海绵城市是指城市能够像海绵一样, 在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“ 弹性” , 下雨时吸水、蓄水、渗水、净水, 需要时将蓄存的水“ 释放” 并加以利用。海绵城市建设遵循生态优先的原则, 将自然途径与人工措施相结合, 在确保城市排水防涝安全的前提下, 最大限度实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化, 提高雨水资源化水平, 保护生态环境^[19]。

海绵城市建设又称为低影响设计或低影响开发(low impact design or development), 其内涵是建立尊重自然、顺应自然的低影响开发模式, 系统地解决城市水安全、水资源、水环境问题, 具有自然积存、自然渗透、自然净化3大功能^{[19, 20]}(图1)。

图1

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	图1 海绵城市3大自然功能

海绵城市的构建从生态系统服务出发, 结合多类具体技术, 跨尺度构建水生态基础设施(图2), 其基础与核心就是低影响开发技术的应用^[21]。该技术须具有源头削减、中途转输、末端调蓄其中一种或多种功能, 能提高城市对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力, 实现城市良性水文循环, 维持或恢复城市的“ 海绵” 功能。

图2

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	图2 海绵城市的构建

城市面源污染的污染类型及负荷与降雨强度、降雨量、降雨历时、城市土地利用类型、大气污染状况、地表清扫状况等有关^{[8, 22]}。老城区相对于其他城市区域, 其面源污染具有如下特征:一方面, 中心城区人类活动频繁, 人口密度高, 污染负荷高, 亟须面源污染控制^[23]; 另一方面, 老城区一般土地价值与利用率高, 土地资源紧张, 面源污染控制措施能利用的空间小, 可选择的技术措施少, 面源污染控制制约因素多。

根据土地利用类型将老城区划分为建筑与小区、城市道路、城市绿地与广场、城市水系4类区域, 将在其各自区域产生的径流通过有组织地汇流与转输, 经截污等预处理后引入具有雨水渗透、储存、调节等功能的低影响开发设施, 通过对渗透、储存、调节、转输、截污净化等几类低影响开发技术的组合应用, 实现对面源污染的水量、水质控制以及雨水资源化利用等目标。四类区域面源污染控制措施以城市绿地与广场区域的面源污染控制措施为核心, 既相互独立又相互联系, 共同组成老城区面源污染控制体系:建筑与小区、城市道路、城市水系面源污染控制应因地制宜, 以易于小规模改造的低影响开发设施为主; 对于城市绿地与广场, 其管理口径统一, 空间体积大, 滞蓄空间和净化能力可提高的空间大, 进行大规模改造, 可作为面源污染控制体系的核心, 接纳周边其他区域因条件所限无法设置低影响开发设施或者超过其滞蓄空间外的径流, 通过和绿地与广场区域的联通, 借助其强大的滞蓄空间和净化能力, 从整个区域的层面来实现面源污染的全过程控制, 解决老城区内某些区域因条件有限无法进行面源污染的“ 源头— 转输— 末端” 全过程控制的问题。

城市老城区面源污染控制体系如图3所示, 各类用地面源污染控制宜采用的低影响开发设施见表1。

图3

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	图3 城市老城区面源污染控制的体系

表1

表1

表1 老城区各类用地面源污染控制选用的低影响开发设施一览表 用地类型 单项设施 建筑与小区 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、调节塘、植草沟、渗管/渠、初期雨水弃流设施 城市道路 透水铺装★、下沉式绿地★、生物滞留设施、雨水湿地、植草沟、渗管/渠、植被缓冲带 绿地与广场 透水铺装★、下沉式绿地★、生物滞留设施★、渗透塘、渗井、湿塘、雨水湿地★、调节池、植草沟★、渗管/渠、植被缓冲带 城市水系 植被缓冲带★、湿塘、雨水湿地 注:★标表示宜选用。

表1 老城区各类用地面源污染控制选用的低影响开发设施一览表

2.2.1 建筑与小区

建筑小区面源污染可分为屋面和室外道路两类, 相应的面源污染控制措施以绿色屋顶、透水铺装为主, 实行分散和集中相结合的方式控制面源污染。此外, 对于老城区中具有公共场所的小区, 应结合小区地形、地貌和雨水特点, 在场地内设置集中式雨水设施和末端处理设施, 主要以雨水滞留设施为主, 如生物滞留设施、下凹式绿地、雨水花园等^[24]。收集雨水处理后可作为杂用水用于绿化、浇洒道路、洗车等用途, 可产生一定的经济效益^{[25, 26]}, 还能起到降低城市热岛效应、冬季保温、夏季降温等作用^[13]。

