海绵城市低影响开发措施雨洪控制效应

第1章 绪论 1.1 研究背景 近年来，快速城市化导致的城市内涝、水污染、水生态退化和水资源短缺等城市水问题引起了全球的关注，随着快速城市化和气候变化对城市水系统负面影响的出现，城市建设过程中对城市水系统的发展提出了更高的要求。我国的城镇化率于2011年便超过了50%，标志着我国成为一个城市化工业大国，至2019年城镇化率达到了60.60%，说明我国城市化程度在不断增大，如何有效地控制由城市水问题而引起的水灾害及如何减轻城市水灾害对城市系统的影响，对科学研究和社会发展都具有重要意义。城市水管理系统在解决城市水相关问题方面发挥着主导作用，因此，世界各国越来越重视城市水管理系统构建，并对其开展了广泛的科学研究。 为缓解日益严重的城市水问题，我国在参考和借鉴国外建设经验与相关理论知识的基础上，于2013年12月确立了适合本国国情的城市水综合管理策略——海绵城市，其理念是自然积存、自然渗透和自然净化，设想城市如海绵般在降雨时下渗滞流和储蓄雨水并使雨水得到一定程度的净化，*后达到雨水资源的收集和利用的目标（夏军等，2017a）。海绵城市是在发展中国家首次提出且适用于快速城市化阶段的综合城市水资源管理战略，因此我国的实施经验可为其他发展中国家提供参考，我国海绵城市建设发展进程如图1-1所示。 图1-1 海绵城市建设发展进程时间轴 2014年，《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》（简称《指南》）确定了以年径流总量控制率为目标，兼顾排水防涝和污染控制等方面的思路，《指南》为海绵城市建设提供了科学的指导，为日后围绕《指南》展开的海绵城市建设科学研究奠定了重要基础。2015年和2016年相继批准了共30个城市作为海绵城市的试点地区，政府引导和鼓励政策提高了社会参与的主动性和积极性，海绵城市建设在各级政府和部门推行呈白热化状态，时任住房和城乡建设部副部长陆克华在国务院政策例行会上指出，海绵城市是我国城市发展理念和建设方式转型的重要标志。2021年，财政部、住房和城乡建设部和水利部通过竞争性选拔，确定广州等20个城市为典型示范城市，系统化全域推进海绵城市建设。 随着海绵城市试点工作的逐步推行，海绵城市建设成效得到了很好的总结和分析，同时强调加强对海绵城市的内涵、要点和原则的进一步探索和梳理。低影响开发（low impact development，LID）模式、可持续发展规划和弹性城市等核心思想逐渐被强化（Jiang et al.，2017；Sang and Yang，2017），LID模式强调尽量保护城市发展前原有的生态特征并合理控制开发强度，达到尽量降低不透水面积增加速率的目标（李俊奇等，2015）；可持续发展规划强调通过工程措施与非工程措施的综合方式控制城市水污染，保护城市水生态（王文亮等，2014）。海绵城市的弹性也越来越受重视，弹性指的是海绵城市在不同形式和条件变化环境下的适应能力，具有弹性的城市系统能够吸收外部干扰并学习重组从而保持自身特征（张书函，2019），弹性的概念在海绵城市建设理念基础上进一步延伸，巩固优先利用自然排水系统与建设生态排水设施的海绵城市建设要求。 1.2 研究意义 LID措施是海绵城市建设过程中的重要手段，LID措施被形象地称为海绵体，通过建设 LID措施来降低城市扩张对自然环境的影响，可减缓城市不透水地表的增长速度，同时增加城市的弹性（邢薇等，2011）。此外，城市径流污染的控制是建设海绵城市的重要目标之一， LID措施在城市非点源污染的消解和截留、治理城市黑臭水体与修复城市水环境等方面发挥着重要的作用（张鵾和车伍，2016）。LID发展模式植根于自然和社会水循环的科学根源，研究并合理运用径流控制和污染净化的相关规律，有利于缓解城市内涝灾害和城市非点源污染，促进城市水生态可持续发展，构建健康的城市水循环系统，并能提高城市的适应能力以应对城市化扩张与气候变化带来的影响（刘家宏等，2019）。 