天津中新生態城鹽堿區域雨水調蓄設施分類與優化

徐僖 李唐 張巖

摘要：針對天津中新生態城區域地下水位高、土壤鹽堿化嚴重、雨水分類回用困難等問題，提出了鹽堿區域雨水調蓄設施選用原則，并根據調蓄量劃分了微調蓄、小調蓄和大調蓄設施。雨水調蓄設施作為鹽堿區雨水回用的重要前提，它的設計直接影響了后續雨水回用水質，同時設施的優化也可避免鹽堿對蓄積雨水的影響。研究了雨水在不同鹽堿下墊面的沖刷特點，并對鹽堿區選用的典型雨水調蓄設施進行了設計以滿足后續雨水利用。

關鍵詞：鹽堿區域;雨水調蓄;隔鹽;雨水回用

中圖分類號：TU463 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）20-0173-05

1引言

1.1背景

天津市位處歐亞大陸東部，受季風環流的影響明顯，冬季受北部寒冷高氣壓影響，多偏北風;夏季受太平洋熱高氣壓影響，多偏南風。天津降水較少，且分配不均，年平均氣溫12.3℃，7、8月最熱，12月、1月最冷，年平均降水量為550～680mm，其中夏季降水量約占全年降水量的80%。

天津是個典型的缺水城市，人均用水資源量僅160m²，是全國平均數的1/15，加上引灤水量和其他入境水量，人均用水資源量僅約370m³，是全國平均數的1/6。根據有關資料，按兩年一遇降雨量495mm來看，天津市目前中心城區（面積281km²）每年雨水量接近2.0億m³，而這些雨水基本全部從城市雨污水管網中排出，這不僅是雨水資源的不充分利用，也同樣會加重城市排水設施負擔。對此根據海綿城市建設要求，要充分收集、存儲、處理、利用雨水，不僅能增加淡水資源、減少城市內澇，還能改善城市水生態環境。天津濱海新區多以鹽堿地為主，鹽堿土一定程度上限制了雨水的回用。當雨水流經鹽堿土壤時，雨水徑流會攜帶一定的鹽分進而使得雨水電導率大幅度上升，不利于雨水的再利用。當鹽堿區域內的地下水位較高時，高鹽度的地下水會反滲入蓄積的雨水中，也同樣會制約雨水的回用。

針對天津市中新生態城土壤鹽堿度高，易發生土壤反鹽現象，不利于雨水蓄積回用的問題，同時結合不同雨水調蓄設施自身特點，分析探討了鹽堿區域不同雨水水質的調蓄措施選用原則，以最大限度蓄積雨水并減少鹽堿的影響，進一步緩解區域內水資源危機。

1.2區域土壤鹽堿現狀

1.2.1土壤鹽堿情況

由于濱海新區地處海洋與陸地接壤地帶，地勢相對較低，大部分土壤主要是由海濱鹽漬土及鹽化潮土組成，土壤鹽堿化嚴重，鹽漬化特征突出，淤泥質明顯。天津市鹽漬化土地面積7800km²，約占天津市總土地面積65.8%，其中土壤含鹽量大于0.2%的土地有4700 km²，占總土地面積的39.3%。天津濱海新區鹽漬土面積約1958.9km²，占濱海新區土地總面積的86.3%。所含鹽堿以氯化鈉為主要鹽分，有機質缺乏嚴重，土壤自身貧瘠且肥力不高，物理性能差。由于土壤本身是由粘質顆粒組成，不利于水鹽上下運動，造成水鹽往返運動緩慢，再加上地下水位高，礦化度高，土壤容易返鹽。

土壤含可溶鹽量多數在1%左右，甚至更高，鹽堿土中的鹽離子主要有Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K^{+/sup>、HCO3-、C1-、SO42-一等。經測定，表層土壤總含鹽量為2.42g/kg，深層土總含鹽量為13.99g/kg，屬重鹽堿土。}

