可持續(xù)雨水管理與海綿城市的分析與啟示

桂敬傳，黃茜子，歐陽皓月 （.安徽地平線建筑設(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 0000；.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 0000；.廈門大學(xué)，福建 廈門 6000）

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市下墊面形態(tài)日趨改變，加之全球氣候變化，城市洪澇已成為城市最主要的自然災(zāi)害之一。城市洪澇帶來經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等方面的嚴(yán)重危害（表1），且受洪澇影響的城市數(shù)量、強(qiáng)度不斷增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)668 座城市中96%以上開展防洪工作，近12 年防洪投入資金增加8 倍。1980s 開始，發(fā)達(dá)國(guó)家開始由常規(guī)的“堤壩圍堵”“集中排放”的雨水管理方式轉(zhuǎn)向“就地截流”“分散處理”的可持續(xù)雨水管理[1]。可持續(xù)雨水管理是利用建筑用地、建筑物、構(gòu)筑物等將城市雨水收集轉(zhuǎn)換后充分利用的方式，減少雨水徑流，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地水資源循環(huán)。其方法的核心在于通過事先預(yù)防的方式達(dá)到小范圍水資源供需循環(huán)，從而恢復(fù)城市生態(tài)能力，從根源解決洪澇問題，形成海綿城市[2]。

表1 城市洪澇危害[8]

2 城市雨水原因分析

在自然條件下的環(huán)境雨水下落地表后，首先，通過下滲、植物吸收、自然水體等方式進(jìn)行儲(chǔ)存；其次，在環(huán)境中通過水體蒸發(fā)、植物蒸騰等作用回歸大氣；最后，在溫度濕度等自然條件通過雨、雪、霜、露等形式回落地面，由此形成自然的水循環(huán)系統(tǒng)（圖1）。但由于城鎮(zhèn)化是城市下墊面快速硬化，水體下滲速率急速降低、以及全球氣候變暖，水體蒸發(fā)加快，使得自然條件下水資源循環(huán)受阻，從而造成洪澇、地表沉降、水體污染等一系列城市雨水問題[3]。

圖1 自然水循環(huán)系統(tǒng)

2.1 滲透量減少，橫向徑流增加

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，全國(guó)常住人口城鎮(zhèn)化率2000-2022 年從34.39%上升到65.22%，且呈繼續(xù)上升趨勢(shì)。而城市下墊面主要構(gòu)成為硬屋面、混凝土或?yàn)r青路面等，其中下墊面硬化比例高達(dá)80%。硬化后的下墊面下滲率急劇降低，導(dǎo)致地表水橫向徑流增大。其過程造成兩方面影響：其一，下墊面截?cái)嗔顺鞘型寥浪w下滲，地下水補(bǔ)充不足，造成城市地下水位降低，破壞地表受力結(jié)構(gòu)造成建筑、路面等開裂傾斜，沿海城市會(huì)造成海水倒灌等危害；其二，橫向徑流增大，使得城市雨水絕大部分從排水管網(wǎng)疏散，增加城市排水壓力，刷新排水系統(tǒng)峰值。

2.2 蒸散作用不平衡，局部降雨量增大

城市降雨頻率與降雨強(qiáng)度均高于郊區(qū)，原因如下所示。其一，氣壓差加強(qiáng)對(duì)流作用，在自然狀態(tài)下，除海平面外的區(qū)域內(nèi)各部分蒸發(fā)量較為均衡。城市建設(shè)后，城市的植被量大量減少，植物蒸騰作用減弱，城市上空水蒸氣生成量遠(yuǎn)低于郊區(qū)。城市熱島使得城市上空溫度高于郊區(qū)，地面潮濕空氣迅速進(jìn)入高空，易形成陣雨。其二，城市建筑阻擋空氣橫向流動(dòng)，使得空氣主要向上流動(dòng)，增加降雨頻率。同時(shí)，城市的橫向阻擋作用使靜止鋒停止，延長(zhǎng)降雨時(shí)間，增大其降水量。其三，城市排放氣體中的粉塵顆粒物具有凝結(jié)核作用，能夠加速聚集空氣中的小水滴，致使降雨速度加快。

2.3 雨水污染嚴(yán)重

橫向徑流作用在城市的影響上增大了城市排水量，而對(duì)于水體本身而言，加大了水體污染程度。自然條件下雨水自然下滲，其污染性較小，不影響水質(zhì)。而城市中滯留了工業(yè)生活排放大量的有毒有害氣體、固體顆粒物等，雨水降落后，在城市地表大面積徑流，溶解、混合了大量污染物質(zhì)（如烴類、病原體、氯化物、營(yíng)養(yǎng)物、鎘、鋅、鉛、銅、錳等）。徑流后的部分水下滲土壤或回流至湖泊、海洋等水體，造成地下水和地表水水質(zhì)的惡化。另一部分水進(jìn)入地下管網(wǎng)，增加了城市水體清潔回收流程與費(fèi)用。

