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中国水利:水生态基础设施构建关键技术

2015-04-01 作者:俞孔坚 来源:水生态基础设施构建关键技术[J]. 中国水利, 2015, 22:01-04.
摘要:
针对当前水环境、水生态问题和治水方法的误区,提出通过建立水生态基础设施来综合解决防洪、排涝、干旱、水污染治理、地下水下降、水生栖息地消失、棕地生态修复、城市滨水区利用等一系列问题。 结合多尺度的生 态基础设施规划和工程设计实践案例,详细阐述了生态基础设施构建的关键规划技术和建设技术要点,阐明建立水生态基础设施的必要性、可行性和实际效果。 水生态基础设施的规划和建设,能为城市及居民提供可持续的全 面的生态系统服务,在很大程度上可避免灰色基础设施的高投入、高维护及对水生态系统的破坏等弊端。呼吁建 设水生态文明在思想上需要革命,方法上需要创新,体制上需要打破边界。
关键词:
水生态基础设施     关键技术     水生态红线     海绵城市     生态防洪    

  Abstract: It is found that misunderstanding is existed in the practice for management of water environment and ecosystem. Therefore it is suggested to build water and eco -friendly infrastructures for dealing with problems of flood and waterlogging, drought, water pollution, groundwater depression, lost of aquatic habitats, ecological recovery of brownfield and coastal development in cities. Key technologies for construction of water and eco-friendly infrastructures are introduced in detail on the basis of case studies on planning and design of eco -structures of varied scales, which are used for demonstrating necessity, feasibility and practical results of these strcutures. Eco -friendly structures have advantages of low requirement for input, low operation and maintenance cost and less damage to ecosystem comparing to“grey infrastructures”, and can provide comprehensive services in a sustainable way. However innovation is needed in terms of implementation of this approach, application of methodology and creation of institutional system.


  Key words:  water ecological infrastructures; key technologies; water ecological redline; sponge city; ecologicalflood control



  我国水资源和水环境问题非常严重,包括水资源短缺、水质污染、洪水、城市内涝、地下水水位下降、水生栖息地丧失等。由此带来的水危机并不是水利部门或某一部门管理下发生的问题,而是系统性、 综合性的问题。对待这些综合性的水问题,当前解决之道往往单一、 片面。水是地球上一个连续的系统,是世界上最不应该被分离的物质,治水时却存在“小决策”与水系统分割问题。以部门、地区、功能分割为特征的水管理体制导致管理中水与土分离,水与生物分离,水与城分离,排水与给水分离,防洪与抗旱分离,极不利于水系统管理。 这些都是简单的工程思维和管理上的“小决策”带来的弊端。解决诸多水问题的出路在于回归水生态系统的完整性。水环境与水生态问题是个跨尺度、跨地域的系统性问题,也是互为关联的综合性问题。解决城乡水问题必须把研究对象从水体本身扩展到水生态系统,通过生态途径对水生态系统结构和功能进行调理,增强生态系统的整体服务功能,即供给服务、调节服务、生命承载服务和文化精神服务。四类生态系统服务构成水系统一个完整的功能体系。以保障水系统综合生态系统服务为目标的基础性空间结构(景观格局),就是水生态基础设施。区别于传统的工程性灰色基础设施(单一功能目标的工程建设),水生态基础设施是一个生命系统,即综合、系统、可持续地解决水问题,包括自然水生态系统和生态化的水工基础设施。一个完整的生态基础设施的建立需要在规划和工程设计两个层面上进行。

 
  一、水生态基础设施规划技术
 
  建立水生态基础设施的关键是科学的规划,其技术要点在于水生态红线的科学划定,明确水系统边界,不是河道和水域的边界,而是由对水 过程具有关键意义的点、线、面和空 间联系所构成的空间格局。这就需要用跨尺度的系统思维来思考,应该在全国尺度、区域尺度和城市尺度,从宏观—中观—微观不同层面来建立 一个连续的系统。
 
  1.国土尺度:编制水生态基础设施规划,划定水生态红线
 
  要确定国土水生态安全格局,做好区域水生态基础设施规划,进而做好城市发展规划。生态安全格局也称生态安全框架,是指景观中存在的某种潜在的生态系统空间格局,由景观中某些关键的局部、其所处方位和空间联系共同构成。生态安全格局对维护或控制特定地段的某种生态过程有着重要意义。国土水生态安全格局与我国国土尺度洪水调蓄安全格局有着密切关系。研究显示,我国国土尺度洪水调蓄安全格局为:低水平洪水调蓄安全格局面积占国土总面积的 0.8%;中水平洪水调蓄安全格局面积占国土面积的 2.2%;高水平洪水调蓄安全格局面积占国土总面积的6.2%。也就是说,在发生低水平洪水 情况下,我国能被洪水淹到的国土面 积只占整个国土面积的 0.8%;在特大洪水情况下,能被淹到的国土面积占整个国土面积的 6.2%。在具体实践中,可根据对洪水淹没模拟分析和历史洪涝灾害分析,并通过对当前和潜在具有洪水调蓄功能的区域分析径流过程,获得洪水安全格局面积。
 
