城市水生态修复——海绵城市

城市水生态修复——海绵城市1背景城市是人口聚集度高、社会经济高度发达的地方，也是资源环境承载力矛盾最为突出的地方。改革开放后，我国城镇化快速发展，目前全国城镇建设用地不足国土面积的1%，却承载了54%的人口，产出了84%的GDP。快速城镇化建设过程中，由于城市开发强度过高，大量的硬质铺装，改变了原有的自然生态本底和水文特征。以我国北方为例，城市开发建设前，在自然地势地貌的下垫面条件下，70%~80%的降雨可以通过自然滞渗进入地下，涵养了本地的水源和生态，只有20%-30%的雨水形成径流外排(见图1a)；而城市开发建设后，由于屋面、道路、地面等设施建设导致的下垫面硬化，70%~80%的降雨形成径流，仅有20%~30%的雨水能够入渗地下（见图1b），破坏了自然生态本底，呈现了相反的水文特征，破坏了自然“海绵体”，导致“逢雨必涝、雨后即旱”，也带来了水生态恶化、水资源紧缺、水环境污染、水安全缺乏保障等一系列问题。a开发建设前b开发建设后图1城市开发前后径流变化情况（以我国北方为例）针对当前这种状况，习近平总书记在2013年中央城镇化工作会议、2014年考察京津冀协同发展座谈会、中央财经领导小组第5次会议等场合，多次强调在城市规划建设中要体现“山水林田湖”生命共同体的系统理念，建设“自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”。海绵城市建设，就是针对城市地下水涵养、雨洪资源利用、雨水径流污染控制、排水能力提升与内涝风险防控等问题，从“源头减排、过程控制、系统治理”着手，通过城市规划、建设的管控，综合采用“渗、滞、蓄、净、用、排”等工程技术措施，控制城市雨水径流，实现低影响城市开发建设（LID），最大限度地减少由于城市开发建设行为对原有自然水文特征和水生态环境造成的破坏，将城市建设成“自然积存、自然渗透、自然净化”的“海绵体”，使城市能够像海绵一样，适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，丰水期吸水、蓄水、渗水、净水，枯水期将蓄存的水“缓释”并加以利用，从而实现“修复城市水生态、涵养城市水资源、改善城市水环境、提高城市水安全、复兴城市水文化”的多重目标。2海绵城市建设原理住建部积极贯彻落实习近平总书记的要求，在国家重大科技专项“水专项”课题研究成果的基础上，总结国内外实践，于2014年10月编制印发了《海绵城市建设技术指南》（以下简称《指南》），指导各地开展海绵城市建设工作，即建设“海绵体”。海绵城市建设本质是通过降低雨水的产汇流，恢复城市原始的水文生态特征，使其地表径流尽可能达到开发前自然状态（见图1a）,即建设“海绵体”。径流系数是表征水文特征的重要参数，是自然状态下地表径流量与总降雨量的比值，与自然地理气候状况有直接关系。依据多年水文气象资料，我国降雨-径流分布规律可划分为5个区（如表1和图2所示），大致反映了各个区域的自然水文生态特征。表一降雨与径流分区情况年降雨量/mm降水特征径流特征径流系数1600多雨丰水0.5800~1600湿润多水0.3~0.5400~800半湿润过渡0.1~0.3200~400半干旱少水0.1200干旱干涸图2降雨——径流分带图海绵城市建设的目的是要恢复自然水文生态特征，其实质是恢复原始径流状况。在自然状态下，一般而言，大到暴雨时（小概率降雨事件）易形成地表径流；而在中小降雨时（大概率降雨事件）较少形成大量的地表径流，主要入渗地下。因此，海绵城市建设就是要控制中小降雨的径流，将雨水留在原位，以期达到生态修复的目的。鉴于径流系数指标过于理论化，在实际应用过程中不易操作。因此，通过将径流系数的概念转化为年径流总量控制率，并通过年径流总量控制率求得所对应的设计雨强（mm/d），作为海绵城市建设的管控指标，以便于实际操作。年径流总量控制率是根据本地区自然状况的径流系数推算而得（年径流总量控制率≈1-径流系数）。