生态工程——可持续的住区水环境


可持续的住区水环境

 

 


  随着经济的发展,人民生活水平的不断提高,人们对精神生活、文化艺术的要求也随之增强,对各种城市、居住区的活动场所和景观也不断地提出了更高的要求,形成了目前各类城市大建各种广场、公共空间等休闲环境的社会氛围;在居住区的建设中也应运而生了多样的强调文化内涵与环境品质的各种住区,尤其是各种亲水、滨水、水景楼盘,更是得到了消费者的青睐,受到了社会的追捧。据综合数据显示,目前在销楼盘中,南方城市的水景楼盘比例普遍在20%以上,北方城市的水景楼盘比例普遍在10%以上。可以说,水景楼盘已经成为比例最高的特色或主题楼盘。以上的各类城市、住区水环境在给人们带来舒适享受的同时,也或多或少加剧了城市水资源的紧张,甚至有些水景观由于过多消耗水资源而不得不变成了旱地景观,有些住区的水景更是由于用水不能采用城市财政支持,无人买单而变成尴尬摆设。即便是侥幸得以幸存的水景,也大都存在着浪费水资源,忽视水景(水体)的综合的生态、节能效应的问题,这些也都是与可持续发展的观念向背的。
  
  一、水资源现状
  地球上可资利用的水量是有限的,由于人口的不断增长,可获得的人均供水量就不断降低。自1970年以来,由于全世界人口的激增,世界人均供水量已经减少了1/3。自1980年以来,全球用水量增长了3倍多,估计目前用水量已经达到4340km3。往往由于管理不善、过量使用和浪费,导致每一领域对水的需求都增加了。目前世界上许多地区正经受着水价上涨、季节性缺水和不可预知的供水水质和可用性的困扰。
  21世纪的水资源供应将面临人口增长和经济发展开发带来压力的挑战,然而不合理的使用与浪费,则加剧了城市的缺水问题。在每一个居住区中,都涉及到土地、能源、资源和环境,应当使其优化组合而达到可持续利用。
  居住区是城市的一个基本组成部分,城市的大量人口使居住区成为一个大量消耗资源和能源的节点,同时还将不可避免的产生废弃物。按照生态足迹的理论,城市的正常运行需要消耗数倍城市面积国土资源的供给,这就不难理解为何缺水问题会成为城市的通病。随着我国城市化进程的加快,城市人口会进一步呈现快速集聚的态势,在这种高速发展的城市化中,人口的快速增长,必然带来用水量的迅速增加,而城市周边自然水资源的状况并不会随之改变,由此,用水矛盾必然产生。北京、天津的快速发展,带来的城市缺水问题有目共睹,南水北调、引滦入津都可视为两地生态足迹的延伸,这种延伸必然会带来其它地区资源的紧缺。然而,城市化同样可以提高资源的优化配置与利用,两者成为一对难以解决的矛盾。城市中这种水资源的短缺与短缺的必然形成,就为水资源的利用提出了更高的要求。
  城市水资源状况与住区水资源利用有着密切的关系。从宏观上,如果每一个用水的城市单元在水资源的利用上采取可持续的生态原则,必然会减少城市整体的压力,使大的用水矛盾可以化整为零,分散解决。因此,住区作为城市的一个基本细胞,其水资源的可持续利用对于城市的高速、健康、协调发展具有重要意义。
  
  二、可持续发展理论的影响
  可持续发展(Sustainable Development)的概念,来源于生态学控制论持续自生的原理;后来演化成一个国际化的术语。其基本含义是:人类社会的发展应当既满足当代人的需要,又不对后代人满足其需要的能力构成危害。
  可持续发展思想是随着人类生态环境意识的逐渐增强,以及人与人、人与自然的联系而逐步形成完善的。伴随社会经济、科学技术发展以及人口的增长,人类与自然环境相互作用越来越强烈,造成的后果不只是环境危机本身,而是与社会、经济、资源、环境等普遍相联系。可持续发展不仅要实现当代人之间的公平,而且要实现当代人与未来各代人之间的公平,向所有的人提供实现其愿望的机会。可持续发展原则的核心是人类的经济和社会发展不能超越资源和环境的承载能力,城市的可持续发展战略应当是为达到其经济、社会、生态和环境目标而制定的政策、计划或行动方案。
  根据可持续发展理论,为了实现城市环境的可持续,必须对城市环境加以治理,包括城市水环境的治理。住区水环境作为城市水环境的组成部分,也应该推广一套可行的节水,污水再利用的技术。尤其对于水景住区,要设法改变目前大多数景观用水依赖城市供水的局面,这既可以缓解部分城市用水的紧张局面,也可以更好的节约水资源,利用水资源。
  
