国外海绵城市建设的理论研究

欧美发达国家在20世纪70年代开始对于城市内涝、雨水污染等问题进行研究,从最初的单纯土木工程建设,到关注受纳水体的生态,再到审美、景观、规划、社会等目标的融合,经过数十年的系统研究和工程实践,目前已形成比较系统的城市雨洪管理体系,图1-1展示了城市雨洪管理对象的发展历程。当前城市雨洪管理的内容包活防洪治理、休闲美观、水质保护、流态恢复、雨洪资源、生态系统健康、城市弹性和微气候构建等。

图1-1　国际城市雨洪管理目标与内容的演变

雨洪管理体系中最具有代表性的有美国的最佳管理措施(Best Management Practices,BMPs)和低影响开发策略(Low Impact Development,LID)、澳大利亚的水敏城市设计(Water Sensitive Urban Design,WSUD),英国的可持续排水系统(Sustainable Urban Drainage Systems,SUDS)、新西兰的低影响城市设计与开发(Low Impact Urban Designand Development,LIUDD)。

(一)美国的海绵城市——最佳管理措施和低影响开发策略

1．最佳管理措施

最佳管理措施(BMPs)是由美国环境保护局(United States Environmental Protection Agency,USEPA)提出的一种控制面源污染的技术与法规体系。该措施初期主要针对农业污染,经过几十年逐渐发展成针对任何可以减少或者预防水资源污染的方法。

20世纪70年代,美国很多城市的雨洪问题非常严重,联邦政府通过建设深层隧道等方式,延缓雨水进入受纳水体,缓解雨洪问题。例如早期芝加哥的建设,以深层隧道和调蓄池为主要代表,形成了城市雨洪管理的第一代概念——最佳管理措施(BMPs)。BMPs初期的主要作用是控制非点源污染,目前BMPs已经发展到利用综合措施来解决水量、水质以及生态等问题。

BMPs一般分为两大类:工程性措施(主要指用于减污、减沙、洪水排控等具有一定物理结构的措施,主要包括雨水湿地、雨水池、雨水塘、渗透设施、生物滞留和过滤设施等)和非工程性措施(管理措施)。非工程性措施主要为各种管理措施,基本策略为源头控制,政府发挥政府部门的职能作用和公众监督作用,制定各种法律法规与管理制度对污染源进行控制或者缩减。工程性措施指通过延长径流的停留时间、减缓径流流速、提高下垫面渗透率、通过自然方式沉淀过滤以及生物净化技术去除污染物等办法,按照一定暴雨模型标准、径流量控制率、污染物去除率等标准设计工程措施。

BMPs的控制目标根据法规要求、控制需求、特殊地区要求等,分为下述几个层次。

①峰流量与洪涝灾害控制。

②具体污染物去除率控制。

③年均径流量控制。

④多参数控制(如地下水回灌与受纳水体的保护标准)。

⑤生态保护与可持续性战略。

BMPs虽然缓解了美国城市的雨洪问题,但也存在一些问题与局限性,如因为占地较广,建设中对城市生活影响大;项目只能由政府主导建设,并且投资过大;项目功能比较单一。

2．低影响开发策略

20世纪90年代,美国在BMPs的基础上提出了第二代雨洪管理概念——低影响开发(LID)。低影响开发强调通过源头控制来实现雨洪管理控制,代表的工程措施有绿色屋顶等,旨在通过分散的、小规模的源头控制来达到对暴雨所产生的径流和污染的控制,使开发地区尽量接近于自然的水文循环,核心目标在于降低开发活动对场地水文特征的影响。

1990年美国马里兰州环境资源署第一次提出低影响开发理念,该理念是从微观尺度BMPs措施变化发展而来,重视源头控制与景观处理。与BMPs相比,低影响开发具有下述优点。

①工程项目空间尺度不大,占地小,可根据城市建设计划随机建设与改造。

②单个项目投资额相对较小,同时具备景观功能。

③各个项目可以自成微系统。

因此从城市雨洪管理系统来看,LID与BMPs正好形成互补,分别从宏观与微观对雨洪进行处理,形成了更加完善与合理的管理体系。

低影响开发理念强调城市开发过程中应减小对自然环境的改变,保护水系统的循环。源头控制和延缓冲击负荷是其核心理念,通过构建系统的、适应自然的城镇排水系统,合理利用景观空间与景观措施对城市的雨水径流进行从源头到终端的控制,减少城市的环境污染,以实现其源头收集、自然净化、就近利用或回补地下水,使城市开发区域达到可持续的水循环。低影响开发城市雨水收集利用的生态技术主要包含:生态植草沟、下凹式绿地、雨水花园、绿色屋顶、地下蓄渗管箱、透水路面等各种小型控制措施。

