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海绵城市背景下的城市水系生态修复治理研究

作者:未知

  摘要:针对海绵城市建设中水生态治理问题,立足城市水生态的现状,坚持系统治理的思路,合理运用“渗、滞、蓄、净、用、排”各项措施,把控“源头减排、过程控制、末端治理”的全过程,研究了在源头上利用低影响开发设施做好削减的策略,明确了过程中充分利用城市管网系统进行控制的方法,提出了末端上对水体的径流及其周边进行有效治理和管控措施。同时,对水生态治理措施的实施进行阐述和总结。
  关键词:海绵城市;水生态治理;治理策略;实施措施
  中图分类号:G307    文献标志码:A    文章编号:1001-862X(2019)06-0075-006
  海绵城市建设是践行生态文明理念重要和优选的方案,它能有效减轻雨水径流带来的污染,减少雨洪给市政管道带来的排洪压力,进而促进城市水环境的提升,提高城市水安全格局,助力城市水生态系统的可持续发展。城市水系的生态建设不仅是海绵城市中重要的环节,也是城市黑臭水体治理的重要措施之一,越来越引起人们的重视。[1]在黑臭水体治理中,水生态系统建设重点是构建污水净化功能生态系统,强调具有净化功能的本土水生植物,提高人居环境,实现城市防洪排涝功能。
  在海绵城市建设中,国外有很多经验可以参考,例如美国的最佳管理措施(Best Management Practices,BMPs)、低影响开发(Low Impact Development,LID)、澳大利亚的水敏感城市设计(Water Sensitive Urban Design,WSUD)、新西兰的低影响城市设计与开发(Low Impact Urban Design and Development,LIUDD)等多种理念,可以看到,海绵城市建设过程中需要综合运用区域低影响开发、城市水文学和生态学等多专业建设理念进行系统推进,其中如何对各类生态敏感区特别是湿地、城市河流、湖泊等水生态敏感区进行系统有效的保护和提升是当下需要重点考虑的问题。
  一、水生态建设现状与挑战
  城市水生态建设具有成因复杂、解决途径综合、涉及多专业的特点,而我国当下的城市水系普遍存在着调蓄能力不足、雨水资源开发利用不足、水系生态功能弱化等一系列问题。在未来的城市水系建设中,如何加强生态功能,将生态学与环境学相结合,综合运用水生生物和微生物改善和修复城市水生态和水环境,是当下我们面临的巨大挑战。
  (一)国内水生态建设现状概述
  国内方面,习近平总书记在中央城镇化工作会议上强调城市规划建设的每个细节都要考虑到对自然的影响;在城市排水系统优化中要充分利用雨水资源,建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市。住建部于2014年11月出台《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建》[2],明确“海绵城市”的概念、建设路径、基本原则和技术方法,在后续的全面建设推进中起到了重要的指导作用,标志着海绵城市建设开始进入国家层面的关注视野。2015年底在《国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见》中明确提出海绵城市建设的总体工作目标为“通过海绵城市建设,综合采取渗、滞、蓄、净、用、排等措施,最大限度地减少城市开发建设对生态环境的影响,将70%的降雨就地消纳和利用”,随着国家政策与标准以及地方和行业标准的不断完善,各项治理举措不断地开展,“海绵城市”的理念已深入人心。
  近3年来,我国2批共设立30个海绵城市,试点建设面积达600多平方公里,建设投资达4千亿元。[3]除试点城市外,很多非试点城市也相应地启动了海绵城市建设,范围涉及环保、市政、交通、电力和园林等行业。全国33个省、直辖市、自治区均颁布了海绵城市鼓励办法,可以说现阶段城市水环境生态保护已进入向纵深发展阶段。
  (二)城市水系调蓄能力亟待恢复