  三、住区雨水资源的利用
  雨水是一种重要的淡水资源。现代大城市市区面积很大,大部分地面为不透水铺面覆盖,遇到暴雨会形成洪涝灾害。如将雨水部分贮积起来,则可获得可观的水资源。如对年降水量为500mm的地区,1km2年降水体积为50m3,对100km2市区面积,年降水体积可达5000m3。在城市适当地方或住宅小区贮积雨水,可用于浇洒绿地、道路、水景以及下渗补充地下水,改善生态环境,并缓解水资源危机,还可以减少城市洪涝灾害。
  当前,城市中广场之风盛行,住区中的公共活动空间也日益受到重视。在这些公共空间中,可以结合一些下沉式的场地,来进行贮存雨水的设计。一般这些下沉空间不宜过深,并要结合地下雨水渗井与排水通道共同使用。贮存的雨水一方面可以汇入住区中水系统加以回收利用,另一方面也可以用来直接补充住区的景观用水,另外,还可以通过人工雨水渗井回灌地下,缓解城市地下水过度开采的矛盾。
  1997年全国城市雨洪水量约为111亿m3,若按40%利用率来计算,可利用的雨水量约为44亿m3。随着我国城市化的进程,城市面积会不断增长,雨洪水量还会不断增加,将雨水作为淡水资源的潜力是很大的。
  
  四、可持续的湿地净水技术
  现代的水处理新技术,已能将城市污水处理到符合人们生活饮用水水质标准要求的程度。现在技术上有可能实现城市污水回用做生活饮用水,甚至做到城市污、废水的零排放,这将最大限度地缓解水资源危机,并完全消除城市对水环境的污染。当然,要将城市污水回用做生活饮用水,以及实现城市污水的零排放,费用是很高的,但是,这说明城市水资源短缺只是相对的,并且主要是一个经济问题。
  目前,将住区的生活污水经过处理用作景观用水,并利用人工或者天然水体来改善住区微气候应该是完全可行的。将城市污水回用于公用设施和住宅冲洗厕所、浇灌绿地,景观用水,浇洒道路等,一般称为中水道技术,也是很值得推广的。但是,传统的中水技术,由于投资大,占地多,开发商往往难以接受。人工湿地净水系统是利用水生生物与植物的生态系统来达到净水功能,同时可以和景观结合设计,并具有低投入,低运行成本的优点,因而正日益受到重视。
  湿地是指被地表水或地下水长期或间断性地淹没或饱和,并通常伴生有优势的水生植被与水生生物的地方。湿地具有十分强大的生态功能,其主要作用与用途包括生物多样性保护,水源净化、保护与供给,气候调节,野生资源开发,沼泽渔业,农业灌溉,大众娱乐与旅游,以及生态环境科学研究等诸多方面。近几年,在水景处理中通过建立人工湿地系统来净化水质,并形成景观正逐渐为社会接受。如成都府南河活水公园正是利用人工湿地系统,既向人们展示了污水变清的过程,也形成了良好的景观,创造了一个具有生命力的城市公共空间。
  湿地是一种高生产力的生态系统,具有污水净化功能.但自然湿地存在淤积、效率低、占地面积大等缺点。20世纪70年代国际上开始采用人工湿地净化污水.基质、水生湿生植物和微生物是人工湿地的基本组成.湿地净化污水是湿地中基质、植物和微生物相互关联,物理、化学、生物学过程协同作用的结果。
  人工湿地处理污水系统是由一些适合污染环境条件下生存的以大型水生植物为主的高、低等生物和处于水饱和状态的基质组成的人工复合体一污染生态系统。相对于天然湿地来说,其生态系统的群落结构和种群结构要简单要多,但其按照管理者愿意进行污水处理的功能却更强,可以说,这类人工湿地生态系统的生理功能,就在各种湿地生物的共同参与下,将进入湿地系统的污染物质一同时也是湿地生物的营养物质,经过系统内各环节的新陈代谢,进行分解、吸收、转化、利用.达到去除目的。实践证明,人工湿地系统中的大型水生植物群落是人工湿地生态系统的骨架,起着支撑系统的作用,同时还发挥着净化、美化、绿化环境的作用;系统各单元中逐渐形成了各自的生物种群,充分显示了系统的生命力。
  人工湿地系统是经过人为模仿自然净化过程井进行优化配置进而强化了的具有处理污水功能的生态系统,对污水的逐级净化过程由生态系统各级层层过滤,真正实现了污水资源化,这种资源化不仅对人类是必要的,对水生态系统也是有益的。在居住区水景建设开发中,加强生态建设,采用人工湿地处理污水或净化受污染的地表水不失为一个好的途径。成都府南河活水公园就是成功的将净水与休闲景观创造性地综合在一起,为住区水环境的建设提供了很好的参考。
  
