馬 越,楊 正,姬國強,劉 昊,孫文靖

(1.陜西省西咸新區(qū)灃西新城開發(fā)建設<集團>有限公司海綿城市技術中心,陜西西安 712000;2.北京雨人潤科生態(tài)技術有限責任公司城市雨洪管理研究中心,北京 100044)

隨著我國海綿城市試點與示范城市建設的推進,大量綠色雨水設施建成并投入使用。由于在傳統(tǒng)市政園林與管網養(yǎng)護工作中并沒有針對海綿城市綠色雨水設施維護管理的具體技術要求,隨著大量綠色雨水設施運行年限的增加,其維護管理問題也開始逐漸顯現(xiàn),主要體現(xiàn)在以下幾點。(1)設施設計中對運維的考慮。部分設施在設計之初即沒有充分考慮到后期的運維管理,如設施的預處理設計不合理、沒有預留運維通道等,導致設施建成后難以持續(xù)開展有效的維護工作。(2)綠色雨水設施運維管理模式的構建。海綿城市綠色雨水設施的建設依托于建筑小區(qū)、城市道路、公園等不同類型的建設項目,建設形成的綠色雨水設施資產權屬不同,維護管理的主體也不同。同時,對綠色雨水設施的維護管理工作與傳統(tǒng)園林綠化養(yǎng)護、管網養(yǎng)護在很多方面又相互交叉,需要互相銜接。因此,針對綠色雨水設施的維護管理應建立什么樣的工作模式,如何確定維護管理的目標和邊界,是亟需回答的重要問題。(3)綠色雨水設施運維管理方案的合理制定。各城市當前普遍沒有明確針對綠色雨水設施進入運維期后的綜合評估方法與標準,設施投入運行后,不能合理預判各個設施應進行修復或大修的時間,同時沒有明確不同設施在運行中的風險以及重要程度,不能支撐設施維護資金與人力資源的合理分配,導致部分重要設施在設計使用年限內可能發(fā)生損壞、失效等問題,進而造成重復建設和資金浪費。本文重點針對上述三方面的關鍵問題探討如下。

1 基于運維的綠色雨水設施設計要點

海綿城市綠色雨水設施的設計應充分考慮設施建成后開展運維管理工作的可行性與便利性,其重點應體現(xiàn)在設施的預處理設計、結構設計與運維通道設計三方面。

1.1 預處理設計

無論是雨水花園等小型分散的綠色雨水設施,還是雨水塘等大型集中設施,對設施進水口預處理部分的合理設計,是設施主體結構穩(wěn)定運行的重要保障,同時也便于將日常的維護管理工作主要聚焦在預處理區(qū)域,利于維護工作的開展。當前,國內相關研究已經注意到預處理前置塘的設計能夠減少生物滯留設施的堵塞和污染物積累,但缺乏對具體設計條件和設計要求的深入探討[1]。在國家和地方海綿城市相關規(guī)劃設計標準中,普遍提出了對設施預處理的總體性要求,例如在《陜西省海綿城市規(guī)劃設計導則》(DBJ 61/T 126—2017)中,提出徑流雨水應經截污等預處理后引入低影響開發(fā)設施,但對具體預處理設施的形式尚沒有明確的技術要求[2]。

從前期部分試點城市的項目實際建設情況看,針對小型分散的綠色雨水設施,通常會在設施進水口處鋪設一定區(qū)域的碎石形成碎石緩沖區(qū),以此作為設施主要的預處理形式,碎石區(qū)可以對收集的雨水徑流起到一定的消能與過濾凈化的效果。以西咸新區(qū)灃西新城海綿城市試點建設為例,在城市道路生物滯留帶的設計中,普遍在設施入口處采用了模塊化的碎石攔污筐作為預處理設施(圖1)。這種預處理方式在建成初期,對匯入生物滯留帶的雨水徑流可以起到很好的過濾攔污效果。但從長期運行情況看,由于道路雨水徑流的污染程度普遍較高,同時灃西新城大量區(qū)域正在施工建設,導致城市道路上的積塵積土較多,降雨時雨水徑流攜帶大量道路塵土進入生物滯留設施,極易造成設施入口攔污筐的淤堵,如果不能及時開展維護工作,在經歷一個雨季后攔污筐的預處理效果就會大打折扣,甚至會造成對設施主體的二次污染問題。此外,部分設施在進行預處理設計時,還存在預處理過度設計的問題,如增加多種填料的過濾系統(tǒng),甚至超過了設施的主體功能,造成投資浪費。