3 城市雨水管理現(xiàn)存問題

早期，在城市洪澇頻發(fā)且危害日漸嚴(yán)重后，英國(guó)最開始建立現(xiàn)代城市雨水管理系統(tǒng)，其原則是加快城市雨水排放速度，將雨水聚集起來集中處理，避免城市洪澇的形成。就當(dāng)時(shí)而言，無疑是快速緩解災(zāi)害的有利策略，因此許多國(guó)家相繼開展，我國(guó)目前常見的雨水管理也沿用此模式。然而，隨著城市發(fā)展與研究的深入，發(fā)現(xiàn)常規(guī)的雨水管理難以緩解洪澇危害。

3.1 重大洪水發(fā)生概率增大

在邏輯上，采用直徑更大、數(shù)量更多的排水管網(wǎng)可以在短時(shí)間內(nèi)快速排水，是滿足防洪需求的措施。然而，排水上游的排水量越多，其終端處理水量峰值越大，排水量呈倍數(shù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致雨水終端洪澇發(fā)生率增大，且下游排水一經(jīng)堵塞，或可造成城市排水癱瘓[4]。更大的排水系統(tǒng)無法從根源增加城市的抗災(zāi)能力，反而增加了其峰值水流量和附加峰值水流量（圖2）。

圖2[2] 常規(guī)雨水管理與可持續(xù)雨水管理

3.2 無法解決雨水污染

快速排水原理下的雨水管理無法解決橫向徑流增大的過程，因此并不能緩解雨水在徑流過程中受到的污染。

3.3 建造與維護(hù)成本較高

開挖城市地下排水系統(tǒng)費(fèi)用高昂，不僅在于建設(shè)本身花費(fèi)，對(duì)于城市交通、貿(mào)易、生活等均造成影響。其排水峰值更大的排水系統(tǒng)需要加大水管直徑、增大排水網(wǎng)密度，其設(shè)備成本較高。同時(shí)，城市管網(wǎng)使用壽命有限，需要根據(jù)年限與狀況不定時(shí)開挖更新。此外，污水處理的費(fèi)用也是不容小覷。據(jù)《中國(guó)城市建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)，我國(guó)排水系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用明顯不足，嚴(yán)重影響排水功能。

4 啟示

在漫長(zhǎng)的城市發(fā)展過程中，英國(guó)為首提出的“快速排水”“集中處理”的雨水管理策略不再適用于現(xiàn)代化城市發(fā)展。自1980s 開始，美、日、德等國(guó)家相繼開展可持續(xù)雨水管理措施（表2），將其歸納為“滲、滯、蓄、凈、用、排”的綜合排水。根據(jù)現(xiàn)有的可持續(xù)雨水管理的研究與實(shí)踐，對(duì)我國(guó)雨水管理導(dǎo)向下的海綿城市建設(shè)具有啟示作用。

表2 各國(guó)家和地區(qū)可持續(xù)雨水管理措施[1,7]

4.1 分區(qū)域進(jìn)行可持續(xù)雨水管理

可持續(xù)雨水管理并不意味摒棄原有排水系統(tǒng)，不等同于反對(duì)城市地下排水系統(tǒng)，而是盡可能多將降雨就地存儲(chǔ)、回收、利用，在小范圍內(nèi)排水，避免大面積雨水徑流。

首先，在洪水發(fā)生率方面，增大地表下滲能力，如采用透水材質(zhì)、增加植被覆蓋、降低硬化地面比例，最大可能地下滲雨水，保持水體蒸發(fā)與植物蒸騰相平衡，減少溫室效應(yīng)。同時(shí)建立雨水收集系統(tǒng)，一方面最大程度對(duì)下落建筑物表面的水體進(jìn)行收集回收，以供區(qū)域內(nèi)水資源利用；另一方面，對(duì)于區(qū)域內(nèi)徑流開挖滯留池，既具蓄水功能又具景觀效應(yīng)。由此，形成完善的區(qū)域水循環(huán)供給平衡，如德國(guó)里瑟菲爾德住區(qū)、沃邦住區(qū)等，均已實(shí)現(xiàn)區(qū)域水循環(huán)，從源頭減少城市洪澇發(fā)生率。

其次，水質(zhì)污染方面，一方面，橫向徑流的減少可較大程度地減少水質(zhì)污染水平；另一方面，完善的生態(tài)環(huán)境空間可以修復(fù)區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)條件，水體通過其自身物理作用、化學(xué)作用和生物作用，完成自我凈化。其中，物理作用是在水體流動(dòng)過程中，雜質(zhì)進(jìn)行稀釋、沉降、滯留等效應(yīng)，改變污染物濃度，但不改變污染物的總量?；瘜W(xué)作用是水體中其它物質(zhì)與雜質(zhì)發(fā)生氧化、還原、分解、中和等反應(yīng)，改變水體的化學(xué)性質(zhì)，如酸堿度等。生物作用是水中的微生物，通過生命活動(dòng)使水中有機(jī)物氧化還原，分解為無機(jī)物，降低污染物含量。

