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仇保興:LID(海綿城市)的內涵、途徑與展望

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 全國政協人口資源環境委員會副主任、住房和城鄉建設部原副部長、中國城市科學研究會理事長 

仇保興博士

在城鎮化的大背景下,我國每年有一千多萬人進城,新建成的建筑相當于世界建筑總量的一半。在這種情況下,如果不引進海綿城市的建設模式,我國的城市地表徑流量就會大幅度增加,從而引發洪澇積水、河流水系生態惡化、水污染加劇等問題。海綿城市就像一塊海綿那樣,能把雨水留住,讓水循環利用起來,把初期雨水徑流的污染削減掉。本文介紹海綿城市的基本內涵、實現海綿城市途徑、并對深化海綿城市建設的新技術作了展望。

1海綿城市的四項基本內涵

1.1海綿城市的本質——解決城鎮化與資源環境的協調和諧

海綿城市的本質是改變傳統城市建設理念,實現與資源環境的協調發展。在“成功的”工業文明達到頂峰時,人們習慣于戰勝自然、超越自然、改造自然的城市建設模式,結果造成嚴重的城市病和生態危機;而海綿城市遵循的是順應自然、與自然和諧共處的低影響發展模式。傳統城市利用土地進行高強度開發,海綿城市實現人與自然、土地利用、水環境、水循環的和諧共處;傳統城市開發方式改變了原有的水生態,海綿城市則保護原有的水生態;傳統城市的建設模式是粗放式的,海綿城市對周邊水生態環境則是低影響的;傳統城市建成后,地表徑流量大幅增加,海綿城市建成后地表徑流量能保持不變。因此,海綿城市建設又被稱為低影響設計和低影響開發(Low impact design or development, LID)。

1.2海綿城市的目標——讓城市“彈性適應”環境變化與自然災害

一是保護原有水生態系統。通過科學合理劃定城市的藍線、綠線等開發邊界和保護區域,最大限度地保護原有河流、湖泊、濕地、坑塘、溝渠、樹林、公園草地等生態體系,維持城市開發前的自然水文特征。

二是恢復被破壞水生態。對傳統粗放城市建設模式下已經受到破壞的城市綠地、水體、濕地等,綜合運用物理、生物和生態等的技術手段,使其水文循環特征和生態功能逐步得以恢復和修復,并維持一定比例的城市生態空間,促進城市生態多樣性提升。我國很多地方結合點源污水治理的同時推行“河長制”,治理水污染,改善水生態,起到了很好的效果。

三是推行低影響開發。在城市開發建設過程中,合理控制開發強度,減少對城市原有水生態環境的破壞。留足生態用地,適當開挖河湖溝渠,增加水域面積。此外,從建筑設計始,全面采用屋頂綠化、可滲透路面、人工濕地等促進雨水積存凈化。據美國波特蘭大學“無限綠色屋頂小組”(Green roofs unlimited)對占地723 acre(1 acre=0.004047 km2)的波特蘭商業區進行分析,將219 acre的屋頂空間——即1/3商業區修建成綠色屋頂,就可截留60%的降雨,每年將保持約6700萬gal(1 gal≈3.79 L)的雨水,可以減少溢流量的11%~15%。

四是通過種種低影響措施及其系統組合有效減少地表水徑流量,減輕暴雨對城市運行的影響。

1.3轉變排水防澇思路

傳統的市政模式認為,雨水排得越多、越快、越通暢越好,這種“快排式”(見圖1)的傳統模式沒有考慮水的循環利用。海綿城市遵循“滲、滯、蓄、凈、用、排”的六字方針,把雨水的滲透、滯留、集蓄、凈化、循環使用和排水密切結合,統籌考慮內澇防治、徑流污染控制、雨水資源化利用和水生態修復等多個目標。具體技術方面,有很多成熟的工藝手段,可通過城市基礎設施規劃、設計及其空間布局來實現??傊?,只要能夠把上述六字方針落到實處,城市地表水的年徑流量就會大幅下降。經驗表明:在正常的氣侯條件下,典型海綿城市可以截流80%以上的雨水。

圖1 海綿城市轉變排水防澇思路

1.4開發前后的水文特征基本不變

通過海綿城市的建設,可以實現開發前后徑流量總量和峰值流量保持不變(見圖2),在滲透、調節、儲存等諸方面的作用下,徑流峰值的出現時間也可以基本保持不變。水文特征的穩定可以通過對源頭削減、過程控制和末端處理來實現。習總書記在2013年的中央城鎮化工作會議上明確指出:解決城市缺水問題,必須順應自然,要優先考慮把有限的雨水留下來,優先考慮更多利用自然力量排水,建設自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市。由此可見,海綿城市建設已經上升到國家戰略層面了。