圖1 生物滯留帶入口攔污筐堵塞實景圖(西咸新區(qū)灃西新城)Fig.1 Picture of Blockage in Inlet Trash Basket Rack of Bioretention Zone (Fengxi New City, Xixian New Area)

針對雨水塘等大型的集中綠色雨水設施,通常會明確規(guī)定應設計專門的前置塘作為預處理區(qū),例如美國賓州在其雨水設施設計手冊中明確規(guī)定雨水塘的前置塘容積可按總容積的10%～15%進行設計[3],在國內海綿城市建設中也可以普遍看到雨水塘中前置塘的設計。而針對雨水花園等小型綠色雨水設施,除了目前普遍采用的通過設置碎石緩沖區(qū)進行消能外,也應設計類似前置塘的小型前置區(qū)域,這是目前國內設計中普遍忽略的一點。前置區(qū)主要發(fā)揮對匯入雨水徑流的沉淀功能,避免雨水徑流攜帶大量污染物直接進入主體設施,導致污染物沉積在主體設施表層易造成設施表層土壤板結等問題,進而影響設施的滲透與凈化效果。從便于維護的角度,前置區(qū)應盡可能采取硬化形式,即最大可能保證匯入設施的雨水徑流在硬化前置區(qū)集中沉淀,在設施維護時可直接通過鏟子等工具對硬化前置區(qū)進行清理,避免對主體設施的結構以及植物等造成破壞。前置區(qū)的具體形式應結合設施空間與景觀要求等進行合理設置,如圖2所示。

1.2 結構設計

針對綠色雨水設施的結構設計,主要研究多集中在不同結構改良方式對雨水徑流水量與水質控制效果的提升上,缺少基于運維視角對設施結構改良設計的要求[4]。筆者以生物滯留類和雨水塘類兩大類典型綠色雨水設施為例,初步提出基于運維的結構設計改良要點。

生物滯留類設施的核心結構主要包括蓄水層、覆蓋層與土壤介質層、過渡層與排水層、隔離層與防滲層。其中,為防止土壤介質進入排水層造成堵塞,前期很多設計普遍采用了以透水土工布作為過渡層的方式。而通過對美國丹佛、新西蘭奧克蘭等地的低影響開發(fā)設施設計手冊進行查閱和實地調研發(fā)現(xiàn)[5-6],其在最新的設計手冊中,均明確提出禁止使用透水土工布作為過渡層,由于在實踐中發(fā)現(xiàn),使用透水土工布作為過渡層更易導致堵塞問題,而堵塞后可能需要對設施進行整體翻修才能解決。新西蘭奧克蘭提出建議使用2～7 mm的細骨料作為過渡層,厚度不小于100 mm;美國丹佛提出只要排水層的骨料顆粒符合規(guī)范要求(以丹佛設計手冊中給出的排水層Class C要求為例,其不同粒度通過篩網的質量分數分布要求:19 mm 100%,4.75 mm 60%～100%,300 μm 10%～30%,150 μm 0～10%,75 μm 0～3%),可取消過渡層。此外,還有很重要的一點是生物滯留設施應設置檢查豎管,并與底部的排水管相連,安裝在排水管起始段。通過檢查豎管的設置,可以適時檢查設施結構的運行情況,同時在排水層和介質層發(fā)生堵塞時,可以通過檢查豎管進行沖洗,這對設施后期的運維管理工作至關重要。針對上述過渡層與檢查豎管的改良要求,均已納入到了2022年最新發(fā)布的中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會團體標準《雨水生物滯留設施技術規(guī)程》(T/CUWA 40050—2022)中[7]。

