海绵城市是一种新型的城市雨洪管理概念, 即让城市能够像海绵一样, 在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”, 雨季吸水、蓄水、渗水、净水, 需要时再将蓄存的水“释放”并加以利用。海绵城市的建设需要结合各地实际情况因地制宜进行建设, 不可照搬美国的低影响开发 (LID) 、英国的可持续排水系统 (SuDS) 、澳大利亚的水敏感城市设计 (WSUD) ^[1,2,3]。

国家高度重视海绵城市建设, 财政部、住建部和水利部于2015年和2016年分别推出了2批共30个海绵建设试点城市, 各城市在水文、地理、环境、基础设施建设等方面都存在很大的差异, 具体情况见表1。

海绵城市建设过程中, 一方面要避免过度拔高海绵城市的“万能论”^[10], 另一方面要认识到北方城市与南方城市地理环境特征的差异以及各地建设海绵城市的基础的不同。本文以北方某城市 (以下简称A市) 为例, 探讨北方地区海绵城市规划与建设的经验, 为其他北方地区的海绵城市建设提供参考和借鉴。

A市作为北方地区的典型城市, 属于温带半湿润大陆性气候, 降雨量分配严重不均, 夏季雨量集中, 7、8月份降雨量占全年的80%以上。在遭遇2 年一遇以上的降雨时, 市政道路积水, 产生明显的城市内涝。在遭遇20一遇以上的降雨时, 城区出现了多处明显的内涝积水点。图1为2016年7月25日A市某地块内涝积水情况。同时, 由于老城区合流制排水系统溢流明显, 导致雨季城市河道水质较差。另外, 由于对地下水度过利用导致地下水位持续下降。

海绵城市规划建设对基础数据的需求的特点与传统规划不同, 其更关注植被、地形、土壤、管线、水量、水质及流速等详尽的准确的基础信息, 以及在季节性降雨条件下, 土壤、植被、水量、水质及流速的动态信息。这些信息在以往传统的规划建设中, 往往不被重视, 而在海绵城市建设过程中, 重要的一点是城市下垫面及地下管线对城市水文水质过程的影响分析, 这就决定了需要较高的时间精度和空间精度的数据, 而且这些数据需要相对较长的时间周期 (1个水文周期) 。

A市海绵城市建设区既包括改造难度极大的老旧城区, 也包括部分新城区与待建区。由于不同的区域的下垫面、土壤地形、排水能力等方面也存在很大差异, 因此, 在海绵城市建设中, A市利用1年时间对不同类型区域进行详细的现场踏勘, 获取不同区域的地形、竖向、土壤性质、地下水埋深、土壤孔隙率等海绵建设基础信息;同时对地下排水管线进行普查及CCTV探查, 摸清排水分区、排水体制、管线排布以及排水管网结构性缺陷与功能性缺陷, 并在雨季对于城市水文过程中涉及的雨量、水量、水质、管网流量、流速等信息进行详细的监测、这些信息为海绵城市规划分区、海绵改造建设适宜性评价、海绵设施的布置合理性、海绵设施建设的效果评估奠定了坚实的基础。

利用模型提取A市区域径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络等水文基础信息, 基于DEM栅格表面, 通过河网分级法对A市基本水文因子的提取以及水网等级分析, 再现水流的流动过程, 完成对区域自然水文过程的分析和模拟。为规划制定过程中, 优化城市的竖向、梳理城市泄洪路径、识别大型“海绵体”以及汇水分区划分等工作提供的有效的技术手段。

针对A市的水安全和水环境问题, 通过对雨季区域地表水文过程、排水系统效能以及河道水量水质进行模拟评估 (图2为某地块模型分析结果) 得出, 对区域水安全和水环境的主要问题 (城市面源、管网标准、管网渗漏、管网淤堵、污水处理厂进厂浓度、溢流污染) 并进行量化解析, 提出有效的应对措施, 并对海绵城市建设规划目标与指标可达性分析、对拟实施的规划措施进行评估, 为决策者提供投效比最佳的规划决策。

