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    海绵城市理论与技术发展沿革及构建途径

    关键词:风景园林;海绵城市;低影响开发;绿色基础设施

    Key words:landscape architecture; sponge city; low impact development; green infrastructure

    摘要:为实现中国生态文明的发展及生态城市的建设,海绵城市技术的应用是我国城市自然式雨洪管控的核心手段。首先对国外发达国家的雨洪管理和技术应用进行了论述,然后,对海绵城市及其相关理论(最佳管理措施、低影响开发和绿色基础设施)进行了辨识,在此基础上对海绵城市建设的目标、内容和途径进行了系统的分析,并借鉴国外的实践案例,结合我国城市建设的特点,提出了适于我国海绵城市建设的发展策略,以指导我国海绵城市的建设,推动生态文明的发展。

    Abstract:In order to promote the development of ecological civilization and the construction of the ecological city, the techniques of sponge city were used as the critical approaches for natural rainwater management. Firstly, the theories and methods of rainwater management in developed countries were discussed. By means of the identification of related theories, as BMPs, LID and Green Infrastructure, the aims, contents and approaches of sponge city construction were analyzed. Referring the practices in the developed countries, as well as the characteristics of the Chinese cities, the constructive approaches were proposed to provide theoretical foundation for sponge city construction and promote the development of ecological civilization.

    内容:1  海绵城市建设的背景
    城市雨洪灾害和水污染管理是制约我国城市生态发展的核心问题之一[1],其产生原因是城市地表不透水面积比例的急剧增大、雨水下渗量减少、地表径流增加及市政排水系统的负荷的加重[2-3]。此外,初期雨水中的污染物直接排入水体,使受纳水体的水质受到了极大的威胁[4-5]。为此,结合国内外在城市雨洪管理等方面取得的理论成果及实践经验,以自然积存、自然渗透、自然净化为目标的“海绵城市”理论得以应用和发展,以融合城市雨洪调蓄渗技术、城市规划和风景园林设计。相比美国、德国、日本等发达国家的城市雨洪管理系统建设,中国在“海绵城市”的研究及实践方面起步相对较晚,因此借鉴国外成熟的实践案例,结合我国的国情、气候、地理等因素的差异,研究我国“海绵城市”理论的内容目标、技术方法、构建途径及实施策略,对我国海绵城市的构建具有积极的现实意义。

    2  海绵城市概念及相关理论辨识
    “海绵城市”的理论基础是最佳管理措施(BMPs)、低影响开发(LID)和绿色基础设施(GI)。20世纪70年代,美国提出了“最佳管理措施”(BMPs)[6],最初主要用于控制城市和农村的面源污染,而后逐渐发展成为控制降雨径流水量和水质的生态可持续的综合性措施[7]。在BMPs的基础上,20世纪90年代末期,由美国东部马里兰州的乔治王子县(Prince George’s County)和西北地区的西雅图(Seattle)、波特兰市(Portland)共同提出了“低影响开发”的理念。其初始原理是通过分散的、小规模的源头控制机制和设计技术,来达到对暴雨所产生的径流和污染的控制,减少开发行为活动对场地水文状况的冲击,是一种发展中的、以生态系统为基础的、从径流源头开始的暴雨管理方法[8]。1999年,美国可持续发展委员会提出绿色基础设施理念,即空间上由网络中心、连接廊道和小型场地组成的天然与人工化绿色空间网络系统,通过模仿自然的进程来蓄积、延滞、渗透、蒸腾并重新利用雨水径流,削减城市灰色基础设施的负荷[9]。上述3种理念在雨洪管理领域既存在差异也有部分交叉,均为构建“海绵城市”提供了战略指导和技术支撑。
    2012年4月,在《2012低碳城市与区域发展科技论坛》中,“海绵城市”的概念首次提出;2013年12月12日,习近平总书记在《中央城镇化工作会议》的讲话中强调:“提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来,优先考虑更多利用自然力量排水,建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市”。而《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》(建城函[2014]275号)以及仇保兴[10]发表的《海绵城市(LID)的内涵、途径与展望》则对“海绵城市”的概念给出了明确的定义,即城市能够像海绵一样,在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。提升城市生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生。
    总体来说,海绵城市的建设主要包括3方面内容:1)保护原有生态系统;2)恢复和修复受破坏的水体及其他自然环境;3)运用低影响开发措施建设城市生态环境[10]。海绵城市技术基础设施除了自然河流、湖泊、林地等外,城市绿地应当受到高度重视。在满足绿地功能的前提下,通过研究适宜绿地的低影响开发控制目标和指标、规模与布局方式、与周边汇水区有效衔接模式、植物及优化管理技术等,可以显著提高城市绿地对雨水管控能力。

