海绵城市建设的内涵和技术要点(上)

海绵城市建设的内涵与技术要点（上）李俊奇北京建筑工程学院环境与能源工程学院院长大家好，今天报告的题目是海绵城市建设的内涵与技术要点。包括几个方面：第一，城市雨水系列突出问题的背景；第二，海绵城市建设的内涵；第三，海绵城市规划建设的要点；第四，国内外海绵城市建设的案例；最后，做个小结，对国内的一些启示。一、城市雨水突出问题分析目前我们城市出现了很多水问题，特别是城市快速化发展导致的一系列水问题。第一，洪涝频发，特别是近几年很多城市出现的内涝次数越来越多，经常出现城市看海的现象。第二，雨水资源大量流失，根据水资源的统计，特别像华北地区，一个城区流失的量占到城市蓄水量的20%-25%，量相当大。第三，径流污染严重，根据监测分析，很多城市地表水环境中，径流雨水所带来的污染物贡献可以达到1/3-1/2，而且随着管网截流率、污水处理率以及污水处理标准的不断提高，径流雨水所带来的污染物占整个地表水环境的比例会逐渐提高。第四，传统的雨水排污方式造成了一系列的生态破坏，比如大量的硬化造成地下水得不到补充，还有技术措施选择不当造成水土流失严重，甚至还有地表径流携带大量的热量，造成地表水环境的热污染，特别是一些封闭的小水体，那么这热污染对水体中的一些生物，包括动植物、微生物，带来一些致命性的灾难性的不可逆的生态破坏。这些就构成了城市所引发出的一系列雨水问题。这些问题的根源在于，规划设计理念、技术设计不当，技术措施比较单一，同时也有管理上的问题，比如重视地上设施，对地下设施重视不够，管网标准偏低等等，另外就是绿色设施建设不足。这里给几张照片，这是2013年几场雨的径流水质采样的照片，前两排是雨水管道，按照时间序列采样的规律，最上头一排的水质变化规律是，刚开始比较脏，后期颜色越来越浅，但是整体来说还是非常混浊的。那么第二排刚开始水质还比较干净，中间过程比较脏，后期又稍稍变得干净一些，污染物浓度高峰是在中间。第三组是合流制管道，基本上初期的雨水也是比较脏。第四组也是合流制雨水的管道，最脏的点实际上有两个高峰。右下角这张照片是北京某条河流，在旱季的时候这管道根本不排水，到雨季的时候大量的污水就直接排放进河道。这里给出2000年-2006年北京城区的雨水、污水、废水共同构成地表水环境的COD的排放比例情况。大家可以看到，雨水中径流污染物带来的COD的排放量在逐年提高，从百分之二十几一直到了百分之三十几，现在一年COD排放总量可以达到5-8万吨。这是城市雨水系列的突出问题。二、海绵城市的内涵接下来我们看一下海绵城市建设的内涵，在2013年中央城镇化工作会议中表述，要优先考虑把有限的雨水留下，优先考虑更多的利用自然力量，建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市，我们称之为“两个优先，三个自然”，这是海绵城市从国家层面最早提出来的一个表述。再有就是2015年国办发75号文的表述，海绵城市是指通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式。所以它把海绵城市上升到一种城市发展方式，不单单是一个改变雨水系统的基础设施建设，而是一种涉及到建筑、规划、道路、园林、水系等一系列专业共同在内的一种城市发展方式。那么海绵城市建设的内涵，应该说最主要的切入点是从雨水来的，从传统的单一快速排放模式雨水系统，向建立多目标的雨水管理体系，这样一个转移过程是海绵城市最基本的最朴素的一个切入点。这里有五大问题与需求，第一是水安全，就是解决内涝问题，第二是水资源，包括径流雨水排放的资源化问题，第三是水环境，刚才说地表水环境中径流雨水污染严重，第四是水生态，第五是水文化，很多地方基础设施损坏严重，水文化传承得不够，保护得也不够。基于五大问题需求提出一个核心的指导思想，就是灰绿结合、绿色优先。那么海绵城市建设有五大原则，包括规划引领、生态优先、安全为重、因地制宜、统筹建设。