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海綿城市建設指南解讀之城市雨洪調蓄系統的合理構建

來源: 發布時間: 2016/12/5 8:45:59 瀏覽次數:28

海綿城市建設指南解讀之城市雨洪調蓄系統的合理構建

車伍1,2,武彥杰1,2,楊正1,閆攀1,趙楊2,3

(1.北京建筑大學城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室,北京100044;2.北京

建筑大學北京建筑節能減排關鍵技術協同創新中心,北京100044;3.北京雨人潤科生態技術

有限責任公司,北京100044)

摘要:調蓄是城市雨洪控制利用系統和排水內澇防治規劃中最重要的組成部分,通過對調蓄設施的合理設計、應用,可以很好地控制徑流污染、削減徑流總量和峰值、緩解洪澇災害、利用雨水資源等。針對國內在城市雨洪調蓄的研究、規劃設計和工程實施中存在的一些主要問題,首先厘清調蓄設施的不同種類及功能特點,進而提出調蓄系統的概念、構建城市雨洪調蓄系統的框架,分析調蓄系統與城市雨洪控制利用相關子系統的聯系及相互銜接關系,為我國城市雨洪調蓄系統相關標準的制定、規劃設計與建設提供更科學的思路和技術路線。


調蓄是維持自然水文循環和城市良性水文循環極關鍵的環節,也是構建海綿城市的重大舉措。我國古人在治水、用水中已充分顯示了對調蓄的理解和智慧的運用,甚至可追溯到古老、邊遠的少數民族地區——云南元陽的哈尼梯田和南宋時期贛州的福壽溝蓄排系統等。然而當代,隨著城市雨水快排理論的發展和灰色排水基礎設施的大量建設,城市自然蓄排系統的格局發生了顯著變化。傳統灰色基礎設施的增加減少了對自然調蓄排放設施的需求,大量河道、坑塘、濕地等天然調蓄設施被破壞、填埋甚至消失,城市調蓄能力大幅下降。盡管傳統快排模式在城市排水和內澇防治方面發揮了重要作用,但難以有效解決城市水資源流失、徑流污染、洪澇風險加劇等突出問題。而這也警示人們,重拾古代雨洪管理智慧,利用現代雨洪管理理念和技術,構建現代城市雨洪調蓄系統的重要性。

      調蓄是綜合解決城市雨水問題的重要技術手段,近年來開始成為雨水領域新的研究熱點,受到廣泛重視。業內已開展了大量基礎理論研究和工程實踐應用,相關國家規范標準也正在編制,如新編《城市雨水調蓄工程技術規范》、《城鎮內澇防治技術規范》等。但由于國內城市現代雨洪管理發展的整體滯后,相關研究及實踐較薄弱,尤其在城市雨洪調蓄方面仍存在一些比較突出的問題,缺乏對雨水調蓄問題的系統梳理和對調蓄系統的綜合性分析和科學認知,制約了相關標準的制定、調蓄設施的合理規劃設計和有效實施等一系列重要工作的開展。

1    我國城市雨洪調蓄中存在的問題

1.1    概念混淆

筆者早前已論述過調蓄的概念、設施分類、功能等,但由于雨水系統發展帶來一些新的問題,業內對雨水調蓄系統長期以來缺乏足夠的關注和深入研究,目前仍然存在一些概念不清和混淆的問題,甚至一些專業人員對儲蓄和調節設施的功能、控制對象、設計方法等基礎問題也存在理解上的片面或錯誤,這會直接影響到調蓄設施規劃設計和工程建設的科學性,以及規范標準制定的合理性。

2    缺乏系統的思想和解決方案

因面對解決城市水澇、徑流污染、雨水利用等問題的迫切需求,國內近年出現大量調蓄設施的規劃設計與實踐。例如,北京在許多建筑與小區雨水利用項目中應用了儲蓄池,在立交橋積水點改造項目中已建、將建數十座調節設施;上海為治理蘇州河徑流污染先后建設多個CSO調蓄池;北京、沈陽、廣州、上海等城市考慮通過建設深層調蓄隧道來重點解決內澇問題等。這些工程項目對解決城市雨洪問題具有重要意義,但是,一方面,它們的建設大多局限于局部問題緩解和末端控制,投資較高,綜合效果有限;另一方面,它們的功能、構造和設計計算方法其實都不相同。如何針對一個城市區域雨洪的多種控制目標和復雜的條件,進行綜合性規劃設計,優化設置調蓄設施和規模,則是一個有待解決的難題。總體而言,缺少城市或區域尺度內各類調蓄設施的系統性規劃設計,難以產生規模效益和實現多功能的海綿城市目標。

