1、厦门市海绵城市建设技术分析及园区示范 范洪勇 刘超翔 颜昌宙 陈少华 朱永官 中国科学院城市环境研究所 中国科学院大学 摘 要： 海绵城市建设是低影响发展 (LID) 理念的特色实践。厦门市是国家首批海绵城市试点建设城市之一, 故海绵城市建设对厦门市生态文明和旅游城市的建设工作有重要意义。结合厦门市具体特点和 LID 技术特点, 对厦门市的海绵城市建设技术作了进一步分析。介绍了厦门市某园区的 LID 技术应用示范, 并对厦门市海绵城市建设技术的高效应用提出建议, 以期为其他区域的海绵城市技术实践提供借鉴。关键词： 海绵城市; LID; 城市雨水利用; 作者简介：范洪勇 (1987-) , 男,
2、 博士在读研究生, 主要研究方向为废弃物资源化技术。作者简介：刘超翔 (1974-) , 男, 研究员, 主要研究方向为生态处理技术研究。收稿日期：2017-02-06基金：福建省科技计划项目 (对外合作项目) (2016I0016) TECHNOLOGY ANALYSIS AND PRACTICE DEMOSTRATION OF A PILOT PARK ABOUT SPONGE CITY CONSTRUCTION IN XIAMENFAN Hong-yong LIU Chao-xiang YAN Chang-zhou CHEN Shao-hua ZHU Yong-guan Institut
3、e of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences; Abstract： Sponge city construction is a characteristic practice of the low impact development ( LID) . Xiamen is one of the first pilot cities for the construction sponge cities, which is important to the construction of Xiamen ecological civiliza
4、tion and tourist city. According to the characteristics of Xiamens and LID technology, further analysis of Xiamens sponge city construction technologies was made. The LID technology application demonstration in a park of Xiamen was introduced, and some suggestions were made for efficient use of Xiam
5、ens sponge city construction technologies, which could provide reference for the sponge city technology practices of other regions.Keyword： sponge city; LID; urban rainwater utilization; Received： 2017-02-060 引言“海绵城市”是指城市能够像海绵一样具备“弹性”, 在下雨时吸水、蓄水、渗水、净水, 在需要时将蓄存的水“释放”并加以利用1, 其既具备弹性城市的应对自然灾害的能力, 又体现了低影
6、响开发 (LID) 的思想和对水环境及雨水资源可持续管理和利用的要求2。因此, 海绵城市建设是城市综合利用雨水资源、改变城市水文生态的重要举措。厦门市地处我国东南沿海, 是风景优美的国际性海湾型城市。市域由厦门岛、鼓浪屿及内陆沿海地区组成;全市现状土地面积 1573.16 km, 常住人口 425 万人, 本岛人口密度达 2 万人/km, 人均水资源量仅为 290 m, 约为全国平均水平的 14%, 属极度缺水地区3;但另一方面, 厦门市年降水量丰富, 总量约 24.06亿 m, 大部分流失入海, 同时城市逢暴雨便内涝。因此, 按照海绵城市建设要求, 建设低影响开发雨水系统是解决厦门市资源环境