雨水塘類設施作為集中的大型綠色雨水設施,除通過前置塘對來水進行一定的沉淀預處理外,針對主塘的蓄水空間,也應考慮對不同重現(xiàn)期暴雨對應的調蓄空間進行合理的分配設計,避免雨水徑流在進入主塘空間后隨意漫流,造成塘內局部區(qū)域經常性滯水而產生對土壤和植被的侵蝕。例如,美國丹佛在其雨水設施設計手冊中,明確提出了可在雨水塘中設計一道針對中小降雨的導流通道(trickle channel)[5](圖3),即中小降雨發(fā)生時,進入塘體的雨水可通過導流通道導入到特定的設計區(qū)域進行調蓄,超過該區(qū)域的調蓄標準后,再逐步漫流至塘體的其他空間。這些并不復雜的細節(jié)設計可以為后續(xù)的運維管理帶來巨大的幫助。

1.3 運維通道設計

綠色雨水設施運維管理工作的開展,需要保障人和機械能夠進入到設施需要維護的區(qū)域,從而開展相應的維護工作。因此,綠色雨水設施在設計中很重要的一點是要合理預留出運維通道,將運維通道與設施主體同步進行設計,尤其是針對需要機械進入的雨水塘等集中綠色設施。對國外的雨水設計手冊調研中發(fā)現(xiàn),在雨水塘的設計要求中,運維通道(maintenance access road)都是必須的設計要素[5],而這點在國內當前海綿城市相關設計圖集與規(guī)范的要求中往往被忽略,應進一步補充明確相關的設計要求。

2 綠色雨水設施的運維管理模式探討

在海綿城市試點與示范城市中,已普遍將海綿城市的建設要求納入到了城市規(guī)劃建設的全過程管控體系,主要體現(xiàn)在項目規(guī)劃、設計、施工、驗收等各個環(huán)節(jié)全面落實海綿城市的指標和建設要求。而要保障設施運維要求的有效落實,同時保障設施進入運維期后能夠有效地開展維護管理工作,也應同步將設施運維的相關要求納入到規(guī)劃建設管控體系,并進一步構建針對海綿城市綠色雨水設施的運維管理模式[8],明確綠色雨水設施資產的運維主體、運維目標、與傳統(tǒng)綠化與管網養(yǎng)護工作的邊界和銜接關系等。主要要點包括以下幾點。

(1)項目可研階段

在項目可行性研究報告中針對海綿城市專題的編制,除分析設施建設的可行性外,也應對設施建成后長期運行與維護管理的可行性進行總體分析,重點應提出設施建成后形成的資產權屬與運維管理主體,長期運維涉及的主要工作與費用估算,從而從項目與設施全生命周期的角度進行成本效益分析,從設施建設與長期運維兩方面的可行性進行綜合分析。

(2)規(guī)劃方案與施工圖審查階段

在對規(guī)劃設計方案的審查中,應對設施設計是否充分考慮了運維相關的技術要求進行審查,同時建議在項目的海綿專項方案中,補充項目運維的總體方案。例如,考慮到項目內不同設施承擔的匯水范圍,以及對項目目標的貢獻程度不同,可以在運維總體方案中提出不同設施重要程度與運維優(yōu)先級的總體建議,從而對不同設施的運維提出對應的差異化技術要求。在施工圖審查階段應進一步審查規(guī)劃方案中明確的運維技術要求是否在施工圖中進行了落實。

(3)驗收與移交階段

項目驗收階段即明確了項目建設完成后最終形成了哪些綠色雨水設施資產,建議在驗收前建立設施的資產信息數據庫。設施資產信息應包括設施的編碼、類型等基礎信息,設施面積、調蓄容積、匯水范圍等技術信息,以及空間位置信息、結構信息、監(jiān)測信息等,在項目移交時同步將設施信息數據提交運維單位。驗收確認的設施資產即為運維單位的主要運維對象,而對綠色雨水設施運維管理的目標即最大程度發(fā)揮設施對雨水徑流的控制效果,達到設計的水量與水質控制目標。因此,運維單位在承接需要進行運維管理的綠色雨水設施資產時,應首先評估實際建成的綠色雨水設施是否符合經審查后的規(guī)劃方案與施工圖設計要求。評估內容重點應包括設施規(guī)模是否與設計一致、與周邊匯水區(qū)的豎向是否有效銜接、進水口位置是否合理以實現(xiàn)有效收水、排空時間是否滿足設計要求,以及出水口/溢流口位置、標高及與外排管網的銜接是否合理等。具體評估可采用建設資料查閱與現(xiàn)場檢查的方式,通過評估明確設施建成后是否可以達到設計目標要求,并在此基礎上進一步確定進入運維階段后的設施運維管理目標。

