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【国际权威专家视点】海绵城市工程-超过70%已付诸实践的LID理念都是错误的!

1 、海绵城市和LID的本义

从这些年来众多国家级和世界级的项目中可以看出,保护自然及城市区域的水平衡,几乎成了所有国家的共识。然而,尽管维持城市水循环平衡的手段存在已久,但这一原则在许多城市并没有得到充分贯彻。主要原因在于:我们总是将经济发展视为城市的首要目标,而并没有对雨洪管理和废水处理进行有效管控。

中国大部分城市的规划条例中都要求尽可能地截流雨水径流,希望对这些雨水直接利用,或者补给地下水,以作为一种水资源供给,因为人们认为土壤具有极强的储水能力。如果雨水并没有全部截流,那么池塘将对径流进行进一步滞留,以使蒸发最大化并增加雨水下渗,从而降低径流峰值和峰值流量。然而,雨水收集在不同气候条件下、不同的城市开发类型中、不同的地形和土壤环境中、不同的排水系统现状下发挥不同的作用。


虽然4 000多年前在古代城市中就已经使用上述原则中提及的技术,但在过去数十年对于同样的原则却出现了多种不同的表述。一些表述一直沿用至今,例如雨水收集(RWH)。20世纪80年代以来,德语中一直使用“Naturnahe Regenwasserbewirtschaftung”这一术语,意即基于自然原则的城市雨水管理。美国自20世纪70年代开始的最佳管理实践(BMPs)包括非面源污染控制以及水质水量控制和生态系统保护的所有手段。涉及下渗与生态滞留设施、雨水干湿池等结构性最佳管理实践,与包括诸如土地利用控制等管理措施在内的非结构性最佳管理实践截然不同。自20世纪90年代起,L ID、绿色(雨洪)基础设施(GI或GSI)、水敏感城市设计(WSUD)和可持续城市排水系统(SUDS)这些表述已得到广泛使用,其中一些在澳大利亚的使用尤为突出。
与合流式或独立系统的雨水排放方式不同,LID强调雨水是一种资源,而非“废物”,其主要利用小型、广泛、低成本的景观化措施控制径流和污染。与常规的灰色基础设施相比,LID不仅建设和维护成本更低,而且能够为城市环境提供更高效的保护。因此,从城市/场地规划和设计阶段伊始,就必须对LID的概念和措施进行系统考虑。L ID能够带来众多环境、经济和社会效益。
尽管LID和海绵城市这些理念迅速进入了政治家的视野,然而,其技术和原则仍不过是沿用已往的那些罢了。

 

2、 历史上的海绵城市和LID
在早期城市文明中,尤其是半干旱地区的幼发拉底河、底格里斯河和印度河流域的城市,曾使用多种治水思路。这些思路在今天看来,完全符合L I D设计和可持续性的标准。如图2所示,迈克尔·詹森证明,印度河流域的摩亨佐达罗地区(在约公元前2500年时)采用过一种非常高明的治水思路:当时的家庭使用收集来的雨水和井中的地下水,将使用过的水通过泥管排至埋藏在街道下方的排水渠,在此过程中固体物可以在管道中得以沉降。街道水渠将混合的灰水和雨水导入两口相互连通的过滤竖井,借此补充地下水。
家通常从他们的屋顶收集雨水,并将其引入中央储水池。除了透水铺装外,街道也采用滞留降雨径流的方式进行雨水存储。当街道遭遇暴雨侵袭时,人们通过垫高的石块穿行街道。印度次大陆的诸多古城都拥有设计优良并部分相连的庙宇水存储系统,这些水池可以起到充当洪水调蓄池、下渗盆地,以及供水水库的作用。由于宗教原因,这些水池中存储的水通常鲜有污染。500年前金奈古城拥有约400个这样的水池,如今只有5处存留下来。