目前，海绵城市建设试点工程基本落成， LID措施的优点是显著的，但 LID措施的实施受到技术问题、地域气候要素、土壤类型、政策法规、建设成本和维护管理等因素的限制（孙艳伟等，2011）。不同 LID措施具有不同的水文响应及水质处理特性，而且LID措施雨水径流控制能力与不同地区的自然地理条件密切相关。我国幅员辽阔，各地区的地形、气候条件和土壤类型等自然地理条件都有所不同。为实现 LID措施在中国的本土化推广应用，还需要进一步结合区域自然地理特征，探究和完善 LID措施技术体系。因此，开展 LID措施的实地监测、试验以及模型模拟研究是当前 LID措施研究的重要发展方向。此外，在考虑当地的环境、社会和经济情况基础上，综合分析实施 LID措施的控制目标，完善城市雨洪管理系统的效益考核与评估系统具有重要的应用价值；构建LID措施建设规划布局和经济效益优化系统，有助于实施方案的比选与优化并为决策者提供科学参考依据。 广东省广州市作为我国南方经济较为发达的城市，城镇化率高，加之雨量丰富，其面临的城市水问题更为严峻，更需要建设海绵城市。因此本书选择广州市作为典型城市，进一步探索 LID措施的雨洪控制效应。本书从中试试验、现场试验和现场监测等不同尺度开展下凹式绿地、透水铺装（PP）、绿色屋顶（GR）、生物滞留池（BC）和人工湿地等LID措施的雨水径流控制效应研究；并以试验和监测结果为基础，利用 Hydrus-1D模型进行 LID单项措施的雨水径流控制效应模拟评估，揭示其雨水径流水质水量变化规律；深入探讨 LID措施运行过程中的水量平衡机理，基于解析概率模型评估 LID措施径流水量控制效果；结合径流水量水质同步监测系统分析城市径流过程和非点源污染情况，探索城市雨水径流初期冲刷效应；基于多目标优化算法分析优化 LID措施空间布局；应对气候变化和城市不透水率增加所带来的不利影响，评估 LID措施应对不同特征降雨的潜在能力及检视其在调控城市径流效应中的有效性。以上研究可为 LID措施的推广应用及海绵城市建设推进提供一定的技术支撑和科学依据，为 LID措施径流控制效益的定量化分析提供科学理论基础，对提高我国 LID措施建设策略对未来气候情况的适应性具有十分重要的科学意义。 1.3 海绵城市与低影响开发雨水系统内涵 1.3.1 海绵城市概念 习近平总书记在2013年12月中央城镇化工作会议上，提出建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”，为了贯彻习近平总书记讲话及中央城镇化工作会议精神，节约水资源，保护和改善城市生态环境，促进生态文明建设，2014年10月，住房和城乡建设部出台了《指南》，同年12月，财政部、住房和城乡建设部、水利部三部委联合启动了全国首批海绵城市建设试点城市申报工作，共有16个城市入选首批海绵城市建设之列。2015年10月16日，国务院办公厅发布了《关于推进海绵城市建设的指导意见》（国办发〔2015〕75号），为加快推进海绵城市建设，修复城市水生态、涵养水资源，增强城市防涝能力，扩大公共产品有效投资，提高新型城镇化质量，促进人与自然和谐发展起到了重要作用。 海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用，主要是指通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展理念。海绵城市建设应遵循生态优先等原则，将自然途径与人工措施相结合，在确保城市排水防涝安全的前提下，*大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源利用和生态环境保护。