(4)運維階段

進入運維階段后,對綠色雨水設施的運維管理工作可以項目為單元開展,例如,可以不同項目類型或不同區(qū)域的項目,以及不同項目的重要程度進行區(qū)分。而具體的運維工作針對項目內不同類型的綠色雨水設施又有不同的要求,例如,部分綠色雨水設施如下沉綠地、簡單型生物滯留設施等,其構造簡單,維護工作與傳統(tǒng)的園林綠化養(yǎng)護基本一致,而如復雜型生物滯留設施、雨水塘、濕地等綠色雨水設施,對其進出水口、結構層等的維護管理涉及到新的專項技術要求,同時也包括對植物、土壤以及管網的傳統(tǒng)養(yǎng)護工作。因此,針對海綿城市建設項目形成的綠色雨水設施資產,對其維護管理工作可總體分為傳統(tǒng)的綠化或管網維護與海綿專項運維兩類。

具體的運維工作可以由運維方內部成立運維團隊承接,也可以通過招投標的形式引入第三方運維團隊。如果針對同一片區(qū)或同一項目內不同設施的運維管理,由多家運維單位共同負責,則可以基于片區(qū)內的不同項目或不同運維工作類型進行區(qū)分,不同單位之間可以通過簽訂運維工作協(xié)議的方式明確各自的邊界與銜接關系,共同實現(xiàn)片區(qū)或項目的總體運維目標(圖4)。

3 基于風險評估的綠色雨水設施分級運維探討

3.1 風險評估的總體思路

風險管理是判斷基礎設施是否達到服務水平指標的關鍵因素,通過風險管理為資產的合理配置、性能完善、資金投入提供可持續(xù)的指導。風險管理需要評估基礎設施的運行效能如何,失效的可能性是多大,失效模式是什么,修復成本多少,失效的后果是什么,這是一種評估設施總體效用性能和用來確定關鍵設施資產的方法。通過風險評估識別區(qū)分高、中、低風險的不同設施,進而針對不同設施開展常規(guī)性維護、預防性維護與大修等工作。其中,低風險設施失效概率低,且失效后果的影響小,主要開展常規(guī)性維護工作。中風險設施可分為3種情況:失效概率高但失效后果影響小、失效概率低但后果影響大,以及失效概率中等且后果影響中等,需根據具體情況開展常規(guī)性與預防性維護工作。高風險設施失效概率高且失效嚴重影響大,需要開展常規(guī)性維護與預防性維護工作,并需要根據實際情況確定大修的時間與具體修復工作。

綠色雨水設施全生命周期過程中的服務水平會隨著運行年限的增加以及周邊環(huán)境的變化而不斷變化,對其適時進行風險評估能夠有效反映設施的服務水平變化,從而有針對性地制定運維計劃,避免錯過最佳維護與修復節(jié)點,以有效控制成本和配置資源。對綠色雨水設施的風險評估主要涉及失效可能性評估和失效后果評估兩部分,失效可能性主要與設施評估時的運行年限、運行效能、周邊環(huán)境影響和可能的失效模式有關,失效后果則主要與設施對區(qū)域雨水控制目標的貢獻度和對周邊環(huán)境的影響有關。通過對設施失效可能性與失效后果的綜合評估來綜合判斷設施的失效風險,以此進一步區(qū)分不同設施的重要程度,從而確定不同設施的分級運維標準。

