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绿皮书三:城市水系统的系统规划与设计

时间:2005-07-04 13:15

来源:未来国际|官网

作者:陈吉宁 钟丽锦

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  水是城市发展的基础性自然资源和战略性经济资源,而水环境则是城市发展所依托的生态基础之一。水在城市系统中具有五大主要功能角色:水是城市生存和发展的必需品和最大消费品,是污染物传输和转化的基本载体,是维持城市区域生态平衡的物质基础,是城市景观和文化的组成部分,是城市安全的风险来源。城市中与水相关的各个组成部分所构成的水物质流、水设施和水活动构成了"城市水系统",包括水源系统、给水系统、用水系统、排水系统、回用系统和雨水系统。"水可载舟,亦可覆舟",城市水系统规划和设计的合理与否将直接影响和制约城市的发展。

一、城市水系统的不合理规划不容忽视
  一般,城市水系统规划和设计所关注的宏观问题主要有:(1)城市水系统的整体结构、功能和效率;(2)城市水系统对区域(或流域)生态、环境和水文系统的动态扰动;(3)城市水系统的安全保障水平;(4)城市水系统的老化和水资源退化问题。
  由于城市水基础设施运行的超长期性、投资的高沉淀性、技术上的继承性(technology lock-in)以及水在自然属性上的易流性和随机性,城市水系统的规划和设计需要特别关注长期性问题、综合性问题、协调性问题和社会性问题。但是,由于受观念认识、管理体制的和系统分析工具的约束,在现有的城市水系统规划中我们往往对这些问题认识不足,考量不够,从而使城市水系统难以适应城市长期发展所存在的不确定性影响,也难以平衡城市水系统的多种目标要求。
  尽管在过去的五十年里,城市水系统的基本结构并没有发生革命性的变化,但在过去十年里,随着材料技术、生物技术、观测技术和模拟控制技术在水领域的快速应用,随着人类对自然生态和水文过程认识的深入,城市水基础设施的设计在安全性、综合性、与自然的协调性和运行的灵活性方面已发生了深刻的变化。另一方面,随着我国人口的持续增长和城市化进程的快速发展,大规模区域水环境质量和生态系统的持续恶化,超大城市和城市群的不断涌现,城市水设施在投资强度上的严重滞后,我们在城市水系统的功能要求、技术要求和经济效率方面都面临着西方传统水系统都未曾体验的挑战。
  整体上,我国现阶段城市水系统规划所采用的分析工具和规划方法明显落后,缺乏整体性、综合性和科学性,过于粗放和短期性。在城市水系统的设计和建设中,单纯地以人为本,缺乏与自然系统之间的有机协调,不关注工程因地制宜的多样性和设计的多目标化。由于缺乏系统的整体规划和设计,从而导致现有水系统的能源和资金消耗过大,运行效率不高,规划和设计中出现的诸多矛盾已经严重威胁了城市水系统,乃至城市系统的可持续发展,本文将对当前城市水系统规划中的几个急迫性问题提出一些想法。

二、基础性工作匮乏,规划的科学依据不足
  城市水系统规划和设计的基础性工作主要包括各类基础数据、指标、标准和分析工具,其中水量预测和水平衡分析是核心工作。
  目前,我国的水量预测工作主要是参照《城市给水工程规划规范》(GB50282-98)中有关规定,根据城市规模确定所在地区的人均综合用水指标和人均综合生活用水指标,以及不同性质用地的用水指标,以此指标作为参考,通过对历史综合用水数据(如生活用水、大生活用水等)的回归外推得到。这种预测方法十分落后,可靠性差,主要表现在水量预测过高。例如,世界银行和建设部2005年对我国部分北方城市的供水管理进行研究,发现供水设施的平均利用率低于70%;污水处理厂的规划设计同样存在水量预测过高的问题,加上管网配套工程不到位,设施"晒太阳"的现象更为严重,有关资料统计,到2004年底,我国已经建成700余座污水处理厂,但是正常运行的只有三分之一,低负荷运行的有三分之一,还有三分之一开开停停甚至根本就不运行。
  基础性工作的合理性决定了城市水系统规划的合理与否,但是我国现行的规划体系无法体现出城市用水量随着城市发展的变化趋势。事实上,很多国家(包括我国)的城市已表明了明显的城市用水量与城市发展的Kuznets曲线进入下降区。例如,1995年全球实际取水量仅为30年前预测的一半。另一方面,提高城市用水效率的技术在近十年来得到了快速的发展,并表现出巨大的潜力。例如,冲水龙头的技术发展已经可以实现低流量供水,从过去的9.38升/分钟降至1.875升/分钟,通过安装节水型冲水龙头就可以轻易的降低人均生活用水量。但是,长期以来,不论在国家还是在区域层次上,我国均缺乏对各种用水器具、用水工艺和用水行为的详实系统监测,缺乏对新型用水技术替代规律和扩散规律的基础研究和把握,缺乏对多种用水信息的综合性、结构性分析手段和方法。
  由于水量预测过大、误差过高,致使给水、排水以及再生水回用的投资效率低下。同时,由于对节水潜力的低估,也导致了各种水利工程投资的效率低下,这应该成为我国对重大水利工程决策的一个深刻教训。
  因而,加强基础性工作研究,发展科学的预测方法和分析方法对城市水系统规划工作的当务之急。