1.2.2土壤滲透性

通過對中新生態城空地表層土壤做土壤滲透系數測定實驗，得到滲透系數如圖1所示，經過一段時間的浸水試驗后，滲透系數穩定在2.0×10^-4cm/s，屬弱透水土層。

1.3雨水水質情況

從表1可以看出，地面雨水和屋頂雨水pH值均處于中性范圍內，相較于屋頂雨水，地面雨水含鹽量較高，COD、氨氮、TN、TP等污染物濃度均較低，可以進行綠化回用。

2雨水調蓄類型分類及選用

2.1目標

雨水水質較為清潔，是優質的回用水來源。蓄積于調蓄設施的屋頂、地面雨水既可補充天津中新生態城用水，也能防止城市雨洪。

2.2選用原則

（1）雨水調蓄設施的選擇應盡可能結合區域地形地勢、設施古地面積、設施調蓄能力、雨水水質、雨水用途、經濟成本等方面，充分利用雨水資源，減少施工量，達到雨水調蓄回用的目標。

（2）調蓄設施應適當采取隔鹽措施，避免鹽堿土壤、鹽堿地下水影響回用雨水。

（3）調蓄設施容積能滿足3～5年重現期的降雨要求，控制雨水徑流總量，降低內澇風險。

（4）調蓄設施應合理布局，充分與景觀效果相結合。

（5）選用的調蓄設施應能配套后續回用設施，且在鹽堿區域長期有效運行。

2.3調蓄設施分類

將雨水調蓄設施按照調蓄量分為微調蓄、小調蓄和大調蓄。微調蓄主要包括樹池、綠色屋頂、雨水罐、滲溝、植草溝等，小調蓄主要包括濕塘、滲透塘、蓄水池、雨水花園、雨水濕地等，大調蓄主要為天然河湖與人工河湖，詳見圖2。

2.3.1微調蓄

微調蓄系統指的是在進人大型調蓄設施前的獨立單元或者分散式調蓄設施，可作為源頭調蓄減排設施，小尺度的調蓄設施起到控制徑流污染和徑流總量的主導作用，可以從源頭解決水質、水量的問題。

2.3.1.1樹池

樹池的作用一般是收集并簡單過濾路面初期的雨水徑流。樹池適用于建筑小區、廣場和道路區域，樹池的標高一般比路面低一些，可以起到緩解不透水路面雨水的積聚，同時作為潛在的收集雨水的設施，能夠較好地發揮收集、過濾雨水徑流的作用。

2.3.1.2綠色屋頂

綠色屋頂是指在屋頂上建造一個兼有蓄水和綠化功能的能透水的綠地。它是一種可以減少城市中不透水下墊面面積，削減屋頂徑流雨水量的一種微調蓄設施，也可以有效解決內澇、徑流污染等問題。綠色屋頂多用于滿足屋頂荷載、防水等條件的平屋頂和坡度小于15°的坡屋頂建筑，但綠色屋頂的防水抗滲和非降雨期的定期維護工作需要到位。

2.3.1.3雨水罐

雨水罐能有效收集和存儲屋頂、路面雨水。雨水罐抗壓密封性能好，占地面積小，使用方便，收集的雨水可用于澆灌、沖廁等，但收集雨水量較小，多用于辦公樓、住宅小區、學校等場所。

2.3.1.4植草溝

植草溝是針對暴雨徑流造成的城市面源污染治理的一種調蓄設施，適用于布置在不透水路面的周邊洼地，作為中途傳輸的一種調蓄設施可以起到徑流引導的作用。

2.3.2小調蓄

小調蓄設施是整個調蓄系統的主要組成部分，一般包括濕塘、滲透塘、蓄水池、雨水濕地和雨水花園等中尺度的調蓄設施，主要應對一個匯水區域在常規重現期內的降雨進行調蓄，更側重于徑流污染控制和水資源調配，保證海綿城市正常運行。

2.3.2.1濕塘

濕塘的作用主要是進行雨水調蓄的同時進行雨水凈化，另外濕塘作為一種景觀水體，一般占地面積較大，適合于有較大空間的區域，如廠區、綠地、廣場和公園等區域。濕塘調蓄設施具有很有效的徑流削減作用，也具有很好的景觀效果，但投入成本和運行維護費用較高。在鹽堿區域塘內蓄積雨水作為景觀水體時，應充分考慮塘體的隔鹽降污設計。

