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海绵城市(LID)的内涵、途径与展望

文章来源:海西给排水 发布时间:2018-03-01 08:03:41 阅读次数:831 次 [关闭]

 

全国政协人口资源环境委员会副主任、住房和城乡建设部原副部长、中国城市科学研究会理事长

仇保兴  博士

导语:作者从海绵城市的四项基本内涵,建设海绵城市的三种途径和深化海绵城市(LID)五项展望三方面展开,通过海绵城市(LID)建设使城市成为应对水污染的主战场,是解决水资源短缺的希望之地。

在城镇化的大背景下,我国每年有一千多万人进城,新建成的建筑相当于世界建筑总量的一半。在这种情况下,如果不引进海绵城市的建设模式,我国的城市地表径流量就会大幅度增加,从而引发洪涝积水、河流水系生态恶化、水污染加剧等问题。海绵城市就像一块海绵那样,能把雨水留住,让水循环利用起来,把初期雨水径流的污染削减掉。本文介绍海绵城市的基本内涵、实现海绵城市途径、并对深化海绵城市建设的新技术作了展望。

1海绵城市的四项基本内涵

1.1海绵城市的本质――解决城镇化与资源环境的协调和谐

海绵城市的本质是改变传统城市建设理念,实现与资源环境的协调发展。在“成功的”工业文明达到顶峰时,人们习惯于战胜自然、超越自然、改造自然的城市建设模式,结果造成严重的城市病和生态危机;而海绵城市遵循的是顺应自然、与自然和谐共处的低影响发展模式。传统城市利用土地进行高强度开发,海绵城市实现人与自然、土地利用、水环境、水循环的和谐共处;传统城市开发方式改变了原有的水生态,海绵城市则保护原有的水生态;传统城市的建设模式是粗放式的,海绵城市对周边水生态环境则是低影响的;传统城市建成后,地表径流量大幅增加,海绵城市建成后地表径流量能保持不变。因此,海绵城市建设又被称为低影响设计和低影响开发(Low impact design or development, LID)。

1.2海绵城市的目标――让城市“弹性适应”环境变化与自然灾害

  一是保护原有水生态系统。通过科学合理划定城市的蓝线、绿线等开发边界和保护区域,最大限度地保护原有河流、湖泊、湿地、坑塘、沟渠、树林、公园草地等生态体系,维持城市开发前的自然水文特征。

  二是恢复被破坏水生态。对传统粗放城市建设模式下已经受到破坏的城市绿地、水体、湿地等,综合运用物理、生物和生态等的技术手段,使其水文循环特征和生态功能逐步得以恢复和修复,并维持一定比例的城市生态空间,促进城市生态多样性提升。我国很多地方结合点源污水治理的同时推行“河长制”,治理水污染,改善水生态,起到了很好的效果。

  三是推行低影响开发。在城市开发建设过程中,合理控制开发强度,减少对城市原有水生态环境的破坏。留足生态用地,适当开挖河湖沟渠,增加水域面积。此外,从建筑设计始,全面采用屋顶绿化、可渗透路面、人工湿地等促进雨水积存净化。据美国波特兰大学“无限绿色屋顶小组”(Green roofs unlimited)对占地723 acre(1 acre=0.004047 km2)的波特兰商业区进行分析,将219 acre的屋顶空间――即1/3商业区修建成绿色屋顶,就可截留60%的降雨,每年将保持约6700gal(1 gal3.79 L)的雨水,可以减少溢流量的11%15%

    四是通过种种低影响措施及其系统组合有效减少地表水径流量,减轻暴雨对城市运行的影响。

1.3转变排水防涝思路

传统的市政模式认为,雨水排得越多、越快、越通畅越好,这种“快排式”(见图1)的传统模式没有考虑水的循环利用。海绵城市遵循“渗、滞、蓄、净、用、排”的六字方针,把雨水的渗透、滞留、集蓄、净化、循环使用和排水密切结合,统筹考虑内涝防治、径流污染控制、雨水资源化利用和水生态修复等多个目标。具体技术方面,有很多成熟的工艺手段,可通过城市基础设施规划、设计及其空间布局来实现。总之,只要能够把上述六字方针落到实处,城市地表水的年径流量就会大幅下降。经验表明:在正常的气侯条件下,典型海绵城市可以截流80%以上的雨水。