三、"造水"、"冲水"运动需要理性控制
  水具有丰富的文化内涵,从"上善若水"到"仁者乐山,智者乐水",水在未来国际人的眼里一直都是灵性的象征。水体是城市景观的重要组成部分,傍水而居、亲近自然,成为人们追求的一种生活模式。
  2004年尽管北京市政府已经三令五申强调"缺水"、"节水",可是"水景"热度不但丝毫未减。"水景住宅"、"亲水住宅"仍然是房地产市场的"主力招牌",开发商们也在挖苦心思的"开沟铺渠"、不亦乐乎的花大力气打造人工水景。可是由于人工水景大部分只具有观赏功能,如此"造"出来的"水景"缺乏自然性、生态性、亲人性,难以实现"有水则灵"。
  无论是房地产基于市场需要的"造水",还是用于城市大规模"生态环境"的"造水",大部分都是只强调局部的景观效果,并没有过多地考虑其生态功能以及水体本身对城市或流域内水循环的扰动。这就使得大规模的所谓的"生态用水"进入城市,但并没有发挥其生态的功能,反而增大了城市的需水量。还有一些地区,在解决城市污水问题时,并不从污染本身入手,而是引水冲污,使得本身已经紧缺的水资源还要完成额外的任务。这种盲目地、不合理利用水资源的"造水运动"或"冲水运动"已经造成了水资源需求量的不合理增加,严重浪费资源。
  城市化进程的加快,加剧了城市的水资源危机和水环境危机,雨水和污水的再生利用已经提到了日程之上。城市的发展与水资源的关系并不是单纯的依赖,而是需要接耦,不合理的"造水"势必会使城市与水资源的关系脱钩,最终影响城市的发展进程。要解决这类问题,必须要在进行供水规划时就慎重制定用水定额,明确生态用水的定义与影响,从规划入手,杜绝城市水系统出现盲目的"造水"工程。 #NEWPAGE#

四、雨水径流污染问题源于排水体制的不合理
  传统城市水系统在防洪和排水设施设计中,强调采用分流制排水体制将雨水和污水尽快排出城市,忽视了对城市径流的面源污染控制和雨水资源的利用。但是,随着流域整体水质的逐步改善,随机性暴雨径流和突发排放事件所带来的对水体生态系统的冲击,已日益成为流域污染控制的主要内容。大量案例表明,现有的城市雨污分流排水体制并不能经济有效地解决暴雨污染负荷问题。与此同时,虽然现有的污水处理系统具有较好的抗冲击负荷性能,但系统一旦失稳,则缺乏有效的控制手段去恢复系统。目前依靠先进在线监测和控制手段提高系统效率和稳定性的技术路线虽然表现了较好的应用潜力,但它必须依赖庞大资金的投入,使已成为政府或公众经济负担的城市排污系统的技术升级面临着巨大的经济障碍。
  城市径流污染问题的日益突出,迫使人们在排水体制的选择中不能盲目选取排水体制,而必须根据当地的降雨、水文和地质状况,经过详细的经济和技术评估后才能确定。特别是在老城区排水管网改造中,由于涉及的方面多,问题复杂,社会矛盾大,投资估算困难,风险高,应该对各种因素进行长期综合评估,制定因地制宜的合理的改造方案,包括污水、暴雨和溢流污染负荷的长期和瞬间变化,暴雨负荷对污水厂的冲击,城市管理和城市下垫面变化(单位草坪的蓄水能力是硬化地面的4到十几倍)对暴雨径流负荷的影响,当地的降雨特征和地质条件等(在欧洲,地形坡度较大的地区多采用河流制)。同样的策略也应当应用于混合管网(由于混接、乱接与错接,雨水管接纳污水、污水管网接纳雨水)的改造问题。 
  与此同时,在城市水系统的规划和设计中,需要综合考虑初期雨水滞留池或场地(Storm Tank)、漩流器、快速过滤设施、湿地、生态过渡带等设施的空间布置和规模,将道路及城市的清洁和管理与径流污染控制结合起来,开展相应的管理实践。近年来,我国城市水系统受城市径流影响的事件屡有发生。例如,北京城市河湖水系曾多次发生暴雨径流的严重污染事件,耗资数十亿整治后的城区河湖仍然存在水质恶化现象。 
  我国今天所面对的城市发展速度和规模,以及其所带来的污染的规模和强度,在人类历史上是前所未有的,因此我们有理由思考现有的战略选择是否可以有效地解决我们所面对的城市水危机。最近由未来国际工程院组织的《未来国际可持续发展水战略研究》表明了这一担忧的必要性,根据其研究结论指出,即使我国未来五十年的城市污水处理率达到95%的水平,城市废水排放的COD总量也仅可以控制在当前水平,水质型缺水将在相当长的时期无法有效解决。
  但是,在另一个方面,我国的城市建设尚处于初级阶段,城市的水环境基础设施建设还刚刚起步,我们在解决城市水危机的战略和技术的选择上受历史技术沉淀的影响较小。同时,我们今天对城市和环境整体认知的深度和广度,我们所面对的技术选择范围和途径,与发达国家几十年前解决城市水环境问题的情形已大不相同,因此寻求新的、更有效的解决城市水危机战略不仅是必要的,也是可能的。

