王浩:海綿城市建設(shè)系統(tǒng)模式和關(guān)鍵技術(shù)
時間:2017-05-15
來源:給水排水
導(dǎo)讀:城市水問題治理的中國智慧是什么?國際水問題治理的經(jīng)驗值得我們借鑒,但是我國城市面臨自身的特殊問題,必須要立足自身實際,提出適合中國城市水問題現(xiàn)狀和特點的城市水問題治理理念,海綿城市的理念正是中國自己提出的、適合中國國情的城市水問題綜合治理理念,是城市水問題治理的中國智慧。
王浩院士從城市水問題治理的國際經(jīng)驗出發(fā),從單一到綜合,美國和歐洲這些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)城市化進(jìn)程要早于我國50年以上,他們出現(xiàn)的城市水問題也比我們早。因此他們提出城市水問題治理的思路和方法也相對較早,有很多有意的經(jīng)驗值得我們借鑒。美國先后提出了最佳管理措施,經(jīng)營開發(fā)理念。英國提出了可持續(xù)城市排水管理理念。澳大利亞提出了水敏感性城市設(shè)計理念。新西蘭提出了低影響城市設(shè)計與開發(fā)理念。新加坡提出ABC計劃這些雨水管理的措施。從國際城市水問題治理和雨洪管理理念發(fā)展歷程來看,走了“重工程”到“重自然”再到“綜合治理”的發(fā)展路子,對中國城市水問題治理有借鑒意義。
咱們面臨的困難和復(fù)雜性特殊性是什么?一方面是氣侯因素,我國是大陸季風(fēng)氣候,同時降雨的施工分布很不均勻。局部強(qiáng)對流天氣比較多,城市化方面正處在高速發(fā)展階段。人類活動的影響劇烈,人口密度大,城市空間不足,用水量排污量較大。另一方面是新老問題雙重疊加,新城的問題,老城的問題,老舊城市改造也相對困難。從理念上說,缺乏城市地下空間開發(fā)的經(jīng)驗,缺乏低影響開發(fā)的設(shè)計理念。管理上也有薄弱環(huán)節(jié),調(diào)控調(diào)度還沒有特別好的建立。
城市水問題治理的中國智慧是什么?國際水問題治理的經(jīng)驗值得我們借鑒,但是我國城市面臨自身的特殊問題,必須要立足自身實際,提出適合中國城市水問題現(xiàn)狀和特點的城市水問題治理理念,海綿城市的理念正是中國自己提出的、適合中國國情的城市水問題綜合治理理念,是城市水問題治理的中國智慧。
我們已經(jīng)提出了海綿城市的理念,吸收了LID等國際理念的經(jīng)驗,并給中國城市水問題治理也有長期的技術(shù)積累,但是中國水問題有一定的復(fù)雜性和特殊性,因此必須充分認(rèn)識海綿城市的多維度、多層次、多學(xué)科的屬性,從城市水問題本身出發(fā),運(yùn)用系統(tǒng)思維,提出海綿城市建設(shè)的基本架構(gòu)和系統(tǒng)模式。
城市水問題的本質(zhì)是城市水循環(huán)的失衡,表現(xiàn)為城市內(nèi)澇、城市水污染和城市缺水等方面的問題,海綿城市建設(shè)就是要通過一系列措施實現(xiàn)城市良性水循環(huán),使水與人類社會相適應(yīng),從這個角度出發(fā),把海綿城市科學(xué)內(nèi)涵概括為“水量上削峰、水質(zhì)要減污、雨水資源要利用”三大方面。從城市水問題本質(zhì)出發(fā),解決城市內(nèi)澇、城市水污染和城市缺水三大問題,通過海綿城市建設(shè)做到小雨不積水,大雨不內(nèi)澇,水體不黑臭,熱導(dǎo)有緩解,形成良性的水循環(huán)。
海綿城市第一個科學(xué)內(nèi)涵,水量上削鋒。城市內(nèi)澇的自然屬性是大量降雨徑流難以排除導(dǎo)致積水。社會屬性是積水對生產(chǎn)和生活產(chǎn)生影響而治災(zāi),因此要減少城市洪澇災(zāi)害影響,核心減少城市的雨洪積水,坦化并延緩洪峰極值,本質(zhì)是要減少由洪水繼續(xù)而對人類帶來的損失。
第二個海綿城市的內(nèi)涵,水質(zhì)上要減污。城市水污染的來源主要大氣干濕沉降,合流制管網(wǎng)溢流,初雨沖刷等面源污染和生活污水,工業(yè)污水等點源污染,我國城市水污染、水生態(tài)惡化現(xiàn)象十分嚴(yán)重。
