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对低影响开发与海绵城市的再认识
中国水工业网|时间:2020-09-08 10:31     编辑:admin

 

 

  李俊奇教授

 

  李俊奇,工学博士,教授/博导,城市雨水系统与水环境教育部重点实验室主任,城市雨水系统与水环境生态技术北京市学术创新团队负责人,兼任住建部科技委城镇水务专业委委员、中国水协海绵城市专委会副主任、中国环境学会水处理与回用专委会委员、住建部市政给水排水标准化技术委员会委员、中国水工业分会水循环利用专委会委员、地下水污染控制与修复产业联盟副主任委员、APEC可持续城市联合运行中心专家委成员、未来城市设计高精尖中心PI团队负责人等。长期从事城市雨水控制与海绵城市、水环境生态技术、环境政策与管理等领域的研究与教学工作,主持完成包括低影响开发与绿色雨水基础设施、径流污染与CSO污染控制、内涝控制、雨水资源化、绿色建筑水系统、历史城镇水环境保护等在内的研究项目和工程实践项目百余项,多项成果在国家海绵城市建设、城市内涝防治和黑臭水体治理中广泛应用,效益显着。

 

  研究背景

 

  在“海绵城市”提出之前,国内便有学者对“低影响开发(low impact development, LID)”开展了持续的研究,国家“十二五”重大水专项课题也对低影响开发进行了专项研究,并在深圳、嘉兴等国内多个城市陆续开展了大量工程实践。随着海绵城市的提出和试点建设,国内对现代城市雨洪管理体系的认识和研究在逐渐深入,但针对低影响开发与海绵城市,在学术界与工程界至今仍存在认识不清的问题,例如,海绵城市与低影响开发之间的关系究竟是什么?低影响开发是否等于雨水径流的源头控制?低影响开发是否仅针对雨水径流的水质控制?本文通过剖析低影响开发的起源与发展历程,结合对国内低影响开发与海绵城市建设的思考,进一步阐述了低影响开发与海绵城市的内涵与联系。

 

  一 摘 要

 

  海绵城市建设是在继承我国古代先贤智慧和参考国外经验,系统总结我国雨洪管理领域长期研究和实践经验的基础上,结合我国城市水系统实际问题提出的城市发展方式,其核心是构建基于绿灰结合的现代城市雨洪控制系统,通过“渗、滞、蓄、净、用、排”综合措施,实现“治涝”与“治黑”等多重目标。低影响开发是海绵城市建设的重要指导思想,也是海绵城市核心技术体系的重要组成部分。正确认识低影响开发与海绵城市的内涵与联系,对于进一步在全国范围内落实低影响开发建设模式,科学推进海绵城市建设具有重要意义。

 

  二 低影响开发的溯源与发展

 

  1.总体概况

 

  低影响开发(LID)一词起源于美国,大约于20世纪70年代第1次在佛蒙特州的土地规划中被提出,80年代在多个地区的环境敏感区域规划(environmentally sensitive area planning)中出现,主要针对城市水源地等敏感区的保护,避免城市开发对生态环境的不利影响。

 

  LID在美国比较有影响的早期应用主要是在20世纪90年代初的马里兰州乔治王子郡,主要从源头避免场地开发对自然水文特征的负面影响,并在多处居住区、停车场建设了生物滞留等设施进行工程示范,取得了良好的效果。1998年美国环保署(EPA)资助乔治王子郡环境资源部对LID的相关理论与规划设计方法进行总结研究,并于1999年分别发布了LID的规划设计(Low-Impact Development Design Strategies: An Integrated Design Approach)与水文分析手册(Low-Impact DevelopmentHydrologic Analysis),将其作为全国性的参考。这是美国最早发布的系统介绍LID的指导手册,明确了LID的核心目标是通过尽可能模拟场地开发前的水文过程,保护和修复自然水文特征,从而缓解城市开发建设对自然水文过程的影响。2007年,美国国会颁布的“能源独立与安全法案”(EISA)438条要求联邦建设项目对雨水径流进行综合管控,并在其实施技术导则中明确提出了需应用LID的相关技术措施;美国国家污染物排放许可制度(NPDES)是美国对雨水径流排放管控的重要法律,EPA明确鼓励各地在项目规划建设过程中融入LID的理念,以达到NPDES中对雨水径流排放的水量和水质管控要求。