在古代中国城市的排水设计中,首要考虑的是如何适应当地气候。在气候湿润的地带,城市雨洪系统通常由无数河道、池塘和湿地构成,扬州就是很好的例子,再大的降雨也能够被相互连通的系统如同海绵一般吸收。扬州当地的水系与主要的河流和湖泊都相互连通。另一处古代海绵城市设计的范例是菏泽。菏泽最初拥有72处池塘,占城市面积的30%。这些池塘在抵御洪水、调控气候和蓄水层补给方面起到了重要的作用。由于近年来城市化发展,截至2000年,菏泽市的水体已经减少了近一半,仅占城区面积的16.2%。水面面积的下降造成了严重的内涝和更高的洪水风险。同时,由于雨水不能得到蓄存,地下水补给的潜力随之丧失。现如今,菏泽大片的原始栖息地、休闲资源和区域特征已渐渐消失。
在中国的干旱和半干旱气候区,降雨通常较为集中,雨季过后往往是较长时间的干旱。针对这种气候特点,解决下渗和蓄水层补给问题就成为了许多古代城市的首要目标。一个出色地解决了这一问题的典型范例就是北京北海公园的团城(建于金朝,公元1115-1234年)。这一透水设施—在当代被认为是一种L ID设计的关键特质—在12世纪就已出现。首先,地面铺设的倒梯形青砖具有非常强的透水性,这些砖的底部可形成更多空间使雨水能够轻易地流向下层。此外,在一些地方还设置了雨水收集口,以便将多余的水从地面排走。这些收集口与地下暗渠相连,具有双重功用:当地下水位较低时,雨水下渗,对地下水进行补给;当地下水位升高时,系统可以起到排水作用,形成综合的(LID)排水系统。据估算,暗渠的平均深度为1.46m,最大土壤含水量为4 037m3,高于年均降水量(3 427m3)。编著于战国时期的《周礼》一书中记载了一段关于排水系统总体布设的文字。书中提到,城市建设应当从规划伊始就进行排水设计,而这一建议在当今往往不被遵循。这不仅关系到城市需要多少条开放沟渠以及这些沟渠的布局形式,还关系到这些沟渠之间相互连接以及与自然河流的连接方式。以自身地理条件为基础规划而成的临淄城正是这样的一个代表。图7展现了其排水理念,城区中多数的水库都与河道和沟渠相连,并最终汇入西河与淄河。
19世纪英国工程师威廉姆·林德利等在欧洲、美洲以及澳大利亚的许多城市设计并引入了合流式和独立性的排水系统,但他们仅仅短暂地缓解了19世纪末期灾难性的霍乱和伤寒疫病所带来的城市问题。
我们花费了整整100年的时间才回归到古老却智慧的LID和海绵城市设计原则中去。

 

3、 一些更具体的设计方法和原则
人们可能会认为,古老的LID和海绵城市理念不适用于当今高密度的、遍布钢筋水泥的城市区域。这就大错特错了!诀窍就是把LI D和海绵城市与当今的各种技术用一种智慧的方式,像拼图一样结合起来。诚然,在过去的几十年中,城市规划未能用一种智慧的方式与现有的LID技术整合起来。不幸的是,并不存在什么普适性的原则指导我们如何去做。这就取决于城市规划师如何凭借他们自身的专业能力,来因地制宜地制定出最佳解决方案。我们所需的所有技术在1980年代中期就已存在,并不断得以发展。数不清的出版著作、指导手册和书籍唾手可得,单单本文作者的早期著作就有很多。
如果中国的城市规划者们在20世纪90年代城市快速发展之初就遵从很多当时就已存在的建议,那么今天中国将没有任何一个城市会出现排水或者供水的问题!


将图1所示的原则转变成一种暴雨管理系统的话,会取得非常显著的效果。暴雨径流峰值和径流总量将大幅减少到一般情况下现有水渠和河流可以应对的水平。尽管没有什么普适性的原则可以用来指导当地系统优化,表2仍列举了一些有效地体现了LID/海绵城市概念的过滤和储存设施。近年来中国的文献报道了很多结合LID技术就地进行城市开发的案例,首批大型的LID设计研究之一于2000至2005年间在北京进行。北京天秀花园是该项研究选取的6个试验场地之一,其由散布于绿色景观之中的4~6层的住宅公寓和一个小型休闲湖区组成。因为开发商决定在湖体下方建造地下停车场,所以不得不将湖体水深限制在约0.5m之内。主要建筑的屋顶面积总和是2.39hm2,街道、人行道、停车场和道路面积总和是3.63hm2,以及开放水面本身的规划面积是0.5hm2,绿地总面积达5.16hm2。该项目的排水设计着重于收集和储存屋顶汇集的雨水径流,用于补给人工湖的蒸发,并使多余的径流下渗到地下。为此,设计师设计了一个补给井,因为地下的粘土层阻断了近地表的下渗。该系统会将溢流导入现有的雨水管道,因此雨水管道同时也收集来自街道的径流。该系统虽仅为五年一遇的降雨标准而设计,但是也能轻松地应对2012年7月21日的特大暴雨。
如果所有的建设项目,包括在大城市的建设项目,都遵循这些原则,那么城市作为一个整体将在降雨时成为一个“海绵”,但仍然需要与主要的水系统相连接。

