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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date海绵城市建设的内涵与技术要点(上)海绵城市建设的内涵与技术要点(上)海绵城市建设的内涵与技术要点（上）李俊奇北京建筑工程学院环境与能源工程学院院长大家好，今天报告的题目是海绵城市建设的内涵与技术要点。包括几个方面：第一，城市雨水系列突出问题的背景；第二，海绵城市建设的内涵；第三，海绵城市规划建设的要点；第四，国内外海绵城市建设的案例；最后，做个小结，对国内的一些启示。
2、一、城市雨水突出问题分析目前我们城市出现了很多水问题，特别是城市快速化发展导致的一系列水问题。第一，洪涝频发，特别是近几年很多城市出现的内涝次数越来越多，经常出现城市看海的现象。第二，雨水资源大量流失，根据水资源的统计，特别像华北地区，一个城区流失的量占到城市蓄水量的20%-25%，量相当大。第三，径流污染严重，根据监测分析，很多城市地表水环境中，径流雨水所带来的污染物贡献可以达到1/3-1/2，而且随着管网截流率、污水处理率以及污水处理标准的不断提高，径流雨水所带来的污染物占整个地表水环境的比例会逐渐提高。第四，传统的雨水排污方式造成了一系列的生态破坏，比如大量的硬化造成地下水得不到补充，还
3、有技术措施选择不当造成水土流失严重，甚至还有地表径流携带大量的热量，造成地表水环境的热污染，特别是一些封闭的小水体，那么这热污染对水体中的一些生物，包括动植物、微生物，带来一些致命性的灾难性的不可逆的生态破坏。这些就构成了城市所引发出的一系列雨水问题。这些问题的根源在于，规划设计理念、技术设计不当，技术措施比较单一，同时也有管理上的问题，比如重视地上设施，对地下设施重视不够，管网标准偏低等等，另外就是绿色设施建设不足。这里给几张照片，这是2013年几场雨的径流水质采样的照片，前两排是雨水管道，按照时间序列采样的规律，最上头一排的水质变化规律是，刚开始比较脏，后期颜色越来越浅，但是整体来说还是非
4、常混浊的。那么第二排刚开始水质还比较干净，中间过程比较脏，后期又稍稍变得干净一些，污染物浓度高峰是在中间。第三组是合流制管道，基本上初期的雨水也是比较脏。第四组也是合流制雨水的管道，最脏的点实际上有两个高峰。右下角这张照片是北京某条河流，在旱季的时候这管道根本不排水，到雨季的时候大量的污水就直接排放进河道。这里给出2000年-2006年北京城区的雨水、污水、废水共同构成地表水环境的COD的排放比例情况。大家可以看到，雨水中径流污染物带来的COD的排放量在逐年提高，从百分之二十几一直到了百分之三十几，现在一年COD排放总量可以达到5-8万吨。这是城市雨水系列的突出问题。二、海绵城市的内涵接下来我
5、们看一下海绵城市建设的内涵，在2013年中央城镇化工作会议中表述，要优先考虑把有限的雨水留下，优先考虑更多的利用自然力量，建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市，我们称之为“两个优先，三个自然”，这是海绵城市从国家层面最早提出来的一个表述。再有就是2015年国办发75号文的表述，海绵城市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方式。所以它把海绵城市上升到一种城市发展方式，不单单是一个改变雨水系统的基础设施建设，而是一种涉及到建筑、规划、道路、园林、水系等一系列专业共同在内
