建设海绵城市的关键问题王浩

[中国水利水电科学研究院水资源研究所所长、中国工程院院士王浩]大家下午好。今天我发言的主题是《海绵城市建设的若干关键问题》。2013年习近平总书记在中央城镇化工作会议上提出要建设“自然积存、自然渗透、自然净化的‘海绵城市’”；2014年11月，住建部发布《海绵城市建设技术指南》；2015年1月，财政、住建、水利三部门联合下发《关于组织申报2015年海绵城市建设试点城市的通知》；2015年4月，武汉等16城市被列入“海绵城市”试点，海绵城市将是新型城镇化的重要发展方向。海绵城市建设背景有以下四个方面：一、快速城市化；二、城市雨岛效应明显；三、城市内涝频发；四、传统城市建设重经济社会功能，轻生态服务功能（重社会，轻生态）。我国城镇化水平在1949年仅为10.6%，1980年为19.4%，2014年达到54.77%；城镇人口1949年只有5767万，2014年全国城镇常住人口为74916万。近年来，每年城镇人口净增超过2000万人，城镇化处于高速发展阶段。我国城市建成区迅速扩大，1981年为7438平方公里，2000年为22439平方公里，2011年已达43000平方公里，平均每年增加1800平方公里，大致相当于增加一个上海市建成区面积。中国大陆地区逐步发展形成了十大城市群和十几个中小城市群，城市群的发展在带来经济社会群聚红利的同时，也造成水循环过程的畸变和区域性气候演变，给生态环境带来巨大压力，各类水问题日益凸显。观测事实表明，近50年来，全国最大1d、3d雨量增减不明显，但短历时暴雨强度增加、极端降水日数也在增加，尤其是在城市及周边地区，雨岛效应更加明显。城市雨岛效应和下垫面产汇流过程畸变导致内涝现象频发。2007-2013年，全国超过360个城市遭遇内涝，其中六分之一单次内涝淹水时间超过12小时，淹水深度超过半米，北京、广州、济南等城市甚至发生了造成人员伤亡的严重内涝。建设部对351个城市的内涝情况调研显示:213个城市发生过不同程度的积水内涝，占调查城市62%，北京、上海、广州、重庆、南京、杭州、武汉、西安等都出现过严重的内涝灾害。传统的城市建设理念偏重于经济和社会功能，强调“坚固耐用、经济美观”，对生态环境和水源涵养功能的考虑不足，特别是对城市化的水文效应认识不足，造成一系列水、生态、环境问题。例如：对马路和停车场等采用硬化方式，避免雨天带来的泥泞问题；对城市河道采用渠化方式，人为增加排水流速，缩减河道断面，节省两岸土地；对城市河湖进行围填侵占，增加建设用地等。随着城市化的发展，大型、特大型城市的人口密集程度日益提高，为了承载更多的经济总量和社会人口，许多湖泊洼地被开发利用。比如北京，市区水面比例由5％降低到2％左右，历史上良好的水系和众多的湖泊，现在只能在名字上体现：水碓子、苇子坑、苇子沟、南洼子、北洼子、将台洼等。武汉近20年来南湖和东湖等水域变化也是“重社会、轻生态”城市化建设的一个缩影。城市发展通常分为三个阶段。初级阶段为人口快速增加，重工业为主导，以马路、高楼、工厂等灰色钢筋混凝土为主基调，正像伦敦奥运会开幕式里的场景，烟筒林立，乌烟瘴气。河湖受到污染和严重挤占。现阶段为强调人们对良好环境的需求，生态环境建设逐步强化，突出特征是草地、林地的增加和绿色基调的逐渐增强。河流湖泊等的保护开始受到重视，但限于治理黑臭等外观。而未来阶段则为人们贴近自然的归属感越来越强烈，建设以城市水系为中心的生态体系，形成“水清、岸绿、河畅、自然”的临水宜居型城市，增强的蓝色基调。城市河湖水系等“海绵体”的保护和恢复受到空前重视。国外海绵城市的建设探索可追溯到19世纪，大规模的建设始于20世纪70年代。早在1852年，巴黎的城市排水系统就被纳入建设规划之中；1859年，伦敦地下排水系统工程动工，1865年完工，全长2000公里。美国在1972年以前没有内涝防治体系，之后由于合流制的污染和城市内涝等原因，开始规划建设大排水系统。