高密度城区分布式海绵化改造策略

高密度城区分布式海绵化改造策略随着我国城镇化水平的不断提高，高密度城区成为非常普遍的城市特征区域，然而其中由于基底的硬质化现象严重，在暴雨等极端灾害面前暴露出极高的风险性。作者哈尔滨工业大学深圳研究生院副教授、意大利威尼斯建筑大学客座教授郭湘闽，哈尔滨工业大学深圳研究生院硕士研究生危聪宁在《规划师》2016年第5期撰文，文章以高密度城区的海绵化改造为对象，对传统城市规划中习惯采用集中式雨水治理机制的方式进行了反思，指出这种方式容易引发系统性的雨洪抵御风险，导致很多城市在暴雨发生时陷入被动甚至瘫痪状态。通过总结国际上的前瞻性观点，文章提出雨水治理机制应当从集中式转向分布式，将每栋楼宇改造为立体海绵单元、最大限度地维护自然调蓄系统的网络性和弹性、促成雨水收集系统由树状向网络状方向转变等海绵化改造方式。高密度城区的传统雨洪应对策略及存在的问题1.传统雨洪应对策略的集中式特征长期以来，城市规划对于城市自身产生的需求、废弃物或者外来冲击的应对策略主要是采用集中式的路径，其主要采取以下两种方式：(1)采用集中处理的树状结构方式。例如，采用集中建设发电厂的方式来生成日常所需的电量；采用集中建设垃圾填埋场的方式来统一处理日常垃圾；采用集中铺设雨水收集设施的方式来汇集和处理雨水等。这种方式的典型表现形式是构成了一个树状的城市应急体系，由末梢(收集设施，如雨水井)—枝条(初级输送设施，如雨水支管)—主干(高级输送设施，如雨水干管)—根部(处理终端，如污水厂)组成。不难发现，这一体系的重要特征是所有节点之间的内部联系都是单向的，每个节点与上下游节点之间只有一个联系渠道(图1)。(2)倾向于采用人工化改造的方式。例如，在雨水处理中采用人工管网统一收集和输送的方式，因此在许多城市的自然河道改造中，河道沿岸越来越多地被裁弯取直、硬质化，河道内部则被埋设进耗资巨大的排水管道。据统计，20年前全国还有大约5万条河流，但到2012年第一次全国水利普查统计时，其中的2.8万条河流已经不见了。以深圳为例，河道填塞、水面缩减现象就非常突出，河道主干化、渠道化严重，大量湖泊、湿地被填埋占用。1970～2003年，深圳河道数量减少了542条，目前仅剩下300余条城市河流，缩减比例高达62.4%，城市水面率则减少了65.3%。长此以往，自然界原有的雨水调蓄功能将逐渐丧失，城市自然水循环被破坏，人工系统转而成为雨水循环的主要渠道。事实上，以上两种方式具有内在的紧密联系，很多时候是平行实施的。由于受工业时代的影响，城市规划师们直觉地相信社会的效率性是处理城市问题的重要原则。在当时的条件下，集中式树状结构无疑比其他结构更具有规模效应，且更具备高速高效的特征。同时，集中式处理不可能离开人工设备的辅助作用。在收集、输送和控制的各个环节上，自然化方式的效率都被认为是不可能超越人工化方式的。因此，这两种方式的内在结合就成为城市发展历史中的必然选择。2.集中式雨洪应对策略的突出问题实际上，当城市的高密度化程度在飞速演进时，原有的集中式建设机制正在遭遇挑战。可惜的是，截止到目前，城市规划界对于这一现象的反应还不是特别敏锐，高密度城市正面临越来越严峻的雨洪挑战。(1)集中式处理使城市在应对雨洪灾害时始终处于被动状态。在高密度城区中，随着城市建设和人口规模的不断扩大，原先规划好的城市应对配置被一次次突破：发电站需要不断扩容，垃圾填埋场需要不断拓建，雨污处理厂需要不断加建，连河道中原先耗资巨大而铺设下去的管道也迫切地需要不断更新和升级……导致这些情况出现的根源就在于城市规划的集中式处理方式带来的弊端—由于所有的城市需求都不能就地满足，需要集中到某处进行处理，因此当城市不断拓展的时候，就需要不断补充新的集中处理能力。以深圳湾为例，这里与香港遥相对望，一直是深圳市民最为喜爱的观海休闲区域，然而十多年来一直饱受雨污水的困扰。深圳河、大沙河及福田河等多条深圳主干河流均于此汇入海面，而这些河流沿岸多为深圳高密度开发区域，遍布着高层住宅、科技园、工厂区、大学城及软件园等。