沃蘭達雨水中國海綿城市建設的水問題研究與展望
發(fā)布日期：2017年09月27日
隨著城市化的迅速發(fā)展，我國城市內澇、水體黑臭、河湖生態(tài)退化等水問題日益突出。這些問題與城市化的水文效應密切相關，主要表現在城市化改變了城市微氣象和下墊面條件，導致水文循環(huán)發(fā)生變化;污染物排放量增多導致水環(huán)境惡化;城市建設擠占原有的生態(tài)系統(tǒng)導致濕地退化與湖泊萎縮，進一步引起城市內澇等。
針對上述水問題，海綿城市應運而生，并已成為我國城市建設中的熱點。雖然海綿城市建設在理論和實踐方面均取得了長足的進展，但在水文學基礎方面仍然存在著許多薄弱環(huán)節(jié)。
針對我國海綿城市建設，在城市化水文效應分析的基礎上，提出了海綿城市中關于科技創(chuàng)新與應用基礎研究的若干對策與建議。
中國城市建設的水問題
我國是城市水問題十分突出的發(fā)展中國家之一。隨著全球變化和社會發(fā)展，城市建設面臨愈來愈嚴峻的挑戰(zhàn)。
城市水問題
1、城市內澇。
2、水體黑臭。
3、城市河湖生態(tài)退化。
4、城市熱島效應。
5、城市人群疾病多發(fā)。
這些“城市病”的核心在于城市的水問題。因此，在海綿城市建設過程中，城市的水問題應該引起各方的重視。
城市水問題產生原因
導致以城市水問題為核心的 “城市病”的原因有多方面，其中城市化的水文效應是重要原因之一。
1 城市化對水文過程的影響
由于城市化的影響，城市降水大于郊區(qū)降水且暴雨日明顯增加，蒸散發(fā)量和蓄水變化量減少，城市化使得區(qū)域產流量增加。此外，廣場、柏油馬路等不透水平面較城市化前下墊面糙率減小，使得地表匯流速度加快，城市排水系統(tǒng)管網化也進一步增加了城市排水能力，使暴雨徑流盡快就近排入當地接受水體，使城市徑流流態(tài)、洪水過程線形狀及洪峰流量均發(fā)生變化，其特點是洪水匯流速度增加，洪量集中，導致洪水歷時縮短，峰現時間提前，洪峰流量增大。城市化前后的水文過程如圖1所示。
2 城市化對水環(huán)境的影響
城市化前，人口密度相對較少，人類活動對水環(huán)境的影響不明顯，水體自凈能力足以降解受納的總污染負荷;但在城市化后，人口迅速增長，人類活動增加引起污染排放量的明顯增多，遠遠超出天然水體自凈能力，使得水環(huán)境惡化。
3 城市管網老舊存在的隱患
城市管網老舊和設計標準偏低，已難以滿足當今城市化發(fā)展的需求。當降雨強度大時，特別是短歷時強降雨時，往往會超過排水管道設計承受能力。我國城市管網維護管理薄弱，絕大多數城市排水設施運行維護費到位率較低;管道及檢查井淤積嚴重，設備老化;降雨時不能及時清理雨水口前的雜物，導致排水能力降低等。此外，由于設計理念的原因，早期城市建設排水體制大多采用合流制，而且現在很多城市老城區(qū)內仍未實行雨污分流制，雨污混接使得相當一部分污水通過雨水管道直接排入受納水體，這也加劇了城市水環(huán)境的惡化。
亟待研究解決的問題
國家關于推進海綿城市建設的部署，為徹底改變我國城市建設工作提供了戰(zhàn)略性的發(fā)展機遇。但是我國海綿城市建設過程中存在許多挑戰(zhàn)性的問題。
01、海綿城市的概念需要進一步明晰。海綿措施不僅包括源頭LID治理、城市管網排水、河湖調蓄和江河湖庫防洪等;各海綿措施的相互銜接與協(xié)調、統(tǒng)一規(guī)劃以及不同行業(yè)之間關系，需要厘清，達成共識。
02、海綿城市建設的水文學基礎仍亟待加強。盡管我國海綿城市建設熱情高，但目前仍需要發(fā)展針對中國不同氣候區(qū)和暴雨特點的城市水文模型，加強對城市化蒸散發(fā)變化認識與應用，針對海綿城市的綜合水系統(tǒng)及其交叉學科的先進技術要開展研究與應用。
03、海綿城市建設和管理各部門需協(xié)調與協(xié)同。海綿城市建設涉及住建部、水利部、環(huán)保部、國土資源部以及城市建設規(guī)劃、水務、環(huán)保、園林、工程、湖泊管理等多個部門，各部門避免職責不明確導致的多龍治水，要加強海綿城市建設的體制與制度創(chuàng)新。