  众所周知,在我国快速城市化的进程中,城市雨水排水系统主要以雨水管渠系统为主,雨水排放能力多在重现期3~5年范围内。相较现代雨洪管理较发达的国家,我们国家的雨水排水系统仍然缺少源头减排、地表行泄通道等针对径流污染控制和暴雨控制的系统,对于和水利系统密切衔接的城市河道系统更是欠缺合理的规划和设计。[4]传统城市建设主要依靠城市河道进行雨水排放,同时在城市建设过程中往往会出现城市河网密度大大下降、城市支渠减少或被改为盖板沟渠的现象,造成城市中的微型河道消失,河道不同水位的强大调蓄功能明显消退,河道对雨水调蓄能力有限,无法及时对雨水进行有组织的疏导、排放,加之地表行泄的径流通道梳理不足,导致强降雨来临时,城市就会出现“看海”的现象。
  城市水系调蓄应从源头城市规划之初就高度重视,城市规划专业应与给排水专业、景观专业、海绵城市等不同专业进行充分协调,在城市规划中尽可能地完善城市水系规划,将城市河道作为城市中最重要的生态本底条件,进行合理的衔接、梳理、保留、贯通,同时利用低影响开发设施做好源头的削减,过程充分利用城市管网系统进行控制[5],在水体周边做好末端治理工作,对流入水体的径流进行全流程的治理和管控,减少雨水径流产生的面源污染,同时采用必要的泵站、调蓄池、厂站等设施减少城市点源污染,径流入水系前采用植被缓冲带、湿地等措施进一步减少入河污染。同时采取水生植物的构建、河道增氧、引活水补水等措施,进一步提升水体水质,更有利于修复河道的生态调蓄能力。
  (三)城市水系生态功能需要修复
  城市水系的水生态治理,不仅是从水系的形态上尽量恢复蜿蜒曲折的自然岸线,更要对城市的雨水径流进行有效管控,减少径流污染对水体生态环境的不利影响,并对水系的生态环境进行保护和修复,也要考虑到生态系统中涵养水分的合理利用。[6]
  城市河道在平面上易裁弯取直、粗放地采用混凝护坡或直接河道变暗渠,河流的生态功能、景观功能会被忽视。虽然硬质河道在高密度城区中确实能担负起比较重要的排水除涝功能,但不免对水体原有的生态系统有所破坏。河道内植物群落单一、水草不生,生物栖息地不断受到蚕食,水体自净能力不断减弱。老城区存在的直排式管道系统会将生活污水直接排入河道,老城区的生活垃圾也会就近倒入水体岸边,此外合流制体系中的溢流(CSO)也会带来污染,这些都会导致水质恶化,直至变为黑臭水体。此外,在城市建设中部分滨河绿地被高密度低品质民居侵占,使河道變窄、滨河景观生态退化严重,河道岸线亲水性日趋恶化。   同时应高度重视现有环境工程设施的作用,利用流域内的水塘、湿地和滩涂等自然水体及其水生生物资源,也可增加一些人工强化措施,诸如人工湿地等来强化水体恢复能力。此外,重点关注的是打破传统城市建设下的垂直护岸、三面光模式,研究探讨河道水生态修复的措施[7],修复和保护河道生态系统。
  (四)非传统雨水资源开发利用不足
  虽然我国水资源总量相对丰富,但是人均水资源量相对贫瘠。全国约有400多个城市受水资源短缺问题困扰,缺水量达70亿立方米/年。另一方面,传统城市化进程建设多采用硬质铺装,改变径流,拦水造坝,对自然水体裁弯取直,占用“山水林田湖”等措施,这些改变了原有水系的水文特征,严重破坏了原有的水生态系统,使城市蓄不住水,出现“下雨即涝、雨停即旱”的现象。针对城市水资源短缺和雨期多水患的特征,海绵城市建设可以实现提升城市品质、环境承载力和可持续发展的能力;通过海绵城市的生态涵养,形成良好的雨水资源。开发利用雨水、再生水等非传统水源,能够解决缺水地区发展瓶颈。淡水资源缺乏的新加坡是雨水利用的模范国家,通过在城市建设过程中建立雨水收集和生态化发展,较好地形成了特点鲜明的城市雨水水源,为城市的发展和雨水综合利用打下坚实的基础。[8]
  二、水生态治理策略
  《海绵城市建设绩效评价与考核办法》中规定海绵城市建设考核应结合不同城市的建设实践和问题需求,按不同区域、建设特点进行分区域达标。[9]综合多市海绵城市规划与各地实际建设经验,水生态治理始终是海绵城市建设中最重要的一个方面,也是考核海绵城市建设绩效的重要目标之一。城市水系的水生态治理需要解决的问题多,困难大,不仅要考虑水本身也要解决岸上的问题,主要采用“源头减排、过程控制、末端治理”的系统治理策略,并充分考虑雨水资源的合理利用。[10]