    3  国内外海绵城市发展现状
    3.1  国外海绵城市发展现状
    近20年来,英、美、澳、德、日等国家针对城市化过程中所产生的内涝频发、径流污染加剧、水资源流失、水生态环境恶化等突出问题,分别形成了效仿自然排水方式的城市雨洪可持续发展的管理体系,相应的措施和技术也得到了长足发展和实践应用[11-13]。例如,英国建立了“可持续城市排水系统”(SUDS)[14],以通过科学途径管理降雨径流,实现良性的城市水循环。澳大利亚则以城市水循环为核心,建立了“水敏感性城市设计”(WSUD)体系[15]。同时,新西兰也在LID和WSUD的理念背景下,整合、发展、建立了“低影响城市设计与开发”(LIUDD)体系[16]。此外,德国、美国、日本等国家对雨水管控方法的探索更早,法律法规相对完善,实践效果显著(表1)。
    3.2  国内海绵城市研究现状
    我国城市雨水控制技术起步于20世纪80年代,初期主要集中在雨水利用,近年来雨水控制技术重心逐渐转向雨洪调控及污染控制。《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》(国发〔2013〕36号)中明确提出应建设下沉式绿地及城市湿地公园,提升城市绿地汇聚雨水、蓄洪排涝、补充地下水、净化生态等功能。较发达城市区域率先做出了一些探索,例如,深圳市光明新区、北京市顺义某住宅小区、上海市世博会区等开展了城市区低影响开发雨水系统建设项目等。但是目前关于城市海绵城市技术的实践主要通过湿地、潜流湿地等手段进行局部雨水收集和水体净化,缺乏明确的整体规划和系统性设计。住房和城乡建设部于2014年发布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》,从目标、指标、过程、手段、管理方面系统性给出建设指南,将为我国海绵城市构建起到指引作用。其后,财政部陆续发出“关于开展中央财政支持海绵城市建设试点的通知”财建(2014)838号、“关于组织申报2015年海绵城市建设试点城市的通知”财办建[2015]4号,将切实推动了我国海绵城市构建的进程。

    4  海绵城市构建途径与技术
    4.1  水生态系统功能主体保护与修复
    4.1.1  识别水资源保护生态斑块
    在宏观尺度上,科学合理地划定城市水资源保护生态斑块,主要包括河流、湖泊、湿地及水源涵养区,也包括农田及原野[13]。对已划定的水资源保护生态斑块应严加识别和保护。
    4.1.2  保护水系网络及生态系统
    制定与河道管理相关法律、法规相配套的城市河道管理条例或实施办法,建立、健全河道治理、岸线利用与保护相结合的机制。河道蓝线管理范围内的土地划定为规划保留区,严格实行新上项目报审制度,确需建设项目应当按照基本建设程序报请水利、规划等部门批准。在蓝线范围内,不符合岸线控制利用和保护管理规划的一切行为都应依法查处。不符合蓝线规划要求,影响防洪抢险、除涝排水、引洪畅通、水环境保护及河道景观效果的建筑物、构筑物及其他设施应当限期整改或者予以拆除。
    4.1.3  修复已破坏的水生态斑块及网络
    对于绿地、森林等雨水调控功能性强的斑块、水体面积和体积及水质予以修复,其主要途径是通过生态红线、绿线划定、截污、底泥疏浚,构建人工湿地、生态驳岸等技术手段,将被破坏的水环境逐步恢复。
    4.2  源头管理与控制技术(区域低影响开发)
    根据城市降雨过程,区域低影响开发技术主要分为截留技术、促渗技术和调蓄技术3种。其中,截留技术是通过材料或者结构,将降雨过程中雨水形成径流的速度减缓,通过增加雨水汇集的面积来达到延缓径流目的的技术,如绿色屋顶及植物群落冠层截留等;地表促渗技术是改变地面材料或结构能够让雨水透过自身的空隙或结构,下渗至场地内部,同时材料或是结构具有一定的过滤净化作用,如包括透水铺装和绿色停车场等;调蓄技术能储存一定量的雨水径流,并对其进行净化,当设施内的雨水达到饱和时,通过溢流口排入市政雨水管网,而干旱时可向周边绿地提供水资源,如生态沟、雨水花园、调蓄池、人工湿地等(表2)。
    4.2.1  截留技术要点及功能
    1)绿色屋顶。
    绿色屋顶结构通常分植被层、种植土层、蓄排水层,根据植物种植密度及种类可以分为拓展型和密集型两大类,可蓄积约50%~80%的雨水资源[25]。
    2)冠层截留。
    上海交通大学[26]对上海市156个植物群落中植物滞留能力研究发现植物截留主要分树冠、枝干及其土壤,其对雨水的截留能力分别约为9%~12%、2%及40%。研究表明针叶植物冠层截留能力比阔叶植物高3%左右(图1)。
    4.2.2  促渗技术
    1)透水铺装。
    透水铺装主要结构,可以分为可渗透层、过滤层、排水层等(图2),研究表明,透水铺装径流削减能力为40%~90%,比无收集措施时提高约10%,洪峰削减能力在20%~80%[9]。
    2)绿色停车场。
    绿色停车场能够汇集自机动车的零件磨损产生的重金属、汽车排放物以及周边径汇集所产生的污染,进行初期处理减少面源污染,过程如图2所示。
    3)绿色街道。
    绿色街道整合了透水铺装的使用、生态沟的使用以及植物的种植等设施,保护地表和地下水资源、降低污染,减少雨水的外排。
    4.2.3  调蓄技术
    1)生态沟。
    生态沟从上至下依次为植被层、种植土层、过滤层、渗排水管以及砾石层。上海交通大学对适宜于上海地区停车场(图3)、广场、道路的生态植草沟结构及其对径流量、污染量控制能力进行了研究,设计了10种运用模式,结构层总厚度在60cm左右为宜,根据功能需求设计不同种植土、砌块砖、砾石层厚度10~30cm不等,大雨、暴雨情况下分别可削减径流22%~35%和11%~29%,削减总悬浮物(TSS)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、总磷(TP)的量可达到55%~95%[27]。
    2)雨水花园。
    雨水花园由蓄水层、种植层、过滤层、排水层构成(图4)。上海交通大学同样研究了适宜于上海地区雨水花园的结构及功能,提出3种不同功能需求的雨水花园模式,结构层总厚度在50~80cm为宜,可削减径流20%~40%,削减化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)等污染物的量约为45%~70%[28]。
    3)多功能调蓄池。
    多功能雨水调蓄是雨水调节和雨水储存的总称。主要目的是为了满足雨水利用的要求而设置的雨水暂存空间,待暴雨过后将其中的雨水加以净化,可作为景观用水等。

