桂敬傳,黃茜子,歐陽(yáng)皓月 (.安徽地平線建筑設(shè)計(jì)有限公司,安徽 合肥 0000;.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司,安徽 合肥 0000;.廈門大學(xué),福建 廈門 6000)
隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,城市下墊面形態(tài)日趨改變,加之全球氣候變化,城市洪澇已成為城市最主要的自然災(zāi)害之一。城市洪澇帶來(lái)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等方面的嚴(yán)重危害(表1),且受洪澇影響的城市數(shù)量、強(qiáng)度不斷增大。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)668 座城市中96%以上開(kāi)展防洪工作,近12 年防洪投入資金增加8 倍。1980s 開(kāi)始,發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始由常規(guī)的“堤壩圍堵”“集中排放”的雨水管理方式轉(zhuǎn)向“就地截流”“分散處理”的可持續(xù)雨水管理[1]。可持續(xù)雨水管理是利用建筑用地、建筑物、構(gòu)筑物等將城市雨水收集轉(zhuǎn)換后充分利用的方式,減少雨水徑流,實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地水資源循環(huán)。其方法的核心在于通過(guò)事先預(yù)防的方式達(dá)到小范圍水資源供需循環(huán),從而恢復(fù)城市生態(tài)能力,從根源解決洪澇問(wèn)題,形成海綿城市[2]。
表1 城市洪澇危害[8]
在自然條件下的環(huán)境雨水下落地表后,首先,通過(guò)下滲、植物吸收、自然水體等方式進(jìn)行儲(chǔ)存;其次,在環(huán)境中通過(guò)水體蒸發(fā)、植物蒸騰等作用回歸大氣;最后,在溫度濕度等自然條件通過(guò)雨、雪、霜、露等形式回落地面,由此形成自然的水循環(huán)系統(tǒng)(圖1)。但由于城鎮(zhèn)化是城市下墊面快速硬化,水體下滲速率急速降低、以及全球氣候變暖,水體蒸發(fā)加快,使得自然條件下水資源循環(huán)受阻,從而造成洪澇、地表沉降、水體污染等一系列城市雨水問(wèn)題[3]。
圖1 自然水循環(huán)系統(tǒng)
據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì),全國(guó)常住人口城鎮(zhèn)化率2000-2022 年從34.39%上升到65.22%,且呈繼續(xù)上升趨勢(shì)。而城市下墊面主要構(gòu)成為硬屋面、混凝土或?yàn)r青路面等,其中下墊面硬化比例高達(dá)80%。硬化后的下墊面下滲率急劇降低,導(dǎo)致地表水橫向徑流增大。其過(guò)程造成兩方面影響:其一,下墊面截?cái)嗔顺鞘型寥浪w下滲,地下水補(bǔ)充不足,造成城市地下水位降低,破壞地表受力結(jié)構(gòu)造成建筑、路面等開(kāi)裂傾斜,沿海城市會(huì)造成海水倒灌等危害;其二,橫向徑流增大,使得城市雨水絕大部分從排水管網(wǎng)疏散,增加城市排水壓力,刷新排水系統(tǒng)峰值。
城市降雨頻率與降雨強(qiáng)度均高于郊區(qū),原因如下所示。其一,氣壓差加強(qiáng)對(duì)流作用,在自然狀態(tài)下,除海平面外的區(qū)域內(nèi)各部分蒸發(fā)量較為均衡。城市建設(shè)后,城市的植被量大量減少,植物蒸騰作用減弱,城市上空水蒸氣生成量遠(yuǎn)低于郊區(qū)。城市熱島使得城市上空溫度高于郊區(qū),地面潮濕空氣迅速進(jìn)入高空,易形成陣雨。其二,城市建筑阻擋空氣橫向流動(dòng),使得空氣主要向上流動(dòng),增加降雨頻率。同時(shí),城市的橫向阻擋作用使靜止鋒停止,延長(zhǎng)降雨時(shí)間,增大其降水量。其三,城市排放氣體中的粉塵顆粒物具有凝結(jié)核作用,能夠加速聚集空氣中的小水滴,致使降雨速度加快。
橫向徑流作用在城市的影響上增大了城市排水量,而對(duì)于水體本身而言,加大了水體污染程度。自然條件下雨水自然下滲,其污染性較小,不影響水質(zhì)。而城市中滯留了工業(yè)生活排放大量的有毒有害氣體、固體顆粒物等,雨水降落后,在城市地表大面積徑流,溶解、混合了大量污染物質(zhì)(如烴類、病原體、氯化物、營(yíng)養(yǎng)物、鎘、鋅、鉛、銅、錳等)。徑流后的部分水下滲土壤或回流至湖泊、海洋等水體,造成地下水和地表水水質(zhì)的惡化。另一部分水進(jìn)入地下管網(wǎng),增加了城市水體清潔回收流程與費(fèi)用。