  (一)源头减排
  源头控制系统是雨水径流进入城市水循环系统后的第一道处理系统,也是海绵城市建设的核心内容。城市水体的水质改善应以污染源控制为根本,充分考虑目标水体的自净能力,不同水体的自净能力差异巨大;针对不同水体的自净能力差异进行目标值的设定,能够较为经济地、合理地完成控源指标解析。完善的源头控制系统将有效削减入河的城市面源污染物,同时实现水体收纳污染负荷的总量和浓度控制,并起到延缓径流时间、减少中小降雨条件下径流水量的功能,对城市水环境系统、水生态系统均有提升改善的作用。[11]
  源头控制的主要措施是在居住小区、公共建筑、道路、广场、公园绿地等场所建设低影响开发建设,控制一定的降雨深度。在源头端对雨水径流控制,合理利用场地竖向,让雨水径流在通过各类低影响开发设施的过程中,进行下渗、净化、存蓄等以降低径流的SS,并可以减少径流峰值。
  对已建城区,根据小区实际问题,如积水、绿地景观品质不高、缺少停车空间等,因地制宜地开展海绵改造;在设施选择方面,应本着“灰绿结合、问题优先”的理念[12],完成灰色基础设施改造和绿色低影响开发设施的建设;对新区应实施目标导向规划管控,以低影响开发设施为基础设计规划方案,采用海绵城市建设理念进行LID设施的建设,以有效地达到目标径流总流控制率。
  水生态的治理在源头更要关注水系自身的源头,这些细小微末的源头水系是城市水网的重要组成部分,是雨水径流的最初汇集处。保留和维护好源头的水系,能加快雨水的排放;合理利用源头的水系,加大城市的水网密度,能减少雨水管网的排水压力;做好水系网络的规划设计,能有效减少城市管网的建设量。同时要注意的是这些排水渠道应结合城市蓝线、绿线规划在河流两侧控制一定宽度的绿地,形成排水河道的同时也增加了城市绿地率,成为城市居民休闲娱乐的带状公园。[13]
  (二)过程控制
  过程控制相对源头控制系统,更强调管网系统的完善和可持续管理。城市要完善灰色基础设施的建设,新区做好雨污水分流,老城区沿河、沿湖铺设污水截流管,根据管道埋深要求设置污水提升泵房,将污水输送至城市污水厂达标后进行排放。对于新建城区做好雨污分流,提高雨污水管道的建设质量。对老城区合流制排水口因地制宜采用旧城海绵改造、CSO调蓄池控制雨水径流,也可采用就地处理等工程措施,对初期雨水进行滞留、截流、调蓄和净化。[14]
  过程控制不仅仅是建设,更要做好排水管网的管理与维护,认真全面开展排水系统的排查,找准现状管网存在的主要问题,根据问题制定改善措施和相应的评价指标体系,进行管网完善及管道修复,进一步提高污水收集率。
  同时在城市郊区段应进一步加大面源污染治理力度,逐步减少种植业和畜禽养殖业的污染物,积极推进河道周边农村环境综合整治措施。在城市河道周边的规模化畜禽养殖企业应限时取缔或搬迁,在河道沿岸两侧五百米范围内考虑划定禁养区,采用“集中和分散处理”相结合的方式处理农村生活废水,废水经设备处理后可应用于农田灌溉,相关水质应达到农田灌溉水质标准。
  对于大多数城市的自然水体而言,由于水资源的过度利用,造成水资源缺乏,导致生态基流不足,从而造成自然水体水流缓慢,降低了水体的自净能力,最终引发了一系列的水环境问题。因此,从某种意义上讲,水质改善的最直接办法是通过调配,引入其他水源改变本地水系统的水动力流形态,以期改善水质,这里强调雨水补给的作用。雨水通过初雨的弃流,或者是生态处理后,通常可以获得水质良好的雨水资源,将优质的雨水资源通过工程化手段进行收集,导入自然水体,可以较好地形成水源补给,形成水环境质量综合提升。
  (三)末端治理
  城市水体是城市径流的最终出处,河道构建生态护岸、湿塘、湿地,不仅能增大河道的调蓄,更有净化径流水质功能,对于改善水环境质量、恢复河道的生态系统有重要作用。
