海绵城市建设问题与雨水资源利用

(一)避免理念片面化

海绵城市建设的重点是城市水系统的保护和修复,强调修复城市水生态、涵养城市水资源、改善城市水环境、提高城市水安全、复兴城市水文化等“五位一体”的综合概念。住房和城乡建设部有关领导强调,要避免对海绵城市理念的片面化理解,应将海绵城市建设作为一个系统工程,并协调处理好下述5个关系。

①水质和水量的关系。有质无量,水不够用;有量无质,水不能用,只有量质统一才能支撑用水需求。

②分布和集中的关系。分布就是从每家每户、每个源头开始,化整为零,做到雨水的源头减排;集中就是将削减后的雨水集零为整,进行末端处理。分散和集中需要因地制宜,相互协调衔接。

③生态和安全的关系。注重生态即要在大概率小降雨情况下,尽可能留住雨水、涵养生态;注重安全则是在发生小概率大到暴雨或短历时强降雨时,做好排水防涝,以安全为重。

④景观和功能的关系。海绵城市建设包括推广海绵型公园绿地这方面要注意景观和功能并重,有景观无功能是“花架子”,有功能无景观,是“傻把式”。要将自然生态功能融合到景观中,做到功能和景观要求兼具。

⑤灰色和绿色的关系。“绿色”基础设施注重自然生态系统的利用,实现“自然积存、自然渗透、自然净化强化人工建设,主要应对高负荷水量(即小概率大降雨)。“绿色”与“灰色”要相互融合,实现互补,不能顾此失彼,如图1-2所示。

图1-2　灰色和绿色基础设施对比

(二)避免目标单一化

中国在经历近30余年的快速城镇化后,城市地面不透水面积率大幅增加,导致城市原有生态系统和自然水文条件被改变和破坏,引发包括水资源、水环境、水生态、水安全等一系列的城市水系统问题,严重影响人民生产、生活和城市有序运行。海绵城市正是在此背景和需求下以系统、完整、明确的理论体系被提出,并逐步为广大城市管理者和专业技术人员关注和广泛接纳,以期统筹解决城市水问题。可见,海绵城市起源于国外低影响开发(LID),最佳管理措施(BMPs)、水敏性城市设计(WSUD)等相关理论,并将其作为海绵城市的主要理论基础和技术核心,但结合了当前中国城市发展特色和实际需求后,海绵城市的建设目标不再仅局限于雨洪管理,而是面向城市涉水领域、以现代城市雨洪管理为核心和着力点的新型、可持续的城镇化建设和发展模式,其建设综合效益和指标如图1-3所示。

2015年7月,住房和城乡建设部发布《关于印发海绵城市建设绩效评价与考核办法(试行)的通知》(建办城函〔2015〕635号),通知中明确海绵城市是“实现修复城市水生态、改善城市水环境、提高城市水安全等多重目标的有效手段”,并提出了包含水生态(4项)、水环境(2项)、水资源(3项)、水安全(2项)在内的六大类、共18项建设指标。从中可以看出,国家针对海绵城市建设的绩效评价和考核是全面且系统性的,期望的是一种“渗、滞、蓄、净、用、排”共同发挥的综合效益,而非某单一方面的目标和效益的实现,这与以往采取的治水策略有着本质性的区别。

①水生态目标方面,海绵城市建设强调对水敏感区域的保护和修复,通过划定水系保护控制线、生态岸线改造、涵养型下垫面构建等方式,在生态区进行保护和涵养,维持和加强原有的生态系统和效益;在城市建设区进行修复和修补,逐步恢复城市开发前的自然水文条件。同时,充分发挥海绵城市的复合效益,改善局部气候,降低城市热岛效应。

图1-3　海绵城市建设综合效益和指标

②水环境目标方面,以灰色与绿色基础设施相结合的方式,严格控制进入水体的污染量是海绵城市建设的重要内容。通过雨污分流管网建设、合流制溢流污水(CSO)调蓄改造、污水处理厂完善等方式,减少点源污染;通过雨水湿地、雨水花园等绿色设施对地表径流量的控制,削减面源污染量。城市黑臭水体治理也是海绵城市建设在水环境方面的重要“职能”,应按照《城市黑臭水体整治工作指南》的要求,将海绵城市建设与黑臭水体治理结合,协同推进。

