绿皮书三：城市水系统的系统规划与设计

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水是城市发展的基本自然资源和战略经济资源，水环境是城市发展的生态基础之一。水在城市系统中有五大功能作用:水是城市生存和发展的必需品和最大的消费品，是污染物传播和转化的基本载体，是维持城市地区生态平衡的物质基础，是城市景观和文化的组成部分，是城市安全的风险源。城市中各种与水相关的组成部分的水物质流、水设施和水活动构成了城市水系统，包括水源系统、供水系统、用水系统、排水系统、回用系统和雨水系统。水能载舟，也能覆舟。城市水系的规划设计是否合理，将直接影响和制约城市的发展。

1.不合理的城市水系规划是不可忽视的
一般来说，城市水系规划设计涉及的宏观问题主要有:(1)城市水系的总体结构、功能和效率；(2)城市水系对区域(或流域)生态、环境和水文系统的动态干扰；(3)城市供水系统的安全水平；(4)城市水系老化和水资源退化。
由于城市水基础设施的长期运行、投资的高沉淀、技术的锁定以及水在自然属性上的流动性和随机性，城市水系统的规划和设计应特别关注长期问题、综合问题、协调问题和社会问题。然而，由于概念理解、管理体系和系统分析工具的限制，我们在现有的城市水系规划中往往对这些问题认识和考虑不足，这使得城市水系难以适应城市长期发展的不确定性，难以平衡城市水系的各种目标和要求。
虽然城市水系的基本结构在过去的50年中没有发生革命性的变化，但在过去的10年中，随着材料技术、生物技术、观测技术和模拟控制技术在水领域的快速应用，随着人类对自然生态和水文过程认识的加深，城市水基础设施的设计在安全性、全面性、与自然的协调性和运行的灵活性方面发生了深刻的变化。另一方面，随着中国人口的不断增长和城市化的快速发展，大规模区域水环境和生态系统质量持续恶化，特大城市和城市群不断涌现，城市水务设施投资强度严重滞后。我们在城市水系统的功能要求、技术要求和经济效益方面面临着西方传统水系统没有经历过的挑战。
总体而言，我国城市水系规划中使用的分析工具和规划方法明显落后，缺乏整体性、全面性和科学性，且过于粗放和短期化。在城市水系的设计和建设中，只有以人为本，缺乏与自然系统的有机协调，不考虑因地制宜的工程多样性和多目标设计。由于缺乏系统的总体规划和设计，现有的水系统消耗了太多的能源和资金，运行效率不高。规划设计中的诸多矛盾严重威胁着城市水系乃至城市系统的可持续发展。本文将对当前城市水系规划中亟待解决的几个问题提出一些看法。

二.基础工作缺乏，规划的科学依据不足
城市水系规划设计的基础工作主要包括各种基础数据、指标、标准和分析工具，其中水量预测和水量平衡分析是核心工作。
目前，我国的水量预测工作主要是参照《城市供水工程规划规范》(gb50282-98)中的相关规定，根据城市规模确定该区域的人均综合用水指标和人均综合生活用水指标，以及通过对历史综合用水数据(如生活用水、大型生活用水等)进行回归和外推得到的不同用地的用水指标。)。这种预测方法非常落后，可靠性差，主要表现在高水量预测上。例如，世界银行和建设部在2005年对中国北方一些城市的供水管理进行了研究，发现供水设施的平均利用率不到70%；在污水处理厂的规划和设计中，也存在着水量预测过高的问题。此外，管网配套工程不到位，设施晒太阳现象更加严重。据有关统计，截至2004年底，中国已建成700多家污水处理厂，但只有三分之一处于正常运行状态，三分之一处于低负荷运行状态，三分之一处于开、停甚至完全不运行状态。
