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工程院院士:面向生态的城市水系治理
时间:2014-10-28  来源:  作者:
 
    人类从渔猎文明、游牧文明、农业文明、工业城市文明一路走来,发展到现在的生态文明,始终与水发生密切关系。我国660多个不同规模的城市中有三分之二在进行城市河段的综合治理以及水系规划,从过去的灰色城市时代发展到绿色城市时代,今后将向蓝色城市时代进发。

  城市水系治理的理论基础

  (一)水的服务功能理论。城市水系是城市系统中的自然要素,首先具有一般水系的功能,如供水、行洪、灌溉等,同时又具备城市相关的一些特殊功能。

  1.城市的生态廊道。城市河流是水和各种营养物质的流动通道,是城市蓄水行洪的载体和各种乡土物种的栖息地,是改善气候功能和维护生物多样性的重要基底。

  2.城市的休闲养生带。城市水系是满足城市居民贴近自然、实现归属感的最重要空间。城市河流提供广阔的空间和丰富的内容,是休闲的场所,也是居民步行、非机动车行驶的最佳通道,同时是城市旅游的特色之地。

  3.城市洪水的调蓄空间。城市水系在排泄和调蓄城市径流中的作用应给予高度重视,强调就地调蓄,减轻排泄压力。

  4.城市重要的供水水源。河流、湖泊等是重要的水源地,关系到城市的供水安全和用水安全。社会经济的发展必须以保护这些功能为前提。

  5.城市的景观形象界面。城市河流是城市形象与特色的体现,也是市民生动的日常生活界面,是城市对外展示的窗口和界面,也是当地人与自然、与社会的交流场所。

  6.城市的文化遗产廊道。城市河流是城市历史与文化的积淀地,也是城市故事与古迹的发生和留存之处,河流是大自然留给人类的宝贵自然遗产。

  7.城市的交通要道。城市水系是很多城市的交通要道,承担城市物质和能量输送功能。

  城市水系治理要依据水的服务功能理论,做到多功能兼顾,发挥城市水系的综合功能及效益。应水资源、水环境、水生物、水景观、水文化、水安全全面统筹,系统保护,合理配置,科学治理。应优先安排涉水事务,再谋求城市的社会和经济发展。

  (二)水的系统循环理论。城市水系是区域水循环的重要环节,是开放的系统,要依据水系统循环理论,指导城市水系的整治,提高治理的科学性和合理性。在水系治理的工程规划、设计、施工运行管理中,都要考虑水的循环特点和规律,还要考虑内循环和外循环,产汇流循环及供用耗排循环等。

  1.水量上的“二元”循环理论。城市水系治理应遵循水资源系统循环规律,避免因治理对水循环产生损害。兼顾外部循环规律,如降水、径流与城市河湖调蓄的循环关系,供水、用水、耗水、排水、再利用的循环关系,城市雨洪调蓄、河湖景观用水、再生水利用的关系。城市水系治理方案必须考虑水循环规律,尽可能减少对水循环破坏,通过治理建立起良性安全的水循环系统。

  2.水质方面的水化学循环理论。城市水系治理要考虑水的化学特征和演变规律,尽可能提高水体自净能力,通过水系消纳点面源污染物和营养物质。俗话说“流水不腐”,水系治理要有利于促进物质的循环,通过闸坝调度,维持必要的流态。在遵循水质演化规律的基础上,合理安排排污口、取水口、休闲游泳区、养殖区等。

  3.水生态系统循环理论。城市水系是典型的水生态系统,尽管受到人类的强烈干扰,原生水生生物可能基本丧失,但在新的环境下,城市水系能够建立新的水生态系统。这个系统需要一定的营养物质输入,通过初级生产力、食草动物、食肉动物、鸟类和人类捕捞等,形成水生态系统良性循环。水系治理要考虑构建良性生态系统的需要,通过生态系统循环,促进水质净化,提高生物多样性。水陆之间的物质能量交换也是水生态系统循环的重要环节,也要考虑到。

  按照水的循环理论,城市水系不仅要治理河湖,更要管理人类的涉水行为,抑制人类社会经济活动对水系的破坏。避免治理旧问题,又出现新破坏。对社会经济用水实施最严格管理。

  采用先进的理论方法,定量评估水系治理对水循环、水环境、水生态健康状况的影响,包括正负两方面的作用。

  (三)投入产出经济学理论。城市水系治理是一项浩大的工程,投入大、周期长,涉及的部门多。在城市水系治理方案设计中,注重投入产出关系,避免盲目进行河湖治理和湿地公园建设。