在海绵城市建设过程中，应统筹自然降水、地表水和地下水的系统性，协调给水、排水等水循环利用各环节，并考虑其复杂性和长期性。因此，海绵城市建设的核心内容是低影响开发的雨水利用技术。 海绵城市的实质就是现代城市雨洪管理，它和近20多年来美国所倡导的*佳管理措施（best management practice，BMP）、LID、英国等欧洲国家提出并推广的可持续城市排水系统（sustainable urban drainage system，SUDS）、澳大利亚提出的水敏感城市设计（water sensitive urban design，WSUD）以及近年来又逐渐提出的绿色（雨水）基础设施（green stormwater infrastructure，GSI）等一脉相承（李小静等，2014；李俊奇等，2015；刘超，2015；车伍等，2016；张伟和车伍，2016；李俊奇等，2017），该理念核心打破了传统的“快排”“末端控制”的单一控制模式，构建以分散式、生态化、多目标为指导思想的新型雨水控制利用系统，实现了对城市雨水从源头到终端的全流程控制和利用，遵循顺应自然、适应自然和与自然和谐相处的原则，与上述这些国家所提出的现代雨洪管理模式相契合。 1.3.2 LID雨水系统内涵 LID雨水系统构建是建设海绵城市的重要环节，而 LID措施是构建 LID雨水系统的基本单元。众所周知，传统的排水模式是雨水排得越多、越快，就越好， LID雨水系统则是基于“渗、滞、蓄、净、用、排”六字方针，将雨水的渗透、滞留、集蓄、净化、循环使用和排水密切结合，统筹考虑内涝防治、径流污染控制、雨水资源化利用和水生态修复等多个目标，进而达到“更宜居、更安全、更节能、更生态”的目标。 LID雨水系统通过构建分散式的 LID措施，对雨水径流进行蓄滞、渗透、储存、调节、转输与截污净化等，从而降低场地不透水率、延长径流路径、削减径流流速和增加径流时间，具有减缓城市内涝、净化水质和涵养地下水等综合功能。 LID措施包含多种不同形式和功能的措施，主要有绿色屋顶、透水铺装、下凹式绿地、生物滞留设施、渗透塘、渗井、湿塘、人工湿地、蓄水池、雨水罐、调节塘、植草沟（VS）、渗渠、植被缓冲带、初期雨水弃流设施、人工土壤渗滤等（Davis，2005）。 LID雨水系统强调将有化为无、将快化为慢、将大化为小、将排他化为包容、将集中化为分散、将刚硬化为柔和，其主要内涵如下。 1.原位截留而非转嫁异地 城市雨水资源化利用包括异地集中与原位截留两种收集方式。异地集中即我国传统排水工程，主要采用点式雨水口、管网、泵站和蓄水池相结合的方式收集雨水，并将其快速排入下游异地收集；原位截留是指采取就地利用措施将雨水资源尽可能地“就地消化”，一方面可以起到节约成本以利用雨水资源的目的，另一方面可以减少城市降雨径流污染，减轻城市化给水安全水环境所带来的威胁（俞孔坚，2015）。 2.慢下来而非快起来 将洪水、雨水快速排掉，是当代防洪排涝工程主要采用的处理方式。这种以“快”为标准的排水方式忽略了雨水在城市水循环中的重要作用和水在生态系统中作为主导因子的价值，以至雨水不能下渗补充地下水和滋润土地，反而使洪水的破坏力加强，将上游的灾害转嫁给下游。雨水下渗是需要一定时间的，需要设置措施提供尽可能长的原地停留时间，以促进下渗，涵养地下水（俞孔坚，2015）。 3.分散而非集中 LID雨水利用技术是小规模的、分散的源头控制技术，如图1-2（a）所示，每个 LID措施所能接纳的雨水范围有限，离之太远的 LID措施不能有效截留雨水，故集中设置的 LID措施并未充分发挥其效果（仇保兴，2015）。相反，分散设置的 LID措施却能得到充分利用，分散设置反而能起到“1+1>2”的效果，见图1-2（b）。 图1-2集中、分散对比图 4.效仿自然，弹性适应而非刚性对抗 在当代以“快排”为理念的治水背景下，河道裁弯取直被认为是科学有效的，所以在中国大地已很难找到一条不被“三面光排水渠