与之相对应的设计雨强，是经过统计分析当地的多年（一般不少于30年）降雨资料，将日降雨量由小到大进行排序（扣除小于等于2mm的降雨事件），推导出年径流总量控制率所对应的设计雨强（mm/d），并以此作为海绵城市规划、建设和管理的控制性指标。以北京建筑大学对北京市的年径流总量控制率与设计雨强的关系推导为例，北京市位于半湿润地带，原始径流系数约0.15，年径流总量控制率为85%，对应的设计雨强为33.6mm/d，大约由小至大降雨排序的92%频次的降雨控制不外排，即可达到海绵城市的建设目标要求。我国地域辽阔，各地地理气候特征、城镇化水平、经济条件差异较大，《指南》基于对我国近200个城市1983~2012年降雨资料，在统计分析年径流总量控制情况及其对应的设计降雨量值关系基础上进行计算模拟，得到了不同地区的年径流总量控制率区间（如图3所示）。供各地参考使用。图3我国大陆地区年径流总量控制率分区以设计雨强作为海绵城市建设的指标，一是可与气象资料紧密结合，既便于部门间的信息交换，又便于决策层面做出直观判断；二是可直接作为具体工程设计计算的参数；三是可量化、可测定、可考核，为海绵城市建设的绩效考核提供依据。3海绵城市建设途径3.1转变建设理念和方式一是从资源承载力角度，由“以需定供”转变为“以供定需”，合理确定城市建设规模和社会经济发展结构，实现原位水资源的可持续供给，支撑城市可持续发展。二是从城市规划建设管控角度，由过去仅注重空间开发强度控制转变为开发强度控制与生态环境约束并举。三是从生态修复和环境治理的角度，由“末端治理”转变为“源头减排、过程控制、系统治理、统筹建设”。源头减排是从产汇流的源头减少雨水径流形成，加大入渗；过程控制是延缓径流峰值出现时间，降低排水强度；系统治理是指将“山水林田湖”作为生命共同体和完整的生态系统，保护和修复城市“海绵体”；统筹建设是指城市开发建设应统筹各类宗地开发以及道路、园林、水等设施建设，落实海绵城市建设要求，实现海绵城市建设的目标。四是从排水安全和资源利用的角度，将传统“快排”转变为“渗、滞、蓄、净、用、排”的耦合。3.2明确建设原则一是规划引领。必须要通过城市总体规划协调、明确控制目标，并落实到控规、修规和各相关专项规划中。二是生态优先。以修复水生态为前提，科学划定蓝线、绿线，保护水生态敏感区；优先利用自然排水系统，自然积存、自然渗透、自然净化。三是安全为重。要在保障城市运行安全的前提下，处理好海绵城市建设与城市排水、内涝风险控制的关系。四是因地制宜。我国幅员辽阔，各地自然地理条件、水文特征、水资源禀赋状况、降雨规律、水环境保护与内涝防治要求等不同，应当合理确定海绵城市建设控制目标与指标，因地制宜的选择低影响开发措施及其系统组合。五是统筹建设。应当结合城市总体规划和建设，在各类建设项目中严格落实各层级相关规划中确定的海绵城市建设的控制目标、指标和技术要求。3.3健全组织机构海绵城市建设必须要建立与之相适应的管理体制（见图4）。首先，海绵城市建设责任主体是城市人民政府，在现有的体制机制下要形成有为的组织协调和领导机制，明晰工作思路，制定工作方案和实施计划，统筹部署，健全机制。其次，完善部门协调与联动机制，统筹城市规划与建设管理，建立规划、建设、市政、道路、园林、水务、水利等部门协调联动、密切配合的机制。此外，还要健全城市排水防涝和防洪管理体系、应急机制，提升应急防灾能力。图4海绵城市建设组织示意3.4强化规划管控与落实一是要明确城市总体规划的管控要求。二是要通过相关专项规划予以落实。海绵城市建设实质是控制径流，降低产汇流是海绵城市建设的关键，建设用地量大的地方也是雨水产汇流最集中的地方。因此，场地建设、道路是降雨产汇流的主要源头，需强化源头减排的约束要求。绿地系统是城市最大的海绵体，其调蓄功能不但要高于其他用地的要求，还可担负周边建设用地海绵城市建设的荷载要求。如，北京市已明确要求公园绿地至少要做到2年一遇以上的降雨全部收集不外排，高于其他建设用地要求。水系统作为水的自然循环和社会循环的完整体系，应统筹考虑实现水生态、水资源、水安全、水环境、水文化等多重目标。