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车武教授关于城市雨洪调蓄系统合理构建的看法

文章来源:海西给排水 发布时间:2015-09-01 09:18:27 阅读次数:10421 次 [关闭]

摘要:调蓄是城市雨洪控制利用系统和排水内涝防治规划中最重要的组成部分,通过对调蓄设施的合理设计、应用,可以很好地控制径流污染、削减径流总量和峰值、缓解洪涝灾害、利用雨水资源等。针对国内在城市雨洪调蓄的研究、规划设计和工程实施中存在的一些主要问题,首先厘清调蓄设施的不同种类及功能特点,进而提出调蓄系统的概念、构建城市雨洪调蓄系统的框架,分析调蓄系统与城市雨洪控制利用相关子系统的联系及相互衔接关系,为我国城市雨洪调蓄系统相关标准的制定、规划设计与建设提供更科学的思路和技术路线。

调蓄是维持自然水文循环和城市良性水文循环极关键的环节,也是构建“海绵城市”的重大举措。我国古人在治水、用水中已充分显示了对调蓄的理解和智慧的运用,甚至可追溯到古老、边远的少数民族地区――云南元阳的哈尼梯田和南宋时期赣州的福寿沟蓄排系统等。然而当代,随着城市雨水“快排”理论的发展和灰色排水基础设施的大量建设,城市自然蓄排系统的格局发生了显著变化。传统灰色基础设施的增加减少了对自然调蓄排放设施的需求,大量河道、坑塘、湿地等天然调蓄设施被破坏、填埋甚至消失,城市调蓄能力大幅下降。尽管传统“快排”模式在城市排水和内涝防治方面发挥了重要作用,但难以有效解决城市水资源流失、径流污染、洪涝风险加剧等突出问题。而这也警示人们,重拾古代雨洪管理智慧,利用现代雨洪管理理念和技术,构建现代城市雨洪调蓄系统的重要性。

    调蓄是综合解决城市雨水问题的重要技术手段,近年来开始成为雨水领域新的研究热点,受到广泛重视。业内已开展了大量基础理论研究和工程实践应用,相关国家规范标准也正在编制,如新编《城市雨水调蓄工程技术规范》、《城镇内涝防治技术规范》等。但由于国内城市现代雨洪管理发展的整体滞后,相关研究及实践较薄弱,尤其在城市雨洪调蓄方面仍存在一些比较突出的问题,缺乏对雨水调蓄问题的系统梳理和对调蓄系统的综合性分析和科学认知,制约了相关标准的制定、调蓄设施的合理规划设计和有效实施等一系列重要工作的开展。

1、我国城市雨洪调蓄中存在的问题

1.1概念混淆

笔者早前已论述过调蓄的概念、设施分类、功能等,但由于雨水系统发展带来一些新的问题,业内对雨水调蓄系统长期以来缺乏足够的关注和深入研究,目前仍然存在一些概念不清和混淆的问题,甚至一些专业人员对储蓄和调节设施的功能、控制对象、设计方法等基础问题也存在理解上的片面或错误,这会直接影响到调蓄设施规划设计和工程建设的科学性,以及规范标准制定的合理性。

2、缺乏系统的思想和解决方案

因面对解决城市水涝、径流污染、雨水利用等问题的迫切需求,国内近年出现大量调蓄设施的规划设计与实践。例如,北京在许多建筑与小区雨水利用项目中应用了储蓄池,在立交桥积水点改造项目中已建、将建数十座调节设施;上海为治理苏州河径流污染先后建设多个CSO调蓄池;北京、沈阳、广州、上海等城市考虑通过建设深层调蓄隧道来重点解决内涝问题等。这些工程项目对解决城市雨洪问题具有重要意义,但是,一方面,它们的建设大多局限于局部问题缓解和末端控制,投资较高,综合效果有限;另一方面,它们的功能、构造和设计计算方法其实都不相同。如何针对一个城市区域雨洪的多种控制目标和复杂的条件,进行综合性规划设计,优化设置调蓄设施和规模,则是一个有待解决的难题。总体而言,缺少城市或区域尺度内各类调蓄设施的系统性规划设计,难以产生规模效益和实现多功能的“海绵城市”目标。

