发达国家典型雨洪管理体系及启示
摘 要: 针对我国城市发展中传统的雨水处置方式与水资源、水循环系统、生态环境等方面存在的突出问题,简要地梳理了发达国家近20年来不断完善和发展的一些典型的雨洪管理理念和相关体系。比较分析了这些体系的特点,总结了发达国家及我国在城市发展中形成的新的雨洪管理理念、管理经验和科研成果,提出应通过系统研究尽快建立与资源节约、环境友好型城市相适应的现代城市雨洪控制利用科技与管理体系,为构建科学的城市水环境治理模式和良性的水循环系统提供新的支撑,为解决我国城市化过程中暴露的水资源、水环境和生态方面的严重问题少走弯路,降低快速城市化付出的环境和生态代价。
关键词: 雨洪管理; 雨洪控制与利用; 水环境; 水循环; 生态
一直以来,我国对待城市水循环系统中的关键要素/雨水0的态度基本上是把它当作一种/废水0而简单地/排放0,尽管北京、上海等发达城市近10年来系统开展了雨洪控制利用的研究和工程应用,在技术与管理方面取得了快速进展,但总体上我国城市的市政、水务及环境等相关领域的工程设计、建设与管理体系仍限于传统,偏重于防洪排涝控制和雨水的安全排放,因此不可避免地存在雨水径流非点源污染、暴雨和城市化双重作用引发严重的洪涝灾害、严重缺水和雨水资源的大量流失、地下水位下降、生物栖息地及多样性减少等生态环境恶化问题。
显然,对待雨水的传统观念及其排除方式有悖于构建资源节约型、环境友好型社会和水资源可持续利用的理念和城市发展战略。因此,如何解决好城市雨洪控制利用与城市基础设施建设、雨水排放与径流污染控制、径流削减和洪涝灾害防治以及城市水环境保护与综合整治等方面的问题和矛盾,降低城市雨水排放的社会与环境代价,探索绿色、科学的城市雨水处置方式,研究、构建高效的雨洪控制利用技术和管理体系仍是我国城市面临的迫切课题。
1 发达国家典型的雨洪管理体系
发达国家早在20世纪70年代就开始对城市雨水污染等问题开展研究,经过数十年研究和工程应用已形成系统的雨洪管理体系,代表性的有美国的最佳管理措施(BMPs)和低影响开发(LID)、英国的可持续排水系统(SUDS)、澳大利亚的水敏感性城市设计(WSUD)、新西兰的低影响城市设计与开发(LIUDD)。例如,美国的51个州都有相应的雨洪管理手册或指南。
1.1 BMPs体系概要
最佳管理措施(BestManagementPractices,BMPs)是在1972年美国联邦水污染控制法及其后来的修正案中第一次提出来。起初BMPs的主要作用是控制非点源污染,发展到现在,BMPs已经注重利用综合措施来解决水质、水量和生态等问题。
BMPs通常可以分成工程性措施和非工程性措施两大类,工程性措施主要包括雨水池(塘)、雨水湿地、渗透设施、生物滞留和过滤设施等,非工程性措施则指各种管理措施。
因法规要求和各地控制目标的不同、特殊地区(渔业、水源保护区等)的需要等,BMPs的目标有以下几个方面和层次:（1）洪涝与峰流量控制;（2）具体污染物控制准则,如沉淀物、SS等污染物的去除;（3）水量控制,主要关注的是年均径流量而非偶然的暴雨事件,要求对较小的降雨事件如2.54cm(也即径流水质控制容积)以下的降雨实施有效控制,约占当地年降雨事件和径流量的90%;（4）多参数控制,除了对洪涝、峰流量和水质的控制,还增加了地下水回灌与受纳水体的保护标准;（5）生存环境保护和生态可持续性战略,即生态敏感性雨洪管理,目的是要建立一个生态可持续的综合性措施,包括以生物、化学和物理的标准来确定BMPs实施的效果。
1.2 LID体系概要
低影响开发(LowImpactDevelopmen,tLID)是从基于微观尺度景观控制的BMPs措施发展而来的,LID理念由美国乔治省马里兰州环境资源署于1990年首次提出,主要是以分散式小规模措施对雨水径流进行源头控制。