2.3.2.2滲透塘

滲透塘是主要可用于補充地下水的洼地，適用于較大匯水面積的區域，在鹽堿區域可不考慮雨水隔鹽問題，從而將蓄積雨水全部用于涵養地下水系，且設施費用低。

2.3.2.3蓄水池

雨水調蓄池多用于收集屋頂等較為干凈的雨水從而回用于綠化灌溉、沖廁等。一般建筑區地下封閉蓄水池較為多見，既可節省占地面積，又可避免外界污染物質進入，但建造費用較高，維護管理不便。在鹽堿區域構建蓄水池應采用隔鹽防滲材質，避免高鹽度地下水入滲。

2.3.2.4雨水花園

雨水花園是自然形成的或人工挖掘的凹形綠地，可用于涵養地下水也可以用于景觀用水或回用作為沖廁等用水。雨水花園適宜于建設在土壤滲透良好的區域，建設成本低，運行維護方便，且具有較高的景觀效果，多用于小區、公園、廣場等場所。蓄水層深度一般為10～20cm，當深度過深時，蓄積雨水時間過長會危害植物生長，當深度過淺時，不能充分發揮雨水花園蓄水滲透作用。在鹽堿區域內，雨水花園內蓄積的水體適宜于用來涵養地下水，無需作隔鹽處理，故雨水花園植物種類應選擇耐鹽堿類植物，防止鹽堿土壤浸出離子導致植物脫水死亡。

2.3.2.5雨水濕地

雨水濕地是利用水生植物及微生物以及濕地基質的多重凈物理、化學及生物作用凈化并蓄積雨水的設施。雨水濕地多用于具有較大空間的小區、綠地、濱水帶等區域，可有效降低水體污染物，減小徑流總量，但建設費用和運行維護費用較高。雨水濕地一般有潛流濕地和表面流濕地兩種，其中，潛流式濕地又分為垂直潛流濕地和水平潛流濕地。在鹽堿地運行雨水濕地時，為了防止地下含鹽滲透同時保持足夠的水體含量供植物生長所需，一般多設計為防滲型濕地。

2.3.3大調蓄

大調蓄系統主要為了應對超過小調蓄系統設計標準的超標暴雨或極端天氣特大暴雨的一套大尺度調蓄設施。主要包括具有排水功能的道路、溝渠等地表徑流和大型天然或人工湖泊河湖等調蓄設施。

2.3.3.1天然河湖

鹽堿區域內天然的河湖能夠蓄積較大量雨水，但蓄積的雨水由于池水長期浸泡鹽堿土壤，雨水電導率大幅升高，不利于回用。生態城區域鏡湖6月份所測電導率約為23.76ms/cm，遠遠高于雨水電導率116us/cm。

2.3.3.2人工河湖

人工河湖一般有混凝土隔層與無隔層兩類，混凝土隔層的則完全將池體內雨水與鹽堿土壤隔離開使其免受土壤鹽堿影響，池內雨水可回用于普通不耐鹽堿植物，無隔層人工河湖則受土壤鹽堿影響較大，池內雨水可回用于耐鹽堿植物和道路澆灑。

3典型雨水調蓄設施設計

3.1綠色屋頂

綠色屋頂構造層主要分為防滲層、隔根層、蓄排水層、過濾層、土壤層、植被層等。防滲層一般選用高分子防水卷材或復合銅胎基SBS改性瀝青防水卷材等。種植的植物一般選用抗風力和抗倒伏力強、耐干旱和耐瘠薄土層、葉子革質或臘質、抗干熱風能力及輻射能力強、根系對屋頂侵蝕破壞作用小的植物，多數景天科的植物都能適應屋頂的環境。灌木類如蘇鐵、福建茶、黃金榕、變葉木、鵝掌柴、龍舌蘭、假連翹、木香、合歡、石榴、紫薇等;地被類可用各種草皮、美女櫻、太陽花、遍地黃金、蟛蜞菊、馬櫻丹、吊竹梅、佛甲草、麥冬、垂盆草、凹葉景天等;果蔬類如葡萄、青菜、南瓜、絲瓜、佛手瓜、百香果等;爬藤類如爬山虎、炮仗花、常春藤、薜荔等。