總之,通過建立尊重自然、順應自然的低影響開發模式,是系統地解決城市水安全、水資源、水環境問題的有效措施。通過“自然積存”,來實現削峰調蓄,控制徑流量;通過“自然滲透”,來恢復水生態,修復水的自然循環;通過“自然凈化”,來減少污染,實現水質的改善,為水的循環利用奠定堅實的基礎。

2建設海綿城市的三種途徑

2.1區域水生態系統的保護和修復

首先,識別生態斑塊。一般來說,城市周邊的生態斑塊按地貌特征可分為三類:第一類是森林草甸,第二類是河流湖泊和濕地或者水源的涵養區,第三類是農田和原野。各斑塊內的結構特征并非一定具有單一類型,大多呈混合交融的狀態。按功能來劃分可將其分為重要生物棲息地、珍稀動植物保護區、自然遺產及景觀資源分布區、地質災害風險識別區和水資源保護區等。凡是對地表徑流量產生重大影響的自然斑塊和自然水系,均可納入水資源生態斑塊,對水文影響最大的斑塊需要嚴加識別和保護。

第二,構建生態廊道。生態廊道起到對各生態斑塊進行聯系或區別的功能。通過分別對各斑塊與廊道進行綜合評價與優化,使分散的、破碎的斑塊有機地聯系在一起,成為更具規模和多樣性的生物棲息地和水生態水資源涵養區,為生物遷移、水資源調節提供必要的通道與網絡。這涉及到水文條件的保持和水的循環利用,尤其是調峰技術和污染控制技術。

第三,劃定全規劃區的藍線與綠線。以深圳光明新區為例,作為國家級的生態城示范區,光明新區規劃區范圍之內嚴格實施藍線和綠線控制,保護重要的坑塘、濕地、園林等水生態敏感地區,維持其水的涵養性能。同時,在城鄉規劃建設過程中,實現寬廣的農村原野和緊湊的城市和諧并存,人與自然和諧共處,這是實現可持續發展重要的、甚至是唯一的手段。

第四,水生態環境的修復。這種修復立足于凈化原有的水體,通過截污、底泥疏浚構建人工濕地、生態砌岸和培育水生物種等技術手段,將劣Ⅴ類水提升到具有一定自凈能力的Ⅳ類水水平,或將Ⅳ類水提升到Ⅲ類水水平。

第五,建設人工濕地。濕地是城市之腎,保護自然濕地,因地制宜建設人工濕地,對于維護城市生態環境具有重要意義。以杭州的西溪濕地(見圖3)為例,原來當地農民養了3萬多頭豬,并把豬糞作為肥料直接排到濕地里去,以增加濕地水藻培養的營養度來增加魚的產量,造成了水體嚴重污染。后來重新規劃設計為濕地景區,養豬場變成了充滿自然野趣的休閑勝地,更重要的是,出水口水體的COD濃度只有進水濃度的一半,起到了非常好的調節削污作用。整個濕地像一個大地之腎,把水里的營養素留下來,滋養當地的水生植物和魚類,雖然魚的產量可能會下降,但品質得到了提升,生態魚比市場上的普通魚價格提高了一倍。

圖3 杭州西溪濕地

2.2城市規劃區海綿城市設計與改造

海綿城市建設必須要借助良好的城市規劃作為分層設計來明確要求(見圖4)。

第一層次是城市總體規劃。要強調自然水文條件的保護、自然斑塊的利用、緊湊式的開發等方略。還必須因地制宜確定城市年徑流總量控制率等控制目標,明確城市低影響開發的實施策略、原則和重點實施區域,并將有關要求和內容納入城市水系、排水防澇、綠地系統、道路交通等相關專項或專業規劃。

第二層次是專項規劃。包括城市水系統、綠地系統、道路交通等基礎設施專項規劃。其中,城市水系統規劃涉及到供水、節水、污水(再生利用)、排水(防澇)、藍線等要素;綠色建筑方面,由于節水占了較大比重,綠色建筑也被稱之為海綿建筑,并把綠色建筑的實施納入到海綿城市發展戰略之中。城市綠地系統規劃應在滿足綠地生態、景觀、游憩等基本功能的前提下,合理地預留空間,并為豐富生物種類創造條件,對綠地自身及周邊硬化區域的雨水徑流進行滲透、調蓄、凈化,并與城市雨水管渠系統、超標雨水徑流排放系統相銜接。道路交通專項規劃,要協調道路紅線內外用地空間布局與豎向,利用不同等級道路的綠化帶、車行道、人行道和停車場建設雨水滯留滲設施,實現道路低影響開發控制目標。

