海绵城市建设是城市落实生态文明、绿色发展理念的必然要求,是促进人与自然和谐共生的重要手段,有利于提升城市基础建设的系统性^[1]。然而在近几年国内的实践中,部分海绵城市建设出现了建设目的不清、缺乏统筹、碎片化建设、项目混乱等问题^[2]。具体到海绵城市建设的实施方案来看,目前普遍存在“头疼医头、脚疼医脚”、以定性描述问题为主缺乏模型等定量分析、“唯年径流总量控制率指标论”、缺少经济方案的技术比选、以及工程措施单一且与海绵城市建设目标不匹配等现象。本文结合已建成区的具体海绵城市系统方案编制案例,即以无人机三维建模技术、计算机水文水质模型分析为手段,定量分析片区海绵城市建设需要解决的问题,提出了建设策略、指标和实施路径,并依据“共同缔造”和最大程度技术可行性等原则^[3],因地制宜采用低影响开发措施,提出各地块详细设计方案,以期提高已建成区海绵城市建设的系统性、科学性和综合性,为系统推进海绵城市建设提供技术支撑。

本次海绵城市改造工程位于海沧新城核心区,是海沧区行政服务中心所在地,建设范围1.18 km²。

建设区域为填海造地区,地形较为平坦,基本地势为南、西、北三侧向海沧内湖水域倾斜,最高点地面高程约6.60 m,最低点地面高程约3.10 m,绝大部分区域高程位于4～5 m;坡度一般在2%以内,地形起伏变化较小,有利于雨水的汇集与收集。

建设区域属于海积土地质,主要由淤泥、中粗砂、砂质粘土,或淤泥砂质粘土、细粉砂等组成,海积层之下往往有冲洪积层(中细砂、砂质粘土、砂砾石)和基岩残积层。表层土壤主要为填海造地工程的人工堆积的土层,其下往往是盐渍水稻土和赤红壤,渗透系数为1～3 m/d,透水性相对较好。

建设区域地下水为海积层孔隙水潜水,地下水位较浅,地下水埋深在0.5～2 m,水质为咸水,已经发生海水入侵,北部区域属于松散岩贫水/基岩贫水区。

表1为区域2013～2018年降雨量,该区多年平均降雨量1 427.9 mm,年最大降雨量1 998.8 mm,年最小降雨量892.4 mm;多年平均径流深625.4 mm,年径流深在500～1 000 mm变化,年际和年内变化极不均匀,最大年径流深为最小年径流深的2倍。

根据下垫面的透水性能,将建设区域分为绿地、屋面、水体、代建平整地、硬化地面5种类型,本项目各下垫面种类比如表2所示。

建设区域以居住组团为主,城市建成时间短,居住小区、公共建筑和绿地公园广场建设的品质较高,环境较为优美。在这种条件下,是否有必要建设海绵城市,存在哪些问题,海绵城市建设的需求是什么,则是首先要解决的问题。

如图1所示,建设区域在2003年以前基本以虾池、鱼塘和村庄为主;随后陆续完成了吹填和造地工作并开始城市建设,目前已经建成了海沧区的行政、文化、商业、金融、居住中心,环境品质要求较高。

为使海绵城市系统方案更具有针对性,了解公众对海绵城市建设的认知及诉求,同时也为后续实施工程建设宣传海绵城市理念,开展了建设区域海绵城市公众调查,确立海绵城市建设中亟待解决的问题。

本次公众调查共计发放问卷1 100份,抽样率约为14%,有效问卷率98%。从结果来看,第一,有55%的居民认为周边水体——海沧内湖存在污染现象,认为海绵城市建设需要解决水体污染问题;第二,有91%的居民支持进行海绵城市改造,改善居住环境,仅有2%的被访者明确表示不希望,另有7%的被访者持无所谓的态度;第三,向被访者提出了海绵城市改造存在一定的施工影响,但依然有66%的居民表示理解并支持,26%不确定是否接受,仅有2%表示不能接受。与此同时,在对海绵城市的建设预期方面,居民提出更高层次的要求,提升居住环境、开发利用水资源等。

为有效评估建设区域现状存在的水问题,定量分析各种水问题严重程度,科学评判海绵城市建设需求,利用无人机三维成像技术和CivilStorm水文水质模型,对城市内涝风险和雨水径流污染等状况进行了模拟。

通过无人机生成的三维影像技术,输出建设区的正射影像、地形图、三维模型,作为海绵城市设计的基础资料,使海绵城市设计更符合实际情况,设计更精细。

模型采用CivilStorm软件的计算平台,模型参数参考美国环保署EPA-SWMM用户手册默认值,降雨采用厦门本地降雨雨型资料,并将建设区划分成306个排水单元进行模拟。

对现状径流情况进行模拟,结果表明,在现有的下垫面情况下,在24 h 26.8 mm的降雨强度下,区域降水总计2.25万m³,表面径流1.66万m³,建设区现状年径流总量控制率约为26%;初雨径流污染物SS、COD和TP浓度取值分别为400 mg/L、130 mg/L和0.30 mg/L,则出流雨水SS、COD和TP浓度分别为394 mg/L、128.2 mg/L和0.29 mg/L,建设区域径流污染物SS总量为6 630 kg,COD总量2 155 kg,TP总量4.97 kg。

