1. 引言

隨著城市的不斷發(fā)展，城市規(guī)模急劇擴張，人口快速增長，使得城市大大增加生活用水需求，水資源開發(fā)利用的形勢面臨巨大壓力。同時隨著城市化進程的推進，城市不透水地表面積顯著增加，對蒸發(fā)、下滲等天然流域的水文循環(huán)過程產(chǎn)生了重要影響，從而導(dǎo)致城市地表徑流量和峰值流量增加，峰值發(fā)生時間提前。城市水文循環(huán)的變化增大了城市內(nèi)澇發(fā)生的風(fēng)險，帶來了嚴重的城市水體污染 [1] [2]。

在一場降雨中，暴雨所形成的徑流通過地上、地下的管道及溝渠等排水系統(tǒng)迅速收集、運送、轉(zhuǎn)移，再通過城市排水干線排泄到自然水道中。隨著城市化程度日益提高，暴雨造成的地表徑流匯流時間縮短，其流量、徑流峰值和峰值頻率提高，超出城市原有排水設(shè)施的排水能力。同時，暴雨雨水流經(jīng)街道、停車場、工業(yè)和居住區(qū)等城市區(qū)域的時候，收集和攜帶油脂、沉積物、來自于化肥和殺蟲劑的化學(xué)制品、有機垃圾等污染物，這些污染物隨著暴雨徑流而轉(zhuǎn)移，其中一部分滲入土壤及地下水源，成為城市地下水主要污染源之一，而大部分隨著地表徑流從建筑場地直接排入溝渠及排水管道，最終流入溪流、河道，造成接納水體環(huán)境水質(zhì)污染，導(dǎo)致城市及其周邊水生態(tài)系統(tǒng)的整體退化 [2]。在水資源短缺加劇和排水能耗費用高的前提下，代價高的集中處理不是經(jīng)濟可行的方案，取而代之的是對暴雨徑流的源頭控制和雨水資源回用，暴雨徑流管理應(yīng)運而生。

同時，特大暴雨事件頻發(fā)也從自然的角度表明暴雨徑流管理勢在必行。2012年7月21日，北京及其周邊地區(qū)遭遇61年來最強暴雨及內(nèi)澇災(zāi)害。全市平均雨量為170毫米，城區(qū)平均為215毫米，最大房山河北鎮(zhèn)460毫米。此次特大暴雨造成79人死亡，160.2萬人受災(zāi)，經(jīng)濟損失116.4億元 [3] [4]。暴雨帶來的內(nèi)澇而受到影響的城市不僅發(fā)生在北京，長春、南京、南昌、成都等中國從北到南的許多城市在近幾年都曾經(jīng)歷過城區(qū)內(nèi)澇 [5] [6] [7] [8]。暴雨導(dǎo)致的內(nèi)澇事件嚴重影響了城市的正常運轉(zhuǎn)和居民的日常生活。此外，我國城市水資源總體形勢十分嚴峻，生活用水量和工業(yè)用水需求量不斷升高，而城市水源水質(zhì)卻不斷惡化，很多城市資源型缺水和水質(zhì)型缺水的問題日益突出 [9]。因此，采取綜合的城市暴雨徑流控制體系和技術(shù)措施應(yīng)對城市防洪、地表徑流污染和雨水資源利用等問題，對于緩解我國城市內(nèi)澇問題和水資源壓力具有重大意義。

本文通過整理歸納已有研究資料，分析城市暴雨徑流的典型控制體系和技術(shù)措施，將以北京市中德合作雨水利用項目作為案例，著重研究現(xiàn)有雨水利用工程設(shè)計和運行中的問題并提出相關(guān)建議。

2. 暴雨徑流控制體系

由于城市化建設(shè)導(dǎo)致降雨形成的面源污染呈現(xiàn)出徑流量大、沖擊性強、涉及面廣的特點，城市防洪、地表徑流污染和雨水資源利用就需要綜合的應(yīng)對措施。在過去的幾十年里，各國研究人員針對城市暴雨徑流控制技術(shù)開展了大量的研究和應(yīng)用工作，積累了豐富的經(jīng)驗，并形成了相對系統(tǒng)的城市暴雨徑流控制體系。該體系的典型之處在于利用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)削減流量峰值、降低直排污染物濃度，因地制宜進行生態(tài)設(shè)計和工程或者非工程措施建設(shè)，從源到匯對徑流和污染物進行全過程控制管理，實現(xiàn)城市開發(fā)前后其水文功能基本保持不變的狀態(tài)。