第三個科學(xué)內(nèi)涵是雨水資源要利用。城市缺水是制約我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要瓶頸,海綿城市改變了過去快速排干的觀念。把雨水視為資源,盡可能把更多的雨水滯留在當(dāng)?shù),補(bǔ)充生態(tài)用水和社會經(jīng)濟(jì)用水。但是要個別注意,對南北方、東西部這些不同的城市,應(yīng)當(dāng)區(qū)別對待,采用不同的雨水利用策略。
根據(jù)三大內(nèi)涵,利用分布式的城市水文模型,對海綿城市主要問題進(jìn)行系統(tǒng)診斷,對各部門存在的問題作出總體估計,為海綿城市的總體設(shè)計提供基本的依據(jù)。工具就是分布式的城市水文模型,做海綿城市的三大診斷,包括內(nèi)澇積水的診斷,產(chǎn)污積污的診斷,雨水控制的診斷。
首先是內(nèi)澇積水的診斷,要建立分布式的城市雨洪模型,進(jìn)行多種情景模擬,分析不同量級暴雨情景下,特別是超標(biāo)準(zhǔn)降雨條件下,城市雨洪積水的分布狀況,分析城市不同區(qū)域的積水深、積水歷時。模擬城市雨洪對城市生產(chǎn)生活的影響,進(jìn)行風(fēng)險評估,提前制定不同量級雨下的城市內(nèi)澇應(yīng)對預(yù)案。這是利用模型做的上海市超標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)澇積水的診斷。這是濟(jì)南市超標(biāo)準(zhǔn)降雨城市內(nèi)澇模擬和積水的診斷。
第二方面的系統(tǒng)診斷,是產(chǎn)污積污的診斷,采用分布式的城市水文模型,進(jìn)行水質(zhì)、水量聯(lián)合模擬,從整體上估計城市水體中污染物的來源。分析不同污染符合的來源,大氣沉量,再加上生活工業(yè)排污點源污染,占總污染復(fù)合的比例。從而為城市水環(huán)境污染的分類失策綜合治理提供定量的認(rèn)識。通過污染物的來源進(jìn)行診斷,對點源和面源污染分別提出針對性的控制策略。通過完善污水管網(wǎng),加快污水處理廠建設(shè)。杜絕污水直接排放等措施,控制點源污染物。通過布置低影響開發(fā)措施,消減面源污染,通過布置人工濕地和河濱緩沖帶。總體上使雨水徑流污染、河流制觀網(wǎng)溢流污染各種形式的污染都得到有效的控制。
第三方面的診斷是雨水控制和利用方面的診斷,雨水控制利用診斷首先要對城市缺水狀態(tài)進(jìn)行識別,分析雨水資源化利用的必要性和需求量。其次采用分布式城市水文模型進(jìn)行長系列城市水文模擬,得到不同年型的城市雨水資源化供水的潛力,最后進(jìn)行不同年型城市蓄水量的預(yù)測,分析雨水資源化、供水量和蓄水量之間的匹配性,包括時間、空間、水量和水質(zhì)等方面的匹配性。
必要的情況下,還要對城市雨水資源進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理性分析和優(yōu)化配制,最終確定城市到底需要多少回用雨水,多少雨水應(yīng)當(dāng)被直接排走。使雨水資源化的利用和需求總體上達(dá)到平衡。也就是從城市缺水需求出發(fā),研究雨水資源化的供水潛力,進(jìn)行供需之間的優(yōu)化匹配,最后達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理。
從海綿城市的三大科學(xué)內(nèi)涵出發(fā),利用分布式城市水文模型對海綿城市三大主要問題進(jìn)行系統(tǒng)診斷,對于海綿城市存在的問題根本的出入是在片區(qū)尺度和城市尺度實現(xiàn)三大耦合平衡。三大耦合平衡是頂層設(shè)計的核心。首先是水量下瀉和分散滯留平衡。第二是污染的產(chǎn)生和削減量平衡,也就是污染物質(zhì)的平衡。第三方面是雨水的控制和再利用之間的平衡。用水平衡,所以從三內(nèi)涵出發(fā)對問題進(jìn)行三診斷。最后在頂層設(shè)計上做到三大平衡。
實現(xiàn)三大耦合平很的核心思想是什么?我們提出一片天對一片地,基本的內(nèi)涵就是當(dāng)?shù)亟涤昃偷叵{,分片平衡,系統(tǒng)耦合。首先對不同地區(qū)不同類型分別診斷問題,然后是立體的分滯,從屋頂?shù)降叵滦钏臻g立體分層蓄滯留,做三大系統(tǒng)的耦合平衡,還要天地協(xié)同,天上的降水和地面的城市管理和城市的需求起到協(xié)同的作用。
