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摘 要: 針對我國城市發展中傳統的雨水處置方式與水資源、水循環系統、生態環境等方面存在的突出問題,簡要地梳理了發達國家近20年來不斷完善和發展的一些典型的雨洪管理理念和相關體系。比較分析了這些體系的特點,總結了發達國家及我國在城市發展中形成的新的雨洪管理理念、管理經驗和科研成果,提出應通過系統研究盡快建立與資源節約、環境友好型城市相適應的現代城市雨洪控制利用科技與管理體系,為構建科學的城市水環境治理模式和良性的水循環系統提供新的支撐,為解決我國城市化過程中暴露的水資源、水環境和生態方面的嚴重問題少走彎路,降低快速城市化付出的環境和生態代價。
關鍵詞: 雨洪管理; 雨洪控制與利用; 水環境; 水循環; 生態
一直以來,我國對待城市水循環系統中的關鍵要素/雨水0的態度基本上是把它當作一種/廢水0而簡單地/排放0,盡管北京、上海等發達城市近10年來系統開展了雨洪控制利用的研究和工程應用,在技術與管理方面取得了快速進展,但總體上我國城市的市政、水務及環境等相關領域的工程設計、建設與管理體系仍限于傳統,偏重于防洪排澇控制和雨水的安全排放,因此不可避免地存在雨水徑流非點源污染、暴雨和城市化雙重作用引發嚴重的洪澇災害、嚴重缺水和雨水資源的大量流失、地下水位下降、生物棲息地及多樣性減少等生態環境惡化問題。
顯然,對待雨水的傳統觀念及其排除方式有悖于構建資源節約型、環境友好型社會和水資源可持續利用的理念和城市發展戰略。因此,如何解決好城市雨洪控制利用與城市基礎設施建設、雨水排放與徑流污染控制、徑流削減和洪澇災害防治以及城市水環境保護與綜合整治等方面的問題和矛盾,降低城市雨水排放的社會與環境代價,探索綠色、科學的城市雨水處置方式,研究、構建高效的雨洪控制利用技術和管理體系仍是我國城市面臨的迫切課題。
1 發達國家典型的雨洪管理體系
發達國家早在20世紀70年代就開始對城市雨水污染等問題開展研究,經過數十年研究和工程應用已形成系統的雨洪管理體系,代表性的有美國的最佳管理措施(BMPs)和低影響開發(LID)、英國的可持續排水系統(SUDS)、澳大利亞的水敏感性城市設計(WSUD)、新西蘭的低影響城市設計與開發(LIUDD)。例如,美國的51個州都有相應的雨洪管理手冊或指南。
1.1 BMPs體系概要
最佳管理措施(BestManagementPractices,BMPs)是在1972年美國聯邦水污染控制法及其后來的修正案中第一次提出來。起初BMPs的主要作用是控制非點源污染,發展到現在,BMPs已經注重利用綜合措施來解決水質、水量和生態等問題。
BMPs通常可以分成工程性措施和非工程性措施兩大類,工程性措施主要包括雨水池(塘)、雨水濕地、滲透設施、生物滯留和過濾設施等,非工程性措施則指各種管理措施。
因法規要求和各地控制目標的不同、特殊地區(漁業、水源保護區等)的需要等,BMPs的目標有以下幾個方面和層次:(1)洪澇與峰流量控制;(2)具體污染物控制準則,如沉淀物、SS等污染物的去除;(3)水量控制,主要關注的是年均徑流量而非偶然的暴雨事件,要求對較小的降雨事件如2.54cm(也即徑流水質控制容積)以下的降雨實施有效控制,約占當地年降雨事件和徑流量的90%;(4)多參數控制,除了對洪澇、峰流量和水質的控制,還增加了地下水回灌與受納水體的保護標準;(5)生存環境保護和生態可持續性戰略,即生態敏感性雨洪管理,目的是要建立一個生態可持續的綜合性措施,包括以生物、化學和物理的標準來確定BMPs實施的效果。
1.2 LID體系概要
低影響開發(LowImpactDevelopmen,tLID)是從基于微觀尺度景觀控制的BMPs措施發展而來的,LID理念由美國喬治省馬里蘭州環境資源署于1990年首次提出,主要是以分散式小規模措施對雨水徑流進行源頭控制。