暴雨徑流控制體系，從最早美國的最佳管理實踐Best Management Practice (BMP)和低影響開發(fā)Low Impact Development (LID)，發(fā)展到英國的可持續(xù)城市排水系統(tǒng)Sustainable Urban Drainage Systems (SUDS)和新西蘭的低影響城市設(shè)計與開發(fā)Low Impact Urban Design and Development (LIUDD) [10]，再發(fā)展到二十一世紀的水敏性城市設(shè)計Water Sensitive Urban Design (WSUD)和Active，Beautiful Clean water計劃(ABC)。

2.1. 控制體系的辨析

為了更加清晰的分別比較不同控制體系的特點，本文在已有研究 [11] 的基礎(chǔ)上稍作修改，選取了BMP、LID、WSUD和ABC四種體系進行對比，詳見表1。

BMP的特點是在污染物進入水體前通過各種經(jīng)濟高效、滿足生態(tài)環(huán)境要求的措施使得地表徑流污染得到有效控制，概括起來則是對流域尺度的水質(zhì)進行控制。美國環(huán)保署廣泛使用BMP在城市非點源污染及與城市排水系統(tǒng)相關(guān)的污染管理上 [12]，實踐證明BMP是一套較為有效的徑流控制措施 [13]。

隨著工程中使用經(jīng)驗的積累和研究的深入，研究人員逐步發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的控制措施如滯留塘等的成本太高，且難以達到水質(zhì)目標(biāo)。從20世紀90年代開始，美國馬里蘭州喬治王子郡的專家開始研究建立一種基于源頭控制的多點微觀暴雨控制策略 [14]，它就是低影響開發(fā)。LID主要在小流域內(nèi)采用或保護天然的水文控制措施，包括滲透、過濾、蓄存、揮發(fā)和滯留等，將徑流控制在源頭 [11]。

借鑒了BMP和LID的經(jīng)驗，各國的研究和管理者綜合本國特點先后形成了不同的暴雨管理控制體系。如澳大利亞的WSUD，英國的SUDS，新西蘭的LIUDD和新加坡的ABC計劃。WUSD強調(diào)將暴雨徑流和天然河道作為資源進行利用而不是在暴雨時盡快將雨水排出 [15]。WSUD的側(cè)重是源頭的水質(zhì)水量控制。

新加坡從2006年起推出“活躍美麗和干凈的水計劃”，即ABC計劃。ABC計劃除了改造國家的水體排放功能，供水到美麗和干凈的河流和水庫之外，還為市民提供了新的休閑娛樂空間。截止2030年，ABC計劃將有超過100多個項目被確立階段性實施，拉近了人與水的距離。

2.2. 城市水循環(huán)開發(fā)思路的改變暴雨徑流控制設(shè)計思路的改變

不同種類的暴雨徑流控制體系協(xié)調(diào)的都是人類活動與城市自然的水文循環(huán)過程之間的關(guān)系。在這些控制體系的指導(dǎo)下，城市水循環(huán)也被賦予了新的內(nèi)容。以水敏性城市設(shè)計WSUD為例，圖1比較了城市水循環(huán)的不同開發(fā)思路。圖中藍色箭頭代表自然過程，而黃色箭頭則是人為過程。將水敏性城市設(shè)計水平衡與城市水平衡做一個比較，可以發(fā)現(xiàn)水敏性城市設(shè)計水平衡增加了蒸發(fā)、滲透、徑流這三種自然過程，減少了飲用水的使用和污水的排放，回用了暴雨和污水。該設(shè)計思路總體上改善了自然徑流過程，減少了人為徑流。

