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        基于生態(tài)水利的海綿城市設計原則

        2017-11-14 09:54:25
        水土保持通報 2017年5期
        關鍵詞:雨洪海綿雨水

        王 興 超

        (煙臺市城市水源工程管理局, 山東 煙臺 264000)

        基于生態(tài)水利的海綿城市設計原則

        王 興 超

        (煙臺市城市水源工程管理局, 山東 煙臺 264000)

        [目的] 探索基于生態(tài)水利的海綿城市建設方法,解決城市水資源短缺、水災害頻發(fā)、水生態(tài)惡化等一系列水安全問題。[方法] 概括海綿城市的科學內涵,歸納總結其傳統(tǒng)建設方式,分析中小尺度雨水管理措施的局限性,指出當前海綿城市建設中存在的突出矛盾,分析生態(tài)水利應用在海綿城市建設中的可行性和優(yōu)勢。[結果] 通過制定任務目標、基本原則和整體架構,圍繞構建海綿城市的生態(tài)水利保障體系,提出一系列重點生態(tài)水利工程和非工程措施。[結論] 生態(tài)水利理論應用于海綿城市建設是保障城市水安全、解決城市水問題的根本之道,海綿城市建設應建立以生態(tài)水利為核心的發(fā)展戰(zhàn)略。

        海綿城市; 生態(tài)水利; 雨洪管理; 內澇防治; 生態(tài)治理; 雨洪資源利用; 低影響開發(fā)

        近些年來,受氣候變化、城鎮(zhèn)化發(fā)展及環(huán)境承載能力等因素影響,水資源短缺、水災害頻發(fā)、水生態(tài)惡化等一系列水安全問題普遍威脅著中國各大城市,而且呈現(xiàn)愈演愈烈的態(tài)勢。一方面城市內澇頻發(fā),全國相當一部分城市遭遇過嚴重內澇困擾,北京、上海、重慶、廣州、深圳、南京、武漢、長沙、西安、杭州、濟南等大城市逢大雨必澇、暴雨成災的報道屢見不鮮,甚至造成人員傷亡,給人民群眾生命財產(chǎn)帶來巨大損失;另一方面城市水資源供應嚴重不足,水資源短缺正成為嚴重制約城市經(jīng)濟社會發(fā)展的主要瓶頸。這些被聯(lián)合國人居署列為“缺水”或“嚴重缺水”的城市當中,甚至包含一些水鄉(xiāng),這些城市降水豐沛、水系發(fā)達,卻因水源污染導致水質型缺水,從而引發(fā)水危機。內澇與缺水同時威脅著城市安全與發(fā)展,這看似矛盾的兩個方面,其實均源于城市水循環(huán)出了問題,導致水資源、水環(huán)境、水生態(tài)三者的發(fā)展不平衡、不協(xié)調、不可持續(xù),城市自身調配水資源、應對洪澇和干旱等突發(fā)水事件的能力不足。因此,本文擬探索基于生態(tài)水利的海綿城市建設方法,以期解決城市水資源短缺、水災害頻發(fā)、水生態(tài)惡化等一系列水安全問題。

