基于自然本底條件解析的天津市海綿城市建設(shè)技術(shù)措施選擇與思考

□文/宋現(xiàn)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(diǎn)城市，海綿城市建設(shè)進(jìn)入“快車道”；然而海綿城市建設(shè)并沒有一個統(tǒng)一模式，需要一城一策。天津市在貫徹“海綿城市”建設(shè)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(fā)區(qū)，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(shù)低”等特點(diǎn)，這些自然本底條件決定著在建設(shè)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(diǎn)的技術(shù)路徑，以保證建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 自然本底條件解析

1.1 降雨特點(diǎn)

依據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)公布的1989—2018年數(shù)據(jù)，天津市平均降水量為538.9 mm/a。天津市域3個氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)均顯示中小雨的場次占絕大多數(shù)[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(shè)施的設(shè)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(huán)境質(zhì)量、緩解水資源緊張和提升水生態(tài)活力都具有至關(guān)重要的作用。

由于天津市地形包含山區(qū)、平原區(qū)和沿海地區(qū)，局部微氣候存在一定差異，導(dǎo)致不同片區(qū)降雨量和相同徑流總量控制率對應(yīng)的設(shè)計降雨量存在差異。通過1989—2018年降雨數(shù)據(jù)，推求出天津市各氣象監(jiān)測站年徑流總量控制率對應(yīng)的設(shè)計降雨量并與《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》數(shù)據(jù)比較，見表1。

表1 年徑流總量控制率對應(yīng)的設(shè)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(yīng)設(shè)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(yīng)設(shè)計降雨量相差約4%。說明片區(qū)不同，同樣徑流總量控制率對應(yīng)設(shè)計降雨量有顯著差異；另外，相較于《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》數(shù)據(jù)，新推求的降雨數(shù)據(jù)也存在一定差異，年徑流總量控制率為75%時，《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》數(shù)據(jù)和天津站對應(yīng)設(shè)計降雨量相差約5%。由此可見，即使同一城市，片區(qū)不同、統(tǒng)計數(shù)據(jù)的時效不同，年徑流總量控制率對應(yīng)設(shè)計降雨量會有顯著差異，需要引起注意，細(xì)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(jīng)成為水環(huán)境質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的主要因素。天津市建成區(qū)路面雨水的COD 和總氮濃度接近生活污水，SS 高達(dá)369 mg/L，如果不加處理直接排入水體，會造成嚴(yán)重的水體黑臭。見表2。

表2 天津市不同下墊面雨水水質(zhì) mg/L

天津市中心城區(qū)加環(huán)城四區(qū)的面積為2 205 km2，根據(jù)表2各污染物濃度值可計算天津市每年初期雨水污染負(fù)荷，見表3。

《城鎮(zhèn)排水統(tǒng)計年鑒2017》顯示，天津市污水處理量為92 162.5 t/a，據(jù)此可計算污水處理廠在執(zhí)行DB 12356—2018《天津市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》A類標(biāo)準(zhǔn)時，每年排往環(huán)境中的污染物負(fù)荷。見表4。

表4 污水處理廠年度排放污染負(fù)荷 t

由表3 和表4 可知：面源污染的COD 負(fù)荷是所有污水處理廠出水COD 負(fù)荷的約2.7 倍，面源污染的SS負(fù)荷是污水處理廠出水負(fù)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(huán)境質(zhì)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(zhì)黏土為主，土質(zhì)的滲透性較差。不同片區(qū)黏性土和粉質(zhì)土的分布厚度不同，但主體構(gòu)造類似，地下30 m 范圍內(nèi)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(shè)關(guān)注表層土壤的滲透性，滲透基質(zhì)一般在表層1 m 左右。在中心城區(qū)選取0.15～0.8 m 深度范圍進(jìn)行土壤滲透性的調(diào)研，由于土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、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(shù)沿深度變化不大。

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤滲透系數(shù)集中分布在3×10-4～1×10-5cm/s，根據(jù)相關(guān)規(guī)范淺層土壤滲透性屬于弱透水性土層。

另外，天津?yàn)I海地區(qū)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(qū)選取3處監(jiān)測點(diǎn)位，監(jiān)測地下水位的變化情況，見圖1。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)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(jié)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(guān)。

如果按照海綿設(shè)施底部大于季節(jié)地下水位最高處1 m計算，3處監(jiān)測點(diǎn)的海綿設(shè)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(shè)施都可以選擇。說明滲透類設(shè)施作為源頭控制的重要海綿設(shè)施，在天津市可作為一種選擇。

2 海綿城市建設(shè)難點(diǎn)

2.1 降雨集中導(dǎo)致內(nèi)澇

天津市降雨大都集中在6～9 月，暴雨出現(xiàn)頻率約1.5～1.6次/a，大雨年出現(xiàn)頻率3.6～4.3次/a。由于雨量集中，下滲困難，城市排水管網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)澇；因此，即使海綿設(shè)施能夠控制中小雨的徑流量和徑流污染，仍然需要一定規(guī)模的灰色設(shè)施保證雨季的城市水安全。

2.2 雨水污染嚴(yán)重

天津市作為特大城市，下墊面構(gòu)成中不透水面積比例高、開發(fā)強(qiáng)度較大、人口和機(jī)動車數(shù)量較多，造成初期雨水污染嚴(yán)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(huán)境問題；而僅靠源頭設(shè)施的收集和凈化，不能從根本上扭轉(zhuǎn)水環(huán)境質(zhì)量較差及雨水資源化比例不高的問題。

2.3 下滲類海綿設(shè)施建設(shè)困難

天津市土壤以粉質(zhì)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(zhì)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(shè)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(qū)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(xì)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(guān)于技術(shù)措施選擇的思考

3.1 技術(shù)措施

1）慎用滲透類設(shè)施，在設(shè)計滲透設(shè)施時，應(yīng)做好地下水位和土壤滲透系數(shù)的監(jiān)測，選擇耐淹和耐鹽堿的植物，保證海綿設(shè)施功效的正常發(fā)揮，避免產(chǎn)生不利影響。

2）優(yōu)先選擇“蓄”和“凈”類的設(shè)施，一方面緩解城市內(nèi)澇，將有限的水資源留下來，凈化利用；同時緩解水安全、水環(huán)境和水資源的問題。

3）注重“灰綠結(jié)合”的理念，天津市屬于特大城市，老城區(qū)開發(fā)建設(shè)強(qiáng)度高，在建設(shè)綠色海綿設(shè)施的同時，還要強(qiáng)調(diào)“灰綠結(jié)合”的理念，以便更好實(shí)現(xiàn)海綿城市的功能。

3.2 施工與維護(hù)保障

1）滲透類設(shè)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(dāng)造成地下水反滲或地下水污染。

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

3）老城區(qū)雨水凈化設(shè)施要注重工藝的簡潔高效，盡可能減少占地面積。

4）海綿設(shè)施的養(yǎng)護(hù)管理要明確責(zé)任主體并依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)制定養(yǎng)護(hù)細(xì)則，保證設(shè)施功效的持續(xù)發(fā)揮。

4 結(jié)語

海綿城市建設(shè)講究因地制宜，天津市作為北方濱海特大城市，需要依據(jù)其自然本底條件和開發(fā)強(qiáng)度選擇合適的建設(shè)目標(biāo)和技術(shù)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(huán)境，實(shí)現(xiàn)良好的水生態(tài)目標(biāo)。