第三層次是控制性詳細規劃。分解和細化城市總體規劃及相關專項規劃提出的低影響開發控制目標及要求,提出各地塊的低影響開發控制指標,并納入地塊規劃設計要點,并作為土地開發建設的規劃設計條件,統籌協調、系統設計和建設各類低影響開發設施。通過詳細規劃可以實現指標控制、布局控制、實施要求、時間控制這幾個環節的緊密協同,同時還可以把頂層設計和具體項目的建設運行管理結合在一起。

低影響開發的雨水系統構建涉及到整個城市系統,通過當地政府把規劃、排水、道路、園林、交通、項目業主和其他一些單位協調起來,明確目標,落實政策和具體措施,見圖5。

具體來講,要結合城市水系、道路、廣場、居住區和商業區、園林綠地等空間載體,建設低影響開發的雨水控制與利用系統。LID設施及其相應的功能、控制目標等見表1。

一是在擴建和新建城市水系的過程中,采取一些技術措施,如加深蓄水池深度、降低水溫來增加蓄水量并合理控制蒸發量,充分發揮自然水體的調節作用。在我國新疆一些地區年降雨量僅為50 mm,蒸發量卻高達4500 mm,當地民眾自古以來就使用坎兒井來輸送水,由于水溫低、又能避免陽光照射,從而達到降低水蒸發損失的目的。

二是改造城市的廣場、道路,通過建設模塊式的雨水調蓄系統、地下水的調蓄池或者下沉式雨水調蓄廣場等設施,最大程度地把雨水保留下來。在一些實踐中,實現了道路廣場的透水地面比例≥70%,下凹式綠地比例≥25%,綜合徑流徑流系數≤0.5。

三是在居住區、工商業區LID設計中,改變傳統的集中綠地建設模式,將小規模的下凹式綠地滲透到每個街區中見圖6,在不減少建筑面積的前提下增加綠地比例,可實現透水性地面≥75%,綠地率≥30%(其中下凹式綠地≥70%),徑流系數≤0.45。

圖6 傳統綠色系統與海綿城市綠色系統建設模式對比

四是在園林綠地采用LID設計,綠地的生態效益更加明顯。在海綿城市建設實踐中,通過建設滯留塘、下凹式綠地等低影響開發設施,并將雨水調蓄設施與景觀設計緊密結合,可以實現人均綠地面積≥20m2、綠地率≥40%、綠化覆蓋率≥50%。、透水性地面≥75%(其中下凹式綠地≥70%)的目標,徑流系數可以控制在0.15左右。同時,收集的雨水可以循環利用,公園可以作為應急水源地。根據日本的抗震經驗,每一個城市公園都建有雨水調蓄池,可以供應周邊居民3天的用水量。中國城市科學研究會水技術中心也推出了一些先進技術,例如,通過在池底鋪設表面經過處理的砂層,沙地雨水處理池的含氧量比普通池提高3倍,從而能長久保持水的新鮮度。

2.3建筑雨水利用與中水回用

在海綿城市建設中,建筑設計與改造的主要途徑是推廣普及綠色屋頂、透水停車場、雨水收集利用設施,以及建筑中水的回用(建筑中水回用率一般不低于30%)。首先,將建筑中的灰色水和黑色水分離,將雨水、洗衣洗浴水和生活雜用水等污染程度較輕的“灰水”經簡單處理后回用于沖廁,可實現節水30%,而成本只需要0.8~1元/m3。其次,通過綠色屋頂、透水地面和雨水儲罐收集到的雨水,經過凈化既可以作為生活雜用水,也可以作為消防用水和應急用水,可大幅提高建筑用水節約和循環利用,體現低影響開發的內涵。綜上,對于整體海綿建筑設計而言,為同步實現屋頂雨水收集利用和灰色水循環的綜合利用,可將整個建筑水系統設計成雙管線,抽水馬桶供水采用雨水和灰水雙水源。