        1 海綿城市介紹

        1.1 科學內涵

        海綿城市用海綿的基本特性類比城市的生態(tài)功能,要求城市應具有良好的“彈復性”(系統(tǒng)在被破壞或失效后能夠自行恢復正常工作的能力),以適應環(huán)境變化和應對洪澇、干旱等自然災害;應具有“保水性”,對水資源收集、儲存和再利用的功能;還應具有“凈濾”功能,雨污水能通過土壤滲濾吸附和生物化學降解作用進行過濾、凈化。也就是說,應當從洪澇災害防治、水資源利用和生態(tài)環(huán)境改善等角度全面理解海綿城市的內涵[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務理論告訴我們,自然生態(tài)系統(tǒng)具備復雜、豐富而完備的服務功能,只要維護和建設良性循環(huán)的城市自然生態(tài)系統(tǒng),就能讓城市的每一寸土地都恢復調蓄雨洪、涵養(yǎng)水源、凈化雨污等功能,這也是海綿城市構建的理論基礎。海綿城市這一概念的引入,使城市洪澇災害的治理思路由傳統(tǒng)的“快排防洪澇”向新型的“蓄滯防旱澇”轉變,讓城市的河湖水系、綠地、土壤等均能夠發(fā)揮對雨洪徑流的自然積存、滲透、凈化和緩釋作用,通過對城市雨洪徑流進行源頭減排、分散蓄滯、緩釋慢排和合理利用,減緩或降低自然災害和環(huán)境變化的影響,保護和改善水生態(tài)環(huán)境。其本質是通過建立平衡、協(xié)調、可持續(xù)的良性水循環(huán),來提高城市抵御水災害的生態(tài)魯棒性。也就是說海綿城市應當既能夠與雨洪和諧共存,不發(fā)生洪澇災害,又能使降雨被積存、凈化、回用或入滲補給地下水,合理的資源化利用雨洪水,同時還能維持良好的水文生態(tài)環(huán)境,使城市建設和發(fā)展能夠與自然相協(xié)調。

        1.2 傳統(tǒng)建設方式

        海綿城市的核心目標是通過科學的雨洪管理理念應對城市雨水問題,包括城市缺水和雨水流失、內澇災害和面源污染等問題。國內外應對城市雨水問題而提出的相關概念和理念詳見表1。

        表1 國內外應對城市雨水問題的相關概念

        盡管這些概念的名稱不同,但內涵基本相近,均包涵了雨水資源化利用、洪澇災害防治、面源污染減控、生態(tài)環(huán)境改善等方面,且所采取的具體工程措施亦大同小異,都是在傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)基礎上進行改進,采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”對城市降雨徑流進行總量控制和峰值削減,包括通過透水鋪裝地面、下凹式綠地、屋頂綠化、植被淺溝、植被緩沖帶、雨水滲透池、雨水濕地花園等設施對徑流進行源頭控制,以及通過雨水滯蓄池、調洪池及雨水罐等雨水收集回用設施進行過程控制等。

        1.3 存在的問題

        住建部編制的《海綿城市建設技術指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建(試行)》(以下簡稱《指南》)借鑒了國外應對城市雨水問題所采取的相關措施[2],明確了海綿城市是以低影響開發(fā)為基礎的建設模式,通過建設上述低影響開發(fā)設施,在建筑與小區(qū)、道路與廣場、綠地與公園、水系等城市組成部分建設中,構建低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)。

        應該看到,當前國外成功建設城市雨水管理系統(tǒng)的國家,雖采用了上述以中小尺度為主的市政措施,但往往是與龐大、發(fā)達、完備的城市地下大蓄排系統(tǒng)(major system)相配套而實施[3-5],這樣才能保證城市既能擔負重現(xiàn)期為1~10 a范圍的常規(guī)降水,又能應對極端天氣帶來的超標或特大暴雨。

        在治療雨水問題引起的城市病上,僅采用《指南》中以中小尺度為主的雨水管理措施,雖能緩解面源污染等局部問題,但往往投資較高[4-6],且無法從根本上發(fā)揮綜合效益,治標不治本。但如果中國城市在建設中小尺度措施的同時,也配套建設地下大蓄排系統(tǒng),則顯得不切實際。因為發(fā)達國家的城市大蓄排系統(tǒng)大多建成于百年前,且往往基于其雄厚的工業(yè)基礎和強大的經(jīng)濟實力并歷經(jīng)幾十年才完成。而長期以來中國城市在解決超標暴雨引起城市內澇問題上,缺乏綜合防控策略,排水管道和泵站主要依據(jù)傳統(tǒng)理念、方法和標準而設計,城市雨水排放只能依靠與城市發(fā)展不匹配的市政工程。在人口和建筑密度大、空間場地有限、地下管線擁擠等限制因素較多的城市建成區(qū),建設龐大的地下大蓄排系統(tǒng),必將面臨拆遷、實施困難,耗時、耗資巨大等多方面難題,且短時期內無法建成。因此,當前海綿城市建設存在的突出矛盾是缺少大尺度的符合中國城市實際的末端調蓄設施。

