关于海绵城市绿色雨水设施运维管理的关键问题探讨

马 越,杨 正,姬国强,刘 昊,孙文靖

(1.陕西省西咸新区沣西新城开发建设<集团>有限公司海绵城市技术中心,陕西西安 712000;2.北京雨人润科生态技术有限责任公司城市雨洪管理研究中心,北京 100044)

随着我国海绵城市试点与示范城市建设的推进,大量绿色雨水设施建成并投入使用。由于在传统市政园林与管网养护工作中并没有针对海绵城市绿色雨水设施维护管理的具体技术要求,随着大量绿色雨水设施运行年限的增加,其维护管理问题也开始逐渐显现,主要体现在以下几点。(1)设施设计中对运维的考虑。部分设施在设计之初即没有充分考虑到后期的运维管理,如设施的预处理设计不合理、没有预留运维通道等,导致设施建成后难以持续开展有效的维护工作。(2)绿色雨水设施运维管理模式的构建。海绵城市绿色雨水设施的建设依托于建筑小区、城市道路、公园等不同类型的建设项目,建设形成的绿色雨水设施资产权属不同,维护管理的主体也不同。同时,对绿色雨水设施的维护管理工作与传统园林绿化养护、管网养护在很多方面又相互交叉,需要互相衔接。因此,针对绿色雨水设施的维护管理应建立什么样的工作模式,如何确定维护管理的目标和边界,是亟需回答的重要问题。(3)绿色雨水设施运维管理方案的合理制定。各城市当前普遍没有明确针对绿色雨水设施进入运维期后的综合评估方法与标准,设施投入运行后,不能合理预判各个设施应进行修复或大修的时间,同时没有明确不同设施在运行中的风险以及重要程度,不能支撑设施维护资金与人力资源的合理分配,导致部分重要设施在设计使用年限内可能发生损坏、失效等问题,进而造成重复建设和资金浪费。本文重点针对上述三方面的关键问题探讨如下。

1 基于运维的绿色雨水设施设计要点

海绵城市绿色雨水设施的设计应充分考虑设施建成后开展运维管理工作的可行性与便利性,其重点应体现在设施的预处理设计、结构设计与运维通道设计三方面。

1.1 预处理设计

无论是雨水花园等小型分散的绿色雨水设施,还是雨水塘等大型集中设施,对设施进水口预处理部分的合理设计,是设施主体结构稳定运行的重要保障,同时也便于将日常的维护管理工作主要聚焦在预处理区域,利于维护工作的开展。当前,国内相关研究已经注意到预处理前置塘的设计能够减少生物滞留设施的堵塞和污染物积累,但缺乏对具体设计条件和设计要求的深入探讨[1]。在国家和地方海绵城市相关规划设计标准中,普遍提出了对设施预处理的总体性要求,例如在《陕西省海绵城市规划设计导则》(DBJ 61/T 126—2017)中,提出径流雨水应经截污等预处理后引入低影响开发设施,但对具体预处理设施的形式尚没有明确的技术要求[2]。

从前期部分试点城市的项目实际建设情况看,针对小型分散的绿色雨水设施,通常会在设施进水口处铺设一定区域的碎石形成碎石缓冲区,以此作为设施主要的预处理形式,碎石区可以对收集的雨水径流起到一定的消能与过滤净化的效果。以西咸新区沣西新城海绵城市试点建设为例,在城市道路生物滞留带的设计中,普遍在设施入口处采用了模块化的碎石拦污筐作为预处理设施(图1)。这种预处理方式在建成初期,对汇入生物滞留带的雨水径流可以起到很好的过滤拦污效果。但从长期运行情况看,由于道路雨水径流的污染程度普遍较高,同时沣西新城大量区域正在施工建设,导致城市道路上的积尘积土较多,降雨时雨水径流携带大量道路尘土进入生物滞留设施,极易造成设施入口拦污筐的淤堵,如果不能及时开展维护工作,在经历一个雨季后拦污筐的预处理效果就会大打折扣,甚至会造成对设施主体的二次污染问题。此外,部分设施在进行预处理设计时,还存在预处理过度设计的问题,如增加多种填料的过滤系统,甚至超过了设施的主体功能,造成投资浪费。

图1 生物滞留带入口拦污筐堵塞实景图(西咸新区沣西新城)Fig.1 Picture of Blockage in Inlet Trash Basket Rack of Bioretention Zone (Fengxi New City, Xixian New Area)