6、的一种城市发展方式。那么海绵城市建设的内涵，应该说最主要的切入点是从雨水来的，从传统的单一快速排放模式雨水系统，向建立多目标的雨水管理体系，这样一个转移过程是海绵城市最基本的最朴素的一个切入点。这里有五大问题与需求，第一是水安全，就是解决内涝问题，第二是水资源，包括径流雨水排放的资源化问题，第三是水环境，刚才说地表水环境中径流雨水污染严重，第四是水生态，第五是水文化，很多地方基础设施损坏严重，水文化传承得不够，保护得也不够。基于五大问题需求提出一个核心的指导思想，就是灰绿结合、绿色优先。那么海绵城市建设有五大原则，包括规划引领、生态优先、安全为重、因地制宜、统筹建设。有多个具体的目标，包括径流
7、总量控制、流量控制、径流污染控制、雨水资源化利用等等。从控制过程来看，应该是全过程的，就包括源头消减、中途转输控制、末端调蓄控制利用。从实现的途径来说，有三个途径，第一是保护，第二是修复，第三是建设。保护就是首先要保护我们的湿地、林地、绿地、生态敏感区，就是保护这些用地不被侵占，特别是有些城市的生态水系，在城市化改造和建设过程中，很多湿地、绿地被侵占，导致海绵体不复存在或大幅削减，所以第一个途径就是通过保护来实现。第二是修复，对有些城市的硬化地面，该修复的就要进行修复。第三是建设，包括新建，也包括更新改造，要维持开发后的水文生态环境条件与开发前基本一样，扰动最少，按照这个原则进行建设。从技术手
8、段来说，我们经常说“渗-滞-蓄-净-用-排”六大类技术，这与刚才讲到的几个目标之间是有关联的，比如径流总量控制，包括源头的下渗，也包括集蓄利用，从径流总量控制可以间接地减少污染物的排放，也可以间接减少峰值流量的排放。同时由于下渗集蓄回用，减少了这种排放所带来的水土流失，回补了地下水，所以水生态破坏可以慢慢得到修复。所以径流总量控制是其中一个核心，在几个目标之间是有关联的。那么从排水系统来看，除了我们过去几十年传统的雨水管渠系统，我们现在称之为小排水系统，作为解决城市层面排水的最基本的功能之外，还有两个系统也要通过海绵城市建设构建起来：一个就是源头径流减排或者叫源头径流控制系统，也可以叫做狭义的
9、低影响开发雨水系统，是通过对建筑与小区、公园绿地、城市道路等等这些城市的下裂面建设源头分散式的小型的生态设施，进行雨水的下渗和集蓄利用，这就是刚才说的狭义的低影响开发。另外一个系统是，这些年来城市对超过雨水管渠系统排放能力的系统考虑得不够，所以我们要建立一种超标雨水径流排放系统，实际上是超过雨水管渠系统能力的那场雨出现的时候，径流雨水的行径通道问题怎么考虑，我们称之为大排水系统。所以，低影响排水系统、小排水系统和大排水系统，这三套系统共同构成海绵城市排水系统的核心。当然除此之外，我们还有传统的水利系统要做好衔接，共同实现的目标就是城市内涝、水生态环境的改善，还有黑臭水体的治理。海绵城市建设需要
10、实现从单一目标向多目标转化的过程。从城市层面来讲，传统的城市以刚性水泥的单一灰色基础设施为主，现在的海绵城市要注重绿色基础设施，刚才说灰绿结合，我们在注重绿色基础设施的同时也不能完全由绿色来替代灰色，所以叫灰绿结合、绿色优先，给城市增加一定的弹性，在国际上更多的叫做弹性城市或水弹性城市。那么这张片子描述出国际上一系列的雨水控制管理的体系、理念，和海绵城市之间的关系，目前在学术界基本得到共识。最早发达国家提出了一些新的理念，比如美国提的最佳管理实践BMP，在英国叫可持续城市排水设计，在澳大利亚叫水敏感性城市设计等等。现在发达国家很多都在采用绿色雨水基础设施的表述，从不同的阶段，针对不同的突出问题