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價值。通過敷設再生水專用管道,就能夠實現再生水的有效利用,從而能大幅降低對水資源的需求。以北京市政部門測算,如果80%的建筑推廣這種中水回用體系,市政污水的1/3能作為再生水利用,該市每年約可節木12億m3,相當于南水北調工程供給首都的總水量。

3深化海綿城市(LID)五項展望

3.1引入彈性城市和垂直園林建筑的精細化設計

建筑是城市最基礎的細胞,如果建筑對雨水能呈現海綿特性,那么城市離“海綿”也就不遠了。這里需要引進彈性城市和園林建筑的設計理念。

一是引入彈性城市的設計理念。彈性城市(Resilient City)是目前國際上非常流行的概念。所謂彈性城市,是指城市能夠準備、響應特定的多重威脅并從中恢復,并將其對公共安全健康和經濟的影響降至最低的能力(Wilbanks T, Sathaye J, 2007)。聯合國建議打造彈性城市 應對自然災害,城市必須在制定低碳可持續發展路線的同時,采取措施提高其彈性應對的能力。彈性城市涉及方方面面,從城市應對氣侯變化引起的水資源短缺的彈性來看,一旦把水循環利用起來,每利用一次就等于水資源增加了一倍,利用兩次就增加了兩倍,以此類推。如果通過反滲透等技術,實現水資源的N次利用,就可以做到城市建設與水資源和諧發展,這就是一種“水資源彈性”。新加坡目前就已經達到了此類“彈性城市”的標準。該國從馬來西亞調水基本上作為一種水保障,并把調來的水加工成純凈水反銷到馬來西亞去;在本國內,則通過中水回用、海水淡化、雨水利用,基本能滿足民眾生活和產業用水問題,這就是N次用水的一種體現??傊?,彈性城市在水方面的要求,就是盡管外界的水環境發生了變化,都可以保持城市供水系統的良好運轉,這也是現代科學技術對解決城市水資源短缺的一種創新。

二是結合園林設計的理念。如果把中水和雨水在建筑中的充分綜合利用,就可以把整個園林搬到建筑上去,即垂直園林建筑。這種建筑整體上呈現出海綿狀態,能將雨水充分收集利用,實現中水回用,排到自然界中的水體污染物幾乎等于零,所有的營養素都能在建筑內循環利用,并且綠色植物還能夠固定二氧化碳。如果城市廣泛推廣垂直園林建筑,不僅可顯著減少地表水徑流量,而且會營造出一個非常美妙而且可以四季變化的城市景觀。

3.2海綿城市(社區)結合水景觀再造

海綿建筑推而廣之就是海綿社區??焖俪擎偦絹碇?,我國許多地方曾經有過良好的城市水景觀被稱之為“山水城市”,當代城市規劃師應該傳承歷史文化,回歸社區魅力,增加社區的凝聚力。通過由下而上的再設計,將社區水的循環利用和景觀化、人性化相融和,并結合特定的歷史文化,開展海綿社區建設,見圖7。

圖7 海綿城市(社區)結合水景觀再造

與此同時,海綿社區建設可以激發起居民愛護水環境、呵護水環境、敬重水環境的心態,實現人類與自然水生態和諧相處的目標。以杭州為例,杭州曾經有一條浣紗河,傳說是當年西施浣紗的河流。這條河穿過許多社區,如果把文化融入到浣紗河水景觀復建,完全可以再現當年人水和諧美景,留住這段美妙的記憶,而且能夠控制水污染,最大程度地減少了對水環境的影響。

3.3引入碳排放測算

我國是世界上最大的碳排放國,國務院已決定建立中國特色的碳交易市場,在我國內部首先實現公平的碳排放權交易。海綿城市建設能夠在很大程度上減少碳排放,因為我們傳統的外地調水特別是長距離供水需消耗大量的能源資源,屬高碳排放的工程。美國南加州和舊金山灣地區的城市化區域通過實施低影響開發技術,碳減排效果十分顯著,見表2(NRDC, A ClearBlue Future, 2009),按照碳減排的程度分成低中高三個級別,可以看到,高影響條件下,每年的碳減排量非常巨大。如果把海綿城市建設模式引發碳減排拿到碳交易市場上進行交易,變成現金,則可以有效減少項目的投資,形成穩定持久的投資回報。

