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章林伟:中国海绵城市的定位、概念与策略

  导 读
  国务院办公厅于2015年10月印发的《关于推进海绵城市建设的指导意见》(国办发〔2015〕75号)对海绵城市建设的定位、方法、路径和实施效果做出明确部署,但时至今日,业内和社会上仍存在对“海绵城市”的认识有不同看法,甚至误解。梳理和回顾文件出台的背景,对中国式海绵城市的定位、概念、实施理念与策略进行解读,针对部分“误解”的代表性观点进行分析并提出个人意见,促进海绵城市建设的系统、全域推进。
  
  0 引言
  国务院办公厅于2015年10月印发的《关于推进海绵城市建设的指导意见》(国办发〔2015〕75号),是中国海绵城市建设的纲领性文件,也是我国城市建设方式转型、提升城市品质的重要工作内容和制度安排。但时至今日,业内和社会上仍存在对“海绵城市”的认识有不同看法,甚至误解。笔者作为75号文件的主要起草人,有必要、也有责任对文件出台的背景,以及中国式海绵城市的定位、实施理念与策略进行解读,试图统一认识。希望对当下系统、全域推进海绵城市建设也有所帮助。
  01 海绵城市提出的背景
  2013年习近平总书记在中央城镇工作会议上,针对中国城镇化过程中出现的城市病,尤其是城市水少、水脏的资源环境问题直接影响到城镇化建设质量和居民美好生活品质,首次提出“在提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来,优先考虑利用自然力量排水,建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”,之后,又在2014年考察京津冀协同发展座谈会、中央财经领导小组第5次会议、2016年中央城市工作会议等场合,反复多次强调要建设海绵城市。住房城乡建设部作为国家城乡建设的主管部门,积极贯彻落实总书记的指示和要求,结合我国古代先人的治水经验以及新世纪以来学习借鉴国际经验的工程实践,2014年住房城乡建设部组织编制了《海绵城市建设技术指南》。2015年国务院办公厅印发了《关于推进海绵城市建设的指导意见》(以下简称75号文),对今后我国新型城镇化建设转型过程中统筹推进海绵城市建设做出了总体部署,明确了城市人民政府是海绵城市建设的责任主体;要求住房城乡建设部会同有关部门督促指导各地做好海绵城市建设工作,抓好海绵城市建设试点,尽快形成一批可推广、可复制的示范项目,经验成熟后及时总结宣传、有序推进;中央财政引导资金支持了全国30个城市开展海绵城市建设试点(见表1),同时也带动了各省市开展海绵城市建设工作。
  表1 全国30个海绵城市试点分布情况
  
  02 海绵城市的定位
  城市是人口高度聚集、社会经济也高度发达的地区,是资源环境承载力矛盾最为突出的地方。改革开放以来,我国进入了城镇化快速发展阶段,城镇化率从1979年的不到20%,发展到当今的60%左右,年均增幅接近1%。在传统城市建设理念的影响下,城市开发建设带来的城市下垫面过度硬化,城市的“地穿甲”割裂了山水林田湖草的生态系统,改变了原有的自然生态本底和水文特征,切断了水的自然循环过程,破坏了城市水文径流特征的原真性(见图1);同时,城市建设高强度开发、填湖(塘)造地、伐林减绿,忽略或任意调整竖向关系等粗放做法,在加快降水产汇流的同时,也加大了降雨径流量和汇流峰值。
  