低影响开发遵循的原则主要有以下几条。

(1)以现有自然生态系统作为土地开发规划的综合框架

首先要考虑地区和流域范围的环境,明确项目目标和指标要求;其次在流域(或次流域)和邻里尺度范围内寻找雨水管理的可行性和局限性;明确和保护环境敏感型的场地资源。

(2)专注于控制雨水径流

通过调整场地设计生态策略和可渗透铺装的使用使不可渗透铺装的面积最小化;将绿色屋顶和雨水收集系统综合到建筑设计中;将屋顶雨水引入到可渗透区域;保护现有树木和景观以保证更大面积的冠幅。

(3)从源头进行雨水控制管理

采用分散式的地块处理和雨水引流措施作为雨水管理主要方法的一部分;减小排水坡度,延长径流路径以及使径流面积最大化;通过开放式的排水来维持自然的径流路线。

(4)创造多功能的景观

将雨水管理设施综合到其他发展因素中以保护可开发的土地;使用可以净化水质、减弱径流峰值、促进渗透和提供水保护效益的设施;通过景观设计减少雨水径流和城市热岛效应并提升场地美学价值。

(5)教育与维护

在城市公共区域,提供充足的培训和资金来进行雨水管理技术措施的实践与维护,并教导人们如何将雨水管理技术措施应用于私有场地区域;达成合法的协议来保障长期实施与维护。

绿色基础设施(Green Infrastructure,GI)的定义在20世纪90年代末首次出现,并逐步得到美国政府的认可,它把自然系统作为城市不可或缺的基础设施加以规划、利用和管理,即“绿色基础设施是城市自然生命保障系统,是一个由多类型生态用地组成的相互联系的网络”。绿色基础设施理念和技术不仅针对城市水文管理,而且它首次将自然资源作为变化的主体纳入城市建设和管理,通过规划设计技术手段限制和引导人们对其的使用,进一步丰富了城市雨洪管理系统。

21世纪,西雅图公共事业局提出了绿色暴雨基础设施(Green Stormwater Infrastructure,GSI)的理念,这是广义绿色基础设施在城市雨洪控制利用的具体专业领域体现。其主要设施有生物滞留池、渗透铺装、绿色屋顶、蓄水池等,通过微观尺度源头控制的雨水设施,维持小区域的水文生态平衡和调蓄雨洪,成为城市雨洪管理系统不可缺少的重要部分。

(二)澳大利亚的水敏城市设计

澳大利亚位于南太平洋和印度洋之间,由澳大利亚大陆和塔斯马尼亚岛等岛屿和海外领土组成。它四面环海,是世界上唯一独占一个大陆的国家。澳大利亚的东部是山地,中部为平原,西部是高原。

澳大利亚约70%的国土属于干旱或半干旱地带,国土面积内有11个大沙漠,它们约占整个大陆面积的20%。澳大利亚是世界上最平坦、最干燥的大陆,饮用水来源主要是自然降水,并依赖大坝蓄水供水。政府严禁使用地下水,因为地下水资源一旦开采,很难恢复。2006—2009年,由于厄尔尼诺现象的影响扩大,导致降雨大幅减少,澳大利亚各大城市普遍缺水,纷纷颁布多项限制用水的法令,以节水度过干旱。澳大利亚雨洪管理体系最早关注水源污染与径流排放,后来随着对雨水资源的重新认识,管理理念逐步从雨水快排转向雨水利用,强调在城市设计中加强可持续雨洪基础设施的建设。

澳大利亚的雨洪管理从1960—1989年主要关注于污水治理和水环境娱乐的开发,到1990—1999年关注从“以排为主”转向雨水收集利用,再从2000—2010年,战略特点为使城市发挥汇水与供水的作用,到2011年至今,提出创建宜居城市。澳大利亚的雨洪管理体系经历了4个时期。(www.xing528.com)

澳大利亚的水敏城市设计(Water Sensitive Urban Design,WSUD)概念是1994年由西澳大利亚洲学者理维蓝和哈尔佩恩首次提出,不过当时并没有受到学界重视。在20世纪90年代后期,雨洪管理体系才开始逐渐体现WSUD的理念,并得到社会认同而推广。

