海绵城市：自然雨水管理的绿色解决方案

1.概念

海绵城市，顾名思义是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用(见图6-9)。海绵城市具有如下四个方面的深层次含义：^[18]

图6-9　海绵城市示意图^[19]

第一，海绵城市理念与国外的LID雨水管理理念一脉相承，它是中国化的LID。因此，LID的许多技术手段都可以运用到海绵城市建设的过程中。

第二，海绵城市从本质上要剔除传统城市粗放式的建设方式，旨在实现城市发展和环境保护的协调，建设生态型城市，从而实现城市的可持续发展。

第三，海绵城市充分尊重自然规律，在管理城市雨水时，遵循三个“自然”原则，即自然积存、自然渗透、自然净化，主张在城市建设过程中，维持水文原有的自循环。

第四，实现绿色基础设施和灰色基础设施的有效衔接。海绵城市建设并不是完全只要“绿”，而摒弃传统的“灰”，它是基于我国国情提出的，就必须考虑到我国正处于快速城镇化阶段，纯粹依靠“绿”来解决城市雨水问题是理想化的。

2.建设途径

海绵城市是生态城市建设的重要组成部分，为实现城市的“海绵体”效应，能够弹性地应对城市雨水问题，建设过程中主要包括三大途径。首先，没有人类活动介入的自然界本身就是一个巨大的循环系统，遵循着物质能量守恒定律。而伴随着人类对自然的影响越发严重，当务之急就是要保护原有的生态环境，发挥河流、湖泊、沟渠、湿地、坑塘等自然水体调蓄雨洪的作用。其次，在城市化快速推进和传统粗放式的建设模式影响下，许多区域的生态环境已遭到严重的破坏，在这些区域最迫切的要求就是要采取生态措施和工程措施实现生态恢复与修复。最后，在当今城市建设过程中，要遵循低影响开发的理念，努力实现开发前与开发后城市水文特征基本接近的目标，尽量维持自然的水文循环系统。

3.设计方法

海绵城市理念导向下的废弃矿区再生设计，首先必须明确其出发点不仅仅是解决矿区内部的雨水问题，对于城市周边露天开采的废弃矿区而言，更重要的是要将矿区纳入整个海绵城市体系建设中，既要接纳城市过剩雨水，也要在城市缺水时实现再利用价值。基于此，在设计过程中，就必须从宏观和微观两方面进行综合考虑，结合海绵城市建设的要求、途径、技术等，本节主要从废弃矿区的绿化、水体、建筑和道路四方面进行设计。考虑到水体和绿化的低影响开发设计对雨水的收集、储存、净化能力更强，这两者的设计目标更强调发挥为城市服务的功能，而建筑和道路的设计更多的是解决矿区内部的雨水问题。

(1)绿化设计

废弃矿区的绿化设计旨在实现土地资源的多功能利用和绿地功能的扩展。首先，废弃矿区植被破坏严重，以复绿的形式可以达到保持水土、涵养水源、减少灾害的目的。其次，在通常情况下，绿地景观可发挥观赏、游憩、休闲、娱乐等功能，营造良好的矿区环境和城市周边环境。更重要的是，暴雨时节，通过低影响开发设施与城市雨水管道的衔接，矿区绿地能够发挥调蓄功能。废弃矿区绿化设计内容主要包括植物选择、竖向设计、生物滞留设施。

①植物选择。废弃矿区绿化植物选择上，出发点是要通过植物的合理搭配，实现雨水的自然净化，同时兼顾观赏性。首先，要选择适应性强的本地植物，以水生植物为主，一方面可以保证存活率，减少维护成本；另一方面，可以体现地域特色。其次，考虑场地存在塌陷、滑坡、泥石流等隐患，需要选择根系发达、具有较强土壤黏聚力的植物，稳固土壤，为灾害防治增效。同时，矿区填埋了大量的尾矿，需要选择能够适应土壤贫瘠，抗旱、抗寒、抗病虫，对填埋物化过程所产生的不良毒物和气体具有强烈抗性和净化能力的绿化树种。

②竖向设计。竖向设计即地形设计，这里主要是指用于绿化的地形设计，目前大多数设计中，绿化用地和周围建设用地高度一致，这导致建设用地产生的径流由于坡度原因不能很好地传输到绿地中，从而不能通过绿地渗透、储存和净化。在废弃矿区设计中，充分利用现有高低不平的地形，在低洼处设计绿地，凭借雨水的自流，引导硬化地面的径流流入绿地、水体等。