熊赟等^[14]在对比了不同强度降雨下小区的污染负荷后发现, 由于低影响开发设施滞蓄空间有限, 暴雨时期低影响开发小区对SS和COD负荷总量的削减率下降快速。因此, 对于暴雨时期超过低影响开发设施滞蓄空间的径流, 需通过雨水管渠输送至附近城市绿地与广场, 充分利用城市绿地与广场的滞蓄空间和净化能力, 防止该部分的面源污染进入环境中。

2.2.2 城市道路

李春荣等^[27]、欧阳威等^[28]对城市中最为常见的屋面、路面和绿地3类下垫面下产生的降雨径流水质的研究结果表明, 路面径流产生的污染负荷高于硬质屋面与绿地。在城市区域, 交通道路面积广、负荷重, 道路暴雨径流污染更为突出^[29], 是一类非常重要的面源污染。

在满足道路交通通行安全等基本功能的基础上, 充分利用道路自身空间及周边绿化空间, 在绿化带下设置蓄水、滞水、净化的措施, 推行透水路面、下沉式绿地、LID树池、雨水花园等低影响开发措施^{[30, 31]}, 并将滞蓄空间外的径流转输至附近的城市绿地与广场进行储存和净化, 解决暴雨时期超过低影响开发设施滞蓄空间的径流污染问题。

2.2.3 城市绿地、广场

在城市老城区各类用地类型中, 公园和广场绿地的单位蓄水能力相对于小区和道路的绿地要强, 是海绵城市建设中最主要的海绵体^[32], 亦是整个面源污染控制的核心, 具备消纳自身及周边区域径流雨水的功能。

老城区绿地与广场由于建设年代相对久远, 采用的传统“ 雨水快排” 的设计理念, 群落更新速度较慢、游憩密度过高等原因, 导致其植物群落和土壤的雨水滞蓄空间少, 净化能力较低, 限制了其对面源污染的控制能力。于冰沁等^[13]通过对上海共康绿地优化改造示范项目的实践研究发现, 城市绿地通过低影响开发技术实施应用后, 植物群落冠层截留能力、土壤蓄水容量空间、颗粒物削减率都有大幅度提升, 调整后绿地群落雨水蓄积调控能力、群落滞尘能力、降温增湿效应、负离子效应及固碳效应等约提高了2倍, 其景观效果也有所提升。城市绿地与广场低影响开发设施可通过乔灌草的立体搭配, 自上而下逐级进行雨水植物截留, 利用透水铺装、生态沟等形式进行径流过滤与自然促渗, 配套采用雨水花园、下沉式广场对径流进行收集利用与调蓄^[33], 实现海绵城市的自然积存、自然渗透、自然净化3大功能。

2.2.4 城市水系

城市水系是城市规划内各种水体构成脉络相同系统的总称^[34], 包含河流、湖泊、湿地、坑塘、沟渠等城市自然水体, 是城市的天然雨水储存净化场所^[35]。老城区内最主要的城市水系是河道, 其两岸通常为垂直的硬质驳岸。在有条件的河段, 恢复自然河岸, 建设河滨植被缓冲带、雨水滞留塘以及河滨湿地等影响较低的开发系统^[35]。缓冲带与河滨湿地的尺寸与植物筛选和配置决定了河道面源污染控制的有效性, 其尺寸受场地空间所限; 而植物筛选和配置涉及当地的气候条件、立地条件、水位条件、河道的功能定位等方面, 其重要性不容忽视^{[36, 37]}。对于无法恢复自然河岸建设河岸缓冲带的河段, 采用具有可渗透性的生态驳岸替代原有不透水的硬质驳岸, 例如网石笼结构护岸、格宾和雷诺护垫护岸、植被型生态混凝土护坡、自嵌植被式的挡土墙、多孔质护岸等生态驳岸^[38], 提高河道的渗透性。

现阶段国内对前期面源污染特征和控制技术的研究较多, 而对后期的运行管理研究鲜见报道。而在面源污染控制实际应用过程中, 大量面源污染控制措施由于管理不当, 无法发挥其应有的作用, 例如杭州市的某些绿色屋顶^[38]、浙江乔司植物园雨水花园^[39]等。

在面源污染控制的设计与应用过程中, 由于公众参与方面的缺失, 导致很多面源控制措施在设计、实施过程中无法得到公众的认同, 以致项目后期被搁置甚至是撤销^[40], 这也是导致面源污染控制措施无法大面积推广, 面源污染一直无法得到有效控制的原因之一。因此, 本研究认为面源污染控制未来的研究方向, 不仅要对原理及控制技术作进一步研究, 更要重视后期运行管理以及公众参与方面的研究。