在城市新老城区进行海绵城市建设, 应采取不同的建设模式^[1]。在老城区以问题为导向, 系统开展海绵城市建设, 是贯彻十九大报告关于推进生态文明建设的重要体现, 是完善城市基础设施功能、改善人居环境、让老百姓有获得感和满足感的重要举措。如何在老城区提出海绵城市建设系统化的方案^[2], 保障海绵城市建设的整体实施效果, 是各地推进海绵城市建设过程中需要正视的问题。本文结合笔者在海绵城市试点城市系统化方案编制实践, 重点对老城区的海绵城市系统化方案编制的一些问题进行探讨。

因建设开发年代较早, 大部分老城区排水系统多为雨污合流, 部分城中村区域无成型雨污水系统, 多为污水直排。管网系统缺乏维护, 管道混接、堵塞、破裂、渗漏等情况严重^[3]。城市内河因点源污染、面源污染和内源污染多重影响, 水体水质恶化, 严重影响群众日常生活。

老城区排水防涝系统不健全, 内涝积水问题频发。具体表现为外部上游客水入侵, 下游出口顶托;内部存在下垫面硬化, 洼地大量被填埋, 管网、内河排水能力不足, 竖向不合理, 存在低洼点。内外原因叠加, 相互影响, 内涝问题日益凸显。

为解决老城区存在的水方面问题, 各城市不同建设主体从自身管理角度出发^[4], 实施如源头海绵改造、截污调蓄、管网改造、污水提标扩容、水系综合整治等工程, 以期解决问题。但根据笔者对全国多个海绵城市试点建设项目的调查分析, 由于各建设主体将拟实施工程独立看待, 未考虑到其相互交织、互相制约的关系, 容易产生碎片化的问题。同时, 各工程的实施未能从全流域系统的角度, 分析各项工程在系统中的定量作用, 统筹源头-过程-系统的项目体系, 整体工程方案的匹配性和有效性不足, 实施效果产生偏差。

基于问题导向, 老城区海绵城市建设需要在顶层设计层面, 编制系统化建设方案^[5], 通过统筹考虑全流域内的各类建设项目, 构建从源头到末端的综合体系, 来系统解决具体问题, 实现建设目标。

(1) 推进专项规划落地, 优化具体项目设计。各城市大多已编制海绵城市专项规划, 对老城区提出以问题为导向进行海绵城市建设的思路。专项规划更多的是关注海绵城市建设的宏观思路和目标, 对系统有较全面的分析, 但缺乏定量的分析, 对项目的落地实施的指导性不足。同时, 对于具体项目的实施而言, 仅考虑自身项目的具体设计, 未能从整个全流域系统考虑本项目在系统中作用, 关联性不足。编制系统化方案将沟通海绵城市规划与具体项目设计, 提升规划的落地实施性, 并对系统内具体项目的关联性进行分析。从而, 明确项目效果的责任边界, 统筹项目关系, 优化项目实施规模, 指导具体项目的设计。举例而言, 某调蓄池工程规模的确定, 系统考虑了上游区域源头径流削减后的设计规模要比仅从末端截污方面考虑, 所计算得出的设计规模要更优化精简。

(2) 确保实施效果, 解决具体问题。海绵城市建设是一项系统工程, 需要从全流域角度对老城区本底情况进行深入调查, 量化分析水环境、水安全问题成因, 针对老城区建设的现实问题, 制定解决方案。根据要实现的海绵城市建设目标, 梳理“源头削减-过程控制-系统治理”全过程的工程体系, 并进行多工程优化统筹, 综合考虑经济性、落地性和实施难度, 做到工程整体效果最优。

老城区系统化方案应结合老城区特点, 以切实解决老城区问题为导向, 要注重各系统的统筹。

首先, 要注重各项目关系的系统统筹。针对水环境提升、水安全提升等不同的系统, 对源头、过程和系统的工程体系进行整体的谋划, 需要保证整个系统是在整体效果最优的目标前提下, 去实现每个项目的单体目标。

其次, 要注重各项目边界的系统统筹。水环境提升、水安全提升等不同的系统对各项目都提出不同建设要求。系统化方案要对每个项目所承担的责任边界, 以及在大系统中的建设要求提出明确的指引。

