分别为缺氧池污泥的1.7倍、1.3倍和1.4倍；同时，在各温度条件下，水解池污泥的耗碳率基本为缺氧池污泥的51.2%~81.7%。

[29] Li Cong . Study on plant selection and arrangement of Sponge City in Xi-Xian new area
Yangling: Northwest A & F University, 2018.
[本文引用: 1]

[ 李聪 . 西咸新区海绵城市植物选择与配置研究
杨凌: 西北农林科技大学, 2018.]
[本文引用: 1]

[30] Hu Nan, Li Xiong, Ge Xiaoyu . Change with water: The rational cognition of Sponge City system from the perspective of urban green space system
Chinese Landscape Architecture, 2015,31(6):21-25.
[本文引用: 1]

[ 胡楠, 李雄, 戈晓宇 . 因水而变-从城市绿地系统视角谈对海绵城市体系的理性认知
中国园林, 2015,31(6):21-25.]
[本文引用: 1]

[31] Gao Fei . Sponge City construction: Plants use for developing green rainwater facilities with low impact
Chinese and Overseas Architecture, 2012,28(21):45-48.
[本文引用: 1]

[ 高菲 . 海绵城市建设: 低影响开发绿色雨水设施的植物运用
中外建筑, 2012,28(21):45-48.]
[本文引用: 1]

[32] Zeng Ting, Deng Anpeng, Song Zhifang . The selection and application of garden plants in the construction of the Sponge City in Guilin
Journal of Anhui Agriculture Science, 2018,46(8):115-117.
[本文引用: 1]

[ 曾婷, 邓安鹏, 宋志方 . 桂林市海绵城市建设中园林植物的选择和应用
安徽农业科学, 2018,46(8):115-117.]
[本文引用: 1]

[33] Chen Yuting, Chen Yuwen, Lin Shishi , et al. Screening and application analysis of indigenous plants suitable for rain garden in Guangdong province
Subtropical Plant Science, 2017,46(3):274-280.


[ 陈钰婷, 陈钰文, 林石狮 , 等. 广东省雨水花园适用乡土植物筛选及应用分析
亚热带植物科学, 2017,46(3):274-280.]


[34] Li P, Wu Q D, He Y Q , et al. Development of biomass materials of the byproducts of Sponge City construction in Changde//3rd International Conference on Architectural Engineering and New Materials (ICAENM 2018)
Durham: DEStech Transactions on Engineering and Technology Research, 2019: 134-146.
[本文引用: 1]

[35] Peng Baofa, Shi Yishao, Wang Hefeng , et al. Influence mechanism and action rule of urban heat island effect
Acta Geographica Sinica, 2013,68(11):1461-1471.
[本文引用: 1]

[ 彭保发, 石忆邵, 王贺峰 , 等. 城市热岛效应的影响机理及其作用规律
地理学报, 2013,68(11):1461-1471.]
[本文引用: 1]

[36] Zhu Ling, You Yang, Cheng Pengfei , et al. Effect of Sponge construction mode on urban heat island mitigation
Water & Wastewater Engineering, 2018,44(1):65-69.
[本文引用: 1]

[ 朱玲, 由阳, 程鹏飞 , 等. 海绵建设模式对城市热岛缓解效果研究
给水排水, 2018,44(1):65-69.]
[本文引用: 1]