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王浩院士:海绵城市建设系统模式和关键技术
更新时间:2017-05-25 来源:给水排水 作者:王浩

  王浩院士从城市水问题治理的国际经验出发,从单一到综合,美国和欧洲这些发达国家和地区城市化进程要早于我国50年以上,他们出现的城市水问题也比我们早。因此他们提出城市水问题治理的思路和方法也相对较早,有很多有意的经验值得我们借鉴。美国先后提出了最佳管理措施,经营开发理念。英国提出了可持续城市排水管理理念。澳大利亚提出了水敏感性城市设计理念。新西兰提出了低影响城市设计与开发理念。新加坡提出ABC计划这些雨水管理的措施。从国际城市水问题治理和雨洪管理理念发展历程来看,走了“重工程”到“重自然”再到“综合治理”的发展路子,对中国城市水问题治理有借鉴意义。

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  咱们面临的困难和复杂性特殊性是什么?一方面是气侯因素,我国是大陆季风气候,同时降雨的施工分布很不均匀。局部强对流天气比较多,城市化方面正处在高速发展阶段。人类活动的影响剧烈,人口密度大,城市空间不足,用水量排污量较大。另一方面是新老问题双重叠加,新城的问题,老城的问题,老旧城市改造也相对困难。从理念上说,缺乏城市地下空间开发的经验,缺乏低影响开发的设计理念。管理上也有薄弱环节,调控调度还没有特别好的建立。

  城市水问题治理的中国智慧是什么?国际水问题治理的经验值得我们借鉴,但是我国城市面临自身的特殊问题,必须要立足自身实际,提出适合中国城市水问题现状和特点的城市水问题治理理念,海绵城市的理念正是中国自己提出的、适合中国国情的城市水问题综合治理理念,是城市水问题治理的中国智慧。

  我们已经提出了海绵城市的理念,吸收了LID等国际理念的经验,并给中国城市水问题治理也有长期的技术积累,但是中国水问题有一定的复杂性和特殊性,因此必须充分认识海绵城市的多维度、多层次、多学科的属性,从城市水问题本身出发,运用系统思维,提出海绵城市建设的基本架构和系统模式。

  城市水问题的本质是城市水循环的失衡,表现为城市内涝、城市水污染和城市缺水等方面的问题,海绵城市建设就是要通过一系列措施实现城市良性水循环,使水与人类社会相适应,从这个角度出发,把海绵城市科学内涵概括为“水量上削峰、水质要减污、雨水资源要利用”三大方面。从城市水问题本质出发,解决城市内涝、城市水污染和城市缺水三大问题,通过海绵城市建设做到小雨不积水,大雨不内涝,水体不黑臭,热导有缓解,形成良性的水循环。

  海绵城市第一个科学内涵,水量上削锋。城市内涝的自然属性是大量降雨径流难以排除导致积水。社会属性是积水对生产和生活产生影响而治灾,因此要减少城市洪涝灾害影响,核心减少城市的雨洪积水,坦化并延缓洪峰极值,本质是要减少由洪水继续而对人类带来的损失。

  第二个海绵城市的内涵,水质上要减污。城市水污染的来源主要大气干湿沉降,合流制管网溢流,初雨冲刷等面源污染和生活污水,工业污水等点源污染,我国城市水污染、水生态恶化现象十分严重。

  第三个科学内涵是雨水资源要利用。城市缺水是制约我国经济社会发展的重要瓶颈,海绵城市改变了过去快速排干的观念。把雨水视为资源,尽可能把更多的雨水滞留在当地,补充生态用水和社会经济用水。但是要个别注意,对南北方、东西部这些不同的城市,应当区别对待,采用不同的雨水利用策略。

  根据三大内涵,利用分布式的城市水文模型,对海绵城市主要问题进行系统诊断,对各部门存在的问题作出总体估计,为海绵城市的总体设计提供基本的依据。工具就是分布式的城市水文模型,做海绵城市的三大诊断,包括内涝积水的诊断,产污积污的诊断,雨水控制的诊断。

  首先是内涝积水的诊断,要建立分布式的城市雨洪模型,进行多种情景模拟,分析不同量级暴雨情景下,特别是超标准降雨条件下,城市雨洪积水的分布状况,分析城市不同区域的积水深、积水历时。模拟城市雨洪对城市生产生活的影响,进行风险评估,提前制定不同量级雨下的城市内涝应对预案。这是利用模型做的上海市超标准和内涝积水的诊断。这是济南市超标准降雨城市内涝模拟和积水的诊断。