对于老旧城区而言, 绿地率很低, 同样降雨条件下的地表径流造成雨水管道压力增大, 因此, 对于老城区海绵化改造更应注重存量地下排水系统探查、诊断、整治和运维, 对于增量项目应考虑与老城区居住环境的提升相结合, 因地制宜, 将排水系统改造与排水分区调整、与排水口增设相结合, 加大排水系统的通行能力, 缩短排水距离, 实现雨水就近快排。对于新城区而言, 绿地率相对较高, 可以通过局部竖向设计与改造, 采取植草沟、线性排水沟等方式, 将地面雨水导入周边绿地进行收集处理, 进可能减少进入排水系统的雨水量, 将雨水留住, 净化, 并回用, 与此同时应重视低影响开发设施与景观布置的协调性。遵守海绵城市“渗、滞、蓄、净、用、排”六字方针, 在制定海绵城市实施方案时, 考虑低影响开发设施多功能的特点。本着A市新城老城差异化的规划策略, 结合各区的气候水文、地形竖向、建设现状等因素, A市确定了海绵城市建设的总体目标, 以公建小区、市政道路、公园绿地、水系4项工程建设任务为依托, 将总体目标分解到“渗、滞、蓄、净、用、排”等项工程措施中, 老城区侧重“排”和“净”措施, 新城区侧重“渗”“蓄”“滞”“净”和“用”等措施 (见图3) 。

基于地表自然水文分析结果, 结合A市的地形地貌、地块竖向和排水流向, 将规划区划分为若干个汇水分区。在汇水分区的基础上, 根据排水体制和排口位置, 将汇水分区细分为若干个排水分区。最后, 根据排水分区各地块下垫面特征和排水管网、排水走向, 将排水分区细分为若干项目片区。

根据总体建设目标, 综合考虑上述汇水分区和排水分区的总体特征, 将总体目标分解到排水片区和项目片区中, 并以此作为海绵城市地块、道路、公园、水体等各类工程指标制定的依据。在建设指标分解时, 应将基于“系统目标—汇水分区—排水分区—项目片区”至上而下的指标分配方式与基于“新城区与老城区海绵设施建设适宜性评估”至下而上的评估反馈相结合, 避免出现为了指标而建设, 为了下凹式绿地而建设, 为了海绵而海绵的机械思维。

A市呈现出明显的季节性积水的特征, 因此, 不能简单地通过增大雨水管径来解决内涝积水的问题。在满足市政管网设计重现期2年的情况下, 尽可能通过透水铺装、下凹式绿地、雨水花园等生态措施, 减少地表径流总量, 缓解了市政管网的排水压力;对于超过2年重现期的超标雨水, 通过修建城市涝水行泄通道、拓宽下游河道等措施, 加快就近排水, 避免城区内涝积水 (见图4) 。通过上述措施的实施, 在20年一遇降雨条件下, A市的内涝积水点全面消除。

A市在海绵城市建设过程中注重雨水的“蓄”和“用”, 结合地形地势和场地现状, 采取利用自然低地、新建或改造现有下凹式场地设施、建设雨水调蓄池三大措施, 对雨水进行调蓄、净化和再利用, 区域内雨水收集利用量明显增加, 雨水资源利用率提高到10%, 与此时同, 地下水得到了有效的补给。具体包括:

(1) 利用低凹地、池塘、湿地等收集调蓄雨水并充分利用水生植物如芦苇、睡莲等和其它生物资源对集蓄的雨水进行净化处理、防止水质恶化, 保持良好的生态景观效果。

(2) 利用凹地建设公园、绿地、停车场、市民休闲锻炼场所, 并将这些场所底部改造为渗水材料, 当暴雨来临时, 暂时将高峰流量储存其中, 并作为一种渗透塘, 暴雨过后, 雨水继续下渗补充地下水。