1.3    相關系統銜接關系不清

調蓄設施是城市雨水系統中的核心設施之一,既可用于排水系統的源頭、中途和末端,也可用于雨水利用、徑流污染控制和洪澇控制等多個子系統,目前,業內不僅存在對雨洪控制利用系統各子系統間調蓄的銜接關系缺乏理解的問題,更缺乏對可量化的科學數據識別和合理銜接關系的掌握,難以為實際工程的規劃設計和建設提供可靠的支撐。雖然在新編或修編的《城市雨水調蓄工程技術規范》、《海綿城市建設技術指南》、《城市排水工程規劃規范》等技術文件中都引入了有關調蓄的內容,但各子系統中的調蓄基本相對獨立,并未明確它們之間的銜接關系。例如,在排水內澇防治系統中,如何評估、優化源頭控制和大小排水系統不同的調蓄設施組合;在徑流水質控制過程中,如何實現儲蓄設施在源頭、中途及末端的優化配置;在舊城CSO溢流污染控制系統和內澇治理中,如何量化水質控制和暴雨峰流量控制的關系和效果;此外,調蓄設施涉及的土地空間如何在城市規劃和綠地系統規劃中得到體現和落實,這些都是需要給出清晰回答的重大問題。

1.4    對綠色調蓄設施重視不足

事實上,綠色調蓄設施是城市海綿體的最重要形式,離開了綠色調蓄設施,海綿城市也將成為空中樓閣。但城市的過度開發過程已導致大量自然調蓄設施遭受嚴重破壞,海綿功能銳減甚至喪失。例如,北京市自1960年至1974年先后將金魚池、太平湖、東風湖、青年湖等十余處總面積達71.8  hm2的湖泊填埋,其中因地鐵拆遷、建房填墊湖泊達18.5  hm2,類似的例子在各城市不勝枚舉。近年來,業內對地下調蓄池、隧道等灰色調蓄設施給予越來越多的重視,但對綠色調蓄設施的生態功能、景觀效果及環境和社會綜合效益等灰色調蓄設施不可替代的功能和海綿彈性之特點認識不足。

綠色調蓄設施不僅需要水專業的重視,更需要城市規劃和建筑、園林景觀等相關專業的重視。很典型的如,按照《城市居住區規劃設計規范》中規定,新區建設綠地率不應低于30%,舊區改建綠地率不宜低于25%,但我國城市絕大部分的這些寶貴綠地,習慣性地多被設計成綠地,不僅難以發揮綠地的調蓄、滲透吸納和凈化等海綿功能,還容易產生嚴重的高耗水量和水土流失等問題,危害環境。

2    調蓄的概念

概念不清會導致一系列的問題,從業內目前情況看,有必要再一次強調和澄清調蓄的概念。根據調蓄的功能或作用原理,可將調蓄分為調節、儲蓄、多功能調蓄三類。筆者在參與的多個雨水相關標準中,都明確地闡述調節、儲蓄、多功能調蓄的概念。

調節是一種較成熟、傳統的雨水徑流控制方法,指在暴雨期間對峰值徑流量進行暫時性的儲存,降雨結束后或峰值流量過后再逐漸排放,從而達到控制徑流峰值的目標,一般并不能減小排向下游的雨水總量,對徑流總量、水質并無明顯控制效果。也有人用調控排放一詞,事實上,傳統的調節本身就含調控排放之意,而調控排放很容易扯到其他措施(如泵排、實時控制等),產生歧義,因此,筆者建議不要把這個概念不清、含義寬泛的詞用在調蓄概念上,避免造成混淆。儲蓄是儲存和滯蓄的統稱,是指通過對雨水徑流量進行儲存、滯留或蓄滲以達到削減徑流排放量、控制水質、收集回用或補充地下水等綜合利用雨水資源的目的。與調節最大的不同,一是針對的控制目標不同,二是要利用雨水或減少外排的雨水量,當然,設施的構造和設計的方法也會不同。顧名思義,多功能調蓄則具有多種功能,而且還有兩層含義,從作用原理角度而言,將調節與儲蓄的功能相結合,是一種多目標控制的調蓄設施;從土地資源利用角度而言,是指充分利用城市土地資源,兼可作為公園、綠地、運動場等其他用途,發揮環境和社會多方面功能的一類調蓄設施。

此外,隨著城市雨洪管理體系與技術的不斷發展,又出現其他一些形式的調蓄設施,如生物滯留設施、調蓄隧道、延時調節設施等。發達國家很早就開展了大量有關延時調節設施的研究并得到廣泛應用。延時調節是在調節設施內延長徑流的停留時間,其實就是一種改良的調節設施。與一般調節設施的主要區別是,延時調節設施不僅在暴雨時發揮削減徑流峰值的作用,暴雨或中小降雨事件時還均可適當兼顧對徑流水質的控制。根據對徑流出水水質的要求,調整設施末端出口結構,延緩徑流釋放過程,大量污染物在延時調節過程中通過重力沉降、微生物降解等得以去除,在一定程度上彌補了一般調節設施水質控制效果差的不足。