有多个具体的目标，包括径流总量控制、流量控制、径流污染控制、雨水资源化利用等等。从控制过程来看，应该是全过程的，就包括源头消减、中途转输控制、末端调蓄控制利用。从实现的途径来说，有三个途径，第一是保护，第二是修复，第三是建设。保护就是首先要保护我们的湿地、林地、绿地、生态敏感区，就是保护这些用地不被侵占，特别是有些城市的生态水系，在城市化改造和建设过程中，很多湿地、绿地被侵占，导致海绵体不复存在或大幅削减，所以第一个途径就是通过保护来实现。第二是修复，对有些城市的硬化地面，该修复的就要进行修复。第三是建设，包括新建，也包括更新改造，要维持开发后的水文生态环境条件与开发前基本一样，扰动最少，按照这个原则进行建设。从技术手段来说，我们经常说“渗-滞-蓄-净-用-排”六大类技术，这与刚才讲到的几个目标之间是有关联的，比如径流总量控制，包括源头的下渗，也包括集蓄利用，从径流总量控制可以间接地减少污染物的排放，也可以间接减少峰值流量的排放。同时由于下渗集蓄回用，减少了这种排放所带来的水土流失，回补了地下水，所以水生态破坏可以慢慢得到修复。所以径流总量控制是其中一个核心，在几个目标之间是有关联的。那么从排水系统来看，除了我们过去几十年传统的雨水管渠系统，我们现在称之为小排水系统，作为解决城市层面排水的最基本的功能之外，还有两个系统也要通过海绵城市建设构建起来：一个就是源头径流减排或者叫源头径流控制系统，也可以叫做狭义的低影响开发雨水系统，是通过对建筑与小区、公园绿地、城市道路等等这些城市的下裂面建设源头分散式的小型的生态设施，进行雨水的下渗和集蓄利用，这就是刚才说的狭义的低影响开发。另外一个系统是，这些年来城市对超过雨水管渠系统排放能力的系统考虑得不够，所以我们要建立一种超标雨水径流排放系统，实际上是超过雨水管渠系统能力的那场雨出现的时候，径流雨水的行径通道问题怎么考虑，我们称之为大排水系统。所以，低影响排水系统、小排水系统和大排水系统，这三套系统共同构成海绵城市排水系统的核心。当然除此之外，我们还有传统的水利系统要做好衔接，共同实现的目标就是城市内涝、水生态环境的改善，还有黑臭水体的治理。海绵城市建设需要实现从单一目标向多目标转化的过程。从城市层面来讲，传统的城市以刚性水泥的单一灰色基础设施为主，现在的海绵城市要注重绿色基础设施，刚才说灰绿结合，我们在注重绿色基础设施的同时也不能完全由绿色来替代灰色，所以叫灰绿结合、绿色优先，给城市增加一定的弹性，在国际上更多的叫做弹性城市或水弹性城市。那么这张片子描述出国际上一系列的雨水控制管理的体系、理念，和海绵城市之间的关系，目前在学术界基本得到共识。最早发达国家提出了一些新的理念，比如美国提的最佳管理实践BMP，在英国叫可持续城市排水设计，在澳大利亚叫水敏感性城市设计等等。现在发达国家很多都在采用绿色雨水基础设施的表述，从不同的阶段，针对不同的突出问题，构建新型的雨水控制管理的体系。现在我们国家提的海绵城市建设，应该说是在世界领域范围之内对雨水管理的一个重大贡献。海绵城市建设不是凭空来的，也经历了一个不断认知的过程，这是我们北京建筑大学雨水团队这些年研究的过程，从上世纪九十年代开始到现在的发展历程，比如最初在九十年代中期的时候进行一些北方城市的雨水积蓄利用，当然在此之前还有像西北农村地区做的人蓄饮用水不足，解决这种问题的一些工程也都属于这雨水利用的范畴，只不过那是在农村，从城市层面讲雨水利用一般是在九十年代中期。那么在利用过程中，发现径流雨水的污染比较严重，所以又关注到径流污染需要进行控制，后来发展出来的一些术语，包括雨水综合利用，内涝控制，低影响开发，一直到现在的绿色基础设施建设和海绵城市的建设，经历了一系列的发展过程。那么这张片子还是在描述海绵城市建设的内涵，基于要解决的五大问题，对径流源头控制、排水防涝、黑臭水体治理和城市防洪有一定的作用。但是海绵城市不是包罗万象，不能把刚才所有的问题都解决。海绵城市本身以雨水系统作为切入点，除了刚才的核心内容之外，要做好与水利部门的防洪系统的衔接。