最后, 要注重单一系统内部项目的系统统筹。系统化方案要将单一系统内部的工程体系梳理清楚。例如, 多数城市在老城区污水系统改造中, 将河道沿河排口的雨污水按照一定的截流倍数接入下游污水处理厂。在项目实施过程中, 应充分考虑这部分水量的增加对现有的污水干线、污水处理厂规模的影响, 从而优化整体的污水系统。

在明确老城区海绵城市建设系统化方案编制的系统统筹要求后, 为实现对建设项目的系统谋划以及对项目落地的明确指引, 提出系统化方案编制的技术思路。

(1) 通过对老城区的自然本底、降雨径流关系、地块改造条件、排水体制、管网情况、河道排口以及河道水质等现状进行深度调研, 综合运用详细踏勘、数据动态监测、资料梳理整合的基础上, 识别区域重点需要解决的问题, 并对问题成因进行定量分析。

(2) 根据老城区实际问题, 并对应区域考核目标, 提出综合系统的指标体系, 合理制定分期建设目标。

(3) 结合自然地形、河流水系、雨水管网等对试点区进行排水分区划分。以排水分区为单位, 制定海绵城市建设的方案。首先提出区域总体保护方案, 包括蓝绿线、低洼地等保护要求。继而以老城区问题为导向, 结合问题成因制定各分区“源头减排—过程控制—系统治理”综合工程体系, 从控源截污、内源治理、生态修复、活水保质等方面制定水环境改善方案, 从源头减排、排水管渠、排涝除险等方面制定水安全提升方案。

(4) 提出工程落地和项目实施完成后的保障措施, 系统推进老城区海绵城市建设。

结合老城区海绵城市建设的重点, 系统化方案编制中应对现状本底进行深度分析, 识别主要问题, 从而剖析问题的成因。以下重点对老城区水环境问题成因、水安全问题成因等方面分析的要点进行探讨。

基于解决老城区存在水环境恶化、水体黑臭的问题, 系统化方案需要重点应从河道排口的调查与监测出发, 结合区域排水关系情况, 明确河道排口类型, 核算区域污染物排放量。通过排放量与环境容量的对比, 明晰应削减污染物总量。通过系统分析水环境问题成因, 定量评估各项原因对问题产生的影响, 为水环境改善方案的制定奠定基础。

河道排口分析采用排口调查与持续性监测结合的手段进行。首先, 对区域所有河道排口进行了勘查, 将每个排口的位置、管径、材质、管底标高、出水情况、水质和调查时间等进行详细记录。在初步对排口情况进行梳理后, 为了清晰准确的监控和掌握各个排口的流量、流速及液位等基础数据以及变化规律, 以评估雨污混接、入渗等情况, 选取排口进行流量和液位监测。排口监测点的选取, 考虑大管径排口出水量较大, 对河道水质影响较多, 对管径≥500mm的排口全部进行监测。同时, 兼顾管径<500mm但调查时发现旱天有持续出水的排口, 记录并选取为监测点。监测时间至少为2周连续监测, 期间至少包含一场降雨。

以河道现状排口现场调查结果为基础, 结合对排口的流量监测数据分析, 追溯排口上游地块排水体制的管线情况, 综合判定后将沿河排水口分为4类, 分别是分流制污水口 (FW) 、分流制雨水口 (FY) 、分流制混接排放口 (FH) 和合流制排放口 (HZ) 。分类依据详见图1。

以某老城区分流制区域某排口为例详述排口监测数据如何应用于排口类型的确认。该排口上游区域包括东方银座、二化新村、东岳公寓等几个分流制小区。对该排水口的监测流量进行分析, 3月28日～4月1日期间旱天时监测到污水排出, 但旱天流量小, 见图2、图3。结合本区域3月28日～4月1日的雨量变化情况, 3月31日区域有降雨, 管道流量增大并达到峰值。通过现场排查排口上游区域管网情况, 上游有污水混接进入雨水管道的情况, 确认此排口是分流制混接排放口。