在遵循自然產(chǎn)匯流基礎(chǔ)上,按照一片天對一片地的核心思想,利用城市空間對降雨化整為零進(jìn)行收集和儲存。有效利用每一滴水,把城市分成幾百個、上千個排水小區(qū),從天空到地下分為11層,最上頭做生態(tài)屋頂雨水花園,雨水菜園。然后做綠化的建筑立面,在地面有,生態(tài)道路,生態(tài)水池,生態(tài)廣場,生態(tài)公園,強(qiáng)滲透地面,天然挖地滯蓄等等。三層以下有處水立坑還有排水深邃,把城市分成幾百個小排水單元,每一個小單元一片地對一片天。這是一片天對一片地,在一個小區(qū)上實現(xiàn)的立體滯留,實現(xiàn)多層次、多功能的分流、分滯,屋頂花園比如存雨5%,建筑體的綠化5%,土地的蓄滯20%,管網(wǎng)排出30%,深邃的調(diào)蓄10%,這樣把整個雨水做了調(diào)控。
針對場次降雨的尺度做到澇水平衡,內(nèi)澇積水量,河湖調(diào)蓄量和管網(wǎng)排出量等水量之間的平衡。當(dāng)然根據(jù)需要有深邃和立坑的緩沖量。通過提高ILD三類水量,減少甚至消除S類水量,這幾部分的都可以通過前面的系統(tǒng)診斷定量模擬計算得到,調(diào)控通過多種途徑加以實現(xiàn)。
污水平衡,城市多種途徑和類型的污染物產(chǎn)生和積累量與多種途徑的減污和納污量平衡,生活的污染,工業(yè)的污染,沉降,雨水的沖刷。城市那無核凈污容量,達(dá)到污水平衡的目的就是要通過提高GLC、ATC兩種納污容量,使產(chǎn)污量在自然界的積累不超過自然水體的納污能力NC,通過設(shè)置不同量級綠色基礎(chǔ)設(shè)施和人工凈水設(shè)施來調(diào)控整體的平衡。必要的時候還可以通過雙向調(diào)控達(dá)到產(chǎn)污凈污的整體平衡。
第三個平衡是雨水的再利用,回用的平衡。主要針對長系列降雨尺度,指生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)用水量中的缺水量,能夠由雨水資源量滿足的部分,與城市雨水資源化控制量相平衡。對城市水資源和用水進(jìn)行系統(tǒng)評價,再用分布式城市水文模型進(jìn)行診斷。通過長系列模擬診斷得到雨水控制量,并于需求量平衡。這可以通過設(shè)置不同類型的蓄水設(shè)施調(diào)控加以實現(xiàn)。用水平衡特別需要注意,雨水控用量在時間、空間、水量、水質(zhì)四方面的匹配性。
下面是建設(shè)海綿城市三大基本途徑,根據(jù)海綿城市的三大內(nèi)涵,進(jìn)行海綿城市的三大診斷,要解決診斷出的城市水問題,必須要實現(xiàn)海綿城市的三大耦合平衡。同時需要采用三類基本措施,也就是防澇體系控污體系和雨水再利用體系的建設(shè),構(gòu)建點、線、面、體的相互配合欠套的立體海綿體系。這三類措施要在一片天對一片地核心思想的指導(dǎo)下,貫徹和遵循海綿城市滲滯蓄等統(tǒng)籌安排。
要實現(xiàn)澇水平衡,達(dá)到水量上削峰的目的,可以通過增加城市的力面蓄滯量,河湖調(diào)蓄量和管網(wǎng)排出量來實現(xiàn),這可以通過三個方面的措施來實現(xiàn),分別是“源頭控制、過程調(diào)節(jié)和末端排放”,然后控雨洪于源頭,然后馴雨洪于無形,再給雨洪以出路,城市的雨水污水的排水,管網(wǎng)系統(tǒng),綜合管廊系統(tǒng)默默的排放。
防澇體系的源頭控制,也就是海綿城市六字訣的滲和滯,一方面通過各種措施加大下滲量,從源頭上控制雨水的匯集量,源頭控制的關(guān)鍵是建設(shè)一系列點狀、線裝和面狀的海綿體。城市的海綿體既包括河流、湖泊、溝渠這些水系,也包括綠地、花園、可滲透路面這樣城市設(shè)施。海綿體的建設(shè),既有效保護(hù)現(xiàn)有的海綿體,又要全面修復(fù)過去受損的海綿體,包括水系的修復(fù),還有嚴(yán)重污染水體的治理等等。根據(jù)海綿城市建設(shè)的需要,還要構(gòu)建一批新的城市海綿體。大力構(gòu)建城市新海綿體,有點狀的,還有線裝的海綿體,主要是河湖水系的海綿體。