(3) 在地下建设大口径雨水调蓄管或者雨水调蓄池, 调蓄池增加雨水净化系统, 达到雨水回用要求, 作为道路冲洗, 绿化浇洒, 景观用水等非直接接触性水的水源。

CSO具有污水与降雨径流的双重特性:CSO流量和污染物浓度受降雨径流影响是变化的, 虽然通过扩大截留倍数, 可大大降低溢流风险, 但是也会导致截污干管过大投效比下降的后果, 同时, 其它季节水量小还会导致管网淤积等问题。因此, 需要考虑CSO流量、污染物浓度与季节性降雨的动态关系, 充分考虑水量的季节性波动和水质的动态性, 将适度工程措施、临时应急措施与管网清淤维护、污水处理厂雨季优化运行相结合, 寻求最佳投标比、最佳运效比的系统性措施。A市结合本地季节性溢流的流量和浓度波动, 采取了“适度修复和维护管网、CSO调蓄池建设、河道调蓄设计、溢流口增设临时应急措施、污水处理厂雨季优化运行”的建管结合的方式, 在一定的成本控制下, 有效的解决了季节性溢流问题。在2年一遇降雨条件下, 溢流频次由6次降低至2次。溢流总量为11万m³, 减少了90%, 溢流污染SS负荷为2.8 t, 减少了83.6%;在20年一遇降雨条件下, 溢流总量为28万m³, 减少了70%, 溢流污染SS负荷为7 t, 减少了73%。

在我国北方, 大部分透水铺装面临冻融问题, 透水铺装的寿命和效果都会受到很大影响。

针对A市海绵城市建设过程中透水铺装冬季冻融问题, 笔者采用了抗冻融透水铺装技术, 在保障强度和性能的前提下, 考虑材料经济可承受能力, 通过控制各组分的配合比, 得到强度高、透水性好且抗冻融的混凝土。试验结果表明, C25级抗冻融透水混凝土强度可达30.5 MPa, 冻融质量损失率低至2.7%, 孔隙率达18%。具体配比如表2所示。该种混凝土能够满足国家规范所要求的50年设计基准期要求, 而且强度等级较高, 满足普通的非机动车道和部分机动车道的使用, 同时, 能够有效的透水和消除路面积水。可为北方城市建设海绵城市借鉴。

通过对北方地区海绵城市规划建设经验的探索, 梳理若干北方季节性降雨地区海绵城市规划建设经验, 总结如下:①准确、详实的海绵城市建设基础数据对于海绵城市规划建设目标、指标、规划措施的评估意义重大, 在以往的城市规划建设过程中, 这些基础工作往往被忽略或者不被重视, 因此, 未来必须加强建设区域地表系统、土壤系统、排水系统和地下水系统进行充分详细的勘测, 同时对于季节性降雨对于排水系统水量、水质进行动态监测, 并建立系统化的数据库平台。②未来不再单一提高排水管网标准来解决城市内涝问题, 应通过“绿色基础设施建设+现有雨水管网维护+雨水系统提标改造+行泄通道建设+河道调蓄”相结合的方式, 通过系统性工程措施解决城市内涝问题。③对于季节性降雨地区, 应充分进行雨水资源的回收、净化与利用, 通过雨水调蓄、下渗等措施储存雨水、补充地下水, 需要时, 将净化后的雨水用于浇灌、洗车等用途;④对于季节性溢流地区, 需将排水系统修复和运维、截污干管提标建设、CSO调蓄建设、溢流口临时处理以及污水厂雨季优化运行相结合, 在合理控制建设成本的前提下, 最大限度减少季节性溢流。⑤北方地区海绵城市在建设过程中就应该结合本地实际, 考虑成本和效果的前提下, 研发适合本地的抗冻融透水铺装技术, 避免冬季冻融引起的海绵铺装强度、寿命和效果的下降。