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美国雨水管理标准剖析及其对我国的启示  

2014-11-24 20:02:49|  分类: 水利天地 |  标签: |举报 |字号 订阅

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核心提示:美国雨水管理标准剖析及其对我国的启示 (1北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室,北京1000441;2 中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 100083)

2014-06-30 给水排水



[题记]我国城市雨洪问题日益突出,国家及地方相继出台了基于低影响开发和绿色雨水基础设施理念的城市雨水控制利用法规与标准。然而,与许多发达国家相比,我国城市雨水管理技术体系与标准仍不完善。应该如何解决这一重要问题呢?请看此文:在阐述美国城市雨水管理发展过程的基础上,重点对城市雨水管理标准体系构成、控制指标、制定原因、相互关系进行了剖析,提出我国多目标、多层次的雨水控制利用标准制定的几点建议。

美国雨水管理标准剖析及其对我国的启示

李小静1 李俊奇1 王文亮1,2

(1北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室,北京1000441;2 中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 100083)

[题记]我国城市雨洪问题日益突出,国家及地方相继出台了基于低影响开发和绿色雨水基础设施理念的城市雨水控制利用法规与标准。然而,与许多发达国家相比,我国城市雨水管理技术体系与标准仍不完善。应该如何解决这一重要问题呢?请看此文:在阐述美国城市雨水管理发展过程的基础上,重点对城市雨水管理标准体系构成、控制指标、制定原因、相互关系进行了剖析,提出我国多目标、多层次的雨水控制利用标准制定的几点建议。
美国雨水管理标准剖析及其对我国的启示

城市化过程中原有水文循环遭到破坏,自然滞蓄能力锐减,导致雨水资源流失、径流污染增加及内涝频发等问题凸显,仅靠传统雨水管渠排水系统难以应对复杂的城市雨水问题。发达国家城市雨水管理的经验表明,应建立由源头滞蓄减排、传统排水管渠及开放空间调蓄等共同组成的多目标多层次的城市雨洪管理体系,因此需要制定相应的控制标准。本文将重点阐述美国区别于传统雨水排水系统的城市雨水管理标准体系,以期为我国城市雨水控制利用标准体系的建立提供借鉴。

1 美国城市雨水管理的发展过程

1.1雨水管理理念

从美国城市雨水管理的发展历程看,雨水管理的理念也经历了从排放到水量控制、水质控制、生态保护等过程。20世纪50年代末,美国城市雨水的管理理念同样是“排放”,20世纪70年代,开始意识到“以排为主”的方式不足以解决城市雨水造成受纳水体污染、城市洪涝等一系列问题,为了更好地保护水环境,美国开始运用雨水调节、滞留等最佳管理实践(BMPs)削减城市径流污染总量和峰值流量,但更注重依靠管道末端设施如调节塘(detentionpond)等集中管理雨水;20世纪90年代至今,美国各州意识到“雨水源头管理的价值远大于后期治理”,雨水管理理念和技术的重点逐渐由BMPs末端向低影响开发(LID)源头控制转变,利用综合的绿色雨水基础设施(GSI),逐步构建径流污染、峰值流量与径流体积削减相结合的多目标控制体系。

总结美国城市雨水管理理念发展的过程,经历了“管渠排水→防涝与水质控制→多目标控制以恢复自然水文循环”的转变过程,这一由单一排放到回归自然的演变过程值得我国借鉴,指导我们在构建城市可持续雨水管理系统的道路上少走弯路。

1.2雨水标准体系

随着城市雨水管理理念由峰值控制向LID源头减排转变,美国雨水管理标准体系经历了由峰值流量到污染物再到径流体积的发展过程,基于径流体积的水文方法(Volume BasedHydrology,VBH)在美国得到了迅速发展。究其根源,一方面是由于LID技术设施的设计规模便于用体积表达,另一方面是由于城市开发带来的峰值流量、污染物总量及汇流时间的变化,本质是由于径流体积的增加引起的,通过体积控制可实现其他指标的控制目标。

美国基于径流体积控制的城市雨水管理标准体系(Stormwater SizingCriteria)包括源头减排体积、河道保护体积、漫滩洪水控制体积和极端洪水控制体积,下面将对这些标准的大小、制定依据及目标等进行汇总和分析,并探讨对我国城市雨水控制利用标准体系构建的启示。

2基于径流体积控制指标的美国城市雨水管理标准体系

2.1源头减排体积控制标准

美国各州的源头减排体积标准包含水质控制体积、地下水回补体积和源头滞蓄体积3种方法,目的在于通过有效控制中小降雨事件以维持开发前自然水文循环,缓解城市开发造成的生态环境破坏,区别在于技术体系不同、标准大小不同。

2.1.1水质控制体积标准

水质控制体积(Water Quality Volume,WQV)标准主要通过控制高频率的中小降雨事件来有效控制径流污染。在BMPs雨水管理理念时期,侧重于通过BMPs技术的管道末端控制技术如滞留塘、湿地等实现WQV标准。LID理念推行以来,WQV标准则优先通过源头滞蓄技术(Retention)及净化(Treatment)技术实现。从而引出了源头滞蓄体积标准(Runoff ReductionVolume / On-Site Retention Volume,RRv),即通过LID雨水源头滞蓄技术(下渗、蒸发、收集回用)维持开发前的径流体积。

