基于LID的水生态修复技术在海绵城市建设中的应用-以常德市为例-吴震中

作者简介：吴震中（1981～），男，湖南安乡人，学士，工程师，研究方向为水资源规划与水环境治理。基于LID的水生态修复技术在海绵城市建设中的应用——以常德市为例吴震中（湖南省常德水文水资源勘测局，湖南常德415000）【摘要】LID是海绵城市建设的一种重要技术措施，也是解决城市水问题的有效方法。本文依据常德市海绵城市建设中部分工程实践经验，结合海绵城市建设规划，以基于LID理念的水生态修复技术措施为重点，分析和评估LID技术在常德市海绵城市建设中发挥的作用，探讨支撑我国海绵城市建设的关键技术方法，以期为海绵城市建设规划方法和技术研究提供参考。【关键词】低影响开发海绵城市水生态修复常德市1、前言改革开放以来，我国经历一个经济社会快速发展的时期，城市建设取得了显著成就，城市人口不断增加，截至2013年底，我国城市化率已经提高到53.7%[1]，同时，在城镇化过程中也普遍存在开发强度高、硬质铺装多等问题，导致城市下垫面过度硬化，改变了城市原有自然属性，破坏了生态系统的完整性。以常德市为例，城市开发建设前，在原有自然地形地貌的下垫面条件下，60%～70%的降雨可以通过自然渗透进入包气带，涵养水源和维持生态系统平衡，只有30%～40%的雨水形成径流外排；而城市开发建成后，下垫面的硬化导致70%～80%的降雨直接形成径流，仅有20%～30%的雨水能够入渗到地下，下垫面涵养水源的功能急剧减弱，对城区的生态环境平衡造成了不利的影响，甚至出现了生态退化现象[2]。城市开发建设破坏了自然的“海绵体”，导致“逢大雨必涝，雨后即转旱”，同时也带来了水环境污染、水安全缺乏保障和水文化消弥等一系列问题。为解决城市内涝、水环境污染和水生态退化问题，2004年，常德市政府与德国汉诺威市政府、德国汉诺威水协、荷兰乌特勒支市政府、湖南省原建设厅携手合作，向欧盟申请了《解决亚洲城市可持续发展的问题——常德市城区及穿紫河污水治理个案分析》项目，并于2005年获得欧盟批准;2008年再次合作，共同编制了《水城常德——常德市江北区水敏性城市发展和可持续性水资源利用整体规划》。以此为指导，常德先后聘请德国汉诺威水协、中规院等国内外顶尖规划设计单位，高标准编制了城市给水、排水、防洪、水资源利用、绿化、道路等10多个专业规划，和北部新城、江北、江南、穿紫河、护城河等片区水系和雨水综合利用规划。自2009年以来，常德市城区启动了110多个涉及水系治理、防洪、排水、供水、污水处理、绿地、绿色建筑等项目，预计总投资250亿元。2014年12月，住建部、财政部、水利部联合启动了全国首批海绵城市建设试点城市申报工作，全国有130多个城市参加竞争。经过严格筛选，有34个城市进入初选名单。2015年3月24日，三部门初审确定22个城市派代表到北京参加竞争性答辩会，昀终常德市等16座城市进入“全国首批海绵城市建设试点城市”。2015年12月，为确保顺利推进海绵城市建设，协调各部门统一开展工作，常德市编制了《常德市海绵城市建设总体规划》和《常德市海绵城市建设试点城市实施方案》，作为海绵城市建设指导性文件。在常德市海绵城市总体规划中，其试点建设区为常德市江北城区的核心位置，试点面积为36.1km2，其中老城区为6.6km2，新城区为25.8km2，拟建区为3.7km2。试点区域范围内，主要建设项目有海绵小区、海绵绿地公园、海绵道路广场、水系生态治理、城市排水设施和海绵体监测系统6大类，分3年（2015—2017年）逐步建成。通过海绵城市的项目建设，因地制宜组合渗、蓄、滞、净、用、排等多种技术措施，控制径流总量、提高城市排涝标准，减少面源污染，改善城市水体环境，提高雨洪资源化利用效率，整合新老城区均衡发展，创新海绵城市开发建设的新模式。2、LID的理念解析2.1LID概念LID即低影响开发，昀早于1990年在美国马里兰州由环境资源部提出，用于替换传统的BMPS（BestManagementPractices）理念，是一种创新的雨洪管理方法。