3.2 評估方法與分級運維

(1)失效可能性評估

對綠色雨水設施失效可能性的評估重點應包括設施的運行年限、運行效能、設施周邊環(huán)境、失效模式四方面。其中,不同類型的綠色雨水設施應有其對應的設計使用年限,目前國內相關設計要求中并沒有明確的設施設計使用年限要求,在美國部分手冊中提到如生物滯留設施的設計使用年限可以達到20～40年[9],而隨著設施運行年限的增加其運行效能會逐漸衰減,因此,設施的失效可能性與設施的運行年限直接相關。對綠色雨水設施運行效能的評估主要反映了設施當下的運行狀態(tài),如果設施當下運行效能較差,則后續(xù)運行失效的可能性越高,若設施的使用期限以及當下運行效能情況類似,則設施周邊環(huán)境的影響是影響其失效可能性的重要因素,例如,建設在人流與車流密集的城市主城區(qū)的綠色設施,其承接的周邊環(huán)境帶來的垃圾堆放、踩踏以及施工影響等的概率越高,相對失效可能性越高。綠色雨水設施的失效模式主要包括服務水平低、財務效率低(即運維和修復的費用超過設施重建的費用)、完全失效。通過上述對綠色雨水設施運行年限、當前運行性能、周邊環(huán)境影響、失效模式的綜合評估,綜合加權得到設施的失效可能性。表1為失效可能性評估因子賦值與計算示例。

表1 失效可能性評估因子賦值與計算示例Tab.1 Examples of Failure Possibility Evaluation

(2)失效后果評估

綠色雨水設施的失效后果應重點考慮設施失效后對區(qū)域海綿城市建設目標的影響,以及對環(huán)境的影響。例如,兼具雨水徑流流量與水質控制多重功能的區(qū)域性雨水延時調節(jié)塘,如果其多級溢流口堵塞等原因導致設施失效,將直接影響區(qū)域的雨水徑流污染控制與內澇防治,對區(qū)域的環(huán)境乃至公眾安全都會造成影響。對區(qū)域海綿城市建設目標的影響主要反映了設施對區(qū)域水量和水質控制目標的貢獻度,這也直接反映了設施對區(qū)域海綿城市建設的重要程度。設施對區(qū)域目標的貢獻度可重點針對年徑流總量控制率、水環(huán)境質量與內澇防治三方面;對環(huán)境的影響主要應包括對建筑與道路安全的影響、對景觀與公眾生活的影響。通過加權區(qū)域目標貢獻度和環(huán)境影響風險因子綜合得到失效后果評分,可以將設施失效后果分為不同等級。表2為失效后果評估因子賦值與計算示例。

表2 失效后果評估因子賦值與評估結果示例Tab.2 Examples of Failure Consequences Evaluation

(3)基于設施重要性評估的分級運維

不同的設施在運行過程中體現(xiàn)出的失效可能性與失效后果均有區(qū)別,通過對設施失效可能性與失效后果兩部分的綜合評估(綜合評估得分=失效可能性得分×失效后果得分),建立風險矩陣,通過風險評估劃分不同設施的重要性等級。例如將綜合得分≤30的劃分為低風險設施,得分為30～60的為中風險設施,得分為60～80的為高風險設施,得分>80的為極高風險設施。設施的風險等級越高,其對應的運維等級也更高,即設施在運維階段對應的檢視與維護的標準也應更高,在此基礎上進一步制定不同設施的分級運維方案,支撐分級運維工作的開展,合理配置資源。圖5為風險評估矩陣示例。

圖5 風險評估矩陣示例Fig.5 Examples of Risk Assessment Matrix

4 總結

要保障海綿城市綠色雨水設施運維管理工作的有效開展,不僅僅只是考慮設施建成后進入運維期的具體運維工作,而應在設計時就考慮到后期運維的相關技術問題,同時在建設管理的全過程融入運維管理的相關要求,建立綠色雨水設施的運維管理模式。而在進入運維期后,應基于風險管理的理念進一步建立海綿城市綠色雨水設施的風險評估方法,通過對設施的失效可能性評估與失效后果的評估,判斷不同項目與設施的重要程度,進一步建立區(qū)域分級運維的管理體系與標準,科學制定運維管理方案,合理分配運維資源。