WSUD是澳大利亚当代城市环境规划设计方法,其更注重水资源的可持续性、适应能力和环境保护3个方面。国际水协会对WSUD的定义为:WSUD是城市设计和城市水循环的管理、保护和保存的结合,确保了城市水循环管理能够尊重自然水循环和生态过程。WSUD的主要目标是保护和改善城市水环境,降低径流峰值和雨水径流总量,提高雨水资源化利用效率。

目前WSUD涵盖从区域到街道,从单个地块到一套处理工艺,已经形成了一个系统化的城市雨洪管理系统。其技术体系包括雨洪滞蓄水库、人工湿地、雨水花园、渗透沟、污染物汇聚井、绿地浅沟、蓄水池等。澳大利亚各城市根据城市开发规模不同,开发出不同的雨洪处理方案模型,用于不同场址使用来确定需要配置设施的规模参数等。

WSUD在澳大利亚经历了几十年的发展,已经从单纯的对水源水质的保护发展到水生命全周期的循环保护阶段,其关注的层面已经达到了一个更高的维度,更有利于对城市的雨洪管理提出更好、更系统的建议。

WSUD在体系转型中也面临一些阻力和困难,如技术与政策跟进困难、多目标管理难以实现、从业者和民众难以信服等。但经过困难跨越期后,澳大利亚逐步排除了技术制度、多目标管理、多方合作、民众参与等多方面制约因素,步入了成熟稳定期。WSUD作为一个新兴领域,为解决城市发展问题和指导城市建设的可持续发展提供了新的方向和途径。

(三)英国的可持续排水系统

2007年英国发生洪灾,导致13人死亡、7 000人等待救援、55 000所住宅受灾、近50万人无法用电用水,共造成32亿英镑的损失。此后,英国政府立刻委任迈克尔·皮特爵士对洪水风险管理、应急计划、重大基础设施脆弱性与恢复力、应急响应与灾后恢复进行审查。审查发现,本次洪灾的原因70%是由于强降水和连续性降水使地表水超过了城市的排水与下水管道蓄水能力,因此造成城市内涝。报告指出“地表水灾的重要因素是降雨量、降雨强度、降雨地点、降雨地地形及其地表渗透性”。英国环境署还指出,一般的地面排水系统主要使用地下管道尽快排水,可能会造成下游的洪涝问题,同时还会减少地下水的补给。传统的排水系统还会使城市的污染物直接进入水体和地下水。

2008年6月发布的审查报告包含了92项建议,2008年英国议会评估并采纳了这些建议,其中包括“改革传统排水系统,推广可持续排水系统”等内容。

2010年英国出台了《洪水与水资源管理法案》,根据该法案,英国环境、食品和乡村事务部(Department for Environment,Food and Rural Affairs,DEFRA)于2011年12月发布城市可持续排水系统(SUDS)国家建议标准以进行商讨。从2012年起至2015年,英国多次关于该系统进行规划政策调整和发布,并于2015年11月在英国社区与地方政府事务部国务大臣声明的敦促下,建筑工业研究与情报协会(Construction Industry Research and Information Association,CIRIA)发布了《SUDS手册》,明确了SUDS在规划系统中的重要作用及地位。CIRA网站称该手册是“在英国可使用的、最全面的行业SUDS指南”。

英国的城市可持续排水系统(SUDS)也称为可持续排水系统,是一种全新的排水理念。美国土木工程学会将其定义为水资源系统的设计和管理,认为其可在保护生态环境和水资源基础上,满足现状和未来社会对于水的需求。SUDS基于试图复制自然生态排水系统的设想,采取低成本及低环境影响力的方法,通过收集、储存、利用技术和工程手段降低流速等方式,对雨水和地表水进行清洁净化并重复循环使用。SUDS旨在从系统上减少城市内涝发生的可能性,同时提高雨水等地表水的重复利用率,兼顾减少河流水污染问题并改善水质。

英国在新的建设项目中通过在源头利用SUDS控制水,以降低洪灾风险。设计中考虑排水系统能力不足时地表水流的路径,通过一系列措施减少水流的速度、延长水流时间,通过模仿自然排水过程,以一种更为可持续的方式排出地表水。

SUDS可持续的地表排水管理方式有下述措施。

①源头控制措施,包括雨水排放及循环控制。

②使水渗透地表的渗透设备,包括独立的渗水坑和公共设施。

③过滤带和洼地,模仿自然排水模式让水向下坡流,同时具有蓄水功能。

④过滤下水道与多孔路面,可以让雨水和径流渗入地下的可透性材料,需要时提供储水空间。

⑤雨水盆地和池塘,储存雨后多余雨水,控制排水,避免洪灾。

根据CIRIA的《SUDS手册》,SUDS被确认为一个互相关联的系统,旨在管理、处理并最佳地利用地表水,从降雨处开始,直到某一范围之外的排放处。

在单一系统中运用多种组件是SUDS开发管理的核心设计理念,手册将其称为一系列组件的运用共同提供了控制径流频率、流通率及流量的必要过程,还可以把污染物浓度降至可接受的水平。