 

  在EISA438、NPDES等法律与政策的要求和推动下,美国对LID开展了持续研究和大量工程实践。如今,LID仍是美国城市雨洪管理领域的热点,对LID的政策制定、规划设计、技术措施的优化、维护管理等多个方面仍在持续开展深入的研究和实践。

 

  2.低影响开发的定义

 

  2012年,EPA发布了专门针对LID的术语说明,指出LID是通过综合的规划设计方法(holistic LID)以及不同的雨洪管理技术措施(isolated LID),以尽可能实现在源头对雨水径流量与径流污染的综合控制。

 

  不同地区也对LID的定义做了进一步阐述,例如,加利福尼亚州在其LID设计手册中,强调原则(LID principle)与措施(LID-BMPs)两部分。原则主要针对规划设计阶段,应尽可能减少不透水地面,减少对自然地形地貌的破坏,保护自然水体、湿地等生态敏感区等;措施则主要针对绿色屋顶、雨水花园等具体技术措施的应用。

 

  3.LID与BMP、GI/GSI的区别与联系

 

  需要指出的是,在美国城市雨水管理体系中,除LID外,主要常用术语还包括最佳管理措施(best management practice, BMP)与绿色基础设施(green infrastructure, GI),二者与低影响开发均有密切联系,但不同术语代表不同技术体系,其在应用尺度、技术措施与控制目标等方面也有一定的区别。

 

  BMP的提出要早于低影响开发,最早出现在1972年美国发布的《清洁水法》中,主要应用于污水处理领域,强调维护管理、培训等非工程性措施。1979—1983年,美国EPA开展了国家城市雨水径流研究项目(nationwide urban runoff program, NURP),逐渐开始重视对城市雨水径流的控制,在1987年的《清洁水法》修正案319章节中,首次提出用于雨水管理的最佳管理措施(stormwater BMP),随后在美国国家污染物排放许可制度(NPDES)中,明确提出利用BMP对雨水径流的排放进行综合管控,控制目标包括水量、水质等多方面。在20世纪80—90年代初期,BMP在美国各地区的城市雨水设计手册中被广泛使用,当时提出的技术措施主要为雨水塘、雨水湿地、调节池等末端的集中工程性措施,同时包括街道清理、设施维护等非工程性措施。而随着LID的提出,在美国EPA发布的城市雨水管理相关报告,以及各地区的设计手册中,逐渐开始更多地使用低影响开发技术措施(LID),推广绿色屋顶、雨水花园等源头设施的应用。美国加利福尼亚州等部分地区在其雨水设计手册中至今仍沿用BMP,但在具体技术措施中也已纳入雨水花园等典型低影响开发措施;部分地区的设计手册中还将BMP措施区分为强调源头的LID-BMPs和以末端雨水塘为主的conventional-BMPs两类。

 

  GI起源于美国20世纪90年代,主要强调在城市规划中对绿色空间与廊道的合理保护与利用,给城市带来更多的生态环境效益。随着LID等理念的推广,更强调结合绿色、生态理念的城市雨水管理技术措施越来越受到重视,“绿色基础设施”一词也开始应用到城市雨水管理领域。2012年,美国EPA发布了针对绿色基础设施术语的定义,指出针对城市雨水管理,绿色基础设施主要是指利用自然生态系统中土壤和植被对雨水径流进行综合控制的工程技术措施,如绿色屋顶、雨水花园、雨水湿地等,又称绿色雨水基础设施(green stormwater infrastructure, GSI),涵盖了传统的BMP与典型的低影响开发技术措施(LID)。此外,从更广义的角度,可将绿色基础设施看作城市内自然区域及生态系统的综合网络,包括绿色开放空间、绿道体系等,能够带来区域空气净化、热岛效应缓解、生物栖息地增加、生物多样性改善等多重生态效益。总体来说,绿色基础设施已逐渐演变成一个总括性的术语(umbrella word),低影响开发是其中的重要组成部分。

 

  三 低影响开发的核心目标

 

  从20世纪70年代开始,为缓解城市的洪涝灾害风险,美国便开始大量应用末端集中式的雨水调节塘(detention pond),对超过城市雨水管渠设计标准的暴雨峰值流量进行控制,设计重现期标准一般为10~100年一遇,

