海绵城市建设试点初衷之一在于探索一条适合的体制机制及技术体系。海绵城市属于全新的建设理念, 现行的规划建设管控体系显然难以适应, 但又不能颠覆性的改变, 因此需要在现有的规划管控体系上进行内嵌, 如何进行内嵌, 是海绵城市建设试点的内容之一^[1]。

在工程领域, 如何通过规划、设计、施工、材料落实海绵城市理念又是另一个问题。海绵城市的另一核心理念是让雨水慢下来、净化雨水, 尽可能的回归自然, 这与现有的快排理念有极大的差异, 在城市高密度建设的条件下, 如何在现有的工程设计施工领域, 通过海绵城市建设技术体系构建, 创造适宜的人居环境, 就成了试点另一个需要解决的问题。

结合常德市海绵城市建设试点探讨在现有规划管控体系下, 海绵城市建设的规划管控体系构建;其次结合常德市海绵城市项目建设, 复原海绵城市建设技术标准体系构建历程。

2015年4月, 常德市正式入选第一批海绵城市建设试点, 当时正有79个项目处于在建阶段, 包括柳园锦江、两师两校等大型项目。为落实海绵城市建设要求, 常德市海绵办出台了《常德市海绵城市建设工程项目变更管理规定》明确对在建项目进行海绵城市建设的变更设计。为不耽误工期, 同时发挥各部门、专家的能动性, 弥补海绵城市建设技术标准规范的不足, 采用联审制。所谓联审制是指规划局、住建局、专家、各相关部门联合审查海绵城市建设方案。审查后不再进行初步设计编制的审查, 直接进入施工图编制阶段。从实际实施效果看, 联合审查制度对79个在建项目起到了很好的作用, 一方面不耽误工程进度, 另一方面快速地落实了海绵城市建设要求, 产出了部分精品工程, 如两师两校。

当然, 该规划建设管控体系也存在一定的局限性, 其中之一就是打破了常规的建设规划管控程序。在2016年8月常德市海绵办的“关于进一步加强海绵城市项目规划和建设管理工作的通知”文件中就明确指出“同时也暴露出部分项目因方案及施工图设计深度不够, 从而影响海绵城市建设效果及项目施工质量等问题”。通知明确:“经研究并报请市政府同意, 今后所有海绵城市建设项目, 必须严格遵守《常德市规划局关于印发〈常德市海绵城市建设项目规划管理规定〉》《常德市住房和城乡建设局关于印发〈常德市海绵城市建设管理规定的通知〉》执行, 不再实施联合审查制度, 请相关单位按各自职责…严格把关”。在此后, 海绵项目纳入各部门职责。

根据《常德市海绵城市建设项目规划管理规定》《常德市海绵城市建设管理规定》中“建设工程项目的方案设计、初步设计、施工图设计等设计阶段, 设计单位应编制海绵城市建设设计专篇”。相关部门对海绵城市管控通过审查相关规划设计专篇来实现。但这一阶段也存在问题, 《常德市2016年度海绵城市试点绩效评价专家意见》明确指出:“关于把海绵城市建设指标纳入‘两证一书’的规定, 在实际操作中并没有执行, 仅采用将相关指标要求纳入规划设计条件的形式替代”。并“建议加强‘两证一书’对海绵城市建设的管控力度”。针对此问题, 常德市海绵办召开专题会议, 听取相关部门及专家意见。综合为3条意见: (1) “两证一书”为标准格式, 在“两证一书”标准格式变更之前难以将相关指标纳入, 但是在相关附件或者审批单中可以纳入; (2) 对于海绵改造项目, 不涉及选址、主体工程建设工程, 以项目规划设计建设流程管控和技术审查为主, 相关海绵规划管控的内容纳入工程规划许可证的审批单; (3) 对于新建项目, 全流程管控, 并将海绵城市建设要求纳入“两证一书”及相关附件。

为进一步加强对项目的管控, 常德市海绵办在调研其他城市经验的基础上, 常德市出台了《常德市海绵城市项目建设暂行管理实施细则》, 明确了新建、改建、扩建类政府投资和社会投资项目的管控流程、管控要求及管控部门 (见图1) 。

图1作为新建项目全流程的规划建设管控流程, 涉及国土、规划、住建等部门。作为改造项目, 其流程以从海绵设计方案开始, 较好的衔接了新建、改造项目。规划、建设、国土、发改、财政等部门在整体的流程图之下, 构建了自身的管控流程。