1 海绵城市转变排水防涝思路

1.4开发前后的水文特征基本不变

    通过海绵城市的建设,可以实现开发前后径流量总量和峰值流量保持不变(见图2),在渗透、调节、储存等诸方面的作用下,径流峰值的出现时间也可以基本保持不变。水文特征的稳定可以通过对源头削减、过程控制和末端处理来实现。习总书记在2013年的中央城镇化工作会议上明确指出:解决城市缺水问题,必须顺应自然,要优先考虑把有限的雨水留下来,优先考虑更多利用自然力量排水,建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市。由此可见,海绵城市建设已经上升到国家战略层面了。


    总之,通过建立尊重自然、顺应自然的低影响开发模式,是系统地解决城市水安全、水资源、水环境问题的有效措施。通过“自然积存”,来实现削峰调蓄,控制径流量;通过“自然渗透”,来恢复水生态,修复水的自然循环;通过“自然净化”,来减少污染,实现水质的改善,为水的循环利用奠定坚实的基础。

2建设海绵城市的三种途径

2.1区域水生态系统的保护和修复

  首先,识别生态斑块。一般来说,城市周边的生态斑块按地貌特征可分为三类:第一类是森林草甸,第二类是河流湖泊和湿地或者水源的涵养区,第三类是农田和原野。各斑块内的结构特征并非一定具有单一类型,大多呈混合交融的状态。按功能来划分可将其分为重要生物栖息地、珍稀动植物保护区、自然遗产及景观资源分布区、地质灾害风险识别区和水资源保护区等。凡是对地表径流量产生重大影响的自然斑块和自然水系,均可纳入水资源生态斑块,对水文影响最大的斑块需要严加识别和保护。

第二,构建生态廊道。生态廊道起到对各生态斑块进行联系或区别的功能。通过分别对各斑块与廊道进行综合评价与优化,使分散的、破碎的斑块有机地联系在一起,成为更具规模和多样性的生物栖息地和水生态水资源涵养区,为生物迁移、水资源调节提供必要的通道与网络。这涉及到水文条件的保持和水的循环利用,尤其是调峰技术和污染控制技术。

    第三,划定全规划区的蓝线与绿线。以深圳光明新区为例,作为国家级的生态城示范区,光明新区规划区范围之内严格实施蓝线和绿线控制,保护重要的坑塘、湿地、园林等水生态敏感地区,维持其水的涵养性能。同时,在城乡规划建设过程中,实现宽广的农村原野和紧凑的城市和谐并存,人与自然和谐共处,这是实现可持续发展重要的、甚至是唯一的手段。

第四,水生态环境的修复。这种修复立足于净化原有的水体,通过截污、底泥疏浚构建人工湿地、生态砌岸和培育水生物种等技术手段,将劣Ⅴ类水提升到具有一定自净能力的Ⅳ类水水平,或将Ⅳ类水提升到Ⅲ类水水平。

第五,建设人工湿地。湿地是城市之肾,保护自然湿地,因地制宜建设人工湿地,对于维护城市生态环境具有重要意义。以杭州的西溪湿地(见图3)为例,原来当地农民养了3万多头猪,并把猪粪作为肥料直接排到湿地里去,以增加湿地水藻培养的营养度来增加鱼的产量,造成了水体严重污染。后来重新规划设计为湿地景区,养猪场变成了充满自然野趣的休闲胜地,更重要的是,出水口水体的COD浓度只有进水浓度的一半,起到了非常好的调节削污作用。整个湿地像一个大地之肾,把水里的营养素留下来,滋养当地的水生植物和鱼类,虽然鱼的产量可能会下降,但品质得到了提升,生态鱼比市场上的普通鱼价格提高了一倍。

                         

3 杭州西溪湿地

2.2城市规划区海绵城市设计与改造

海绵城市建设必须要借助良好的城市规划作为分层设计来明确要求(见图4)

第一层次是城市总体规划。要强调自然水文条件的保护、自然斑块的利用、紧凑式的开发等方略。还必须因地制宜确定城市年径流总量控制率等控制目标,明确城市低影响开发的实施策略、原则和重点实施区域,并将有关要求和内容纳入城市水系、排水防涝、绿地系统、道路交通等相关专项或专业规划。