早期,在城市洪澇頻發(fā)且危害日漸嚴(yán)重后,英國(guó)最開(kāi)始建立現(xiàn)代城市雨水管理系統(tǒng),其原則是加快城市雨水排放速度,將雨水聚集起來(lái)集中處理,避免城市洪澇的形成。就當(dāng)時(shí)而言,無(wú)疑是快速緩解災(zāi)害的有利策略,因此許多國(guó)家相繼開(kāi)展,我國(guó)目前常見(jiàn)的雨水管理也沿用此模式。然而,隨著城市發(fā)展與研究的深入,發(fā)現(xiàn)常規(guī)的雨水管理難以緩解洪澇危害。
在邏輯上,采用直徑更大、數(shù)量更多的排水管網(wǎng)可以在短時(shí)間內(nèi)快速排水,是滿足防洪需求的措施。然而,排水上游的排水量越多,其終端處理水量峰值越大,排水量呈倍數(shù)增長(zhǎng),導(dǎo)致雨水終端洪澇發(fā)生率增大,且下游排水一經(jīng)堵塞,或可造成城市排水癱瘓[4]。更大的排水系統(tǒng)無(wú)法從根源增加城市的抗災(zāi)能力,反而增加了其峰值水流量和附加峰值水流量(圖2)。
圖2[2] 常規(guī)雨水管理與可持續(xù)雨水管理
快速排水原理下的雨水管理無(wú)法解決橫向徑流增大的過(guò)程,因此并不能緩解雨水在徑流過(guò)程中受到的污染。
開(kāi)挖城市地下排水系統(tǒng)費(fèi)用高昂,不僅在于建設(shè)本身花費(fèi),對(duì)于城市交通、貿(mào)易、生活等均造成影響。其排水峰值更大的排水系統(tǒng)需要加大水管直徑、增大排水網(wǎng)密度,其設(shè)備成本較高。同時(shí),城市管網(wǎng)使用壽命有限,需要根據(jù)年限與狀況不定時(shí)開(kāi)挖更新。此外,污水處理的費(fèi)用也是不容小覷。據(jù)《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì),我國(guó)排水系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用明顯不足,嚴(yán)重影響排水功能。
在漫長(zhǎng)的城市發(fā)展過(guò)程中,英國(guó)為首提出的“快速排水”“集中處理”的雨水管理策略不再適用于現(xiàn)代化城市發(fā)展。自1980s 開(kāi)始,美、日、德等國(guó)家相繼開(kāi)展可持續(xù)雨水管理措施(表2),將其歸納為“滲、滯、蓄、凈、用、排”的綜合排水。根據(jù)現(xiàn)有的可持續(xù)雨水管理的研究與實(shí)踐,對(duì)我國(guó)雨水管理導(dǎo)向下的海綿城市建設(shè)具有啟示作用。
表2 各國(guó)家和地區(qū)可持續(xù)雨水管理措施[1,7]
可持續(xù)雨水管理并不意味摒棄原有排水系統(tǒng),不等同于反對(duì)城市地下排水系統(tǒng),而是盡可能多將降雨就地存儲(chǔ)、回收、利用,在小范圍內(nèi)排水,避免大面積雨水徑流。
首先,在洪水發(fā)生率方面,增大地表下滲能力,如采用透水材質(zhì)、增加植被覆蓋、降低硬化地面比例,最大可能地下滲雨水,保持水體蒸發(fā)與植物蒸騰相平衡,減少溫室效應(yīng)。同時(shí)建立雨水收集系統(tǒng),一方面最大程度對(duì)下落建筑物表面的水體進(jìn)行收集回收,以供區(qū)域內(nèi)水資源利用;另一方面,對(duì)于區(qū)域內(nèi)徑流開(kāi)挖滯留池,既具蓄水功能又具景觀效應(yīng)。由此,形成完善的區(qū)域水循環(huán)供給平衡,如德國(guó)里瑟菲爾德住區(qū)、沃邦住區(qū)等,均已實(shí)現(xiàn)區(qū)域水循環(huán),從源頭減少城市洪澇發(fā)生率。
其次,水質(zhì)污染方面,一方面,橫向徑流的減少可較大程度地減少水質(zhì)污染水平;另一方面,完善的生態(tài)環(huán)境空間可以修復(fù)區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)條件,水體通過(guò)其自身物理作用、化學(xué)作用和生物作用,完成自我凈化。其中,物理作用是在水體流動(dòng)過(guò)程中,雜質(zhì)進(jìn)行稀釋、沉降、滯留等效應(yīng),改變污染物濃度,但不改變污染物的總量?;瘜W(xué)作用是水體中其它物質(zhì)與雜質(zhì)發(fā)生氧化、還原、分解、中和等反應(yīng),改變水體的化學(xué)性質(zhì),如酸堿度等。生物作用是水中的微生物,通過(guò)生命活動(dòng)使水中有機(jī)物氧化還原,分解為無(wú)機(jī)物,降低污染物含量。
最后,在成本方面,可持續(xù)雨水管理建設(shè)在短期內(nèi)的支出成本高于常規(guī)可持續(xù)雨水管理。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,可持續(xù)雨水管理使用壽命長(zhǎng)、更新周期長(zhǎng)、維護(hù)成本較低,可在小區(qū)域內(nèi)完成更新與修繕,同時(shí)減少污水場(chǎng)處理費(fèi)用。此外,常規(guī)雨水管理在生態(tài)修復(fù)、污染治理上支出的高昂費(fèi)用,可持續(xù)雨水管理可通過(guò)環(huán)境自然修復(fù)的方式將其大大降低。