        在開展海綿城市建設以來的3 a多時間里,水利部雖制定了推進海綿城市建設水利工作的指導意見,卻未能改變水利行業(yè)和專業(yè)在海綿城市建設及相關學術研究中參與度低、邊緣化的現(xiàn)實。海綿城市在概念上具有廣闊的外延,其建設理論在不斷的發(fā)展完善,其建設方法也絕不應僅僅局限于低影響開發(fā)以及《指南》中以中小尺度為主的雨水管理措施。水利工程是城市建設的基礎設施,是水資源合理開發(fā)、有效利用和水旱災害防治的主要工程措施。在解決中國城市水資源短缺、洪澇災害、生態(tài)惡化、環(huán)境污染、水土流失等水問題中起到了無可替代的重要作用。我們應回歸常識,充分認識水利工程在海綿城市建設中所能發(fā)揮的核心作用,確立水利行業(yè)和專業(yè)為主導,整合各行業(yè)、專業(yè)的合作模式,在城市整體或流域全局的高度制定系統(tǒng)治理方案,從而形成以水為主線、以水治水的建設思路。

        2 生態(tài)水利應用在海綿城市的可行性

        2.1 傳統(tǒng)水利存在的問題

        近些年,中國在城市化快速發(fā)展進程中,河流、湖泊、水庫、濕地嚴重萎縮,水生態(tài)空間被嚴重擠占,地下水超采和水土流失問題嚴重,雨洪資源利用程度低,下墊面不透水面積比例高,洪澇水宣泄不暢,應對洪澇和干旱等突發(fā)水事件能力低。這些問題的根本原因是人水關系不和諧。

        傳統(tǒng)水利在解決中國城市水資源短缺、洪澇災害、生態(tài)惡化、環(huán)境污染、水土流失等水問題中起到了不可替代的重要作用。但在處理人水關系不和諧問題上則顯得力不從心。例如,傳統(tǒng)河道治理方法罔顧河流生態(tài)系統(tǒng)的自然屬性,粗暴的將自然河流渠道化、非連續(xù)化,將原本深淺相間、蜿蜒曲折、靈動多變的河流改造成硬質的、隔水的、平直的人工河流[7]。傳統(tǒng)水利工程改變了河流的自然形態(tài)和水文規(guī)律,造成河流生境的改變,從而導致河流生態(tài)系統(tǒng)中生物群落多樣性降低,生態(tài)系統(tǒng)退化??梢哉f,傳統(tǒng)水利在力求滿足人的需求的同時,卻在不同程度上忽視了水生態(tài)系統(tǒng)本身的需求,在一定程度上甚至加劇了人水關系矛盾的復雜性。

        2.2 生態(tài)水利的概念

        水利工程是在著力解決水災害加劇、水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)惡化等一系列水安全問題的過程中,日益發(fā)展進步并凸顯作用的,因此,水利工程的本質是生態(tài)工程。生態(tài)水利是在傳統(tǒng)水利的基礎上,按照生態(tài)學原理,遵循生態(tài)平衡的法則和要求,從生態(tài)的角度出發(fā)進行水利工程建設[7-9],建立水的良性循環(huán)和可持續(xù)利用的水利體系,從而達到水資源可持續(xù)發(fā)展和人水和諧。

        2.3 生態(tài)水利的優(yōu)勢

        在內涵和目標上,生態(tài)水利與海綿城市高度契合,都是在充分尊重自然的基礎上,兼顧水域生態(tài)系統(tǒng)健康和人類發(fā)展需求,維護和建設良性循環(huán)的城市自然生態(tài)系統(tǒng),讓城市的水域、森林、土地等生態(tài)系統(tǒng)都恢復調蓄雨洪、涵養(yǎng)水源、凈化雨污等功能,隨著低影響開發(fā)理念的融入,生態(tài)水利將在城市雨洪管理中發(fā)揮更大的效益。海綿城市建設應充分認識生態(tài)水利的支撐作用,確立以生態(tài)水利為核心,以河湖水系為載體,以改善城市水生態(tài)環(huán)境為抓手的海綿城市建設架構。通過建設以生態(tài)水利工程為主、中小尺度措施為配套工程的多尺度城市海綿體,以及通過非工程措施,保護、修復城市水生態(tài)系統(tǒng),實現(xiàn)城市水系統(tǒng)良性循環(huán),水安全保障能力、水資源和水環(huán)境承載能力得到進一步增強,從而在根本上解決城市雨水問題[8-10]。

