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海绵城市

【人物】章林伟:中国海绵城市的建设与实践

城市是人口高度聚集、社会经济高度发达的地区,也是资源环境承载力矛盾最为突出的地方。改革开放以来,中国进入了城镇化快速发展阶段,城镇化率从1979年的不到20%,到2017年的58.22%,年均增幅接近1%(见图1)。在传统建设理念的影响下,城市开发建设带来的城市下垫面过度硬化,切断了水的自然循环过程,改变了原有的自然生态本底和水文特征。

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图1 中国城镇化率演变情况

天然下垫面本身就是一个巨大的海绵体,对降雨具有吸纳、渗透和滞蓄的海绵效应,从而对雨水径流起到了一定的控制作用。当降雨通过下垫面的吸纳、渗透、滞蓄等作用达到饱和后,会通过地表径流自然排泄。以中国北方城市为例,城市开发建设前,在自然地形地貌的下垫面状况下,70%~80%的降雨可以通过自然下垫面滞渗到地下,涵养了本地的水资源和生态,只有20%~30%的雨水形成径流外排(见图2)。而城市开发建设后,由于屋面、道路、广场等设施建设导致的下垫面硬化,70%~80%的降雨形成了地表快速径流,仅有20%~30%的雨水能够入渗地下(见图2),呈现了与自然相反的水文现象,不仅破坏了自然生态本底,也使自然的“海绵体”像罩了一个罩子,而丧失“海绵效应”,导致“逢雨必涝、雨后即旱”;同时,也带来了水生态恶化、水资源紧缺、水环境污染、水涝灾害频发等一系列问题。

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图2 城镇化前后降雨径流对比

(1)水生态恶化。城市建设破坏了原有的生态格局,建设用地挤占了河湖水系空间,以及拦河筑坝、河道整治“三面光”等过度工程化,混凝土切断了生态联系,滨水绿带难以发挥应有的自然净化作用,使城市水系由“活水”变成“死水”,乃至黑臭。

(2)水资源紧缺。城市开发建设的大量硬化以及依靠管网的快速收排,造成降雨形成快速的径流,切断了地下水补给通道,加剧了城市水资源的短缺。

(3)水环境污染。雨水地表径流带来了城市面源污染。据对北京、上海调查研究表明,雨水径流的化学需氧量(COD)排放量占排入城市地表水环境COD总量的30%以上,也是城市黑臭水体的诱因之一。

(4)水灾害频发。大量降雨在短时间内快速形成地表径流,加大了对城市排水系统的压力,也放大了城市灾害。据住建部2010年对全国351个城市的抽样调查显示,仅2008~2010年就有62%的城市发生过不同程度的暴雨内涝。

我国正处在城镇化高速发展时期,发展不平衡、不充分的矛盾十分突出,所面临的问题是既要补齐短板,又要提高品质。当前我国城市污水处理设施严重不足,即使是东部经济发达地区城市,污水处理设施的覆盖水平都很难达到全收集、全处理、全达标排放的环境要求,西部经济欠发达地区城市的基础设施建设水平就相差得更远了。以品质而论,排水管网设施建设标准偏低,逢雨必涝;污水管网质量较差,渗漏严重、雨污混接,以至污水处理厂进水“稀汤寡水”;初雨污染失控、CSO溢流污染严重,城市黑臭水体比比皆是等等。

针对当前我国城市“水问题”的严峻性,习近平总书记在2013年中央城镇化工作会议首次提出,并在2014年考察京津冀协同发展座谈会、中央财经领导小组第5次会议、2016年中央城市工作会议等场合,多次强调要建设“自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”。2015年国务院办公厅印发了《关于推进海绵城市建设的指导意见》(国办发〔2015〕75号),明确提出了要转变城市建设的发展方式,建设海绵城市,将70%左右的降雨就地消纳和利用;城市新区要以保护好生态格局,修复水生态、保护水环境、涵养水资源、保障水安全、复兴水文化为目标导向;城市老区要以治涝、治黑为问题导向,结合补短板和城市环境整治(即海绵+),实现“小雨不积水、大雨不内涝、水体不黑臭、热岛有缓解”,并要求到2020年,城市建成区20%以上的面积达到目标要求;到2030年,城市建成区80%以上的面积达到目标要求。

海绵城市建设理念

早在秦代(公元前200年)中华先贤就发明了梯田(见图3),雨水的地表径流通过人工修建的坎坝或鱼鳞池塘,历经“渗、滞、蓄、用、排”径流过程,既灌溉了农作物、调蓄了水资源、防止水土流失,又没有破坏水的循环和水文规律,很好地解决了人、地、水的关系,这是世界上堪称经典的雨水管理方法,也被联合国教科文组织列入了世界文化遗产名录。中国古人也将这种人与自然和谐相处的发展方式引入到了当时的城邑和乡村建设中。