7、容量和经济社会发展矛盾的必由之路。1 厦门雨洪问题厦门市人均水资源量低但逢暴雨便雨洪, 既有普遍原因, 也有特殊原因。普遍原因, 一方面早期城市规划建设的局限, 使得城市硬化地面大大增加, 造成地面对雨洪的渗、蓄、净能力降低, 雨洪频发;另一方面水资源生态管理和河道防污系统的不完善使得城市面源污染加剧和水体污染扩大4。特殊原因即为厦门地理特点, 主要表现在以下几个方面:1) 厦门市为典型的海湾型城市, 市域主要由岛区和内陆沿海地区组成, 而经济发展程度最好、人口密度最大的岛区雨洪问题最为严重。2) 厦门市属于亚热带海洋性季风气候, 降雨集中在 49 月, 同时常受台风天气影响, 降雨历时短、强
8、度大, 地表径流集中, 排水易受海潮顶托, 湾区容易产生内涝。因此, 厦门市应结合厦门旅游城市的特点, 合理规划, 并综合利用旧基础设施改造和设施新建技术, 构建低影响雨水开发系统。2 海绵城市规划与实践2015 年 3 月, 厦门市成为国家 16 个海绵城市建设试点之一。目前, 厦门市已编制完成了厦门市海绵城市建设试点城市实施方案, 将厦门市马銮湾片区和翔安新城划为试点区域, 共确定海绵城市项目 78 个5, 所规划项目包括新建和改造项目, 涵盖了“渗、滞、蓄、净、用、排”多方面。厦门市对 LID 技术的实践较早, 但主要集中在道路工程改造和政府单位的实验工程, 技术应用单一, 如在 201
9、2 年厦门岛内实施人行道改造工程和海沧区内某建筑物楼顶的屋顶花园建设工程等6。2015 年 5 月, “海绵城市建设”试点的首个项目 海沧第二实验小学海绵城市改造工程完工, 该项目从“渗、滞、蓄、净、用、排”各方面进行设计和施工, 使得学校区域内的雨水年径流总量控制率达到 70%7。虽然如此, 但厦门市海绵城市大规模的建设项目尚未展开, 因此本文结合厦门市特点, 着重对厦门市海绵城市建设技术进行分析研究, 并介绍了厦门 LID 技术的园区应用实例, 以期为其他区域的海绵城市技术规划与实践提供借鉴。3 海绵城市建设技术分析厦门海绵城市建设中, 主要的面源控制技术适用于规划项目的建设实践, 如城市
10、绿地技术、透水路面技术、植草沟技术、暴雨贮存净化技术、人工湿地净化技术、岸边控污系统等。然而依据厦门市的具体特点, 各技术应用特点各不相同。城市绿地技术对延缓暴雨洪峰, 减轻市政排水管网的压力和对入渗径流和地下水的涵养净化有重要意义8。然而, 厦门处于红壤分布区, 而红壤土渗透系数仅为 1.63110cm/s, 不适于 LID 型城市道路绿化植物的生长9。因此对 LID型城市道路绿化带土壤的改良是其关键。与不透水路面相比, 透水路面技术可降低地面径流系数, 有效消除地表径流10。同时, Raymond 等11研究发现, 透水路面的级配骨料对地面污水中铝、锌、镁的去除率均在 85%以上。因此,
11、因地制宜地级配路面材料, 实现路面材料的高强度和高污水净化能力的最大平衡, 是该技术在海绵城市建设应用中的重要研究方向。厦门地处亚热带, 全年无水分冻融现象, 有助于透水路面的使用和养护, 因此透水路面技术对厦门市海绵城市的建设具有较强的推广价值。植草沟技术具有景观效应显著, 收集和处理径流雨水效率高, 对传统雨水管道的可代替性强等优点12。但是, 厦门市为亚热带海洋性季风气候, 年降雨集中, 降雨时地表径流量大, 使得排水系统排水流量大、流速快、负担重, 对地表径流承受能力有限的传统植草沟不能满足雨水处理使用, 因此应针对厦门市特殊的气候特征, 加强传统植草沟技术的改良研究, 以研发出适于降
12、雨集中气候条件, 并集降污、净水、固土、减排、绿化等作用的优良植草沟技术。暴雨贮存净化技术通过暴雨贮存设施减缓暴雨径流和净化水流。厦门市降雨集中, 易受台风影响, 暴雨降雨量大, 因此暴雨贮存净化技术有利于厦门市暴雨径流的减缓和水流的净化。同时, 暴雨贮存设施的设计类型多样, 对区域的适应性强, 有助于提高地域的景观美学价值, 符合厦门市建设旅游城市的要求。然而, 暴雨贮存净化技术设施或小而分散, 或体积庞大, 控制费用高, 因此暴雨贮存净化技术的合理应用依赖于合理的总体规划。因此, 厦门市的海绵城市建设, 应在做出总体规划的前提下, 制定合理控制目标和设计标准, 规划和兴建暴雨贮存净化设施。
13、人工湿地技术的净化能力取决于湿地植物和微生物的丰度13。厦门市为亚热带季风气候, 全年不出现零下低温, 适于人工湿地植物的生长, 夏季微生物种类最多, 有利于人工湿地净化作用的发挥。在湿地应用中, 红树林湿地生长在热带和亚热带咸淡水交汇处, 生物类型多样、抗污和去污能力强, 是防风固堤、含蓄水源的优选滨海湿地。厦门市作为海滨城市, 咸淡水交汇处广阔, 气候适宜, 适于红树林湿地生长。但是部分天然红树林湿地林带较狭窄, 群落低矮, 组成简单, 发育不良, 不能满足滨海水环境保护要求。控污岸边系统对陆源污染物截留净化和生物多样性的提高有重要意义14。厦门市作为海滨旅游城市, 每天有大量陆源污染物产