  (四)水文化及社会学理论。城市是人类居住密集区,是承载历史的重要空间。城市水系承载着人类历史和文明,挖掘水文化内涵,避免破坏水文化,是城市水系治理中要遵循的原则。应按照社会学的公平性、激励性、参与性等原则,提出相应的治理配套政策和制度,提高治理工程的社会效益,让河湖治理成为惠及百姓的民心工程。

  城市水系是涉及自然科学和社会科学的复杂系统工程。在先进治河理念引领下,应重视科学理论在城市水系治理中的指导作用。以先进思想理念统领治理工作,以系统的科学理论指导治理工作,将我国城市水系治理工作提高到新的高度和水平。

  城市水系治理的理念指引

  用先进的理念引领城市水系治理,如生态文明理念、以人为本理念、促进发展理念和科学决策理念。

  (一)生态文明理念。

  1.文明的战略意义。城市水系治理要本着生态学的基本原则,尊重自然,顺应自然,保护自然,尽可能减轻对河流生态系统干扰,修复受损的河流廊道和湿地系统。以河流的生态健康为标尺,以水生态系统完整性为目标,以水生态文明为指导思想,全面严格规范人类的涉水行为,保护和修复河流的健康状况报告。

  十八大报告指出,建设生态文明是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计,优化国土空间开发格局,全面促进资源节约,加大自然生态系统和环境保护力度,加强生态文明制度建设。生态文明是“五位一体”的国家战略目标的重要内容,是实现人与自然和谐共处的核心。

  2.水生态文明的重要地位。水是生态系统最活跃的控制性因素,森林、湿地、草原、荒漠,不同生态格局的决定因素是水,水是生物链中物质与能量传递的核心媒介。在陆地生态系统中,水是能量与物质转化的必备条件;在湿地生态系统中,水是支撑生物系统的最基本要素。水生态文明建设是生态文明建设的重要组成部分,水的演变是生态演变及社会发展的重要驱动力。

  3.建设生态文明,水利必须先行。城市与水的关系更密切,几乎所有城市都濒临不同形式的水,或临江、或跨河、或滨湖等。水是生命之源、生产之要、生态之基。生态文明建设中,水利要做排头兵。

  总体上,我国城市发展已经由片面强调产业发展的灰色城市文明,向绿色城市甚至蓝色城市转变,资源高效、环境友好、生态自然、景观优美成为城市发展指导思想,很多城市都在围绕水做文章,以水定产业、以水定规模、以水定布局、以水谋发展,形成以水为核心的城市总体发展布局,城市水系治理要遵循生态文明理念。

  (二)以人为本的理念。城市水系的治理从根本上是为城市居民的生产和生活服务的。因此,遵循社会学基本原理,水系治理要体现居民的意愿,满足需求,保障安全。以居民需求为目标,全面提升城市水环境质量,建设宜居城市,营造水空间。

  1.防洪安全。城市水系治理中,应将城市的防洪安全作为重要指导思想和治理目标。尤其是随着我国城市化进程的加快,城市地区下垫面条件的变化,小降雨大流量、小流量高水位等特点凸显。人水争地的现象在城市地区极为普遍,在挤占水空间的同时,人类自身也将自己置身于洪涝灾害的高风险中。北京的“7·21”大洪水就是典型案例。

  2.饮水安全。城市水系治理中,应将城市的饮水安全作为治理目标,保护河流水质。整治沿河的污染源。水源区要明确保护区,严格保护区管理制度,根治污染源,确保城市水源的水质安全。

  3.休闲养生。城市水系治理要顺应居民愿望,在治理过程中,兼顾河岸绿化。步行道、园林设计、亲水驳岸、游泳戏水区及水质安全、生物多样性修复、水景观建设等。通过这些工作,改善城市形象,提升城市品位。

  (三)促进发展的理念。城市的全面发展是城市水系治理的重要目标,应遵循经济学原理,通过水系治理,改善城市的投资环境、就业问题、财政状况等等,促进城市的长远发展。水系的治理不仅要为城市发展提供防洪、供水等安全保障,也要在改善发展环境、带动土地增值、促进就业、拉动产业带发展等方面发挥重要作用。

  1.三线划分,明确空间。城市水系治理要支撑城市全面发展,发展是硬道理的原则同样适用于城市水系治理。但发展是科学的发展、绿色的发展、全面的发展,而不是片面的经济增长和肆意地侵占水空间。因此,城市水系治理中,要明确水空间,划分蓝线、绿线和灰线,协调人水空间关系。原则上,百年一遇水位下的空间都应作为水空间保留下来。为低碳城市、改善气候、城市降尘等提供足够的水面。