海绵城市建设材料是影响海绵城市建设的核心因素之一, 一方面影响海绵城市建设效果, 另一方面, 影响海绵城市建设造价。事实上, 常德市在海绵城市建设试点之初就遇到了该问题, 根据“关于‘两校’海绵城市项目中海绵产品价格协调会的会议备忘”, 常德市海绵办在2015年曾就造价的问题, 召集市财政评审中心、市审计局、市住建局初审中心、市工程造价站、市海绵公司等相关负责人就海绵城市建设产品及造价问题开展讨论, 会议有3个结论: (1) 产品造价偏高, 采购来源有限、设计变更困难等问题, 考虑该项目的特殊情况, 会议原则同意选用此材质的路缘石及导流沟, 并明确规定此类材质仅用于该项目, 其他海绵城市建设项目要求尽可能选用本土海绵城市建材; (2) 各海绵城市设计单位, 要求在源头控制好海绵产品的技术参数, 尽可能采用性价比高的海绵产品, 降低工程造价, 避免铺张浪费; (3) 根据目前常德海绵城市建设发展需要, 为更好、更快地推进海绵城市建设, 现急需制定我市海绵城市建设中主要材料的价格, 会议明确市海绵办与审计、财评等单位协商, 组织相关人员外出考察学习考察海绵城市材料供应厂家的产品及报价, 并参照外地及本土产品价格, 结合常德实际工程建设情况, 制定常德海绵城市主要材料价格表。

依据该会议精神, 常德市海绵办随后制定和发布了《海绵城市建设建筑材料技术标准》《常德市建设工程造价管理站关于发布常德市海绵城市建设材料价格的通知》等文件。《海绵城市建设建筑材料技术标准》将海绵城市建设设施分为渗透技术、储存及回用技术、调节技术、转输技术、截污净化技术等5大类技术, 并明确了海绵城市建设技术的材料要求, 以透水铺装为例, 明确了透水铺装适用范围、典型构造、关键指标、集料性能指标、相关技术规程衔接关系等。《常德市建设工程造价管理站关于发布常德市海绵城市建设材料价格的通知》则明确了相关海绵城市材料如透水铺装、透水沥青等价格, 该2份文件为材料的选用提供了支撑。

在随后的海绵城市建设中, 为保障屋顶绿化黑臭水体治理工作的推进, 常德市海绵办组织编制了《常德市海绵城市建设佛甲草应用屋顶绿化技术要求》 (试行) 《海绵城市建设产品集》等标准规范, 指导屋顶绿化建设和黑臭水体治理水生态修复工程。《海绵城市建设产品集》重点对水生动植物应用进行了规范, 如以金鱼藻为例, 明确了其种植要求、施工时间、配置密度、净化效率。

针对使用量大、对海绵城市建设效果影响显著的产品, 如盲管, 常德市则通过梳理海绵城市建设中存在的问题 (如采用壁波纹管代替盲管、盲管强度不够;开孔方式混乱、选材混乱等问题) 启动了盲管标准的编制工作。首先解决需求问题, 即盲管的使用需要满足4个要求: (1) 导水:将低影响开发设施如雨水花园、植草沟、下沉式绿地等设施渗入的水量导入检查井, 再进入雨水管网, 因此要求盲管要有足够的渗透空隙, 可以让水自由的进入, 同时要求盲管由足够的管径, 将雨水排走; (2) 要求有足够的强度, 盲管上覆土一般在500～1 400 mm, 按土壤比重为1.5g/cm³, 其压强相当于0.75～2.1kN/m², 要求环刚度必须要要大于此数; (3) 要经久耐用, 这种埋于地下的材料, 从运营维护的角度看, 不能经常更换, 要求使用寿命大于20年以上; (4) 衔接简单易行, 由于材料需要和相关设施大量衔接, 需要比较简单的衔接方式。从以上要求出发, 常德市在不断实践的基础上, 总结形成《常德市海绵城市建设技术导则 (PVC-U及PE渗透排水用实壁管) 》 (修订) 。

2015年前常德主要治理手段为治理城市河道, 其技术路线为先河道、泵站、再改造管网, 最后再小区改造等, 因此在技术方案上, 2015年前主要采用生态滤池、泵站改造、水生态修复、河道护岸建设、植被缓冲带、管网清淤与修复等技术措施, 而且参与设计的单位设计技术相对单一。在“常德市2016年度海绵城市试点绩效评价专家意见”中指出, “过程控制和末端措施开展得较多, 但建筑小区改造力度相对较小”。由此可见, 2016年前常德海绵城市试点建设在LID或者说源头改造过程中进展相对于全国其他城市并不是靠前的。