③生物滞留设施。生物滞留设施是指在低洼地区利用植物、土壤、微生物等自然要素，实现对小范围内雨水的收集、储存、净化，常见的有下沉式绿地、雨水花园和植草沟三大类。

废弃矿区由于长时间的开采，地面通常凹凸不平，可以充分利用凹面设计下沉式绿地，同时矿区开采面积大，凹凸面间隔分布，正好可以布局自然的无规则的小规模绿地，形成一道独特的风景。下沉式绿地是指高程低于周围硬化地面高程5～25cm的绿地系统，主要包括渗透花池和生态树池两类，并在其底部设置排水管和雨水排放系统相衔接。其在景观设计中应用广泛，如美国华盛顿的Canal Park一共设计了41个生态树池，地表径流经过生态树池过滤后，用来灌溉、冲洗马桶和绿化(见图6-10)。

图6-10　Canal Park生态树池^[20]

废弃矿区一般具有规模大、地形起伏明显等特征，采矿场、加工区、洗涤区和废弃物堆场等区域地形相对平坦开阔，适合在此处通过对地形、土壤和植物的设计布局雨水花园，尤其是矿区周边的聚落空间，可以通过雨水花园美化环境、减少污染。雨水花园是一种小规模的花园，相对其他LID设施，一般布局在地形平坦的开阔区域，通过设计和植物的种植来储存、净化雨水，它是许多LID设施的集合体。雨水花园对地表径流的渗透、滞留、净化、收集及排放作用极强，如位于俄勒冈州的波特兰雨水花园(Portland Rainwater Garden)，巧妙地解决了每年几乎持续9个月大雨的雨水排放和过滤问题，同时还形成了优美的景观环境空间(见图6-11)。

图6-11　波特兰雨水花园^[21]

矿区在开采过程中以及后期受滑坡、泥石流等自然灾害的影响，往往会形成许多沟渠和低洼地等；同时，矿区内部遗留大量的废渣、碎石等材料，可以充分利用这些有利条件设计植草沟，尤其是在道路两侧，从而达到减少道路径流的作用。植草沟是种有植被的沟渠，是一种特殊的景观性地表沟渠排水系统，主要用来解决面源污染。其一般分布在道路两侧和绿地内，具有减少径流、补充地下水、净化水质、输送雨水等功能，通常与雨水管网联合运行(见图6-12)。按照是否常年保持一定的水面依据，又可以划分为干式植草沟和湿式植草沟。

图6-12　干式植草沟^[22]

(2)水景设计

矿区在开采时期，由于对地形、地貌、地下水等自然系统破坏严重，因此废弃矿区水体景观的设计要充分考虑现状地形以及遗留场地的特性，最大限度地利用开采后产生的蓄水空间，如塌陷地、矿井、矿坑、沟渠等要素，以此为依托合理布局景观水体、蓄水池、湿地公园等具有雨水调蓄功能的低影响开发设施。^[23]

①塌陷地。许多矿区，尤其是地下采矿如煤矿等，由于长时间的挖掘，采空区上方的原始平衡被破坏，地表出现沉降现象，加之废弃后受降雨的影响，往往形成近似椭圆形盆地的塌陷地。塌陷地具有多种危害，包括对国土面貌和生态环境的破坏、耕地锐减、人民的生产生活被打乱等；同时，塌陷地治理成本高，复垦难度大。(www.xing528.com)

从景观设计的角度出发，结合海绵城市理念，充分利用塌陷地形，将其打造成为湿地公园，能够实现经济效益和环境效益的双赢。唐山南湖公园就是将采煤塌陷区改造为湿地公园的成功案例，原本塌陷区生态环境和自然景观遭到了严重破坏，人迹罕至。后综合设计采用多种改造方法，保留和整合沉降区的水景，贯穿于各个水坑，利用场地内的垃圾对局部进行回填，在未来可能塌陷积水的区域种植耐水植物，形成生态环境良好、风景优美的湖区景观。该地块目前已成为一座市民休闲娱乐的场所、集游憩观赏和水上活动于一体的大型生态公园(见图6-13)。

图6-13　唐山南湖公园^[24]