澳大利亚在1974年没有内涝工程体系，由于1974年的大洪水等原因，1975年开始规划建设城市内涝体系；日本东京于1992年开始建造“地下神庙”，历时15年，耗资30亿元，终于建成堪称世界上最先进的下水道排水系统。国家的设计理念主要是四个：美国的低影响开发(LID)：采用源头削减、过程控制、末端处理的方法进行渗透、过滤、蓄存和滞留，防治内涝灾害；英国的可持续发展排水系统(SUDS)；澳大利亚的水敏感性城市设计(WSUD)；日本城市泄洪系统和雨水地下储存系统。这是美国的低影响度开发。LID融合了经济、环境、发展等元素，是一种基于经济及生态环境可持续发展的设计策略。其目的是维持区域天然状态下的水文机制，通过一系列的分布式措施创造与天然状态下功能相当的水文和土地景观，减轻城市化地区水文过程畸变带来的社会及生态环境负效应。LID于20世纪90年代在美国马里兰州普润斯·乔治县提出，用于城市暴雨最优化管理实践（BestManagementsPractices）。这是低影响开发的主要措施。一个是保护和修复城市的天然河湖，划定河湖蓝线。立法禁止围填河湖及天然湿地。对已渠化的河道进行生态修复。一个是修建生物滞留池(Bio-retention)又称雨水花园(Raingarden)，或者生物入渗池(Bio-infiltration)。一般修建于流域上游，通过利用植物、微生物和土壤的化学、生物及物理特性进行污染物的移除，从而达到水量和水质调控目的。植被；有机覆盖层；植物生长介质层。三是草地渠道。是一种狭长的渠道，对来自于停车场、人行道、街道以及其它不透水性表面的径流进行过滤和入渗，与传统渠道区别的是其表面铺设有植被。四是植被覆盖又称为绿色屋顶或者绿覆盖，在不透水性建筑的顶层覆盖一层植被，是由植被层、介质层、过滤层以及排水层等所构成的一个小型的排水系统。五是透水性路面。各国在应对城市雨涝问题时，都提出了各自新的设计理念。LID模式：由原来的单纯排水转换为下渗、蓄水、排涝、雨水利用雨污分流代替雨污合流制是一个缓慢过程，在城市规划中应不断改造旧城区合流制排水系统，采取截流合流制管道中的污水到新建污水管网中，以及新建雨水和污水管网的形式结合，逐步以实现从合流制到分流制排水的过渡。其他国家的建设理念和措施与LID基本一致，只是侧重点不同：英国的可持续发展排水系统(SUDS)侧重“蓄、滞、渗”，提出了四种途径“消化”雨水（储水箱、渗水坑、蓄水池、人工湿地），减轻城市排水系统的压力。澳大利亚的水敏感性城市设计(WSUD)侧重“净、用”，强调城市水循环过程的“拟自然设计”。日本城市泄洪系统和雨水地下储存系统强调“滞”和“排”。第三部分介绍一下海面型城市的主要任务。海面型城市的核心思想是“一片天对一片地”，实现立体多层次多功能分流分滞在基本遵循自然产汇流规律的基础上，城市建成后实现“一片天对一片地”，利用城市空间对降雨“化整为零”进行收集和储存：就地渗排，构建分散立体多层次、多功能的分流分滞系统。生态屋顶。对所有新建或可改造的房屋屋顶进行屋顶绿化(或微型菜园)，可有效储和拦对应面积的雨水100-300毫米；建立空中储水层；同时还可以有效削减城市的“热岛”效应，美化城市，改善空气质量和减少环境污染。生态景观。对所有新建或可改造的绿地进行改造，实现旱可高效补灌，涝可快速渗排。可有效储、拦和收集对应面积的雨水150-400毫米。生态道路。对所有新建或可改造道路、硬化地面预埋排灌一体管，将道路和硬化形成的径流经沉沙及隔滤垃圾井后通过排灌管渗至地下，可有效储、拦和收集对应面积雨水100-200毫米。生态水池。修订地下消防水池国家标准，扩建地下消防水库，利用自然湖泊或新建人工蓄水池进行错峰调节，削减径流峰值。生态广场。科学合理的将城市新建或可改造的的广场、小区活动中心广场改成下陷式多功能广场，汛期作为分洪储水的人工景观湖，少雨季节恢复广场和活动中心，应对城市特大暴雨洪涝。还有一方面重要的措施是强化渗透滞蓄。