通过获取河道不同排口的流量监测数据, 分析区域排水体制情况, 可核算该区域内不同类型排口点源、面源的排放量及占比情况, 以明确不同排水分区的污染来源。如表1所示, 以某老城片区为例, 分区1存在严重的雨污混接情况, 混接排口污染排出量占点源排放量的90%;分区2点源污染排放主要以分流制混接与污水直排为主, 但面源污染排放超过点源污染排放;分区3存在较多雨污合流城中村, 点源污染物主要为合流制排口排放。

采用完全混合模型对区域内地表水环境容量进行估算。老城区内河道水质整体较差, 现状的稀释容量为零, 河流所具有的自净容量即为河流的环境容量。

将污染排放量与水环境容量进行逐月份的对比, 结合实测的河道水质情况, 明确不同季节下水环境提升措施的重点。图4为某分区污染排放量与水环境容量逐月对比情况。

通过分析入河污染物与水环境容量比值随月份的变化, 看出在旱季 (10月～次年1月) , 污染物负荷排放超标比例更为严重, 水体水质恶化现象更为明显。系统化方案编制中应充分考虑在旱季, 在削减污染物排放基础上, 应采用增加河道水体流量, 提升水环境容量。

除将区域的污染本底情况摸排清楚外, 还需要分析现状的污水排除系统的问题。首先分析污水处理厂的流域划分和规模情况, 明确污水处理厂流域内管网覆盖情况。初步核算区域内需要削减的污染物量是否能通过现有的污水管网系统进行排除, 是否需要新增污水处理厂的处理规模。

需要重点注意的是区域内污水管网的健康状况, 管网的缺陷运行是导致污水处理厂进厂浓度逐年下降, 进水量不正常波动等问题的重要原因。可采用监测+CCTV检测的方式进行综合判断, 明确管道破损运行情况、外来水汇入 (地下水入渗、河水倒灌、上游入流等) 情况。

收集区域内历史内涝点的信息, 具体包括位置、积水时间、深度、面积等。建立水力模型, 输入降雨、管网、地形、河道断面等数据, 参数校核后, 利用设计降雨量进行模拟, 结合搜集到的历史积水点分布情况对模型结果进行对照, 达到初步拟合。以图5为例, 积水点1、积水点2模拟点位与实际点位一致。积水点3、积水点4为典型低洼地, 存在内涝风险。

需对每个积水点的原因进行分析 (见图6) , 例如上述积水点2, 主要积水原因包括:管道逆坡;下游排水管能力不足, 排水不畅;局部地势较低洼, 易冒水等。

外部排水问题主要分析区域上游是否存在客水入侵, 下游是否存在河道顶托等情况。以某老城片区为例, 该区域地势西北高、东南低、高差小, 缺少山洪拦截设施及天然调蓄空间。在50年一遇的降雨发生时, 片区上游山洪排水量约为225万m³/年, 洪峰流量约为188m³/s。上游山洪的威胁, 加剧片区排洪排涝压力。此外, 汛期时外江水位升高且持续时间较长, 内河水位不能自排, 需排涝泵站抽排。泵排流量远小于闸排流量, 城区涝水排到外江的时间也随之增加。

内部排水能力重点分析河道排涝能力和管道排水能力。河道排涝能力主要评估河道是否满足蓝线规划要求, 是否按照防洪排涝标准进行建设。管道排水能力主要通过模型模拟方式, 对管道能力进行评估。以某老城片区为例, 现状管道约有74%管道重现期为3年一遇以下, 无法达到标准要求, 其中34%的管道达不到1年一遇的标准。

老城区水环境改善方案的编制应首先以控源截污为前提, 对点源、面源以及合流制溢流3方面的污染物进行控制 (见图7) 。为削减内源污染, 需对河道进行适当的生态清淤。采用增氧和水质净化技术的组合, 提高水体溶解氧浓度和水体净化能力。后期结合生态补水、生态岸线建设和人工生态系统重建等方式逐步对水生态系统进行修复, 最终使老城区水体达到水清、岸绿、景美、生态的要求, 实现水质治理目标。

通过分析汇水片区内水环境问题成因及主要污染物占比, 明确以排口治理为根本, 内源削减为辅助, 水环境容量提升为保障的工程方案制定原则, 合理分配各工程措施目标要求, 并优化与调整工程规模, 在确保工程经济性的基础上有效达到水环境改善的综合要求。图8为某分区水环境改善措施目标的分担示意。