基础工作的合理性决定了城市水系规划的合理性，但我国现行的规划体系不能反映城市用水随城市发展的变化趋势。事实上，许多国家(包括中国)的城市已经表明，城市用水量和城市发展的库兹涅茨曲线已经进入了一个下降的区域。例如，1995年全球实际用水量仅为30年前预测的一半。另一方面，近十年来，提高城市用水效率的技术发展迅速，潜力巨大。例如，随着冲洗水龙头技术的发展，可以实现低流量供水，从过去的9.38升/分钟到1.875升/分钟，通过安装节水冲洗水龙头可以很容易地降低人均生活用水量。然而，长期以来，无论是在国家层面还是区域层面，中国都缺乏对各种用水器具、用水过程和用水行为的细致系统的监测，缺乏对新用水技术替代规律和扩散规律的基础研究和把握，缺乏对各种用水信息的全面结构分析手段和方法。
由于水量预测较大，误差较大，供水、排水和中水回用的投资效率较低。同时，由于对节水潜力的低估，各种水利工程的投资效率也很低，这应该成为我国重大水利工程决策的深刻教训。
因此，加强基础工作研究，开发城市水系规划的科学预测和分析方法势在必行。

第三，造水冲水的运动需要理性的控制
水有着丰富的文化内涵，从善良到仁者乐山，智者乐水，水一直是中国人心目中灵性的象征。水体是城市景观的重要组成部分。生活在水边，亲近自然已经成为人们追求的一种生活方式。
2004年，尽管北京市政府一再强调缺水和节约用水，但水景的受欢迎程度丝毫没有下降。水景住宅和亲水住宅仍然是房地产市场的主要标志。开发商也在挖苦地挖沟和铺设运河，并努力创造人工水景。然而，由于大部分人工水景只具有观赏功能，因此所创造的水景缺乏自然性、生态性和亲情性，有水的时候很难实现精神。
无论是基于市场需求的房地产水生产还是城市大规模生态环境水生产，大多只强调局部景观效应，没有过多考虑其生态功能和水体本身对城市或流域水循环的干扰。这使得大规模所谓的生态用水进入城市，但它并没有发挥其生态功能，而是增加了城市的需水量。在其他地区，在解决城市污水问题时，我们并不是从污染本身开始，而是将水分流来冲洗污染，这使得已经短缺的水资源不得不完成额外的任务。这种盲目、不合理的水资源利用导致了水资源需求的不合理增加，严重浪费了资源。
城市化进程的加快加剧了城市的水资源危机和水环境危机，雨水和污水的循环利用被提上日程。城市发展和水资源之间的关系不是简单的依赖关系，而是需要相互耦合。不合理的水生产必然会使城市发展与水资源的关系脱钩，并最终影响城市发展进程。要解决这类问题，必须在规划供水时认真制定用水定额，明确生态用水的定义和影响，从规划入手，防止城市水系盲目造水。第四，雨水径流污染问题源于排水系统的不合理。在防洪排水设施的设计中，传统的城市水系强调利用分流排水系统将雨水和污水尽快排入城市，忽视了城市径流的面源污染控制和雨水资源的利用。然而，随着流域整体水质的逐步改善，随机暴雨径流和突发性排放事件对水生态系统的影响日益成为流域污染控制的主要内容。大量案例表明，现有的城市雨污分流排水系统不能经济有效地解决暴雨污染负荷问题。同时，虽然现有的污水处理系统具有良好的抗冲击负荷性能，但一旦系统不稳定，就缺乏有效的控制手段来恢复系统。目前，依靠先进的在线监测和控制手段来提高系统效率和稳定性的技术路线已经显示出良好的应用潜力，但必须依靠巨大的资金投入，这使得已经成为政府或公众经济负担的城市污水系统的技术升级面临巨大的经济障碍。
日益严重的城市径流污染问题迫使人们不要盲目选择排水系统，而要根据当地的降雨、水文和地质条件，经过详细的经济技术评价后才能确定。特别是在旧城排水管网改造中，由于涉及面广、问题复杂、社会矛盾大、投资估算困难、风险高，应长期综合评价各种因素，因地制宜制定合理的改造方案，包括污水、暴雨和溢流污染负荷的长期和瞬时变化，暴雨负荷对污水处理厂的影响，以及城市管理和城市下垫面变化(单位草坪蓄水量为硬化地面的4-10倍)对暴雨径流负荷的影响。同样的策略也应适用于混合管网的改造(由于混合连接、随机连接和错误连接，雨水管接收污水，污水管接收雨水)。