    5  海绵城市构建途径与技术的应用
    5.1  美国波特兰雨洪管理系统
    美国俄勒冈州的波特兰市政府通过划定城市增长边界来限制城市的无限扩张,并通过法律的手段对城市生态敏感区域进行保护,限制了建设区域的低密度蔓延。同时,从区域、街道、邻里等不同尺度上对城市雨洪管理系统进行规划设计,形成了一套完整的雨洪管控体系。尤其在城市改造的过程中,运用了大量低影响开发技术,如在建筑中设计绿色屋顶和落雨管雨水收集等设施,在邻里之间布置大量雨水花园、多功能蓄渗池和小型人工湿地,在道路旁设置生态植草沟及绿色停车场等,而街道则以可渗透铺装和绿色街道为主(图5)。波特兰雨洪管理系统应用了前期的截留技术、中期的促渗技术以及后期的调蓄技术,形成了完整的绿色基础设施系统。经计算,该雨洪管控系统可以有效抵御25年一遇(24h)的暴雨,表面渗透系统可以抵御10年一遇(24h)的暴雨。同时,系统的低影响开发技术可以滞纳、净化并蓄渗区域内90%的地表径流和其中70%的悬浮固体,在极大地回补了地下水的同时,净化了排入河流的雨水径流,减轻河流的排水和净化压力。
    5.2  德国沙恩豪斯社区雨洪管理系统
    沙恩豪斯社区(Scharnhauser Park)位于斯图加特附近的奥斯菲尔敦(Ostfildern),占地面积约150hm2,人口约9 000,处于大西洋和东部大陆性气候之间的凉爽西风带,降雨偏少,属于较干旱的地区,且地形北高南低。该社区建设所采用的生态设计模式获得2006年德国城市发展奖。在其规划、设计和建造过程中运用了大量的节能建筑、可再生能源、雨洪管理、开放空间多功能利用等低影响开发技术。其中,雨洪管控系统分为3个等级,建筑屋面、道路的雨水径流首先进入一级组团生态设施,包括生态沟、雨水花园;各个组团间的雨水通过大型生态沟进入二级处理设施多功能蓄渗池、小型景观湿地,最终再进入三级中型湖泊湿地。通过系统的规划设计,沙恩豪斯居住区的雨水收集、净化、入渗、利用率达到了95%,大大缓解了城市的排水设施压力,同时也回补了地下水(图6)。

    6  结论与讨论:我国海绵城市建设发展的思考
    为了更好地推进我国的海绵城市建设,基于雨水管理法律法规不够完善、管理制度不健全、市场激励机制缺乏、技术力量薄弱以及公众意识薄弱等现状,提出以下建议。
    首先,建立健全的雨水管理法律法规体系。将低影响开发理念融入规范性文件,确定在推进海绵城市建设过程中以雨洪管控、削减污染为主要目标,在相关法律法规等规范性文件中增加关于雨水管理控制目标、鼓励或惩罚性规定。
    其次,加强技术研发与推广。研究适宜不同气候条件、城乡梯度和功能类型的场地中的雨水低影响开发的技术体系和模式,并出台各地区海绵城市建设技术导则与评价体系。开展具有示范效应的试点工程。通过电视台、网站和报纸等媒体及时宣传海绵城市建设工作动态和成果。
    最后,加强多方力量协同合作,寻求政府、科研、市场、群众等多方力量共同建设海绵城市的途径。海绵城市建设涉及多个部门,建议确定牵头部门并形成联动工作机制,成立由生态学专家、水文学专家、风景园林师等组成的专家团队,协助相关部门开展工作,鼓励引导企业主、普通群众参与海绵城市建设。


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    (编辑/李旻)