  第二方面的系统诊断,是产污积污的诊断,采用分布式的城市水文模型,进行水质、水量联合模拟,从整体上估计城市水体中污染物的来源。分析不同污染符合的来源,大气沉量,再加上生活工业排污点源污染,占总污染复合的比例。从而为城市水环境污染的分类失策综合治理提供定量的认识。通过污染物的来源进行诊断,对点源和面源污染分别提出针对性的控制策略。通过完善污水管网,加快污水处理厂建设。杜绝污水直接排放等措施,控制点源污染物。通过布置低影响开发措施,消减面源污染,通过布置人工湿地和河滨缓冲带。总体上使雨水径流污染、河流制观网溢流污染各种形式的污染都得到有效的控制。

  第三方面的诊断是雨水控制和利用方面的诊断,雨水控制利用诊断首先要对城市缺水状态进行识别,分析雨水资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进行长系列城市水文模拟,得到不同年型的城市雨水资源化供水的潜力,最后进行不同年型城市蓄水量的预测,分析雨水资源化、供水量和蓄水量之间的匹配性,包括时间、空间、水量和水质等方面的匹配性。

  必要的情况下,还要对城市雨水资源进行经济合理性分析和优化配制,最终确定城市到底需要多少回用雨水,多少雨水应当被直接排走。使雨水资源化的利用和需求总体上达到平衡。也就是从城市缺水需求出发,研究雨水资源化的供水潜力,进行供需之间的优化匹配,最后达到经济合理。

  从海绵城市的三大科学内涵出发,利用分布式城市水文模型对海绵城市三大主要问题进行系统诊断,对于海绵城市存在的问题根本的出入是在片区尺度和城市尺度实现三大耦合平衡。三大耦合平衡是顶层设计的核心。首先是水量下泻和分散滞留平衡。第二是污染的产生和削减量平衡,也就是污染物质的平衡。第三方面是雨水的控制和再利用之间的平衡。用水平衡,所以从三内涵出发对问题进行三诊断。最后在顶层设计上做到三大平衡。

  实现三大耦合平很的核心思想是什么?我们提出一片天对一片地,基本的内涵就是当地降雨就地消纳,分片平衡,系统耦合。首先对不同地区不同类型分别诊断问题,然后是立体的分滞,从屋顶到地下蓄水空间立体分层蓄滞留,做三大系统的耦合平衡,还要天地协同,天上的降水和地面的城市管理和城市的需求起到协同的作用。

  在遵循自然产汇流基础上,按照一片天对一片地的核心思想,利用城市空间对降雨化整为零进行收集和储存。有效利用每一滴水,把城市分成几百个、上千个排水小区,从天空到地下分为11层,最上头做生态屋顶雨水花园,雨水菜园。然后做绿化的建筑立面,在地面有,生态道路,生态水池,生态广场,生态公园,强渗透地面,天然挖地滞蓄等等。三层以下有处水立坑还有排水深邃,把城市分成几百个小排水单元,每一个小单元一片地对一片天。这是一片天对一片地,在一个小区上实现的立体滞留,实现多层次、多功能的分流、分滞,屋顶花园比如存雨5%,建筑体的绿化5%,土地的蓄滞20%,管网排出30%,深邃的调蓄10%,这样把整个雨水做了调控。

  针对场次降雨的尺度做到涝水平衡,内涝积水量,河湖调蓄量和管网排出量等水量之间的平衡。当然根据需要有深邃和立坑的缓冲量。通过提高ILD三类水量,减少甚至消除S类水量,这几部分的都可以通过前面的系统诊断定量模拟计算得到,调控通过多种途径加以实现。

  污水平衡,城市多种途径和类型的污染物产生和积累量与多种途径的减污和纳污量平衡,生活的污染,工业的污染,沉降,雨水的冲刷。城市那无核净污容量,达到污水平衡的目的就是要通过提高GLC、ATC两种纳污容量,使产污量在自然界的积累不超过自然水体的纳污能力NC,通过设置不同量级绿色基础设施和人工净水设施来调控整体的平衡。必要的时候还可以通过双向调控达到产污净污的整体平衡。

  第三个平衡是雨水的再利用,回用的平衡。主要针对长系列降雨尺度,指生态环境和经济用水量中的缺水量,能够由雨水资源量满足的部分,与城市雨水资源化控制量相平衡。对城市水资源和用水进行系统评价,再用分布式城市水文模型进行诊断。通过长系列模拟诊断得到雨水控制量,并于需求量平衡。这可以通过设置不同类型的蓄水设施调控加以实现。用水平衡特别需要注意,雨水控用量在时间、空间、水量、水质四方面的匹配性。

