基于自然本底条件解析的天津市海绵城市建设技术措施选择与思考

□文/宋现财 赵乐军 朱慧芳 霍知亮 李 喆 王 静

2016 年天津市获批成为国家第二批海绵城市试点城市，海绵城市建设进入“快车道”；然而海绵城市建设并没有一个统一模式，需要一城一策。天津市在贯彻“海绵城市”建设理念的过程中取得了一定的成绩，但也遇到了不少的难题。天津作为北方典型低海拔滨海城市，地势平坦低洼，海河上游多为暴雨高发区，下游坡缓河窄，同时具有“地下水位高、土壤含盐量高、不透水地面比例高、土壤渗透系数低”等特点，这些自然本底条件决定着在建设海绵城市的过程中会遇到更多的困难，也决定着其必须探索出适合自身特点的技术路径，以保证建设目标的实现。

1 自然本底条件解析

1.1 降雨特点

依据中国气象数据网公布的1989—2018年数据，天津市平均降水量为538.9 mm/a。天津市域3个气象站监测数据均显示中小雨的场次占绝大多数[1]，平均小雨场次占76%，平均中雨场次占15%。这就说明，如果海绵设施的设计布局，能够有效控制天津市中小降雨的径流，就解决了91%场次的雨水径流量和径流污染问题，对于改善水环境质量、缓解水资源紧张和提升水生态活力都具有至关重要的作用。

由于天津市地形包含山区、平原区和沿海地区，局部微气候存在一定差异，导致不同片区降雨量和相同径流总量控制率对应的设计降雨量存在差异。通过1989—2018年降雨数据，推求出天津市各气象监测站年径流总量控制率对应的设计降雨量并与《海绵城市建设技术指南》数据比较，见表1。

表1 年径流总量控制率对应的设计降雨量

由表1看出：在年径流总量控制率为40%时，宝坻站和天津站对应设计降雨量相差约5%；年径流总量控制率为55%时，宝坻站和天津站对应设计降雨量相差约4%。说明片区不同，同样径流总量控制率对应设计降雨量有显著差异；另外，相较于《海绵城市建设技术指南》数据，新推求的降雨数据也存在一定差异，年径流总量控制率为75%时，《海绵城市建设技术指南》数据和天津站对应设计降雨量相差约5%。由此可见，即使同一城市，片区不同、统计数据的时效不同，年径流总量控制率对应设计降雨量会有显著差异，需要引起注意，细化推求。

1.2 雨水面源污染

初期雨水及合流制管道造成的污染已经成为水环境质量不达标的主要因素。天津市建成区路面雨水的COD 和总氮浓度接近生活污水，SS 高达369 mg/L，如果不加处理直接排入水体，会造成严重的水体黑臭。见表2。

表2 天津市不同下垫面雨水水质 mg/L

天津市中心城区加环城四区的面积为2 205 km2，根据表2各污染物浓度值可计算天津市每年初期雨水污染负荷，见表3。

《城镇排水统计年鉴2017》显示，天津市污水处理量为92 162.5 t/a，据此可计算污水处理厂在执行DB 12356—2018《天津市污水综合排放标准》A类标准时，每年排往环境中的污染物负荷。见表4。

表4 污水处理厂年度排放污染负荷 t

由表3 和表4 可知：面源污染的COD 负荷是所有污水处理厂出水COD 负荷的约2.7 倍，面源污染的SS负荷是污水处理厂出水负荷的约38倍。可见，雨水面源污染的问题如果得不到妥善解决，天津市水环境质量很难得到根本改善。

1.3 土壤特性

天津市表层土壤以人工填土和粉质黏土为主，土质的渗透性较差。不同片区黏性土和粉质土的分布厚度不同，但主体构造类似，地下30 m 范围内基本为粉土和黏土交替分布，说明土壤的整体渗透性能较弱。

海绵城市建设关注表层土壤的渗透性，渗透基质一般在表层1 m 左右。在中心城区选取0.15～0.8 m 深度范围进行土壤渗透性的调研，由于土壤质地、结构、物理性质、包含物等影响土壤渗透性大小的主要因素基本相同，渗透系数沿深度变化不大。