低影響開發理念和方法在我國已得到廣泛認同,生態化的源頭調蓄設施也開始被人們接受,不再局限于末端、大型和傳統的灰色設施。最典型的如生物滯留設施,是一種典型的具有生物(態)功能的源頭微型儲蓄設施。它其實是對傳統意義的儲蓄的一種延伸。以削減徑流排放總量和控制中小降雨事件徑流水質為主要目標,根據設施外觀、景觀功能、建造位置等,一般分為雨水花園、種植池、滯留帶和樹池四種。事實上,這類設施以往并未被人們當作調蓄設施,更多視它們為一類滲透設施。本文將它作為一種調蓄設施來討論的理由是:第一,這些設施同樣具有一定的調蓄能力,即具有一定的、分散式的調蓄容積,從英文的生物滯留(bio-retention)及這些設施的容積計算方法也可以看出;第二,源頭調蓄設施已在相關規范標準和技術指南中體現,如新編《城市雨水調蓄工程技術規范》中明確寫出城市雨水調蓄工程應采用低影響開發理念,并具體體現在源頭措施中;新發布的《海綿城市建設技術指南》中也涉及用于不同尺度的多種調蓄設施。

3    城市雨洪調蓄系統

城市雨洪調蓄設施涉及多目標(控制污染、錯峰、回用等)、多尺度和多形式,在《城市雨水調蓄工程技術規范》中,有水體調蓄、綠地廣場調蓄、隧道調蓄等多種;在《城鎮內澇防治技術規范》中,在源頭子系統、小排水子系統和大排水子系統中,也都有調蓄設施。從城市尺度綜合解決雨洪問題,并非單一形式、單一功能的調蓄設施能夠實現。因此,必須有一個調蓄系統的清晰框架,并合理地納入到當地的排水防澇規劃、綠地規劃、相關城市規劃和用地規劃中。圖1是從不同尺度雨水系統的角度給出的城市雨洪調蓄系統概化示意圖。

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1    不同尺度雨水系統中調蓄設施構成的城市雨洪調蓄

系統概化示意

小尺度(即在通常進入市政管線前的獨立用地單元內)分散式調蓄,以控制徑流排放總量和污染、雨水利用等功能為主,常用雨水池/桶、生物滯留設施等灰色及綠色源頭調蓄設施,針對中小降雨事件來設計設施規模。中尺度(如進入市政的一個排水區域)往往更側重于控制徑流污染、防控內澇,常用調節池、儲蓄池、雨水濕地和景觀水體等設施。大尺度(例如城市、流域范圍)除了要涵蓋前兩個尺度的調蓄和控制目標外,還需要考慮從更大范圍和利用終端設施來控制超常規暴雨,往往還需要考慮采用大型調節池、調蓄隧道、多功能調蓄公園或開放空間、泛洪調蓄區等大型設施才能實現其控制效果,而且,在這三個尺度之間,也具有十分復雜的耦合和交叉關系,并不是截然分開。

此外,還可從城市雨洪控制利用各子系統中的控制目標來分析調蓄系統的構成,即,由具有徑流總量和污染控制、雨水利用、排水防澇峰值控制等不同功能的各種調蓄設施所組成,也是源頭LID控制系統、小排水系統、大排水系統的重要組成部分。通過調蓄系統和管渠排放系統的有機組合,為構建城市良性水文循環和海綿城市發揮關鍵作用。

4    調蓄系統銜接關系

不同于單一設施的設計和實施,調蓄系統的規劃設計和實施不僅涉及到調蓄和管渠的關系、源頭和中途/終端的關系、綠色設施和灰色設施的關系、地面和地下空間關系,還涉及設施組合和系統優化,涉及相關專業配合等更復雜的問題。在城市中規劃實施多功能、多目標的調蓄系統,必須處理好這些銜接關系。簡化上述立體的復雜銜接關系,僅用圖2來表達城市雨洪控制利用系統中調蓄設施的平面銜接關系。一方面,在這個耦合的系統中,蓄、排設施的規模分別以容積和管徑來表征,即分別對應容積計算法和流量計算法,它們又分別由一定的總量控制利用率所要求的設計降雨量和一定的設計重現期所對應的設計暴雨流量來決定,它們既相互銜接又相互影響;另一方面,在系統規劃時,根據場地條件、重點關注的水澇點或排水難點的分布、已有的基礎設施現狀、道路和綠化空間的性質等,通過多方案比選和技術經濟分析,來優化配置上下游的調蓄設施及其規模,優化調蓄和排放設施的選型和規模,是一項十分重要且復雜的工作。