1.3相关系统衔接关系不清

调蓄设施是城市雨水系统中的核心设施之一,既可用于排水系统的源头、中途和末端,也可用于雨水利用、径流污染控制和洪涝控制等多个子系统,目前,业内不仅存在对雨洪控制利用系统各子系统间调蓄的衔接关系缺乏理解的问题,更缺乏对可量化的科学数据识别和合理衔接关系的掌握,难以为实际工程的规划设计和建设提供可靠的支撑。虽然在新编或修编的《城市雨水调蓄工程技术规范》、《海绵城市建设技术指南》、《城市排水工程规划规范》等技术文件中都引入了有关调蓄的内容,但各子系统中的调蓄基本相对独立,并未明确它们之间的衔接关系。例如,在排水内涝防治系统中,如何评估、优化源头控制和大小排水系统不同的调蓄设施组合;在径流水质控制过程中,如何实现储蓄设施在源头、中途及末端的优化配置;在旧城CSO溢流污染控制系统和内涝治理中,如何量化水质控制和暴雨峰流量控制的关系和效果;此外,调蓄设施涉及的土地空间如何在城市规划和绿地系统规划中得到体现和落实,这些都是需要给出清晰回答的重大问题。

1.4对绿色调蓄设施重视不足

事实上,绿色调蓄设施是城市“海绵体”的最重要形式,离开了绿色调蓄设施,“海绵城市”也将成为空中楼阁。但城市的过度开发过程已导致大量自然调蓄设施遭受严重破坏,“海绵”功能锐减甚至丧失。例如,北京市自1960年至1974年先后将金鱼池、太平湖、东风湖、青年湖等十余处总面积达71.8  hm2的湖泊填埋,其中因地铁拆迁、建房填垫湖泊达18.5  hm2,类似的例子在各城市不胜枚举。近年来,业内对地下调蓄池、隧道等灰色调蓄设施给予越来越多的重视,但对绿色调蓄设施的生态功能、景观效果及环境和社会综合效益等灰色调蓄设施不可替代的功能和海绵弹性之特点认识不足。

绿色调蓄设施不仅需要水专业的重视,更需要城市规划和建筑、园林景观等相关专业的重视。很典型的如,按照《城市居住区规划设计规范》中规定,新区建设绿地率不应低于30%,旧区改建绿地率不宜低于25%,但我国城市绝大部分的这些宝贵绿地,习惯性地多被设计成“凸”绿地,不仅难以发挥绿地的调蓄、渗透吸纳和净化等“海绵”功能,还容易产生严重的高耗水量和水土流失等问题,危害环境。

2、调蓄的概念

概念不清会导致一系列的问题,从业内目前情况看,有必要再一次强调和澄清调蓄的概念。根据调蓄的功能或作用原理,可将调蓄分为调节、储蓄、多功能调蓄三类。笔者在参与的多个雨水相关标准中,都明确地阐述调节、储蓄、多功能调蓄的概念。

调节是一种较成熟、传统的雨水径流控制方法,指在暴雨期间对峰值径流量进行暂时性的储存,降雨结束后或峰值流量过后再逐渐排放,从而达到控制径流峰值的目标,一般并不能减小排向下游的雨水总量,对径流总量、水质并无明显控制效果。也有人用“调控排放”一词,事实上,传统的“调节”本身就含调控排放之意,而“调控排放”很容易扯到其他措施(如泵排、实时控制等),产生歧义,因此,笔者建议不要把这个概念不清、含义宽泛的词用在调蓄概念上,避免造成混淆。储蓄是储存和滞蓄的统称,是指通过对雨水径流量进行储存、滞留或蓄渗以达到削减径流排放量、控制水质、收集回用或补充地下水等综合利用雨水资源的目的。与调节最大的不同,一是针对的控制目标不同,二是要利用雨水或减少外排的雨水量,当然,设施的构造和设计的方法也会不同。顾名思义,多功能调蓄则具有多种功能,而且还有两层含义,从作用原理角度而言,将调节与储蓄的功能相结合,是一种多目标控制的调蓄设施;从土地资源利用角度而言,是指充分利用城市土地资源,兼可作为公园、绿地、运动场等其他用途,发挥环境和社会多方面功能的一类调蓄设施。

此外,随着城市雨洪管理体系与技术的不断发展,又出现其他一些形式的调蓄设施,如生物滞留设施、调蓄隧道、延时调节设施等。发达国家很早就开展了大量有关延时调节设施的研究并得到广泛应用。延时调节是在调节设施内延长径流的停留时间,其实就是一种改良的调节设施。与一般调节设施的主要区别是,延时调节设施不仅在暴雨时发挥削减径流峰值的作用,暴雨或中小降雨事件时还均可适当兼顾对径流水质的控制。根据对径流出水水质的要求,调整设施末端出口结构,延缓径流释放过程,大量污染物在延时调节过程中通过重力沉降、微生物降解等得以去除,在一定程度上弥补了一般调节设施水质控制效果差的不足。