城市周边废弃矿区改造成为大型湿地公园，具有多方面的积极意义。首先，直观地改善了城市周边的景观，改变了“青山露白骨”的窘状，既改善了矿区的环境也提升了城市的整体环境质量。其次，从雨水调控的角度看，湿地公园可以成为城市的“海绵体”。丰水季节，吸纳城市雨水降低内涝频率；干旱季节，释放雨水补充城市用水。最后，从气候角度分析，城市周边废弃矿区打造多个湿地公园，可以在一定程度上缓解城市热岛效应。

②矿坑。废弃的矿坑是采矿区常见的一类矿业遗迹，矿坑是露天开采在地面留下的直观景观。在传统观念里，采矿后形成的矿坑、矿井等遗迹是不可抹去的“地球疤痕”。但是随着人们观念的转变，逐渐对废弃矿坑进行二次开发利用，目前针对废弃矿坑的改造方式主要有两类，一是原状保留，如黄石国家矿山公园、美国犹他州宾汉姆峡谷铜矿坑(Bingham Canyon Copper Mine)；二是覆土种植，如法国穆斯托采石场(Musto Mining)、中国河南义马露天矿坑土地恢复。

海绵城市理念的提出，为城市周边的废弃矿坑再开发提供了一种新的改造思路，即利用自然水景或因采矿而形成的水体，结合地形条件人工构造水体，营造主题环境，利用水景的流动性串联贯通整个矿区水环境系统。目前，国内外在矿坑改造方面涌现了许多优秀的设计，如摩尔多瓦首都克里科瓦大酒窖(Cricova Large Cellar)，原本克里克瓦是地下采石场，形成无数相连的地下坑道，最后改建成酒窖，国内的上海世茂集团投资建设的世界上第一个位于矿坑内的上海天马山深坑酒店等。但是这些设计也存在人为干扰痕迹严重，资金投入大、维护成本高、过度重视商业开发等缺点。

结合海绵城市理念，充分利用矿坑低洼的地势，存在自然积水或具备引水条件的矿坑，可以通过利用水资源优势将其建设成为湿地公园和雨水花园，这相对是一种生态化、低成本的改造，能够实现环境效益、社会效益和经济效益的统一。如芝加哥帕米萨诺公园(Palmisano Park)(见图6-14)，原是一处采石场，芝加哥许多建筑石材曾经采自此处，随后矿坑沦为垃圾场。在对其的改造设计中，保留部分垂直开采面，将矿坑改造为鱼塘，为了预留雨水花园的场地，区域内的垃圾全部南移，增强了整个矿区高差变化的错落感。国内改造矿坑较成功的案例如浙江绍兴东湖，利用采石场筑起围墙，人工拓宽水面，形成了宛如天成的山水大盆地。

图6-14　帕米萨诺公园^[25]

③沟渠。矿区开采时，由于洗涤用水和工业用水的需要，往往会形成许多人工的、自然的、小型的沟渠。从微观角度来看，矿区被废弃后，降雨引发的泥石流、滑坡等自然灾害，也会形成诸多的冲沟。这些沟渠和冲沟，正好是雨水汇聚的通道，通过合理地整治、疏通、引导，让其成为雨水排放的通道，发挥输送、储存、净化雨水的作用；从宏观的角度，采取工程措施和生态措施，将矿区内部的沟渠、冲沟与周边自然的河道、池塘、沟壑、溪流相连接，让其成为自然水循环系统的组成部分，使得矿区内部的水循环与周边城市的水循环组合成一个大的水循环系统。

(3)建筑设计

废弃矿区建筑主要包括遗留的生产型建筑和矿区周边聚落的生活型建筑。在海绵城市建设理念指导下，建筑一般通过控制坡度、断接、建筑材料等，采取立面绿化和屋顶绿化的方式来收集、存储、净化雨水。目前，墙面绿化、屋顶花园等形式在商业建筑、公共建筑、城市小区等建筑中应用广泛并取得了良好的成效，而在乡村建筑和工业建筑中应用较少。因此，可以尝试将该技术运用到工业建筑中，如福特公司在美国工业区工厂建立了世界上最大面积的绿色屋顶。需要注意的一点是，考虑到采矿对矿区生产型建筑和生活型建筑造成不同程度的破坏和污染，在设计过程中需要因地制宜地采取不同的设计策略(见图6-15)。