 

  传统雨水调节塘、雨水湿地等BMP的设计目标主要针对1年或2~100年一遇的降雨峰值削减,以及对雨水径流的调蓄净化,但均未考虑LID提出的重点主要针对之前缺失的中小降雨事件控制,采用一定的年降雨场次或降雨总量(如85%)对应的设计降雨量作为具体设计标准。

 

  由于对雨水径流总量的减排是实现雨水径流污染物削减的重要途径,从突出雨水径流污染控制的角度,美国普遍将雨水径流总量控制标准称为水质控制容积[water quality (capture) volume,WQ(C)V]。部分地区根据当地土壤类型、气候等因素,在确定水质控制容积控制要求的基础上,又进一步制定了具体的地下水回补体积要求(groundwater recharge volume,GRV),以维持开发前的自然下渗量。

 

  基于上述过程,美国逐步构建了包含地下水回补体积、水质控制容积、河道侵蚀控制容积、漫滩洪水和极端洪水控制容积的雨水径流体积控制标准体系,如图1所示。

 

 

  图1 美国城市雨水径流体积控制标准体系示意

 

  由此可见,LID并不代表美国现代城市雨洪管理体系的全部,其核心是突出维持城市开发前后水文特征不变的总体理念,在技术上强调通过场地源头控制,实现对雨水径流总量的减排,以实现对地下水回补、雨水径流污染控制、雨水回用等目标。同时需要与城市排水管渠、(延时)调节/调蓄设施等其他系统措施衔接,共同实现城市雨水系统的综合控制目标。

 

  四 国内低影响开发的发展概况

 

  1.古代水资源管理中的低影响开发理念

 

  虽然LID一词来源于美国,但其蕴含的内涵思想在我国古代的城市规划与水资源管理中也早有体现。我国自古遵循“水润万物”“上善若水”的思想,很早便有雨水资源利用的意识,例如,古代传统民居的“四水归堂”“水院”等设计理念,以及古典园林中以雨水为主要水源营造的水景等。此外,在古代针对人水关系的处理也以实现“人水和谐”为主要目标,突出“天人合一,道法自然”的哲学思想。早在秦代(公元前200年),中华先贤就发明了梯田。通过多级梯田营造出大量分散雨水滞蓄空间,当降雨超过梯田调蓄能力时,雨水溢流至下一级梯田,跌水形式能够有效消能,降低地表径流流速,延长汇流时间,在灌溉农作物的同时,起到了调蓄区域水资源、防止水土流失等综合作用,维持当地良好的水文状态,这与低影响开发的理念高度一致。

 

  2.对低影响开发的研究与推广

 

  国内主要从20世纪90年代逐渐开始重视城市雨水利用,并借鉴德国、日本等发达国家的方法,提出了将雨水集蓄利用、渗透等多重功能相结合的“雨水综合利用”的概念。同时,北京等城市也开始关注对城市雨水径流污染的控制,并引入了美国BMP的概念,针对下沉式绿地、雨水花园、植草沟等绿色设施的设计方法和径流控制效果的研究也逐渐增多。2008年,潘国庆等第1次在国内提出了WQV的概念和计算方法,并提出了国内不同城市的设计降雨量和对应的降雨控制率。2011年,LID被列入国家“十二五”重大水专项课题,通过水专项课题研究与示范工程建设,进一步从理论层面明确了LID的内涵、目标、设计方法等,并带动了LID在不同领域和范围的工程应用,也为后续的海绵城市建设奠定了基础。

 

  2013年,国务院办公厅印发了《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》,开始从国家层面明确提出积极推行LID建设模式,并要求在各地“排水防涝综合规划”中落实LID的建设要求。2014年,住建部发布《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》,首次系统地创建了我国海绵城市建设理论和技术体系,同时明确提出了LID是指在场地开发过程中采用源头、分散式措施维持场地开发前的水文特征,一般采用年径流总量控制率作为控制目标,同时也强调了LID要与城市雨水管渠系统及超标雨水径流排放系统协同,并与城市水利防洪系统统筹衔接,以实现海绵城市综合控制目标。

 

