王金麗 鄭興燦 張秀華 葛銅崗 李檬 鄭華清 劉嘉恒

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074)

研究背景

水作為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的命脈，對(duì)于城市發(fā)展具有重要作用。在“以人為本”發(fā)展定位、“以水四定”治水思路和海綿城市建設(shè)理念的指引下，融合水安全保障、水資源高效利用、水環(huán)境污染控制、水生態(tài)改善、水管理效能提升等多重目標(biāo)，構(gòu)建新型城市水系統(tǒng)，是推動(dòng)城市水環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵。天津生態(tài)城作為中國(guó)和新加坡兩國(guó)政府的戰(zhàn)略合作項(xiàng)目，其立意是在極端惡劣條件下創(chuàng)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型生態(tài)示范城市，為中國(guó)乃至世界其他城市可持續(xù)發(fā)展提供樣板。而生態(tài)城水面大、污染嚴(yán)重、水資源緊缺，其發(fā)展必須先解決好水的問(wèn)題，尤其需要解決高標(biāo)準(zhǔn)水系統(tǒng)和海綿城市建設(shè)的難題。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市水系統(tǒng)構(gòu)建的研究，大多從排水防澇規(guī)劃、水資源配置與利用、水污染控制、水體水質(zhì)改善與水生態(tài)環(huán)境修復(fù)、低影響開(kāi)發(fā)與海綿城市建設(shè)雨水管理、基于內(nèi)澇治理預(yù)測(cè)評(píng)估或水體水質(zhì)保持的數(shù)值模擬等規(guī)劃與技術(shù)的單一層面展開(kāi)，對(duì)鹽堿區(qū)域的研究也多數(shù)聚焦于水系空間優(yōu)化、鹽堿地濱水景觀(guān)設(shè)計(jì)、耐鹽植物選擇和土壤改良等方面，未見(jiàn)從城市水系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、管理全鏈條角度開(kāi)展技術(shù)研究與集成的案例，也鮮有統(tǒng)籌水系統(tǒng)與海綿城市建設(shè)技術(shù)研究的報(bào)道。為此，本研究圍繞天津生態(tài)城在鹽堿荒灘高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)水系統(tǒng)和海綿城市面臨的技術(shù)難題，從新型水系統(tǒng)規(guī)劃，統(tǒng)籌多種非常規(guī)水源協(xié)同處理與景觀(guān)利用、河湖岸帶生態(tài)恢復(fù)、水系連通與河濕循環(huán)水體凈化的新型水系統(tǒng)建設(shè)，協(xié)同大排水系統(tǒng)構(gòu)建、雨水調(diào)蓄利用、面源減控及景觀(guān)生態(tài)改善的海綿城市建設(shè)，水系水質(zhì)水量智能調(diào)控的水系統(tǒng)管理等方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)與集成，以期為國(guó)內(nèi)外生態(tài)城市水環(huán)境治理和水系統(tǒng)建設(shè)提供參考和借鑒。

摘 要

圍繞天津生態(tài)城高標(biāo)準(zhǔn)水系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)，分析不同發(fā)展階段的水環(huán)境問(wèn)題與技術(shù)需求，全方位開(kāi)展水系統(tǒng)及海綿城市規(guī)劃、建設(shè)與管理技術(shù)研究，創(chuàng)新形成了統(tǒng)籌所有涉水設(shè)施的生態(tài)城市新型水系統(tǒng)規(guī)劃模式、耦合大水系構(gòu)建與全過(guò)程灰綠藍(lán)結(jié)合的海綿城市規(guī)劃策略，研發(fā)了非常規(guī)水多源多功能凈化處理技術(shù)、景觀(guān)水體水質(zhì)保持與生態(tài)修復(fù)技術(shù)、鹽堿區(qū)域生物滯留設(shè)施雨水徑流污染控制技術(shù)、鹽堿影響下的雨水調(diào)蓄與利用技術(shù)、基于鹽漬土改良和耐鹽植物群落構(gòu)建的景觀(guān)生態(tài)改善技術(shù)，建立了融合水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型、多水源補(bǔ)水優(yōu)化調(diào)度模型和內(nèi)澇模型的天津生態(tài)城水系統(tǒng)智能化管理平臺(tái)。技術(shù)成果在天津生態(tài)城水系統(tǒng)和海綿城市規(guī)劃、建設(shè)與管理中得到應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)非常規(guī)水利用率超50%、水體水質(zhì)地表水IV類(lèi)，年徑流總量控制率大于80%，徑流污染削減率高于65%（以SS計(jì)）、年雨水資源化利用總量30余萬(wàn)m3，優(yōu)化了水資源結(jié)構(gòu)并提高了水資源利用效率，全面改善了天津生態(tài)城水環(huán)境質(zhì)量，提升了涉水設(shè)施動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)聯(lián)控的協(xié)同管理水平，昔日的鹽堿荒灘成為繁榮宜居的綠色生態(tài)新城，為類(lèi)似地區(qū)水系統(tǒng)和海綿城市高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)提供了參考和借鑒。