LID强调对基址自然水文环境的保护和利用，通过渗透/蒸发/过滤/截留/储存等手段，实现开发后基址水文特征与开发前的昀大程度的还原[3]（图2-1）。LID理念的核心是维持场地开发前后水文特征不变，包括径流总量、峰值流量、峰现时间等。从水文循环角度，要维持径流总量不变，就要采取渗透、储存等方式，实现开发后一定量的径流量不外排；要维持峰值流量不变，就要采取渗透、储存、调节等措施削减峰值、延缓峰值时间。发达国家人口少，一般土地开发强度较低，绿化率较高，在场地源头有充足空间来消纳场地开发后径流的增量（总量和峰值）。我国大多数城市土地开发强度普遍较大，仅在场地采用分散式源头削减措施，难以实现开发前后径流总量和峰值流量等维持基本不变，所以还必须借助于中途、末端等综合措施，来实现开发后水文特征接近于开发前的目标[4]。低影响开发（lowimpactdevelopment，LID）是近年来城市水环境保护和可持续雨洪控制利用的新策略[5]，其核心理念是从源头上通过一系列分散的小型措施进行产流控制，以昀大限度地维持开发前的场地水文功能，实现区域良性水循环[6-8]。经过几十年的发展，LID技术体系已经在发达国家得到了广泛应用，相关理论研究和工程实践已经较为成熟，其中美国、德国和日本是较早开展低影响开发（LID）建设的国家，在大量工程实践过程中，已经取得了较为丰富的实践经验。美国的联邦、州、市县各级政府都大力支持城市LID建设。其中，美国西部的加州、俄勒冈和华盛顿都出台了地方低影响开发的技术规范[9]。美国许多县一级政府同样制定了LID相关的计划，例如美国特拉华州萨塞克斯县（SussexCounty,Delaware）的《精明增长与自然雨水管理计划》、加州圣马特奥县（SanMateoCounty，California）的《绿色街道与停车场计划》、明尼苏达伯恩斯维尔市（Burnsville,Minnesota）的“社区绿色街道”项目等都取得良好的效果[10]。在欧洲，德国柏林的波茨坦广场的雨洪设施是德国雨水利用的典范，在汉诺威市的康斯伯格生态城，其雨水收集系统也是独具特色。在英国，LID系统被应用于城市排水系统，发展成为可持续城市排水系统（sustainableUrbanDrainageSystems）的理论与方法。日本在国内推行雨水贮留渗透计划，在广场、公园、运动场、停车场等利用透水铺装、渗透管、渗透井等进行贮雨渗透，利用建筑物对雨水进行收集利用[11]。2.2LID措施优化技术LID措施指在城市开发建设过程中采用源头消极减、中途转输、末端调蓄等多种手段，通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，实现城市良性水循环，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力，维持或恢复城市的“海绵”功能。主要工程措施有：透水铺装、绿色屋顶、下沉式绿地、生物滞留设施、渗透塘、渗井、湿塘、雨水湿地、蓄水池、雨水罐、调节池、植草沟、渗管、植被缓冲带、初期雨水弃流设施和人工土壤渗滤等。LID措施的主要目的是降低地表产流量、实现年径流控制率目标对应降雨条件下各地块产流量不外排。其目标函数表达式为：minfobj（c1，c2，…，cj，…，cn）（j≤n）(1)式中：fobj为总目标函数，为所有地块c的加权求和或乘积；cj为第j个地块径流系数；n为总地块数。主要约束条件为：Areaj≥Area下沉式绿地，j+Area透水铺装，j+Area绿色屋顶，j+Area其他，jArea下沉式绿地，j≤η绿地.Area绿地,jArea透水铺装，j≤η不透水路面.Area不透水路面,j（2）Area绿色屋顶，j≤η屋顶.Area屋顶,j0.0≤ci≤1.0其他面积约束、成本约束等式中：Area为地块面积（km2）；Area下沉式绿地、Area透水铺装、Area绿色屋顶、Area绿地、Area不透水路面、Area屋顶分别为下沉式绿地、透水铺装、绿色屋顶、绿地、不透水路面和屋顶的面积（km2）。