LID也是一项基于综合性措施来管理城市雨水的方法,可以归纳为图1所示的五个方面。
LID的核心是通过合理的场地开发方式,模拟自然水文条件并通过综合性措施从源头上降低开发导致的水文条件的显著变化和雨水径流对生态环境的影响。
LID的首要目标是通过场地适用技术(如储存、渗透等)来模拟开发前场地的水文条件,主要目标和原则是:（1）为受纳水体的水环境保护提供改良技术;（2）为促进环境敏感性的项目开发从经济上提供鼓励(即经济上具可行性);（3）发展全方位的环境敏感性的场地规划与设计;（4）促进公共教育和鼓励参与环境保护;（5）有助于建立基于环境管理的社区;（6）减少暴雨基础设施建造和维护成本;（7）引入新的暴雨管理理念(如微观管理、多功能景观),模拟和复制接近自然的水文功能,维护受纳水体的生态/生物的完整性;（8）有助于规章制度的灵活性,鼓励创新工程和因地制宜的场地规划;（9）有助于从经济、环境和技术可行性方面对当前雨洪控制利用措施的适用性与合理选择方法方面展开讨论。
LID设计通常需要结合多种控制技术来综合处理场地径流,主要分为保护性设计、渗透技术、径流储存、径流输送技术、过滤技术、低影响景观等六部分,具体情况见表1。
1.3 SUDS体系概要
英国在1999年5月更新的国家可持续发展战略和21世纪议程的背景下,为解决传统排水体制产生的多发洪涝、严重的污染和对环境破坏等问题,将长期的环境和社会因素纳入到排水体制及系统中,建立了可持续城市排水系统(Sustainab le Urban Drainage Systems,SUDS)。
SUDS主要综合考虑城市环境中水质、水量和地表水舒适宜人的娱乐游憩价值(见图2)。显然,SUDS由传统的以/排放0为核心的排水系统上升到维持良性水循环高度的可持续排水系统,在设计时综合考虑径流的水质、水量、景观潜力和生态价值等;由原来只对城市排水设施的优化上升到对整个区域水系统的优化,这不但要考虑雨水而且还要考虑城市污水与再生水,通过综合措施来改善城市整体水循环。
传统方法与SUDS的关系见图2。
与传统的城市排水系统相比,可持续排水系统具有以下特点:（1）科学管理径流流量,减少城市化带来的洪涝问题;（2）提高径流水质、保护水环境;（3）排水系统与环境格局协调并符合当地社区的需求;（4）在城市水道中为野生生物提供栖息地;（5）鼓励雨水的入渗、补充地下水等。
SUDS体系也要求尽可能从源头处理径流和潜在的污染源,保护水资源免于点源与非点源的污染。图3所示的雨水径流管理链可清楚地说明SUDS的理念,首先利用预防和良好的家庭、社区等源头管理方法对径流和污染物进行控制,再到较大的下游场地和区域控制,在径流产生到最终排放整个链带上分级削减、控制(渗透或利用)产生的径流,而不是通过管理链的全部阶段来处置所有的径流。
SUDS的技术措施类似于BMPs和LID中的技术,也可以分为源头控制、中途控制和末端控制三种途径,以及工程性、非工程性两类措施,这些技术和措施相互配合贯穿于整个雨水的管理链。
1.4 WSUD体系概要
水敏感性城市设计(WaterSensitiveUrbanDe-sign,WSUD)是澳大利亚对传统开发措施的改进,它强调通过城市规划和设计的整体分析方法来减少对自然水循环的负面影响和保护水生生态系统的健康。WSUD体系视城市水循环为一个整体,将雨洪管理、供水和污水管理一体化。
WSUD反映在城市愿景、规划、设计和建造中发生的根本性改变,而不是使用传统的单一模式。WSUD认为城市的基础设施和建筑形式应与场地的自然特征一致,此外还将雨、污水作为一种资源加以利用。其关键性的原则有:（1）保护现有的自然特征和生态;（2）维持集水区的自然水文条件;（3）保护地表和地下水水质;（4）降低供水管网系统的需求;（5）减少排放到自然环境中的污水量;（6）将雨、污水与景观相结合来提高视觉、社会、文化和生态的价值。