14、生, 为保证海岸带的清洁和优美, 提升城市旅游质量, 建设控污型岸边系统是必要的。该系统的核心过程主要由植被和微生物控制, 亚热带季风气候条件下, 适宜植被的生长和微生物的繁殖, 控污型岸边系统的建设对于厦门具有较高的可实施性。4 海绵城市技术园区示范4.1 园区概况本研究选取厦门市某一 LID 技术实践园区为实例, 园区总面积约 13.4 hm, 建设用地 0.74 hm, 其中, 绿地面积约 8.3 万 m, 人工景观河 (水面面积) 约0.54 hm, 停车场约 0.52 hm, 机动车道、广场、运动场、其他约 3.24 hm。人工景观河贯穿东西, 其水源为当地雨水资源和区域内部分中水,
15、 一方面满足城市环境生态、景观等功能, 另一方面收集园区北部绿地、建筑物屋面和广场道路的径流雨水, 从而调蓄景观生态用水。4.2 园区雨水利用管理策略首先应改善下垫面性质, 以促进雨水入渗, 削减径流量。园区绿地及一期工程建筑物屋面、广场及部分道路的雨水径流经截污措施后汇入景观河存储, 调蓄水量用于绿化灌溉, 超出调蓄容量的雨水作为景观河换水。为了保证景观河水质, 抽取景观河水至人工湿地循环净化系统进行净化, 同时将景观河作为绿化灌溉水源, 绿化灌溉的补充水先进入景观河, 再进入绿化灌溉系统, 以促进景观河的流动和换水。景观河存储的雨水及中水用于绿化和景观用水。采用以立体循环一体化氧化沟+臭氧
16、活性炭工艺为主体的污水处理系统, 以净化园区的生活污水和初期雨水, 所净化中水主要用于冲厕和景观河补充水。园区水利用管理技术路线见图 1。图 1 园区水利用管理技术路线 Fig.1 Water use management diagram of the park 下载原图4.3 园区雨水净化与综合利用技术设计园区雨水净化与综合利用主要包括雨水径流源头控制系统、雨水径流净化储存系统、雨水回用系统三部分。园区的屋面径流、广场和部分道路以及北部绿地径流雨水经过源头截污及净化后排入景观河存储, 作为绿化灌溉用水, 为保证水质, 通过人工湿地处理系统循环净化。在运动场四周建设植被浅沟, 在停车场建设渗透
17、性生态停车场, 促进渗透径流雨水, 其技术设计方案见图 2。图 2 园区雨水净化及综合利用总体方案 Fig.2 Overall scheme of rainwater purification and comprehensive utilization in the park 下载原图4.3.1 屋面雨水收集净化系统屋面雨水收集系统主要由屋面雨水斗、排水立管、水平收集管等组成, 采用重力流排水方式。在屋面雨水斗入口处设置雨水箅子以拦截粗大的污染物。雨水水质较好, 经雨水收集系统收集后直接排入景观河, 用于绿化灌溉和景观河补给水。4.3.2 硬质地面雨水处理方案园区内硬质地面主要包括道路、广场、
18、运动场和停车场。故硬质地面雨水中含有较多地面污染物, 此类下垫面主要通过管理和技术手段改善雨水水质, 促进雨水下渗。1) 管理措施:通过加大宣传力度和有效管理, 最大限度地减少地面垃圾和污染物, 改善地面污染状况, 是控制地面雨水污染源的最有效方法。2) 工程技术手段:机动车道采用花岗岩铺装, 在考虑承载负荷的前提下, 采用促渗铺装结构。为了达到雨水利用的目的, 铺装缝隙采用透水缝隙, 基层尽量采用透水材料。对于非机动车道或绿地内人行道, 设计路面高于绿地 50100 mm, 让非机动车道路面或绿地内人行道径流雨水流经道路两边的绿地就地入渗。同时, 在园区内非机动车道、人行道、公共服务区铺设人
19、工渗透地面。采用嵌草砖、透水砖等透水铺装材料, 在利用透水材料铺设地面时, 采用透水铺装结构, 使雨水尽可能入渗到下面的土壤层。广场和道路的初期雨水径流通过初期雨水池截流, 中后期雨水径流排入景观河。截流的初期雨水重力流就近排入污水管道, 池内淤积的泥砂采用人工方式清除。4.3.2 绿地雨水促渗净化系统为促进雨水下渗, 用绿地涵养水源, 减少绿化灌溉, 结合景观设计, 采用下凹式绿地或带促渗设施的下凹式绿地进行雨水利用, 绿地比周围路面或广场下凹50100 mm, 以达到明显消减雨水径流量、去除初期雨水污染物和节约绿化用水的目的。低凹绿地设有自然坡面通向排水沟或景观河, 避免局部过量积水。4.