  下面是建设海绵城市三大基本途径,根据海绵城市的三大内涵,进行海绵城市的三大诊断,要解决诊断出的城市水问题,必须要实现海绵城市的三大耦合平衡。同时需要采用三类基本措施,也就是防涝体系控污体系和雨水再利用体系的建设,构建点、线、面、体的相互配合欠套的立体海绵体系。这三类措施要在一片天对一片地核心思想的指导下,贯彻和遵循海绵城市渗滞蓄等统筹安排。

  要实现涝水平衡,达到水量上削峰的目的,可以通过增加城市的力面蓄滞量,河湖调蓄量和管网排出量来实现,这可以通过三个方面的措施来实现,分别是“源头控制、过程调节和末端排放”,然后控雨洪于源头,然后驯雨洪于无形,再给雨洪以出路,城市的雨水污水的排水,管网系统,综合管廊系统默默的排放。

  防涝体系的源头控制,也就是海绵城市六字诀的渗和滞,一方面通过各种措施加大下渗量,从源头上控制雨水的汇集量,源头控制的关键是建设一系列点状、线装和面状的海绵体。城市的海绵体既包括河流、湖泊、沟渠这些水系,也包括绿地、花园、可渗透路面这样城市设施。海绵体的建设,既有效保护现有的海绵体,又要全面修复过去受损的海绵体,包括水系的修复,还有严重污染水体的治理等等。根据海绵城市建设的需要,还要构建一批新的城市海绵体。大力构建城市新海绵体,有点状的,还有线装的海绵体,主要是河湖水系的海绵体。

  过程调节通过绿色基础设施的调节,灰色基础设施的调节,城市防洪排涝调度调节各种方式,综合调节雨洪径流过程,降低雨水、积水治灾的程度。末端排放方面,通过在新建城区提高排水管网的设计标准,在老旧城区实施排水管网的清淤改造,整体提高城市末端的排水能力,减少地表积水深、积水历时和淹没范围,降低城市致灾风险。

  防涝体系建设末端排放,一方面对暴雨、洪水进行调蓄,减少积水。另一方面可在雨洪过后,实现雨水的资源化再利用。城市水污染控污体系建设,遵循源头减排、末端治理的总体原则。在源头上包括城市地面的绿化促渗,污水直排口的节口改造,分散污染源的治理,加上经济结构的调整。在污染物伴随着水流迁移转化的过程中,要完善污水收集系统建设,做河流溢流污染的控制,做人工湿地的净化,加上突发性大量暴雨污染径流的储存和净化。在末端排放方面,要做区域性的暴雨径流污染控制,控污岸边带系统构建,再加上分布式的新型的生态人工污水处理厂。

  源头减排工业清洁生产技术,阻断工业污染源传播路程。园区用水的阻断,包括污水的净化技术,高效去污的地下生态化,人工湿地的净化池技术,微生物生态修复技术,雨水利用体系建设包括推进城市雨洪资源化利用,要建设完备的雨水利用体系,处理好雨水资源和需求利用在时间空间、质量水质上四方面的匹配性,特别注意分质供水,按蓄供水,提高安全。再有相应的政策法规体系,工程设施体系,运维管理体系。

  说一下三大途径和三大平衡的逻辑关系。防洪防涝体系的建设源头控制、过程调节、末端排放达到涝水的平衡。控污体系建设源头减排、过程阻断、末端治理,达到污染物产生和消减的平衡。雨水利用体系的建设,包括政策法规体系,工程设置体系,运维管理体系达到雨水再利用的平衡。海绵城市建设的系统模式应当说是一种科学范式,从水问题本身出发,提出了海绵城市三大科学内涵,三大系统诊断。三大耦合平衡和三大基本途径,并最终统和于一片天一片地的思想,这个科学范式贯通了海绵城市全过程和全要素。首次系统的提出了海绵城市建设的顶层设计、系统模式,能够引领海绵城市相关的研究规划和建设。

  海绵城市建设的关键就是要在系统模式下通过一系列的工程和非工程措施,实现城市水循环和半生过程,与城市社会经济的良性互惠。

  海绵城市建设的关键技术关键技术有五方面,包括分布式的城市水文模型,用在海绵城市的问题诊断顶层设计总体规划和各种实施效果的评估上。再有多元数据融合的降雨预报技术。把城市暴雨提前预报,城市洪涝实时优化调度的过程。

(本文根据王浩院士在“2017年海绵城市规划建设论坛”发言整理。)

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