11、，构建新型的雨水控制管理的体系。现在我们国家提的海绵城市建设，应该说是在世界领域范围之内对雨水管理的一个重大贡献。海绵城市建设不是凭空来的，也经历了一个不断认知的过程，这是我们北京建筑大学雨水团队这些年研究的过程，从上世纪九十年代开始到现在的发展历程，比如最初在九十年代中期的时候进行一些北方城市的雨水积蓄利用，当然在此之前还有像西北农村地区做的人蓄饮用水不足，解决这种问题的一些工程也都属于这雨水利用的范畴，只不过那是在农村，从城市层面讲雨水利用一般是在九十年代中期。那么在利用过程中，发现径流雨水的污染比较严重，所以又关注到径流污染需要进行控制，后来发展出来的一些术语，包括雨水综合利用，内涝控制
12、，低影响开发，一直到现在的绿色基础设施建设和海绵城市的建设，经历了一系列的发展过程。那么这张片子还是在描述海绵城市建设的内涵，基于要解决的五大问题，对径流源头控制、排水防涝、黑臭水体治理和城市防洪有一定的作用。但是海绵城市不是包罗万象，不能把刚才所有的问题都解决。海绵城市本身以雨水系统作为切入点，除了刚才的核心内容之外，要做好与水利部门的防洪系统的衔接。黑臭水体治理涉及到的问题更为复杂，包括管网、污水、内源治理等等一些问题，应该说径流控制对黑臭水体的治理是其中一个方面。我们要避免几种错误的理解。第一，海绵城市与低影响开发是什么关系，这两个是不是可以划等号，我们说不是的。我们目前的海绵城市建设，
13、比发达国家早期提的低影响开发还要大很多，不单单是解决源头控制问题。第二，海绵城市是不是等于水利系统防洪工程，把城市地表产生的径流雨水收集在河湖水域中进行调蓄，就称之为海绵城市呢？也不是，这种是没有改变传统的开发模式，只是通过末端治理，不是海绵城市真正的核心内容。第三，海绵城市是不是等于雨水积蓄利用呢？雨水积蓄利用仅仅是海绵城市的一个方面，在缺水地区雨水积蓄利用应该做，但海绵城市不单单是雨水积蓄利用。第四，海绵城市是不是排水防涝呢？排水防涝是我们这么多年来一直重点解决的问题，二者之间也并不相等，排水防涝突出解决的是量的问题，海绵城市建设不仅有水量还有水质，还有生态，还有更广义的其他目标以及问题。
14、三、海绵城市规划建设的要点这里就不得不介绍一下什么是低影响开发。低影响开发源于上个世纪九十年代的美国，它是指模拟自然，用分散的小规模生态设施来控制源头的雨水，通过渗透、过滤、储存、蒸发和滞留等方法来模仿开发前的水文特征，实现多重目的，包括体积控制、流量控制、延缓峰现时间、控制径流污染等等。大家看右上角这个图，原来最早通过一些末端测试，比如BMP测试、调节池、调解塘等这些末端测试来调节，也可以使洪峰削减，但是这个洪峰削减并不是雨水控制的全部。我们现在要做的是下面这条线，在源头上模拟开发前的水文特征，这条径流的过程线应该说跟开发前是接近的，这么一条流量过程线才是低影响开发的追求目标。那么再具体点说
15、，对照一下两种排水方式，第一种就是快排模式，大家可以看到下渗的量大大减少，径流外排的量达到了百分之七八十。但是新的海绵城市的做法，我们要加强下渗，加强集蓄，通过下沉式绿地、生物滞留设施透水铺装来促渗，所以下渗减排的量大大增加。另外就是通过湿塘、湿地、蓄水池等等一些设施做集蓄利用，这样可以使得外排量大大减少。那么其中有一个源头径流控制的核心理念，一个核心的术语叫年径流总量控制率，什么意思，我们可以假设三十年的二十四小时降水量数据都有，我把小于两毫米的雨量拿掉，因为小于两毫米不产流，把这些雨从小到大进行排列，就出来这么一张柱状图。我们设定某个降雨深度，在这个降雨深度以下的雨都可以通过源头渗、蓄、用
16、等等设施进行控制，那么等到比这场雨大的雨出现的时候，比它小的这部分也会被控制住，就是现在这个图里的V2，那么超过V2的雨，一部分就会排除，V3是被排除的水量。这样平均来说可以算出V1+V2占整个V1+V2+V3的百分比，对应的就是年径流总量控制率。那么有了这条曲线以后，我们就可以得到一条控制线，就是设计降雨深度与雨水年径流总量控制率的关系。这张图给出五个城市的关系曲线。如果一个城市就是开发前径流的20%，那么现在我们要按照低影响开发的理念去建设，我们要求控制80%，那么年径流总能控制率80%所对应的设计降雨深度是多少，从这五条曲线上我们可以查出，这个量从十几毫米到接近四十毫米之间不等，不同的城