LID也是一項基于綜合性措施來管理城市雨水的方法,可以歸納為圖1所示的五個方面。
LID的核心是通過合理的場地開發方式,模擬自然水文條件并通過綜合性措施從源頭上降低開發導致的水文條件的顯著變化和雨水徑流對生態環境的影響。
LID的首要目標是通過場地適用技術(如儲存、滲透等)來模擬開發前場地的水文條件,主要目標和原則是:(1)為受納水體的水環境保護提供改良技術;(2)為促進環境敏感性的項目開發從經濟上提供鼓勵(即經濟上具可行性);(3)發展全方位的環境敏感性的場地規劃與設計;(4)促進公共教育和鼓勵參與環境保護;(5)有助于建立基于環境管理的社區;(6)減少暴雨基礎設施建造和維護成本;(7)引入新的暴雨管理理念(如微觀管理、多功能景觀),模擬和復制接近自然的水文功能,維護受納水體的生態/生物的完整性;(8)有助于規章制度的靈活性,鼓勵創新工程和因地制宜的場地規劃;(9)有助于從經濟、環境和技術可行性方面對當前雨洪控制利用措施的適用性與合理選擇方法方面展開討論。
LID設計通常需要結合多種控制技術來綜合處理場地徑流,主要分為保護性設計、滲透技術、徑流儲存、徑流輸送技術、過濾技術、低影響景觀等六部分,具體情況見表1。
1.3 SUDS體系概要
英國在1999年5月更新的國家可持續發展戰略和21世紀議程的背景下,為解決傳統排水體制產生的多發洪澇、嚴重的污染和對環境破壞等問題,將長期的環境和社會因素納入到排水體制及系統中,建立了可持續城市排水系統(Sustainab le Urban Drainage Systems,SUDS)。
SUDS主要綜合考慮城市環境中水質、水量和地表水舒適宜人的娛樂游憩價值(見圖2)。顯然,SUDS由傳統的以/排放0為核心的排水系統上升到維持良性水循環高度的可持續排水系統,在設計時綜合考慮徑流的水質、水量、景觀潛力和生態價值等;由原來只對城市排水設施的優化上升到對整個區域水系統的優化,這不但要考慮雨水而且還要考慮城市污水與再生水,通過綜合措施來改善城市整體水循環。
傳統方法與SUDS的關系見圖2。
與傳統的城市排水系統相比,可持續排水系統具有以下特點:(1)科學管理徑流流量,減少城市化帶來的洪澇問題;(2)提高徑流水質、保護水環境;(3)排水系統與環境格局協調并符合當地社區的需求;(4)在城市水道中為野生生物提供棲息地;(5)鼓勵雨水的入滲、補充地下水等。
SUDS體系也要求盡可能從源頭處理徑流和潛在的污染源,保護水資源免于點源與非點源的污染。圖3所示的雨水徑流管理鏈可清楚地說明SUDS的理念,首先利用預防和良好的家庭、社區等源頭管理方法對徑流和污染物進行控制,再到較大的下游場地和區域控制,在徑流產生到最終排放整個鏈帶上分級削減、控制(滲透或利用)產生的徑流,而不是通過管理鏈的全部階段來處置所有的徑流。
SUDS的技術措施類似于BMPs和LID中的技術,也可以分為源頭控制、中途控制和末端控制三種途徑,以及工程性、非工程性兩類措施,這些技術和措施相互配合貫穿于整個雨水的管理鏈。
1.4 WSUD體系概要
水敏感性城市設計(WaterSensitiveUrbanDe-sign,WSUD)是澳大利亞對傳統開發措施的改進,它強調通過城市規劃和設計的整體分析方法來減少對自然水循環的負面影響和保護水生生態系統的健康。WSUD體系視城市水循環為一個整體,將雨洪管理、供水和污水管理一體化。
WSUD反映在城市愿景、規劃、設計和建造中發生的根本性改變,而不是使用傳統的單一模式。WSUD認為城市的基礎設施和建筑形式應與場地的自然特征一致,此外還將雨、污水作為一種資源加以利用。其關鍵性的原則有:(1)保護現有的自然特征和生態;(2)維持集水區的自然水文條件;(3)保護地表和地下水水質;(4)降低供水管網系統的需求;(5)減少排放到自然環境中的污水量;(6)將雨、污水與景觀相結合來提高視覺、社會、文化和生態的價值。