最后，在成本方面，可持續(xù)雨水管理建設(shè)在短期內(nèi)的支出成本高于常規(guī)可持續(xù)雨水管理。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，可持續(xù)雨水管理使用壽命長(zhǎng)、更新周期長(zhǎng)、維護(hù)成本較低，可在小區(qū)域內(nèi)完成更新與修繕，同時(shí)減少污水場(chǎng)處理費(fèi)用。此外，常規(guī)雨水管理在生態(tài)修復(fù)、污染治理上支出的高昂費(fèi)用，可持續(xù)雨水管理可通過環(huán)境自然修復(fù)的方式將其大大降低。

4.2 建立健全雨水管理法律法規(guī)

在進(jìn)行城市規(guī)劃與城市更新過程中，應(yīng)建立規(guī)范的海綿城市設(shè)計(jì)法案?？沙掷m(xù)雨水管理不再是可有可無的建設(shè)，而是緩解城市發(fā)展弊端、環(huán)境污染危害的必要舉措。從現(xiàn)有海綿城市較為完善的國(guó)家分析，建立健全水循環(huán)法律法規(guī)是海綿城市的關(guān)鍵，也是改變傳統(tǒng)雨水管理框架的重中之重。

4.3 提高區(qū)域水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)存雨水污染無法有效解決的重要原因在于我國(guó)還未建立有效的雨水排放水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，雨水徑流對(duì)地下水及地表水的污染還未得到重視。在現(xiàn)有較為完善的水質(zhì)評(píng)價(jià)中，已不局限雨水中有毒、有害物質(zhì)濃度標(biāo)準(zhǔn)。在德國(guó)，建立了腐生生物系統(tǒng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其地表下滲水須達(dá)到歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)；在美國(guó)，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化至79 項(xiàng)具體指標(biāo)，各州以美Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)為強(qiáng)制性水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)地區(qū)，還未建立地表下滲水強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，且生活飲水等級(jí)較低。因此，提高水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是保障優(yōu)質(zhì)水源的重要舉措，也是保障可持續(xù)雨水管理有效運(yùn)行的關(guān)鍵。

4.4 完善雨水管理觀念

首先，海綿城市建設(shè)是城市各部分區(qū)域共同努力的結(jié)果，是各區(qū)域水資源供需循環(huán)并由此形成大范圍的水環(huán)境平衡。這一過程需要各領(lǐng)域共同參與，政府管理規(guī)劃、部門貫徹實(shí)施、區(qū)域規(guī)劃合理、業(yè)主積極落實(shí)[5]。

其次，我國(guó)水文地質(zhì)、氣候地理?xiàng)l件復(fù)雜多樣，因地制宜是建設(shè)海綿城市的重要原則。借鑒國(guó)外先進(jìn)理念和技術(shù)，地域化針對(duì)性地進(jìn)行可持續(xù)雨水管理。

最后，發(fā)揮主觀能動(dòng)性?？沙掷m(xù)雨水管理觀念深入人心，需從教育中積極引導(dǎo)，以生態(tài)保護(hù)為重要目標(biāo)。

5 結(jié)語

可持續(xù)雨水管理是以恢復(fù)城市抗災(zāi)害能力為目標(biāo)，從城市設(shè)計(jì)層面將雨水納入城市循環(huán)系統(tǒng)，修復(fù)城市發(fā)展帶來的自然資源破壞。十八大以來，生態(tài)建設(shè)納入國(guó)家發(fā)展總體布局，國(guó)家及住建部發(fā)布重要政策文件鼓勵(lì)與發(fā)展海綿城市建設(shè)。目前，全國(guó)有470 多個(gè)城市開展了海綿城市建設(shè)，已建成30 個(gè)試點(diǎn)城市并基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)[6]。因此，可持續(xù)雨水管理目標(biāo)下的海綿城市建設(shè)對(duì)城市生態(tài)恢復(fù)、實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

此外，海綿城市的建設(shè)是以建設(shè)用地為范圍，以城市設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，從每一小塊城市用地出發(fā)，建設(shè)小范圍的水資源循環(huán)系統(tǒng)。因此，海綿城市的建設(shè)必將是漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過程，需要多方合作、多學(xué)科交融，時(shí)刻警惕一蹴而就、一勞永逸的思想。其次，海綿城市的核心是雨水管理，在建設(shè)中要準(zhǔn)確定位其建設(shè)目標(biāo)與方向，避免走入形式主義。