基于LID的水生态修复技术在海绵城市建设中的应用_以常德市为例_吴震中

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1、 作者简介：吴震中（1981） ，男，湖南安乡人，学士，工程师，研究方向为水资源规划与水环境治理。 基于 LID 的水生态修复技术在海绵城市建设中的应用 以常德市为例 吴震中 （湖南省常德水文水资源勘测局，湖南 常德 415000 ） 【摘 要】LID 是海绵城市建设的一种重要技术措施，也是解决城市水问题的有效方法。 本文依据常德市海绵城市建设中部分工程实践经验，结合海绵城市建设规划，以基于 LID 理念的水生态修复技术措施为重点， 分析和评估 LID 技术在常德市海绵城市建设中发挥的作 用， 探讨支撑我国海绵城市建设的关键技术方法， 以期为海绵城市建设规划方法和技术研究 提供参考。 【关键词

2、】 低影响开发 海绵城市 水生态修复 常德市 1、前言、前言 改革开放以来，我国经历一个经济社会快速发展的时期，城市建设取得了显著成就， 城市人口不断增加，截至 2013 年底，我国城市化率已经提高到 53.7% 1，同时，在城镇化 过程中也普遍存在开发强度高、硬质铺装多等问题，导致城市下垫面过度硬化，改变了城市 原有自然属性，破坏了生态系统的完整性。以常德市为例，城市开发建设前，在原有自然地 形地貌的下垫面条件下，60%70%的降雨可以通过自然渗透进入包气带，涵养水源和维 持生态系统平衡，只有 30%40%的雨水形成径流外排；而城市开发建成后，下垫面的硬 化导致 70%80%的降雨直接形成径

3、流，仅有 20%30%的雨水能够入渗到地下，下垫面 涵养水源的功能急剧减弱， 对城区的生态环境平衡造成了不利的影响， 甚至出现了生态退化 现象2。城市开发建设破坏了自然的“海绵体”，导致“逢大雨必涝，雨后即转旱”，同时 也带来了水环境污染、水安全缺乏保障和水文化消弥等一系列问题。 为解决城市内涝、水环境污染和水生态退化问题，2004 年，常德市政府与德国汉诺威 市政府、德国汉诺威水协、荷兰乌特勒支市政府、湖南省原建设厅携手合作，向欧盟申请了 解决亚洲城市可持续发展的问题常德市城区及穿紫河污水治理个案分析 项目， 并于 2005 年获得欧盟批准;2008 年再次合作，共同编制了水城常德常德市江北

4、区水敏性 城市发展和可持续性水资源利用整体规划 。以此为指导，常德先后聘请德国汉诺威水协、 中规院等国内外顶尖规划设计单位，高标准编制了城市给水、排水、防洪、水资源利用、绿 化、道路等 10 多个专业规划，和北部新城、江北、江南、穿紫河、护城河等片区水系和雨 水综合利用规划。 自 2009 年以来，常德市城区启动了 110 多个涉及水系治理、防洪、排 水、供水、污水处理、绿地、绿色建筑等项目，预计总投资 250 亿元。 2014 年 12 月，住建部、财政部、水利部联合启动了全国首批海绵城市建设试点城市申 报工作，全国有 130 多个城市参加竞争。经过严格筛选，有 34 个城市进入初选名单。2

5、015 年 3 月 24 日，三部门初审确定 22 个城市派代表到北京参加竞争性答辩会，最终常德市等 16 座城市进入“全国首批海绵城市建设试点城市”。2015 年 12 月，为确保顺利推进海绵 城市建设， 协调各部门统一开展工作， 常德市编制了 常德市海绵城市建设总体规划 和 常 德市海绵城市建设试点城市实施方案，作为海绵城市建设指导性文件。在常德市海绵城市 总体规划中，其试点建设区为常德市江北城区的核心位置，试点面积为 36.1km2，其中老城 区为 6.6km2，新城区为 25.8km2，拟建区为 3.7km2。试点区域范围内，主要建设项目有海 绵小区、海绵绿地公园、海绵道路广场、水系生