20、3.4 景观河水质保障系统景观河水流动性差, 容易发生水质恶化现象, 影响水体的观赏功能和园区的生态环境。为保证景观河水质, 在景观河西端岸边建成人工湿地净化系统, 景观河水经提升泵提升后进入人工湿地, 通过土壤-植物-微生物的联合作用, 强化水体的自然净化, 对河水中的氮、磷等营养物质进行深度处理。人工湿地除了循环净化景观河水外, 中水在进入景观河之前也经过人工湿地净化系统, 进一步去除氮、磷营养盐。同时在景观河河道内种植水生植物, 并结合景观设计, 提高水体溶解氧浓度。为了保证景观河水质, 将边坡设计成水岸绿化渗滤带, 采用砂、石垒积, 并种植挺水植物, 构成和谐的生态系统。同时, 在景观
21、河中种植多种水生植物, 为鱼类和其他水生生物提供栖息地, 在体现水体的自然景观的同时增强其自净功能和生命力。并在景观河道的适当位置建设涌水水景, 以提高水体中溶解氧浓度。4.3.5 停车场雨水促渗工程停车位之间种植大树冠乔木, 为避免排水不畅, 停车场设计成中心高四周低的地势。停车场中的车道和停车位采用花岗岩紧密拼装, 但不用水泥沟缝, 以便雨水渗透。停车位中部铺设植草砖, 以利雨水渗透和小草生长。4.4 园区实践效果4.4.1 园区的生态需水量及回用水量分析园区降雨集中在 49 月, 因此夏秋两季为雨水利用的最佳季节。经分析测定, 设计景观河调蓄容积为 1500 m。在调蓄容积为 1 500
22、 m 时, 对雨水的利用率达到 68.24%, 利用蓄积的雨水和中水可以满足 60.9%的生态需水量, 使节水率达到 39.6%43.8%, 能够使园区内水资源利用效率提高 40%以上。4.4.2 雨水净化效果1) 人工湿地净化效果。人工湿地起到净化中后期雨水和中水的作用。经测试, 经人工湿地处理后出水水质主要指标达到 GB 1294191景观娱乐用水水质标准中 C 类标准, 详见表 1。表 1 人工湿地进出水水质 Table 1 The water quality of inflow and outflow in the constructed wetland 下载原表 2) 污水处理系统处
23、理效果。污水处理系统主要处理生活污水和前期雨水, 系统经 21 d 的驯化后, 对污水的COD、NH 3-N、TP、COD 和浊度的去除率均达到 90%以上, 对 TN 的去除率达到 62%以上, 对园区污水有良好的净化效果。经厦门市环境监测中心站检测, 园区内处理后水质值如下: (BOD 5) =10 mg/L, (NH 3-N) =10 mg/L, 浊度=5 NTU, 均达到了 GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放标准一级 A 标准。5 建议厦门市海绵城市建设技术实践涉及了“渗、滞、蓄、净、用、排”等多种生态技术。但是, 从技术的角度, 技术的高效应用尚需做以下努力:1) 虽然
24、厦门市海绵城市建设的技术实践较早, 但是相应建设技术体系仍较为薄弱。因此, 政府应做好技术服务保障工作, 在支持相关技术人才的同时, 不断引进国外先进技术和经验, 同时加强宣传教育和引导, 充分调动社会力量, 为海绵城市建设提供资金、技术、人才的支持。2) 虽然厦门市已经出台了相应的海绵城市建设规划方案, 但是海绵城市建设缺乏完善的技术建设标准支撑和规范的制度或政策保障, 使得海绵型城市建设技术在执行时的首要环节 (如雨水调蓄与排放等) 中便遭遇到阻碍和尴尬。因此, 海绵城市建设中, 厦门市应将相应合理政策制度化, 并制定完善的技术执行标准, 以推动低影响雨水开发系统的构建。3) 海绵城市建设
25、技术的应用结合实际情况, 因地制宜, 注重多种技术的协同使用, 将雨水渗透技术和污水净化技术相结合, 以同时满足雨水处理和景观提升的双重要求。4) 海绵城市建设技术和模式的创新一方面依赖于科研机构的研发, 另一方面依赖于社会公众的参与。因此, 应普及海绵城市和低影响开发理念, 使社会大众通过自发、自觉、自愿形式, 因地制宜地“创造”各类低影响开发的新模式、新技术, 如在房前屋后建设雨水花园、绿色阳台、微型湿地、屋顶菜园等, 这将大大推动厦门海绵城市建设的进程。参考文献1中华人民共和国住房城乡建设部.海绵城市建设技术指南低影响开发雨水系统构建 (试行) S.2014. 2杨阳, 林广思.海绵城市
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