01

天津生態(tài)城水環(huán)境問(wèn)題與技術(shù)需求

天津生態(tài)城作為新建城市，從規(guī)劃建設(shè)到逐漸完善的不同發(fā)展階段面臨不同的水環(huán)境問(wèn)題，相應(yīng)的技術(shù)需求也存在差異，并且需要不斷深化。

2008年天津生態(tài)城建設(shè)伊始，土地性質(zhì)中廢棄鹽田、鹽堿荒地、污染水面各占1/3，水資源極度匱乏，生態(tài)環(huán)境極度惡化，如何統(tǒng)籌水系統(tǒng)規(guī)劃，為打造高標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)水系描摹藍(lán)圖，成為生態(tài)城水環(huán)境治理首先需要解決的問(wèn)題。為此迫切需要研究污水處理與再生、雨洪水綜合利用、水資源優(yōu)化配置、水系統(tǒng)管理等整體規(guī)劃技術(shù)，為30km2中新合作區(qū)水系統(tǒng)規(guī)劃方案制定提供支撐。

“十二五”期間天津生態(tài)城以水系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)施為重點(diǎn)任務(wù)，亟需解決補(bǔ)水水源、水量、水質(zhì)及鹽堿環(huán)境水生態(tài)修復(fù)等水系統(tǒng)建設(shè)與管理保障方面的問(wèn)題，將規(guī)劃落到實(shí)處。為此，研究多種非常規(guī)水源多等級(jí)凈化利用、景觀(guān)水體水質(zhì)保持與生態(tài)修復(fù)、水環(huán)境智能管控技術(shù)，成為推進(jìn)水系統(tǒng)高質(zhì)量建設(shè)和高效管理的重要支點(diǎn)。

“十三五”期間，天津生態(tài)城獲批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)，雖然先期的開(kāi)發(fā)建設(shè)始終秉持低影響開(kāi)發(fā)理念，然而對(duì)于技術(shù)的區(qū)域適用性還欠缺考慮，且技術(shù)應(yīng)用的系統(tǒng)性不足，因此如何突破土壤高鹽堿、弱透水、地下水位高等海綿城市建設(shè)難題，實(shí)現(xiàn)海綿技術(shù)本土化與集成化，成為亟需解決的問(wèn)題。同時(shí)，天津生態(tài)城實(shí)施行政體制改革，三區(qū)合一水系整合構(gòu)建需求迫切。為此，研究鹽堿區(qū)域雨水污染控制與調(diào)蓄利用、景觀(guān)生態(tài)改善、大水系構(gòu)建與智能管控技術(shù)，成為統(tǒng)籌推進(jìn)天津生態(tài)城海綿城市建設(shè)和水系統(tǒng)完善的重要基礎(chǔ)。