  但在海绵城市理念提出后,特别是试点城市建设初期,由于国内对现代城市雨洪管理的整体研究和工程积累的相对薄弱,大量城市普遍缺乏对城市雨洪管理综合体系的系统梳理,曾出现将海绵城市建设的重点引导到源头各地块LID工程建设的情况,将海绵城市等同于LID。同时,LID雨水系统在实施过程中也暴露出一系列问题,例如,有的项目未合理考虑场地与区域条件以及主要问题和需求,往往仅为达到年径流总量控制率的目标要求,而盲目修建大量雨水调蓄池或蓄水模块;大量LID技术措施在设计和施工过程中未考虑后期运维要求,导致设施后期维护难度大,难以长期发挥有效作用等。

 

  随着各城市海绵城市专项规划、系统方案等顶层设计的完善,以及相关研究的深入和工程推进,各地对海绵城市建设的目标、系统关系、工程体系等也有了更清晰的认识。如今,国家2批海绵城市试点城市均已完成3年的试点建设期,在总结试点建设经验的基础上,正确理解和明确海绵城市与LID的内涵与联系,是进一步在全国范围内落实低影响开发建设理念与模式,科学推进海绵城市建设的重要基础。

 

  五 海绵城市建设的核心及其与低影响开发的关系

 

  1.低影响开发是海绵城市建设的重要指导思想

 

  城市化进程导致了土地利用性质的变化,其显着特征表现为不透水下垫面比例的增加,这也是影响自然水文循环过程的重要敏感因子。国内外已有大量针对城市不透水地面扩张对降雨径流量、径流水质、河道水质、热岛效应等方面影响过程的相关研究。例如,美国阿肯色大学研究发现,当自然流域中不透水面积比例达到10%时,流域的自然生态系统即会发生明显的退化现象。此外,传统城市开发对自然地形地貌的破坏、自然径流排放通道与滞蓄空间的侵占等,也是导致加重城市洪涝灾害、生态破坏等问题的重要原因。

 

  在传承中华先贤“天人合一,道法自然”和借鉴美国LID相关经验的基础上,提出海绵城市核心理念即转变传统粗放的城市开发建设模式,最大限度地减少城市开发对原有自然水文特征的破坏。自然水文过程主要包括降水、蒸散发、径流等要素,因此,海绵城市建设的实质即在于对城市降雨径流的综合管控,其核心指导思想即为LID。具体可体现在城市山水林田湖草生态格局构建,蓝绿线划定,对用地空间布局、竖向的管控等多个方面。LID理念不仅适用于新城建设,而且适用于旧城更新及其面临的污染和内涝等复杂问题的综合解决,需要落实到城市规划建设的各个方面。

 

  2.低影响开发技术措施在海绵城市建设中的体现

 

  由于美国在城市雨洪管理发展的过程中经历了从仅依靠雨水管渠到增加集中调节塘、雨水湿地等BMP的建设,再到推广LID、GI建设的不同发展阶段。因此,针对LID,其在技术层面更强调在源头尺度应用雨水花园等分散、小型、绿色的雨水径流控制措施,主要以径流总量控制为目标。从这个角度看,LID在海绵城市核心技术体系中主要突出源头减排,重点体现在源头径流控制系统中。

 

  需要指出的是,在海绵城市建设中,根据不同项目尺度,LID强调的“源头控制”通常又具有相对的概念,既可针对城市某二级开发地块的雨水径流源头减排,也可从城市流域的视角将以排水分区为单元的城市雨水径流综合管控视为源头控制。因此,源头径流控制系统在落实径流总量与污染控制目标,实现源头减排的基础上,需要重点落实与城市排水管渠系统、超标雨水径流排放系统相应目标与控制措施的综合衔接要求。从这个角度看,海绵城市中所指的LID并不完全等同于源头减排,其技术措施应更趋近于美国的GSI,涵盖对雨水径流发挥“渗、滞、蓄、净、用、排”不同功能、不同尺度的绿色雨水设施,既包括绿色屋顶、雨水花园等分散源头减排设施,也包括雨水塘、雨水湿地等对雨水径流峰值、水质等综合控制的集中设施。

 

  3.海绵城市建设核心是构建基于绿灰结合的多目标的现代城市雨洪控制系统

 