加大渗水路面、下凹式绿地、下凹式广场建设比例，发挥对雨水的下渗、截流、滞蓄作用。利用地下空间滞蓄利用雨洪。在积水点多发、且对城市安全要求运行较高的地区分别建设地下滞蓄水涵，在城区下凹式立交桥区等建设的地下滞蓄利用空间。利用天然洼地等滞蓄雨洪。例如北京：结合西部地区山洪滞蓄要求，利用砂石坑建设西部蓄洪回补工程，新增雨洪水调蓄能力700万方，调蓄雨洪水，实现自然回补涵养地下水源。再有就是立体多层次多功能分流分滞。奥运中心区屋顶、地面和绿地全部建设雨水设施，年可收集雨水105万立方米，20年一遇的暴雨全部蓄集园内。这是第一项任务：海绵体的建设。城市海绵体：既包括河流、湖泊、湿地、坑塘、沟渠等水系，也包括绿地、花园、可渗透路面这样的城市配套设施海绵体的建设从点到到线到面。要有效的保护现有河湖海绵体，要全面修复受损海绵体，要大力构建城市新海绵体。这是点状海绵体：蓄水池。在城市小区或公园里设置地下或半地下的雨水蓄积池，将小区屋顶的雨水、花园地面的产流收集起来，用于无雨日的绿地灌溉。线状海绵体：河湖水系。首先是做好河湖海绵体的拓展。增加河流水系集蓄、滞留、承泄能力；在中下游建设生态缓冲带，在入河口恢复滩/湿地。做好河湖海绵体的的连通。研究河湖连通的可能性及连通方案，提高城市水体流动性及调配灵活性。还有蓄洪区海绵功能开发以及海绵体整合。面状海绵体。绿地及透水地面系统。任务二是排水设施建设——多尺度排水系统构建。小尺度排水系统建设：针对常见雨情，源头雨水控制，通过渗、蓄、滞策略排水。考虑城市用地布局、竖向设计和道路竖向设计对雨水综合利用和排放。中尺度排水系统：针对城市洪涝标准内雨情，通过中小河道、雨水管道、泵站提标改造、增设行泄通道、调蓄区、蓄涝区等策略，通过常规的雨水管渠系统收集排放。大尺度排水系统：针对超常雨情，设计暴雨重现期一般为50-100年一遇，由隧道、绿地、水系、调蓄水池、道路等组成，通过地表排水通道或地下排水深隧，输送极端暴雨径流。任务三是科学调度管理。在理清各部门职责的条件下，研究城市海绵体和排水系统联合调度的可能性及分工，制定海绵体个体与群体之间、上下游及左右岸之间分散滞蓄、缓释慢排的调度方案；研究通过海绵体渗、滞、蓄、净、用、排实现城市生态补水的长效机制；最大限度的发挥海绵城市建设的防涝及生态补水功能。最后说一下海绵城市建设的几个关键问题。城市是水循环“二元”演化程度最深的地区，雨水系统，天然湖泊水系、湿地，坡面漫流、河口都是属于自然水循环的；自来水系统、排水系统、污水再生水利用系统，属于社会水循环。海绵型城市建设的最根本目标就是：要尽量减少社会水循环对自然水循环的冲击。一方面，在水量上不要从自然水循环剥夺太多；另一方面，在水质上，污水别排得太多。要实现节水、治污、再生利用。维持二元水循环的平衡，让水的生态功能，经济功能发挥到极致。海绵型城市建设目前存在七个方面的关键问题，包括城市海绵体规划技术；“渗、滞、蓄、净、用、排”措施的布局及调度运用技术；城市排水系统规划技术；城市排水规划标准完善；设计方法改进；城市洪涝预警调度系统；海面城市建设目标的可达性分析。这是分布式城市水循环模型。分布式城市水循环模型，首先将城市划分为不同的功能”斑块”,在每个斑块上进行“自然-社会”二元水循环过程模拟，然后将地表水文过程与地下管网的水动力学过程进行耦合，得到城市水循环的分布式模拟结果。在斑块单元，模型能够刻画海绵城市的“渗、滞、蓄、净、用”措施的效果，在管网水动力学模拟环节可以反映“排”的效果。最后，城市快速发展改变了地表自然格局和城市上空的降水规律（雨岛效应），造成水循环过程畸变。传统城市建设重社会经济功能、轻生态涵养功能，在内涝防治上片面强调“外排”，导致内涝和缺水问题交替出现——“遇雨即涝、无雨则旱”。开展海绵城市建设，关键是要落实“一片天对一片地”的思想，将内涝水“化整为零、变害为利”，在城市水文单元上实现自然积存、自然渗透、自然净化！