  图1 城镇化前后城市水文特征变化
  天然下垫面本身就是一个巨大的自然海绵体,对降雨具有吸纳、渗透和滞蓄的“海绵”效应,从而对雨水径流能起到一定的控制作用,得到涵养地下水、维系水生态等功效。当降雨通过下垫面的吸纳、渗透、滞蓄等作用达到饱和后,会通过地表径流自然排泄,即“满则溢”。以中国北方城市为例,城市开发建设前,在自然地形地貌的下垫面状况下,70%~80%的降雨可以通过自然下垫面滞渗到地下,涵养了本地的水资源和生态,只有20%~30%的雨水形成径流外排。而城市开发建设后,由于屋面、道路、广场等设施建设导致的下垫面硬化,70%~80%的降雨形成了地表快速径流,仅有20%~30%的雨水能够入渗地下,呈现了与自然相反的水文现象,不仅破坏了自然生态本底,也使自然海绵体“地穿甲”而丧失了“海绵效应”,导致所谓的“逢雨必涝、雨后即旱”;同时,也带来了水生态恶化、水资源紧缺、水环境污染、水涝灾害频发等一系列问题。
  海绵城市建设是一种现代城市发展理念。针对上述城市建设现状,75号文开篇就明确提出“海绵城市是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方式”,同时要求“坚持生态为本、自然循环。充分发挥山水林田湖草等原始地形地貌对降雨的积存作用,充分发挥植被、土壤等自然下垫面对雨水的渗透作用,充分发挥湿地、水体等对水质的自然净化作用,努力实现城市水体的自然循环”。建设海绵城市就是 “统筹发挥自然生态功能和人工干预功能”(即灰绿结合、蓝绿融合),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模式,有利于修复城市水生态、涵养水资源、改善水环境、加强城市排水防涝能力,提高新型城镇化质量,促进人与自然和谐共生。这就是我国海绵城市建设的基本定位。
  03 海绵城市的建设理念与方法
  75号文明确提出了我国海绵城市建设的工作目标和时间表,以及关于海绵城市建设的概念与要求,“综合采取渗、滞、蓄、净、用、排等措施,最大限度地减少城市开发建设对生态环境的影响,将70%的降雨就地消纳和利用。到2020年,城市建成区20%以上的面积达到目标要求;到2030年,城市建成区80%以上的面积达到目标要求”,“统筹发挥自然生态功能和人工干预功能,实施源头减排、过程控制、系统治理,切实提高城市排水、防涝、防洪和防灾减灾能力”,“要将雨水年径流总量控制率作为其刚性控制指标”,“建立区域雨水排放管理制度,明确区域排放总量,不得违规超排”,“保持雨水径流特征在城市开发建设前后大体一致”等。
  3.1 关于“渗、滞、蓄、净、用、排”的海绵城市建设措施与方法
  早在先秦时期(公元前200年)中华先贤就发明了梯田,雨水的地表径流通过人工修建的坎坝或鱼鳞池塘,历经“渗、滞、蓄、用、排”径流过程,既灌溉了农作物、调蓄了水资源、防止水土流失,又没有破坏水的循环和水文规律,很好地解决了人、地、水的关系,这是世界上堪称经典的人类雨水管理方法,也被联合国教科文组织列入了世界文化遗产名录。中国古人也将此“师法自然”的人与自然和谐相处的发展方式引入到了当时的都城、城邑和宅舍建设中。我们在研究中国先贤治水古法的基础上,结合降雨地表径流的水文特征,提出了“渗、滞、蓄、净、用、排”的海绵城市建设措施和方法,现已成为中国式海绵城市建设的“六字箴言”。
  3.2 关于“源头减排、过程控制、系统治理”的海绵城市建设理念
  海绵城市建设理念是针对当前我国城市排水只重视“末端治理”而忽略源头减排的作用,重地上、轻地下,以及系统碎片化等普遍问题,有针对性地提出了“源头减排、过程控制、系统治理”的理念。
  (1)源头减排。就是针对当前对城市雨水管控只顾“末端”不管“源头”的现象提出的。末端治理不仅不利于降雨通过自然下垫面的水文属性的作用发挥,还会由于源头建设失控、过度硬化而加大降水产汇流,使得灰色设施投入和运维费用高企等问题。源头减排要求最大限度地减少或切碎硬化面积,充分利用自然下垫面的滞渗作用,减少或减缓地表径流的产生,实现涵养生态环境、积存水资源、净化初雨污染的过程。从降雨产汇流形成的源头,改变过去简单的快排、直排做法,通过竖向控制、微地形设计、园林景观等非传统水工技术措施控制地表径流(见图2),发挥下垫面“渗、滞、蓄、净、用、排”的耦合效应。当场地下垫面对雨水径流达到一定的饱和程度(即海绵吸附饱和后)或设计要求后,使其自然溢流排放至城市的市政排水系统中,以此维系和修复自然水循环,实现雨水径流及面源污染源头减排的控制要求,也有利于从源头解决雨污分流、错接混接等“鸠占鹊巢”的问题。
  