  五、住区水环境对城市物理环境、城市气候的影响
  城市物理环境与城市气候的形成息息相关。城市气候是由于城市所在的地区经城市化以后,在特殊的下垫面条件和人类活动的影响下形成的一种局地气候。城市气候与城市规划、城市建筑、环境保护、城市医疗保健和城市灾害预防等关系密切。
  城市的发展,改变和破坏了原来的自然条件,绝大部分的自然植被被建筑物、水泥和沥青马路所代替;人们的生产活动和生活活动增加了额外的热源;城市的工业生产和交通运输排放出大量的烟尘和气溶胶等。这些都造成了城市物理环境的改变,从而影响了城市气候的形成。
  目前城市区域内的环境恶化趋势是全球环境质量下降最明显、最具体的表现,所以,研究城市区域的物理环境变化趋势和对策具有现实的社会和经济意义。
  各种水体、水系对于城市气候的形成具有重要影响。水体的热容量较大,有利于局域气温的稳定。同时水体和水系可以有效的补充地下水,缓解城市地下水使用的紧张状况,维护地表自然生态环境。水体还可以通过蒸发作用,消耗城市废热,促进大气流动,利于形成局地风。
  由于住区在城市中数量多,分布广,因此住区的水环境对于城市物理环境。城市气候起着重要作用。住区水环境不但可通过水体本身对住区物理环境产生影响,还通过对自然环境的优化来积极促进住区整体生态环境的可持续。住区水环境的良性循环,可以为城市水体、水系提供有效的、达标的水源补充。伦敦泰晤士河就是通过净化城市污水,将达标中水排入河道,逐渐改变了河污水臭的污染局面,并通过其它措施逐渐恢复了泰晤士河伦敦段的良好生态环境。现在泰晤士河伦敦段不但水清树绿,而且鱼虾云集,水鸟翱翔,不但发挥着良好的城市生态效应,也创造了良好的旅游、休闲等社会效益。
  
  六、住区中以水养林,以林护水的生态模式
  绿色植物为人类的居住创造有益的生态环境。它不仅能美化环境,调节温湿度,而且能防御风沙、洪涝和其它灾害,还能净化空气、消声减噪、平衡碳氧。在住区中,绿色植物和水环境可以有机的组织在一起,形成良好的生态系统。通过住区水系,可以保证绿色植物的正常生长;绿色植物也可以良好的维护、净化水环境,形成树绿水清的住区环境。尤其在北方缺水城市中,住区水环境与绿化系统的结合,通过雨水利用,湿地净水形成住区水系,并使之与绿化结合,形成生态系统,有利于解决用水短缺与景观用水的矛盾。
  除了湿地系统水生植物其净水功能外,住区的其他绿色植物还对改善城市和住区环境起着多方面的作用:能够调节光照,可以调节微环境温度,能够调节空气湿度,可以净化空气,可以降低噪声,可以减少尘埃和细菌,还具有节约建筑能耗的作用。
  环境中各种生态因素不是孤立存在,而是彼此联系、互相依存、互相制约,任何一个因素的改变都将引起其它因素不同程度的变化与作用。但其作用是综合的而不是单一的。
  从气候因素来看,地形、植物、和水面的合理配置可以创造良好的小气候。采取相应手段控制基地内温度、湿度和风等环境因子,使得环境舒适宜人。如扩大水体面积,调节小气候;利用绿化配置阻隔噪声,调节日晒等等。在地形利用方面,要充分利用原有的地形地貌,丰富景观的层次和立体感,同时还可利用地势变化组织水系;同时创造各种条件,为居住区生态系统中的各种有益动植物提供更好的的生存环境,形成一个鸟语花香,天人合一的居住佳境,从而达到人类与环境的可持续发展。因此,在住区中,环境景观系统诸要素需从生态学与可持续发展理论出发,使之形成一个具有生命力的自然系统。
  