黑臭水体治理涉及到的问题更为复杂，包括管网、污水、内源治理等等一些问题，应该说径流控制对黑臭水体的治理是其中一个方面。我们要避免几种错误的理解。第一，海绵城市与低影响开发是什么关系，这两个是不是可以划等号，我们说不是的。我们目前的海绵城市建设，比发达国家早期提的低影响开发还要大很多，不单单是解决源头控制问题。第二，海绵城市是不是等于水利系统防洪工程，把城市地表产生的径流雨水收集在河湖水域中进行调蓄，就称之为海绵城市呢？也不是，这种是没有改变传统的开发模式，只是通过末端治理，不是海绵城市真正的核心内容。第三，海绵城市是不是等于雨水积蓄利用呢？雨水积蓄利用仅仅是海绵城市的一个方面，在缺水地区雨水积蓄利用应该做，但海绵城市不单单是雨水积蓄利用。第四，海绵城市是不是排水防涝呢？排水防涝是我们这么多年来一直重点解决的问题，二者之间也并不相等，排水防涝突出解决的是量的问题，海绵城市建设不仅有水量还有水质，还有生态，还有更广义的其他目标以及问题。三、海绵城市规划建设的要点这里就不得不介绍一下什么是低影响开发。低影响开发源于上个世纪九十年代的美国，它是指模拟自然，用分散的小规模生态设施来控制源头的雨水，通过渗透、过滤、储存、蒸发和滞留等方法来模仿开发前的水文特征，实现多重目的，包括体积控制、流量控制、延缓峰现时间、控制径流污染等等。大家看右上角这个图，原来最早通过一些末端测试，比如BMP测试、调节池、调解塘等这些末端测试来调节，也可以使洪峰削减，但是这个洪峰削减并不是雨水控制的全部。我们现在要做的是下面这条线，在源头上模拟开发前的水文特征，这条径流的过程线应该说跟开发前是接近的，这么一条流量过程线才是低影响开发的追求目标。那么再具体点说，对照一下两种排水方式，第一种就是快排模式，大家可以看到下渗的量大大减少，径流外排的量达到了百分之七八十。但是新的海绵城市的做法，我们要加强下渗，加强集蓄，通过下沉式绿地、生物滞留设施透水铺装来促渗，所以下渗减排的量大大增加。另外就是通过湿塘、湿地、蓄水池等等一些设施做集蓄利用，这样可以使得外排量大大减少。那么其中有一个源头径流控制的核心理念，一个核心的术语叫年径流总量控制率，什么意思，我们可以假设三十年的二十四小时降水量数据都有，我把小于两毫米的雨量拿掉，因为小于两毫米不产流，把这些雨从小到大进行排列，就出来这么一张柱状图。我们设定某个降雨深度，在这个降雨深度以下的雨都可以通过源头渗、蓄、用等等设施进行控制，那么等到比这场雨大的雨出现的时候，比它小的这部分也会被控制住，就是现在这个图里的V2，那么超过V2的雨，一部分就会排除，V3是被排除的水量。这样平均来说可以算出V1+V2占整个V1+V2+V3的百分比，对应的就是年径流总量控制率。那么有了这条曲线以后，我们就可以得到一条控制线，就是设计降雨深度与雨水年径流总量控制率的关系。这张图给出五个城市的关系曲线。如果一个城市就是开发前径流的20%，那么现在我们要按照低影响开发的理念去建设，我们要求控制80%，那么年径流总能控制率80%所对应的设计降雨深度是多少，从这五条曲线上我们可以查出，这个量从十几毫米到接近四十毫米之间不等，不同的城市南北方差异还比较大，根据这个曲线我们就可以确定源头减排的控制规模。到底年径流总量控制率取多少合适呢，要根据当地的自然条件来确定，就像北方地区来说，天然的绿地率下渗条件比较好，年径流总量控制率最佳为80%-85%，主要是通过控制频率比较高的中、小降雨事件来实现。对一些特殊地区要进行充分的论证，比如西部干旱半干旱地区，比如有特殊排水防涝要求的区域，这两个区域可以适当提高年径流总量控制率的标准。另外一种情况，就是南方一些沿海地区，比如广东、广西及海南等部分沿海地区，我们可以适当地降低年径流总量控制率。另外一定要注意因地制宜，特别是在同一个城市，也可能区域不同，有的城市又有坡地又有平原，还有一些不同的地质条件，导致了不同区域的天然条件不一样，所以在判断年径流总量控制率的时候，要考虑多种因素综合确