 

4、 LID与海绵城市设计的成效及其局限性

海绵城市与LID设计具有巨大的潜力。但在降雨量远远超出设定的暴雨最大值等极端情况下,必须保证城市雨水系统与主要的自然河流、湖泊相互连通。另外,城市往往尚在使用传统的雨洪排水系统,且L ID设计通常仅应用于新兴城市建设或城市改造过程中。因此,海绵城市与LID的成效只有在城市发展多年之后才能显现出来。在当地条件限制下,实现LID是极其困难的,以下将通过几个案例对这一点予以说明。

绍尔豪瑟公园位于德国斯图加特市附近,是在一片原军事基地上开发建成的住宅区。该住宅区以其15年的成功经验证明了洪水削减设计的必要性。该住宅区的雨洪设施占地面积达140hm2,场地自身的局限在于其地下几乎无法渗透,而科拉汉河吸收水流的速度仅为183L/s。该住宅区实践了LID理念,通过绿色花园与滞留沟渠将特色休闲景观台地附近的房屋全部连接起来,雨水汇入中央景观台地的洼地进行过滤(容量为21 000m3),而过滤设施直接与容量高达16 000m3的地下管道相互连通。另外,住宅区内所有的地下车库都实现了绿色屋顶设计。住宅区东部被一条街道分隔开来,通过滞留沟渠直接与科拉汉河相连。该雨洪系统依五年一遇的暴雨标准而设计,设计降雨强度为125L/s。2002年7月,当地发生特大暴雨,中央景观台地作为泄洪通道将雨水导入下游农田。绍尔豪瑟公园雨洪设计由德国戴水道设计公司负责完成,并获得了2006年德国城市设计奖。

将L ID和地下水补给作为防洪措施—这一理念在一项由中德两国合作设计的“城市地区可持续性水资源管理—防洪与地下水补给”①项目中得到了提升。通过28个雨量站所提供的1959~2000年的雨量数据,我们能够估算出北京市可能通过降雨获得的地下水补给量。假设降雨可以通过对道路、广场、屋顶等的铺装方式进行改造而得以收集和渗透,那么通过应用LID设计能够实现50%的渗透率。这意味着仅在北京市五环地区以内,每年就有63 000 000m3的雨水能够渗入地下。而2009年北京市的地下平均水位为地下24.07m,1980年时这一数据则为16.83m。

其他节水及中水循环利用等措施可以阻止北京的地下水进一步枯竭,并在无需其他水源输入的情况下实现水资源再生。然而,这些措施显然需要北京市民转变自身的环保意识。北京市随后修订了相关水资源的规定,并建立起了相应的雨水收集标准。但是,近年来LID理念的后续应用整体上并不成功。我们对北京市很多开发用地进行了调研,发现这些项目显然没有遵照规定进行设计。实践证明:技术可行性本身并不能保证技术最终成功应用。我们需要建立监管委员会,以确保LID技术在个体开发项目中得以应用,并使其融入海绵城市整体战略之中。

5 、结论与建议

相较于传统的排水设计,高效的LID和海绵城市设计需要更加广博的知识,并与经验更丰富的规划相配合。这一点不但没有得到重视和推广,反而往往被忽视。人们常常认为通过网络搜索、借助设计手册,或采用通用的计算工具就可以做出LID和海绵城市设计。错!专家已经证明,目前超过70%已付诸实践的LID理念都是错误的,还有25%的实践并非最优设计。

规划的主要障碍包括法规不健全、管控不严格;不同法律和法规之间存在矛盾,监管程序和手段与现行法规脱节,无法保障每一个项目的LID设计都能融入海绵城市整体理念之中。

虽然LID设计能够带来诸多益处,但目前还没有对其种种优势进行计算的通用方法。尽管在LID设计过程中可持续性经常被提及,但目前还没有可靠的方法能够验证一项设计的可持续性水平。而对于规划师而言,则需要同时具备景观规划与水文知识,特别需要综合考虑当地特有的土壤与气候条件,并在其设计中考虑到气候变化的影响。规划师应有能力对模型进行校准并运用,这样有助于他们测试设计的有效性。任何明智的项目设计方案都应具有弹性。而且在早期规划阶段,一定要对材料的选择、与城市环境相融合的可能性、施工资质、后期维护的需求与成本等方面予以全面考虑。

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