手册包含了一个SUDS部件及其功能的列表。

①雨水收集系统——收集雨水,帮助雨水在建筑内当地环境中使用。

②可渗透表面系统——水可以渗透入建筑结构面,从而减少输送入排水系统的径流量,比如屋顶绿化、透水铺装等系统还包括地下储存和处理设备。

③渗透系统——有助于水渗进入地面,通常包括临时储存区域,容纳缓慢渗入土壤中的径流量。

④输送系统——输送流向下游储存系统的水流,在一些可能的地方,如洼地,输送系统还能控制水流与流量,并进行处理。

⑤储存系统——通过储水放水来控制水流,控制被排出的径流量,还能进一步处理径流量,如池塘、湿地和滞洪区。

⑥处理系统——移除径流现有污染物或促进其降解。

SUDS旨在实现多重目标,包括从源头移除城市径流的污染物,确保新的发展项目不会增加下游的洪灾风险,控制项目的径流,结合水管理与绿化用地,以增加舒适度、娱乐性以及生物多样性。

SUDS目前已经成为世界公认的主流雨洪管理系统,被认为是有价值的选择。

(四)新西兰的低影响城市设计与开发

新西兰地处南半球,面积27万多平方千米,由北岛、高岛、斯图尔特岛及其附近一些小岛组成。新西兰属温带海洋性气候,季节与北半球相反。夏季平均气温25℃,冬季平均气温10℃,四季温差不大,阳光充足,降水充沛,为640～1 500 mm,且年分配比较平均,优良的气候条件以及长期孤立隔绝的地理环境孕育了独特的自然生态景观。新西兰公众对自然环境也持有保护重于开发的态度;在城市建设中,绝对禁止开发重要的动物栖息地,并尽可能地应用本地植物,营造本地自然环境等一系列政策与实践,使得这片土地犹如世外桃源,给人以契合自然的精神享受。

与欧美城市一样,历经城市美化运动(City Beautiful Movement)、花园城市(the Garden City)等城市建设运动之后,目前新西兰城市设计普遍运用“低影响城市设计与开发(Low Impact Urban Design and Development,LIUDD)”政策。新西兰的低影响城市设计与开发是在美国LID理念的基础上结合澳大利亚WSUD以及新西兰本国城市特点发展而来的一种持续型城市设计理念,该理念倡导城市绿色空间与蓝色空间的紧密结合,例如在城市雨洪管理中,普遍应用城市雨水公园、生物塘等,绿色空间被设计成低于道路平面,有效地汇集地表径流,从而补给地下水;屋顶绿化等措施可以为本地鸟类提供栖息中转站;绿色空间的建设可以减少城市热岛效应。除此之外,新西兰的LIUDD则更强调本地植物群落在城市低影响设计中的应用,凸显生态功能与地域特色的结合,使得城市绿地在保护生物多样性中也能起到重要作用。

低影响城市设计与开发在新西兰被定义为:“一个跨学科的雨水系统设计方法,运用模拟自然生态系统的过程,对环境起到保护及优化的作用,并给社区带来积极的作用。”LIUDD也可理解为一套运用于土地利用规划与发展的指导原则,即

①促进多个学科之间互相合作,跨学科的规划与设计。

②保护自然生态环境的价值和功能。

③避免雨水排泄对环境的污染。

④运用自然的过程及体系对雨水进行处理。

LIUDD实施的基本步骤如下所述。

①全面评估设计场地,确定场地的潜在利用模式。

②制订适宜的空间构架,以平衡自然环境与场地开发的关系,空间架构是LIUDD中最重要的组成部分:第一是环境架构,以保护或优化环境为主,其主要利用开放空间的链接、生态通道和改善后的自然环境,用于减轻土地开发利用对环境带来的破坏以及减少雨水径流;第二是开发架构,是针对场地的价值和敏感度而定,作用是引导建设区合理利用土地,使重要开放空间、敏感区域或者边际土地的生态系统得保平衡;第三是场地区位及水文分布,影响项目的土地价值、生态及景观的敏感程度、区域规划增长的节奏、各种空间和设施的布局。

③制订概念设计时,跟进水文分布图,需从源头至汇流处,全面考虑雨水的径流。