图6-15　福特Dearborn工厂绿色屋顶

①生产型建筑。矿区生产型建筑一般距离采矿区较近，包括办公建筑、材料储存建筑、工人居住建筑等类型，受矿区开采影响大。由于距离矿区较近，不仅污染较严重，而且许多墙面和屋顶都出现了裂痕。因此，在工程措施修复的基础上，可以结合海绵城市理念的绿色屋顶和墙面的设计，一方面可以对其外立面形成保护层且具有艺术感；另一方面，也可以收集雨水，减少径流，如常熟科创园区的屋顶绿化。生产型建筑收集的雨水，存在一定程度的污染，可以引导其流入建筑周边的雨水花园、植草沟等绿色设施内，经过植物初步净化，渗透到土壤，进而补充地下水(见图6-16)。

图6-16　常熟科创园区屋顶绿化^[26]

②生活型建筑。矿区生活型建筑是指矿区周边的村镇聚落，一般这些聚落建筑连片、集中分布，规模和分布密度较大，并且这些建筑或多或少地受到了矿区开采的影响。矿区废弃后，为了保证这些建筑能够继续安全使用，需对其安全性和美观性进行再设计。在工程措施加固保证其安全性的前提下，可以类比生产型建筑，对墙体和屋顶进行绿化，降低雨水的冲刷力度。与生产型建筑不同的是，生活型建筑与绿地连接，收集的雨水流入绿地内的植草沟、雨水花园、下沉式绿地等设施，并在这些设施周边设计雨水桶和雨水池等，将雨水收集后再利用。从生活型建筑收集的雨水主要有两个用途：一是家用，如牲畜用水、清洁用水等，减少对自来水的依赖；二是农用，可以在枯水季节缓解农林牧渔对雨水的需求(见图6-17)。

图6-17　德国城镇建筑屋顶绿化^[27]

(4)道路设计

矿区原本是一个小系统，内部拥有完整的交通体系。矿区废弃后，一方面可以在原有交通线路的基础上进行改造设计，建立联系高差的立体交通，创造丰富的游览体验；另一方面充分利用矿区废弃的碎石、碎渣等资源，结合低影响开发的设施，打造绿色交通网络。废弃矿区道路设计内容包括机动车道、人行道和停车场，其中，停车场主要的服务对象为矿区周边聚落的村民和外来游客。

①机动车道。许多矿区被废弃后，逐渐成为区域交通系统的重要节点。在矿区机动车道的设计时要改变被动的雨水处理方式，充分利用原有的运输线路、地形，打造能够净化、利用、存储雨水的道路系统。具体来说，第一点，选择透水材料，如沥青、混凝土等，充分利用矿区的碎石、尾矿等建设路基，打造透水沥青路面或透水水泥混凝土路面。第二点，道路两侧布局标高要低于路面的绿化带，如下沉式绿地、植草沟等，以便在雨水季节将道路径流引入低影响开发设施进行净化、过滤、收集。第三点，在绿化带底部空间，安装排水管道，设置雨水调蓄系统。

②人行道。矿区人行道可以采取阶梯式、景观桥式和悬梯式的设计方式，一方面丰富矿区的竖向交通形式和避免雨水的淤积，另一方面，可以为行人和游客提供独特的欣赏视角，如英国伊甸园工程项目(Eden Project)设计“之”字形路线，引导游客进入矿坑参观。在矿区人行道设计中具体考虑以下四个方面：一是铺装材料选择上，尽可能多地使用可渗透材料，考虑到安全性因素，最好以紧密透水砖为主。二是打造立体交通和保留原有的道路轨迹，尤其是矿业遗迹，如运输原材料的铁轨等，使人们在行走时能够感受到一种艺术氛围。三是人行道两侧的绿化设计，在路边设置生态树池等设施，起到蓄水、去污、美化环境的作用。四是由于矿区存在滑坡、泥石流等安全隐患，需要在人行道周边采取边坡防护措施(见图6-18)。

图6-18　伊甸园“之”字形道路^[28]

·停车场

废弃矿区规模较大，可以适当地设置生态停车场为游客及周边居民服务。在设计过程中，将停车场看作一个小型的雨水花园，而不是一个普通的公共基础设施。在停车场表面，布置透水性铺装如紧密、中空透水砖、植草砖等，在透水砖内种植绿色植物。在停车场边缘区，设置生物滞留设施如雨水花园等，使停车场成为一个渗透空间，同时发挥景观和服务的双重功能。