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中国海绵城市建设的水问题研究与展望

作者:树篦子 日期:2017-9-28 浏览次数:157

  随着城市化的迅速发展,我国城市内涝、水体黑臭、河湖生态退化等水问题日益突出。这些问题与城市化的水文效应密切相关,主要表现在城市化改变了城市微气象和下垫面条件,导致水文循环发生变化;污染物排放量增多导致水环境恶化;城市建设挤占原有的生态系统导致湿地退化与湖泊萎缩,进一步引起城市内涝等。

  水问题

  针对上述水问题,海绵城市应运而生,并已成为我国城市建设中的热点。虽然海绵城市建设在理论和实践方面均取得了长足的进展,但在水文学基础方面仍然存在着许多薄弱环节。

  针对我国海绵城市建设,在城市化水文效应分析的基础上,提出了海绵城市中关于科技创新与应用基础研究的若干对策与建议。

  中国城市建设的水问题

  我国是城市水问题十分突出的发展中国家之一。随着全球变化和社会发展,城市建设面临愈来愈严峻的挑战。

  城市水问题

  1、城市内涝。

  2、水体黑臭。

  3、城市河湖生态退化。

  4、城市热岛效应。

  5、城市人群疾病多发。

  这些“城市病”的核心在于城市的水问题。因此,在海绵城市建设过程中,城市的水问题应该引起各方的重视。

  城市水问题产生原因

  导致以城市水问题为核心的“城市病”的原因有多方面,其中城市化的水文效应是重要原因之一。

  1城市化对水文过程的影响

  由于城市化的影响,城市降水大于郊区降水且暴雨日明显增加,蒸散发量和蓄水变化量减少,城市化使得区域产流量增加。此外,广场、柏油马路等不透水平面较城市化前下垫面糙率减小,使得地表汇流速度加快,城市排水系统管网化也进一步增加了城市排水能力,使暴雨径流尽快就近排入当地接受水体,使城市径流流态、洪水过程线形状及洪峰流量均发生变化,其特点是洪水汇流速度增加,洪量集中,导致洪水历时缩短,峰现时间提前,洪峰流量增大。城市化前后的水文过程如图1所示。

  图1城市化对水文过程的影响

  2城市化对水环境的影响

  城市化前,人口密度相对较少,人类活动对水环境的影响不明显,水体自净能力足以降解受纳的总污染负荷;但在城市化后,人口迅速增长,人类活动增加引起污染排放量的明显增多,远远超出天然水体自净能力,使得水环境恶化。

  3城市管网老旧存在的隐患

  城市管网老旧和设计标准偏低,已难以满足当今城市化发展的需求。当降雨强度大时,特别是短历时强降雨时,往往会超过排水管道设计承受能力。我国城市管网维护管理薄弱,绝大多数城市排水设施运行维护费到位率较低;管道及检查井淤积严重,设备老化;降雨时不能及时清理雨水口前的杂物,导致排水能力降低等。此外,由于设计理念的原因,早期城市建设排水体制大多采用合流制,而且现在很多城市老城区内仍未实行雨污分流制,雨污混接使得相当一部分污水通过雨水管道直接排入受纳水体,这也加剧了城市水环境的恶化。

  亟待研究解决的问题

  国家关于推进海绵城市建设的部署,为彻底改变我国城市建设工作提供了战略性的发展机遇。但是我国海绵城市建设过程中存在许多挑战性的问题。

  01

  海绵城市的概念需要进一步明晰。海绵措施不仅包括源头LID治理、城市管网排水、河湖调蓄和江河湖库防洪等;各海绵措施的相互衔接与协调、统一规划以及不同行业之间关系,需要厘清,达成共识。

  02

  海绵城市建设的水文学基础仍亟待加强。尽管我国海绵城市建设热情高,但目前仍需要发展针对中国不同气候区和暴雨特点的城市水文模型,加强对城市化蒸散发变化认识与应用,针对海绵城市的综合水系统及其交叉学科的先进技术要开展研究与应用。

