基于自然本底條件解析的天津市海綿城市建設技術措施選擇與思考

□文/宋現財 趙樂軍 朱慧芳 霍知亮 李 喆 王 靜

2016 年天津市獲批成為國家第二批海綿城市試點城市，海綿城市建設進入“快車道”；然而海綿城市建設并沒有一個統一模式，需要一城一策。天津市在貫徹“海綿城市”建設理念的過程中取得了一定的成績，但也遇到了不少的難題。天津作為北方典型低海拔濱海城市，地勢平坦低洼，海河上游多為暴雨高發區，下游坡緩河窄，同時具有“地下水位高、土壤含鹽量高、不透水地面比例高、土壤滲透系數低”等特點，這些自然本底條件決定著在建設海綿城市的過程中會遇到更多的困難，也決定著其必須探索出適合自身特點的技術路徑，以保證建設目標的實現。

1 自然本底條件解析

1.1 降雨特點

依據中國氣象數據網公布的1989—2018年數據，天津市平均降水量為538.9 mm/a。天津市域3個氣象站監測數據均顯示中小雨的場次占絕大多數[1]，平均小雨場次占76%，平均中雨場次占15%。這就說明，如果海綿設施的設計布局，能夠有效控制天津市中小降雨的徑流，就解決了91%場次的雨水徑流量和徑流污染問題，對于改善水環境質量、緩解水資源緊張和提升水生態活力都具有至關重要的作用。

由于天津市地形包含山區、平原區和沿海地區，局部微氣候存在一定差異，導致不同片區降雨量和相同徑流總量控制率對應的設計降雨量存在差異。通過1989—2018年降雨數據，推求出天津市各氣象監測站年徑流總量控制率對應的設計降雨量并與《海綿城市建設技術指南》數據比較，見表1。

表1 年徑流總量控制率對應的設計降雨量

由表1看出：在年徑流總量控制率為40%時，寶坻站和天津站對應設計降雨量相差約5%；年徑流總量控制率為55%時，寶坻站和天津站對應設計降雨量相差約4%。說明片區不同，同樣徑流總量控制率對應設計降雨量有顯著差異；另外，相較于《海綿城市建設技術指南》數據，新推求的降雨數據也存在一定差異，年徑流總量控制率為75%時，《海綿城市建設技術指南》數據和天津站對應設計降雨量相差約5%。由此可見，即使同一城市，片區不同、統計數據的時效不同，年徑流總量控制率對應設計降雨量會有顯著差異，需要引起注意，細化推求。

1.2 雨水面源污染

初期雨水及合流制管道造成的污染已經成為水環境質量不達標的主要因素。天津市建成區路面雨水的COD 和總氮濃度接近生活污水，SS 高達369 mg/L，如果不加處理直接排入水體，會造成嚴重的水體黑臭。見表2。

表2 天津市不同下墊面雨水水質 mg/L

天津市中心城區加環城四區的面積為2 205 km2，根據表2各污染物濃度值可計算天津市每年初期雨水污染負荷，見表3。

《城鎮排水統計年鑒2017》顯示，天津市污水處理量為92 162.5 t/a，據此可計算污水處理廠在執行DB 12356—2018《天津市污水綜合排放標準》A類標準時，每年排往環境中的污染物負荷。見表4。

表4 污水處理廠年度排放污染負荷 t

由表3 和表4 可知：面源污染的COD 負荷是所有污水處理廠出水COD 負荷的約2.7 倍，面源污染的SS負荷是污水處理廠出水負荷的約38倍。可見，雨水面源污染的問題如果得不到妥善解決，天津市水環境質量很難得到根本改善。

1.3 土壤特性

天津市表層土壤以人工填土和粉質黏土為主，土質的滲透性較差。不同片區黏性土和粉質土的分布厚度不同，但主體構造類似，地下30 m 范圍內基本為粉土和黏土交替分布，說明土壤的整體滲透性能較弱。

海綿城市建設關注表層土壤的滲透性，滲透基質一般在表層1 m 左右。在中心城區選取0.15～0.8 m 深度范圍進行土壤滲透性的調研，由于土壤質地、結構、物理性質、包含物等影響土壤滲透性大小的主要因素基本相同，滲透系數沿深度變化不大。