当地降雨特征、土壤渗透性能、受纳水体水环境容量、项目属性(新建或改建)不同,WQV标准的大小存在差异,美国典型州的WQV标准如表1所示,出现了四个标准等级,即控制年均80%、85%、90%、95%降雨场次。位于美国中西部地区的年均降雨量不足400mm的18个州则没有州级别的控制标准。

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85%年降雨场次控制标准的制定最早来自Guo对延时滞留塘的径流污染物控制效果与降雨资料统计规律的研究中,为实现径流污染物总量控制效益最大化,推荐年降雨场次控制率应为82%-88%,该研究结果作为确定WQV的技术报告,于1998年被《城市径流水质管理》引用后,广泛出现于一些州的雨水管理手册中。80%年降雨场次控制标准则源自2003年加利福尼亚州的《新建改建雨水最佳管理手册》中,制定依据同样也是污染控制与效益最大化。

90%年降雨场次控制标准在美国东北部地区大致相当于控制降雨初期0.8-1.2 inch的降雨量,部分州则直接称为初期1inch降雨量,该标准的制定源自“初期冲刷(first flush)”概念,认为大部分径流污染物存在于初期0.5inch-1.0inch降雨产生的径流中,控制90%年降雨场次对应径流体积即可控制约90%的年径流污染物负荷。西弗吉尼亚州则出于考虑开发前自然地貌下约10%的年均降雨量会产生径流,而制定源头滞留体积标准为控制90%的年降雨总量。

95%年降雨场次控制标准是在2009年美国环保局颁布的“雨水径流减排技术导则”中首次提出,认为95%降雨场次控制率所对应的年径流体积与未开发前自然状态下的年均下渗量一致。随后出现于2010年《切萨皮克湾流域联邦政府土地管理导则》及2013年《哥伦比亚雨水管理导则》。

2.1.2地下水回补体积标准

地下水回补体积(GroundwaterRecharge Volume, GRV)是水质控制体积中的一部分,有些州明确要求场地内的雨水进行地下水回补。GRV标准的制定目的在于通过生物滞留、透水铺装、渗透塘等雨水下渗技术维持地下水水位及基流量,防止河道与湿地萎缩。GRv的制定基于LID理念,即综合考虑具体场地的土壤类型、气候特点等因素,最大程度维持开发前自然下渗量。美国部分州GRV标准如表2所示。

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2.2河道保护体积
河道保护体积标准(ChannelProtection Volume,CPV)制定的目的在于保护自然河道、湿地等免受径流引起的侵蚀及生物栖息地破坏,CPV主要利用雨水调节设施如调节塘(detention pond)等末端设施进行峰值流量控制。

河道保护体积标准主要分两类:一类是1年一遇24h降雨延时调(extendeddetention)24h(如马里兰州等),另一类认为此标准较低,需采取“超标控制”(over-control),即2年一遇降雨事件的峰值流量,如明尼苏达州、康涅狄格州及新罕布什尔州等,具体为:维持开发前后2年一遇24h降雨事件的峰值流量不变;控制开发后2年一遇24h降雨事件的峰值流量为开发前的50%或与开发前1年一遇24h降雨事件的峰值流量相同。河道保护控制体积的制定依据为美国多数自然河道在1-2年一遇的降雨事件下会出现满流或接近满流的状态。

在流域保护中心的雨水管理手册中对CPv标准的适用条件进行了分级规定,若场地汇水区的面积小于受纳渠道或水体的总汇水面积的10%,可仅采取消能措施和河岸缓冲带以减小径流流速和控制水质;若汇水区的面积大于总汇水面积的10%或场地开发面积大于4ha时,还需通过水文水力分析评价场地开发对下游受纳河道、水体或雨水管网造成的影响,并采取以下措施:1)通过场地规划降低径流体积和峰值;2)经许可后采取下游河道修复或渠道稳定措施;3)开发后1年一遇24h降雨径流体积放空时间大于24h。

部分州则规定当场地外排峰值流量较小或受纳水体规模较大时CPV不作要求:1)若外排峰值流量不大于200m3/h, 只满足水质控制体积和地下水回补体积标准即可;2)源头滞蓄措施已控制CPV;3)场地不透水面积小于1acre;4)雨水排放于较大河流、湖泊、河口或潮汐水域等受纳水体,且场地面积占其上游流域面积的比例不足5%,当存在径流污染问题时仍作要求。

2.3漫滩洪水体积和极端洪水体积

美国雨水管理系统下的洪水控制标准(Flood Control)目标为控制上游城市开发造成的下游洪水发生频率的增加及河道洪泛区范围的扩大。洪水控制标准包括漫滩洪水控制体积标准和极端洪水控制体积标准两个级别。