  根据国土尺度洪水调蓄安全格局,编制水生态基础设施规划,划定完整水系的生态红线。应依据 10 年一遇、20年一遇、50年一遇、100 年一遇洪水的淹没范围,划定生态红线。水淹到的地方都应该划在生态红线内。综合考虑水安全格局面积包括洪水安全格局面积、地表水和地下水的水源保护区、地下水补给区,通过管制格局面积内土地利用,达到保护地表水和地下水资源、维护并强化区域水系的连续性和完整性、减少洪水灾害的目的。研究显示,划定水生态红线这一方式完全可行。雨水积存、生物保护、河流蓝道这一连续系统,与文化遗产整合以及城乡慢行系统结合,就构成了水生态基础设施。水生态基础设施能够保障整个城市的健康和安全。要以水生态基础设施为骨架,做好城市发展规划。也就是说,可根据洪水能够淹到的国土面积情况,做好城市发展规划,特别是确定城市该建在什么地方,而不是动辄修建防洪堤。当然,那些已经建在河漫滩上的城市,应处理好与洪水的关系,给洪水以出路。
 
  2.区域尺度:建设海绵城市
 
  部分城市目前面临的问题是:一方面,地下水水位逐年下降;另一方面,珍贵的雨水资源却被排走。鉴于此,城市应建立一个海绵系统,把降到城市地表的雨水留下来,用于城市绿化,形成湿地,补充地下水,改善人居环境。
 
  需要根据历史上一个城市被淹的区域,规划一个水系统安全格局,突破河流蓝道概念,将河漫滩上的绿地范围划为水生态系统的核心范围,作为永久的水生态海绵系统来管理。与之相关的绿化工作,应考虑在河漫滩上进行。对 100年一遇、500年一遇的河漫滩,应该大量植树,把河漫滩变成森林。如此,河水才能慢下来,才能留下来,才能把生态系统维护起来。
 
  以前城市建设都是“三通一平 ”,把地平掉,埋设排水管道,尽量把雨水排掉。农民都知道,农田上必须留下1/4 的土地给水,将水留下来。城市建设时,水系统也同样需要保留在城市中,成为城市的休闲系统,把水作为珍贵的资源留下来,而不是建设集中排水管网,将水排走。现在,各地把排水管网建设看得很重,实际上无论多粗的排水管网都不能解决我国城市的内涝问题。我国广大城市的季风气候显著,易出现强降雨, 雨涝问题需要靠地表雨水系统、地表生态系统来解决。基于此,需要一种生态城市建设的模式,即不用埋设集中的雨水管道,或者只埋设局域性的雨水管道,同时可节省城市很多基础设施投资。总之,要从划定城市水生态红线开始,制定一个战略规划,建立水生态基础设施,让城市成为一个大的海绵系统,把雨水留在土地上,或者补充到地下。
 
  二、水生态基础设施关键工程技术
 
  建设水生态基础设施,应考虑整个水系统,以生态系统服务为导向进行设计,发挥水系统的供给、调节、生命承载和精神文化功能。具体来说,有 7个水生态基础设施关键工程技术模块。
 
  1.与洪水为友的地理设计技术与生态系统防洪结合模块
 
  该类技术强调洪水不是不可避免的,也不是必须要对抗的。用富有弹性的生态防洪措施,代替钢筋水泥的灰色防洪设施,这是建立可持续的水生态基础的关键技术之一。河道本身就是一个海绵系统,周边应有湿地,中国的“水”字,中间一条河道,两侧有四块湿地,就是体现了海绵这一概念。以前城市修建了很多防洪工程,很少考虑生态需要。其实,防洪可以与生态、与美有机结合,一些常规的防洪工程可以改造为生态防洪工。 通过对10年一遇、20年一遇、50年一遇洪水的系统分析,了解被水淹没的地方。这些地方可以保留下来,用作湿地,作为稻田或者公园,恢复河道海绵系统。因此,防洪堤坝需要弹性设计,要与洪水为友,与水共进退。通过对传统水利工程改造,采用生态防洪方式,水的冲击力减小,生态弹性增加,城市有了更多的绿地,防洪压力减小。因此,只要善待洪水,学会与其和谐相处,洪水就没有那么可怕了。
 
