天津地区海绵城市建设主要技术途径与地质适用性

□文/刘晓磊 周玉明 路 清 宋文静 王 辉

自20世纪60年代开始，美国、英国、澳大利亚等国家开始致力于雨水资源利用等方面的研究；经过几十年的发展，低影响开发理念（LID）、可持续排水系统（SUDS）、水敏感性城市设计（WSUD）以及自然开放式排水系统（NDS）等研究成果丰硕，到目前为止，已经形成了较为完善的海绵城市建设系统[1]。2012 年，我国正式提出“海绵城市”一词，随后住建部发布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》，明确了我国海绵城市的概念、基本原则等，拉开了我国海绵城市建设的序幕[2]。

天津作为我国第二批海绵城市建设试点城市，关于海绵城市建设的研究多集中在低影响开发理念建设措施、重点建设区经验总结、城市专项规划等方面[3～4]，城市工程和水文地质条件对海绵城市建设的直接影响并没有引起大多数专家学者的重视，基于城市地质条件的区域性海绵城市建设研究更是凤毛麟角。本文从城市地质角度出发，对天津海绵城市建设常用的措施类型与地质适用性进行了分析研究，以期为天津地区海绵城市建设提供地质理论支撑，为国内外相关研究提供参考。

1 研究区地质概况

本次研究以天津市南部平原区为主，包括中心城区、环城四区（北辰、西青、东丽、津南）和滨海新区，大地构造上分属华北准地台中沧县隆起和黄骅凹陷，地形地貌上分属堆积平原区中海积冲积低平原和海积低平原。区内普遍沉积有深厚的第四系地层，地下水则在该深度范围内划分成浅层（0～15 m）、中层（15～100 m）及深层（100～430 m）三个含水系统。

在对研究区地形地貌、包气带、潜水含水层、潜水水位及水质等分析的基础上，建立适宜天津市南部平原区海绵城市建设地质适宜性评价指标体系，将天津地区海绵城市建设地质适宜性分为适宜建设区、较适宜建设区、一般建设区和控制建设区四级[5]，见图1。

海绵城市适宜建设区受包气带厚度影响较大，以包气带厚度＞3 m 的地区为主，海绵城市建设较适宜区包气带及富水层厚度相对较厚，潜水水质相对较好；各区的综合评分、区域面积、分布范围见表1。

图1 研究区海绵城市建设地质适宜性分区

表1 海绵城市建设地质适宜性分区特征

2 海绵城市建设的主要技术途径

天津地区海绵城市建设的主要技术途径根据功能的不同，可划分为三大类：滞留调蓄型技术措施、渗透输送型技术措施和贮存回用型技术措施[6～7]。

2.1 滞留调蓄型技术措施

滞留调蓄型技术措施主要承接自身降雨或来自不透水面的径流雨水，通过蓄水层容积和结构层孔隙滞留雨水并下渗来达到削减洪峰流量、减小径流系数、净化雨水水质的目的。该类型技术措施主要包括下凹式绿地，绿色屋顶，生物滞留设施（雨水花园、雨水花坛、雨水树池），渗透铺装，湿塘，雨水湿地以及传统控制措施中的雨水调蓄池。由于有相对较长的水力停留时间和较大的蓄水容积，同时具有较好的景观效果，因此在场地条件满足要求的情况下，滞留调蓄型生态措施是较理想的雨水管理技术。

2.1.1 下凹式绿地

下凹式绿地是指低于周边地面标高，可积蓄、下渗自身及周边径流雨水的绿地；对雨水有渗透、存储、利用及过滤净化四重作用，其典型构造见图2。

图2 下凹式绿地典型构造

研究表明，绿地较为合适的下凹深度一般在0.1～0.3 m范围内，面积比例处于10%～30%之间的下凹式绿地基本可以削减3 a一遇设计暴雨重现期下持续1 h降雨产生的雨水地表径流；同时，对雨水径流中部分污染物的平均去除率可达到40%～50%。下凹式绿地一般置于建筑、道路或硬质场地周边的绿地中；其种植层厚度应≮250 mm，渗透系数要求≥10-6m/s，场地地下水位不宜过高，否则暴雨时会导致水位快速高涨，甚至出现雨水上涌的情况。

2.1.2 绿色屋顶

绿色屋顶是低影响开发技术在建筑中的重要应用之一，主要是通过渗滤来达到对径流峰值、径流体积和径流污染的削减。对平屋顶或坡屋顶采用绿色屋顶技术，暂存雨水并对其进行预处理，除了能够从源头有效控制暴雨径流带来的城市洪涝灾害，还可以缓解城市热岛效应、改善空气质量、降低周围噪音污染；此外，对建筑屋面进行绿化，无需占用城市多余的土地资源，对属于高密度城区的天津市而言，是极具优势的一种暴雨管理技术。