6、态治理、城市排水设施和海绵体监测系统 6 大类，分 3 年（20152017 年）逐步建成。通过海绵城市的项目建设，因地制宜组合渗、 蓄、滞、净、用、排等多种技术措施，控制径流总量、提高城市排涝标准，减少面源污染， 改善城市水体环境，提高雨洪资源化利用效率，整合新老城区均衡发展，创新海绵城市开发 建设的新模式。 2、LID 的理念解析的理念解析 2.1 LID 概念概念 LID 即低影响开发， 最早于 1990 年在美国马里兰州由环境资源部提出， 用于替换传统 的 BMPS（Best Management Practices）理念，是一种创新的雨洪管理方法。LID 强调对基 址自然水文环境的保

7、护和利用，通过渗透/蒸发/过滤/截留/储存等手段，实现开发后基址水 文特征与开发前的最大程度的还原 3（图 2-1）。LID 理念的核心是维持场地开发前后水文 特征不变，包括径流总 量、峰值流量、峰现时间等。从水文循环角度，要维持径流总量不 变， 就要采取渗透、储存等方式，实现开发后一定量的径流量不外排；要维持峰值流 量不 变，就要采取渗透、储存、调节等措施削减峰值、延缓峰值时间。发达国家 人口少，一般 土地开发强度较低， 绿化率较高， 在场地源头有充足空间来消纳场 地开发后径流的增量 （总 量和峰值） 。我国大多数城市土地开发强度普遍较大， 仅在场地采用分散式源头削减措施， 难以实现开发前后

8、径流总量和峰值流量等维 持基本不变，所以还必须借助于中途、末端等 综合措施，来实现开发后水文特征 接近于开发前的目标 4。 低影响开发（low impact development，LID）是近年来城市水环境保护和可持续雨洪控 制利用的新策略 5，其核心理念是从源头上通过一系列分散的小型措施进行产流控制，以最 大限度地维持开发前的场地水文功能，实现区域良性水循环 6-8。 经过几十年的发展，LID 技术体系已经在发达国家得到了广泛应用， 相关理论研究和工程实践已经较为成熟， 其中美 国、德国和日本是较早开展低影响开发（LID）建设的国家，在大量工程实践过程中，已经 取得了较为丰富的实践经验。

9、美国的联邦、州、市县各级政府都大力支持城市 LID 建设。其中，美国西部的加州、 俄勒冈和华盛顿都出台了地方低影响开发的技术规范 9。美国许多县一级政府同样制定了 LID 相关的计划，例如美国特拉华州萨塞克斯县（Sussex County,Delaware）的精明增长 与自然雨水管理计划、加州圣马特奥县（San Mateo County，California）的绿色街道 与停车场计划、明尼苏达伯恩斯维尔市（Burnsville, Minnesota）的“社区绿色街道”项 目等都取得良好的效果 10。在欧洲，德国柏林的波茨坦广场的雨洪设施是德国雨水利用的 典范，在汉诺威市的康斯伯格生态城，其雨水

10、收集系统也是独具特色。在英国，LID 系统被 应用于城市排水系统， 发展成为可持续城市排水系统 （sustainable Urban Drainage Systems） 的理论与方法。日本在国内推行雨水贮留渗透计划，在广场、公园、运动场、停车场等利用 透水铺装、渗透管、渗透井等进行贮雨渗透，利用建筑物对雨水进行收集利用 11。 2.2 LID 措施优化技术措施优化技术 LID 措施指在城市开发建设过程中采用源头消极减、中途转输、末端调蓄等多种手段， 通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，实现城市良性水循环，提高对径流雨水的渗透、 调蓄、净化、利用和排放能力，维持或恢复城市的“海绵”功能。主要工

11、程措施有： 透水铺装、绿色屋顶、下沉式绿地、生物滞留设施、渗透塘、渗井、湿塘、雨水湿地、蓄水 池、雨水罐、调节池、植草沟、渗管、植被缓冲带、初期雨水弃流设施和人工土壤渗滤等。 LID 措施的主要目的是降低地表产流量、 实现年径流控制率目标对应降雨条件下各地块 产流量不外排。其目标函数表达式为： minfobj（c1，c2，cj，cn） （jn） (1) 式中：fobj为总目标函数，为所有地块 c 的加权求和或乘积；cj为第 j 个地块径流系数； n 为总地块数。 主要约束条件为： AreajArea下沉式绿地，j+ Area透水铺装，j+ Area绿色屋顶，j+ Area其他，j Area下沉

