天津地區海綿城市建設主要技術途徑與地質適用性

□文/劉曉磊 周玉明 路 清 宋文靜 王 輝

自20世紀60年代開始，美國、英國、澳大利亞等國家開始致力于雨水資源利用等方面的研究；經過幾十年的發展，低影響開發理念（LID）、可持續排水系統（SUDS）、水敏感性城市設計（WSUD）以及自然開放式排水系統（NDS）等研究成果豐碩，到目前為止，已經形成了較為完善的海綿城市建設系統[1]。2012 年，我國正式提出“海綿城市”一詞，隨后住建部發布了《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）》，明確了我國海綿城市的概念、基本原則等，拉開了我國海綿城市建設的序幕[2]。

天津作為我國第二批海綿城市建設試點城市，關于海綿城市建設的研究多集中在低影響開發理念建設措施、重點建設區經驗總結、城市專項規劃等方面[3～4]，城市工程和水文地質條件對海綿城市建設的直接影響并沒有引起大多數專家學者的重視，基于城市地質條件的區域性海綿城市建設研究更是鳳毛麟角。本文從城市地質角度出發，對天津海綿城市建設常用的措施類型與地質適用性進行了分析研究，以期為天津地區海綿城市建設提供地質理論支撐，為國內外相關研究提供參考。

1 研究區地質概況

本次研究以天津市南部平原區為主，包括中心城區、環城四區（北辰、西青、東麗、津南）和濱海新區，大地構造上分屬華北準地臺中滄縣隆起和黃驊凹陷，地形地貌上分屬堆積平原區中海積沖積低平原和海積低平原。區內普遍沉積有深厚的第四系地層，地下水則在該深度范圍內劃分成淺層（0～15 m）、中層（15～100 m）及深層（100～430 m）三個含水系統。

在對研究區地形地貌、包氣帶、潛水含水層、潛水水位及水質等分析的基礎上，建立適宜天津市南部平原區海綿城市建設地質適宜性評價指標體系，將天津地區海綿城市建設地質適宜性分為適宜建設區、較適宜建設區、一般建設區和控制建設區四級[5]，見圖1。

海綿城市適宜建設區受包氣帶厚度影響較大，以包氣帶厚度＞3 m 的地區為主，海綿城市建設較適宜區包氣帶及富水層厚度相對較厚，潛水水質相對較好；各區的綜合評分、區域面積、分布范圍見表1。

圖1 研究區海綿城市建設地質適宜性分區

表1 海綿城市建設地質適宜性分區特征

2 海綿城市建設的主要技術途徑

天津地區海綿城市建設的主要技術途徑根據功能的不同，可劃分為三大類：滯留調蓄型技術措施、滲透輸送型技術措施和貯存回用型技術措施[6～7]。

2.1 滯留調蓄型技術措施

滯留調蓄型技術措施主要承接自身降雨或來自不透水面的徑流雨水，通過蓄水層容積和結構層孔隙滯留雨水并下滲來達到削減洪峰流量、減小徑流系數、凈化雨水水質的目的。該類型技術措施主要包括下凹式綠地，綠色屋頂，生物滯留設施（雨水花園、雨水花壇、雨水樹池），滲透鋪裝，濕塘，雨水濕地以及傳統控制措施中的雨水調蓄池。由于有相對較長的水力停留時間和較大的蓄水容積，同時具有較好的景觀效果，因此在場地條件滿足要求的情況下，滯留調蓄型生態措施是較理想的雨水管理技術。

2.1.1 下凹式綠地

下凹式綠地是指低于周邊地面標高，可積蓄、下滲自身及周邊徑流雨水的綠地；對雨水有滲透、存儲、利用及過濾凈化四重作用，其典型構造見圖2。

圖2 下凹式綠地典型構造

研究表明，綠地較為合適的下凹深度一般在0.1～0.3 m范圍內，面積比例處于10%～30%之間的下凹式綠地基本可以削減3 a一遇設計暴雨重現期下持續1 h降雨產生的雨水地表徑流；同時，對雨水徑流中部分污染物的平均去除率可達到40%～50%。下凹式綠地一般置于建筑、道路或硬質場地周邊的綠地中；其種植層厚度應≮250 mm，滲透系數要求≥10-6m/s，場地地下水位不宜過高，否則暴雨時會導致水位快速高漲，甚至出現雨水上涌的情況。

2.1.2 綠色屋頂

綠色屋頂是低影響開發技術在建筑中的重要應用之一，主要是通過滲濾來達到對徑流峰值、徑流體積和徑流污染的削減。對平屋頂或坡屋頂采用綠色屋頂技術，暫存雨水并對其進行預處理，除了能夠從源頭有效控制暴雨徑流帶來的城市洪澇災害，還可以緩解城市熱島效應、改善空氣質量、降低周圍噪音污染；此外，對建筑屋面進行綠化，無需占用城市多余的土地資源，對屬于高密度城區的天津市而言，是極具優勢的一種暴雨管理技術。

