利用绿色基础设施管理城市雨洪

摘 要：文章介绍国内外绿色基础设施发展过程，分析其主要技术措施和效益，剖析城市化水文效应和绿色基础设施效益。介绍了国际绿色基础设施实施成功案例，最后通过对比模拟传统雨洪与绿色基础设施雨洪，以及全市绿色基础设施实施和雨洪利用策略，来探讨绿色基础设施对城市雨洪资源管理。

关键词：绿色基础设施 城市化 雨洪管理

中图分类号： F291.1 文献标识码： A 文章编号：

Management of Urban Storm water by Green Infrastructures

Wang Yangsheng

(Shenzhen Sanzhoutian Tongluojing Reservoir Management Division)

Abstract: This paper introduces the development process of green infrastructure, analyses the main technical measures and benefits, and Hydrological effect of urbanization and Hydrological effect under green infrastructures. Introduces the successful cases of international green infrastructure, finally by comparing the traditional storm water management and Storm water management under green infrastructures ,and the urban’s green infrastructure implementation and storm water utilization strategy, to explore the management of urban storm water by green infrastructures..

Keywords: Green Infrastructure, Urbanization, Storm Water Management

1 绿色基础设施概况

1．1绿色基础设施发展与演变

第一个定义：1999年，在保护基金和美国农业部林务局领导下，美国由联邦、州和当地机构以及非政府组织组成的工作组制定了培训计划、推广绿色基础设施，以使其纳入地方、区域以及国家的规划和政策中。绿色基础设施(green infrastructures,GI)定义为国家自然生命支持系统——一个由水道、湿地、森林、野生动物栖息地和其他自然区域，绿道、公园和其他保护区域，农场、牧场和森林，荒野和其他维持原生物种、自然生态过程和保护空气和水资源以及提高美国社区和人民生活质量的荒野和开敞空间所组成的相互连接的网络。广泛接受的定义：一个自然区域和其他开放空间相互连接的网络，以及可能附带的工程设施，该网络有助于保存自然的生态价值和功能，维持洁净的空气和水源，对人类和野生动植物大有裨益。（美国，麦克 A. 贝内迪克特和爱德华 T. 麦克马洪，2001）；特殊的定义：在加拿大，绿色基础设施概念完全不同于英美等国家，是指基础设施工程的生态化，主要是以生态化手段来改造或代替道路工程、排水、能源、洪涝灾害治理以及废物处理系统等问题。（Moffatt, 2001）

另外，美国保护基金会（Conservation Fund）的马克·本尼迪克特（Mark Benedict）与艾德·麦克马洪(Ed McMahon)（2006）将绿色基础设施定义为：一个有战略规划与管理的荒野、公园、绿道、保护地役权以及具有保护价值的使用中土地的网络，能够支持本地物种，保持自然生态过程，维持空气与水资源，并为美国社区与人们的健康与生活质量做贡献。

最近，随着人们需要解决城市雨水径流的水质量影响的问题，响应《清洁水法（Clean Water Act）》以及其他相关条例的要求，一个全新的绿色基础设施定义应运而生。根据美国环境保护署（U.S. Environmental Protection Agency）（EPA），绿色基础设施指“利用或模拟自然过程以渗透、蒸发（通过蒸发或植物将水回归大气层的过程），或重新在利用场地产生的雨水或径流的系统与实践。”佛罗里达绿道委员会与美国保护基金会的定义着重大型景观元素，例如公园、自然区域、绿道以及使用中土地（农业与森林），而EPA更偏向将城市环境中的小型景观——绿色屋顶、树木、雨水花园、植被沼泽、口袋湿地、渗透种植器，植被交通安全岛，等等——作为绿色基础设施的典型组成部分。

基于雨洪控制利用在绿色基础设施中的重要地位和具体工程应该，西雅图公共事业局提出了一个更为专业的术语——绿色雨水基础设施（Green Stormwater Infrastructure,GSI）[2]，主要是指针对城市雨洪控制利用的一类绿色基础设施，主要包括生物滞留池（雨水花园）、渗透铺装、绿色屋顶、蓄水池、绿地等。

与绿色基础设施相对的是传统的灰色基础设施，由道路、桥梁、铁路及其它确保工业化经济正常运作所必须的公共设施所组成的网络，是由大量钢筋、水泥构筑的基础设施网络。长期以来，灰色基础设施造成了生态廊道被切断、气候系统破坏、城市防洪系统脆弱等一系列问题，另外，灰色基础设施建设投资和维护成本高，施工难度大工期长等。对现有灰色基础设施的升级与绿色化，是城市绿色基础设施建设的重要内容。对现有灰色基础设施的升级与绿色化包含生态公园、城市绿道、绿色街道、绿色停车场、绿色屋顶等内容。