12、式绿地，j绿地. Area绿地,j Area透水铺装，j不透水路面. Area不透水路面,j （2） Area绿色屋顶，j屋顶. Area屋顶,j 0.0ci1.0 其他面积约束、成本约束等 式中：Area 为地块面积（km2）；Area下沉式绿地、Area透水铺装、Area绿色屋顶、Area绿地、 Area不透水路面、Area屋顶分别为下沉式绿地、透水铺装、绿色屋顶、绿地、不透水路面和屋顶 的面积（km2）。绿地、不透水路面和屋顶分别为绿地、不透水路面和屋顶采用 LID 措施占 总地块面积的阈值。优化目标的求解通常采用计算机优化方法，包括随机优选、遗传算法和 粒子群算法等 12。 3、基于、

13、基于 LID 理念的水生态修复技术研究理念的水生态修复技术研究 3.1 LID 理念在水生态修复中的设计意义理念在水生态修复中的设计意义 经过数十年的发展，LID 技术已经在发达国家得到了广泛应用，LID 理念的内涵已经逐 步由雨洪的工程管理扩展到了场地设计以及城市规划与土地开发的全过程 13。目前，我国 政府决策部门对城市 LID 雨洪管理也给予了高度重视， 已明确要求各地区在城市改造和区域 开发过程中要积极推进低影响建设模式。 将 LID 理念纳入滨水绿地体系建设， 实现区域内雨 水收集、渗透、过滤以及蓄滞，可以有效控制水质污染，降低洪涝灾害风险和维持良性水循 环，有利于水岸生态环境的保护

14、和恢复，构建城市水生态安全格局，具有显著的生态效益和 社会经济效益。 3.2 基于基于 LID 水生态修复的开发设计目标水生态修复的开发设计目标 基于 LID 水生态修复的设计目标包括区域径流量、峰值径流量、径流频率与历时、水 环境四方面的控制目标 14，16。因此，基于 LID 水生态修复开发设计目标仅有地域性和针对 性，应综合考虑降雨条件、分区特征、空间需求、成本投入等多方面因素，将城市水生态系 统和城市排水系统从规划和技术层面加以整合， 进而实现城市水生态修复的多元目标， 实现 开发区域社会、经济、生态效益的整体优化。其设计目标和总体方案如图 3-1 所示。 3.3 基于基于 LID 水

15、生态修复主要技术途径水生态修复主要技术途径 城市水生态修复系统可实现径流体积消减、污染物控制、峰流量消减、延长汇流时间、 雨水集蓄利用和雨水转输排放等多种目标 17，其实现主要技术途径包括源头控制、传输控 制以及终端处理三个阶段 18。在城市水生态修复 LID 设计中应基于现状场地条件和空间需 求，结合雨洪生态过程不同阶段的设计目标，必选相应的技术措施和方法，从而完善雨水从 源头到末端的连续水文过程（表 3-1） 8。 （1）源头控制阶段 雨水源头控制阶段处于排水系统上游， 其主要目标是在雨水进入市政排水管网前采取各 种措施， 从源头减少面源污染物的排放率和进入排水系统的雨水径流量， 并实现雨

16、水控制利 用。主要设计途径包括：利用滨水绿地与城市水体的水地高差，通过地形坡度处理（如 缓坡地形、阶梯型生态护岸、下凹绿地）形成薄层漫流，有效减缓汇流速度，并延长径流流 程和滞留时间。最小化不透水区域面积，并采用渗透性景观铺装，使其转变为功能性 LID 设施，促进雨水径流下渗。灌木土壤的平均渗透率要高于草地土壤19。增加植被覆盖率， 提高低矮灌木的比例以有效维护土壤的渗透率。 对于土壤渗透性能差、 硬质比例高的区域 可结合场地大小采用渗透井、渗透池、渗透管渠等集中式渗透设施。需要注意的是，初期 雨水通常污染物浓度较高19，需根据雨水污染程度从源头对初期雨水采取集中式收集弃流、 截污或过滤等预处理措施。常见的初期弃流方法包括容积法弃流、小管弃流（水流切换法） 等，弃流形式包括自控弃流、渗透弃流、弃流池、雨落管弃流等。 （2）传输控制阶段 雨水传输控制阶段是指雨水从源头集中传输至排水系统末