同时，在城市水系的规划设计中，需要综合考虑初期雨水滞留池或场、气旋、快速过滤设施、湿地、生态过渡带等设施的空室的布局和规模，将道路和城市的清洁管理与径流污染控制结合起来进行相应的措施。例如，北京城市河流湖泊因暴雨径流造成的严重污染事件时有发生，城市河流湖泊经过数十亿次整治后，水质仍在恶化。
中国今天面临的城市发展速度和规模以及污染的规模和强度是人类历史上前所未有的，因此我们有理由思考现有的战略选择能否有效解决我们面临的城市水危机。最近，由中国工程院组织的“中国可持续发展水战略研究”表明了这种关注的必要性。根据其研究结论，即使中国城市污水处理率在未来50年内达到95%，城市污水排放的cod总量也只能控制在目前的水平，水质缺水的问题将长期得不到有效解决。
然而，另一方面，中国的城市建设仍处于初级阶段，城市水环境基础设施建设刚刚起步。我们对解决城市水危机的策略和技术的选择较少受到历史技术沉淀的影响。与此同时，我们对城市和环境的整体认识的深度和广度，我们所面临的技术选择的范围和方法，与几十年前发达国家解决城市水环境问题的做法有很大的不同，因此寻求一种新的、更有效的解决城市水危机的策略不仅是必要的，而且是可能的。五、城市水系统应朝着综合一体化和系统多样化的方向发展。城市水系统各子系统之间有着天然的联系，其复杂性和多目标要求决定了城市水系统必须朝着综合一体化的方向发展。
然而，我国目前的城市水系统管理体系严重缺乏统一和整合的理念。不仅系统结构缺乏统一规划，而且水系与其他规划(如土地利用规划)的协调性也严重不足。从现有规划设计规范来看，给水、排水、中水和雨水子系统是完全独立的，规划设计中没有考虑与其他子系统的关系和协调，也没有考虑其他子系统对自身的影响。城市水资源规划规范中只提到了上述子系统，但对子系统之间的互联没有相应的要求；从日常管理和运行的角度来看，每个子系统都属于不同的部门。
也就是说，无论是在初始规划设计阶段，还是在日常运行管理阶段，城市水系统中的子系统都是相对分离的，并没有真正整合成一个系统，体现了所谓的综合管理。这种情况导致每个子系统在规划和设计时只考虑自己的需求和可靠性。当每个子系统都融入到社会中时，就会发现缺乏连接控制，这使得整个系统不能很好地运行。如污水集中处理系统和分散式中水回用系统，中水回用标准与污水排放标准脱节，导致投资和设施运行效率低下。然而，排水设施的设计标准与城市防洪标准不统一，为城市防洪埋下了隐患。例如，1988年法国尼姆的城市洪水不是由城市排洪设施的故障造成的，而是由城市排水设施对内涝风险的应急反应能力低造成的。因此，在考虑污水处理设施的规划时，应充分考虑内涝风险问题。城市水系统的复杂性和多目标需求决定了城市水系统正朝着综合集成的方向发展。因此，我们不仅要强调城市水系的总体规划、设计和管理，还要有效地协调与其他城市规划建设的关系。例如，近十年来，越来越多的案例将土地利用规划与雨水利用和径流污染控制相结合，划分城市土地利用，并在城市绿化带和植被缓冲带规划中考虑对城市水文的影响；在城市地面硬化中增加渗透式路面；在城市景观设计中，尽可能保持原有的地形，利用低势绿地、渗渠等渗透设施，将水体景观建设与人工湿地的利用和建设相结合，改造建筑结构和屋顶做法等。，所有这些措施将为控制城市径流带来很多便利。
另一方面，城市水系统设计的生态化要求它采用因地制宜的原则，结合特定的自然系统和独特的城市结构，从而实现城市水系统的多样化。多样化的城市水系不仅可以充分发挥城市水系的各种功能(包括娱乐和景观功能)，还可以更好地与自然水体相连，成为自然水体的一部分，而不是将城市景观水体从整个城市生态系统中分离出来，从而解决目前城市水系与其他基础设施之间的矛盾。