王浩:海綿城市建設系統模式和關鍵技術
2017-05-12 13:55:30 瀏覽:6179次 來源: 作者:

【能源世界導讀】:城市水問題治理的中國智慧是什么?國際水問題治理的經驗值得我們借鑒,但是我國城市面臨自身的特殊問題,必須要立足自身實際,提出適合中國城市水問題現狀和特點的城市水問題治理理念,海綿城市的理念正是中國自己提出的、適合中國國情的城市水問題綜合治理理念,是城市水問題治理的中國智慧。

王浩院士從城市水問題治理的國際經驗出發,從單一到綜合,美國和歐洲這些發達國家和地區城市化進程要早于我國50年以上,他們出現的城市水問題也比我們早。因此他們提出城市水問題治理的思路和方法也相對較早,有很多有意的經驗值得我們借鑒。美國先后提出了最佳管理措施,經營開發理念。英國提出了可持續城市排水管理理念。澳大利亞提出了水敏感性城市設計理念。新西蘭提出了低影響城市設計與開發理念。新加坡提出ABC計劃這些雨水管理的措施。從國際城市水問題治理和雨洪管理理念發展歷程來看,走了“重工程”到“重自然”再到“綜合治理”的發展爐子,對中國城市水問題治理有借鑒意義。

咱們面臨的困難和復雜性特殊性是什么?一方面是氣侯因素,我國是大陸季風氣候,同時降雨的施工分布很不均勻。局部強對流天氣比較多,城市化方面正處在高速發展階段。人類活動的影響劇烈,人口密度大,城市空間不足,用水量排污量較大。另一方面是新老問題雙重疊加,新城的問題,老城的問題,老舊城市改造也相對困難。從理念上說,缺乏城市地下空間開發的經驗,缺乏低影響開發的設計理念。管理上也有薄弱環節,調控調度還沒有特別好的建立。

城市水問題治理的中國智慧是什么?國際水問題治理的經驗值得我們借鑒,但是我國城市面臨自身的特殊問題,必須要立足自身實際,提出適合中國城市水問題現狀和特點的城市水問題治理理念,海綿城市的理念正是中國自己提出的、適合中國國情的城市水問題綜合治理理念,是城市水問題治理的中國智慧。

我們已經提出了海綿城市的理念,吸收了LID等國際理念的經驗,并給中國城市水問題治理也有長期的技術積累,但是中國水問題有一定的復雜性和特殊性,因此必須充分認識海綿城市的多維度、多層次、多學科的屬性,從城市水問題本身出發,運用系統思維,提出海綿城市建設的基本架構和系統模式。

城市水問題的本質是城市水循環的失衡,表現為城市內澇、城市水污染和城市缺水等方面的問題,海綿城市建設就是要通過一系列措施實現城市良性水循環,使水與人類社會相適應,從這個角度出發,把海綿城市科學內涵概括為“水量上削峰、水質要減污、雨水資源要利用”三大方面。從城市水問題本質出發,解決城市內澇、城市水污染和城市缺水三大問題,通過海綿城市建設做到小雨不積水,大雨不內澇,水體不黑臭,熱導有緩解,形成良性的水循環。

海綿城市第一個科學內涵,水量上削鋒。城市內澇的自然屬性是大量降雨徑流難以排除導致積水。社會屬性是積水對生產和生活產生影響而治災,因此要減少城市洪澇災害影響,核心減少城市的雨洪積水,坦化并延緩洪峰極值,本質是要減少由洪水繼續而對人類帶來的損失。

第二個海綿城市的內涵,水質上要減污。城市水污染的來源主要大氣干濕沉降,合流制管網溢流,初雨沖刷等面源污染和生活污水,工業污水等點源污染,我國城市水污染、水生態惡化現象十分嚴重。

第三個科學內涵是雨水資源要利用。城市缺水是制約我國經濟社會發展的重要瓶頸,海綿城市改變了過去快速排干的觀念。把雨水視為資源,盡可能把更多的雨水滯留在當地,補充生態用水和社會經濟用水。但是要個別注意,對南北方、東西部這些不同的城市,應當區別對待,采用不同的雨水利用策略。

根據三大內涵,利用分布式的城市水文模型,對海綿城市主要問題進行系統診斷,對各部門存在的問題作出總體估計,為海綿城市的總體設計提供基本的依據。工具就是分布式的城市水文模型,做海綿城市的三大診斷,包括內澇積水的診斷,產污積污的診斷,雨水控制的診斷。

首先是內澇積水的診斷,要建立分布式的城市雨洪模型,進行多種情景模擬,分析不同量級暴雨情景下,特別是超標準降雨條件下,城市雨洪積水的分布狀況,分析城市不同區域的積水深、積水歷時。模擬城市雨洪對城市生產生活的影響,進行風險評估,提前制定不同量級雨下的城市內澇應對預案。這是利用模型做的上海市超標準和內澇積水的診斷。這是濟南市超標準降雨城市內澇模擬和積水的診斷。