2.1.3 生物滞留设施

生物滞留设施是指通过植物、土壤和微生物系统滞蓄、下渗自身和周边径流雨水的绿地，其典型构造见图3。

图3 简易生物滞留设典型构造

按使用位置不同又称作雨水花园、生物滞留带、高位花坛、生态树池等。它们通过收集、滞留、下渗、净化、储存等过程来达到对汇水区径流体积、峰值流量和径流污染三方面削减的目的，缓解地表积水带来的内涝灾害。同时，设施结构层蓄积的雨水能够供给植物利用，从而减少绿地的灌溉水量。

任何系统都是在动态变化过程中随发展而不断趋于完善的。社会治理以系统存在的方式存在，以系统运行的方式运行，是一个践行社会治理创新和不断自我完善的过程。在这一过程中，社会治理系统的建构与运行，始终是从社会治理系统的全局出发，是在多元主体的相互关联及其与外部环境之间相互联系、相互作用的关系中综合地、精确地考察对象。社会治理系统主要具有以下特征。

2.1.4 透水铺装

透水铺装是指可渗透、滞留和渗排雨水并满足一定要求的地面铺装结构。透水铺装既增加了路面的吸水能力，减小了地表径流系数，有效控制了地面的雨水径流量；又对重金属、SS等污染物有很好的去除效果；同时还具有吸热、吸音、吸光等良好的环境效应，是一种优良的海绵城市技术措施，使用全透式结构时要求土壤渗透系数≥10-6m/s。见图4。

图4 全透式水泥混凝土路面典型构造

2.1.5 湿塘

湿塘是指具有雨水调蓄和净化功能的景观水体，雨水同时作为其主要的补水水源。湿塘可有效削减较大区域的径流总量、径流污染和峰值流量，是城市内涝防治系统的重要组成部分。见图5。

图5 湿塘平面

湿塘一般包括常水位以下的永久容积和储存容积：永久容积水深一般为0.8～2.5 m；储存容积一般根据所在区域相关规划提出的“单位面积控制容积”确定；当土壤渗透系数＞10-6m/s时，可设置防渗措施。

2.2 渗透输送型技术措施

主要包括植草沟、植被过滤带、渗管和渗渠。该类型技术措施可替代部分传统雨水管渠，承接自身或传输而来的径流雨水。其中植草沟和植被过滤带主要作为滞留调蓄型技术措施的预处理设施，虽然也具有一定的滞留能力和净化能力，但效果不如滞留调蓄型技术措施；而渗管和渗渠可作为辅助设施与多项生态措施结合，收集表层渗透下来的雨水并通过多孔材料继续下渗，超过渗透量的雨水再输送至贮存设施加以回用，从而达到径流控制的目的。

2.2.1 植草沟

植草沟是指种有植被的地表沟渠，可收集、输送和排放径流雨水，具有一定的雨水净化作用，可用于衔接其他各单项设施、城市雨水管渠系统和超标雨水径流排放系统，被广泛应用于城市雨水面源污染控制，在径流较小的区域甚至可以取代传输雨水的管道。见图6。

图6 植草沟典型构造

渗透管（渠）是指在多孔塑料管或无砂混凝土管（渠）外填充一定量粒径（20～70 mm）的砾石、碎石等大孔隙材料，再在砾石、碎石层外包裹透水柔性膜，从而具有收集、渗透和输送功能的雨水管（渠）；为了防止冲刷侵蚀，在表层常铺设碎石作为缓冲区。该设施常与生物滞留设施等联合使用，共同完成对雨水径流量和径流水质的控制目标，在场地条件允许的情况下，可将渗透渠做成开放式水景观廊道，提高环境的舒适度。

2.3 贮存回用型技术措施

主要包括雨水桶、雨水箱、蓄水池等，承接来自屋面、路面或输送型技术措施转输而来的径流雨水，将其贮存，经过一定处理工艺达到回用标准后利用。贮存回用型技术措施主要是对雨水量进行调蓄控制，不作为水质净化设施。

3 海绵城市建设的地质适用性

海绵城市建设的“渗、滞、蓄、净、用、排”等六位一体措施中，“渗、滞、蓄、净”措施与城市地质环境关系密切。通常单一砂性土结构的地层可充分利用雨水的“渗”透能力；地形地貌平缓或低洼地段有助于雨水“滞”留；单一黏性土地层和人工湿地等可“净”化雨水中的污染物；包气带的厚度可决定“蓄”存雨水的多少；而地质灾害高易发区“滞”留、“蓄”存雨水却存在诱发地质灾害的风险。因此，在海绵城市建设中，不同的地质条件应采取不同的工程技术措施。

1）海绵城市适宜建设区（I区），主要分布在东丽区华明镇、东丽湖附近，该区以包气带厚度＞3 m的地区为主，地表渗透性能较好，面积约123 km2。应充分利用区内的生态设施，选择以雨水入渗为主的相关LID设施，包括渗透塘、渗井等，充分发挥区内水体自净功能，利用本区的雨水对地下含水层进行水量补充，以备需要的时候进行开采利用；同时应建设相应的截污净化设施。