Qp标准与市政管网、涵洞和敞开式明渠的设计标准相衔接,普遍为维持开发前后10年一遇24h(多为美国市政排水管网系统的设计标准)降雨事件的外排峰值流量不变。Qp根据各州的条件不同而有差异,一般为2-10年,也有个别地区的标准较高,如哥伦比亚特区为15年,乔治亚州为25年。Qp标准不适用于以下情况:1)受纳水体能够承载Qp标准;2)场地占地面积小于5acre(2ha);3)条件不允许的改建项目。

极端洪水标准(Extreme Flood Volume,Qf)的目标为减少极端暴雨事件(Majorstorm flood control events)造成的生命财产损失,防止开发前100年一遇洪泛区范围的扩大。

Qf标准为维持开发前后100年一遇24h降雨事件的外排峰值流量不变,该标准的制定基于联邦应急管理机构(FEMA)在全国洪水保险计划中确定的100年一遇洪泛区界限,通常开发场地不在100年一遇洪泛区范围之内时无须执行该标准。

哥伦比亚特区Qf的适用条件为:1)增加了洪水风险区(Special FloodHazard Area,SFHA)的范围;2)无市政排水管网系统且开发后100年一遇的降雨事件会造成建筑淹水。

3 美国城市雨水综合管理标准的适用范围与相互之间的关系

3.1 雨水管理标准的适用范围

1987年,美国将非点源污染控制纳入到“国家污染排放许可证制度(National PollutantDischarge Elimination System, NPDES)”时,90%的州规定占地面积超过1英亩(约4000平方米)的建设项目需获得雨水排放许可,多数州级别的NPDES许可(由国家EPA授权执行)及相关雨水法规规定的适用范围与国家层面的NPDES许可相同,但华盛顿州市政雨水许可、福罗里达州环境资源许可、马里兰州雨水法规、特拉华州的沉淀物及雨水法规和哥伦比亚特区市政法规制定了更为严格的要求。通常选择控制标准时在满足联邦政府、州、地方法律和条例要求下,执行各州或地区更为严格的控制标准。各州雨水管理标准的适用范围见表3。

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3.2新建项目和改建项目标准有何不同
在美国,需申请建设许可的项目都需要实施雨水管理并达到相应的建设标准。新建、改建项目皆应根据场地条件,通过技术可行性分析,在场地内和场地外因地制宜地最大程度实施雨水控制,仍不能达标的还可申请交纳相应的雨水排放费,提供了多种途径实现雨水管理标准。

改建项目实施雨水管理有助于提高排水标准并改善径流水质,但与新建项目相比,改建项目往往开发强度大、不透水面积比例高、地下管网错综复杂、可利用空间少,因此美国一些州改建项目的雨水管理标准具有一定的灵活性,图表4所示。

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3.3标准与技术体系之间的关系
城市雨水管理系统与传统排水系统为两套系统,前者是后者的重要补充,因此以上所述美国城市雨水管理标准体系区别于传统排水系统的设计标准,分别为LID及BMPs等GSI现代雨水管理技术和传统管渠的设计标准。在雨水管理标准体系中,雨水源头减排体积针对高频率的中小降雨事件,而河道保护和洪水控制体积则针对低频率的强降雨事件,高、低体积控制标准之间是逐级包含的关系,即雨水源头减排是城市排水及洪涝系统的重要组成部分。各标准及对应的技术体系之间关系如图1所示。

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4 对我国雨水控制利用标准体系构建的启示
近些年,为减轻城市内涝及雨水径流污染、合理利用雨水资源,国家和地方相继发布了多项法规条例,同时新编和修订了多部相关规范和标准,对指导和推动我国雨水控制利用系统的实施意义重大,但与美国雨水管理标准体系相比,我国雨水控制利用标准体系需要进一步完善和优化。

(1)标准制定的原则。从美国雨水管理体系的发展历程可以看出,美国雨水管理逐渐向多目标、回归自然的方向发展,因为城市雨水不仅是排水的问题,而是包含径流污染控制、雨水资源化利用、排水防涝的系统工程,城市雨水管理应尊重自然、顺应自然并保护自然,以构建自然水循环为最终目标。基于此,城市雨水控制利用标准的制定应是多目标、分层次的,应注重标准体系和技术体系在城市规划与实施阶段的可操作性。

(2)标准的系统性和衔接性。综上分析,美国雨水管理标准体系及技术体系涉及源头减排、自然河道保护、城市排水防涝及城市防洪,标准、技术之间相互补充、相互衔接,利于从流域角度系统性的保护城市水环境及水安全。美国以径流体积作为计算指标的标准体系框架有助于理清各控制目标之间的衔接关系,值得我国借鉴。

(3)标准的合理性和可实施性。美国城市雨水管理针对不同控制目标分别制定不同的体积控制标准,注重水文地质特征及新建、改建项目的具体条件的分析,按照经济效益和技术应用最大化的原则,合理制定雨水管理标准,灵活选用雨水技术,有利于城市雨水控制利用系统的规划和实施。

(参考文献略,本文刊登于《给水排水》2014年第6期)


关键词:美国雨水管理标准剖析及其对我国的启示(1北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室,北京1000441;2中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京100083)
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