③水资源、目标方面,海绵城市要求对城市地表和地下水源地执行严格的保护措施,同时执行“开源节流”策略,在条件成熟的情况下,利用各类海绵城市技术、设施,因地制宜加强对再生水、雨水等非常规水资源的利用,提升污水再生利用率、雨水资源利用率等指标。注重对供水系统的保护和改造,减少管网漏损。

④水安全目标方面,有效防治城市内涝、保障城市安全是海绵城市建设最为重要的目标,也是城市雨洪管理提出的初衷。通过构建源头径流控制系统、城市雨水管渠系统和超标雨水径流排水系统相结合的城市排水防涝体系,实现径流总量控制、径流峰值控制等关键性技术目标,消除城市内涝风险。

综上,海绵城市在以往传统的治水理念上有较大提升,不再是单纯的“头痛医头、脚痛医脚”的方式,而且从水系统的层面统筹解决问题。因此,海绵城市的建设目标是多元化的,不应局限在某一单项专业或领域。从水生态、水环境、水资源、水安全等角度对其建设成效进行全面系统的考核,将有助于业界更为全面和深刻地认识海绵城市与国际上相似理论之间的内在联系和拓展,有助于明确建设方向、具体目标以及制定综合的系统性方案。在全面推进海绵城市建设的今天,一定要明确海绵城市的核心和目标,掌握各系统之间的客观规律、相互关系以及它们在海绵城市建设中的轻重缓急,从而真正发挥和实现海绵城市的综合效益。

(三)避免策略同质化,因地制宜制定海绵城市建设策略

海绵城市的建设要因地制宜,综合考虑区域的地形坡度、土壤条件、降雨特征、地下水位、水资源状况、水环境质量等因素,确定海绵城市建设的基础条件、重点目标和主要解决的问题,从目标导向和问题导向两个维度提出海绵城市建设的策略。

1)地形坡度

山地城市一般坡陡水急,雨水冲刷严重,河流岸线相对敏感,城市水面率较低。由于城市地形地貌的影响,雨水留存能力较差,因为地形起伏大带来提水的成本也较高。一般来说,山地城市位于流域上游,其水量的稳定和水质的好坏直接影响到下游城市的安全和用水保障。因此,山地城市的海绵城市建设应重点考虑雨水的蓄用,避免雨水大量下渗和排放导致水资源的缺乏;重点考虑河流的行洪安全、生态岸线维护和水环境质量保障,避免上游城市水量的波动和水质的恶劣等情况对下游城市造成严重影响。

而平原城市一般水流平缓,较容易形成湖泊、坑塘等水面。由于地形较为平缓,容易因为地势低洼和河流顶托作用,引起排水不畅导致城市内涝。因此,平原城市的海绵城市建设应重点考虑雨水的下渗、滞蓄和排放,保障城市水安全。

山地城市和平原城市海绵城市技术的差异见表1-1。

表1-1　山地城市和平原城市海绵城市技术的差异

注:●——强;◎——较强;⊙——一般。

2)土壤条件

土壤是影响雨水下渗的重要因素,且土壤的稳定性是设施安全建设的重要因素。总结国内开展海绵城市的建设经验,不同土壤类型条件下海绵城市建设的主要原则归纳如下所述。

(1)湿陷黄土区

湿陷黄土是指具有遇水下沉特性的黄土,是在干旱气候条件下形成的特种土,主要分布于山西、陕西、甘肃等省。根据湿陷黄土等级的不同,遇水发生湿载变形、结构破坏、承载力下降等风险也存在差异。因此,在湿陷黄土区,原则上不使用深层、大型的入渗设施,可因地制宜地采用浅层、小型入渗设施,并应采取防渗措施,最大限度地降低湿陷风险。(www.xing528.com)

(2)软土区

软土是指天然含水量高、孔隙比大、压缩性高的细粒土,包括淤泥质土、泥炭质土等,主要分布在滨海、河滩沉积的平原地区。由于土壤的下渗性能差,不利于雨水的下渗和滞蓄,导致下雨易涝,干旱易干,也不利于植物生长。因此,在软土区应谨慎使用渗透技术,可结合实际项目需求,通过换土和土壤改良的方法改善土壤渗透性,提高有效含水量。