WSUD体系是以水循环为核心,主要是把雨水、供水、污水(中水)管理视为水循环的各个环节,这些环节相互联系、相互影响,统筹考虑,打破了传统的单一模式,同时兼顾景观和生态环境。显然,雨水系统也是WSUD中最重要的子系统,必须具备一个良性的雨水子系统才有可能维持城市的良性水循环。在WSUD雨水系统中,具体的技术措施及体系也与上述类似。WSUD体系中的水循环系统见图4。
1.5 LIUDD体系概要
低影响城市设计和开发(Low Impact Urban De-sign and Developmen,t LIUDD)是由北美的低影响开发(LID)和澳大利亚的水敏感性城市设计(WSUD)发展而来的。LIUDD体系应最大化地发挥自然价值和减少沉积物、径流污染物和不透水面积;减小对水域、生物多样性的影响和能源、材料的使用;可持续的区域及其发展以及改善城市流域的治理。总之,LIUDD应该是多种理念的综合:LIUDD=LID+CSD+ICM(+SB),其中LID为低影响开发,CSD(Conservation Sub-Divisions)为小区域保护,ICM(In-tegrated Catchment Management)为综合流域管理,SB(Sustainable Building/Green Architecture)为可持续建筑/绿色建筑。LIUDD不仅应用于城市环境,还可用于城市周边及农村,从而促进低影响农村住区设计和开发(Low Impact Rural Residential Designand Developmen,tLIRRDD)体系的发展。
LIUDD也是为了避免常规的城市发展模式对生物多样性、理化方面(水质、水量等)、经济、社会、娱乐游憩等方面产生的负面影响,保护水生和陆生生态系统。
LIUDD的关键性原则可分为三个层次,并不断更新。首要原则:该原则在LIUDD等级层上处于最重要的地位。该原则主要是寻求一种共识,即人类活动要考虑自然循环,最大限度地减少负面效应和优化各类设施。城市设计中ICM非常重要,其中生态承载力为其考虑的核心。第二原则:该层次的原则可以分为三部分,首先是关于场地选择的原则,指出对于城市发展区域中选择最适宜的场地是LI-UDD成功的关键。如果没有这一步,即使第三原则应用很好,也难以达到预想的结果;第二点是有效地采用基础设施和保护、设计生态设施;第三为减小流域的输出和输入,即最大程度地将资源利用和废物处置本地化。第三原则:主要包括利用小区域保护方法(分散式)来保持开放空间和提高基础设施的效率;利用/三水0的综合管理来减轻污染和保护生态,优化水和营养物的循环。
2 启示
基于上述简要分析和梳理,还需要明确以下几个问题:
（1）几个重要概念及子系统
a“雨洪管理”和“雨洪控制利用”
“雨洪管理”(storm water management)也常被直译为“暴雨管理”,但从该领域的发展及内涵看这显然都不够准确且容易引起误解。第一,关于雨水的问题已经不能仅限于“暴雨0,雨水利用、径流污染和径流总量控制等主要是考虑处理大量的中、小降雨事件。第二,中文“管理”一词易被狭义理解为非技术性或非工程性,而从英文management直译的“管理”则是广义的,即包括了技术。因此,笔者认为用“雨洪控制利用”能比较全面、清晰地反映该领域的内涵:“雨洪”涵盖了发生频率更大的中、小雨和小概率的暴雨(洪);“控制”既涵盖了对径流污染、径流峰值及径流排放总量的控制,也包括了传统的城市排水和防洪排涝系统;“利用”则体现了对雨水资源的综合利用,也突出了由于我国城市普遍严重缺水而重视雨水资源利用的本土化特征。不作特殊指明时,这几个方面都涉及技术体系与管理体系。