17、市南北方差异还比较大，根据这个曲线我们就可以确定源头减排的控制规模。到底年径流总量控制率取多少合适呢，要根据当地的自然条件来确定，就像北方地区来说，天然的绿地率下渗条件比较好，年径流总量控制率最佳为80%-85%，主要是通过控制频率比较高的中、小降雨事件来实现。对一些特殊地区要进行充分的论证，比如西部干旱半干旱地区，比如有特殊排水防涝要求的区域，这两个区域可以适当提高年径流总量控制率的标准。另外一种情况，就是南方一些沿海地区，比如广东、广西及海南等部分沿海地区，我们可以适当地降低年径流总量控制率。另外一定要注意因地制宜，特别是在同一个城市，也可能区域不同，有的城市又有坡地又有平原，还有一些不同
18、的地质条件，导致了不同区域的天然条件不一样，所以在判断年径流总量控制率的时候，要考虑多种因素综合确定。这些因素包括水环境容量、水资源的短缺程度、土质条件、内涝风险、资金、场地等等原因。这里给出我国大陆地区年径流总量控制率的分布图，把大陆地区分成了五个区，一区就是西北地区，年径流总量控制率是85%90%，二区是80%-85%，三区是75%-85%，四区是70%-85%，五区是60%-85%。这是一个粗略的判断方法，可以从地图上直接查出你所需要的控制率。具体到某一个城市或者某一个项目的时候，可以根据这个城市的多年平均降雨量，或者多年降雨资料进行统计分析，确定出雨水年径流总量控制率与设计降雨深度，就
19、是二十四小时降雨量之间的对应关系，根据这条曲线可以查出对应的设计降雨量深度，从而确定源头径流控制设施的规模。有了年径流总量控制率，我们在编制城市总体规划的时候要进行考虑，要研究城市的特征，提出城市低影响开发的策略、原则和目标。要确定低影响开发的控制目标，当然在规划里一般会提出绿地率、水域面积率、年径流总量控制率等等。在总规层面，各个专业规划编制过程中，也要对这些新考虑的径流总量控制率怎么实现进行合理的考虑，要将这个指标与建筑密度、绿地率、水域面积率等等进行互相协调。那么在控制性详细规划阶段，我们可以考虑用单位面积控制容积这个指标，一般指的是每公顷可以控制多少立方水，比如北京按照85%的径流总量
20、控制率考虑，对应的二十四小时设计降雨量实际上是35毫米，那么北京在地方标准里就提出，每公顷要进行控制的雨水量是300立方，就是单位面积的控制容积，这样便于规划设置验收人员操作使用。怎么去实现刚才说的综合指标，我们可以通过一些单项或者组合指标来实现，比如下沉绿地率及其下渗深度的要求等等，单位面积控制容积能够实现。那么到修建性详细规划阶段，我们提出雨水设施的选择、设施的空间布局，还有设施规模的确定。再到设计阶段，应该说从设计上我们要求进行一个方案的设计征集，要进行初步设计，要进行审批，完了再进行施工图的设计及其审查。那么在整个设计过程中，包括这么几个大的环节，一是竖向设计，二是汇水区划分，三是技术
21、选择与设施平面布局，四是水文、水力计算，五是设施规模确定，六是技术经济分析。那么在这个过程中，竖向设计非常重要，对一个具体项目，首先要做好它的竖向设计，从粗到细，后面我还有例子阐述如何做好竖向设计。有了这些基本要求以后，我们就可以按照一个新的设计程序来进行雨水设施的设计。首先要分析现状条件，要评估问题，要对这些问题进行诊断，然后确定合理的设计目标，然后进行方案设计。在进行方案设计过程中，由于雨水系统是多目标的，我们可以采用先假设控制某一个目标，然后再看其他目标是否能满足要求，如果能满足要求，接着看第三个目标，如果不能满足要求，那么我们要退回去调整第一个目标，就采用这种迭代和试算的方法来使多个目