  2.加强型人工湿地净化系统技术模块
 
  湿地净化技术在国内外都有非常多的研究和实践,水利界也已有丰富的实践。如何将这种技术与日常生活、城市游憩环境相结合,使科学与艺术完满结合,则富有挑战性。加强型城市人工湿地净化系统(示意图见图1)将景观作为生命系统,在城市中建立高效、复合功能的湿地净化系统,将严重污染水体或中水的水质提升为Ⅲ类地表水,每公顷湿地每天可以净化 800 m3水。这一技术模块为处理我国75%地表污染水体提供一个可复制、大面积推广的范例。加强型人工湿地系统,需要利用自然湿地,同时要对其进行强化,使其变为一个净化系统。 我国75%地表水体的污染是富营养化,营养元素主要为氮、磷、钾,多来自肥料。 目前治理污染都是消费能源、耗费财力。通过加强型人工湿地系统,可以将氮、磷、钾转化为肥料,将治理污染过程变为生产过程,不仅可以将劣质Ⅴ类水净化为Ⅲ 类水,还能生产粮食和多种植物。
 
图1 加强型城市人工湿地净化系统示意图 
 
  3.城市绿色海绵技术模块
 
  我国660多个城市中有400多个缺水; 受季风气候影响,大多数城市70%~80%的年降水都集中在夏季,按照暴雨标准修建城市排洪设施造价昂贵且维护困难,同时造成地表水资源 流失,生物栖息地消失。常规城市雨水管道系统不能解决季风气候下的强暴雨问题,绿色海绵技术可以发挥重要作用。将景观作为生态雨洪滞蓄和净化设施,用10%的城市用地,来消纳城市雨涝,实现城市对水的弹性管理,并形成地下水补充、湿地恢复与保护等多种生态系统服务。绿色海绵设计将传统的陂塘蓄水系统、桑基鱼塘技术提升并与当代雨水生态边沟和潜流湿地净化等技术相结合,配合短距离市政管网,构成雨洪滞蓄、净化和地下水回补的成套系统。实践证明,采用城市绿色海绵技术建设城市海绵系统,能够解决目前大部分的洪涝问题。
  
  4.生态系统服务仿生修复技术模块
 
  通过模拟生态系统自我再生过程,实现高度人工化环境中的土地生态修复,把待修复的土地视为生态系统服务提供者,修复的过程同时又是提升生态系统服务的过程。以生态系统服务为导向的设计,即通过观察、研究和模拟自然系统的调节、供给、生命承载以及文化与精神的服务功能,在场地土地修复工程上有效地利用自然系统的生态系统服务功能。乡土生境重建与自然演替形成的植物群落来提取、挥发被破坏的土地中的有害物质(如重金属),再稳定修复后的土地,配以休憩活动空间,实现完整而可持续的生态系统服务。例如,利用水生态基础设施治理土地污染问题,因为雨水多酸性,土壤多为碱性,酸碱中和,土壤就得到了改善。
 
  作为“生态系统服务仿生修复技术模块”的示范(示意图见图2),天津桥园所在地原为打靶场,场地低洼,地面建筑物已被拆除,场地现状垃圾遍地,污水横流,盐碱非常严重。对于这样一个城市废弃地,为了开启自然过程,让自然系统发挥功能,形成一个无须更多能源与资源投入、可以自我进化、满足使用者审美与游憩需求的地域性景观。本修复工程有 3 个步骤:第一步,营造地形收集雨水,形成多样化的生境条件。场地挖了21个深度不同的集雨坑,每个洼坑有不同的标高,有深有浅,形成不同水分和盐碱条件的生境,适于不同植物群落的生长。第二步,开启群落演化,群落的形成从种子开始,在每个低洼地和水泡四周播撒混合的植物种子,应用适者生存的原理,形成与不同生境相适应的植物群落。这些群落是动态的,由于初始生境不能满足某些植物的生长,所以被播种的植物在生长过程中逐渐被淘汰,一些没有人工播种的乡土植物,通过各种传媒不断进入多样化的生境,而成为群落的有机组成部分。第三步,在修复的自然生态 本底上, 引入步道系统和休息场所。 多个洼地和水泡内都有一个平台,伸入群落内部,使人有贴近群落体验的 机会。 洼地和水泡间的步道连接成网。 与步道网络相结合,建立环境解说系统,使游客在体验乡土景观之美的同时,获得关于地域自然系统的知识。经过三年的生态修复,土壤和水质条件都明显改善,乡土生物多样性大大提高,植物从2008年的36种自然增加到2012年的126种,同时成为广大市民喜爱的游憩公园。
 