由各条河流所带来的雨污水造成深圳湾的水质污染等。十多年来虽经媒体多次报道、人大代表和政协委员多次过问、地方领导多次现场视察和指示，这里的污染问题却始终无法根治。究其原因，主要可以归结为三点：①各条河流沿岸一直处于高密度开发状态，沿河的雨污水处理量在直线上升，但硬质化、人工化的基底状态使得雨水无法就地消解，只能集中收集和输送。②雨污水经收集后集中汇集到深圳湾附近，使得这一区域的污水处理压力空前巨大。③集中式点状分布的污水处理厂的规划总是难以跟上高密度开发项目的增长，使其对雨污水的处理总是处于被动跟进状态。污水处理厂在一次次突破处理能力上限后，一次次地提出扩建和加建计划。据权威部门预测，至少在5～10年后当地的雨污水处理能力才能够基本满足污水处理需求。不过，可以预想，届时由高密度开发所引发的新的雨污水处理需求，很可能会继续突破规划处理负荷。(2)局部节点崩溃导致整体树状系统瘫痪的风险凸显。由于城市的高密度开发，留给城市的软性基底面积越来越少，应对暴雨冲击的能力越来越弱，城市雨水处理压力越来越大。树状雨水收集系统由于每个节点与上下游其他节点之间都是单向联系的，一旦某个节点出现问题，就会立刻导致上游系统的瘫痪；同时雨水处理压力将迅速转移到下游系统中，增加下游系统的压力，使风险在整个系统中不断扩散。因此，当树状城市应急系统中的某一个节点因突发状况而出现问题时，整个系统就很容易即刻陷入崩溃状态。这一风险已经突出地表现在我国北京、上海、广州及深圳等特大城市中。当暴雨来临的时候，某个雨水管井的堵塞就会立刻引发局部甚至整体系统的瘫痪，从而使整个城市陷入一片沼泽之中。(3)过度人工化的雨水处理方式丧失了应变的弹性。集中式处理方式的重要举措之一是对城市下界面的硬质化和人工化改造，其最大的缺陷在于应变弹性的丧失。自然柔性表面如地形、植被、草皮和池塘等，能够与深层地下土壤联系成为一个吸纳能力巨大的弹性蓄水体，从而在暴雨发生时自然地根据降雨量来调节集蓄地表水流。自然柔性表面形成了一个自上而下的立体调蓄系统：第一步，高大的树木利用展开的叶片，减缓了雨水的下落速度，缓解了地面的径流压力；第二步，高耸的山丘和低洼的谷地分别对雨水进行导流，使之能够自然地汇流；第三步，地表植物吸收了一部分水分作为自身之用；第四步，池塘、河流和湿地等又分别吸收大部分雨水，并将过剩的雨水通过河道传递出去；第五步，地表以下的土壤通过横向和纵向的连接形成巨大的海绵网络，吸收部分雨水融入到地下水系中。经过这样一个立体系统的层层分流、吸收、过滤和缓释，雨水降落到地面的时间大大延长，最终形成地表径流的概率也大为下降，自然也就不会形成雨洪灾害。可见，自然界的立体调蓄系统具有强大的吸纳能力和弹性。而随着高密度城区的兴建，这个完整的立体调蓄系统几乎被破坏殆尽—树木被水泥楼体所取代，原本高低起伏的地形被一律平整，地表的植物被沥青路面所覆盖，池塘和植被被铲除，河道被填埋或者改变形态，高大建筑的地基、地下停车场以及城市地铁等地下深层构筑物等又将地下的海绵系统彻底破坏。传统的城市化地区所使用的雨水管理方式主要有排水管网、路边的混凝土沟渠等。这种硬质化结构的雨水输送系统对于减缓水流速度、促进渗透、改善水质和补充地下水并没有帮助。暴雨发生时的雨水经由地表和排水管网系统快速汇集到地势较低的地区，使高密度城区发生洪涝灾害的几率相对其他地区更高。此外，高密度城区人口密集，交通繁忙，面源污染严重，暴雨径流挟带的污染物对城市水环境也会造成污染。根据美国环境保护署的测算，在未开发利用土地的自然地表条件下，当降雨发生时，只有10%的雨量会形成地表径流，50%的雨量会形成下渗；而在城市建成区，当地表不透水面积达到75%及以上时，面对同强度降雨，55%的雨量会形成地表径流，只有15%的雨量会形成下渗，地表径流生成量显著增加，雨水自然下渗量显著减少。这些反自然的建设方式意味着抛弃了自然界的弹性调蓄能力，改用一种强硬的姿态来对待降雨现象，最终的后果就是城市必须面对无法遏制的雨洪威胁。