  海绵城市作为我国当前的一项重要国家战略,并已制定了到2020年与2030年明确的建设时间节点与目标要求。因此,需要在理解其理念和内涵的基础上,明确其核心建设目标与技术体系,从而科学指导海绵城市专项规划编制、工程体系构建、建设效果评估等多项具体工作。

 

  海绵城市建设的核心是构建基于绿灰结合的多目标的现代城市雨洪控制系统,突出在低影响开发总体思想的指导下,按照“源头减排、过程控制、系统治理”进行系统谋划,对应的核心技术体系应构建以源头径流控制系统、城市排水管渠系统、超标雨水径流控制系统为核心的综合系统,并根据实际条件考虑合流制溢流控制系统以及与城市防洪系统的衔接。通过在源头、过程、末端不同尺度上应用绿灰结合的综合技术措施,实现对城市雨水径流总量、峰值、频率、污染多重目标的综合控制,以恢复城市开发前的自然水文特征。同时,还要针对不同流域、城市、项目的具体问题和条件,根据系统关系和轻重缓急,实现各种复杂情况下与城市污水处理、再生水回用、黑臭水体治理等其他系统的有效衔接,从而进一步实现城市水生态、水环境、水安全、水资源的综合水系统目标。

 

  尽管我国海绵城市理念的提出晚于LID等一些发达国家的雨洪管理理念,但从国际视角看,中国的海绵城市概念及其建设有其独到之处,其并不等同于BMPs、LID、GSI等理念中的一种或几种,而是从城市总体生态格局保护的顶层规划入手,是既包括绿色基础设施也包括灰色基础设施,既包含径流污染控制也包含径流水量控制,既考虑径流总量控制也考虑径流峰值控制,既涵盖工程化措施也涵盖非工程化措施,并涉及多专业、多领域衔接协同的系统性复杂理念方法体系和建设模式。海绵城市体现在既要建立明确的城市雨洪管理体系,与国际接轨,又结合中国管理体制、专业设置、工程规划和标准体系,针对发展中国家城市面临的突出问题,综合性地衔接好相关系统和多部门的关系,不仅解决好我国城市面临的突出问题,同时发挥“后发优势”,为国际贡献城市建设和管理方面的宝贵经验和发展智慧。

 

  六 总 结

 

  从美国对低影响开发的定义及其发展历程可看出,低影响开发首先是城市规划与开发建设的重要理念,旨在减少城市开发建设对自然水文特征的影响。在技术层面,由于美国城市雨洪管理经历了不同阶段的长期发展,低影响开发的提出更突出针对前期缺失的中小降雨事件控制,以径流总量为控制目标,多采用源头、分散、小型绿色技术措施。而我国海绵城市建设旨在转变城市发展理念,构建可持续的城市发展方式,其核心理念与美国低影响开发一致,但由于我国长期以来在城市雨水领域的发展薄弱,积累了城市内涝、径流污染等多重问题,因此我国的海绵城市建设是在继承古代先贤智慧,充分参考国外实践经验和启发,系统总结雨水管理领域长期研究和实践经验的基础上,结合我国城市水系统的实际问题提出的,其核心是构建基于绿灰结合的现代城市雨洪控制系统。通过“渗、滞、蓄、净、用、排”综合措施,近期解决“治涝”与“治黑”等突出问题,最终实现水生态保护、水环境改善、水安全有保障、水资源可持续等多重目标。这既是“继承发展”,又是“另辟蹊径”,最终实现我国在城市雨洪管理领域的“系统治理”。当然,提出旨在构建可持续城市发展方式的海绵城市理念和方法体系,这背后有长期的积累和清晰的发展逻辑。我国海绵城市建设中的低影响开发技术措施除包括源头分散绿色设施外,也应涵盖中途、末端不同环节和尺度的绿色雨水基础设施。控制目标应包括径流总量、峰值、污染、频率等综合目标,可根据实际条件,分别应用于海绵城市技术体系各子系统中。

 

  致谢:

 

  感谢中国城镇供水排水协会章林伟会长、美国科罗拉多州立大学丹佛分校James CY Guo教授、新西兰奥克兰市政厅Frank Tian博士等多年来给予的大力帮助!




来源:环境工程

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