第二层次是专项规划。包括城市水系统、绿地系统、道路交通等基础设施专项规划。其中,城市水系统规划涉及到供水、节水、污水(再生利用)、排水(防涝)、蓝线等要素;绿色建筑方面,由于节水占了较大比重,绿色建筑也被称之为海绵建筑,并把绿色建筑的实施纳入到海绵城市发展战略之中。城市绿地系统规划应在满足绿地生态、景观、游憩等基本功能的前提下,合理地预留空间,并为丰富生物种类创造条件,对绿地自身及周边硬化区域的雨水径流进行渗透、调蓄、净化,并与城市雨水管渠系统、超标雨水径流排放系统相衔接。道路交通专项规划,要协调道路红线内外用地空间布局与竖向,利用不同等级道路的绿化带、车行道、人行道和停车场建设雨水滞留渗设施,实现道路低影响开发控制目标。

  第三层次是控制性详细规划。分解和细化城市总体规划及相关专项规划提出的低影响开发控制目标及要求,提出各地块的低影响开发控制指标,并纳入地块规划设计要点,并作为土地开发建设的规划设计条件,统筹协调、系统设计和建设各类低影响开发设施。通过详细规划可以实现指标控制、布局控制、实施要求、时间控制这几个环节的紧密协同,同时还可以把顶层设计和具体项目的建设运行管理结合在一起。

  低影响开发的雨水系统构建涉及到整个城市系统,通过当地政府把规划、排水、道路、园林、交通、项目业主和其他一些单位协调起来,明确目标,落实政策和具体措施,见图5


    具体来讲,要结合城市水系、道路、广场、居住区和商业区、园林绿地等空间载体,建设低影响开发的雨水控制与利用系统。LID设施及其相应的功能、控制目标等见表1

一是在扩建和新建城市水系的过程中,采取一些技术措施,如加深蓄水池深度、降低水温来增加蓄水量并合理控制蒸发量,充分发挥自然水体的调节作用。在我国新疆一些地区年降雨量仅为50 mm,蒸发量却高达4500 mm,当地民众自古以来就使用坎儿井来输送水,由于水温低、又能避免阳光照射,从而达到降低水蒸发损失的目的。

二是改造城市的广场、道路,通过建设模块式的雨水调蓄系统、地下水的调蓄池或者下沉式雨水调蓄广场等设施,最大程度地把雨水保留下来。在一些实践中,实现了道路广场的透水地面比例≥70%,下凹式绿地比例≥25%,综合径流径流系数≤0.5

三是在居住区、工商业区LID设计中,改变传统的集中绿地建设模式,将小规模的下凹式绿地渗透到每个街区中见图6,在不减少建筑面积的前提下增加绿地比例,可实现透水性地面≥75%,绿地率≥30%(其中下凹式绿地≥70%),径流系数≤0.45


6 传统绿色系统与海绵城市绿色系统建设模式对比

四是在园林绿地采用LID设计,绿地的生态效益更加明显。在海绵城市建设实践中,通过建设滞留塘、下凹式绿地等低影响开发设施,并将雨水调蓄设施与景观设计紧密结合,可以实现人均绿地面积≥20m2、绿地率≥40%、绿化覆盖率≥50%。、透水性地面≥75%(其中下凹式绿地≥70%)的目标,径流系数可以控制在0.15左右。同时,收集的雨水可以循环利用,公园可以作为应急水源地。根据日本的抗震经验,每一个城市公园都建有雨水调蓄池,可以供应周边居民3天的用水量。中国城市科学研究会水技术中心也推出了一些先进技术,例如,通过在池底铺设表面经过处理的砂层,沙地雨水处理池的含氧量比普通池提高3倍,从而能长久保持水的新鲜度。

2.3建筑雨水利用与中水回用

在海绵城市建设中,建筑设计与改造的主要途径是推广普及绿色屋顶、透水停车场、雨水收集利用设施,以及建筑中水的回用(建筑中水回用率一般不低于30%)。首先,将建筑中的灰色水和黑色水分离,将雨水、洗衣洗浴水和生活杂用水等污染程度较轻的“灰水”经简单处理后回用于冲厕,可实现节水30%,而成本只需要0.81/m3。其次,通过绿色屋顶、透水地面和雨水储罐收集到的雨水,经过净化既可以作为生活杂用水,也可以作为消防用水和应急用水,可大幅提高建筑用水节约和循环利用,体现低影响开发的内涵。综上,对于整体海绵建筑设计而言,为同步实现屋顶雨水收集利用和灰色水循环的综合利用,可将整个建筑水系统设计成双管线,抽水马桶供水采用雨水和灰水双水源。