試驗區內土壤滲透系數集中分布在3×10-4～1×10-5cm/s，根據相關規范淺層土壤滲透性屬于弱透水性土層。

另外，天津濱海地區地勢低，海拔高度平坦，坡度只有1/10 000，80%以上都是鹽堿土壤，沿海地帶全鹽量平均1.0～4.0[2]，需要改良后才能種植植物。

1.4 地下水位狀況

2018 年 9 月—2019 年 7 月，在天津市中心城區選取3處監測點位，監測地下水位的變化情況，見圖1。

圖1 監測點位地下水位變化

由圖1 可知：地下水的埋深在1.5～4.5 m 之間，因人工填土的厚度不同而有差別；地下水位季節變化不太明顯，4月份有顯著下降，可能與春季植物澆灌抽取地下水有關。

如果按照海綿設施底部大于季節地下水位最高處1 m計算，3處監測點的海綿設施豎向布置空間余量在0.5～3.5m 之間，大部分滲透類海綿設施都可以選擇。說明滲透類設施作為源頭控制的重要海綿設施，在天津市可作為一種選擇。

2 海綿城市建設難點

2.1 降雨集中導致內澇

天津市降雨大都集中在6～9 月，暴雨出現頻率約1.5～1.6次/a，大雨年出現頻率3.6～4.3次/a。由于雨量集中，下滲困難，城市排水管網建設標準不高等諸多原因，大部分雨水不僅不能資源化利用，還會造成城市內澇；因此，即使海綿設施能夠控制中小雨的徑流量和徑流污染，仍然需要一定規模的灰色設施保證雨季的城市水安全。

2.2 雨水污染嚴重

天津市作為特大城市，下墊面構成中不透水面積比例高、開發強度較大、人口和機動車數量較多，造成初期雨水污染嚴重。如果初期雨水污染不能得到有效控制，幾乎不可能從根本上解決城市水環境問題；而僅靠源頭設施的收集和凈化，不能從根本上扭轉水環境質量較差及雨水資源化比例不高的問題。

2.3 下滲類海綿設施建設困難

天津市土壤以粉質黏土為主，下滲能力較弱。表層人工填土屬于弱透水性土層，淺層粉質黏土屬于微透水或者極微透水性土層。土壤整體下滲速率較慢，雨水在滲透類設施里積存時間過長，不僅容易使植物淹泡致死，還容易引起水體黑臭，滋生蚊蟲，造成二次污染。另外，考慮到大部分片區的地下水位較高，雨水的下滲可能與較高的地下水連通，通過土壤的毛細作用，將鹽度較高的地下水吸引至表層土壤，造成土壤的鹽漬化。

3 關于技術措施選擇的思考

3.1 技術措施

1）慎用滲透類設施，在設計滲透設施時，應做好地下水位和土壤滲透系數的監測，選擇耐淹和耐鹽堿的植物，保證海綿設施功效的正常發揮，避免產生不利影響。

2）優先選擇“蓄”和“凈”類的設施，一方面緩解城市內澇，將有限的水資源留下來，凈化利用；同時緩解水安全、水環境和水資源的問題。

3）注重“灰綠結合”的理念，天津市屬于特大城市，老城區開發建設強度高，在建設綠色海綿設施的同時，還要強調“灰綠結合”的理念，以便更好實現海綿城市的功能。

3.2 施工與維護保障

1）滲透類設施填料的配比和防滲處理要滿足要求，消納雨水的同時，避免因施工不當造成地下水反滲或地下水污染。

2）調蓄設施施工完畢后要做防滲漏試驗，既要避免雨水外滲，又要避免地下水反滲。

3）老城區雨水凈化設施要注重工藝的簡潔高效，盡可能減少占地面積。

4）海綿設施的養護管理要明確責任主體并依據相應標準制定養護細則，保證設施功效的持續發揮。

4 結語

海綿城市建設講究因地制宜，天津市作為北方濱海特大城市，需要依據其自然本底條件和開發強度選擇合適的建設目標和技術路徑，注重雨水的“滯蓄”和“凈化”利用，在保障水安全的情況下，最大限度利用雨水資源，最大限度改善水環境，實現良好的水生態目標。