        3 以生態(tài)水利為核心的海綿城市建設思路

        3.1根本任務和總體目標

        生態(tài)水利在海綿城市建設中的根本任務在于:將城市河湖水系和地下水系統(tǒng)建設成為高效的蓄積、調節(jié)和凈化雨洪徑流的場所,從而保障海綿城市建設“滲、滯、蓄、凈、用、排”各項措施發(fā)揮系統(tǒng)治理效益[11-14];完善城市防洪排澇體系,統(tǒng)籌調控流域上下游、城市建成區(qū)內外洪澇水,合理安排洪澇水出路,提高城市防洪排澇標準;科學蓄洪滯洪,加強雨水、再生水等水源利用,提高城市水資源承載力;加強城市河湖綜合整治和水系連通,優(yōu)化配置水資源,保護地下水系統(tǒng),實施水生態(tài)修復,改善城市生態(tài)環(huán)境,為海綿城市的建設提供重要基礎。

        總體目標是以城市河湖水系綜合整治、岸線管控和防洪排澇體系建設、水資源優(yōu)化配置和高效利用、水資源保護與水生態(tài)修復、水土保持建設為重點,逐步構建“格局合理、蓄泄兼籌、水流通暢、環(huán)境優(yōu)美、人水相親”的海綿城市建設水利工程保障體系,增強城市防洪排澇、水資源保障、水生態(tài)環(huán)境等水安全保障能力,與其它行業(yè)海綿城市建設項目和措施統(tǒng)籌銜接,提升城市生態(tài)文明建設水平。

        3.2 基本原則

        (1) 堅持三步走戰(zhàn)略。保護優(yōu)先,后修復、治理,再低影響開發(fā)。首先,要劃定水生態(tài)紅線,加強城市河湖庫塘和地下水保護,促進綠色生態(tài)城市發(fā)展,為維持城市良性水循環(huán)提供必要的空間。其次,要統(tǒng)籌各類治理措施,以自然調蓄、凈化為主,結合人工措施;以工程措施為主,結合非工程措施;以生態(tài)水利工程措施為主,結合其他工程措施。最后,要堅持低影響開發(fā)原則,在攔蓄工程建設上可化整為零,推廣建設對城市環(huán)境影響較小的橡膠壩、塘壩、小型水庫及地下水庫,降低對生態(tài)環(huán)境的沖擊。

        (2) 堅持規(guī)劃引領??茖W編制生態(tài)水利規(guī)劃,發(fā)揮規(guī)劃的約束和引領作用,做好相關規(guī)劃銜接?;粍訛橹鲃?,合理利用生態(tài)水利工程進行雨洪管理,科學制定規(guī)劃計劃。將海綿城市建設中水利工程措施和要求,統(tǒng)一納入城市總體規(guī)劃、控制性詳細規(guī)劃、修建性詳細規(guī)劃,強化與流域和區(qū)域綜合規(guī)劃、防洪排澇規(guī)劃及城市道路、市政排水、園林綠地等相關專項規(guī)劃銜接,統(tǒng)籌協(xié)調流域上下游、城市建成區(qū)內外、地表水與地下水、防洪排澇與雨水利用的關系,科學布局海綿城市建設,確保發(fā)揮連片效應和系統(tǒng)治理效益。

        (3) 堅持問題導向、因地制宜。綜合考慮城市水資源、降水徑流、洪澇災害、地形地貌、河湖水系分布等自然地理特點,以及城市功能定位、發(fā)展建設布局、水利基礎設施等因素,合理確定水利工程建設任務目標、設計方案,推動城市發(fā)展與水資源水環(huán)境承載力相協(xié)調。