3.4分區測評、以獎代補、獎優罰劣

我國地域遼闊,氣候特征、土壤地質等天然條件和經濟條件差異較大,城市徑流總量控制目標也不同。住房和城鄉建設部出臺的《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》對我國近200個城市1983~2012年日降雨量統計分析,將我國大陸地區大致分為五個區,并給出了各區年徑流總量控制率α的最低和最高限值,即I區(85%≤α≤90%)、Ⅱ區(80%≤α≤85%)、Ⅲ區(75%≤α≤85%)、Ⅳ區(70%≤α≤85%)、Ⅴ區(60%≤α≤85%),見圖8。

圖8 我國大陸地區年徑流總量控制率分區

根據我國的年徑流總量控制率分區,建立評測體系,研究充分利用中央財政資金以獎代補、獎優罰劣的方式,加快引導和推動各地海綿城市建設。

3.5海綿城市建設智慧化

海綿城市建設可以與國家正在開展的智慧城市建設試點工作相結合,實現海綿城市的智慧化,重點放在社會效益和生態效益顯著的領域,以及災害應對領域。智慧化的海綿城市建設,能夠結合物聯網、云計算、大數據等信息技術手段,使原來非常困難的監控參量,變得容易實現。未來,我們將實現智慧排水和雨水收集,對管網堵塞采用在線監測并實時反應;通過智慧水循環利用,可以達到減少碳排放、節約水資源的目的;通過遙感技術對城市地表水污染總體情況進行實時監測;通過暴雨預警與水系統智慧反應,及時了解分路段積水情況,實現對地表徑流量的實時監測,并快速做出反應;通過集中和分散相結合的智慧水污染控制與治理,實現雨水及再生水的循環利用等。

此外,建筑智慧化方面,可以通過公共建筑水耗在線監測,顯示公共建筑水耗、能耗的排名情況。根據試點城市調查,建筑單位面積水耗最高和和最低相差十倍之多,有的建筑由于設計和運維問題,水管出現了嚴重的漏損,這些缺陷都可以通過公共建筑水耗在線監測系統診斷出來。將水耗情況在媒體進行公開排名,有助于建筑管理和產權單位清楚的認識水耗情況,主管部門可以要求對水耗最高的建筑進行強制性改造,明確控制性指標性和針對性措施,從而推動整個城市的水循環利用和用水效率得到提升。在這方面,新西蘭和澳大利亞做得非常好,低影響雨水設計系統通過數字模型和信息化技術的精細化管理,能夠把GIS、云計算這些技術落實到位,并將其作為一種手段,使海綿城市智慧起來,見圖9。

圖9 新西蘭低影響開發雨水系統設計

智慧的海綿城市是逐步推進的(見圖10)。比如,通過網格化、精細化設計將城市管理涉及的事、部件歸類,系統標準化等使現場管理反應快、準、好。在此基礎上,再推行城市公共信息平臺建設,通過智慧城管平臺,主動發現問題,并有預見性地應對。最后,通過物聯網智能傳感系統,實現實時監測。通過以上這些優化設計,可以使我國城市迅速地、智慧地、彈性地來應對水問題。智慧的海綿城市離不開這樣一個循環:信息的監測收集→信息的傳輸→準確地指揮→迅速地執行→對結果進行反饋修正。這樣一種信息的循環利用模式,可以使海綿城市能夠非常高效和智慧地運行。

圖10 智慧海綿城市逐步推進示意

4結論

(1)城鎮是水體污染最重要的源頭,通過海綿城市(LID)建設使城市成為應對水污染的主戰場,是解決水資源短缺的希望之地。

(2)海綿城市(LID)概念內涵仍在發展之中,創建具有中國特色的海綿城市理論、規范、標準任重道遠。住房和城鄉建設部已經頒布了海綿城市建設技術指南,但這還遠遠不夠,需要大家在實踐中不斷探索并適時修訂。

(3)海綿城市(低影響開發)規劃與智慧水務是協調海綿城市各單元有效運行的兩大系統工程。如果說海綿城市規劃是“推”,海綿智慧則是“拉”,“一推一拉”能夠將整個海綿系統有效地協調起來,既不產生浪費,也不至于出現信息孤島。因此,“一推一拉”兩大系統是非常重要的系統設計。

(4)要把海綿城市系統從大到小劃成四個子系統,即區域、城市、社區、建筑,這四層次系統低影響開發的側重點不同,需要上下結合推進系統創新。

(5)根據年徑流總量控制率分區,建立科學合理的城市“海綿度”測評體系并給予獎勵引導尤為重要。加快引導和推動整個海綿城市蓬勃發展,走出一條中國特色的海綿城市建設健康發展之路。

 原載:《給水排水》雜志2015年第3期。

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