控源截污工作是老城区水环境改善系统工程中最重要的部分, 本文将对该部分内容进行重点阐述。控源截污工程应根据排口类型确定具体处置方式, 统筹污水系统整体, 制定工程方案 (见图9) 。以合流制排口截污为例, 首先应计算控源截污方案中新增要处理污水量 (旱天污水和控制溢流的合流污水) , 分析下游污水处理厂是否能受纳, 以此确定截流倍数, 对合流制排放口做截流。通过截污纳管, 旱天污水由截流井进入市政污水管线, 雨天合流污水进入调蓄池, 经水处理装置处理排河或雨停后提升至市政污水管网再到污水处理厂。

在合流制截污管线和调蓄池的规模确定中, 应采用模型模拟的技术手段, 已满足溢流频次为前提, 优化设计方案。通过模型手段利用典型年降雨对原始截污方案进行长历时模拟计算, 对各排口溢流量、调蓄池的体积利用及溢流情况进行综合分析, 测算初步设定的调蓄池规模和预设的排空机制下年溢流总量及频次的情况。在进行多次调整模拟, 达到相关指标要求并综合考虑实施条件和经济效益, 从而确定调蓄池最优规模。以某分区的调蓄池设计为例, 初始设计调蓄池规模3 500m³, 模型进行2011年典型年降雨计算, 截污系统总溢流量占原始溢流的5%, 虽然满足溢流控制要求, 但调蓄池利用率偏低。通过模型优化规模后, 调整调蓄池规模为2 500m³, 总溢流量占原始溢流量的8%, 同样满足溢流控制目标要求, 但大幅削减了工程投资, 节省用地。

老城区水安全提升方案编制主要根据区域内涝积水的几大成因, 制定针对性的策略, 构建解决问题的涵盖源头减排—排水管渠—排涝除险的系统工程体系 (见图10) 。

以某城市为例, 在大区域上构建蓄排平衡的水安全综合体系, 将城区北面的山洪在高低拦截后直接引入外江, 减轻中心城区洪涝压力。下游修建排涝泵站, 增大抽排能力使城区涝水迅速排除。对中心城区内河进行清淤和综合整治, 增加河道排水能力和蓄水容量。充分利用城市绿地、人工湖体、下沉式广场等空间, 合理规划布置滞洪空间。在源头减排方面上重点推进源头LID建设, 考虑内涝积水等治理需求, 通过设置下凹绿地等综合削减径流雨量, 实现削峰错峰。通过新建和完善区域雨水管道系统, 实现过程控制方面的能力提升。最后对具体积水点采取雨水管道提标、局部调蓄设施等针对性措施进行解决。

以源头项目建设工程的系统融合为例, 在老城区的水环境改善工程体系和水安全提升工程体系中均要求在地块进行源头削减措施。例如在水环境改善工程中要求对地块雨污水进行混接改造, 合流制区域水量控制减轻CSO污染, 对内部管渠进行清淤疏通, 建设低影响开发设施以控制面源污染等。在水安全提升工程中要求对源头径流量进行水量和峰值控制。同时, 为使居民有获得感和幸福感, 还需要对结合群众诉求, 对地块进行整体提升改造, 如景观优化、停车位增加、休闲设施增设等。通过对多目标的工程体系下的系统融合, 针对每个源头项目进行规模测算, 生成源头海绵城市建设的整体方案。

海绵城市并非单纯地改变城市的排水模式, 其目的是通过源头削减、过程控制、系统治理的手段构建可持续健康的水循环系统。在老城区开展海绵城市建设, 为系统解决城市水体水质恶化、洪涝频发等问题提供了新的思路。

编制海绵城市建设的系统化方案, 在深入调研各工程项目的实施条件基础上, 以实现目标和解决问题为导向, 综合应用多种技术手段, 提出适合老城区特点, 解决问题的灰色、绿色统筹的工程体系, 确保项目目标效果的互补性、完整性, 是推进海绵城市的系统化建设的基础。

在下一步海绵城市系统化建设工程实施中, 应明晰海绵城市各建设主体的目标与责任, 加强规划、建设、水利、园林等多部门合作和配合。建设单位应细化近、远期建设方案, 明确建设时序, 以确保海绵建设工程体系的可操作性, 工程有序有效落地。