低影响开发理念和方法在我国已得到广泛认同,生态化的源头调蓄设施也开始被人们接受,不再局限于末端、大型和传统的灰色设施。最典型的如生物滞留设施,是一种典型的具有生物(态)功能的源头“微型”储蓄设施。它其实是对传统意义的“储蓄”的一种延伸。以削减径流排放总量和控制中小降雨事件径流水质为主要目标,根据设施外观、景观功能、建造位置等,一般分为雨水花园、种植池、滞留带和树池四种。事实上,这类设施以往并未被人们当作调蓄设施,更多视它们为一类渗透设施。本文将它作为一种调蓄设施来讨论的理由是:第一,这些设施同样具有一定的调蓄能力,即具有一定的、分散式的调蓄容积,从英文的生物滞留(bio-retention)及这些设施的容积计算方法也可以看出;第二,源头调蓄设施已在相关规范标准和技术指南中体现,如新编《城市雨水调蓄工程技术规范》中明确写出“城市雨水调蓄工程应采用低影响开发理念”,并具体体现在源头措施中;新发布的《海绵城市建设技术指南》中也涉及用于不同尺度的多种调蓄设施。

3、城市雨洪调蓄系统

城市雨洪调蓄设施涉及多目标(控制污染、错峰、回用等)、多尺度和多形式,在《城市雨水调蓄工程技术规范》中,有水体调蓄、绿地广场调蓄、隧道调蓄等多种;在《城镇内涝防治技术规范》中,在源头子系统、小排水子系统和大排水子系统中,也都有调蓄设施。从城市尺度综合解决雨洪问题,并非单一形式、单一功能的调蓄设施能够实现。因此,必须有一个调蓄系统的清晰框架,并合理地纳入到当地的“排水防涝规划”、绿地规划、相关城市规划和用地规划中。图1是从不同尺度雨水系统的角度给出的城市雨洪调蓄系统概化示意图。

 

小尺度(即在通常进入市政管线前的独立用地单元内)分散式调蓄,以控制径流排放总量和污染、雨水利用等功能为主,常用雨水池/桶、生物滞留设施等灰色及绿色源头调蓄设施,针对中小降雨事件来设计设施规模。中尺度(如进入市政的一个排水区域)往往更侧重于控制径流污染、防控内涝,常用调节池、储蓄池、雨水湿地和景观水体等设施。大尺度(例如城市、流域范围)除了要涵盖前两个尺度的调蓄和控制目标外,还需要考虑从更大范围和利用终端设施来控制超常规暴雨,往往还需要考虑采用大型调节池、调蓄隧道、多功能调蓄公园或开放空间、泛洪调蓄区等大型设施才能实现其控制效果,而且,在这三个尺度之间,也具有十分复杂的耦合和交叉关系,并不是截然分开。

此外,还可从城市雨洪控制利用各子系统中的控制目标来分析调蓄系统的构成,即,由具有径流总量和污染控制、雨水利用、排水防涝峰值控制等不同功能的各种调蓄设施所组成,也是源头LID控制系统、小排水系统、大排水系统的重要组成部分。通过调蓄系统和管渠排放系统的有机组合,为构建城市良性水文循环和“海绵”城市发挥关键作用。

4、调蓄系统衔接关系

不同于单一设施的设计和实施,调蓄系统的规划设计和实施不仅涉及到调蓄和管渠的关系、源头和中途/终端的关系、绿色设施和灰色设施的关系、地面和地下空间关系,还涉及设施组合和系统优化,涉及相关专业配合等更复杂的问题。在城市中规划实施多功能、多目标的调蓄系统,必须处理好这些衔接关系。简化上述立体的复杂衔接关系,仅用图2来表达城市雨洪控制利用系统中调蓄设施的平面衔接关系。一方面,在这个耦合的系统中,蓄、排设施的规模分别以容积和管径来表征,即分别对应容积计算法和流量计算法,它们又分别由一定的总量控制利用率所要求的设计降雨量和一定的设计重现期所对应的设计暴雨流量来决定,它们既相互衔接又相互影响;另一方面,在系统规划时,根据场地条件、重点关注的水涝点或排水难点的分布、已有的基础设施现状、道路和绿化空间的性质等,通过多方案比选和技术经济分析,来优化配置上下游的调蓄设施及其规模,优化调蓄和排放设施的选型和规模,是一项十分重要且复杂的工作。