  03

  海绵城市建设和管理各部门需协调与协同。海绵城市建设涉及住建部、水利部、环保部、国土资源部以及城市建设规划、水务、环保、园林、工程、湖泊管理等多个部门,各部门避免职责不明确导致的多龙治水,要加强海绵城市建设的体制与制度创新。

  04

  加强风险管理意识与应对能力建设。海绵城市在抵御极端气候的暴雨洪水方面仍有一定限度与极限。当暴雨超过海绵城市纳洪的承载力时,“城市看海”将成为必然。因此,我国海绵城市建设中应该针对不同的地区自然地理和气候特征,其推进当地海绵模式是逐步完善与提高,并提升城市应对极端灾害的预警预报以及应急响应能力等。

  建议与对策

  我国海绵城市建设正处于起步阶段,已经取得了有目共睹的成就,但是在海绵城市建设与规划的水文学基础方面,仍存在许多亟待改进的方面,特别是需要开展科学技术创新与应用基础研究。笔者认为需要加强如下方面的研究:

  01

  城市水文学机理研究。我国城市正处于高速发展的阶段,城市化水平和面积将越来越大。城市化使土地利用方式发生了明显的变化,导致不透水面积大幅增加,城市热岛和雨岛效应将明显增强。通过开展室内和野外实验,探索城市水循环与水系统演变机理研究,分析不同气象与下垫面组合条件下的水循环过程(如径流、蒸散发、下渗等)变化情况,为海绵城市建设提供坚实的水文学理论基础。同时,另一方面,城市水系统不仅包括降雨径流过程、社会经济供用水、城市生态耗水等,还包括“渗、滞、蓄、净、用、排”等一系列LID海绵设施,因此急需通过野外观测、机理实验和数字模拟等相结合的手段定量评估不同海绵措施对城市水文过程的影响。

  02

  海绵城市水系统智能监测体系研究。以物联网技术为主导,以计算机通信网络和各采集控制终端为基础,研究集高新技术应用为一体的城市水系统智能化监测体系,实现信息数字化、控制自动化、决策智能化,使得感知内容全覆盖、采集信息全掌握、传输时间全天候、应用贯穿全过程,为海绵城市年径流总量控制率、面源污染削减率目标的评估以及海绵措施的维护管理等提供基础数据。

  03

  城市水系统模拟与调控研究。城市水系统是以水循环为纽带,研究城市降雨径流过程,雨洪蓄、引、用、排社会经济用水过程以及城市生物地球化学过程相耦合的复杂巨系统。城市水系统模拟以分布式水循环模型为核心,针对典型区域特点建立水文-水动力-水质耦合模型,实现基于GIS平台的城市分布式水系统模拟;在分布式水系统模拟基础上,综合考虑海绵设施渗、滞、蓄、净、用、排功能和外江湖库蓄排水功能等,使海绵城市建设理论研究中自然过程、社会过程、生物地球化学过程之间有机结合,进而构建城市水系统水质-水量-水生态联合调控模型。

  04

  城市雨洪控制和内涝预报预警研究。城市化使地表径流的总量和洪峰流量显著增加,洪峰提前,径流面源污染趋于严重,因此需要在城市分布式水系统模型的基础上,建立以监测、模拟、调控一体化的城市暴雨内涝预报预警平台,在城市雨洪规律研究和预测预报模型的基础上,科学规划,制定合理的径流和污染的控制与管理措施,并对其效果进行评估。

  05

  城市雨洪控制管理与风险评估研究。海绵城市建设关乎城市发展命脉,而各个城市(区域)有其独特的气象、水文、经济条件,因此海绵城市不应是“一刀切”,而需因地制宜。根据各城市特点,制订符合该城市发展现状及远景规划的水系统综合评价指标体系,进而开展以水循环水文学为基础,耦合水文物理过程、城市水环境及水生态和城市建设发展管理系统为对象的水系统综合评价及风险评估研究。

  我国海绵城市建设与实践阶段还不长,仍有很多成功的经验值得总结,也有一些教训需要吸取。未来的发展一定要多部门协调,科学与技术支撑、规划与管理先行,最大限度解决好当前和未来面临的问题。在基础理论方面需要开展多学科的交叉研究和复杂水系统问题的探索。

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