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图3 中国梯田

许多发达国家在上世纪80年代前后就已基本完成了城镇化进程,灰色基础设施已基本完善,但随着全球气候变化以及工业化带来的对环境生态的影响,认识到仅仅依赖灰色基础设施的纯工程做法,不能完全解决好环境生态问题,还容易导致过度工程化,加大政府的财政包袱。针对城市水生态环境所面临问题的复杂性和目标的多元化,发达国家也在不断调整和完善城市规划、建设和管理的理念,在总结和实践的基础上,应运而生了美国的低影响开发(LID)和绿色基础设施(GI)、澳大利亚的水敏性城市设计(WSUD)、英国的可持续排水系统(SUDS)、德国的分散式雨水管理系统(DRSM)、新加坡的ABC水计划等(见图4)。尽管各国在提法上不同,但做法上是殊途同归,都是通过灰绿设施的结合,从控制雨水径流入手,综合施策来解决上述问题。

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图4 一些国家城市雨水径流控制

在传承中华先贤“道法自然”和借鉴发达国家经验的基础上,结合国情,我们提出了中国海绵城市建设的发展策略:通过城市规划、建设的管控,从“源头减排、过程控制、系统治理”着手,综合采用“渗、滞、蓄、净、用、排”等技术措施,统筹协调水量与水质、生态与安全、分布与集中、绿色与灰色、景观与功能、岸上与岸下、地上与地下等关系,控制城市雨水径流,最大限度地减少由于城市开发建设行为对原有自然水文特征和水生态环境造成破坏,将城市建设成“自然积存、自然渗透、自然净化”的“海绵体”,使城市能够像海绵一样,在适应环境变化、抵御自然灾害等方面具有良好的“弹性”,实现“修复城市水生态、涵养城市水资源、改善城市水环境、保障城市水安全、复兴城市水文化”的多重目标(见图5)。

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图5 末端治理与海绵城市对比

源头减排。即最大限度地减少或切碎硬化面积,充分利用自然下垫面的滞渗作用,减缓地表径流的产生,控制雨水径流污染、涵养生态环境、积存水资源。从降雨产汇流形成的源头,改变过去简单收集快排的做法,通过微地形设计、竖向控制、景观园林等技术措施控制地表径流(见图6),发挥“渗、滞、蓄、净、用、排”耦合效应。当场地下垫面对雨水径流达到一定的饱和程度或设计要求后,使其自然溢流排放至城市的市政排水系统中,即古人云的“满则溢”,以此维系和修复自然水循环,实现雨水径流及面源污染源头减控的要求,也有利于从源头解决雨污分流、错接混接等鸠占鹊巢的问题。

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图6 源头减排做法示意

过程控制。充分发挥绿色设施渗、滞、蓄对雨水产汇流的滞峰、错峰、消峰的综合作用,减缓雨水共排效应,使从不同区域汇集到城市排水管网中的径流雨水不同步集中泄流,而是有先有后、参差不齐、“细水长流”地汇流到排水系统中,从而降低排水系统的收排压力,也提高了排水系统的利用效率。过程控制就是要通过优化绿、灰设施系统设计与运行管控,对雨水径流汇集方式进行控制与调节,延缓或者降低径流峰值,避免雨水产汇流的“齐步走”(见图7);依靠大数据、物联网、云计算等智慧管控手段,实现系统运行效能的最大化。

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图7 海绵城市建设措施前后雨水径流变化示意

系统治理。水的外部性很强,几乎无所不及。水又是重要的生态环境的载体,治水绝不能“就水论水”。首先,要从生态系统的完整性上来考虑,避免生态系统的碎片化,牢固树立“山水林田湖草”生命共同体的思想,充分发挥山水林田湖草等自然地理下垫面对降雨径流的积存、渗透、净化作用。其次,要建立完整的水系统,水环境问题的表象在水上,但问题的根源主要在岸上,事在人为。应充分考虑水体的岸上岸下、上下游、左右岸水环境治理和维护的联动效应。第三,要以水环境目标为导向建立完整的污染治理设施系统,构建从产汇流源头及污染物排口,到管网、处理厂(站)、受纳水体的完整系统。目前我国大部分城市的市政排水系统的建设和管理,由于受到管理体制和财政事权限制大都是碎片化的分割运作,管理机制上缺乏系统概念,建设和运维上缺乏系统性。第四,构建完整的治理体系:控源截污、内源治理、生态修复、活水保质、长制久清。俗话说“三分建、七分管”,要建立一套科学的、完善的运维管理制度,如管网清疏、河道清淤、水草打理和漂浮垃圾处置、智慧管控等等。

统筹协调好各种关系(见图8)