  2.治理与开发同步。城市水系治理的同时,应系统规划沿河的产业带、功能区以及基础设施等建设。明确河流的功能分区,沿河设置金融区、商住区、高新区、休闲区等。将河流湿地等作为城市发展的绿色纽带和产业发展高地,通过河流治理,全面带动城市发展。

  (四)科学决策的理念。城市水系治理是十分复杂的综合性、系统性工作。仅考虑防洪的治理是片面和落后的理念,城市水系要综合治理和修复,全面支撑城市和区域发展,必须在治理的顶层设计、规划、布局、技术手段、社会参与、专家知识、多学科联合等方面,全面制定科学合理的治理方案,使城市水系治理能经得起时间和历史的考验。

  总的来说,城市化是今后一段时期中国发展的核心动力之一,水系治理是城市发展的基础。一定要从理念上全面提升对水系治理工作重要性、战略意义的认识。要用先进的理念统领水系治理工作,使其发挥推动城市发展、改善人居环境、促进生态健康、提升城市品位、保障城市安全等综合效益。

  城市水系治理的总体设计和技术

  目前,我国城市河段的水系治理有七个层次,由下到上分别为:(1)防洪和供水;(2)水污染的治理;(3)城市水生态系统的健康;(4)水景观;(5)挖掘水文化;(6)河流的交通系统功能;(7)河流两岸滨河土地的重新整理、规划和建设。

  (一)基于问题导向的方案总体设计。水系治理的技术方案要根据城市水系面临的问题合理选择,有防洪问题的,要运用蓄、排、引、渗等综合手段;有污染问题的,要考虑截污导流、生态净化、水处理、再生回用等多种方案集成;有景观问题的,要实施岸线划分、河滩清退、生态岸线、人工步道、湿地公园等建设。

  我国城市水系面临的各类挑战是在城市发展过程中出现的问题,是河流湖泊保护迫切需要解决的难点,也是制约城市水生态文明的重要因素。城市要实行长远健康发展,提升城市品位,改善居住和发展环境,必须做好水的文章。治理方案要遵循问题导向性原则。

  1.城市发展与空间布局方案。城市水系是城市生存和发展的基础。城市水系问题往往根源于城市的盲目和片面的发展。因此,要从思想上改变低层次的城市规模扩张思维定式,从城市发展的空间布局方面入手。

  2.洪水风险与挑战。受全球气候变化的影响,城市洪水风险在不断加剧。城市面临日益严重的洪水风险调整。应对洪水风险的方案是,保障河流空间,为洪水预留调蓄和排泄的通道。严格控制滨河滨湖开发活动,保证河流自然过程的安全,五十年一遇甚至百年一遇的洪水线以下不允许建设永久性工程,恢复河流自然调蓄雨洪的功能。

  3.水质风险及饮水安全。湖泊富营养化、水质污染等问题仍是城市河湖的顽疾,是中国城市面临的普遍问题。对此的应对方案是,强化城市污水处理,提高污水处理后的再生回用率,减少污水入湖入河量,减轻城市污染对河流的压力,改善河流水质。低目标是消除黑臭现象,中目标是满足接触性景观用水水质,高目标是满足鱼类水质需求。

  4.河湖空间挤占与景观破坏。一些城市河流整治项目存在河道渠系化、河流湖泊化、植被非本土化、岸线功利化的倾向。对此的应对方案是,遵循河流的自然规律,在土地利用方面,为河流保留基本空间,岸线和滨水区应尽可能自然、多样、亲水、优美,满足居民贴近自然的需求。建立便捷、连续、多样化的游憩交通体系,增加河流可达性。建设“开放的、有人性化、有地方性”的公共空间。

  5.水生态风险。城市水系其生态系统应与流域所在的生态系统相协调和适应,尽可能多样、自然、土著。目前的城市水系生态系统受外来物种入侵严重,本地生态系统退化严重,物种单一,抗风险能力脆弱。对此的应对方案是,强调多样化、自然本地特征为主,减少外来物种。缺水地区,要充分考虑植被的耗水规律,体现区域特色,彰显城市个性。将城市融入本地生态系统大格局中,降低生态风险。

  6.水文化保护危机。水系承载了人类漫长的历史与文化,尤其是中华文明,很多城市河流和湖泊记载了人类与水共存的漫长历史进程。随着建设活动的干扰,河湖的历史文化特征受到严重破坏,水文化遗产保护存在危机。对此的应对方案是,强化河流文化性,重视水文化方面历史遗迹的保护,建立沿江文化遗产廊道,创造有特色、有个性、有内涵的滨水区,传承城市人文社会发。