还有两点需要强调,一是由于降雨的特性、设施应用条件及其设计原理的不同,为实现城市雨洪控制利用,不同目标的措施、设计原理和标准都会不同。水质控制(也包括雨水渗透和利用)一般主要针对出现频率较高的小降雨事件[4、5],即通常所说的水质控制降雨(water quality storms),而城市排水、侵蚀和洪涝控制则主要针对出现频率较小的中、大雨到暴雨事件,也称为水量控制降雨(quantity storms)。二是国内外发达城市的经验均表明,我国城市对该领域狭义的“管理”(如法规、政策、管理机制、宣传教育、民众的参与等)必须予以更多的重视,否则再好的技术也难以实现预期目标。
b.几个重要的子系统及相互领域的关系
雨洪控制利用系统至少包含了雨水径流污染(也称面源污染、非点源污染或扩散污染)控制、暴雨与洪涝控制和雨水资源利用等几个子系统。过去这几个子系统相对独立且自成一个庞大的复杂系统。近年来,这几个子系统被越来越紧密地结合在一起,这从上述体系分析和国际上相关研究领域的发展可以清晰地看出。例如国际雨水利用协会(IRCSA)自正式成立以来已成功举办了14届大会,该组织(未纳入国际水协)及大会的宗旨和主题主要是针对世界各地缺水问题而开展城乡雨水资源利用方面的研究及其推广应用交流,目前逐步涉及环境和流域管理及水土保持等广泛课题。国际水协非点源污染控制专家组(Specialist Groupon Diffuse Pollutionof IWA)则重点开展了雨水径流污染控制研究领域国际间的交流,目前也涉及城市排水系统(合流制与分流制)问题、雨水利用与城市生态、景观等课题。几年前国际水协又另外成立了雨水利用与管理专家组(Rainwater Harvesting& Management Specialist Group),除了突出雨水利用及其“管理”主题外还涉及气候变化、水质问题、洪涝削减等。近年来美国还举办了不少全国或区域性的LID学术大会,此外还有许多国家和地区开展了雨洪控制利用的相关学术活动。
笔者近十几年来跟踪参与这些领域的学术交流,深切感到随着研究的深入和大量工程的应用,人们越来越清醒地认识到从单一专业、局部或某个子系统很难解决好城市雨水、水循环和生态系统的问题,需要环境、市政(给水排水)、水利、农林、建筑、景观、规划、道路、社会与城市管理等多专业的学者、工程技术和管理人员及NGO的广泛参与和配合[6、7]。国内虽然有一些环境、水利、景观规划等专业的学者参与了上述某个领域的国际学术交流,但遗憾的是在这些重要专业领域的国际学术交流中,国内给水排水领域的学者和科技、管理人员的参与太少,应该引起同行的重视。
（2） 雨洪控制利用与管理历经长期研究,并从低层次向高层次发展
国际上数十年和我国近十几年来的研究历程和成果都清晰地表明,对待城市雨洪问题的态度和对策都经历了从低层次向高层次、从单一方面向综合方面的长期研究和发展过程,才形成了较为完善的系统。其中很重要的一点是,一些发达国家已建立雨洪控制利用相关的法规体系,用以保证受纳水体的水环境健康;另外一些国家或城市规定了开发后的雨水径流总量、峰值流量不得超过开发前的,同时也对径流污染物提出具体量化的控制要求。
各国既互相借鉴又结合国情有针对性地开展本土化和地域性研究,相互促进并不断完善。无论各国体系的称谓、侧重点或发展阶段的不同,但基本内涵和发展趋势殊途同归,也产生了不少新的科学理念、理论和大量的技术创新。
3 构建我国城市雨洪控制利用体系
上述发达国家的经验和我国城市水资源与水环境突出的现实问题都表明,无论是城市的可持续发展、推行绿色建筑或绿色基础设施、全国污染源普查及污染物总量控制、国家实施的重大科技水专项和流域治理等,还是具体到雨水利用、非点源污染控制等分支领域,都迫切需要构建我国城市雨洪控制利用的科技、工程建设与管理的完整体系,应重点做好以下几方面工作:
（1）转变传统观念,建立新型的综合性模式