  在海绵城市建设推进的过程中,水系的陆域绿化带不仅要考虑绿化景观上对人为活动和空间的设计,更应考虑布局各类低影响开发设施和末端调蓄设施,因此对生态驳岸的设计提出了新的要求:应根据河道两侧用地性质和空间大小,结合初期雨水、面源污染控制及景观打造等多方面的因素,合理布局植草沟、湿塘、生物滞留设施等,建造适宜的生态护岸,营造良好的生态景观效果。此外,也可通过水体曝气、底泥控制、多元生态系统构建等辅助措施和技术手段促进水质改善,提升生态修复效果。同时,为了更好满足居民对美好生活环境的要求,需将城市水生态和景观共建。城市水体本身具有一定的景观功能,易于与景观相结合。合理地采用水生態处理技术,可以和景观建设相结合,达到很好的景观效果。   在末端治理中,要重视应急强化措施。近年来,我国进行了大规模的流域水污染治理,取得了阶段性成果,大部分流域水体水质得到明显改善。[15]但是,由于我国水环境问题非常复杂,在现有经济技术条件下,彻底解决水环境问题仍需要较长的时间。因此,在相当长的一段时间内,需要在治理的同时注重管理,在发生水环境突发事件时有应急预案应对,采取一些人工干预或者强化措施和办法控制水环境突发事件。这些措施一般投资较高,通常用于污染事故和黑臭河道需要应急治理的场合。
  (四)雨水资源的合理利用
  为有效地解决城市化快速发展带来的城市水源短缺问题,安徽省提出“两屏两轴”的基本生态布局。所谓“两屏”是指皖西山地生态屏障和皖南山地丘陵生态屏障;“两轴”是指长江干流及沿江湿地生态廊道、淮河干流及沿淮湿地生态廊道。此外,根据《巢湖流域水污染防治条例》将巢湖流域水环境一级保护區内重要湿地,安徽省内地表水型水源地一、二级水源保护区,地下水型水源地的一级保护区,全省水质现状优于Ⅲ类的主要河流(不含长江和淮河干流)和湖库及其滨岸带均纳入生态保护范畴。这些保护均有利于实现城市水源的保护。
  在海绵城市建设中,势必形成水质良好的雨水资源。在传统的城市水循环中,通常采用从水源地取水,经净化使用后排入自然水体,通常需要通过自然水体的自然净化能力消减污染。此后,城市水循环系统逐渐发挥人工强化构筑物功能,实现水的循环。[16]随着海绵城市建设的不断深入发展,在城市水循环体统中,采用灰绿结合,充分发挥自然系统渗、滞、蓄、净与人工强化功能作用,实现水资源有效利用,达到城市排涝和环境宜居的目标。
  三、水生态治理措施
  水生态治理措施的实施不能忽视规划管控的重要性,尤其对于新建城区来说,规划和规划管控制度往往更为重要。规划管控要在保持天然水面率不降低的前提下,划定城市蓝线和水系生态廊道;在具体实施层面要合理选择技术措施,对有条件改造的岸线进行生态修复,恢复城市水系本身的生态功能。
  (一)严格划定城市蓝绿线,构建城市水系生态廊道
  划定水系蓝线,实现水系在空间上的强制性管制和保护[17],遵循自然生态优先原则,梳理城市内部的现状水系,通过水系的规划构建城市整体水系网络,将每一条河流建设成连接生态绿地的生态走廊。划定城市绿线,特别是对于城市河道绿线的合理划定,将河道两旁的"绿线"通过法定规划予以明确落实,确保河道绿线不被侵占,有效地构筑滨水缓冲绿带,充分地发挥城市水系统综合生态效应。划定水系的生态廊道,以水为载体联系周边的沟渠、湿地和低洼的绿地,为生物的栖息、迁徙提供空间,通过“蓝绿交融”理念的将碧水蓝天与生态绿化完美的结合,营造环绿抱水的复合生态网络城市。
  (二)生态岸线建设
  海绵城市建设中应考虑对城市岸线边坡合理规划设计,做好蓝线管控,保障水绿交融的空间,增加丰富岸线生态景观;针对不同水系的问题采取工程和生态措施对水域空间和岸带进行水生态系统修复。有条件的河段将现状硬质驳岸改造为生态堤岸,模拟河流自然曲线,恢复水系多样形态。通过滨水植被缓冲带、湿塘、湿地等低影响开发设施的建设,来营造丰富的生境空间,打造生物宜居地。
  结合城市水系现有的岸坡条件,采取水生植物种植和一些工程措施相结合的方法,用来保持河岸边坡的稳定性,防止水土流失,同时可以改善滨水的生态环境,营造滨水适宜的栖息地环境。植被缓冲带的植物配置如何适应水位线的变化是必须考虑的问题,处于常水位线的时间较长,可设计布置较为低矮耐水的灌木和草本植物,处于最高洪水位线的时间较短,仅在雨季时会出现,因此最高洪水位线附近多布置耐水湿的灌木和片林,并搭配有净化作用的挺水植物和沉水植物,这样可以提高河岸对水位波动的适应性,提高栖息地环境的稳定性,通过建立缓冲带基塘系统,提高生境系统生物多样性。
