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新西兰vs中国:海绵城市建设关键参数内涵亟待明晰

北极星水处理网  来源:中国给水排水  作者:章卫军,等  2018/9/13 13:18:03  我要投稿  

北极星水处理网讯:摘要:海绵城市的规划、设计、考核评估多以实现一系列关键的管控指标为目标,以保持“自然”特征,取得期望效果。本文对新西兰水健康雨水管理实践和核心指标进行了深入研究。结果表明,目前海绵城市建设存在困境的根源在于对关键技术参数理解不足,从而导致普遍的指标分解依据不足,方案缺乏说服力,与专项规划也不好衔接。本文希望引起业内人士的认真思考。

1水健康指标理论背景

城市开发改变下垫面条件,引起微水系、产流、汇流、径流污染特征的改变,从而损害水生态系统,破坏“水健康”。河道生态系统健康状况采用塑造河道断面特征的流量来评估,具体包括:生态流量、河道基流、造床流量、漫滩流量,各自的含义及意义如下:

  • 生态流量:维持河道内水生生物生存和生物多样性,保持河道生态系统基本结构与功能所需的最小流量。

  • 河道基流:河道常年能够保持的最小流量。

  • 造床流量:指多年水流与河道冲刷、淤积动态平衡过程,形成河道断面形态的特征流量。由于河道自然断面形态的复杂性,造床流量是一组特征流量,国际上用有效流量、漫滩流量和重现期流量组合表示。造床流量实际上是一些较大但又不是最大的洪水流量。

  • 漫滩流量:河道水位达到河边滩高度时的流量。是水流在河槽内河道能够承受的最大流量。

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图1‑1年径流过程中不同特征流量分解示意图

城市开发过程中雨水系统设计不当导致的溪流、河道特征流量变化,将进一步影响城市水生态多年形成的自然平衡关系。同时,城市雨水径流在汇流过程中,会携带道路、广场、商业区、居住区等区域地面产生的多种悬浮物、泥沙,以及附着的微量金属、营养物、油脂类、细菌等污染物进入自然水体,损害河湖水健康。

综上,河道特征流量和城市径流污染是影响河流生态、自然健康的关键参数。其中,河道特征流量,从属于降雨量,同时受流域水文水力条件的影响,为次生因子;城市径流污染的控制也受降雨量的影响。

因此,降雨量的控制是获得河道水生态和环境健康相应特征流量指标最有效,也是最容易理解和应用的手段。国际上通常采用降雨量作为控制参数,通过控制频发的小降雨事件,控制径流污染,补充地下水,维持下游河道生态流量和河道基流,改善水质条件;通过控制多种设计暴雨,保持河道造床流量,维护河道形态特征。

2奥克兰水健康雨水管理指标定义

作为新西兰最大的城市,奥克兰经过20多年的实践、研究,规划体系和技术导则的动态更新,已形成一套较为完整的管理体制和技术体系。

奥克兰在清晰的法律法规框架、渐进的科学规划、合理的技术指标体系建设及技术导则指导下,通过构建多个核心水文参数指标恢复开发前水文状态,就地消减污染物,减少洪涝灾害频率,缓解土地开发带来的系列水环境问题,维持水健康。

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图2‑1奥克兰水健康雨水管理体系

奥克兰水健康管控的指标体系将雨水管理目标分解为水质、生态、水量三个方面。通过对不同量级的24小时设计降雨量的控制,实现水质保护、生态缓排、径流峰值控制的指标。

(1)水质保护指标

水质保护指标是指为实现水质保护目标所需要控制的24小时设计雨量,设定为90%(某些区域95%)场次控制率相应雨量产生的径流,不同地区的该数值大约在24-34mm之间。按照此设计降雨,计算得出的调蓄容积称为“水质保护容积”。

(2)生态缓排指标

生态缓排指标是指为实现水生态保护需要控制场地雨水缓慢排出的24小时设计雨量,设定为95%场次控制率相应雨量产生的径流,大约在32-48mm之间。工程中一般利用雨水源头调蓄设施,通过出口排水流量控制实现缓排,此功能所需要的调蓄容积,称为“生态缓排容积”。

(3)峰值控制指标

峰值控制指标是指为实现场地设计暴雨径流峰值不大于开发前的24小时设计雨量。规定控制2、10、100年(部分区域)一遇24小时设计暴雨外排流量峰值不大于开发前。

工程中一般利用雨水源头调蓄设施,通过排水设施流量控制实现不同设计频率的峰值削减。实现此目标所需要的调蓄容积,称为相应设计频率的“峰值控制容积”。

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图2‑2奥克兰水健康管控指标

3径流总量控制率与奥克兰雨水管理指标异同分析与启发

3.1相似性比较

我国《指南》定义的年径流总量控制率与奥克兰年场次控制率的计算方法有诸多相似性,也存在一定差异。

对多个城市的30年逐日降雨数据进行分析,获取各城市70%、75%、80%及85%雨水年径流控制率对应的年降雨场次控制率。

结果显示,70%-85%的年径流控制率对应的降雨场次控制率大致在70%-88%之间。由此可见,我国采用的径流总量控制率标准略低于奥克兰采用的最基本的水质保护指标。