2.3. 暴雨徑流控制設(shè)計思路的改變

新型城市水循環(huán)的開發(fā)思路給城市設(shè)計帶來了改變。以公共開發(fā)空間為例，圖2比較了暴雨控制設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計截然不同的設(shè)計思路。在傳統(tǒng)設(shè)計中，建筑是工整地排列，雨水和污水是通過集中官網(wǎng)，收集處理。而在暴雨控制設(shè)計中，引入了與開放空間相整合的水池，鄰里中心等多種景觀，水系環(huán)流整個街區(qū)。據(jù)此可以總結(jié)出暴雨控制設(shè)計的五個特點 [16] ：保證受納水體水質(zhì)；減少徑流和峰值流量，通過合理布置下滲池、透水鋪裝等措施降低下游流量峰值；保護天然水系，在城市發(fā)展過程中使其充分發(fā)揮作用；最小化排水設(shè)施的成本，在減少城市發(fā)展成本的同時增加效益，并使景觀得到改善，從而提升區(qū)域價值；將暴雨處理手段整合進景觀，將雨水作為一種景觀要素。在暴雨控制設(shè)計中，水是關(guān)鍵，要綜合考慮水質(zhì)、水量、水系、水處理設(shè)計和親水景觀。

3. 暴雨徑流的技術(shù)措施

盡管不同國家都發(fā)展出各具特色的暴雨徑流控制體系，但其中的技術(shù)措施基本一致。本文具體以低影響開發(fā)LID來闡述暴雨徑流的技術(shù)措施。LID以不增加城市基礎(chǔ)設(shè)施負擔(dān)為原則，通過分散的、小規(guī)模的源頭控制，綜合采用入滲、過濾、蒸發(fā)等方式減少徑流排水量，減少下游排水管道的尺寸，恢復(fù)區(qū)域的自然水文功能，補充地下水 [11]，圖3列出了常見的LID技術(shù)示范。

不同的LID技術(shù)措施在其功能、去除顆粒物、適用條件和費用方面有很大的差異，因地制宜進行一種或多種措施的配置是可持續(xù)發(fā)展技術(shù)的核心之一。表2列出了八種主要的LID技術(shù)，并對其功能、去除顆粒物的粒徑和適用性三個方面的表現(xiàn)進行了比較分析。

注：“√”說明：數(shù)量代表指標(biāo)適用性強弱，數(shù)量越多代表該指標(biāo)適用性越強。安裝費用說明：低：小于500澳元/每公頃；中：500~1500澳元/每公頃；高：大于1500澳元/每公頃。維護費用說明：低：小于100澳元/每年每公頃；中：100~250澳元/每年每公頃；高：大于250澳元/每年每公頃。

3.1. 功能

從表2可以看出，前六種LID技術(shù)都擁有很好的水質(zhì)處理效果，而池塘淺湖和雨水罐的表現(xiàn)不佳。池塘淺湖通常較少單獨使用；雨水罐是一個相對密閉的系統(tǒng)，系統(tǒng)中沒有生物進行水質(zhì)的凈化作用，水質(zhì)處理效果一般。

流量衰減方面，人工濕地、池塘淺湖和雨水罐的效果最好。原因在于人工濕地面積大，抗沖擊負荷能力強；池塘淺湖也擁有較大的面積，水流一進入，流量就被快速衰減。

暴雨輸送方面，生態(tài)滯留草溝和植被緩沖帶的效果最好。因為只有這兩項技術(shù)的水流運動方式是輸送，對應(yīng)表格中“適用性”的“流量控制水平”。相比而言，生態(tài)滯留池、砂濾池、沉淀池、人工濕地、池塘和淺湖的徑流運動方式是下滲，暴雨輸送效果差。

3.2. 去除顆粒物的粒徑

在文獻數(shù)據(jù)支撐的前提下，表2中的前六種技術(shù)去除顆粒物的粒徑范圍得到了大致的量化 [16]，不同技術(shù)對于其可以去除顆粒物粒徑的范圍表現(xiàn)出不同的優(yōu)勢。