既然可以做到建筑中水回用,那么在城市中市政污水再生水更有利用价值。通过敷设再生水专用管道,就能够实现再生水的有效利用,从而能大幅降低对水资源的需求。以北京市政部门测算,如果80%的建筑推广这种中水回用体系,市政污水的1/3能作为再生水利用,该市每年约可节木12亿m3,相当于南水北调工程供给首都的总水量。

3深化海绵城市(LID)五项展望

3.1引入弹性城市和垂直园林建筑的精细化设计

建筑是城市最基础的细胞,如果建筑对雨水能呈现海绵特性,那么城市离“海绵”也就不远了。这里需要引进弹性城市和园林建筑的设计理念。

一是引入弹性城市的设计理念。弹性城市(Resilient City)是目前国际上非常流行的概念。所谓弹性城市,是指城市能够准备、响应特定的多重威胁并从中恢复,并将其对公共安全健康和经济的影响降至最低的能力(Wilbanks T, Sathaye J, 2007)。联合国建议打造弹性城市 应对自然灾害,城市必须在制定低碳可持续发展路线的同时,采取措施提高其弹性应对的能力。弹性城市涉及方方面面,从城市应对气侯变化引起的水资源短缺的弹性来看,一旦把水循环利用起来,每利用一次就等于水资源增加了一倍,利用两次就增加了两倍,以此类推。如果通过反渗透等技术,实现水资源的N次利用,就可以做到城市建设与水资源和谐发展,这就是一种“水资源弹性”。新加坡目前就已经达到了此类“弹性城市”的标准。该国从马来西亚调水基本上作为一种水保障,并把调来的水加工成纯净水反销到马来西亚去;在本国内,则通过中水回用、海水淡化、雨水利用,基本能满足民众生活和产业用水问题,这就是N次用水的一种体现。总之,弹性城市在水方面的要求,就是尽管外界的水环境发生了变化,都可以保持城市供水系统的良好运转,这也是现代科学技术对解决城市水资源短缺的一种创新。

二是结合园林设计的理念。如果把中水和雨水在建筑中的充分综合利用,就可以把整个园林搬到建筑上去,即垂直园林建筑。这种建筑整体上呈现出海绵状态,能将雨水充分收集利用,实现中水回用,排到自然界中的水体污染物几乎等于零,所有的营养素都能在建筑内循环利用,并且绿色植物还能够固定二氧化碳。如果城市广泛推广垂直园林建筑,不仅可显著减少地表水径流量,而且会营造出一个非常美妙而且可以四季变化的城市景观。

3.2海绵城市(社区)结合水景观再造

海绵建筑推而广之就是海绵社区。快速城镇化到来之前,我国许多地方曾经有过良好的城市水景观被称之为“山水城市”,当代城市规划师应该传承历史文化,回归社区魅力,增加社区的凝聚力。通过由下而上的再设计,将社区水的循环利用和景观化、人性化相融和,并结合特定的历史文化,开展海绵社区建设,见图7


7 海绵城市(社区)结合水景观再造

    与此同时,海绵社区建设可以激发起居民爱护水环境、呵护水环境、敬重水环境的心态,实现人类与自然水生态和谐相处的目标。以杭州为例,杭州曾经有一条浣纱河,传说是当年西施浣纱的河流。这条河穿过许多社区,如果把文化融入到浣纱河水景观复建,完全可以再现当年人水和谐美景,留住这段美妙的记忆,而且能够控制水污染,最大程度地减少了对水环境的影响。

3.3引入碳排放测算

我国是世界上最大的碳排放国,国务院已决定建立中国特色的碳交易市场,在我国内部首先实现公平的碳排放权交易。海绵城市建设能够在很大程度上减少碳排放,因为我们传统的外地调水特别是长距离供水需消耗大量的能源资源,属高碳排放的工程。美国南加州和旧金山湾地区的城市化区域通过实施低影响开发技术,碳减排效果十分显著,见表2NRDC A ClearBlue Future, 2009),按照碳减排的程度分成低中高三个级别,可以看到,高影响条件下,每年的碳减排量非常巨大。如果把海绵城市建设模式引发碳减排拿到碳交易市场上进行交易,变成现金,则可以有效减少项目的投资,形成稳定持久的投资回报。


