建設“海綿天津”必須兼顧“蓄雨入滲”與“排水排鹽”

摘 要：海綿城市是城市雨洪管理的一個新概念，國際上通用俗語為“低影響開發雨水系統構建”。通俗理解就是在下雨時城市地表能像海綿一樣吸水、滲水、蓄水，使大氣降水轉化為土壤水和地下水，成為可利用的水資源。筆者對建國以來黃淮海平原處理“蓄、排”關系的經驗和教訓做了簡要回顧，并對“海綿天津”建設的具體內容進行探討，同時還介紹了地下埋設填料暗溝預制件、地面鋪裝透水路面磚，建成蓄排兼顧的“海綿天津”的具體技術和方法。

關鍵詞：海綿天津；蓄雨入滲；暗溝排水；蓄排兼顧

中圖分類號：TU992 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.09.001

Abstract： Sponge city is a new concept proposed for city flood management. It is also known as "slight-influenced rain drainage system construction" internationally. Simply speaking， it means the earth surface of a city is like sponge that can absorb， permeate and restore rain water and turn rain water into useful resources for soil irrigation and underground water. This paper makes a brief review of some experiences and lessons in the treatment relationship between storage and drainage in Huang-huai-hai plain since the establishment of the P.R.C. Meanwhile the specific content of Tianjin Sponge city construction was discussed here. It was also discussed the in-laid blind ditch pre-fabricated pipes， permeable surface brick laying， and the concrete skills and methods for building Tianjin Sponge City considering both storage and drainage of rain water.

Key words： Sponge Tianjin； storage water to permeate； ditch drainage； give attention to both storage & drainage

1 歷史的經驗與教訓

天津是退海成陸的鹽堿地城市。海退時間短，淺層咸水廣布（淺層有咸水的面積占全市總土地面積的77%），地下水埋藏淺、礦化度高。據第二次土壤普查（1979—1982年），全市擁有鹽堿地49.3萬hm2，占土地總面積的42.3%。

20世紀50年代末，由于盲目引水蓄水發展灌溉，而沒有建設排水設施，引發了大面積土壤鹽堿化。黃淮海平原鹽堿地面積由1958年的273萬hm2發展到1961年的413萬hm2。海河流域1963年發生特大洪水，筆者參加了河北省澇區鹽堿地土壤調查。調查顯示：脫水后（10月上旬）澇區地下水位較大水前一般提高了0.5～2.0 m，超過了地下水安全水位（臨界深度），處于毛管水強烈上升的部位；脫水到冬前階段（9—11月），澇區蒸發強度比一般年份增加3倍，會更加速土壤的積鹽；鹽堿地表層土壤（0～5 cm）含鹽量劇增6倍多，耕層土壤（0～20 cm）增加2倍左右。由于澇區冬前地下水位和地下水礦化度均較常年同期偏高，這就為翌年春季土壤強烈返鹽和鹽堿地面積的迅速擴大預伏了可能性。1964年河北省又恰遭嚴重澇災，更加速了鹽堿地的大面積發生，也驗證了“大澇之后必有大鹽堿”的科學判斷。

1963年毛主席提出“一定要根治海河”。自1964年開始，開挖疏竣骨干排水入海河道，到1975年海河五大水系各自都有了排水入海尾閭，排洪排澇入海能力比1964年分別增加了4倍和6倍。同時，大搞農田水利建設和深溝排水配套工程，至1980年，黃淮海平原鹽堿地面積減少到207萬hm2，鹽堿地改好了一半，生態環境出現良性循環。

天津市土壤鹽堿重，地下水位高，一旦蓄水不當就會抬高地下水位而引發大面積農田土壤和城市生態林帶、公園綠地的土壤鹽堿化；鹽堿會侵蝕城市建筑物砌體，不僅影響使用功能和觀瞻效果，還會縮短建筑物使用年限，造成重大經濟損失；鹽堿還會造成道路的路基和混凝土路面的破壞，給道路維護加大了難度和成本。

歷史經驗提示我們，建設“海綿天津”，必須兼顧“蓄雨入滲”與“排水排鹽”，嚴防土壤鹽漬化的發生與發展。

2 建設“海綿天津”使大氣降水盡可能多地轉化為可利用的水資源

水資源源于大氣降水。當地的多年平均降水量就是該地的可利用水資源量。大氣降水到達地面，成為地表水并產生地表徑流；大氣降水入滲地下，成為土壤水和地下水轉化為可利用的水資源。