2）海绵城市建设较适宜区（II 区），主要分布在北辰区西北部、西青区北部、东丽区北部、中心天津生态城等地，包气带及富水层厚度相对较大，潜水水质相对较好，面积约730 km2。可重点考虑建设下沉式绿地、雨水花园、生物滞留带、高位花坛、生态树池等入渗能力较强的海绵城市设施；通过收集、滞留、下渗、净化、贮存等过程来达到对汇水区径流体积、峰值流量和径流污染三方面削减的目的，缓解地表积水带来的内涝灾害。同时，蓄积的雨水能够供给植物利用，从而减少绿地的灌溉水量。

3）海绵城市一般建设区（III区），主要分布在中心城区（含环城四区）大部分地区、东疆港附近等区域，面积约2 023 km2。针对不同情况可选择LID设施的类型较多，如下沉式绿地、生物滞留设施、绿色屋顶、透水铺装、调节塘等，也可选择适宜入渗量较小的海绵城市设施与调节类设施、植草沟等传输类设施等的组合；具体问题需结合工程详细地质勘察资料进行布设。

4）海绵城市建设控制建设区（IV区），多分布在滨海新区中南部、茶淀镇及双口镇附近，受包气带厚度及潜水水位影响较大，面积1 692 km2。可重点建设雨水集蓄类的海绵城市设施，如雨水罐、蓄水池等，也可考虑透水铺装结合调节塘等调节类LID 设施，如有必要应建设植草沟、渗沟管（渠）等传输类设施对雨洪进行区外传输，在场地条件允许的情况下，可将渗透渠做成开放式水景观廊道，提高环境的舒适度。

综上所述，天津市中心城区（含环城四区）及滨海新区海绵城市建设“渗、滞、蓄、净”措施类型选取与城市地质条件密切相关，尤其受包气带、富水层影响较大，通常包气带厚度＞3 m的地区（一般为海绵城市适宜建设区），适宜建设以雨水入渗为主的相关LID 设施，包括渗透塘、渗井等，可实现雨水的自然积存、自然渗透和自然净化。

4 海绵城市建设相关的地质建议

自“海绵城市”概念提出以来，我国仅武汉、徐州、苏州、郑州等少数地区开展了地质条件对海绵城市建设的影响研究，为当地海绵城市建设的设施选择提供了理论依据，取得了不错的效果。为了更好地利用天津地区原始生态环境，减少海绵城市建设对周边生态环境的影响，查清影响海绵城市建设的主要地质因素、查清浅层地基土渗透性、透水性地层分布以及潜水水位动态变化规律很有必要；建议今后天津地区海绵城市建设应根据城市总体规划、专项规划及详细规划明确的控制目标，充分利用城市地质条件，结合海绵城市建设各设施的主要功能性、经济性、适用性及景观效果选择效益最优的低影响开发单项措施及综合措施。

1）针对距离地表水系较近的海绵城市建设适宜区与较适宜区，可着重考虑强入渗能力的低影响开发措施，包括渗透塘、渗井等，利用截污净化技术对雨洪地表径流净化后排入地表水体。

2）针对入渗量较低的海绵城市一般建设区域，可考虑透水铺装结合的调节塘等调节类设施以及植草沟等传输类设施对雨洪进行就地消纳和区外传输。

3）针对海绵城市控制建设区，可重点建设雨水集蓄类的海绵城市设施类型，也可考虑透水铺装结合调节塘等调节类LID设施。同时，由于城市污染源较多，无论采取何种低影响开发措施，应根据实际情况对雨洪径流进行净化处理。

5 结语

1）天津中心城区（含环城四区）及滨海新区海绵城市建设地质适宜性分为适宜建设区、较适宜建设区、一般建设区和控制建设区四级；其中海绵城市适宜建设区受包气带厚度影响较大，以包气带厚度＞3 m 的地区为主，面积123 km2；海绵城市建设较适宜区包气带及富水层厚度相对较厚，潜水水质相对较好，面积730 km2。

2）天津地区海绵城市技术措施主要为滞留调蓄型、渗透输送型和贮存回用型；其中滞留调蓄型技术措施主要包括下凹式绿地、绿色屋顶、生物滞留设施、渗透铺装、湿塘等；渗透输送型技术措施主要包括植草沟、植被过滤带、渗管、渗渠等；贮存回用型技术措施主要包括雨水桶、雨水箱、蓄水池等。

3）天津海绵城市建设适宜区可充分利用区内的生态设施，选择以雨水入渗为主的LID设施；较适宜建设区可重点考虑建设下沉式绿地，生物滞留等设施；一般建设区可选择适宜入渗量较小的海绵城市设施类型与调节类设施、传输类设施等的组合；控制建设区可重点建设雨水集蓄类的海绵城市设施类型，必要时应对雨洪进行区外传输。