针对雨水塘等大型的集中绿色雨水设施,通常会明确规定应设计专门的前置塘作为预处理区,例如美国宾州在其雨水设施设计手册中明确规定雨水塘的前置塘容积可按总容积的10%～15%进行设计[3],在国内海绵城市建设中也可以普遍看到雨水塘中前置塘的设计。而针对雨水花园等小型绿色雨水设施,除了目前普遍采用的通过设置碎石缓冲区进行消能外,也应设计类似前置塘的小型前置区域,这是目前国内设计中普遍忽略的一点。前置区主要发挥对汇入雨水径流的沉淀功能,避免雨水径流携带大量污染物直接进入主体设施,导致污染物沉积在主体设施表层易造成设施表层土壤板结等问题,进而影响设施的渗透与净化效果。从便于维护的角度,前置区应尽可能采取硬化形式,即最大可能保证汇入设施的雨水径流在硬化前置区集中沉淀,在设施维护时可直接通过铲子等工具对硬化前置区进行清理,避免对主体设施的结构以及植物等造成破坏。前置区的具体形式应结合设施空间与景观要求等进行合理设置,如图2所示。

1.2 结构设计

针对绿色雨水设施的结构设计,主要研究多集中在不同结构改良方式对雨水径流水量与水质控制效果的提升上,缺少基于运维视角对设施结构改良设计的要求[4]。笔者以生物滞留类和雨水塘类两大类典型绿色雨水设施为例,初步提出基于运维的结构设计改良要点。

生物滞留类设施的核心结构主要包括蓄水层、覆盖层与土壤介质层、过渡层与排水层、隔离层与防渗层。其中,为防止土壤介质进入排水层造成堵塞,前期很多设计普遍采用了以透水土工布作为过渡层的方式。而通过对美国丹佛、新西兰奥克兰等地的低影响开发设施设计手册进行查阅和实地调研发现[5-6],其在最新的设计手册中,均明确提出禁止使用透水土工布作为过渡层,由于在实践中发现,使用透水土工布作为过渡层更易导致堵塞问题,而堵塞后可能需要对设施进行整体翻修才能解决。新西兰奥克兰提出建议使用2～7 mm的细骨料作为过渡层,厚度不小于100 mm;美国丹佛提出只要排水层的骨料颗粒符合规范要求(以丹佛设计手册中给出的排水层Class C要求为例,其不同粒度通过筛网的质量分数分布要求:19 mm 100%,4.75 mm 60%～100%,300 μm 10%～30%,150 μm 0～10%,75 μm 0～3%),可取消过渡层。此外,还有很重要的一点是生物滞留设施应设置检查竖管,并与底部的排水管相连,安装在排水管起始段。通过检查竖管的设置,可以适时检查设施结构的运行情况,同时在排水层和介质层发生堵塞时,可以通过检查竖管进行冲洗,这对设施后期的运维管理工作至关重要。针对上述过渡层与检查竖管的改良要求,均已纳入到了2022年最新发布的中国城镇供水排水协会团体标准《雨水生物滞留设施技术规程》(T/CUWA 40050—2022)中[7]。

雨水塘类设施作为集中的大型绿色雨水设施,除通过前置塘对来水进行一定的沉淀预处理外,针对主塘的蓄水空间,也应考虑对不同重现期暴雨对应的调蓄空间进行合理的分配设计,避免雨水径流在进入主塘空间后随意漫流,造成塘内局部区域经常性滞水而产生对土壤和植被的侵蚀。例如,美国丹佛在其雨水设施设计手册中,明确提出了可在雨水塘中设计一道针对中小降雨的导流通道(trickle channel)[5](图3),即中小降雨发生时,进入塘体的雨水可通过导流通道导入到特定的设计区域进行调蓄,超过该区域的调蓄标准后,再逐步漫流至塘体的其他空间。这些并不复杂的细节设计可以为后续的运维管理带来巨大的帮助。

1.3 运维通道设计

绿色雨水设施运维管理工作的开展,需要保障人和机械能够进入到设施需要维护的区域,从而开展相应的维护工作。因此,绿色雨水设施在设计中很重要的一点是要合理预留出运维通道,将运维通道与设施主体同步进行设计,尤其是针对需要机械进入的雨水塘等集中绿色设施。对国外的雨水设计手册调研中发现,在雨水塘的设计要求中,运维通道(maintenance access road)都是必须的设计要素[5],而这点在国内当前海绵城市相关设计图集与规范的要求中往往被忽略,应进一步补充明确相关的设计要求。

2 绿色雨水设施的运维管理模式探讨

在海绵城市试点与示范城市中,已普遍将海绵城市的建设要求纳入到了城市规划建设的全过程管控体系,主要体现在项目规划、设计、施工、验收等各个环节全面落实海绵城市的指标和建设要求。而要保障设施运维要求的有效落实,同时保障设施进入运维期后能够有效地开展维护管理工作,也应同步将设施运维的相关要求纳入到规划建设管控体系,并进一步构建针对海绵城市绿色雨水设施的运维管理模式[8],明确绿色雨水设施资产的运维主体、运维目标、与传统绿化与管网养护工作的边界和衔接关系等。主要要点包括以下几点。