第二方面的系統診斷,是產污積污的診斷,采用分布式的城市水文模型,進行水質、水量聯合模擬,從整體上估計城市水體中污染物的來源。分析不同污染符合的來源,大氣沉量,再加上生活工業排污點源污染,占總污染復合的比例。從而為城市水環境污染的分類失策綜合治理提供定量的認識。通過污染物的來源進行診斷,對點源和面源污染分別提出針對性的控制策略。通過完善污水管網,加快污水處理廠建設。杜絕污水直接排放等措施,控制點源污染物。通過布置低影響開發措施,消減面源污染,通過布置人工濕地和河濱緩沖帶?傮w上使雨水徑流污染、河流制觀網溢流污染各種形式的污染都得到有效的控制。

第三方面的診斷是雨水控制和利用方面的診斷,雨水控制利用診斷首先要對城市缺水狀態進行識別,分析雨水資源化利用的必要性和需求量。其次采用分布式城市水文模型進行長系列城市水文模擬,得到不同年型的城市雨水資源化供水的潛力,最后進行不同年型城市蓄水量的預測,分析雨水資源化、供水量和蓄水量之間的匹配性,包括時間、空間、水量和水質等方面的匹配性。

必要的情況下,還要對城市雨水資源進行經濟合理性分析和優化配制,最終確定城市到底需要多少回用雨水,多少雨水應當被直接排走。使雨水資源化的利用和需求總體上達到平衡。也就是從城市缺水需求出發,研究雨水資源化的供水潛力,進行供需之間的優化匹配,最后達到經濟合理。

從海綿城市的三大科學內涵出發,利用分布式城市水文模型對海綿城市三大主要問題進行系統診斷,對于海綿城市存在的問題根本的出入是在片區尺度和城市尺度實現三大耦合平衡。三大耦合平衡是頂層設計的核心。首先是水量下瀉和分散滯留平衡。第二是污染的產生和削減量平衡,也就是污染物質的平衡。第三方面是雨水的控制和再利用之間的平衡。用水平衡,所以從三內涵出發對問題進行三診斷。最后在頂層設計上做到三大平衡。

實現三大耦合平很的核心思想是什么?我們提出一片天對一片地,基本的內涵就是當地降雨就地消納,分片平衡,系統耦合。首先對不同地區不同類型分別診斷問題,然后是立體的分滯,從屋頂到地下蓄水空間立體分層蓄滯留,做三大系統的耦合平衡,還要天地協同,天上的降水和地面的城市管理和城市的需求起到協同的作用。

在遵循自然產匯流基礎上,按照一片天對一片地的核心思想,利用城市空間對降雨化整為零進行收集和儲存。有效利用每一滴水,把城市分成幾百個、上千個排水小區,從天空到地下分為11層,最上頭做生態屋頂雨水花園,雨水菜園。然后做綠化的建筑立面,在地面有,生態道路,生態水池,生態廣場,生態公園,強滲透地面,天然挖地滯蓄等等。三層以下有處水立坑還有排水深邃,把城市分成幾百個小排水單元,每一個小單元一片地對一片天。這是一片天對一片地,在一個小區上實現的立體滯留,實現多層次、多功能的分流、分滯,屋頂花園比如存雨5%,建筑體的綠化5%,土地的蓄滯20%,管網排出30%,深邃的調蓄10%,這樣把整個雨水做了調控。

針對場次降雨的尺度做到澇水平衡,內澇積水量,河湖調蓄量和管網排出量等水量之間的平衡。當然根據需要有深邃和立坑的緩沖量。通過提高ILD三類水量,減少甚至消除S類水量,這幾部分的都可以通過前面的系統診斷定量模擬計算得到,調控通過多種途徑加以實現。

污水平衡,城市多種途徑和類型的污染物產生和積累量與多種途徑的減污和納污量平衡,生活的污染,工業的污染,沉降,雨水的沖刷。城市那無核凈污容量,達到污水平衡的目的就是要通過提高GLC、ATC兩種納污容量,使產污量在自然界的積累不超過自然水體的納污能力NC,通過設置不同量級綠色基礎設施和人工凈水設施來調控整體的平衡。必要的時候還可以通過雙向調控達到產污凈污的整體平衡。

第三個平衡是雨水的再利用,回用的平衡。主要針對長系列降雨尺度,指生態環境和經濟用水量中的缺水量,能夠由雨水資源量滿足的部分,與城市雨水資源化控制量相平衡。對城市水資源和用水進行系統評價,再用分布式城市水文模型進行診斷。通過長系列模擬診斷得到雨水控制量,并于需求量平衡。這可以通過設置不同類型的蓄水設施調控加以實現。用水平衡特別需要注意,雨水控用量在時間、空間、水量、水質四方面的匹配性。