η绿地、η不透水路面和η屋顶分别为绿地、不透水路面和屋顶采用LID措施占总地块面积的阈值。优化目标的求解通常采用计算机优化方法，包括随机优选、遗传算法和粒子群算法等[12]。3、基于LID理念的水生态修复技术研究3.1LID理念在水生态修复中的设计意义经过数十年的发展，LID技术已经在发达国家得到了广泛应用，LID理念的内涵已经逐步由雨洪的工程管理扩展到了场地设计以及城市规划与土地开发的全过程[13]。目前，我国政府决策部门对城市LID雨洪管理也给予了高度重视，已明确要求各地区在城市改造和区域开发过程中要积极推进低影响建设模式。将LID理念纳入滨水绿地体系建设，实现区域内雨水收集、渗透、过滤以及蓄滞，可以有效控制水质污染，降低洪涝灾害风险和维持良性水循环，有利于水岸生态环境的保护和恢复，构建城市水生态安全格局，具有显著的生态效益和社会经济效益。3.2基于LID水生态修复的开发设计目标基于LID水生态修复的设计目标包括区域径流量、峰值径流量、径流频率与历时、水环境四方面的控制目标[14，16]。因此，基于LID水生态修复开发设计目标仅有地域性和针对性，应综合考虑降雨条件、分区特征、空间需求、成本投入等多方面因素，将城市水生态系统和城市排水系统从规划和技术层面加以整合，进而实现城市水生态修复的多元目标，实现开发区域社会、经济、生态效益的整体优化。其设计目标和总体方案如图3-1所示。3.3基于LID水生态修复主要技术途径城市水生态修复系统可实现径流体积消减、污染物控制、峰流量消减、延长汇流时间、雨水集蓄利用和雨水转输排放等多种目标[17]，其实现主要技术途径包括源头控制、传输控制以及终端处理三个阶段[18]。在城市水生态修复LID设计中应基于现状场地条件和空间需求，结合雨洪生态过程不同阶段的设计目标，必选相应的技术措施和方法，从而完善雨水从源头到末端的连续水文过程（表3-1）[8]。（1）源头控制阶段雨水源头控制阶段处于排水系统上游，其主要目标是在雨水进入市政排水管网前采取各种措施，从源头减少面源污染物的排放率和进入排水系统的雨水径流量，并实现雨水控制利用。主要设计途径包括：①利用滨水绿地与城市水体的水地高差，通过地形坡度处理（如缓坡地形、阶梯型生态护岸、下凹绿地）形成薄层漫流，有效减缓汇流速度，并延长径流流程和滞留时间。②昀小化不透水区域面积，并采用渗透性景观铺装，使其转变为功能性LID设施，促进雨水径流下渗。③灌木土壤的平均渗透率要高于草地土壤[19]。增加植被覆盖率，提高低矮灌木的比例以有效维护土壤的渗透率。④对于土壤渗透性能差、硬质比例高的区域可结合场地大小采用渗透井、渗透池、渗透管渠等集中式渗透设施。⑤需要注意的是，初期雨水通常污染物浓度较高[19]，需根据雨水污染程度从源头对初期雨水采取集中式收集弃流、截污或过滤等预处理措施。常见的初期弃流方法包括容积法弃流、小管弃流（水流切换法）等，弃流形式包括自控弃流、渗透弃流、弃流池、雨落管弃流等。（2）传输控制阶段雨水传输控制阶段是指雨水从源头集中传输至排水系统末端或储存段之间的路径，其主要目标是利用调蓄、渗透、滞留等处理措施改变来源区域的地表水文活动，以有效截留、处理雨水径流污染物并短时贮存雨水。主要设计途径包括：①结合人工旱溪或雨水沟渠特色景观营造，利用砂砾、块石、植被等材料增加排水设施表层的粗糙度，从而在雨水传输过程减缓径流速度。②利用场地纵向坡度在排水过程设置堰坝或形成阶梯式排水过程，延长雨水滞留和传输时间。③结合竖向设计与低势绿地将雨水分散汇集处置，实现雨水短时储存和浅层下渗。④采用渗透管渠，在排水过程使得部分雨水自然下渗[13]。（3）终端处理阶段雨水终端储存阶段处于排水系统的末端，其主要目标是在雨水和污染物进入受纳水体或储存设施前进行处理，从而对雨水加以净化、储存或利用。主要设计途径包括：①不可渗区域的地表雨水经过过滤后可传送至雨水塘或人工湿地，实现雨水储存和下渗。②城市水体通常是滨水区滞蓄雨水、排涝的主要通道，结合水系规划保护和恢复河岸植被缓冲带，可促