(1)项目可研阶段

在项目可行性研究报告中针对海绵城市专题的编制,除分析设施建设的可行性外,也应对设施建成后长期运行与维护管理的可行性进行总体分析,重点应提出设施建成后形成的资产权属与运维管理主体,长期运维涉及的主要工作与费用估算,从而从项目与设施全生命周期的角度进行成本效益分析,从设施建设与长期运维两方面的可行性进行综合分析。

(2)规划方案与施工图审查阶段

在对规划设计方案的审查中,应对设施设计是否充分考虑了运维相关的技术要求进行审查,同时建议在项目的海绵专项方案中,补充项目运维的总体方案。例如,考虑到项目内不同设施承担的汇水范围,以及对项目目标的贡献程度不同,可以在运维总体方案中提出不同设施重要程度与运维优先级的总体建议,从而对不同设施的运维提出对应的差异化技术要求。在施工图审查阶段应进一步审查规划方案中明确的运维技术要求是否在施工图中进行了落实。

(3)验收与移交阶段

项目验收阶段即明确了项目建设完成后最终形成了哪些绿色雨水设施资产,建议在验收前建立设施的资产信息数据库。设施资产信息应包括设施的编码、类型等基础信息,设施面积、调蓄容积、汇水范围等技术信息,以及空间位置信息、结构信息、监测信息等,在项目移交时同步将设施信息数据提交运维单位。验收确认的设施资产即为运维单位的主要运维对象,而对绿色雨水设施运维管理的目标即最大程度发挥设施对雨水径流的控制效果,达到设计的水量与水质控制目标。因此,运维单位在承接需要进行运维管理的绿色雨水设施资产时,应首先评估实际建成的绿色雨水设施是否符合经审查后的规划方案与施工图设计要求。评估内容重点应包括设施规模是否与设计一致、与周边汇水区的竖向是否有效衔接、进水口位置是否合理以实现有效收水、排空时间是否满足设计要求,以及出水口/溢流口位置、标高及与外排管网的衔接是否合理等。具体评估可采用建设资料查阅与现场检查的方式,通过评估明确设施建成后是否可以达到设计目标要求,并在此基础上进一步确定进入运维阶段后的设施运维管理目标。

(4)运维阶段

进入运维阶段后,对绿色雨水设施的运维管理工作可以项目为单元开展,例如,可以不同项目类型或不同区域的项目,以及不同项目的重要程度进行区分。而具体的运维工作针对项目内不同类型的绿色雨水设施又有不同的要求,例如,部分绿色雨水设施如下沉绿地、简单型生物滞留设施等,其构造简单,维护工作与传统的园林绿化养护基本一致,而如复杂型生物滞留设施、雨水塘、湿地等绿色雨水设施,对其进出水口、结构层等的维护管理涉及到新的专项技术要求,同时也包括对植物、土壤以及管网的传统养护工作。因此,针对海绵城市建设项目形成的绿色雨水设施资产,对其维护管理工作可总体分为传统的绿化或管网维护与海绵专项运维两类。

具体的运维工作可以由运维方内部成立运维团队承接,也可以通过招投标的形式引入第三方运维团队。如果针对同一片区或同一项目内不同设施的运维管理,由多家运维单位共同负责,则可以基于片区内的不同项目或不同运维工作类型进行区分,不同单位之间可以通过签订运维工作协议的方式明确各自的边界与衔接关系,共同实现片区或项目的总体运维目标(图4)。

3 基于风险评估的绿色雨水设施分级运维探讨

3.1 风险评估的总体思路

风险管理是判断基础设施是否达到服务水平指标的关键因素,通过风险管理为资产的合理配置、性能完善、资金投入提供可持续的指导。风险管理需要评估基础设施的运行效能如何,失效的可能性是多大,失效模式是什么,修复成本多少,失效的后果是什么,这是一种评估设施总体效用性能和用来确定关键设施资产的方法。通过风险评估识别区分高、中、低风险的不同设施,进而针对不同设施开展常规性维护、预防性维护与大修等工作。其中,低风险设施失效概率低,且失效后果的影响小,主要开展常规性维护工作。中风险设施可分为3种情况:失效概率高但失效后果影响小、失效概率低但后果影响大,以及失效概率中等且后果影响中等,需根据具体情况开展常规性与预防性维护工作。高风险设施失效概率高且失效严重影响大,需要开展常规性维护与预防性维护工作,并需要根据实际情况确定大修的时间与具体修复工作。