據研究，大氣降水中8%成為地表徑流，20.6%入滲為淺層地下水，71.4%轉化為包氣帶土壤水（包括通過地表蒸發與植物蒸騰消耗的農田水分）。

天津市年均降水量570～700 mm。降水集中在雨季，雨季降水量占全年降水總量的75%左右。雨季集中降雨具有明顯的淋洗土壤鹽分的作用，但如果沒有相應的排水系統，也只能是把土壤鹽分從土體上層壓到土體下層，待雨季一過，鹽分隨土壤毛細管作用上移，形成土壤積鹽而危害作物并發生大面積鹽漬化。

天津是資源性缺水城市，人均水資源量100 m3，僅為全國人均水資源量的5%。“海綿天津”建設中更加期待在雨季時加大降雨入滲，使大氣降水盡多地轉化為土壤水和地下水成為可利用的水資源。但天津又是退海形成的鹽堿地城市，在蓄滯雨水的同時，更要注重降控地下水位和“排水排鹽”，切實做到“蓄排兼顧”和防治土壤鹽漬化。

3 合理調控地下水埋深是建設“海綿天津”的關鍵

地下水埋深是大氣降水、地表水、土壤水、地下水之間消長轉化的集中反映。合理調控地下水埋深，是建設“海綿天津”和改良鹽堿地的關鍵。

地下水臨界深度，是指干旱時期耕層土壤積鹽，不致危害作物生長的最淺地下水埋藏深度。天津平原地區尤其是淺層有咸水地區，地下水埋藏深度是土壤積鹽的一個決定性因素，地下水位越淺，則土壤積鹽越多。

地下水埋藏深度是變化的，動態的。根據多年科學研究與生產實踐，天津市不同季節需要調控的地下水位埋深不同。

旱季：為防治土壤鹽堿，地下水位應控制在地下水臨界深度，即耕層土壤積鹽不致危害作物生長的最淺埋藏深度（地下水位1.5 m以下）。

雨季前：為盡量增大降雨入滲，減少地表徑流，尤其是淺層咸水區為騰出咸水所占據的地下庫容，地下水埋深最好降到4.0 m以下。

雨季：在2 d內將地表積水排出，把因為降雨抬高的地下水位回降到作物抗濕深度（0.5～1.0 m）以下。

天津市土壤鹽堿、咸水廣布。淺層咸水占據著包氣帶空間，不僅抬高了地下水位，且把地下水鹽直接補充到土壤，成為土壤鹽堿的“禍根”。雨季前開發利用咸水、半咸水和微咸水做為生活用水、工業用水、環境用水、農業用水等，不僅能有效降低地下水位，且能騰出咸水所占據的地下庫容，加大降雨入滲，使大氣降水盡多地轉化為可利用的水資源。

4 “海綿天津”建設的基本對策

4.1 降低并調控地下水埋深，是防治土壤鹽堿，減少地表徑流和加大降雨入滲的基本措施

調控地下水位在臨界埋深，是防治土壤鹽堿的最基本要素，亦是“海綿天津”建設安全性的重要保障。研究表明，地表徑流隨地下水位的下降而減少，降雨入滲量隨地下水位的下降而增加。有報道稱，地下水埋深在1.0～5.0 m范圍內，地下水位每降低1.0 m，地表徑流減少12～25 mm；降雨入滲補給地下水量增加22.6 mm。

4.2 科學集蓄和消納雨水是建設“海綿天津”的關鍵措施

根據遙感衛星資料，天津中心城區的降水受水總面積為432.8 km2。其中，林木草地150.6 km2，水體28.7 km2，裸地67.7 km2，道路60.0 km2，廣場5.7 km2，居住區屋頂面積120.1 km2。可以看出，天津中心城區的降水受水總面積中有43%是雨水不能直接入滲的不透水地面和居住區屋頂。

“海綿天津”將改變雨水快排直排的傳統做法，一是要增強林木草地、裸地和水體對雨水的集蓄和消納功能并降低其蒸發耗水量；二是在中心城區的不透水地面鋪裝透水路面磚和建立屋頂雨水攔蓄和收集系統。

（1）廣場、停車場、道路的雨水收集。天津市中心城區廣場、停車場和道路的降雨受水面積為65.7 km2，占中心城區降雨受水總面積的15.2%。采用鋪裝透水路面磚（需硬化的路面）和透水骨料（可以不硬化的路面）以增加降雨入滲量，減少徑流流失量。

（2）屋頂雨水攔蓄利用。建立屋頂——滲井系統：通過專用管道把落水管收集的屋頂雨水引入滲井蓄納。北京市研究表明，一個直徑3 m，深8 m的滲井，對10年一遇的降雨，可消納2 500 m2屋頂產生的徑流。