3.2雨水調蓄池

雨水調蓄池可分為敞開式調蓄池和封閉式調蓄池，敞開式調蓄池占地面積較大，則無法利用高度差，同時池內雨水水質也容易被污染，而封閉式調蓄池占用地下空間，可充分利用高程差，且池內水體可降低鹽堿影響，故建議鹽堿區域調蓄池采用地下封閉式調蓄池。其次，池體材質的選擇也尤為重要，常見的材質有鋼筋混凝土、不銹鋼、PP材質等。為此專門針對不同材質的隔鹽效果進行了模擬研究，池體內部為采集的鹽堿區域地下水（>10ms/cm），分別采用PP、不銹鋼、混凝土等不同材質進行隔離，外部為低電導率的自來水，測試結果如圖3所示，可以發現測試初期，不銹鋼材質和PP材質的隔鹽效果最好，混凝土材質的隔鹽效果略差;隨著測試時間的延長，不銹鋼材質的銹斑愈發明顯，說明鹽堿離子加速了不銹鋼的腐蝕;測試后期混凝土材質與不銹鋼材質下的電導率均有升高，PP材質下的電導率變化較小;總的來說，PP材質具有佳的隔鹽效果。由于電導率受溫度影響較大，室內溫度受外部天氣溫度影響較明顯，故造成了圖3中不同材質電導率的小浮波動。

雨水調蓄池的容積可根據雨水回用量來確定，通過計算調蓄池雨水回用于澆灌、道理噴灑、景觀補水、沖廁等方面的日用水量，并考慮實際雨水降雨頻率及持續干旱時間間隔，雨水調蓄池容積可按3～7d的回用雨水量計算，日回用雨水量根據《民用建筑節水設計標準》（GB50555-2010）的節水用水定額來計算獲得。因此，在天津鹽堿區域建設雨水調蓄池建議選用PP材質調蓄模塊，容積根據回用水量及實際降雨頻率來確定。

3.3雨水花園

雨水花園是由蓄水層、覆蓋層、種植層、填料層、礫石層等5個部分組成。種植層土壤適宜選用滲透性較好的砂土或壤土;花園的面積則由蓄水深度、雨水徑流量和土壤類型決定，花園的面積一般在9～27m。之間，雨水徑流量越大，土壤滲透性越小，花園的面積應越大。在鹽堿區域的雨水花園可蓄積雨水來涵養地下水系，不宜于用作回用水。雨水花園的設計可采用蓄水層有效容積法以消納一定量的徑流雨水。

3.4雨水濕地

雨水濕地可以達到削減初期雨水污染、凈化雨水水質并實施雨水回用的效果。利用物理、水生植物及微生物等作用凈化雨水，是一種高效的徑流污染控制設施。鹽堿地雨水濕地除了在工藝選型、處理水質、結構尺寸、布水和集水方式等方面的設計遵從濕地設計規范外，還需要特別注意在鹽堿地條件下的以下幾點設計，才能保證雨水濕地有效運行。

3.4.1雨水濕地組合工藝的選擇

雨水濕地有表面流雨水濕地、水平潛流雨水濕地和垂直潛流雨水濕地3種，3種濕地在運行中對徑流污染雨水起到的作用和效果也不相同。因此在實際修建濕地時需結合其水力參數和去除效率擇優選擇并進行工藝組合，一般選用表面流濕地和水平潛流濕地作為雨水緩沖、蓄積設施，垂直潛流濕地作為深層凈化設施，凈化雨水水質。甚至有許多濕地與濕塘合建并設計一定的調蓄容積。

3.4.2雨水濕地基質選擇

濕地凈化作用的效果很大程度上取決于濕地的基質構造對。濕地于鹽堿地運行時，由于天津濱海新區土壤鹽量屬重鹽堿土范圍，而營養物含量低，植物生長較為困難，因此需要敷設含營養物的土層供植物生長。同時在濕地下層敷設防滲材料或者滲透性差的黏土層等土層，防止濕地水體快速滲人地下和地下含鹽滲入濕地影響濕地植物生長。另外，雨水濕地的填料層一般由多種填料組成，如砂、礫石、沸石、石灰石、頁巖、塑料、陶瓷等提供濕地植物與微生物生長場所，以對污染物起到過濾、吸收去除的作用。

3.4.3濕地植被選擇

植物在濕地中扮演著極其重要的角色，植物可以吸收和凈化徑流雨水中攜帶的多種污染物，此外還能起到滯留雨水、減緩徑流、維持土壤滲透性、作為景觀等作用。針對濱海新區鹽堿地現狀，如果想要實現雨水濕地的良好運行，需要在濕地上方種植耐鹽堿植物。同時應根據濕地不同地點水文條件的不同試行分區種植，可以分為入口區、干濕交替區、淺水區、深水區4個區域。針對鹽堿地及不同水域分區，可以選取以下耐鹽堿植物（表2）。