  图2 径流控制转化概念示意
  (2)过程控制。强调采用灰绿结合以及现代信息化在线管控(RTC)手段,通过优化绿、灰设施系统设计与运行管控,对雨水径流汇集进行控制与调节,延缓或者降低径流峰值,避免雨水产汇流的“齐步走”,使灰色设施系统的效能最优、最大化。利用绿色设施渗、滞、蓄对雨水产汇流的滞峰、错峰、消峰的综合作用,减缓雨水共排效应,使从不同区域汇集到城市排水管网中的径流雨水不同步集中泄流,而是有先有后、参差不齐、“细水长流”地汇流到排水系统中,从而降低排水系统的收排压力。依靠大数据、物联网、云计算等智慧管控手段,实现灰绿耦合系统运行效能的最大化。
  (3)系统治理。水的外部性很强,几乎无所不及。当前,由于种种原因,我国城市水治理系统碎片化问题非常突出,直接影响到治理的效率和效果。强调系统治理就是要从生态系统、水系统、设施系统、管控系统等多维度去解决系统碎片化的问题。首先,要从生态系统的完整性上来考虑,避免生态系统的碎片化。水是重要的生态环境的载体,治水绝不能“就水论水”,要牢固树立“山水林田湖草”生命共同体的思想,充分发挥山水林田湖草等自然地理下垫面对降雨径流的积存、渗透、净化作用。其次,要建立完整的水系统观。水环境问题的表象在水上,但问题的根源在岸上,事是人为。应充分考虑水体的岸上岸下、上下游、左右岸水环境治理和维护的联动效应。再之,要以水环境目标为导向,建立完整的污染治理设施系统。构建从产汇流源头及污染物排口,到管网、处理厂(站)、受纳水体 “源-网-厂-河”的完整系统;对城市雨洪管理也要构建从源头减排设施(微排水系统)、市政排水管渠(小排水系统)到排涝除险系统(大排水系统),并与城市外洪防治系统有机衔接的完整体系。目前我国大部分城市的城市排水系统建设和管理,由于受到管理体制和财政事权限制大都呈碎片化的分割运作,管理机制上缺乏系统概念,建设和运维上缺乏系统性。第四,构建完整的“规、建、运、管”管控系统。75号文明确要求:“科学编制规划。编制城市总体规划、控制性详细规划以及道路、绿地、水等相关专项规划时,要将雨水年径流总量控制率作为其刚性控制指标。划定城市蓝线时,要充分考虑自然生态空间格局。建立区域雨水排放管理制度,明确区域排放总量,不得违规超排。严格实施规划。将建筑与小区雨水收集利用、可渗透面积、蓝线划定与保护等海绵城市建设要求作为城市规划许可和项目建设的前置条件,保持雨水径流特征在城市开发建设前后大体一致。在建设工程施工图审查、施工许可等环节,要将海绵城市相关工程措施作为重点审查内容;工程竣工验收报告中,应当写明海绵城市相关工程措施的落实情况,提交备案机关。”一是,要发挥规划的顶层设计和法规的严肃性,将海绵城市建设要求按75号文的要求纳入规划管控;二是,建设和工程验收等环节要严格落实规划设计的要求,海绵城市建设的工法和验收要求与传统施工工法不同,在试点期间经常会出现施工单位仍按惯性思维和做法,导致验收不合格,尤其是在源头减排设施的施工做法,还是习惯性地将排水口设置在最低点,无法实现“渗、滞、蓄、净、用、排”海绵效果(见图3);三是,要建立一套科学的、完善的运维管理制度,避免管理碎片化、责任主体不落实。俗话说“三分建、七分管”,如果管理不到位,建设再好的设施系统,也难以发挥系统效能,同时还要加强监管。
  