過程調(diào)節(jié)通過綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)節(jié),灰色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)節(jié),城市防洪排澇調(diào)度調(diào)節(jié)各種方式,綜合調(diào)節(jié)雨洪徑流過程,降低雨水、積水治災(zāi)的程度。末端排放方面,通過在新建城區(qū)提高排水管網(wǎng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),在老舊城區(qū)實施排水管網(wǎng)的清淤改造,整體提高城市末端的排水能力,減少地表積水深、積水歷時和淹沒范圍,降低城市致災(zāi)風(fēng)險。
防澇體系建設(shè)末端排放,一方面對暴雨、洪水進(jìn)行調(diào)蓄,減少積水。另一方面可在雨洪過后,實現(xiàn)雨水的資源化再利用。城市水污染控污體系建設(shè),遵循源頭減排、末端治理的總體原則。在源頭上包括城市地面的綠化促滲,污水直排口的節(jié)口改造,分散污染源的治理,加上經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。在污染物伴隨著水流遷移轉(zhuǎn)化的過程中,要完善污水收集系統(tǒng)建設(shè),做河流溢流污染的控制,做人工濕地的凈化,加上突發(fā)性大量暴雨污染徑流的儲存和凈化。在末端排放方面,要做區(qū)域性的暴雨徑流污染控制,控污岸邊帶系統(tǒng)構(gòu)建,再加上分布式的新型的生態(tài)人工污水處理廠。
源頭減排工業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù),阻斷工業(yè)污染源傳播路程。園區(qū)用水的阻斷,包括污水的凈化技術(shù),高效去污的地下生態(tài)化,人工濕地的凈化池技術(shù),微生物生態(tài)修復(fù)技術(shù),雨水利用體系建設(shè)包括推進(jìn)城市雨洪資源化利用,要建設(shè)完備的雨水利用體系,處理好雨水資源和需求利用在時間空間、質(zhì)量水質(zhì)上四方面的匹配性,特別注意分質(zhì)供水,按蓄供水,提高安全。再有相應(yīng)的政策法規(guī)體系,工程設(shè)施體系,運(yùn)維管理體系。
說一下三大途徑和三大平衡的邏輯關(guān)系。防洪防澇體系的建設(shè)源頭控制、過程調(diào)節(jié)、末端排放達(dá)到澇水的平衡。控污體系建設(shè)源頭減排、過程阻斷、末端治理,達(dá)到污染物產(chǎn)生和消減的平衡。雨水利用體系的建設(shè),包括政策法規(guī)體系,工程設(shè)置體系,運(yùn)維管理體系達(dá)到雨水再利用的平衡。海綿城市建設(shè)的系統(tǒng)模式應(yīng)當(dāng)說是一種科學(xué)范式,從水問題本身出發(fā),提出了海綿城市三大科學(xué)內(nèi)涵,三大系統(tǒng)診斷。三大耦合平衡和三大基本途徑,并最終統(tǒng)和于一片天一片地的思想,這個科學(xué)范式貫通了海綿城市全過程和全要素。首次系統(tǒng)的提出了海綿城市建設(shè)的頂層設(shè)計、系統(tǒng)模式,能夠引領(lǐng)海綿城市相關(guān)的研究規(guī)劃和建設(shè)。
海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵就是要在系統(tǒng)模式下通過一系列的工程和非工程措施,實現(xiàn)城市水循環(huán)和半生過程,與城市社會經(jīng)濟(jì)的良性互惠。
海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)有五方面,包括分布式的城市水文模型,用在海綿城市的問題診斷頂層設(shè)計總體規(guī)劃和各種實施效果的評估上。再有多元數(shù)據(jù)融合的降雨預(yù)報技術(shù)。把城市暴雨提前預(yù)報,城市洪澇實時優(yōu)化調(diào)度的過程。
(本文根據(jù)王浩院士在“2017年海綿城市規(guī)劃建設(shè)論壇”發(fā)言整理。)