虽然源头小区推进滞后, 但常德市海绵办为保障海绵建设项目设计合理, 发布了一系列的规划设计规范, 如:《常德市规划管理技术规定》《常德市海绵城市建设技术导则》《常德市海绵城市建设设计导则》《常德市海绵城市设计图集》等指导海绵城市项目设计。同时为推进海绵城市小区的设计, 打造小区设计样板, 常德市邀请国外设计单位设计了8个样板项目。这8个项目包括屈原公园片区、紫菱路、柳叶西路、两师两校、烟厂工业区、锦江酒店。这8个项目中紫菱路、屈原公园片区为改造项目, 其他项目为新建项目。由于国外设计单位严谨细致, 屈原公园片区设计和施工落后预期, 8个样板项目中的老旧小区改造项目没能为常德市海绵城市老旧小区改造带来示范打样作用。

2015年, 常德市推进第一批院落小区项目, 由于技术储备不足, 在海绵城市改造中, 出现了一些问题, 具体为表现为重指标, 轻雨水径流组织。表现为: (1) 院落小区建设以落实指标为主, 出现了以调蓄容积确定海绵城市设施, 而不考虑其雨水径流组织关系, 如雨水花园设置在草地中间, 但路缘石不开口, 雨水依然从原有雨水管网系统流走;低影响开发设施建到等高线最高点, 不能收集雨水等; (2) 低影响开发设施空间布局不合理, 主要表现在汇水面积过小, 设施面积过大, 或者是反之; (3) 雨水组织衔接设施不配套。通常表现形式有3种:滥用植草沟, 在设计的雨水径流组织中, 以植草沟为主要衔接设施, 笔者曾经见过长达150m的纸草沟, 且中间无溢流设施;不同设施的衔接, 如线型沟与雨水花园衔接, 这种衔接方法没有衔接好高程关系导致雨水不能进入雨水花园;屋顶雨落管断接与消能措施不到位, 屋顶雨落管断接后水流能量大, 在设计中采用高位花坛, 但在实际应用中往往由于级配不合理, 花坛中的土被冲走。 (4) 低影响开发设施未主体建筑安全的问题, 如雨水花园距离主体建筑小于3m; (5) 海绵设施如植草沟、雨水花园结构依据不足的问题;设计中为了保险起见, 一般都采用渗透性植草沟、复杂型雨水花园, 而不是基于现有下垫面及功能分析; (6) 排涝安全与排水安全的关系问题, 设计中往往不对排涝进行校核。

针对此类基础性问题, 作为技术咨询组, 中规院常德市海绵城市建设技术咨询组提出了“现状基础, 问题目标, 空间均衡, (地) 上 (地) 下沟通, 前后衔接, 量质并重, 功能结构, 安全为基”的28字海绵城市建设方案设计及审查要求, 通过这一阶段不断和设计单位的对接, 常德市海绵城市建设方案及设计有了一定的水准。

经过几个场次降雨的检验、以及现场调研, 发现还存在几个突出的问题, 表现为: (1) 低影响开发设施雨水口究竟要多宽、多少间隔设置? (2) 低影响开发设施设置后溢流设施是否可以减少? (3) 泥沙沉淀如何考虑?针对这3个问题, 结合现场检测数据, 提出设计要求:

(1) 低影响开发设施雨水进水口设计。对于通过开口接纳不透水面雨水径流的低影响开发设施, 雨水口设置的间隔、宽度、深度对雨水径流起到核心作用, 但现实中由于缺乏规范, 设置并不规范, 甚至起不到雨水径流组织的作用。

雨水口的设计需根据设计流量设计, 根据暴雨强度公式, 汇流时间成为主要输入。根据规范规定, 当地面集水距离大于50 m时, t₁=5+1.25 (L-50) /V_平均×60 (min) , 其中L为地面集水距离 (m) , V_平均为累计平均流速 (m/s) , 当地面集水距离不足50m时, t₁取为5～10min。雨水口间的集水距离一般不超过50m, 因此, 路面集水时间t₁可以直接取5～10min。慎重起见, t宜取值5min。

采取堰流公式Q=C_w×L×h^2/3可求得L, L即为路缘石开口宽度。C_w为堰流系数, 取1.7, h是流量为Q₂ (2年一遇) 时的水深, 取0.05m, 则有:L=Q₂/ (C_w×h^2/3) 。设计流量取重现期为2～3年一遇, 因此可以计算出, 在一定的服务面积内, 其开口的宽度。以道路为例, 红线宽度50m, 三块板形式, 在绿化隔离带中建设植草沟, 净化水质, 按10m宽间隔开口, 计算开口宽度。

常德市暴雨强度公式如式 (1) 所示:

式中q———暴雨强度计算值, L/ (hm²·s) q=167i;

t———降雨历时, min;

P———重现期, 年。

适用范围为:5 min≤t≤180 min, P=2～100年。

径流系数取0.8, 汇流时间t取5min, P取2年一遇, 计算出流量Q为5.44L/s。可计算得开口宽度为0.024m, 即为25cm。在开口的设计中, 需考虑道路树叶等大型垃圾对开口的堵水效应, 要求开口的高度应大于50mm。