对现状管网的过流能力进行模拟(见图2),结果表明,在2年一遇的降雨条件下,图2中深灰色部分管段的流量较大,易形成地表积水。

通过三维建模、水文水质模型等先进技术手段,结合海绵城市公众调查,分析建设区面临的实际问题,从而科学评判海绵城市建设需求。

建设区域雨水排放至海沧内湖,属于半封闭水体,水动力差、水环境容量小,水体生态环境脆弱。目前水体已受到污染,水环境亟需提升。本区域建筑小区、行政办公及商业市政道路位于汇水区源头,面源污染总量估算为43.1 t/年(以有机污染物COD计),污染负荷当量3 000人,需进行海绵城市改造,削减雨水径流污染。

建设区的部分小区现状管网的过流能力不足,常因下雨造成局部低洼积水,需采用源头减排、地表有组织排水相结合的措施,改善小雨易积水的问题。

结合海绵城市公众调查结果,居民对小区环境要求较高,小区的绿化改造提升仍有一定的需求,公共空间的绿地高于地面,绿地未充分发挥其雨水渗、滞、蓄的功能,场地的自身雨水调蓄能力极为有限。另外,本区域在厦门机场航道下,可以结合屋顶绿化等手段提升城市形象,提升环境品质的需求。

海绵城市实质是解决新型城镇化建设中的民生问题^[4]4]。本次海绵城市建设结合建筑小区的改造提升,同时结合居民环境提升、给水管道改造、屋顶和地下室漏水等其他需求,按照低影响开发(LID)的设计理念进行设计,以年径流总量控制率和径流污染控制率作为控制目标,按照“海绵社区、共同缔造”的实施路径一并实施。

径流控制是低影响开发雨水系统构建的首要目标,进行海绵城市更新改造的建设活动,均应遵循低影响开发理念,明确雨水年径流总量控制率和径流污染控制率。

结合三维模型确定每个地块下垫面可供改造的屋顶、硬质铺装和绿地的面积,分别制定了高强度改造(将可改造的屋顶和绿地全部进行屋顶绿化和生物滞留设施改造)、中强度改造(将可改造的屋顶的90%进行屋顶绿化改造,将可改造的绿地80%进行生物滞留设施改造)和低强度改造(将可改造的屋顶的80%进行屋顶绿化改造,将可改造的绿地60%进行生物滞留设施改造)3种方案,详见图3、图4。对3种方案在发生24 h降雨26.8 mm的事件时进行模拟比选结果见表3。

由上述图表中可以看出,随着改造强度的增加,海绵城市的径流控制指标增长率逐步降低,投资却增加较多,此外对居民的影响和实施难度却逐步增加;同时综合考虑厦门其他海绵城市改造实际经验,选择海绵改造方案三。

依据三维模型、小区管网及地形高程情况,将建设区域的划分成33个分区进行设计,依据最大程度技术可行性布设低影响开发设施,并依据居民其他需求调整设施类型,并进行模拟校核。见图5。

在实施海绵城市改造的过程中,结合建筑小区居民的其他需求,借鉴“海绵城市+”理念的和“海绵社区、共同缔造”的模式,按照“决策共谋、发展共建、建设共管、效果共评、成果共享”实施^[5]5]。加强海绵城市宣传力度,坚持海绵城市建设公共参与,为居民在海绵城市改造过程中提供表达诉求的途径,予以不同背景的人在共同平台上平等对话的机会;形成相互监督与约束的力量,保障海绵城市改造方案能够代表广泛的公众利益。同时,针对每一个项目实行建筑小区责任工程师制度,负责与居民的沟通、协调以及宣传的工作。

海沧区多年平均年降水量1 374.0 mm,本区域全年可截留水资源总量估算为109.0万m³,同时共可消减COD 26.7 t/年、SS 82.1 t/年和TP 0.06 t/年。

通过“渗”、“滞”工程对雨水径流量的控制,可增加下渗雨水量,及时补充地下水资源,缓解水源紧缺、海水入侵等生态问题,建设区全年可增加水资源总量24.3万m³。

海绵城市建设可有效减小径流总量和径流峰值,有效缓解城市内涝问题,减少城市内涝引发的经济损失,间接地创造经济效益。改造后管网超载情况如图6所示。

采用绿色屋顶、生物滞留带、雨水湿地等低影响开发措施,增加城市绿化率,美化城市环境,有利于平衡都市紧张的生活节奏,使人们消除长时间工作带来的疲乏,随时随地在都市的绿色空间中获得灵感与创造力,因此本次海绵城市建设具有重要的环境美化效益。

与传统的工程设计相比,海绵城市建设方案不是简单的项目堆砌,而是一项系统性工程,而片区的年径流总量控制率则是最能体现海绵城市系统性的一个关键指标。在海绵城市方案的设计过程中,年径流总量控制率应根据下垫面的实际情况、海绵城市建设需求以及工程投资等因素综合考虑,特别是在建成区应依据最大程度技术可行性等原则,结合“共同缔造”的方式实现。海绵城市更需要精细化设计,更需要借助相应科学技术手段支撑设计,只有在方案设计中不断地融合与创新,海绵城市建设才能提升系统性和综合性,才能真正地面向管理、面向实施。