22、标都达到要求。如果对比较大的项目通过这个模型进行计算分析，可以通过计算机求解，这样就来得更简单。接下来在设计过程中，就会有建筑与小区、城市道路、城市绿地与工程、城市水系这几个层面的设计。我们先看建筑与小区，要重点考虑这么几个问题：第一是小区的场地设计，我们要考虑到设施布局，特别像一些透水地面和绿地空间格局，要预留雨水的景观用地，合理地调整竖向，让这些硬地面积的水能够流到这些设施里。第二，建筑可以考虑适当地设计一些绿色屋顶，保证建筑雨落管断接。在很多城市特别一些南方城市，建筑雨落管直接排放到雨水管道或者下水道，直接排走了，这种做法是雨水的快排模式，我们可以考虑把雨水管进行断接，先把雨落管的水排到
23、周围的绿地，通过绿地排到周围的雨水设施，比如雨水花园、渗井等等进行滞留，超过渗透能力或者滞留能力的水，再汇流到管道，这样一来减少了排放的量，减少污染物排放，出现峰值的时间也会滞后。第三是小区道路，小区道路断面设计是否合理，特别是道路的横断面，要考虑跟周围的绿地系统的衔接，保证道路的水能够流到周围的绿地里去。还有，道路设计的绿带的位置不同，实际上反映了是集中的硬化面积还是分散的硬化面积，绿带可以在车行道与非机动车行道之间，也可以在车行道和步行道之间，绿带的布置是否合理，竖直的布置是否合理，也反映了是分散式的还是集中式的控制方式，效果也不同。另一个是小区的绿化，要明确绿地的雨水调蓄功能，合理选择雨
24、水设施的植物。小区绿地第一要看看能不能做到小区的绿地率自身尽量少产流，第二绿地是否可以接纳周围的硬化面积。同时在小区里还要注意一个事情，很多小区的地下设施占的面积过大，导致整个小区里没有下水通道，所以在有条件的时候，适当地限制建筑与地下设施占整个小区的面积比例，要留出一定面积的下渗通道，保证小区里的雨水能够下渗。这里给了一个典型的小区的低影响开发的雨水系统的典型流程图，可以通过一些管道到滞留设施，也可以做一些储蓄水的设施，把比较脏的水排到污水管网，后期比较干净的水收集起来到蓄水池，蓄水池储存净化以后就回用。雨水管渠的水也可以流到前置唐，再通过湿地调节塘，进行与整个水体的结合，周围的水就排放。如
25、果没有做管渠的，可以在地表上做一些有组织的汇流，通过一些预处理措施，比如渗井、渗渠，再多的水就去溢流。这是典型的工艺流程图，可以根据这些条件进行工艺设施的选择及其汇流路径的确定。这里给了一个场地里绿地的布置，在绿地率相同的情况下，可以采用分散式的布置也可以采用集中式的布置，不同的布置方案效果大为不同。在低影响开发原则理论中，其中一条原则就是最大限度地切割不同的面积，也就是说绿地做得比较分散，硬地一产流周围就有绿地，可以滞留它产生的径流雨水，这样可以延缓雨水的排放，出现峰值的时间可以滞后。再看道路，道路可以采用原位透水，比如在步行道可以采用一些透水铺装，在非机动车道和机动车道也可以考虑透水沥青路
26、面或者透水水泥混合的路面，这些要根据道路路基会不会出现塌陷，根据土质和透水能力进行综合判定。在一些黄土地区，有塌陷风险的道路，还有一些重型荷载的道路，不一定适合这种全透水的路面，那么可以考虑半透的或者只有表层透水的路面做法。第二，道路横断面设计应该优化道路的横坡，就是使得道路产生的径流雨水能够及时地流到机非隔离带之间，下凹绿地或者道路的生物滞留带进行一些消纳。第三，道路排水应采用生态排水的方式，比如道路的边沟，如果有条件的地区可以做一些生态排水的方式。这里给了一个道路雨水的典型流程图，包括可以在周边设边沟，也可以做管渠，在北方城市要注意含有融雪剂的融雪水进行处置，可以考虑弃流也可以考虑吸附，后