人工濕地去除顆粒物的粒徑范圍分布最廣，從極細/膠體顆粒物到粗–中粒徑顆粒物。人工濕地是一種低水位、高植被覆蓋的水體系統(tǒng)，它主要通過強化沉淀、精細過濾、吸收等過程去除污染物。暴雨徑流流入人工濕地系統(tǒng)后，流量衰減明顯，流速降低的水流流過高密度植被區(qū)，在那里植物將吸收大量的營養(yǎng)物和其他污染物質(zhì)，因此該技術(shù)對于不同粒徑的顆粒物去除取得了明顯效果 [16]。

3.3. 適用性

在適用場合上，沉淀池和池塘淺湖分別作為濕地的前處理和后處理手段。這樣沉淀池、濕地和池塘淺湖就形成了一個處理鏈。沉淀池沉積的是粗–中粒徑的顆粒物，特別是粒徑在125 μm以上的顆粒物。而人工濕地沉積物質(zhì)較多，大顆粒物質(zhì)經(jīng)常阻塞系統(tǒng)，沉淀池可以緩解人工濕地的這一問題。人工濕地的水量較大，穩(wěn)定的出流流出系統(tǒng)，易形成池塘和淺湖。

在占地方面，生態(tài)滯留草溝、植被緩沖帶、沉淀池、人工濕地、池塘淺湖的面積較大。其中生態(tài)滯留草溝和植被緩沖帶還被限制進入，這主要是出于兩種技術(shù)的水深和流速經(jīng)常超過安全限值，給路過的行人帶來風(fēng)險 [16]。

在斜度方面，除了雨水罐之外，其它七種技術(shù)的斜度從大到小排序為砂濾池 > 池塘和淺湖 > 生態(tài)滯留草溝、植被緩沖帶 > 生態(tài)滯留池、沉淀池、人工濕地。砂濾池在水處理中用作較大顆粒雜質(zhì)的過濾，經(jīng)過改造，可以作為合適的LID技術(shù)用作較大顆粒物的去除，大斜度的地形有利于去除效果的提高。

4. 案例研究

本文選取由國家科技部和德國聯(lián)邦教研部(BMBF)的支持下的“北京城區(qū)雨洪控制與利用技術(shù)研究與示范”項目作為案例來說明上述思想、原則和方法在實際情景中的具體應(yīng)用及不足，旨在為我國其他城市可持續(xù)推廣雨洪控制利用綜合系統(tǒng)模式提供參考。

北京市建立雨洪控制技術(shù)體系主要是為了實現(xiàn)充分利用雨水，緩解水資源危機、削減洪峰流量，確保首都防洪安全 [17]。建設(shè)的示范區(qū)包括老城區(qū)、新建城區(qū)、將建設(shè)區(qū)、公園綠地、校園的5種類型，本文就新建城區(qū)和公園綠地的實際運行情況進行探討。

4.1. 新建城區(qū)

新建城區(qū)的示范工程位于雙紫園小區(qū)內(nèi)，其雨洪利用工藝流程如圖4，通過對屋頂雨水的引流和透水/不透水地面鋪裝，實現(xiàn)雨水的回收利用。

通過實地考察項目運行情況，雙紫園小區(qū)雨洪控制技術(shù)應(yīng)用存在以下主要問題：

1) 雨水排水管未全部連入滯蓄系統(tǒng)

雙紫園小區(qū)的設(shè)計意向是示范區(qū)內(nèi)的屋頂雨水，一部分直接通過管道收集、傳輸，經(jīng)沉淀后，進入蓄水池備用；另外一部分屋頂雨水，先排入周邊綠地，通過下凹式綠地，入滲地下。但在小區(qū)中的房屋雨水管并未接入蓄水池，并且沒有設(shè)計中的下凹式綠地。雨水回收利用不僅需要收集，也需要滯蓄，這樣才能更有效、更長效地利用雨水。該項目建造了房屋雨水管，卻未將雨水管連入地下滯蓄系統(tǒng)，那么雨水依舊只能不均勻地流到鄰近的綠地，不能實現(xiàn)相關(guān)控制技術(shù)目的。