首先必须转变对待城市雨水的传统观念和排放方式,从功能单一、分割的模式向综合性模式发展;强化土(场)地的合理规划设计、模拟自然水循环和综合流域管理等理念,既不能仅局限于防洪涝和安全排放,也不能简单地增加或单方面考虑径流污染控制或雨水利用来解决城市雨水问题,而应基于更高层次从水质、水量、良性水循环系统和城市景观、生态等整体考虑,科学地建立城市雨洪控制与利用综合模式。
（2）开展深入、系统的研究
应该清醒地看到,我国在这个领域上的整体落后,可喜的是近年来从国家/十一五0科技支撑项目、水专项到许多地方都有大量的资金投入与雨水相关的研究和工程示范。从发达国家和我国部分发达城市的经验看,要特别注意避免重技术轻管理的倾向,技术与管理并重,没有科学、系统的管理机制相匹配,不仅会制约技术的推广和工程应用,而且大量的技术投入也容易造成事倍功半。此外还要减少低水平重复研究,要针对国情和区域特点因地制宜地开展综合性深入研究,实现跨越式发展。
（3）打破条块分割,实现跨专业、多系统间的结(配)合
城市雨洪控制利用是一个庞大、复杂的系统工程,涉及多学科交叉领域,需要多专业、跨部门的配合,避免各自为政,各行其是,相互冲突和矛盾。同时,也需要学者、建筑师、规划景观设计师、市政工程师、开发商、管理人员甚至普通市民的参与合作。
（4）建立完善的技术体系和相适应的管理体系
在上述基础上充分发挥我国的后发和比较优势,尽快构建我国城市雨洪控制利用科技与管理体系,包括掌握新的理论与技术的规划设计和工程建设队伍,具有现代理念、先进手段和丰富经验的管理机制和人员,具有创新能力和产品开发(设备、装置、材料)的新型企(产)业,具有完善内容的教科书、技术设计手册或指南、规范标准等系列科技资料。这是一项长期、艰巨的任务,需要不断研究、应用和逐步完善,既要有超前意识和紧迫感,又不能急功近利、急于求成。由于城市雨水问题及其合理的解决方案地域性极强,很大程度上取决或受制于各城市甚至具体项目所在地的水文地质、已有的基础设施等条件。因此要避免缺乏深入研究基础就盲目、草率地推出片面、经不起推敲的国家规范或标准,甚至是部门化、企业利益化的国家或地方标准。尤其要避免缺乏科学依据和适用基础的硬性的、规定过细的条文或统一的设计参数带来被动、不良的后果,维护国家标准规范的严肃性和权威性。可以考虑通过技术指南或导则的试行,到推荐性、地方性标准,条件成熟后再制定强制性标准。另外,需要建立、健全国家的相关条例或法规。首先应该考虑将雨水径流量和污染物减排纳入我国污染物总量控制和减排体系,尤其对新建城市和新开发地区。
参考文献:
[1] Prince George.s County.Low-impact Development: An Integrated Design Approach[M].US:Maryland Depar-tmentof Environmental Resource,1999.
[2] Paul Shaffer.SUDS Management Train[EB/OL].http:www.ciria.com/suds/suds_management_train.htm,2005-07.
[3] Melbourne Water.WSUDKeyPrinciples[EB/OL].h-ttp:wsud.melbournewater.com.au,2009-06.
[4] 潘国庆,车伍,李俊奇,等.中国城市径流污染控制量及其设计降雨量[J].中国给水排水,2008,24(22):25-29.
[5] 潘国庆,车伍,李海燕,等.城镇雨水收集利用储存池优化规模的探讨[J].给水排水,2008,34(12):42-47.
[6] 车伍,周晓兵.城市风景园林设计中的新型雨洪控制利用[J].中国园林,2008,24(11):52-56.
[7] 车伍,申丽勤,李俊奇.城市道路设计中的新型雨洪控制利用技术[J].公路,2008,(11):30-34