在進(jìn)行城市規(guī)劃與城市更新過(guò)程中,應(yīng)建立規(guī)范的海綿城市設(shè)計(jì)法案??沙掷m(xù)雨水管理不再是可有可無(wú)的建設(shè),而是緩解城市發(fā)展弊端、環(huán)境污染危害的必要舉措。從現(xiàn)有海綿城市較為完善的國(guó)家分析,建立健全水循環(huán)法律法規(guī)是海綿城市的關(guān)鍵,也是改變傳統(tǒng)雨水管理框架的重中之重。
現(xiàn)存雨水污染無(wú)法有效解決的重要原因在于我國(guó)還未建立有效的雨水排放水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),雨水徑流對(duì)地下水及地表水的污染還未得到重視。在現(xiàn)有較為完善的水質(zhì)評(píng)價(jià)中,已不局限雨水中有毒、有害物質(zhì)濃度標(biāo)準(zhǔn)。在德國(guó),建立了腐生生物系統(tǒng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),其地表下滲水須達(dá)到歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn);在美國(guó),水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化至79 項(xiàng)具體指標(biāo),各州以美Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)為強(qiáng)制性水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)地區(qū),還未建立地表下滲水強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn),且生活飲水等級(jí)較低。因此,提高水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是保障優(yōu)質(zhì)水源的重要舉措,也是保障可持續(xù)雨水管理有效運(yùn)行的關(guān)鍵。
首先,海綿城市建設(shè)是城市各部分區(qū)域共同努力的結(jié)果,是各區(qū)域水資源供需循環(huán)并由此形成大范圍的水環(huán)境平衡。這一過(guò)程需要各領(lǐng)域共同參與,政府管理規(guī)劃、部門貫徹實(shí)施、區(qū)域規(guī)劃合理、業(yè)主積極落實(shí)[5]。
其次,我國(guó)水文地質(zhì)、氣候地理?xiàng)l件復(fù)雜多樣,因地制宜是建設(shè)海綿城市的重要原則。借鑒國(guó)外先進(jìn)理念和技術(shù),地域化針對(duì)性地進(jìn)行可持續(xù)雨水管理。
最后,發(fā)揮主觀能動(dòng)性??沙掷m(xù)雨水管理觀念深入人心,需從教育中積極引導(dǎo),以生態(tài)保護(hù)為重要目標(biāo)。
可持續(xù)雨水管理是以恢復(fù)城市抗災(zāi)害能力為目標(biāo),從城市設(shè)計(jì)層面將雨水納入城市循環(huán)系統(tǒng),修復(fù)城市發(fā)展帶來(lái)的自然資源破壞。十八大以來(lái),生態(tài)建設(shè)納入國(guó)家發(fā)展總體布局,國(guó)家及住建部發(fā)布重要政策文件鼓勵(lì)與發(fā)展海綿城市建設(shè)。目前,全國(guó)有470 多個(gè)城市開(kāi)展了海綿城市建設(shè),已建成30 個(gè)試點(diǎn)城市并基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)[6]。因此,可持續(xù)雨水管理目標(biāo)下的海綿城市建設(shè)對(duì)城市生態(tài)恢復(fù)、實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。
此外,海綿城市的建設(shè)是以建設(shè)用地為范圍,以城市設(shè)計(jì)為導(dǎo)向,從每一小塊城市用地出發(fā),建設(shè)小范圍的水資源循環(huán)系統(tǒng)。因此,海綿城市的建設(shè)必將是漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過(guò)程,需要多方合作、多學(xué)科交融,時(shí)刻警惕一蹴而就、一勞永逸的思想。其次,海綿城市的核心是雨水管理,在建設(shè)中要準(zhǔn)確定位其建設(shè)目標(biāo)與方向,避免走入形式主義。