2) 雨水未經(jīng)過濾進入市政管網(wǎng)，造成二次污染

在雙紫園小區(qū)內(nèi)，初期雨水未經(jīng)過濾進入市政管網(wǎng)。眾所周知，降雨的初期徑流攜帶大量污染物質(zhì)。如果未經(jīng)過濾直接進入管網(wǎng)，將會造成管網(wǎng)嚴重的污染。近幾年的雨水利用試點項目通常采用初期棄流裝置過濾掉初期徑流。考慮到雨水利用領(lǐng)域近幾年的快速發(fā)展，中德項目始于2000年，其未對雨水的初期徑流問題考慮是一個警示，在未來的設(shè)計開發(fā)中，初期徑流的處置將是關(guān)乎雨水水質(zhì)問題的重中之重。

4.2. 公園綠地

公園綠地示范區(qū)位于海淀公園內(nèi)，其雨洪利用內(nèi)容包括：屋頂和道路的雨水收集后經(jīng)處理、回灌地下，同時綠地內(nèi)采用滲井、滲溝等設(shè)施增加入滲能力，雨洪利用工藝流程如圖5。

同樣對海淀公園雨洪利用技術(shù)應(yīng)用情況進行評估，發(fā)現(xiàn)以下主要問題：

1) 土壤結(jié)構(gòu)層未處理，蓄滲效果有限

海淀公園道路邊都采用了透水鋪裝，由于土壤結(jié)構(gòu)層施工太淺，土壤容納雨水量少；而且北京氣候干燥，土壤易板結(jié)，導(dǎo)致雨水很難下滲，降雨落到地面上仍然會發(fā)生於堵。透水鋪裝作為一種LID技術(shù)，不僅僅要求是在地表的鋪裝，更重要的是要求地下土壤結(jié)構(gòu)疏松，具備良好的下滲條件。

2) 綠地雨水向外排，未能將雨水資源化利用

海淀公園在綠地邊設(shè)計了路緣石開口，但綠地比路面高，降雨發(fā)生時綠地雨水排向馬路。在國內(nèi)，規(guī)劃師和設(shè)計者出于保護行人和綠地的目的，將人行道和綠地設(shè)計得要比馬路高。在雨水利用的發(fā)展趨勢下，設(shè)計師將綠地改為下凹式綠地，將綠地邊緣的路緣石做成開口，使得綠地的低于馬路，雨水更容易流入綠地。LID帶來了城市規(guī)劃理念的一次革新，傳統(tǒng)設(shè)計將不再利于開展雨水利用。

4.3. 現(xiàn)存問題

根據(jù)北京市中德雨水利用合作項目部分試點現(xiàn)在運行情況而言，存在著LID設(shè)計不完善、施工監(jiān)理不到位、后期管理程度不夠等問題 [18]，具體總結(jié)詳見圖6。比如以設(shè)計方面為例，在項目中只考慮景觀的設(shè)計：沒有充分考慮結(jié)構(gòu)層的透水鋪裝；只考慮排水的設(shè)計：綠地雨水向外排、雨水未經(jīng)過濾、房屋排水管沒有連入滯蓄系統(tǒng)；只考慮環(huán)境的設(shè)計：雨水口高差不對等。

5. 小結(jié)

本文通過梳理國內(nèi)外研究應(yīng)對城市暴雨徑流問題而提出的控制技術(shù)和管理措施，辨析了不同技術(shù)體系的特點，結(jié)合北京中德雨水利用項目的部分試點，從其設(shè)計理念和運行工況方面進行比較和分析，發(fā)現(xiàn)項目所表現(xiàn)的問題背后實質(zhì)上有來自設(shè)計、施工、監(jiān)理等方面的深層原因。統(tǒng)一管理機制、相關(guān)專業(yè)技術(shù)規(guī)范和法規(guī)的缺乏，導(dǎo)致城市雨洪控制項目從設(shè)計到施工到監(jiān)理運行全流程管理的各個環(huán)節(jié)出現(xiàn)理念與反饋的沖突，現(xiàn)存管理體系對于解決國內(nèi)城市內(nèi)澇問題仍然任重而道遠，技術(shù)與管理并行，是未來發(fā)揮雨洪控制技術(shù)體系價值的方向。

NOTES

^*通訊作者。