2.1.3 生物滯留設施

生物滯留設施是指通過植物、土壤和微生物系統滯蓄、下滲自身和周邊徑流雨水的綠地，其典型構造見圖3。

圖3 簡易生物滯留設典型構造

按使用位置不同又稱作雨水花園、生物滯留帶、高位花壇、生態樹池等。它們通過收集、滯留、下滲、凈化、儲存等過程來達到對匯水區徑流體積、峰值流量和徑流污染三方面削減的目的，緩解地表積水帶來的內澇災害。同時，設施結構層蓄積的雨水能夠供給植物利用，從而減少綠地的灌溉水量。

任何系統都是在動態變化過程中隨發展而不斷趨于完善的。社會治理以系統存在的方式存在，以系統運行的方式運行，是一個踐行社會治理創新和不斷自我完善的過程。在這一過程中，社會治理系統的建構與運行，始終是從社會治理系統的全局出發，是在多元主體的相互關聯及其與外部環境之間相互聯系、相互作用的關系中綜合地、精確地考察對象。社會治理系統主要具有以下特征。

2.1.4 透水鋪裝

透水鋪裝是指可滲透、滯留和滲排雨水并滿足一定要求的地面鋪裝結構。透水鋪裝既增加了路面的吸水能力，減小了地表徑流系數，有效控制了地面的雨水徑流量；又對重金屬、SS等污染物有很好的去除效果；同時還具有吸熱、吸音、吸光等良好的環境效應，是一種優良的海綿城市技術措施，使用全透式結構時要求土壤滲透系數≥10-6m/s。見圖4。

圖4 全透式水泥混凝土路面典型構造

2.1.5 濕塘

濕塘是指具有雨水調蓄和凈化功能的景觀水體，雨水同時作為其主要的補水水源。濕塘可有效削減較大區域的徑流總量、徑流污染和峰值流量，是城市內澇防治系統的重要組成部分。見圖5。

圖5 濕塘平面

濕塘一般包括常水位以下的永久容積和儲存容積：永久容積水深一般為0.8～2.5 m；儲存容積一般根據所在區域相關規劃提出的“單位面積控制容積”確定；當土壤滲透系數＞10-6m/s時，可設置防滲措施。

2.2 滲透輸送型技術措施

主要包括植草溝、植被過濾帶、滲管和滲渠。該類型技術措施可替代部分傳統雨水管渠，承接自身或傳輸而來的徑流雨水。其中植草溝和植被過濾帶主要作為滯留調蓄型技術措施的預處理設施，雖然也具有一定的滯留能力和凈化能力，但效果不如滯留調蓄型技術措施；而滲管和滲渠可作為輔助設施與多項生態措施結合，收集表層滲透下來的雨水并通過多孔材料繼續下滲，超過滲透量的雨水再輸送至貯存設施加以回用，從而達到徑流控制的目的。

2.2.1 植草溝

植草溝是指種有植被的地表溝渠，可收集、輸送和排放徑流雨水，具有一定的雨水凈化作用，可用于銜接其他各單項設施、城市雨水管渠系統和超標雨水徑流排放系統，被廣泛應用于城市雨水面源污染控制，在徑流較小的區域甚至可以取代傳輸雨水的管道。見圖6。

圖6 植草溝典型構造

滲透管（渠）是指在多孔塑料管或無砂混凝土管（渠）外填充一定量粒徑（20～70 mm）的礫石、碎石等大孔隙材料，再在礫石、碎石層外包裹透水柔性膜，從而具有收集、滲透和輸送功能的雨水管（渠）；為了防止沖刷侵蝕，在表層常鋪設碎石作為緩沖區。該設施常與生物滯留設施等聯合使用，共同完成對雨水徑流量和徑流水質的控制目標，在場地條件允許的情況下，可將滲透渠做成開放式水景觀廊道，提高環境的舒適度。

2.3 貯存回用型技術措施

主要包括雨水桶、雨水箱、蓄水池等，承接來自屋面、路面或輸送型技術措施轉輸而來的徑流雨水，將其貯存，經過一定處理工藝達到回用標準后利用。貯存回用型技術措施主要是對雨水量進行調蓄控制，不作為水質凈化設施。

3 海綿城市建設的地質適用性

海綿城市建設的“滲、滯、蓄、凈、用、排”等六位一體措施中，“滲、滯、蓄、凈”措施與城市地質環境關系密切。通常單一砂性土結構的地層可充分利用雨水的“滲”透能力；地形地貌平緩或低洼地段有助于雨水“滯”留；單一黏性土地層和人工濕地等可“凈”化雨水中的污染物；包氣帶的厚度可決定“蓄”存雨水的多少；而地質災害高易發區“滯”留、“蓄”存雨水卻存在誘發地質災害的風險。因此，在海綿城市建設中，不同的地質條件應采取不同的工程技術措施。

1）海綿城市適宜建設區（I區），主要分布在東麗區華明鎮、東麗湖附近，該區以包氣帶厚度＞3 m的地區為主，地表滲透性能較好，面積約123 km2。應充分利用區內的生態設施，選擇以雨水入滲為主的相關LID設施，包括滲透塘、滲井等，充分發揮區內水體自凈功能，利用本區的雨水對地下含水層進行水量補充，以備需要的時候進行開采利用；同時應建設相應的截污凈化設施。