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图8 统筹协调好各种关系

水质与水量。有量无质,水不能用;有质无量,水不够用。要统筹考虑量质关系,尤其是丰枯季节水位变化的量与质,只有量质统一才能支撑水生态、水环境及用水需求。

生态与安全。针对大概率小降雨,要从生态的角度考虑留住雨水涵养生态,细雨润无声;针对小概率强降雨,要以安全为重,防灾减灾,统筹兼顾好两者之间的关系。

分散与集中。传统建设思路是上游建自来水厂、下游建污水处理厂,基本上是“个人自扫门前雪,休管他人瓦上霜”,且为了追求规模效益、降低建设单价,污水处理厂建设规模较大,不利于资源再生利用。目前中国的城市普遍缺乏生态用水,许多北方城市的污水量远大于自然生态所需的基流,因此,再生污水已成为许多城市生态用水的主要来源。要处理好污水处理厂布局与再生利用的技术经济关系。分散与集中需要因地制宜,相互协调衔接。

绿色与灰色。灰绿结合,避免过度工程化带来的对环境生态系统的干扰和破坏,适度控制灰色设施的建设规模,提高投资效率。“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”,主要应对大概率中小降雨;“灰色”基础设施依靠工程措施,主要应对小概率强降雨。“绿色”与“灰色”要相互融合、互补,不能顾此失彼。

景观与功能。有景观无功能,“花架子”;有功能无景观,“傻把式”。统筹好两者的关系,把景观留给老百姓,将功能留给工程师,将自然生态功能融合到景观中,做到功能和景观兼具、雨旱皆宜。

岸上与岸下。现象在水里、根源在岸上。要处理好水体环境容量与岸上污染物处理与排放的控制。

地上与地下。“地上”是城市靓丽风貌,“地下”是城市的良心所在。只有筑牢“里子”,才能撑起“面子”。改变“重地上、轻地下”的现象,统筹地上建设开发与地下配套市政基础设施的同步规划与建设,统筹考虑地表径流与地下水入渗、补给。

试点引领,探索模式,稳妥推进

推进海绵城市建设,一方面要加快城市建设理念的转型,使中国未来城镇化走向绿色、低碳、生态、环保的和谐宜居、环境友好、可持续发展的道路;另一方面要加快补齐城市基础设施建设短板,使城市既有“面子”、又有“里子”。

在中央财政大力支持下,根据中国地理气候的特点,针对不同的降雨分布和城市社会经济发展规模,分两批选择了30个城市进行试点(见图9及表1),由国家财政部、住建部、水利部共同组织和指导,城市人民政府具体负责实施,试点面积不得小于20 km²,试点期限为期3年,试点任务主要是因地制宜地探索适合本地区海绵城市建设的发展模式,形成一套可复制、可推广的做法、经验和政策制度等。

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图9 中国海绵城市建设试点分布及降雨径流分区示意

表1 中国海绵城市建设试点分布

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以规划为龙头,将理念贯彻到顶层设计中(见图10)。住建部及时出台了海绵城市专项规划编制办法,要求各地按照国务院文件要求,结合当地实际抓紧编制海绵城市建设专项规划,目前全国2/3的城市编制了海绵城市建设专项规划。海绵城市专项规划应以“维系水生态、保护水环境、涵养水资源、保障水安全、复兴水文化”为目标导向;以治涝、治黑,“实现小雨不积水、大雨不内涝、水体不黑臭、热岛有缓解”为问题导向,一是明确山水林田湖草等生态格局,科学划定蓝绿线管控范围、排水分区和竖向控制要求等;二是依照当地自然水文特征、水环境等生态

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图10 海绵城市建设规划框架

本底条件,根据“生态功能保障基线、环境安全质量底线、自然资源利用上线”的要求,确定城市径流控制、水环境质量、城市排水防涝等规划管控指标;三是在统筹协调水量与水质、生态与安全、分布与集中、绿色与灰色、景观与功能、岸上与岸下、地上与地下等关系的基础上,提出因地制宜并符合当地技术经济条件的海绵城市建设方案、计划和措施。

以标准为抓手,倒逼技术更新。2014年住建部出台了《海绵城市建设技术指南》,及时修订城市规划、给排水、园林、建筑、道路等领域的十多项国家标准(见表2),消除推进海绵城市建设的障碍,并鼓励各地因地制宜建立标准图集、技术导则。组织编制《海绵城市建设绩效评价标准》。

及时总结推广。各省也在国家试点示范的带动下,积极开展本省的试点推广工作,据不完全统计,目前已有13个省在90个城市开展了地方试点。28个省市区出台了实施海绵城市建设的要求。各级试点城市都要及时对海绵城市建设的技术措施和设施运行效果进行监测和绩效评价,总结成功案例,形成适宜推广的技术措施。

 

来源:北极星环保网