04、加強風險管理意識與應對能力建設。海綿城市在抵御極端氣候的暴雨洪水方面仍有一定限度與極限。當暴雨超過海綿城市納洪的承載力時，“城市看海”將成為必然。因此，我國海綿城市建設中應該針對不同的地區(qū)自然地理和氣候特征，其推進當地海綿模式是逐步完善與提高，并提升城市應對極端災害的預警預報以及應急響應能力等。
建議與對策
我國海綿城市建設正處于起步階段，已經取得了有目共睹的成就，但是在海綿城市建設與規(guī)劃的水文學基礎方面，仍存在許多亟待改進的方面，特別是需要開展科學技術創(chuàng)新與應用基礎研究。筆者認為需要加強如下方面的研究：
01、城市水文學機理研究。我國城市正處于高速發(fā)展的階段，城市化水平和面積將越來越大。城市化使土地利用方式發(fā)生了明顯的變化，導致不透水面積大幅增加，城市熱島和雨島效應將明顯增強。通過開展室內和野外實驗，探索城市水循環(huán)與水系統(tǒng)演變機理研究，分析不同氣象與下墊面組合條件下的水循環(huán)過程(如徑流、蒸散發(fā)、下滲等)變化情況，為海綿城市建設提供堅實的水文學理論基礎。同時，另一方面，城市水系統(tǒng)不僅包括降雨徑流過程、社會經濟供用水、城市生態(tài)耗水等，還包括“滲、滯、蓄、凈、用、排”等一系列LID海綿設施，因此急需通過野外觀測、機理實驗和數字模擬等相結合的手段定量評估不同海綿措施對城市水文過程的影響。
02、海綿城市水系統(tǒng)智能監(jiān)測體系研究。以物聯(lián)網技術為主導，以計算機通信網絡和各采集控制終端為基礎，研究集高新技術應用為一體的城市水系統(tǒng)智能化監(jiān)測體系，實現信息數字化、控制自動化、決策智能化，使得感知內容全覆蓋、采集信息全掌握、傳輸時間全天候、應用貫穿全過程，為海綿城市年徑流總量控制率、面源污染削減率目標的評估以及海綿措施的維護管理等提供基礎數據。
03、城市水系統(tǒng)模擬與調控研究。城市水系統(tǒng)是以水循環(huán)為紐帶，研究城市降雨徑流過程，雨洪蓄、引、用、排社會經濟用水過程以及城市生物地球化學過程相耦合的復雜巨系統(tǒng)。城市水系統(tǒng)模擬以分布式水循環(huán)模型為核心，針對典型區(qū)域特點建立水文-水動力-水質耦合模型，實現基于GIS平臺的城市分布式水系統(tǒng)模擬;在分布式水系統(tǒng)模擬基礎上，綜合考慮海綿設施滲、滯、蓄、凈、用、排功能和外江湖庫蓄排水功能等，使海綿城市建設理論研究中自然過程、社會過程、生物地球化學過程之間有機結合，進而構建城市水系統(tǒng)水質-水量-水生態(tài)聯(lián)合調控模型。
04、城市雨洪控制和內澇預報預警研究。城市化使地表徑流的總量和洪峰流量顯著增加，洪峰提前，徑流面源污染趨于嚴重，因此需要在城市分布式水系統(tǒng)模型的基礎上，建立以監(jiān)測、模擬、調控一體化的城市暴雨內澇預報預警平臺，在城市雨洪規(guī)律研究和預測預報模型的基礎上，科學規(guī)劃，制定合理的徑流和污染的控制與管理措施，并對其效果進行評估。
05、城市雨洪控制管理與風險評估研究。海綿城市建設關乎城市發(fā)展命脈，而各個城市(區(qū)域)有其獨特的氣象、水文、經濟條件，因此海綿城市不應是“一刀切”，而需因地制宜。根據各城市特點，制訂符合該城市發(fā)展現狀及遠景規(guī)劃的水系統(tǒng)綜合評價指標體系，進而開展以水循環(huán)水文學為基礎，耦合水文物理過程、城市水環(huán)境及水生態(tài)和城市建設發(fā)展管理系統(tǒng)為對象的水系統(tǒng)綜合評價及風險評估研究。
我國海綿城市建設與實踐階段還不長，仍有很多成功的經驗值得總結，也有一些教訓需要吸取。未來的發(fā)展一定要多部門協(xié)調，科學與技術支撐、規(guī)劃與管理先行，大限度解決好當前和未來面臨的問題。沃蘭達雨水在基礎理論方面需要開展多學科的交叉研究和復雜水系統(tǒng)問題的探索。
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