WSUD體系是以水循環為核心,主要是把雨水、供水、污水(中水)管理視為水循環的各個環節,這些環節相互聯系、相互影響,統籌考慮,打破了傳統的單一模式,同時兼顧景觀和生態環境。顯然,雨水系統也是WSUD中最重要的子系統,必須具備一個良性的雨水子系統才有可能維持城市的良性水循環。在WSUD雨水系統中,具體的技術措施及體系也與上述類似。WSUD體系中的水循環系統見圖4。
1.5 LIUDD體系概要
低影響城市設計和開發(Low Impact Urban De-sign and Developmen,t LIUDD)是由北美的低影響開發(LID)和澳大利亞的水敏感性城市設計(WSUD)發展而來的。LIUDD體系應最大化地發揮自然價值和減少沉積物、徑流污染物和不透水面積;減小對水域、生物多樣性的影響和能源、材料的使用;可持續的區域及其發展以及改善城市流域的治理。總之,LIUDD應該是多種理念的綜合:LIUDD=LID+CSD+ICM(+SB),其中LID為低影響開發,CSD(Conservation Sub-Divisions)為小區域保護,ICM(In-tegrated Catchment Management)為綜合流域管理,SB(Sustainable Building/Green Architecture)為可持續建筑/綠色建筑。LIUDD不僅應用于城市環境,還可用于城市周邊及農村,從而促進低影響農村住區設計和開發(Low Impact Rural Residential Designand Developmen,tLIRRDD)體系的發展。
LIUDD也是為了避免常規的城市發展模式對生物多樣性、理化方面(水質、水量等)、經濟、社會、娛樂游憩等方面產生的負面影響,保護水生和陸生生態系統。
LIUDD的關鍵性原則可分為三個層次,并不斷更新。首要原則:該原則在LIUDD等級層上處于最重要的地位。該原則主要是尋求一種共識,即人類活動要考慮自然循環,最大限度地減少負面效應和優化各類設施。城市設計中ICM非常重要,其中生態承載力為其考慮的核心。第二原則:該層次的原則可以分為三部分,首先是關于場地選擇的原則,指出對于城市發展區域中選擇最適宜的場地是LI-UDD成功的關鍵。如果沒有這一步,即使第三原則應用很好,也難以達到預想的結果;第二點是有效地采用基礎設施和保護、設計生態設施;第三為減小流域的輸出和輸入,即最大程度地將資源利用和廢物處置本地化。第三原則:主要包括利用小區域保護方法(分散式)來保持開放空間和提高基礎設施的效率;利用/三水0的綜合管理來減輕污染和保護生態,優化水和營養物的循環。
2 啟示
基于上述簡要分析和梳理,還需要明確以下幾個問題:
(1)幾個重要概念及子系統
a“雨洪管理”和“雨洪控制利用”
“雨洪管理”(storm water management)也常被直譯為“暴雨管理”,但從該領域的發展及內涵看這顯然都不夠準確且容易引起誤解。第一,關于雨水的問題已經不能僅限于“暴雨0,雨水利用、徑流污染和徑流總量控制等主要是考慮處理大量的中、小降雨事件。第二,中文“管理”一詞易被狹義理解為非技術性或非工程性,而從英文management直譯的“管理”則是廣義的,即包括了技術。因此,筆者認為用“雨洪控制利用”能比較全面、清晰地反映該領域的內涵:“雨洪”涵蓋了發生頻率更大的中、小雨和小概率的暴雨(洪);“控制”既涵蓋了對徑流污染、徑流峰值及徑流排放總量的控制,也包括了傳統的城市排水和防洪排澇系統;“利用”則體現了對雨水資源的綜合利用,也突出了由于我國城市普遍嚴重缺水而重視雨水資源利用的本土化特征。不作特殊指明時,這幾個方面都涉及技術體系與管理體系。