绿色雨水设施全生命周期过程中的服务水平会随着运行年限的增加以及周边环境的变化而不断变化,对其适时进行风险评估能够有效反映设施的服务水平变化,从而有针对性地制定运维计划,避免错过最佳维护与修复节点,以有效控制成本和配置资源。对绿色雨水设施的风险评估主要涉及失效可能性评估和失效后果评估两部分,失效可能性主要与设施评估时的运行年限、运行效能、周边环境影响和可能的失效模式有关,失效后果则主要与设施对区域雨水控制目标的贡献度和对周边环境的影响有关。通过对设施失效可能性与失效后果的综合评估来综合判断设施的失效风险,以此进一步区分不同设施的重要程度,从而确定不同设施的分级运维标准。

3.2 评估方法与分级运维

(1)失效可能性评估

对绿色雨水设施失效可能性的评估重点应包括设施的运行年限、运行效能、设施周边环境、失效模式四方面。其中,不同类型的绿色雨水设施应有其对应的设计使用年限,目前国内相关设计要求中并没有明确的设施设计使用年限要求,在美国部分手册中提到如生物滞留设施的设计使用年限可以达到20～40年[9],而随着设施运行年限的增加其运行效能会逐渐衰减,因此,设施的失效可能性与设施的运行年限直接相关。对绿色雨水设施运行效能的评估主要反映了设施当下的运行状态,如果设施当下运行效能较差,则后续运行失效的可能性越高,若设施的使用期限以及当下运行效能情况类似,则设施周边环境的影响是影响其失效可能性的重要因素,例如,建设在人流与车流密集的城市主城区的绿色设施,其承接的周边环境带来的垃圾堆放、踩踏以及施工影响等的概率越高,相对失效可能性越高。绿色雨水设施的失效模式主要包括服务水平低、财务效率低(即运维和修复的费用超过设施重建的费用)、完全失效。通过上述对绿色雨水设施运行年限、当前运行性能、周边环境影响、失效模式的综合评估,综合加权得到设施的失效可能性。表1为失效可能性评估因子赋值与计算示例。

表1 失效可能性评估因子赋值与计算示例Tab.1 Examples of Failure Possibility Evaluation

(2)失效后果评估

绿色雨水设施的失效后果应重点考虑设施失效后对区域海绵城市建设目标的影响,以及对环境的影响。例如,兼具雨水径流流量与水质控制多重功能的区域性雨水延时调节塘,如果其多级溢流口堵塞等原因导致设施失效,将直接影响区域的雨水径流污染控制与内涝防治,对区域的环境乃至公众安全都会造成影响。对区域海绵城市建设目标的影响主要反映了设施对区域水量和水质控制目标的贡献度,这也直接反映了设施对区域海绵城市建设的重要程度。设施对区域目标的贡献度可重点针对年径流总量控制率、水环境质量与内涝防治三方面;对环境的影响主要应包括对建筑与道路安全的影响、对景观与公众生活的影响。通过加权区域目标贡献度和环境影响风险因子综合得到失效后果评分,可以将设施失效后果分为不同等级。表2为失效后果评估因子赋值与计算示例。

表2 失效后果评估因子赋值与评估结果示例Tab.2 Examples of Failure Consequences Evaluation

(3)基于设施重要性评估的分级运维

不同的设施在运行过程中体现出的失效可能性与失效后果均有区别,通过对设施失效可能性与失效后果两部分的综合评估(综合评估得分=失效可能性得分×失效后果得分),建立风险矩阵,通过风险评估划分不同设施的重要性等级。例如将综合得分≤30的划分为低风险设施,得分为30～60的为中风险设施,得分为60～80的为高风险设施,得分>80的为极高风险设施。设施的风险等级越高,其对应的运维等级也更高,即设施在运维阶段对应的检视与维护的标准也应更高,在此基础上进一步制定不同设施的分级运维方案,支撑分级运维工作的开展,合理配置资源。图5为风险评估矩阵示例。

图5 风险评估矩阵示例Fig.5 Examples of Risk Assessment Matrix

4 总结

要保障海绵城市绿色雨水设施运维管理工作的有效开展,不仅仅只是考虑设施建成后进入运维期的具体运维工作,而应在设计时就考虑到后期运维的相关技术问题,同时在建设管理的全过程融入运维管理的相关要求,建立绿色雨水设施的运维管理模式。而在进入运维期后,应基于风险管理的理念进一步建立海绵城市绿色雨水设施的风险评估方法,通过对设施的失效可能性评估与失效后果的评估,判断不同项目与设施的重要程度,进一步建立区域分级运维的管理体系与标准,科学制定运维管理方案,合理分配运维资源。