        3.3 整體架構

        (1) 對城市水系進行生態(tài)保護和恢復治理,使城市雨洪蓄滯空間增大,排泄通道暢通,提高水體自凈能力。首先,應通過劃定濕地保護區(qū)及建設水生態(tài)修復工程和水利風景區(qū)工程,進行水源保護和涵養(yǎng),修復濕地生物棲息地。分區(qū)域和流域設置水源涵養(yǎng)區(qū)、水源地保護區(qū)、水生態(tài)保護區(qū),通過植樹造林、種植濕地植物及設置人工濕地、生態(tài)浮島等生態(tài)修復措施,修復河灘及濱水帶生態(tài)功能[15]。其次,在河道生態(tài)治理中,應通過河湖庫塘生態(tài)清淤疏浚工程,增大河道過水斷面和湖庫庫容,恢復和提高河湖庫塘行洪、蓄洪、滯洪能力,防治內源污染,激活生態(tài)系統(tǒng)自設計、自組織功能,改善和提高水生態(tài)自我修復能力,激發(fā)河流自身活力。盡可能提高河流形態(tài)的空間異質性,不但要放棄裁彎取直,還要對原有平直岸線進行改造,在上中下游,河道橫斷面要靈動多變,平面上要縱橫蜿蜒,高程上要跌宕起伏,使其符合自然河流的地貌學原理,為生物群落多樣性的恢復創(chuàng)造條件。此外,應重視河湖庫塘岸坡的生態(tài)功能,岸坡屬于生態(tài)系統(tǒng)的濕地范疇,是水域與陸域生態(tài)系統(tǒng)相互聯(lián)系的自然過渡帶。對岸坡進行生態(tài)改造,采用透水性好、適宜生物棲息的、提高水體自凈能力的生態(tài)護岸設計理念,既確保岸坡穩(wěn)定,防止水土流失,又能促進河湖水資源入滲補充地下水。在水岸交接帶設置淺灘、深潭、旁側湖、滯水塘、卵石濾池、穩(wěn)定塘等坑溏澤沼,增加對雨洪徑流的滯蓄、承泄和凈化能力。在水閘、堰、壩等落差大的擋水建筑物設置各類魚道,為魚類等水生生物溯游提供條件。對因城市發(fā)展而萎縮消失的湖泊、水庫、塘壩、河流應進行恢復和生態(tài)治理。

        (2) 以城市水系連通工程為框架,大力推進生態(tài)水網(wǎng)工程建設,加強地表河湖庫塘水系互連互通。以城市中小河流流域為單元,以湖泊、水庫、塘壩為調蓄節(jié)點和蓄滯洪區(qū),通過渠道工程、調水工程和泵站工程進一步溝通連接河湖庫塘和各類水利工程,加強庫—庫、庫—河、河—河之間雨洪水聯(lián)合調度,多流域、大范圍轉移超標準雨洪水,充分發(fā)揮水利工程整體防洪效益,實現(xiàn)河湖庫塘連通、蓄調滯泄統(tǒng)籌、豐枯調劑、高效利用的雨洪資源配置網(wǎng)絡,全面提高防洪除澇、雨洪水利用和供水保障能力。城市新區(qū)建設應以水網(wǎng)為框架規(guī)劃城市布局,與流域、區(qū)域防洪規(guī)劃相銜接,合理確定城市防洪排澇分區(qū),統(tǒng)籌布局泄洪通道和蓄滯場所,妥善安排城市洪澇水滯蓄和外排出路。