下面是建設海綿城市三大基本途徑,根據海綿城市的三大內涵,進行海綿城市的三大診斷,要解決診斷出的城市水問題,必須要實現海綿城市的三大耦合平衡。同時需要采用三類基本措施,也就是防澇體系控污體系和雨水再利用體系的建設,構建點、線、面、體的相互配合欠套的立體海綿體系。這三類措施要在一片天對一片地核心思想的指導下,貫徹和遵循海綿城市滲滯蓄等統籌安排。

要實現澇水平衡,達到水量上削峰的目的,可以通過增加城市的力面蓄滯量,河湖調蓄量和管網排出量來實現,這可以通過三個方面的措施來實現,分別是“源頭控制、過程調節和末端排放”,然后控雨洪于源頭,然后馴雨洪于無形,再給雨洪以出路,城市的雨水污水的排水,管網系統,綜合管廊系統默默的排放。

防澇體系的源頭控制,也就是海綿城市六字訣的滲和滯,一方面通過各種措施加大下滲量,從源頭上控制雨水的匯集量,源頭控制的關鍵是建設一系列點狀、線裝和面狀的海綿體。城市的海綿體既包括河流、湖泊、溝渠這些水系,也包括綠地、花園、可滲透路面這樣城市設施。海綿體的建設,既有效保護現有的海綿體,又要全面修復過去受損的海綿體,包括水系的修復,還有嚴重污染水體的治理等等。根據海綿城市建設的需要,還要構建一批新的城市海綿體。大力構建城市新海綿體,有點狀的,還有線裝的海綿體,主要是河湖水系的海綿體。

過程調節通過綠色基礎設施的調節,灰色基礎設施的調節,城市防洪排澇調度調節各種方式,綜合調節雨洪徑流過程,降低雨水、積水治災的程度。末端排放方面,通過在新建城區提高排水管網的設計標準,在老舊城區實施排水管網的清淤改造,整體提高城市末端的排水能力,減少地表積水深、積水歷時和淹沒范圍,降低城市致災風險。

防澇體系建設末端排放,一方面對暴雨、洪水進行調蓄,減少積水。另一方面可在雨洪過后,實現雨水的資源化再利用。城市水污染控污體系建設,遵循源頭減排、末端治理的總體原則。在源頭上包括城市地面的綠化促滲,污水直排口的節口改造,分散污染源的治理,加上經濟結構的調整。在污染物伴隨著水流遷移轉化的過程中,要完善污水收集系統建設,做河流溢流污染的控制,做人工濕地的凈化,加上突發性大量暴雨污染徑流的儲存和凈化。在末端排放方面,要做區域性的暴雨徑流污染控制,控污岸邊帶系統構建,再加上分布式的新型的生態人工污水處理廠。

源頭減排工業清潔生產技術,阻斷工業污染源傳播路程。園區用水的阻斷,包括污水的凈化技術,高效去污的地下生態化,人工濕地的凈化池技術,微生物生態修復技術,雨水利用體系建設包括推進城市雨洪資源化利用,要建設完備的雨水利用體系,處理好雨水資源和需求利用在時間空間、質量水質上四方面的匹配性,特別注意分質供水,按蓄供水,提高安全。再有相應的政策法規體系,工程設施體系,運維管理體系。

說一下三大途徑和三大平衡的邏輯關系。防洪防澇體系的建設源頭控制、過程調節、末端排放達到澇水的平衡?匚垠w系建設源頭減排、過程阻斷、末端治理,達到污染物產生和消減的平衡。雨水利用體系的建設,包括政策法規體系,工程設置體系,運維管理體系達到雨水再利用的平衡。海綿城市建設的系統模式應當說是一種科學范式,從水問題本身出發,提出了海綿城市三大科學內涵,三大系統診斷。三大耦合平衡和三大基本途徑,并最終統和于一片天一片地的思想,這個科學范式貫通了海綿城市全過程和全要素。首次系統的提出了海綿城市建設的頂層設計、系統模式,能夠引領海綿城市相關的研究規劃和建設。

海綿城市建設的關鍵就是要在系統模式下通過一系列的工程和非工程措施,實現城市水循環和半生過程,與城市社會經濟的良性互惠。

海綿城市建設的關鍵技術關鍵技術有五方面,包括分布式的城市水文模型,用在海綿城市的問題診斷頂層設計總體規劃和各種實施效果的評估上。再有多元數據融合的降雨預報技術。把城市暴雨提前預報,城市洪澇實時優化調度的過程。

(本文根據王浩院士在“2017年海綿城市規劃建設論壇”發言整理。)

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