2）海綿城市建設較適宜區（II 區），主要分布在北辰區西北部、西青區北部、東麗區北部、中心天津生態城等地，包氣帶及富水層厚度相對較大，潛水水質相對較好，面積約730 km2。可重點考慮建設下沉式綠地、雨水花園、生物滯留帶、高位花壇、生態樹池等入滲能力較強的海綿城市設施；通過收集、滯留、下滲、凈化、貯存等過程來達到對匯水區徑流體積、峰值流量和徑流污染三方面削減的目的，緩解地表積水帶來的內澇災害。同時，蓄積的雨水能夠供給植物利用，從而減少綠地的灌溉水量。

3）海綿城市一般建設區（III區），主要分布在中心城區（含環城四區）大部分地區、東疆港附近等區域，面積約2 023 km2。針對不同情況可選擇LID設施的類型較多，如下沉式綠地、生物滯留設施、綠色屋頂、透水鋪裝、調節塘等，也可選擇適宜入滲量較小的海綿城市設施與調節類設施、植草溝等傳輸類設施等的組合；具體問題需結合工程詳細地質勘察資料進行布設。

4）海綿城市建設控制建設區（IV區），多分布在濱海新區中南部、茶淀鎮及雙口鎮附近，受包氣帶厚度及潛水水位影響較大，面積1 692 km2。可重點建設雨水集蓄類的海綿城市設施，如雨水罐、蓄水池等，也可考慮透水鋪裝結合調節塘等調節類LID 設施，如有必要應建設植草溝、滲溝管（渠）等傳輸類設施對雨洪進行區外傳輸，在場地條件允許的情況下，可將滲透渠做成開放式水景觀廊道，提高環境的舒適度。

綜上所述，天津市中心城區（含環城四區）及濱海新區海綿城市建設“滲、滯、蓄、凈”措施類型選取與城市地質條件密切相關，尤其受包氣帶、富水層影響較大，通常包氣帶厚度＞3 m的地區（一般為海綿城市適宜建設區），適宜建設以雨水入滲為主的相關LID 設施，包括滲透塘、滲井等，可實現雨水的自然積存、自然滲透和自然凈化。

4 海綿城市建設相關的地質建議

自“海綿城市”概念提出以來，我國僅武漢、徐州、蘇州、鄭州等少數地區開展了地質條件對海綿城市建設的影響研究，為當地海綿城市建設的設施選擇提供了理論依據，取得了不錯的效果。為了更好地利用天津地區原始生態環境，減少海綿城市建設對周邊生態環境的影響，查清影響海綿城市建設的主要地質因素、查清淺層地基土滲透性、透水性地層分布以及潛水水位動態變化規律很有必要；建議今后天津地區海綿城市建設應根據城市總體規劃、專項規劃及詳細規劃明確的控制目標，充分利用城市地質條件，結合海綿城市建設各設施的主要功能性、經濟性、適用性及景觀效果選擇效益最優的低影響開發單項措施及綜合措施。

1）針對距離地表水系較近的海綿城市建設適宜區與較適宜區，可著重考慮強入滲能力的低影響開發措施，包括滲透塘、滲井等，利用截污凈化技術對雨洪地表徑流凈化后排入地表水體。

2）針對入滲量較低的海綿城市一般建設區域，可考慮透水鋪裝結合的調節塘等調節類設施以及植草溝等傳輸類設施對雨洪進行就地消納和區外傳輸。

3）針對海綿城市控制建設區，可重點建設雨水集蓄類的海綿城市設施類型，也可考慮透水鋪裝結合調節塘等調節類LID設施。同時，由于城市污染源較多，無論采取何種低影響開發措施，應根據實際情況對雨洪徑流進行凈化處理。

5 結語

1）天津中心城區（含環城四區）及濱海新區海綿城市建設地質適宜性分為適宜建設區、較適宜建設區、一般建設區和控制建設區四級；其中海綿城市適宜建設區受包氣帶厚度影響較大，以包氣帶厚度＞3 m 的地區為主，面積123 km2；海綿城市建設較適宜區包氣帶及富水層厚度相對較厚，潛水水質相對較好，面積730 km2。

2）天津地區海綿城市技術措施主要為滯留調蓄型、滲透輸送型和貯存回用型；其中滯留調蓄型技術措施主要包括下凹式綠地、綠色屋頂、生物滯留設施、滲透鋪裝、濕塘等；滲透輸送型技術措施主要包括植草溝、植被過濾帶、滲管、滲渠等；貯存回用型技術措施主要包括雨水桶、雨水箱、蓄水池等。

3）天津海綿城市建設適宜區可充分利用區內的生態設施，選擇以雨水入滲為主的LID設施；較適宜建設區可重點考慮建設下沉式綠地，生物滯留等設施；一般建設區可選擇適宜入滲量較小的海綿城市設施類型與調節類設施、傳輸類設施等的組合；控制建設區可重點建設雨水集蓄類的海綿城市設施類型，必要時應對雨洪進行區外傳輸。