  a 正确做法(溢流排放)
  
  b 错误做法(重力排放)
  图3 源头减排设施施工做法的对与错
  3.3 关于“年径流总量控制率”
  城市开发建设对水文循环过程的影响主要是雨水径流。海绵城市建设的目的就是要在城市建设区域空间内保护和恢复自然的水文特征,其实质是恢复原始降雨径流状态,核心在于控制径流。
  年径流总量控制率是所控制的降雨径流量与年均降雨总量的比值,反映了降雨经过自然与人工强化设施的渗透、滞蓄、净化等措施控制城市建设下垫面降雨径流程度的指标,体现了一个城市对维系生态本底水文特征、以及应对大概率的中小降雨事件的控制能力。年径流总量控制率也是将海绵城市的定性概念转化为定量设计、考核的关键指标,对识别实现海绵城市建设综合目标具有重要的指导作用。
  海绵城市建设是基于对自然本底的保护与修复,因此确定径流总量控制率时必须要掌握城市所在地的降雨自然径流规律与特点,依此来确定。当地的自然径流规律和特点与降雨量、下垫面状况、土壤渗透性以及地下水位等因素有关,可通过多年降雨形成产汇流的水文统计数据推导得出。在海绵城市建设初期推广时,住建部印发的《海绵城市建设技术指南》中给出了北京建筑大学研究团队收集国内200多个城市降雨资料统计计算绘制的参考图,供当时试点城市和各地在确定径流总量控制率时参考。笔者根据水利部水文局1986年《中国水资源评价》统计数据计算的径流总量控制率见表2,地处流域中上游的城市可取上限值、下游城市可取下限值。
  表2 各流域径流总量控制率参考
  
  年径流总量控制率主要是针对中小降雨事件,可依据多年降雨资料导出降雨径流总量控制率与降雨量的对应关系,其统计计算方法可参考《海绵城市建设技术指南》或《海绵城市建设评价标准》(GB/T51345-2018)。依径流总量控制率确定的设计降雨水深与径流控制设施的服务范围设计降雨径流控制设施的规模。年径流总量控制率指标应该通过城市规划分解到各个排水分区或开发建设的地块上,再依据建设性详规具体落实到实施项目上。
  需要说明的是,我国海绵城市依据年径流总量控制率确定径流控制设施规模与美国LID设施依据径流污染水质控制体积(Water Quality Capture Volume,WQCV)确定径流控制设施规模的侧重点是有所不同的。美国市政基础设施完善程度及水体环境质量要求较高,水污染控制的重点在点源污染治理基础上逐步加强了面源污染控制,尤其是1977年颁布《清洁水法》(CWA)后,对初雨污染控制非常重视,WQCV更加侧重控制初雨及径流污染的LID设施的径流体积控制设计(见图4)。这方面我国尚有一定差距,一些基础性研究工作也未跟上,因此,我国海绵城市还是依据自然下垫面对雨水径流控制能力进行设计的,控制径流污染的水质问题尚未作为主要考虑因素。
  