  (二)基于水循环理论的水量调控技术。水系治理要遵循水循环的基本规律,按照自然水循环和社会水循环的系统结构及功能特点。从保障城市长远发展和安全出发,进行科学调控和合理配置。

  1.城市水循环系统构成。城市水循环系统包括自然水循环系统和社会水循环系统。自然水循环系统有降水、蒸发、入渗、产流、汇流、补给、排泄等基本要素。有了城市之后,在原有的自然水循环框架之下,产生了城市的社会水循环。社会水循环包括原水分配与调度过程、用户用耗水过程、污水排放收集过程、污水处理(再生)过程、再生水配置与调度过程。社会水循环从自然水循环的水源地取水,向其受纳水体排水,产生了自然水循环和城市社会水循环之间的联系。我们的目标是尽可能规范人类涉水行为,把向自然的取水量和排放污水量压缩到最小,使由于人类活动新产生的城市社会水循环尽可能减少对原有自然水循环的干扰。

  2.城市水循环总体特征。自然水循环的人工特征明显,下垫面水文调节能力弱,产汇流历时短,地表产流系数大、地下水补给能力差。社会水循环过程为区域主体水循环过程,供水主体源自区外或过境水。用水高度集中,供水保证率和水质要求高。废、污水集中排放,污染负荷贡献大。自然水生态人工化,水生态系统极为脆弱。

  3.城市水循环调控技术。多水源联合调度技术保障城市环境用水、生活用水、生产用水。闸坝联合调控技术“让水活起来”。社会水循环的管理调控技术通过系统管理技术方案,压缩社会水循环通量,减少污水排放,提高水资源利用效能。

  (三)基于过程控制的水环境治理技术。重视水污染处理处置研发,缺乏统筹城市经济社会和水循环系统协调发展的成套水环境质量改善技术和管理体系。

  目前在水环境治理的过程控制中,尚存在以下问题:标准不合理,存在“违法成本低,守法成本高”的怪圈。尚未形成“污染源—入河排污口—水环境质量”的总量监控体系,不能够对污染物排放实施有效的管理监督。没有建立起多尺度、多信息源的环境监测体系,水污染事故的“监控、预警、应急”三位一体的应急管理体系尚未建立。由于污染源监控手段落后,监督执法依据不充分,给部分企业偷排提供了机会。

  (四)基于自然完整性的水系修复技术。

  1.水质处理技术。物理方法包括清淤换水、人工增氧等;化学方法有化学除藻、絮凝沉淀等;强化生物技术有生物制剂、渗流生物膜净化床;生态技术有人工湿地、植物净化、土地过滤、稳定塘等。

  2.生态护岸技术。在边坡处理上,主要有植物护岸、山石护岸、混凝土护岸、卵石缓坡护岸、生态砖护岸、覆土石笼护岸、生态袋护岸等。

  3.雨洪处理技术。包括雨洪收集技术,建设合理的雨水管网,对地表径流和降水进行收集和储藏;雨水渗滤系统,雨水通过多重过滤净化,汇集到雨水收集池;雨洪利用技术,经过过滤和其他净化处理,用以补充观赏水景、浇灌小区内绿地、冲刷路面,或供小区居民洗车和冲马桶等多种用途。

  4.景观处理技术。滨水景观处理技术,主要包括如下几类:平台栈道、码头;瀑布、跌水;水中景观处理;树岛;水底景观处理。

  在水系布局中,应注意如下问题:(1)统筹协调:兼顾城市防洪排涝、供水、航运、生态、娱乐、开发等不同功能的要求;(2)水空间保护:应严格执行有关城市水系管理办法的规定,防止侵占水域、破坏水系,特别要注意对城市湿地的保护;(3)水资源条件:对城市水系的改造应充分考虑水量和水位需求,考虑当地的水资源条件,干旱地区不可过度建设人工水面;(4)河湖连通:宜通过适当的河湖贯通,扩浚等工程手段,形成以主干河道为主,分支河道为辅,河湖连通、蓄引排畅通的水系格局;(5)自然完整性:要因地制宜,充分考虑塑造自然式地形,减少水工构筑物对景观的负面效应;(6)文化保护:水系布局应尽量尊重原自然水系系统,减少人工调整,且与城市文化定位相符,避免对具有历史文化价值的水域造成破坏。

  我国城市水系治理在遵循水循环、水化学、水生态完整性理论基础上,要探索应用新技术、新方法、新材料和新工艺。目前的技术水平相对落后,信息技术、多目标群决策技术、材料科学新技术、绿色节能新工艺等领域的创新性不足。城市水系治理规范尚不系统健全。

  (作者:中国水利水电科学研究院水资源研究所所长,中国工程院院士)

        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
        
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