1．2绿色基础设施实施主要技术

根据应该尺度及区域元素特点，绿色基础设施可以分为区域尺度、社区尺度和场地尺度三种不种尺度。研究和分析国内外关于绿色基础设施相关经验[1,3-6]，总结绿色基础设施的典型技术措施、技术特点和功能效益（表1）。

表1 绿色基础设施典型技术措施表

Tab 1 Typical technology measure of green infrastructure

应用绿色基础设施可以是单项措施，也可以是多项技术相组合。应用绿色基础设施能够有效管理城市雨洪，是解决城市雨水问题的新理念与方法，与传统的灰色基础设施相比，其建设投资和维护成本低，还有助于改善城市生态环境，能为居民提供具有美学和生态功能的城市景观。在绿色基础设施建设过程中，融入城市整体规划，具有防洪减灾、减少径流污染、改善生态环境、增加水资源几大功效，能够实现生态、环境和经济三重共赢局面。

1．3绿色基础设施的效益

综合国内外研究与具体案例[1-3]，总结了绿色基础设施的多重利益，主要有以下几种：

（1）环境：绿色基础设施能够吸收雨水，减少径流与相关的影响，如洪水与侵蚀；它可以有效管理雨洪，达到城市水资源充分利用效果；它可以通过移除空气与水中的有害污染物，改善环境质量；它能够通过减少机动车排放的矿物燃料废气，降低建筑的能源消耗，以及封存与储存碳，缓解气候变化等

（2）经济：绿色基础设施能够在景观管理、娱乐休闲以及旅游业等领域上创造工作与商业机遇；已有多个研究表明，绿色基础设施能够促进当地商业区的零售销售额与其他经济活动[1]；它能增加房产价值[1]；它能为社区吸引游客、居民与商业；它能降低能源、医疗保健、以及灰色基础设施的成本消耗，创造更多的资金用于其它用途。

（3）社区：绿色基础设施能够通过提供户外娱乐机会，以及是散步或骑车作为人们生活的常规，为人们带来一种健康的生活方式；它能改善环境条件以及它们对公共卫生的影响；它能为人们聚会与社交提供场地，营造社区精神；它能提升城市与郊区发展的美学质量；它能为公共艺术与文化价值的表达提供机会；它能将人们连接到自然。

1.4城市化与绿色基础设施

随着中国经济和城市化的快速发展，城市的规模和数量快速扩张，城市人口高度集中，工业规模不断增加，导致城市水资源日趋紧缺，而排污量日益增加，城市水体恶化。城市扩张同时，建筑物密度不断加大，不透水面积扩大，雨水下渗减少，雨洪径流系统增大、径流量增加、汇流时间缩短，大量雨水径流短时间内集中到排水系统，加大了行洪压力和污水处理负荷，洪峰形成时间提前和峰值加大，导致城市洪涝灾害日益加重。雨水下渗减少，土壤含水量下降，生态环境变差，同时地下水位下降，地面沉降和海水入侵等问题也突显。

绿色基础设施是人与自然和谐的有效途径，是一种人类社会可持续发展模式，是对城市化带来严重问题的反思，是对灰色基础设施的改造与补充。绿色基础设施的实施，改造城市水文效应，恢复自然水循环，构造人与自然和谐。对于绿色基础设施，我们应该给予足够重视，它可以实现涵养水源、雨洪利用、防洪减灾、净化水体、美化环境等多重目标，可以减少对灰色基础设施建设投入，减轻城市排水和水处理系统的负荷，减少水污染，补给地下水，缓解地面沉降等一系列问题。

综合国内外专家学者研究和具体实践[1，5-7]，对城市化水文效应和绿色基础设施水文效应进行剖析，绘制对比图（图1、2）。

图1 城市化水文效应

Fig 1 Hydrological effect of urbanization

图2绿色基础设施下水文效应

Fig 2 Hydrological effect under green infrastructures

1．5国外绿色基础设施的工程实践

绿色基础设施在城市雨洪控制利用领域具有十分重要的地位，近年来，在美国等发达国家掀起了绿色基础设施建设热潮，经过多年推广，绿色雨水基础设施在美国多个州已有不少成功的应用案例[1]。