        (3) 以入滲回灌設施、攔蓄閘壩和地下水庫等工程為載體,聯(lián)合調度地表水、地下水,對雨洪水進行儲存、調蓄、凈化和再利用。在建筑與小區(qū)、道路與廣場、綠地與公園等陸域內設置透水鋪裝、下凹式綠地、綠化屋頂、植被緩沖帶、滲透塘、濕塘、調節(jié)塘、雨水濕地、蓄水池等雨水收集設施及滲池、滲渠、滲井等入滲設施。在河湖庫塘等水域完善堤防、涵閘、泵站、蓄滯場所等水利設施,提高城市防洪排澇能力。對于水文隨季節(jié)變化較大的季風區(qū)雨源型、山溪型河流,可建設橡膠壩等攔蓄工程,對河道中的雨洪水進行分段攔截、梯級蓄滯補源,利用生態(tài)護岸、濕地等自然入滲,并結合埋設滲池、滲渠、滲井等人工促滲[16]。在下墊面以下利用城市超采地下水形成的降落漏斗,通過設置人工滲灌、取水、水文監(jiān)測設施及截滲壩工程,建設地下水庫工程[17],進行豐蓄枯采、多年調節(jié),為雨洪資源管理提供空間巨大的調蓄和儲存海綿體。建設海綿城市所需的生態(tài)水利工程和非工程措施詳見表2。

        表2 海綿城市所需的生態(tài)水利工程和非工程措施

        4 結 論

        治理城市水問題不能只做表面文章,不能頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳,不能將城市生態(tài)系統(tǒng)割裂開來單獨治理,而應充分理解城市的山水林田湖是統(tǒng)一的生命共同體概念,發(fā)掘和利用他們之間的聯(lián)系與相互作用,海綿城市的提出是雨洪管理理論的創(chuàng)新與發(fā)展,為新時期解決城市水問題提供了新概念、新理論。海綿城市的概念初步形成,其理論方興未艾,仍處于不斷發(fā)展和完善階段,亟待展開進一步實踐研究和理論創(chuàng)新,在深刻領會、準確把握其內涵和本質的基礎上,探索出符合中國不同城市特色的具體實施策略,促進該理論體系走向成熟和完善。此外,工程措施不是萬能藥,不能奢求僅僅依靠工程措施來根治雨水問題引起的城市病,而應充分利用工程措施的服務功能,引導、恢復、發(fā)揮城市生命體的自然活力,多策并舉,綜合施治,標本兼治,才是解決城市雨水問題建設海綿城市的根本之道。

        [1] 水利部(水規(guī)計[2015]321號).關于推進海綿城市建設水利工作的指導意見[S].2015.

        [2] 住建部(建城函[2014]275號).海綿城市建設技術指南:低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建(試行) [S].2014.

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        DesignPrincipleofSpongeCityBasedonEcologicalWaterConservancy

        WANG Xingchao

        (YantaiUrbenWaterSourceEngineeringBureau,Yantai,Shandong264000,China)

        [Objective] To explore the construction method of sponge city in the principle of ecological water conservancy, in order to solve a series of water security problems, such as the shortage of water resources, frequent floods and deterioration of water ecology.[Methods] The scientific connotation of sponge city and its traditional construction methods were summarized, the limitation of small and medium scale rain management measures was analyzed, the prominent contradiction existing in the construction of sponge city was pointed out, and the feasibility and advantages of ecological water conservancy application in sponge city construction were put forward.[Results] Based on setting mission objectives, basic principles and overall structure, a series of key projects and non-engineering measures were put forward around the construction of ecological water conservancy support system of sponge city. [Conclusion] The application of ecological water conservancy theory to the construction of sponge city is a fundamental way to guarantee urban water security and to solve the urban water problems. The development strategy of ecological water conservancy should be established as the core of the sponge city construction.

        spongecities;ecologicalwaterconservancy;stormwatermanagement;waterloggingprevention;ecologygovernance;stormwaterresourceutilization;lowimpactdevelopment

        B

        1000-288X(2017)05-0250-05

        TV213.9

        文獻參數(shù): 王興超.基于生態(tài)水利的海綿城市設計原則[J].水土保持通報,2017,37(5):250-254.

        10.13961/j.cnki.stbctb.20170707.001; Wang Xingchao. Design principle of sponge city based on ecological water conservancy[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5):250-254.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20170707.001

        2017-04-25

        2017-05-19

        中央高?;究蒲袠I(yè)務費專項資金“海綿城市建設的水資源安全保障研究”(2016B09714)

        王興超(1983—),男(漢族),黑龍江省綏濱縣人,碩士研究生,工程師,研究方向為城市生態(tài)水利和水資源、水環(huán)境管理。E-mail:mok1234@163.com。

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