五、城市水系统应当向综合性集成和系统多样化发展
  城市水系统的各子系统具有自然的关联性,其复杂性和多目标需求决定了城市水系统必须向综合集成的方向发展。 
  但是,我国现行的城市水系统管理体系中却严重缺乏统一综合的思想,不仅系统的结构缺乏统一规划,而且水系统与其它规划(如用地规划)的协调也严重不足。从现有的规划设计规范来看,给水、排水、再生水以及雨水各子系统完全独立,在规划设计时并不用考虑与其它子系统的关系和协调,也不考虑其它子系统对自身的影响,只有在城市水资源规划的规范中都提及了以上的各个子系统,但是也没有对各子系统之间的相互联系的做出相应要求;从日常的管理运行来看,各个子系统分属不同的部门。
  这也就是说,不论在最初的规划设计阶段,还是在日常的运行管理阶段,城市水系统中的各个子系统相对分离,并没有真正集成为系统,体现所谓的综合管理。这样的现状就导致了各个子系统在规划设计时只考虑自身的要求和可靠性,当各个子系统放入社会中集成时,就会发现缺乏连接控制,使得整个系统不能很好的发挥功能。如集中的污水处理系统和分散的再生水回用系统、再生水回用标准于污水排放标准的脱节,造成了投资和设施运行的效率低下。而排水设施的设计标准与城市排洪标准不统一,给城市防洪埋下了隐患,如1988年在法国尼姆发生的城市洪涝,并非城市的排洪设施失灵,而是由于城市排水设施对于水涝风险的应急能力较低造成的,因而在考虑污水处理设施规划之时,应充分考虑水涝风险问题。
  城市水系统的复杂性和多目标需求决定了城市水系统在向综合集成的方向发展,对此,我们既要强调城市水系统的整体的规划、设计和管理,又要有效协调与城市其它规划建设的关系。例如,近十年来,越来越多的案例将土地利用计划与雨水利用、径流污染控制相结合,将城市的土地利用进行分区,在城市的绿化带、植被缓冲带规划中考虑对城市水文的影响;在城市地面硬化中增加渗透铺装;在城市景观设计中,尽可能保持原地形地貌,使用低势绿地、渗透管渠等渗透设施,将水景观建设与人工湿地的利用与建造相结合,以及改造建筑结构形式与屋顶作法等,这些措施均会对控制城市径流问题带来许多便利。
  另一方面,城市水系统设计的生态化,要求其必须采取因地制宜的原则,与具体的自然系统相结合,与特有的城市结构相结合,从而带来了城市水系统的多样化。多样化的城市水系统不仅可以更好地发挥城市水系统的各种功能(包括娱乐和景观功能),也可以更好地与自然水体相连接,成为自然水体的一部分,而不是将城市景观水体与整个城市的生态系统隔断,从而解决城市水系统目前与其它基础设施之间的冲突问题。

编辑:武红霞

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