3.4.4濕地防滲設計

雨水濕地建設時，為維持濕地水量并且防止鹽堿滲透影響濕地植物生長，根據實際情況可以采取防滲措施。為了保證鹽堿地區濕地生態系統，需要綜合考慮防止水分和鹽分滲過采取防滲設計。防滲層的滲透系數應不大于8～10m/s，具有抗化學腐蝕能力，具有抗老化能力。防滲層的結構如圖4所示。

防滲材料的選取：天津濱海新區由于土壤含鹽量較高，因此濕地設計防滲材料必須滿足一定的抗侵蝕能力和防滲可靠等要求。針對目前較為常用的黏土、HDPE土工膜、LDPE土工膜及復合土工膜的經濟成本及防滲效果進行比較，可以選定復合土工膜作為主要防滲材料。以PE或PVC膜作為復合土工膜主要防滲基材，與無紡布復合而成，PE或者PVC膜的防滲性能是復合土工膜防滲的主要影響因素，而無紡土工布則主要起保護作用。復合土工膜已在人工湖、渠道、壩體等工程中得到廣泛應用。

4雨水調蓄設施隔鹽策略

4.1外部輔助阻鹽

4.1.1減少土壤反鹽

將雨水流經的土壤部分進行深耕，切斷土壤毛細管，使鹽分不能升到土表，在土壤表面種植綠色植物，防止雨水沖刷帶走鹽分。

4.1.2輔助設施設計

將屋頂雨水、地面雨水等通過排水管道進人雨水調蓄系統，并進行雨水回用，避免對土壤的沖刷;流經綠地的雨水四周設置植草溝、瀝水溝等設施，調節土壤和地下水鹽動態，并通過排水洗鹽，降低調蓄設施含鹽率。

4.1.3鋪設排鹽管

在土壤或綠地下部鋪設暗管，將降雨淋洗的土壤鹽分通過暗管排走，達到凈化表層土壤的目的，綠地排鹽管網的布設終端與涵養水系功能的調蓄設施相連通。

4.2內部設施隔鹽

4.2.1加入抗壓防滲材料

對于用于雨水回用的調蓄設施雨水調蓄池、人工河湖等，可以選用PP材質防滲材料或混凝土防滲材料，以防止外部鹽堿侵入設施內部鹽化蓄積雨水。

4.2.2防滲膜保護

對于綠色屋頂、雨水濕地等調蓄設施鋪設專門的防滲膜，以避免屋頂滲漏和鹽堿侵蝕，具體可參考文中典型調蓄設施設計。

5存在的問題

（1）施工與設計常略有出入。實際施工過程中，施工完成的池體尺寸坡度與設計圖紙的尺寸坡度有輕微出入，從而發生積水或易破損現象，應結合實際出現的問題來調整設計。

（2）后期設施維護不到位。調蓄設施需要長期運行維護，一旦設施維護不到位，設施容易出現運行故障從而影響調蓄效果。

（3）調蓄設施未考慮一定深度下的鹽堿影響。隨著調蓄層的加深，深度愈大，水壓愈大，過程未考慮不同壓力下鹽堿地下水對調蓄設施的影響。

6結論與建議

（1）將區域調蓄設施分為微調蓄、小調蓄和大調蓄，鹽堿區域調蓄設施選擇根據調蓄原則與雨水回用目的來進行設計，設施選型也需根據場地特點選擇經濟性好、能達到削減目標雨量目的的設施。

（2）調蓄池的蓄積雨水作為回用時，為充分考慮池體防腐抗壓抗滲性能，建議調蓄池采用PP材質為基體，以防滲土工膜為保護膜來充分防止土壤和地下水鹽堿影響。

（3）選用雨水花園設施多以植物景觀觀賞為主，蓄積雨水量不大，滲透性好以充分補充地下水，建議小型花園、廣場選用，且所選植物需充分耐鹽堿。

（4）雨水濕地應保持一定水量來維持植物生存，故濕地也需充分做好防滲隔鹽措施以防止鹽堿影響蓄積雨水水質。