 

例如(参见图2),在不改变传统小排水管道系统标准和能力的情况下(一定的管渠设计流量Q2及调节设施规模V2′),通过源头控制系统中的调蓄容积V1作用,根据项目条件的不同,可相应将原小排水系统的能力提高到不同的设计标准;在整个系统中,为实现总量控制目标的V1V2V3的布局及规模分配也会直接影响控制效果及投资效益。毫无疑问,在规划设计时应进行多方案比较,有条件时可采用模型模拟手段。

显然,新的排水防涝设计标准和海绵城市的目标,仅仅依靠传统排水系统将难以实现,而需要通过综合性的措施。杨正等通过测量北京城区部分道路横纵坡,核算、研究道路的排水能力。结果显示,在监测路段较小的横纵向坡度条件下,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,可综合达到3~5年甚至更高的排水标准,但难以达到10年一遇以上的标准。经计算,如果再结合源头的LID滞蓄措施,则完全有可能达到10年一遇以上的大排水系统的标准,具体情况需要通过实际条件下的测算或模拟分析决定。实际上,这也是在已经发生的一些特大暴雨条件下,许多雨水管道设计标准较低的老城区也并未都发生严重水涝的原因之一。即,这种设计或非设计蓄排系统的衔接实际上实现了比设计管道更高标准的排水防涝作用。乔梦曦等人通过SWMM模型模拟研究也表明,应用源头“微调蓄”措施,在一般情况下可以将原排水系统的排水标准从1年一遇提高至3年一遇,或从3年一遇提高至5年一遇或更高。这也充分说明,必须依靠合理的蓄、排系统衔接,才能以更少的投资、更合理的方式达到排水防涝和总量控制目标,而不同尺度和功能的调蓄设施及其容积在城市空间及各子系统中的合理配置将是这一技术的重点和难点。

对新建城市或区域,从理论上说,通过上述科学构建的蓄排系统,可相对容易地实现上述综合目标。可根据新的雨水管渠标准、内涝防治标准,结合土地利用规划、景观规划和道路规划,充分利用绿地空间和地表竖向关系,优先采用源头“微调蓄”设施和多功能调蓄设施,结合大小排水系统,以较小的投入达到较高的标准,获得更高的产出,实现系统的优化。但关键是,需要城市规划、建筑、园林景观、道路和市政排水相关专业及部门的高度协作。

    旧城提标改造一般涉及在已有建筑、道路和基础设施条件下来调整地面高程及用地功能、翻建雨水管渠、补建调蓄设施、重构植被景观等,这不仅投资高昂,而且涉及面广、实施难度大,牵扯到严重干扰城市正常运行和市民生活等一系列难以估量的困难。所以,对旧城排水系统的提标,排水防涝规划不应该局限在简单地对不达标的管道进行全面改建,或大范围建设地下调节池或调蓄隧道,必须进行深入研究、多方案的比选、详细的技术经济和社会接受度的分析。可针对历史记录积水点等重点区域,通过模型模拟、监测等多种手段进行详细分析计算,为源头控制设施的改造建设、现况雨水管渠改造方案、蓄排系统组合、不同功能调蓄设施规模及布局等一系列工程手段给出科学的量化分析和指导性意见,确定不同地区雨水系统改造的主要内容、主次关系、时序和重点,把有限的资金用在刀刃上,高效率地实现提标改造,最大限度地发挥综合效益。

5、结语

调蓄系统是城市雨洪控制利用系统中一系列大大小小的重要节点或斑块的优化组合,并以地下和地面的大小排水管渠系统为纽带,连接并整合为具有排水防涝、径流污染(包括CSO污染)控制、城市雨水利用等多功能的系统工程,结合城市规划、土地利用、园林绿地、道路、河湖水系、气候变化的影响等多种因素,通过精巧的平衡和模拟自然,构建出具有一定弹性的基础设施,为具有海绵功能的现代城市提供必要的技术保障。为此,应构建源头与中途/末端相结合、灰色与绿色相结合、地面与地下相结合的调蓄系统,量化评估不同子系统中调蓄设施的综合作用,合理选择和组合不同子系统中调蓄设施,并在雨水专项规划中优化配置和布局,通过城市规划、土地利用规划和绿地景观规划等协调、保障落实。

  (本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第8期“述评与讨论”栏目)



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