  图4 美国降雨控制目标与重现期的关系
  04 海绵城市“误解”之我见
  目前业内仍有一些对海绵城市的不同认识,甚至是误解。针对这些看法,笔者也谈一下个人观点。
  4.1 海绵城市“万能论”与“无用论”
  代表性观点:
  ①将海绵城市的效果“小雨不积水、大雨不内涝、水体不黑臭、热岛有缓解”无限扩大化;
  ②对海绵城市治涝、治黑的作用产生质疑。
  笔者认为,这些观点都是片面的,过于极端。
  (1)关于“治涝”。2010年住建部对351个城市进行了城市内涝调查,调查结果表明,由于城市排水设施不健全、标准低(基本上城市雨水排水管网建设标准在一年一遇的水平)等原因,有61%的城市出现不同程度的内涝。2012年北京7·21特大暴雨后,国务院对城市内涝问题非常重视,2013年国务院办公厅及时出台了《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》(国办发〔2013〕23号)。住建部按照国办发〔2013〕23号文件的要求,及时组织修订GB50014《室外排水设计规范》,提高了城市排水管网的设计标准,由过去的1年一遇,提高到3~5年一遇,同时补充了城市内涝防治要求。但一方面设施建设达标非一日之功,另一方面对社会普遍关注的城市内涝问题又不能熟视无睹。因此,在海绵城市建设中强调采取灰绿结合的方式,来解决城市排水设施短板的现状,在当时的背景下,提出了让百姓都能通俗易懂的“小雨不积水、大雨不内涝、水体不黑臭、热岛有缓解”的海绵城市建设的基本要求与实施效果,并以解决社会最为关注的“逢雨必涝”为突破口。在75号文中提出的“小雨不积水、大雨不内涝”的应对雨情是依据国家标准GB/T28592-2012《降雨量等级》(见表3),且与GB50014《室外排水设计规范》规定的排水管网设计标准也是相互协调的。日后的海绵城市试点的工程实践证明,通过源头减排设施(微排水设施)与市政排水管网(小排水设施)灰绿结合的措施,无须大量更换管道就能实现GB50014《室外排水设计规范(2014年版)》提标的要求,解决经常性降雨发生的城市内涝问题是可行的。当前一些业内人士和媒体对国家标准规定的“大雨”量级(见表3)不了解,将“小雨不积水、大雨不内涝”泛化,误读了其真实含义,将在极端天气出现的城市内涝“甩锅”海绵城市,笔者认为这不是科学的态度。在极端天气下,尤其是又出现外洪叠加导致的城市内涝,要在避免发生重大人员伤亡和财产损失等对社会经济造成极大危害影响的前提下,科学构建内涝与外洪防治体系,统筹微、小、大(3M)城市综合排水系统与外洪防治系统有机衔接的蓄、滞、排、泄等工程措施,以及政府的一整套应急管理的非工程措施协同应对。为此,国务院办公厅《关于做好城市排水防涝设施建设工作的通知》(国办发〔2013〕23号)文件中提出了应对城市内涝的基本要求,并明确要求各地要加快建立健全技防、物防、人防相结合的综合城市内涝防治体系。
  表3 《降雨量等级》(GB/T28592-2012)
  