试验区内土壤渗透系数集中分布在3×10-4～1×10-5cm/s，根据相关规范浅层土壤渗透性属于弱透水性土层。

另外，天津滨海地区地势低，海拔高度平坦，坡度只有1/10 000，80%以上都是盐碱土壤，沿海地带全盐量平均1.0～4.0[2]，需要改良后才能种植植物。

1.4 地下水位状况

2018 年 9 月—2019 年 7 月，在天津市中心城区选取3处监测点位，监测地下水位的变化情况，见图1。

图1 监测点位地下水位变化

由图1 可知：地下水的埋深在1.5～4.5 m 之间，因人工填土的厚度不同而有差别；地下水位季节变化不太明显，4月份有显著下降，可能与春季植物浇灌抽取地下水有关。

如果按照海绵设施底部大于季节地下水位最高处1 m计算，3处监测点的海绵设施竖向布置空间余量在0.5～3.5m 之间，大部分渗透类海绵设施都可以选择。说明渗透类设施作为源头控制的重要海绵设施，在天津市可作为一种选择。

2 海绵城市建设难点

2.1 降雨集中导致内涝

天津市降雨大都集中在6～9 月，暴雨出现频率约1.5～1.6次/a，大雨年出现频率3.6～4.3次/a。由于雨量集中，下渗困难，城市排水管网建设标准不高等诸多原因，大部分雨水不仅不能资源化利用，还会造成城市内涝；因此，即使海绵设施能够控制中小雨的径流量和径流污染，仍然需要一定规模的灰色设施保证雨季的城市水安全。

2.2 雨水污染严重

天津市作为特大城市，下垫面构成中不透水面积比例高、开发强度较大、人口和机动车数量较多，造成初期雨水污染严重。如果初期雨水污染不能得到有效控制，几乎不可能从根本上解决城市水环境问题；而仅靠源头设施的收集和净化，不能从根本上扭转水环境质量较差及雨水资源化比例不高的问题。

2.3 下渗类海绵设施建设困难

天津市土壤以粉质黏土为主，下渗能力较弱。表层人工填土属于弱透水性土层，浅层粉质黏土属于微透水或者极微透水性土层。土壤整体下渗速率较慢，雨水在渗透类设施里积存时间过长，不仅容易使植物淹泡致死，还容易引起水体黑臭，滋生蚊虫，造成二次污染。另外，考虑到大部分片区的地下水位较高，雨水的下渗可能与较高的地下水连通，通过土壤的毛细作用，将盐度较高的地下水吸引至表层土壤，造成土壤的盐渍化。

3 关于技术措施选择的思考

3.1 技术措施

1）慎用渗透类设施，在设计渗透设施时，应做好地下水位和土壤渗透系数的监测，选择耐淹和耐盐碱的植物，保证海绵设施功效的正常发挥，避免产生不利影响。

2）优先选择“蓄”和“净”类的设施，一方面缓解城市内涝，将有限的水资源留下来，净化利用；同时缓解水安全、水环境和水资源的问题。

3）注重“灰绿结合”的理念，天津市属于特大城市，老城区开发建设强度高，在建设绿色海绵设施的同时，还要强调“灰绿结合”的理念，以便更好实现海绵城市的功能。

3.2 施工与维护保障

1）渗透类设施填料的配比和防渗处理要满足要求，消纳雨水的同时，避免因施工不当造成地下水反渗或地下水污染。

2）调蓄设施施工完毕后要做防渗漏试验，既要避免雨水外渗，又要避免地下水反渗。

3）老城区雨水净化设施要注重工艺的简洁高效，尽可能减少占地面积。

4）海绵设施的养护管理要明确责任主体并依据相应标准制定养护细则，保证设施功效的持续发挥。

4 结语

海绵城市建设讲究因地制宜，天津市作为北方滨海特大城市，需要依据其自然本底条件和开发强度选择合适的建设目标和技术路径，注重雨水的“滞蓄”和“净化”利用，在保障水安全的情况下，最大限度利用雨水资源，最大限度改善水环境，实现良好的水生态目标。