三是依托现有基本建设程序和各项管控制度，确保海绵城市建设要求的落地。3.5耦合海绵城市建设工程措施《指南》中提出的渗、滞、蓄、净、用、排“六字箴言”，含括了海绵城市建设的主要工程技术措施。“渗”，减少路面、屋面、地面硬质铺装、充分利用渗透和绿地技术，从源头减少径流。透水砖铺装、透水水泥混凝土铺装和透水沥青混凝土铺装，嵌草砖、园林铺装中的鹅卵石、碎石铺装等也属于渗透铺装。（1）透水铺装对道路路基强度和稳定性的潜在风险较大时，可采用半透水。（2）土地透水能力有限时，应在透水铺装的透水基层内设置排水管或排水板。（3）当透水铺装设置在地下室顶板上时，顶板覆土厚度不应小于600mm，并应设置排水层。图5透水铺装渗透塘（洼地，主要是下渗和精华，没有雨水调用）（1）渗透塘前应设置沉砂池、前置塘等预处理设施，去除大颗粒的污染物并减缓流速；有降雪的城市，应采取弃流、排盐等措施防止融雪剂侵害植物。（2）渗透塘边坡坡度（垂直：水平）一般不大于1:3，塘底至溢流水位一般不小于0.6m。（3）渗透塘底部构造一般为200-300mm的种植土、透水土工布及300-500mm的过滤介质层。（4）渗透塘排空时间不应大于24h。渗透塘应设溢流设施，并与城市雨水管渠系统和超标雨水径流排放系统衔接，渗透塘外围应设安全防护措施和警示牌。图6渗透塘“滞”，降低雨水汇集速度，延缓峰现时间，既降低排水强度，又缓解了灾害风险。下沉深度指下沉式绿地低于周边铺砌地面或道路的平均深度，下沉深度小于100mm的下沉式绿地面积不参与计算（受当地土壤渗透性能等条件制约，下沉深度有限的渗透设施除外），对于湿塘、雨水湿地等水面设施系指调蓄深度。透水铺装率=透水铺装面积/硬化地面总面积；绿色屋顶率=绿色屋顶面积/建筑屋顶总面积。（1）下沉式绿地的下凹深度应根据植物耐淹性能和土壤渗透性能确定，一般为100-200mm。（2）下沉式绿地内一般应设置溢流口（如雨水口），保证暴雨时径流的溢流排放，溢流口顶部标高一般应高于绿地50-100mm。图7下沉式绿地生物滞留设施（1）对于污染严重的汇水区应选用植草沟、植被缓冲带或沉淀池等对径流雨水进行预处理，去除大颗粒的污染物并减缓流速；应采取弃流、排盐等措施防止融雪剂或石油类等浓度污染物侵害植物。（2）屋面径流雨水可由雨落管接入生物滞留设施，道路径流雨水可通过路缘石豁口进入，路缘石豁口尺寸和数量应根据道路纵坡等经计算确定。（3）生物滞留设施应用于道路绿化带时，若道路纵坡大于1%，应设置挡水堰/台坎，以减缓流速并增加雨水渗透量；设施靠近路基部分应进行防渗处理，防止对道路路基稳定性造成影响。（4）生物滞留设施内应设置溢流设施，可采用溢流竖管、盖篦溢流井或雨水口等，溢流设施顶一般应低于汇水面100mm。（5）生物滞留设施宜分散布置且规模不宜过大，生物滞留设施面积与汇水面面积之比一般为5%-10%。（6）复杂型生物滞留设施结构层外侧及底部应设置透水土工布，防止周围原土侵入。如经评估认为下渗会对周围建（构）筑物造成塌陷风险，或者拟将底部出水进行集蓄回用时，可在生物滞留设施底部和周边设置防渗膜。（7）生物滞留设施的蓄水层深度应根据植物耐淹性能和土壤渗透性能来确定，一般为200-300mm，并应设100mm的超高；换土层介质类型及深度应满足出水水质要求，还应符合植物种植及园林绿化养护管理技术要求；为防止换土层介质流失，换土层底部一般设置透水土工布隔离层，也可采用厚度不小于100mm的砂层（细砂和粗砂）代替；砾石层起到排水作用，厚度一般为250-300mm，可在其底部埋置管径为100-150mm的穿孔排水管，砾石应洗净且粒径不小于穿孔管的开孔孔径；为提高生物滞留设施的调蓄作用，在穿孔管底部可增设一定厚度的砾石调蓄层。图8生物滞留设施“蓄”，降低峰值流量，调节时空分布，为雨水利用创造条件。湿塘（雨水调蓄,有雨水再用的调节容积）（1）进水口和溢流出水口应设置碎石、消能坎等消能设施，防止水流冲刷和侵蚀。（2）前置塘为湿塘的预处理设施，起到沉淀径流中