3.4分区测评、以奖代补、奖优罚劣

    我国地域辽阔,气候特征、土壤地质等天然条件和经济条件差异较大,城市径流总量控制目标也不同。住房和城乡建设部出台的《海绵城市建设技术指南――低影响开发雨水系统构建(试行)》对我国近200个城市19832012年日降雨量统计分析,将我国大陆地区大致分为五个区,并给出了各区年径流总量控制率α的最低和最高限值,即I区(85%≤α≤90%)、Ⅱ区(80%≤α≤85%)、Ⅲ区(75%≤α≤85%)、Ⅳ区(70%≤α≤85%)、Ⅴ区(60%≤α≤85%),见图8


8 我国大陆地区年径流总量控制率分区

根据我国的年径流总量控制率分区,建立评测体系,研究充分利用中央财政资金以奖代补、奖优罚劣的方式,加快引导和推动各地海绵城市建设。

3.5海绵城市建设智慧化

海绵城市建设可以与国家正在开展的智慧城市建设试点工作相结合,实现海绵城市的智慧化,重点放在社会效益和生态效益显著的领域,以及灾害应对领域。智慧化的海绵城市建设,能够结合物联网、云计算、大数据等信息技术手段,使原来非常困难的监控参量,变得容易实现。未来,我们将实现智慧排水和雨水收集,对管网堵塞采用在线监测并实时反应;通过智慧水循环利用,可以达到减少碳排放、节约水资源的目的;通过遥感技术对城市地表水污染总体情况进行实时监测;通过暴雨预警与水系统智慧反应,及时了解分路段积水情况,实现对地表径流量的实时监测,并快速做出反应;通过集中和分散相结合的智慧水污染控制与治理,实现雨水及再生水的循环利用等。

此外,建筑智慧化方面,可以通过公共建筑水耗在线监测,显示公共建筑水耗、能耗的排名情况。根据试点城市调查,建筑单位面积水耗最高和和最低相差十倍之多,有的建筑由于设计和运维问题,水管出现了严重的漏损,这些缺陷都可以通过公共建筑水耗在线监测系统诊断出来。将水耗情况在媒体进行公开排名,有助于建筑管理和产权单位清楚的认识水耗情况,主管部门可以要求对水耗最高的建筑进行强制性改造,明确控制性指标性和针对性措施,从而推动整个城市的水循环利用和用水效率得到提升。在这方面,新西兰和澳大利亚做得非常好,低影响雨水设计系统通过数字模型和信息化技术的精细化管理,能够把GIS、云计算这些技术落实到位,并将其作为一种手段,使海绵城市智慧起来,见图9


9 新西兰低影响开发雨水系统设计

智慧的海绵城市是逐步推进的(见图10)。比如,通过网格化、精细化设计将城市管理涉及的事、部件归类,系统标准化等使现场管理反应快、准、好。在此基础上,再推行城市公共信息平台建设,通过智慧城管平台,主动发现问题,并有预见性地应对。最后,通过物联网智能传感系统,实现实时监测。通过以上这些优化设计,可以使我国城市迅速地、智慧地、弹性地来应对水问题。智慧的海绵城市离不开这样一个循环:信息的监测收集→信息的传输→准确地指挥→迅速地执行→对结果进行反馈修正。这样一种信息的循环利用模式,可以使海绵城市能够非常高效和智慧地运行。

10 智慧海绵城市逐步推进示意

4结论

1)城镇是水体污染最重要的源头,通过海绵城市(LID)建设使城市成为应对水污染的主战场,是解决水资源短缺的希望之地。

2)海绵城市(LID)概念内涵仍在发展之中,创建具有中国特色的海绵城市理论、规范、标准任重道远。住房和城乡建设部已经颁布了海绵城市建设技术指南,但这还远远不够,需要大家在实践中不断探索并适时修订。

3)海绵城市(低影响开发)规划与智慧水务是协调海绵城市各单元有效运行的两大系统工程。如果说海绵城市规划是“推”,海绵智慧则是“拉”,“一推一拉”能够将整个海绵系统有效地协调起来,既不产生浪费,也不至于出现信息孤岛。因此,“一推一拉”两大系统是非常重要的系统设计。

4)要把海绵城市系统从大到小划成四个子系统,即区域、城市、社区、建筑,这四层次系统低影响开发的侧重点不同,需要上下结合推进系统创新。

5)根据年径流总量控制率分区,建立科学合理的城市“海绵度”测评体系并给予奖励引导尤为重要。加快引导和推动整个海绵城市蓬勃发展,走出一条中国特色的海绵城市建设健康发展之路。

本文来自《给水排水》杂志2015年第3期。



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