還有兩點需要強調,一是由于降雨的特性、設施應用條件及其設計原理的不同,為實現城市雨洪控制利用,不同目標的措施、設計原理和標準都會不同。水質控制(也包括雨水滲透和利用)一般主要針對出現頻率較高的小降雨事件[4、5],即通常所說的水質控制降雨(water quality storms),而城市排水、侵蝕和洪澇控制則主要針對出現頻率較小的中、大雨到暴雨事件,也稱為水量控制降雨(quantity storms)。二是國內外發達城市的經驗均表明,我國城市對該領域狹義的“管理”(如法規、政策、管理機制、宣傳教育、民眾的參與等)必須予以更多的重視,否則再好的技術也難以實現預期目標。
b.幾個重要的子系統及相互領域的關系
雨洪控制利用系統至少包含了雨水徑流污染(也稱面源污染、非點源污染或擴散污染)控制、暴雨與洪澇控制和雨水資源利用等幾個子系統。過去這幾個子系統相對獨立且自成一個龐大的復雜系統。近年來,這幾個子系統被越來越緊密地結合在一起,這從上述體系分析和國際上相關研究領域的發展可以清晰地看出。例如國際雨水利用協會(IRCSA)自正式成立以來已成功舉辦了14屆大會,該組織(未納入國際水協)及大會的宗旨和主題主要是針對世界各地缺水問題而開展城鄉雨水資源利用方面的研究及其推廣應用交流,目前逐步涉及環境和流域管理及水土保持等廣泛課題。國際水協非點源污染控制專家組(Specialist Groupon Diffuse Pollutionof IWA)則重點開展了雨水徑流污染控制研究領域國際間的交流,目前也涉及城市排水系統(合流制與分流制)問題、雨水利用與城市生態、景觀等課題。幾年前國際水協又另外成立了雨水利用與管理專家組(Rainwater Harvesting& Management Specialist Group),除了突出雨水利用及其“管理”主題外還涉及氣候變化、水質問題、洪澇削減等。近年來美國還舉辦了不少全國或區域性的LID學術大會,此外還有許多國家和地區開展了雨洪控制利用的相關學術活動。
筆者近十幾年來跟蹤參與這些領域的學術交流,深切感到隨著研究的深入和大量工程的應用,人們越來越清醒地認識到從單一專業、局部或某個子系統很難解決好城市雨水、水循環和生態系統的問題,需要環境、市政(給水排水)、水利、農林、建筑、景觀、規劃、道路、社會與城市管理等多專業的學者、工程技術和管理人員及NGO的廣泛參與和配合[6、7]。國內雖然有一些環境、水利、景觀規劃等專業的學者參與了上述某個領域的國際學術交流,但遺憾的是在這些重要專業領域的國際學術交流中,國內給水排水領域的學者和科技、管理人員的參與太少,應該引起同行的重視。
(2) 雨洪控制利用與管理歷經長期研究,并從低層次向高層次發展
國際上數十年和我國近十幾年來的研究歷程和成果都清晰地表明,對待城市雨洪問題的態度和對策都經歷了從低層次向高層次、從單一方面向綜合方面的長期研究和發展過程,才形成了較為完善的系統。其中很重要的一點是,一些發達國家已建立雨洪控制利用相關的法規體系,用以保證受納水體的水環境健康;另外一些國家或城市規定了開發后的雨水徑流總量、峰值流量不得超過開發前的,同時也對徑流污染物提出具體量化的控制要求。
各國既互相借鑒又結合國情有針對性地開展本土化和地域性研究,相互促進并不斷完善。無論各國體系的稱謂、側重點或發展階段的不同,但基本內涵和發展趨勢殊途同歸,也產生了不少新的科學理念、理論和大量的技術創新。
3 構建我國城市雨洪控制利用體系
上述發達國家的經驗和我國城市水資源與水環境突出的現實問題都表明,無論是城市的可持續發展、推行綠色建筑或綠色基礎設施、全國污染源普查及污染物總量控制、國家實施的重大科技水專項和流域治理等,還是具體到雨水利用、非點源污染控制等分支領域,都迫切需要構建我國城市雨洪控制利用的科技、工程建設與管理的完整體系,應重點做好以下幾方面工作:
(1)轉變傳統觀念,建立新型的綜合性模式