因此，当我们认真反思过往经验的时候，会发现被奉行已久的集中式雨洪应对规划理念正被贴上许多我们不愿意见到的标签，其中包括耗资巨大、效率丧失和风险剧增等。所以，对高密度城区的海绵化环境改造策略进行再思考，就需要从展望未来及学习历史这两方面来切入。展望未来是通过了解未来社会发展的趋势，解读高密度城区海绵化改造的方向；学习历史则是通过研究城镇和乡村聚落发展的历史，发现古人在规划设计中体现出的应对降水的高度智慧，以作借鉴。高密度城区海绵化改造的分布式发展趋势1.未来城市发展的分布式趋势了解海绵化改造的趋势，不能脱离对于社会发展趋势的判断。著名的美国社会观察家JeremyRifkin认为，每一次人类社会的重大变迁都与新的通讯技术和能源系统的进步有关。目前，人类社会已经进入到了互联网和可再生能源时代，必将迎来第三次工业革命。与以往工业革命时代依靠集中式能源生产方式(如发电厂)不同，第三次工业革命的标志是“将每一个现存的大楼转变成一个两用的住所—住房和微型发电厂”，每一栋建筑物及基础设施可以通过技术手段的改造，收集和储存包括雨水资源在内的可再生能源，并且“利用互联网技术将每一大洲的电力网转化为能源共享网络”，以实现能源共享。也就是说，第三次工业革命的重要标志在于由原来的集中式生产、储存和利用能源，变成千家万户式的分散型生产、储存和利用能源。而这一切的出现，是基于互联网时代的来临。互联网作为一种生产和组织方式，已经颠覆了传统自上而下、中心式的人类社会组织模式，使能源生产与利用模式变为扁平化。网络时代的合作经济模式，将替代原来城市规划中习以为常的集中式生产模式，成为城市发展的新型组织方式。分布式生产思想的出现，对于雨水资源的收集和再利用具有重要的启发价值。在分布式理念的框架内，未来每一栋楼宇的功能同样将转变为两用功能——既是住宅或者办公楼，又是雨水的收集器和调蓄器。如果每栋楼宇都可以单独形成应对雨水冲击的海绵细胞，那么雨水对于城市的危害将会大为减轻甚至消失。2.海绵城市理论中的分布式思想国际上关于海绵城市的典型理论，如低影响开发和绿色基础设施等，也不约而同地指出了雨水综合管理走向分布式的重要意义。（1）低影响开发理论低影响开发是一种起源于雨水管理的规划设计策略，并逐步发展到场地规划和雨水综合管理等方面。依据AnneGuillette的《基于低影响开发实践的可持续场地设计》与美国马里兰州的《低影响开发设计策略：一个综合设计方法》的表述，低影响开发的总体目标是实现对暴雨所产生的径流和污染的控制，尽可能地维持或恢复场地原有的自然水文特征，缓解或修复开发造成的难以避免的水文扰动。低影响开发通过一系列的设计策略与技术应用，努力模仿土地开发前的自然水文特征，如渗透、过滤、储存、蒸发和蒸腾过程，并且重视利用场地的自然特点，构建一个分布式的、重视自然功用的雨水管理网络。具体到场地规划设计时，低影响开发包含了一些具体的目标：①保持开放的空间和土地干扰的最小化；②保护敏感的自然特征和自然过程；③识别和连接场地中的绿色基础设施；④利用自然特征为场地设计；⑤预防雨洪问题的发生；⑥采用源头分散方式管理雨水。依据THCahill的《低影响开发与可持续雨水管理》与美国洛杉矶的《低影响开发标准手册》中的表述，低影响开发的具体原则有：①将低影响开发尽早介入场地规划设计中；②优先阻止雨水径流产生，无法阻止时需滞留雨水；③优先使用非结构性的雨水管理设施，减少对场地的干扰；④把雨水作为一种资源来对待，发挥其自然和生活功能；⑤模仿自然水循环；⑥将雨水管理设施广泛设置在靠近雨水径流的源头；⑦保存的自然资源可以作为绿色基础设施与雨水系统结合；⑧创造多功能景观，增加低影响开发的多样化收益；⑨在各类项目中广泛地应用低影响开发；⑩在规划选址和选择设施时优先考虑后期维护。（2）绿色基础设施理念如今绿色基础设施理念的发展也非常迅速。马克·A·贝内迪克特与爱德华·T·麦克马洪在《绿色基础设施：连接景观与社区》中将其定义为自然区