  5.生产性景观设计模块
 
  当前城市规划决策者们大都会认为,农田是农村的象征,是落后生产力的表现,是不美的景观,与先进的城市文明格格不入,所以一般不容许城市建成区内还保留着农业社会时代的气息,即使有部分农田残留斑块,也很快被城市公园或高大建筑物所代替。在斥巨资改变场地原生环境建设城市文明的同时,又在花大力气保护郊区农田,倡导民众的耕地保护意识,这种矛盾的行为在城市建设和城市化过程中比比皆是。生产性景观设计提倡保留场地中的农田,将大面积的农田作为城市功能体的溶液,高产农田渗入市区,而城市机体延伸入农田之中,将农田与城市绿地系统相结合,成为城市景观的绿色基质或者重要斑块;生态设计手法在保护农田生产功能同时发挥其生态功能;辅以人工设施,为市民构建一个良好的休闲和教育场所;最关键都是通过生产性景观的保护和利用,雨水可以在城市留下来,生产粮食,而不是排到河道里去。
 
图2 生态服务系统放生修复技术示意图
 
  6.最小干预与低维护设计
 
  最小干预改变河道面貌,发挥河道的生态基础设施功能。很多对生态系统的“保护”本质上是“以生态之名反生态之实”的旅游开发、休闲开发、公园开发等,在投资充足的情况下, 不惜成本地改造原本稳定的场地生态环境。 保护自然的最少干预技术就是如何在满足人类活动需求下保护自然,如何最大限度降低设计的生态负面影响。该技术模块的核心在于: 尊重自然发展过程,循环利用物质能源,倡导场地自我维持和可持续处理技术,发掘场地原生健康美学,保留场地文化遗产。自然是具有自组织或自我设计能力的,整个地球都是在自我设计中生存和延续。自然系统的丰富性和复杂性远远超出人为的设计能力,与其过多地人为设计,不如开启自然的自组织或自我设计过程。
 
  7.工业棕地利用与再生技术
 
  河流蓝道边,常常有大量工业用地存在污染问题。将河流蓝道两侧的工业土地变成城市珍贵的、满足时代需要的土地,传承工业遗产,是一个需要解决的问题。为此,利用“棕地恢复”技术,对河流蓝道边上的棕地进行恢复,将工业遗产保留下来,河道得以生态恢复。
 
  三、结 语
 
  需要说明的是,7项技术模块应加以整合,并广泛推广应用,用以解决河道水系统问题。实际上,每个单位、每个家庭,都可以把雨水留下来。家庭可以利用自家阳台,收集屋顶雨水。如果全国城区都把雨水收集起来,可以将小区内的流水减少至少1/3,一般情况下,城市就不会发生涝灾了。 同时,如果每家每户都可以利用雨水来调节室内温度,不开空调或加湿器的话,可以省下 1/3 的能源,可以节省10 座三峡工程的发电量。小改变,可以解决大问题。
 
  面对水系统综合征,必须采取综合的、系统的解决途径,构建水生态基础设施。通过从治水开始,建立水生态基础设施,走向水生态文明。为此,我们要进行一场革命,思想上需要革命,方法上需要创新,体制上需要打破边界,专业上需要整合。
 
  参考文献:
 
  [1] 王浩.中国科协第十三次大会“中国水资源问题及其科学应对 ”学术报告[R].2011.
 
  [2] Costanza R, d’Arge R, deGroot R, Farber S, Grasso M, Hannon B, Lim-burg K, Naeem S, ONeill R V, Paru-elo J, Raskin R G, Sutton P, vanden-Belt M. The Value of the World’s E-cosystem Services and Natural Capital [J]. Nature,1997,387.
 
  [3] MEA (Millennium Ecosystem As-sessment).Ecosystems and Human Well-Being: Synthesis[M].Washington:Island Press,2005.
 
  [4]   俞孔坚,韩西丽,朱强. 解决城市生态环境问题的生态基础设施途径[J]. 自然资源学报,2007,2(5).
 
  [5]   董哲仁,等.河流生态修复[M].北京:中国水利水电出版社,2013.
 
  [6] Yu K-J. Security patterns and surface model and in landscape planning [J]. Landscape and Urban Plann, 1996,36(5)
 
  [7]   俞孔坚,李迪华,李海龙,乔青. 国土生态安全格局:再造秀美山川的空间战略[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.
 
  [8]   Padua Mary. Bridge to Somewhere, Else: A No Man's Land in Tianjin Has Become A rare Place to Escape the City[J].Landscape Architecture,2013(2)
 
  文章来源:俞孔坚. 水生态基础设施构建关键技术[J]. 中国水利, 2015, 22:01-04.
 
 
 
 
 
 
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