27、期可以考虑沉淀、生物滞留等等，当然也有道路雨水收集回用的案例。接下来性质的用地就是城市绿地与广场，城市绿地与广场宜采用透水铺装、生物滞留设施、植草沟等小型、分散式的低影响开发设施消纳自身的径流雨水。第二，城市湿地公园、城市绿地中的景观水体等宜具有雨水的调蓄功能，可以是多功能的，特别是一些有水体的公园，本身一定要发挥调蓄功能。那么没有水体的公园也可以结合微地型，因为绿地是多功能的，在旱季的时候是正常的休闲用地，但是到雨季短时间特大暴雨的时候，绿地进行调蓄，雨后再排放专门使用。在绿地工程中要限制过度开发地下空间，一定要为雨水回补地下水提供透水的路径。这里给了一个绿地和广场的低影响开发的雨水系统的典
28、型流程图，就不再展开了。再往下是城市的水系，首先应该保护城市的自然水体，保证它能够有足够的水域面积率，能够保持自然驳岸、生态驳岸的，尽量维持原生态。第二，充分利用城市自然水体设计湿塘与湿地等具有调蓄和净化功能的低影响开发设施。第三，有条件的城市水系，其岸线应设计为生态泊岸。这里也给出了一个典型的水系流程图，包括在驳岸边可以做一些缓冲带，雨水管渠进水之前可以做一些沉砂，把大颗粒的污染物进行截留，省得排到河道里，造成河道每年清淤造成维护运行的成本过高。有些北方城市的雨水管渠要对含融雪剂的融雪进行弃流，在湿地有净化过程以后再排到水体。接下来看技术选择，这些设施的选择要根据控制目标，根据汇水区的特征，
29、还有设施的特点进行综合确定。既要考虑它的功能，又要考虑经济性适用性和景观效果。接下来我们看一下海绵城市建设的几个关键环节。第一，对一个城市或者一个区域的问题进行准确的判断，比如要根据它的自然地形地貌，通过模型模拟进行内涝风险模拟分析，看它的积水情况；对水环境质量进行分析；对水生态进行评价。不同的城市或者一个城市的不同区域，问题可能会千差万别，问题不同技术路线就不同。第二，编制一份实施计划或者叫实施方案，这个方案中要对问题、目标、技术、路线等等进行准确的判别。第三，要编制一份海绵城市建设的专项规划，专项规划应该是一个顶层设计，是一个城市进行海绵城市建设最重要的一份文件。如果没有这个专项规划，可能
30、会导致一些项目只顾自己，没有考虑到整个项目在整个城市层面上处于什么位置。比如城市中某一个具体项目，单就这个项目而言，做源头减排没问题，当把这个项目搁到整个城市区域层面的时候，会发现这个区域可能是城市最低洼的一个地带，内涝风险压力会非常大。这个时候我们就得系统地从全局的角度来考虑问题，所以这份专项规划非常重要。第四，通过技术加资本的方式来解决，现在财政部住建部推的PPP模式的设计，可以在海绵城市建设中进行充分的考虑。第五，可以建设一批示范项目、示范工程的建设积累经验，从而更大地进行推广。第六，要有一系列的保证制度，包括政府的管制制度、市场激励或约束制度。再看我们如何编制一份海绵城市建设的实施方案
31、，包括六个方面：第一，总体目标是否符合要求，总体目标就是刚才基于五大水问题提出的目标，包括年径流总量控制率、内涝防治、大排系统的标准以及水利防污系统、水质控制目标等等，这些目标要综合考虑。第二，指标分解是否到位，比如刚才说的85%的雨水年径流总量控制率，要求每一个地块都去落实，指标分解就要分解到每一个地块，每一个排水分区，每一个流域，都得层层进行分解。第三，是否可可量化、可考核，技术路线、设施是不是有些量化指标，能不能考核，我们要的是最后形成可考核的方案。第四，工程项目的可行性，根据这些指标分解的结果，确定工程项目是否可行，要把这些指标分解到不同的项目里面去。第五，工程的示范性、创新性和实施效果，这些工程是不是具有典型意义，是不是有一些创新技术、创新理念，实施效果怎么样，能不能达到最初设定的目标，它的景观效果老百姓是否接受。最后一个就是刚才说配套的资金保证制度，包括PPP模式的创新。-