纽约市及其伙伴城市都有过使用自然的方法成功复合水质量标准的长期记录，并实现了可持续的可量化的协同效益。例如，在卡茨基尔（Catskill）与特拉华州（Delaware）流域，纽约市、纽约洲、社区以及各环境组织一致同意，与依靠末端处理与高能耗过滤系统相比，保留绿荫面积与自然缓冲是保持饮用水清洁的更好方法。自从1991年纽约市申请放弃使用卡茨基尔与特拉华州系统的过滤要求开始，DEP已经投资超15亿美元并投入大量人力来维持水源水的原始质量，且到目前为止，已经摆脱了对过滤工厂的依赖，成功节省了超100亿美元。DEP所做的努力包括在由EPA签发，由DEP及其流域伙伴包括纽约洲、各流域城镇以及各社会组织执行的《过滤回避决议之内（Filtration Avoidance Determinations）》。同样地，自从90年代起，DEP便一直依靠斯塔顿岛（Staten Island）“蓝带”系统（Bluebelt system）的湿地与各种自然区域来吸收街道上的雨水径流，从而摆脱了对排水系统的需求。

20世纪早期，奥农达加湖地区因商业和度假胜地湖而兴起。经过几十年的发展，随着城市的扩张和多元化的工业发展导致严重污染，根据美国环保局的调查，20世纪90年代中期该湖泊就被怀疑成为世界上污染最严重的湖泊之一。该州于1997年，开展一项行动计划，提出了以下几种减少废水污染湖泊及其支流的方法：改进和升级污水处理厂设施；消除或减少的CSO系统的影响；并建立一套监测程序，对区域内水质改善项目的作用效果进行评估。1999年到2008年全县开发的ACJ执行计划，主要集中在改善与米特罗（METRO）污水处理场设施相关的大量灰色基础设施项目。根据这一阶段的计划，全县完成了数十个项目，包括维修老化的下水道基础设施，在有条件的区域建设独立的暴雨和卫生下水道，建设米德兰区域处理设施（RTF），主要目的是将收集的雨水在进入下水道之前，进行低水平的处理。通过新的GI项目，全县每年可以拦截处理约250万加仑的雨水。到2018年，经过GI方法改造的雨水管理方案将帮助全县综合污水溢流（CSO）系统总拦截指标达到95％。县政府计划将GI纳入长期规划，使得奥内达加县成为全美的第一个，将推行GI策略纳入行政司法命令一部分的区县。

2 深圳绿色基础设施与雨洪利用

深圳属亚热带季风性气候，多年平均降水量约1830mm，多年平均水资源总量为20.51亿m3。由于本地水资源总量不足，以及地表水资源开发率较低，70%以上用水主要依靠境外调水，根据《深圳市水务发展“十二五”规划》，深圳2015年和2020年用水需求量分别存在2.5亿m3和5.0亿m3较大缺口。深圳不仅缺水，水环境方面也有待改善，例如：雨污混流、错接乱排造成水体污染；污染负荷超载，水生态破坏；防洪排涝仍存在薄弱环节，如河道阻塞、排水管网淤堵、部分雨水管网负荷有限，导致洪涝灾害时有发生等。水资源短缺、水污染和洪涝灾害依然是深圳面临的三大水环境问题。近年来，深圳为解决水环境问题，在绿色基础设施建设方面有不少成功案例。例如，深圳市福田河综合整治工程[10]，通过河岸生态改造、沿河截污、初雨处理、水质净化、清淤疏浚、生态补水、湿地恢复、植树绿化、景观营造及水文化建设等措施，促进防洪达标、改善河流水质、恢复河流生态、构筑景观文化，打造具有深圳城市特色的滨水休闲空间和城市水系生态廊道；深圳侨香村、大运村雨水利用工程[9]，采用屋面集水、雨水花园、植草沟、透水性路面铺装等多种雨水利用方式，实现水资源的充分利用。

2．1建成区传统雨洪与绿色基础设施雨洪模拟

深圳高速城市化，沿河沿海低地多为高密集建成区域,大规模的开发活动加剧了水土流失,河道淤塞严重,行洪能力降低,而且建设的雨洪系统多为传统灰色基础设施，近年来全市洪涝灾害更趋频繁,经济损失急剧增长。

传统雨洪系统条件下，暴雨径流汇流快，河道与排水系统水位迅速抬高，排洪压力增大，易造成积水与河岸侵蚀（如图3、4）。对传统灰色基础设施改造后，暴雨后雨水被绿色基础设施（如绿色屋顶、雨水花园,生态洼地和湿地等）吸收后缓慢排放，减少径流，截留污染，提高水的质量，又提高了环境与生物多样性和审美价值（如图5、6），适合在深圳高密度建成区推广。