2    調蓄系統簡化銜接關系

例如(參見圖2),在不改變傳統小排水管道系統標準和能力的情況下(一定的管渠設計流量Q2及調節設施規模V2),通過源頭控制系統中的調蓄容積V1作用,根據項目條件的不同,可相應將原小排水系統的能力提高到不同的設計標準;在整個系統中,為實現總量控制目標的V1、V2、V3的布局及規模分配也會直接影響控制效果及投資效益。毫無疑問,在規劃設計時應進行多方案比較,有條件時可采用模型模擬手段。

顯然,新的排水防澇設計標準和海綿城市的目標,僅僅依靠傳統排水系統將難以實現,而需要通過綜合性的措施。楊正等通過測量北京城區部分道路橫縱坡,核算、研究道路的排水能力。結果顯示,在監測路段較小的橫縱向坡度條件下,道路地表的排水能力加上地下已有的1年一遇的雨水管道排水能力,可綜合達到3~5年甚至更高的排水標準,但難以達到10年一遇以上的標準。經計算,如果再結合源頭的LID滯蓄措施,則完全有可能達到10年一遇以上的大排水系統的標準,具體情況需要通過實際條件下的測算或模擬分析決定。實際上,這也是在已經發生的一些特大暴雨條件下,許多雨水管道設計標準較低的老城區也并未都發生嚴重水澇的原因之一。即,這種設計或非設計蓄排系統的銜接實際上實現了比設計管道更高標準的排水防澇作用。喬夢曦等人通過SWMM模型模擬研究也表明,應用源頭微調蓄措施,在一般情況下可以將原排水系統的排水標準從1年一遇提高至3年一遇,或從3年一遇提高至5年一遇或更高。這也充分說明,必須依靠合理的蓄、排系統銜接,才能以更少的投資、更合理的方式達到排水防澇和總量控制目標,而不同尺度和功能的調蓄設施及其容積在城市空間及各子系統中的合理配置將是這一技術的重點和難點。

對新建城市或區域,從理論上說,通過上述科學構建的蓄排系統,可相對容易地實現上述綜合目標??篩菪碌撓晁芮曜?、內澇防治標準,結合土地利用規劃、景觀規劃和道路規劃,充分利用綠地空間和地表豎向關系,優先采用源頭微調蓄設施和多功能調蓄設施,結合大小排水系統,以較小的投入達到較高的標準,獲得更高的產出,實現系統的優化。但關鍵是,需要城市規劃、建筑、園林景觀、道路和市政排水相關專業及部門的高度協作。

     舊城提標改造一般涉及在已有建筑、道路和基礎設施條件下來調整地面高程及用地功能、翻建雨水管渠、補建調蓄設施、重構植被景觀等,這不僅投資高昂,而且涉及面廣、實施難度大,牽扯到嚴重干擾城市正常運行和市民生活等一系列難以估量的困難。所以,對舊城排水系統的提標,排水防澇規劃不應該局限在簡單地對不達標的管道進行全面改建,或大范圍建設地下調節池或調蓄隧道,必須進行深入研究、多方案的比選、詳細的技術經濟和社會接受度的分析??燒攵岳芳鍬薊愕戎氐闈?,通過模型模擬、監測等多種手段進行詳細分析計算,為源頭控制設施的改造建設、現況雨水管渠改造方案、蓄排系統組合、不同功能調蓄設施規模及布局等一系列工程手段給出科學的量化分析和指導性意見,確定不同地區雨水系統改造的主要內容、主次關系、時序和重點,把有限的資金用在刀刃上,高效率地實現提標改造,最大限度地發揮綜合效益。

5    結語

調蓄系統是城市雨洪控制利用系統中一系列大大小小的重要節點或斑塊的優化組合,并以地下和地面的大小排水管渠系統為紐帶,連接并整合為具有排水防澇、徑流污染(包括CSO污染)控制、城市雨水利用等多功能的系統工程,結合城市規劃、土地利用、園林綠地、道路、河湖水系、氣候變化的影響等多種因素,通過精巧的平衡和模擬自然,構建出具有一定彈性的基礎設施,為具有海綿功能的現代城市提供必要的技術保障。為此,應構建源頭與中途/末端相結合、灰色與綠色相結合、地面與地下相結合的調蓄系統,量化評估不同子系統中調蓄設施的綜合作用,合理選擇和組合不同子系統中調蓄設施,并在雨水專項規劃中優化配置和布局,通過城市規劃、土地利用規劃和綠地景觀規劃等協調、保障落實。



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