  七、住区水环境可持续利用的生态能源
  生态能源的利用不同于化石燃料能源,它直接利用太阳能等最本初的能量,因此是最清洁的能源。同时要尽可能提高能源的转化效率,方便能源的利用和使用。在生态能源利用中,可设置生态能源景观系统和体验系统,将新型生态能源的应用和使用原理进行展示,使人们在游赏和体验中学习生态能源的知识,增进生态能源利用的普及和宣传。住区水环境的水景设计中,应用自然生态能源,可形成多样的动、静结合的亲水环境遵循了可持续发展原则,可实现生态和环境的可持续发展,达到社会、经济、环境效益的真正统一。
  可持续的生态能源主要包括:
  1、太阳能利用
  将太阳光进行能量形式转换和变向传导。能量转换主要是太阳能光电系统和太阳能光热系统,分别将太阳能转化为电能和热能。变向传导主要是应用光纤导光系统,将太阳光传导到没有日照但需要自然光的区位。
  2、风能利用
  利用风力推动电机发电,产生能量。主要构件是水平轴向高速螺旋桨式风力发电机。特点是:发电效率高,结构简单,维护方便,可靠性强。可以单一或组群使用,也可以风电混用
  3、地热能利用
  主要是应用热泵,从地下一定深度的低温热源汲取能量,使其在地面较高温度环境中成为可利用的热能能量。可以应用作建筑的空调系统或供暖系统。特点是:清洁、高效、经济、适用。
  4、生物质能利用
  利用有机废水治理过程中或者有机废物发酵时产生的可燃气体提供能量,如沼气。可以用于锅炉燃烧和发电等,另外生活污水和部分工业废水处理后可作为中水回用。其主要技术可应用活性滤料生物滤池、三相硫化床、厌氧颗粒污泥膨胀床、高负荷上流式厌氧污泥床等。
  在住区水景的设计中,可采用风光互补发电系统,应用各种水头高度从几十厘米(几瓦)至几十米(几千瓦)的喷泉。这类喷泉的特点是顺应环境,在阳光充足时喷泉与日共舞,欢快活泼;在阴雨天且无风时基本停止工作,静谧安详。在广场、湖面中间均可布置。此外,还可布置一些光伏水泵,维持广场封闭水系的流动。
  供水系统也可利用太阳能供应热水。太阳能热水系统由单元集热器、储热和恒温水箱或分户承压水箱、循环管路、控制系统组成,与给水设施相结合,形成中央热水系统为住区供应热水。
  
  八、可持续的住区水环境
  在城市住区中,利用节水设施与中水系统已经是大势所趋。但是,利用小区中水形成节能系统与人工水体以改善小区域物理环境则会更加有利于生态小区形成。利用湿地系统对水进行生态净化,同时可以形成住区水景;利用中水还可冷却建筑的屋面等围护结构,以节约耗能;利用人工水体的蒸发作用降低建筑物周围的温度,形成较舒适的外部物理环境。利用可循环利用的水资源作为媒介寻求一种低能耗无污染的,优化物理环境的可持续住区模式,在我国现有条件下具有现实意义。
  居住区水环境的可持续利用应该根据具体的居住区自然环境,综合分析小区物质、能量的输入输出情况,对产生的废物、废水进行研究。在确定物质循环与能量循环的基础上,进行生态系统的设计与优化。在此基础上选择合适、成熟的生物技术对水环境改造,使净水、中水、污水处于一种优化的生态系统中。居住区的水体在使其成为住区水生态系统的同时,应充分利用各种水景处理手法,来达到改善环境与人工净化水体,蓄积雨水,补充地下水的作用。水体除了以上的作用以外,还具有改善区域微气候的作用,对此的认识,从中国的风水观可窥一斑。水体必然与生物群落产生联系,与之相关的住区湿地生态系统,滨水生态系统都给我们进行景观设计时的植物配制带来了多维的视角。人类需要的不是寂静的春天,居住区是城市人口的基本居住单元,其带来的问题庞杂而复杂,从水环境入手,只是一个切入点,但也许正从此处可以由简单处入手,进行城市细胞组织等渐进的改造,最终由量变而积累至质变,建设可持续的城市。