(3)盐碱土区

盐碱土包括盐土和碱土,盐土指土壤中含盐量高,碱土指土壤碱化度高,主要分布于降雨少蒸发多、地势低平、地下水位高的半湿润、半干旱和干旱地区,不利于作物正常生长。因此,盐碱土区应以排水洗盐为主要目的,在海绵城市建设中塑造合理的微地形,利用雨水的流动随地势将盐分排走,减轻盐碱化程度。

(4)沙质土区

沙质土是指含沙量多、颗粒粗糙的土壤,主要分布于西北、华北地区的山前平原、河流两岸和平原地区。土壤的渗透性能好,但保水性能差,容易引起干旱。因此,海绵城市的建设应以雨水的滞蓄为首要目标,将雨水留于本地、用于本地。

(5)壤质土区

壤质土是指含沙量中等、颗粒粗糙度中等的土壤,下渗和保水性能均较好,分布于我国中、东部大部分地区,利于植物的生长。壤质土区渗透和滞留性能均较好,海绵城市建设的技术适宜性良好,适宜开展海绵城市建设。

3)降雨特征

我国总体上呈现降水量从西北向东南依次递增,从气候分区上可分为东部季风区和西北部非季风区,前者降雨量较多,是海绵城市的重点建设区域,后者降雨量较少。季风区又可分为热带季风气候区、亚热带季风气候区和温带季风气候区。

季风气候区降雨特征表现为旱雨季分明,降水集中在雨季,且降水量大。该类地区易发短历时、强降雨,城市内涝问题突出,强降雨发生率表现为热带季风气候区＞亚热带季风气候区＞温带季风气候区。因此在海绵城市的建设中应重点统筹灰、绿基础设施的建设,解决城市内涝问题。同时旱雨季分明的特点容易引起季节性缺水,因此要强调雨水的滞蓄和再利用。

4)地下水水位

地下水位的高低是影响雨水下渗的重要因素。根据相关规范的要求,为了增加雨水停留时间和保证足够的净化效果,雨水入渗系统的渗透面要求距地下水水位大于1。地下水水位埋深较小的地区,雨水的下渗净化能力较弱,应谨慎使用“渗”的技术。许多城市和工矿区由于缺乏地表水,打井抽取地下水导致出现大量的地下水漏斗区,对地面稳定性、区域水文循环造成了影响,宜加强雨水下渗,恢复水文循环,因此对于不同地下水水位地区,应采取的策略为:

①地下水水位埋深小的地区。应谨慎使用雨水的下渗设施,特别是大型、深层的设施。

②地下水水位适中的地区。宜因地制宜使用雨水的下渗和滞蓄设施。

③地下水漏斗区。应重点加强达到一定水质标准的雨水的下渗和滞蓄,利用雨水回灌地下水,恢复流域水文循环。

5)水资源状况

目前全国城市有近2/3城市缺水,约1/4的城市严重缺水,水资源短缺形势严峻。雨水作为城市本地非常规水资源的重要来源,宜通过海绵城市的建设,将雨水用于绿化浇洒、景观用水等环节,实现城市用水来源的拓展。雨水资源越丰富、城市水资源越紧缺、城市低质需水量越大,越应加强雨水资源利用。

6)水环境质量

城市点、面源污染已逐步成为我国水环境污染的重要来源,利用海绵城市的“滞”“净”等策略,可以大大减缓城市溢流污染负荷、面源污染负荷。水环境问题越突出的城市,越需通过海绵城市为抓手,从点源污染和面源污染的治理,统筹解决城市水环境问题。

(四)避免措施碎片化

海绵城市的建设是系统性的工作,它作用于城市水的自然循环和社会循环系统,以及以水为主要要素的生态系统,涵盖了洪涝治理、环境改善、资源保障、生态提升等综合目标,需要对地表水资源、地下水资源、自然降水、生产生活用水、生态用水等进行统筹管理。