  (2)关于“治黑”。海绵城市并不意味着不要建污水处理厂了。海绵城市应对面源污染、尤其是初雨污染的效果是不容置疑的,对当下我国城市普遍采用的合流制排水系统溢流污染是大有帮助的,对治理城市水体黑臭的作用也是非常明显的,这已被大量的实践所证明。国际水污染协会(WEF)在大量调研绿色基础设施(GI)应用效果的基础上,在2008年发布的专题报告《绿色基础设施应用》中,明确指出“借助绿色基础设施 ,大大提高了对降雨径流体积和水质污染的有效控制,对合流制溢流污染(CSO)控制发挥了巨大作用”。
  (3)关于减缓“热岛”效应。城市热岛是由于城市建设导致的硬化(如建筑与构筑物,混凝土、柏油路面,各种建筑墙面等)改变了城市下垫面的热工属性,它们吸热快而热容量小,在相同的太阳辐射条件下,比自然下垫面(绿地、水面等)升温快,因而使其表面温度明显高于自然下垫面;同时,城市地表对太阳光的吸收率较自然地表高,能吸收更多的太阳辐射,进而使空气得到的热量也更多,温度升高。城市地表含水量少,热量更多地以显热形式进入空气中,导致空气升温;如夏天里,草坪温度32℃、树冠温度30℃的时候,水泥地面的温度可以达到57℃,柏油马路的温度更高达63℃。这些高温物体形成巨大的热源,烘烤着周围的大气,形成“城市热岛”。建设“海绵城市”,最大限度地减少城市开发建设对城市下垫面及生态环境的影响,保护和恢复自然水文特征,提高城市“含水量”,增加水汽蒸腾、适度提高城市湿度,对缓解城市热岛效应是非常有利的。
  4.2 海绵城市“费钱论”
  代表性观点:海绵城市建设花这么多钱值吗?
  海绵城市是针对城镇水生态、水资源、水环境、水安全良性发展的新理念,是新时期我国城镇化发展转型的建设方式,渗透到城市建设的各个环节,而且所采取的技术措施已不仅仅是传统的给排水工程措施了。海绵城市强调系统、全域统筹,蓝绿融合、多专业融合的综合实施,即“棍打一大片”,而并非就水论水的“枪扎一条线”。以源头减排为例(见图5),由于要实现“渗、滞、蓄、净、用、排”的要求,雨水不再采用传统全靠管道收排的做法,而是将屋面、小区道路等硬化面的雨水汇流到周边下凹绿地、植草沟、雨水花塘等绿地系统中,再通过绿地系统中的溢流收排设施进入管网,这样做大大节省了管道建设量,将管道建设省下的投资用于下凹绿地的景观建设、环境生态的改善等。这种做法有时并不涉及投资多寡,只是简单地将传统做法调整一下(如竖向关系等),即可实现多方面的综合效益,可谓一举多得。传统做法是既要建管网,又要做绿化景观,专业割裂使得每一笔钱都得花。现在是多措合一,既解决了雨水收排利用、雨污源分离、美化居住环境,节省投资,又提升管网排水效率,何乐而不为?现在这种做法非常受开发商和市政建设部门的欢迎,在老旧小区改造、城市环境整治、排水管网补短板等城市有机更新建设中广为应用。
  
  图5 源头减排做法
  海绵城市建设的外延很广,涉及面较大,有些地方在计算海绵城市建设投资时,出于种种原因将海绵城市建设的关联投资也一并计入,而忽略海绵城市建设所带来的城市品质提升、生态环境效益与设施效率提升等关联收益,仅是从传统意义上的、狭义的水利工程投资的技术经济分析逻辑来计较,甚至缺乏科学性地将微、小、大排水系统投资及功能进行彼此简单的割裂比较,可能是造成“海绵城市建设投资大”的误导原因吧。
  4.3 海绵城市“运动论”
  代表性观点:海绵城市建设试点结束后还搞吗?
  纵观世界发达国家自20世纪80年代前后开始反思过度依赖灰色基础设施的传统做法所带来的问题,逐步重视绿色基础设施不可或缺的作用(见图6)。通过各国的大量实践证明,走灰绿结合的道路,是低碳绿色发展的明智选择,是符合未来发展需求的。中国根据国情发展的需要,适时提出的中国式海绵城市建设,也是符合国际发展大势的。
  
  图6  城市排水新术语的演变
  尽管海绵城市建设在我国还是新生事物,在中央政府的高位推动下,通过试点引路,探索符合国情的可复制、可推广制度、经验和做法,目的就是逐步推而广之,而不是“花拳绣腿”摆摆样子。相信随着我国海绵城市建设的各项政策机制的不断完善,相关技术措施不断成熟,必将成为我国城镇化建设的“标配”,助力加速我国城镇化建设方式转型、城市品质和人居环境的提升。
  4.4 海绵城市“以绿带灰论”
  代表性观点:过意强调海绵城市绿色设施的作用,大有“只绿不灰”就可解决一切问题。
  我们都知道绿色基础设施虽然建设运维费低,但最大问题是占用空间大、用地多、效率低;而相比之下灰色基础设施正相反,用地少、效率高。社会经济发展到今天,对生态环境、低碳绿色、可持续发展的期许和要求日益提升,单一靠绿色或灰色设施包打天下都是难以作为的,走灰绿结合的发展道路已成为必然选择。如何使灰绿设施耦合衔接得“天衣无缝”,系统效率在投资建设、运维管护上最优,恰恰是海绵城市建设的作为所在。