(2) 低影响开发设施溢流口设计。低影响开发设施对洪峰削减作用较大, 以2018年3场降雨统计, 降雨量分别为33mm、35mm、29mm, 低影响开发设施对径流峰值削减作用显著, 如表1所示。

表1表明, 植草沟、透水铺装、雨水花园对SS的削减率都比较高, 达到了90%以上;对峰值的削减也有较好的效果, 植草沟达到了78%, 透水铺装和雨水花园达到了95%以上。在对水量削减方面, 雨水花园和透水铺装都达到了90%以上, 植草沟也达到了74%。

从其作用机理, 海绵设施通过其蓄水空间、渗透功能将雨水蓄、滞留。以常德市为例, 当发生30年一遇大暴雨时 (长历时) , 总降水量达到了189.83mm, 当降水到41min时, 设计降水量已经达到了23mm, 已经达到了海绵城市建设设计降雨要求, 而此时降水还没达到峰值 (见图2) 。在这种情况下海绵城市建设的滞峰作用主要通过地面曼宁系数来影响汇流。根据常德市监测, 小区汇流时间约为9 min, 而海绵城市建设后汇流时间约为23min, 根据长历时暴雨强度公式 (1) 可计算得单位面积小区暴雨流量达到了330.104 7L/s, 较改造前458.773 2 L/s, 单位面积小区峰值强度削减了30%。按单篦雨水口流量为20L/s计算, 则改造前应布置25个, 改造后应布置17个。平均每个雨水篦子的收水面积约为400m², 改造后则达到了588m²。因此, 从内涝控制的角度, 城市雨水篦子可以适当的减少, 但低影响开发设施的雨水溢流口需要满足《室外排水设计规范》 (GB 50014-2006) 的要求, 即保障大雨时能迅速排出雨水。

(3) 低影响开发设施泥沙沉淀设计。为摸清初期雨水中泥沙的规律, 对初期雨水进行监测, 以15min为间隔, 分析不同下垫面污染物的产生及衰减规律, 如图3所示。

道路是城市初期雨水的主要来源之一, COD、悬浮物浓度远远超出其他下垫面, 道路COD高达800mg/L, 而其他其他下垫面仅仅不超过40mg/L;SS初期雨水浓度高达220mg/L, 而其他下垫面平均不到50mg/L;从初期雨水效应来看, 道路初期雨水效应明显, COD由降雨初期的803mg/L降到降雨末期的188mg/L, SS由220mg/L降低到52mg/L, 而其他下垫面, 如底层屋面 (南昏电排) 、高层屋面 (富华花苑) 、广场 (白马湖广场) 停车场 (诗墙停车场) 、绿地 (白马湖公园) , COD由初期的37.5mg/L降到了24.8mg/L, 而且平均浓度仅为24.29mg/L, 达到了地表水Ⅳ类的标准。根据以上城市污染物本底的监测, 确定道路两侧低影响开发设施入口必须要设施沉泥井, 沉泥井的计算如式 (2) 所示:

式中V_S———预处理区体积, m³;

A_C———汇水区面积, hm²;

R———截留效率, 设定为80%;

L_O———沉淀负荷率, 1.6m³/ (hm²·年) ;

F_C———清理频率, 年。

L_O为年初期雨水量×初期雨水浓度 (SS) , 常德市年初期雨水量约为368mm, 考虑到相关文献, 初期雨水SS浓度为400～2 600mg/L, 故取沉淀负荷率为1.6m³/ (hm²·年) 。预处理池面积见式 (3) :

式中D_s———预处理池深度, m, 一般取0.3～0.5m。

截留效率通过式 (4) 校核 (针对粒径大于1mm的粒子) :

式中v———截留沉速, 100mm/s;

Q/A———设计流量除以预处理区面积;

n———湍流系数, 0.5。

为保证流态发生改变, 在预处理池和入口接口处应做相应的改变, 减低流体, 改变流态, 确保沉淀效率。以道路为例, 红线宽度50m, 三块板形式, 在绿化隔离带中建设植草沟, 净化水质, 植草沟入口沉泥井的计算如下:按10m宽间隔开口, 则汇流面积为250m², 清理维护按2次/年计算, 预处理池深度为0.3 m, 则可计算出预处理沉淀池的面积为0.053m², 即20cm×30cm的口径即可。

总结和回顾了常德市海绵城市建设项目规划管控体系及技术体系。常德的海绵城市建设试点具有一定的代表性, 一方面项目规划管控体系构建顺应了政府对海绵城市建设的认知;另一方面, 技术标准体系的构建顺应了从实践中来到实践中去的标准构建逻辑。