我国采用的径流总量控制率与新西兰的雨量场次控制率,虽然计算方法不同,结果略小,但能一一对应,本质一样,都是为了管理大量小雨事件和大雨事件的初期降雨量而估算的一个指标。

因此,笔者认为我国《指南》定义的年径流总量控制率本质是为了高频率的小降雨,或大雨的初期部分雨水产生的径流,在技术上考虑了不同地域的气象条件,其正确性和合理性无可争议。

3.2关键指标定义更新之必要性

年径流总量控制率是一个非常关键的技术指标,该指标的准确定义和理解需要水文学专业知识。同时,工程实践又需要将复杂的技术概念通俗化。海绵城市需要全社会的积极参与,大多数人的误解,或者对专业概念理解不清晰,将为海绵城市建设带来许多质疑,导致消极的态度及建设方向的偏离。

笔者认为,一个比较合适的概念可能是“雨量控制率”,此概念沿用了径流总量控制率的本质含义,避免了“径流”概念的干扰和争议。

3.3需要额外指标才能衔接相关专项规划

奥克兰水质保护、生态缓排、峰值控制三位一体的指标体系对设施规模、工程措施的选择和组合起着关键作用。从以上不同等级雨量控制设计步骤可以看出,其指标体系,涵盖小雨至大雨多种影响生态环境的降雨特征,实现了控制雨水径流污染、提供生态缓排、缓解内涝风险等多重目标,从而在工程体系上与现有的水环境、水资源、水生态、水安全有效衔接。

我国径流总量控制率仅为约2年一遇24h降雨量的1/4不到。因而仅用径流总量控制率设计的海绵设施缺乏对较大雨量的控制,显然没有内涝防治功能。而生态保护、水资源利用等海绵建设的相关指标实际上是需要综合流域范围内多种因素、多种工程体系才可能实现的系统控制指标。海绵设施建设中,除了源头雨水水质控制有径流总量控制率为设计指标,其他如生态保护、洪涝安全等目标,缺乏相应的海绵设施设计指标,因而导致海绵设施的设计与现有大的系统性的工程体系脱节较大,在技术体系上没有衔接。

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图3‑1奥克兰与我国雨水管理控制指标对比

3.4监测与评估方法需要反思

《指南》年径流总量控制率描述中“场地内累计全年得到控制(不外排)的雨量占全年总降雨量的百分比”,其中“不外排”应该是指在利用日雨量设计海绵设施规模时不允许外排。这方法与新西兰、美国、澳大利亚完全一致。它实际上允许次日后连续降雨事件发生时,超过设施下渗或滞蓄能力而外排降雨后期相对干净的雨水。

另一方面,径流计算涉及经验水文模型、非线性的土壤下渗参数、微观地形等复杂参数和随机多变的降雨过程。即“径流总量控制率或雨量控制率”75%,并非场地内75%的年径流量不可外排,或等效于径流系数0.25,即并非存在径流控制率=(1-径流系数)*100%的关系。

因此,通过累计外排水量估算径流总量控制率的监测方法在技术上需要思考其科学性,况且流量监测边界闭合困难,动态的建设状态和监测历时很短等也将为评估带来挑战。

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图3‑2年径流总量控制率解读

3.5海绵建设宜定位于城市建设用地变化和衔接

奥克兰雨水管理指标,主要应用于雨水管控单元内新建地块、旧城改造或民宅改建时的水敏型雨水设计,与我国的海绵设计类似,其目标是管理好城市建设土地利用变化对水系统的影响,这其中涉及到一个非常关键的概念——“开发前”。奥克兰对“开发前”的定义是“在提交拟建或改建计划之前的场地条件,包括现状建筑物、道路。”我国对“开发前”的定义不是很清晰,通常大家以完全自然作为开发前设计条件,导致海绵设计的规模、要求相差很大,尤其对建成区,以至于设施规模大、落地难。

奥克兰尽管雨水控制指标比我们多,要求高,但其应用条件和“开发前”的基本概念清晰,类似海绵建设的水敏型城市设计推动相对容易、可行、有权威。

我国有些城市承诺2020年20%,2030年80%建成区达到海绵城市建设要求,这目标实际上将新的城市建设带来的水问题,与城市现有水系统问题混在一起,导致海绵规划与各专项规划有诸多交集,过多涉及本该其它专项规划完成的事项,“越位”又不专业,目标虚高,不易实现。

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图3‑3奥克兰与我国海绵建设实践对比

4结论与建议

我国海绵城市大规模实践后,更需要总结经验教训。奥克兰的可持续发展理念、清晰的法律法规、持久渐进的科学研究以及合理的技术指标体系建设,为水健康管控提供了重要基础。奥克兰的水健康管控指标及技术体系发展为我国提供了可借鉴之路。笔者在参与了近年国内不少城市海绵城市规划、设计、研究等项目过程中,深深感悟到关键参数理解和指标体系突破的重要性和迫切性。为此笔者提出两点建议:一,将“年径流总量控制率”更新为“雨量控制率”,并作为控制新区开发或旧城改造的海绵建设基本要求;二,引导各地因地制宜地、科学合理地采纳生态缓排、峰值控制指标。只有这样,才能让海绵城市规划和建设体系真正衔接并反馈各专项规划,工程效果客观而有效。

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