当前,许多城市,包括国家级和省级的试点城市开展的工作已经凸显出一些问题,其中最普遍的问题是碎片化。部分实施者和管理者甚至很难理解系统性规划的意义,认为海绵城市就是种花种草、绿地下沉、路面透水。诚然,海绵城市的技术手段是以“渗、滞、蓄、净、用、排”的工程项目体现出来的,但如何选择这些技术,如何布局相关设施,设施之间如何关联,则必须通过建立系统方案进行统筹,才能确保合理与有效。在效仿国外经验时,不应只看表面,而忽视对其内在机理的学习。

首先,避免碎片化,要重视系统性的规划,规划目标的逐层分解应考虑片区实际的条件和需求。海绵城市专项规划的编制,要求首先确定城市的总体目标,再将其分解到不同流域和不同管控单元,最后再分解到各地块和各项目。在这个过程中,不同流域、区域的不同条件和需求,包括土壤、地下水等自然条件,现状建设开发程度、规划功能、生态用地分布等空间条件,内涝、黑臭、地下水漏斗等现实问题,都需要得到全面考虑,并最终体现在同一个指标的空间差异赋值上。在海绵系统体系的设计中,人们需要认识到,同等规模的设施,在系统的不同节点起到的作用是不同的,带来的效益将会产生很大的差异,这也是在规划中应用水文模型进行分析模拟,而非简单计算的重要因素之一。

其次,要避免在工程设计中,简单地将海绵解读为单个设施的叠加。《海绵城市建设技术指南》中提出,通过年径流总量控制目标、设计降雨量、项目面积和下垫面等因素,计算项目的总控制容积和调蓄容积,许多技术人员便由此断章取义地认为,只需要在项目中安排满足此容积总量的设施,便可达到目标。事实上,这些设施的容积必须是有效的,地表径流需通过竖向或者管网的连接,顺利进入相应的低影响开发设施,才能得到入渗、滞蓄和净化。因此,海绵城市的工程设计绝不是简单的总量计算,相反,首先应该重视绿地空间的布局、径流通道的预留、道路竖向的安排,加上科学布置项目内部的排水管网和低影响开发设施,才能构建系统最优的方案。

再次,避免碎片化的第三个方面是要避免将低影响开发设施孤立考虑,缺乏和市政系统的统筹。由于工期紧张、经验有限、上层次规划编制滞后等原因,一些示范工程的设计往往采用“一刀切”的设计目标,不考虑该项目是否需要容纳外来客水、是否需要设置面向整个汇水片区的调蓄空间,也不考虑如何与项目周边的道路、管网进行衔接,呈现一种“自扫门前雪”的状态。特别是海绵公园的设计,消纳其自身范围内的径流仅仅只是目标之一,作为绿色基础设施,公园绿地一般都需要发挥更大的滞纳、调蓄雨洪的作用,也可提供更多的空间布局径流净化的设施,因此必须考虑与周边地块和市政系统的目标统筹和输送通道,确保设计的有效性。如西咸新区洋西新城中心绿廊的设计,将附近地块的雨水管网通入绿廊,并与渭河、洋河连通,实现了雨洪调蓄的核心功能,此外统筹考虑周边城市用地,合理组织了与城市机动交通的关系,设计了丰富的休闲活动空间,最大限度地发挥了绿廊的生态、经济和社会价值(图1-4)。

图1-4　洋西新城中心绿廊设计

最后,也要避免从单一的目标导向进行规划和工程设计引起的重复建设。海绵设施通常具备综合功能,如下沉式绿地同时具备促进入渗、雨水滞留、污染净化等功能,湿地公园同时具备雨洪调蓄、雨水回用、生物栖息、径流净化以及合流制管网溢流净化等多种功能,湿地建设也可作为城市建设中的一种综合生态补偿工程,例如香港湿地公园建设即是对新界天水围预留区开发建设的环境补偿(图1-5)。如果在规划和设计中,孤立地根据年径流总量控制要求、径流污染削减要求、雨水回用目标要求分别进行设计,进而简单叠加,则必然造成实际方案偏大,投资偏高。因此,在多目标体系下,需对单目标方案进行融合,尽量选择多功能设施,设施的最终设计参数应确保满足每个单向目标。

图1-5　香港湿地公园