建立屋頂——人工湖（或綠地）系統：收集屋頂雨水并引入人工湖或綠地進行蓄納。

（3）加大綠地草坪的降雨入滲。①建設下凹式綠地，即綠地低于廣場、停車場和人行道路面。②改現有高出地面的高草坪為低于地面的低草坪，或與地面持平的平草坪。

北京市研究表明，低草坪通過地下1 m界面的入滲量占降雨和灌水總量的30%以上，是平草坪的1.6倍，高草坪的4.9倍。

（4）建設植草溝及緩坡式、臺地式等多種不同形式的下沉式綠地，并與人工湖、人工濕地等相連通，實現雨水的排放和利用。

4.3 保護濕地和水體

天津中心城區的林木草地、水體和裸地面積占降雨受水總面積的57%。林木草地和濕地是城市的“綠肺”，不僅能凈化空氣美化環境，還可以提高城市蓄滯雨洪和防洪除澇的能力。保護和提高城市“綠肺”功能是建設“海綿天津”的重要環節。

4.4 實行雨污分流

目前市區排水仍采用雨污合流，雨洪產生的徑流被全部排出入海，這不僅是水資源的極大浪費，而且還加重了城市排水的負擔。

城區嚴格執行雨污分流，污水進污水處理廠處理處置后做為環境用水；雨水入滲回補地下水或進入湖泊、坑塘，增加可利用的水資源。

5 建設蓄排兼顧“海綿天津”的新型材料及其效果

5.1 新型材料

5.1.1 填料暗溝 排水暗溝有土暗溝和填料暗溝之分。土暗溝是在田間挖一定深度的溝槽，上蓋土垡或預制的頂蓋，然后回填，形成地下排水溝道。填料暗溝則是在溝槽內裝填漏水材料，頂部回填原土后形成溝槽中有濾水材料的地下排水暗溝。

（1）填料暗溝預制件。以廢水泥樁、水泥柱、水泥砌塊等建筑垃圾（直徑3～4 cm的寸碴）替代天然砂石料，作為濾水材料，采用混凝土冷壓砌塊技術，工廠化生產寬30 cm，厚20 cm，四壁均具進水透水功能的填料暗溝預制件，直接用于田間施工。

（2）填料暗溝預制件與PVC玻紋管排水性能的比較。與國際上應用較多的地下排水管材——荷蘭PVC玻紋管相比，填料暗溝預制件的截面積（30 cm×20 cm=600 cm2）是荷蘭PVC玻紋管（直徑6 cm，截面積28.27 cm2）的21倍。填料暗溝預制件的單位長度（1 m）進水孔面積是荷蘭PVC玻紋管（進水孔面積30～38 cm2·m-1）的26～33倍。

（3）填料暗溝預制件與地下排水系統。將填料暗溝預制件運至施工現場，按排水暗溝的間距（一般30～50 m）用挖掘機開挖溝槽（溝深120 cm；溝寬40 cm；溝的長度按設計要求確定；溝的坡降0.5～1.0/1 000）。田間溝槽內置入填料暗溝預制件，然后復土填平。最末一級暗溝預制件與市政排水系統的集水井或與農田排水明溝相聯通，即快速完成了地下暗溝排水系統的構建。

5.1.2 透水地面磚與透水骨料 以一定直徑的建筑垃圾碎塊，通過混凝土冷壓制磚技術生產透水地面磚。地面鋪裝透水磚，可以增強城市雨洪水的入滲、收集和利用。透水地面磚不僅具有高透水性（透水系數：1.22×10-2 cm·s-1），且具良好吸熱性能，可抑制地面溫度上升而產生的“熱島效應”（降低路面溫度3～5 ℃）。

把直徑不等的（3～8 cm）大塊建筑垃圾制成透水骨料替代鵝卵石等天然石材做公園和居民小區可以不硬化的地面。透水骨料兼具透水和保水性能，利于雨水入滲和滯蓄。

5.2 填料暗溝排水條件下的土壤含鹽量及地下水位

近年來，天津、江蘇、浙江的濱海潮灘鹽土（圍海吹填造陸區；灘涂新圍墾區）和濱海鹽土（鹽堿荒地；灘涂老圍墾區）采用填料暗溝排水排鹽，地下水位都降控在2.0 m左右；苗木成活率保持在95%～98%；土壤含鹽量從治理前的10～20 g·kg-1 （潮灘鹽土）和6～10 g·kg-1（濱海鹽土），降到植樹時的3～4 g·kg-1；至治理1周年和2周年，土壤含鹽量均維持在2 g·kg-1左右。

5.3 建設蓄排兼顧的“海綿天津”

地下填料暗溝與地面透水磚、透水骨料聯合用于“海綿天津”建設，使天津中心城區的陸地降水受水部分，在降控地下水和排水排鹽的基礎上，把大氣降水更多、更安全地轉化為土壤水和地下水，成為可利用的水資源。

建立在排水基礎上，具備蓄排兼顧功能的“海綿城市”是“海綿天津”的精確定義。

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