图3 传统雨洪系统

Fig 3 Traditional stormwater mangagement

图4 传统雨洪系统中河道水位

Fig 4 Water levels in the canals under traditional stormwater mangagement

图5 绿色基础设施下雨洪系统

Fig 5 Stormwater management under green infrastructures

图6绿色基础设施雨洪系统中河道水位

Fig 6 Water levels in the canals under green infrastructures

2．2全市绿色基础设施实施策略

新建区域的绿色基础设施：绿色屋顶、地下截留箱、碎石铺地、雨水花园、有孔管道、绿色停车场等；

已建成区域的绿色基础设施：道路两侧雨水花园、居住区雨水花园、滨水湿地保护和开放式连接、绿色开放空间连接、屋顶处理、停车场改造等；

高密度居住区绿色基础设施改造策略：透水停车场改造、管道系统与地下存储罐、生态湿地以及生态保留地建设、绿色街道等。

2．3全市雨洪利用策略

深圳降雨量丰富，但年内分配很不均匀，其中多年平均4～9月份降雨量约占全年降雨量85%，由于雨洪资源时空不均匀性，加之地形地貌条件导致降雨径流在境内的滞留时间过短，雨洪资源利用率相对较低，近几年全市地表水资源开发率在25%～30%之间。据统计，全市中小水库171座，总库容6.11亿立方米，水库集雨面积约576km2，而全市山地面积974km2，约50%山地雨洪资源还无法集蓄利用。经研究分析，全市雨洪利用可通过以下三种主要方式：

①提高蓄水工程蓄洪能力。深圳多数水库常年较低水平运行，全市水库总蓄水量仅约为2亿立方米，仍有较大蓄水空间，可通过加固扩建等方式提升水库蓄水能力，加大拦蓄径流力度，较大程度利用雨洪资源，利用引水工程、渠道、河道等收集自然状态下水库无法收集到的雨洪资源；

②提升河道雨洪资源利用。深圳大小河流共310条，因河道未得到治理、水系被破坏、水污染等原因，河道水未能较好利用，应通过河道综合整治，提升河道涵养水源、净化水质、生态补水等能力，提升河道雨洪资源利用。

③城区雨洪资源利用。深圳城市化水平较高，建筑密度较大，传统灰色基础设施已无法解决城区水资源匮乏、水资源污染和洪涝灾害三大问题，应加大绿色基础设施建设，如雨水花园、绿色屋顶、绿色停车场、蓄洪池等，利用雨洪资源、净化雨水和防洪排涝。

3结语

我国城市普遍面临雨洪管理不力导致的一系列问题，而绿色基础设施实施是一种管理城市雨洪的重要途径。绿色基础设施对现代化城市具有环境效益、经济效益与社会效益三重功效，是人与自然和谐的一种有效途径，是人类社会可持续发展的一种模式。绿色基础设施是对传统灰色基础设施的改造与补充，是对城市化带来严重问题的反思，绿色基础设施建设可以减少对灰色基础设施建设投入和维修成本。通过绿色基础设施涵养水源、雨洪管理、防洪减灾、截留污染等方式，可以减轻甚至解决城市高速发展过程中面临的水资源匮乏、水资源污染和洪涝灾害三大问题，同时构筑景观文化，打造具有深圳城市特色的滨水休闲空间和城市水系，建设“和谐”“绿色”和“低碳”城市。

参考文献：

[1] David C.Rouse,AICP,and Lgnacio F.Bunster-Ossa. Green Infrastructure: A landscape Approach[M],2012

[2]Tracy Tackett Seattle’s policy and pilots to support green stormwater infrastructure [A].2008 international Low Impact Development Conference[C].Washington Environmental and Water Resources Institute of ASCE,2008

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[4]美国绿色建筑委员会.绿色建筑评估体系（第2版）[M]彭梦月译.北京：中国建筑工业出版社，2002

[5]周艳妮 尹海伟.国外绿色基础设施规划的理论与实践[J]城市可持续发展.2010.8

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[7]沈瑞.城市水资源化利用研究[D]合肥工业大学，2010

[8]深圳市水务局.《深圳市水务发展“十二五”规划》[M]2012

[9]深圳市水务局.《深圳市水资源综合规划报告》[M]2012

[10]深圳市水务工程建设管理中心.《建设项目图集》[M]2010