首先必須轉變對待城市雨水的傳統觀念和排放方式,從功能單一、分割的模式向綜合性模式發展;強化土(場)地的合理規劃設計、模擬自然水循環和綜合流域管理等理念,既不能僅局限于防洪澇和安全排放,也不能簡單地增加或單方面考慮徑流污染控制或雨水利用來解決城市雨水問題,而應基于更高層次從水質、水量、良性水循環系統和城市景觀、生態等整體考慮,科學地建立城市雨洪控制與利用綜合模式。
(2)開展深入、系統的研究
應該清醒地看到,我國在這個領域上的整體落后,可喜的是近年來從國家/十一五0科技支撐項目、水專項到許多地方都有大量的資金投入與雨水相關的研究和工程示范。從發達國家和我國部分發達城市的經驗看,要特別注意避免重技術輕管理的傾向,技術與管理并重,沒有科學、系統的管理機制相匹配,不僅會制約技術的推廣和工程應用,而且大量的技術投入也容易造成事倍功半。此外還要減少低水平重復研究,要針對國情和區域特點因地制宜地開展綜合性深入研究,實現跨越式發展。
(3)打破條塊分割,實現跨專業、多系統間的結(配)合
城市雨洪控制利用是一個龐大、復雜的系統工程,涉及多學科交叉領域,需要多專業、跨部門的配合,避免各自為政,各行其是,相互沖突和矛盾。同時,也需要學者、建筑師、規劃景觀設計師、市政工程師、開發商、管理人員甚至普通市民的參與合作。
(4)建立完善的技術體系和相適應的管理體系
在上述基礎上充分發揮我國的后發和比較優勢,盡快構建我國城市雨洪控制利用科技與管理體系,包括掌握新的理論與技術的規劃設計和工程建設隊伍,具有現代理念、先進手段和豐富經驗的管理機制和人員,具有創新能力和產品開發(設備、裝置、材料)的新型企(產)業,具有完善內容的教科書、技術設計手冊或指南、規范標準等系列科技資料。這是一項長期、艱巨的任務,需要不斷研究、應用和逐步完善,既要有超前意識和緊迫感,又不能急功近利、急于求成。由于城市雨水問題及其合理的解決方案地域性極強,很大程度上取決或受制于各城市甚至具體項目所在地的水文地質、已有的基礎設施等條件。因此要避免缺乏深入研究基礎就盲目、草率地推出片面、經不起推敲的國家規范或標準,甚至是部門化、企業利益化的國家或地方標準。尤其要避免缺乏科學依據和適用基礎的硬性的、規定過細的條文或統一的設計參數帶來被動、不良的后果,維護國家標準規范的嚴肅性和權威性。可以考慮通過技術指南或導則的試行,到推薦性、地方性標準,條件成熟后再制定強制性標準。另外,需要建立、健全國家的相關條例或法規。首先應該考慮將雨水徑流量和污染物減排納入我國污染物總量控制和減排體系,尤其對新建城市和新開發地區。
參考文獻:
[1] Prince George.s County.Low-impact Development: An Integrated Design Approach[M].US:Maryland Depar-tmentof Environmental Resource,1999.
[2] Paul Shaffer.SUDS Management Train[EB/OL].http:www.ciria.com/suds/suds_management_train.htm,2005-07.
[3] Melbourne Water.WSUDKeyPrinciples[EB/OL].h-ttp:wsud.melbournewater.com.au,2009-06.
[4] 潘國慶,車伍,李俊奇,等.中國城市徑流污染控制量及其設計降雨量[J].中國給水排水,2008,24(22):25-29.
[5] 潘國慶,車伍,李海燕,等.城鎮雨水收集利用儲存池優化規模的探討[J].給水排水,2008,34(12):42-47.
[6] 車伍,周曉兵.城市風景園林設計中的新型雨洪控制利用[J].中國園林,2008,24(11):52-56.
[7] 車伍,申麗勤,李俊奇.城市道路設計中的新型雨洪控制利用技術[J].公路,2008,(11):30-34