  湿塘和湿地是海绵城市建设中的重要设施,湿塘和湿地不仅可以发挥雨洪调蓄的功能,还可通过湿塘和湿地的独特生境来实现提升水质、改善生态的功能。在与水系相邻的公园、绿地、城市低洼地等可以因地制宜地建成湿塘和湿地,可以承担对雨水径流进行净化、过滤、截污等功能,修复水质自净化系统;它们还可以减弱雨水径流的冲力,减少水土流失,保持河床稳定,丰富河岸的空间形态,建立多样化的繁衍生息环境。
  (三)污染水体修复
  污染水体修复是恢复水生态的结构、功能和协调关系,重构受损生态系统的功能以及物理、化学和生物特性。污染水体修复可从水流动力调控、河道底质改善等方面进行。
  水流动力调控污染未超过环境容量的自然水体中含有的溶解氧(DO)足以满足水体中微生物分解有机污染物的需氧量,水体具有自净能力。[18]而受污染的水体由于过量的有机污染物排入,自然的大气复氧已不能满足微生物分解大量有机物的需氧量,导致水体的DO下降,出现缺氧甚至无氧状态。进一步造成水体中厌氧菌的繁殖,进行厌氧代谢产生甲烷、硫化氢等臭味气体,使得水体发黑变臭。因此,采用人工强化措施(人工曝气)补充水体的DO。枯水期时河道水量较少,水流缓慢,水动力较差,不利于水质净化,可增加河道复氧曝气,如跌水堰设计、设置扬水曝气器等,对水体进行充氧,为水生植物提供充足的氧气,改变水体厌氧或缺氧环境,减轻水体黑臭。此外,缺氧水体也可以通过水量水质调配提高水体的含氧量。调配水可以采用水质较好的中水、雨水资源。
  河道底泥是陆地污染物进入河道后聚集的场所,由于外界条件的变化,底泥具有净化水体和污染水体的两重性。底质改善技术则有底质清淤、原位修复技术、处理处置技术与景观河道生态修复型底泥疏浚。
  (四)河道生态修复
  城市河道生态修复技术包括人工湿地、生态浮岛、河道原位生态净化、生态拦截与旁道滤床等技术。
  人工湿地可考虑采用多级复合流人工湿地,该湿地相比于传统的人工湿地,具有运行效果更稳定,脱氮效果提升,填料不易堵塞等优势。有效地提升了出水指标,TN、TP和COD等均有较好的去除率。主要用于景观水体的水质改善及长期保持。[19]   生态浮岛是通过人工建造浮体,利用无土栽培技术,在浮体上种植具有净化功能的植物,利用它们的根系吸收和降解污染水体中的N、P和COD等,可改善水体水质,防治水体富营养化,减少以再生水为补给水源的景观水体换水频率,适合北方地区以再生水为主要补给水源的景观水体。其还可以为水中的微生物、植物和动物营造一个良好的栖息地场所,有利于促进生物多样性的恢复,兼具净化、美化和景观效果。
  河道原位生态净化集成技术包括底泥污染控释、河水生物栅净化与控藻、河水生态接触氧化等城市河道原位生态净化集成技术体系。
  河道生态拦截与旁道滤床是在自然湿地的基础上人工建造污水生态处理工程,利用系统中的基质、水生植物和微生物的物理、化学、生物的作用,實现污染物的高效降解,达到水质净化的效果。
  (五)城市河水强化处理
  城市河水强化处理包括城市河湖水系原位强化处理、河道水体侧沟强化治理、污水处理厂尾水人工湿地深度处理及多点放流生态拦截等技术。城市河水强化处理只能是水系统生态修复的必要辅助、协同手段,通过人工强化措施,可有效改善生态修复时效的不足。
  城市河湖水系原位强化处理关键技术,强化水体流动,削减水中污染物和营养盐含量,精确设定水华控制流速,通过填料接触氧实现对COD、TN、TP、NH3-N、叶绿素有效去除。
  河道水体侧沟强化治理集成技术以侧沟化学絮凝和接触氧化修复相结合的方式实现难降解污染物和底泥污染有效控制。
  污水处理厂尾水通过人工湿地进行深度处理,进一步提升出水水质。通过污水处理厂尾水多点放流生态拦截,有效降低污水处理厂尾水排放对河流水质产生的不利影响。[20]
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   (责任编辑 张亨明)
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