02

天津生態(tài)城新型水系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

1.統(tǒng)籌所有涉水設(shè)施的生態(tài)城市新型水系統(tǒng)規(guī)劃模式

針對(duì)天津生態(tài)城水少、水差和標(biāo)準(zhǔn)高的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，有別于傳統(tǒng)涉水專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃各自編制的思路，將給水、再生水、雨水、污水、河道水系統(tǒng)等涉水要素進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，以避免不同專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃協(xié)同銜接不足導(dǎo)致規(guī)劃落地實(shí)施難得問(wèn)題；并且堅(jiān)持安全、高效、韌性、可持續(xù)的原則，在水系統(tǒng)規(guī)劃過(guò)程中融入非常規(guī)水多源協(xié)同利用、低影響開(kāi)發(fā)等綠色低碳技術(shù)措施，以及智能管理保障策略，形成新型水系統(tǒng)構(gòu)建模式（圖1）。

圖1 新型水環(huán)境系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)路線(xiàn)

在水資源配置層面，遵循水資源梯級(jí)利用、非常規(guī)水資源利用率最大化原則，基于天津生態(tài)城城市供水水源、水質(zhì)水量與用水途徑的多維特性，以及不同用戶(hù)用水的時(shí)空差異，通過(guò)動(dòng)態(tài)供需平衡分析，優(yōu)化配置海水、雨水、再生水、過(guò)境水等非常規(guī)水源，對(duì)水資源利用進(jìn)行彈性管理。在水環(huán)境質(zhì)量提升方面，協(xié)同規(guī)劃非常規(guī)水資源凈化利用、景觀(guān)水體水水質(zhì)保持與景觀(guān)生態(tài)改善集成技術(shù)措施，保障水資源配置結(jié)果的有效落地和水環(huán)境整體改善。在水系統(tǒng)管理層面，強(qiáng)化城市水系統(tǒng)數(shù)字化軟硬件規(guī)劃，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和GIS等平臺(tái)系統(tǒng)，在城市水系統(tǒng)中布設(shè)相應(yīng)硬件設(shè)施并建立數(shù)字化管理平臺(tái)，對(duì)多水源進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)配，對(duì)水系水質(zhì)水量進(jìn)行監(jiān)控及聯(lián)動(dòng)調(diào)度，實(shí)時(shí)管理城市水系，確保排澇、水生態(tài)安全，同時(shí)在系統(tǒng)中設(shè)置預(yù)警和應(yīng)急預(yù)案，提高城市用水系統(tǒng)運(yùn)行的安全保障率。為生態(tài)城市規(guī)劃建設(shè)具有節(jié)水、減排、智能、安全、高效、健康等功能特征的水系統(tǒng)提出新的規(guī)劃參考。

2.非常規(guī)水多源多功能凈化處理技術(shù)

針對(duì)中新生態(tài)城景觀(guān)水體補(bǔ)水水源及水質(zhì)水量隨時(shí)空變化大，水體呈緩流及相對(duì)封閉的特點(diǎn)，研發(fā)多等級(jí)再生水、雨水和低污染水、高鹽水協(xié)同利用的多源多功能凈化處理集成工藝及系列運(yùn)行模式。結(jié)合水源特征，研究處理工藝單元及組合的處理效果、優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，形成多水源綜合處理技術(shù)及其工藝組合、工藝過(guò)程動(dòng)態(tài)調(diào)控方法（圖2）。

圖2 多水源補(bǔ)水的深度處理技術(shù)工藝流程及單元組合

比選提出微絮凝-氣浮過(guò)濾工藝單元組合用于處理微污染過(guò)境水和污水廠(chǎng)二級(jí)出水以生產(chǎn)普通品質(zhì)再生水，并進(jìn)一步研究提出滿(mǎn)足高品質(zhì)再生水水質(zhì)要求的微絮凝-氣浮過(guò)濾-超濾-反滲透工藝單元組合及參數(shù)；針對(duì)徑流雨水污染嚴(yán)重、暴雨沖擊強(qiáng)度大的特征，提出微絮凝-快速過(guò)濾-人工濕地工藝組合及參數(shù)。不同非常規(guī)水源處理工藝及出水水質(zhì)如表1所示，經(jīng)微絮凝-氣浮過(guò)濾/快速過(guò)濾-人工濕地處理的出水水質(zhì)優(yōu)于普通補(bǔ)水水質(zhì)要求，經(jīng)雙膜法處理的出水明顯優(yōu)于高等級(jí)補(bǔ)水水質(zhì)要求，滿(mǎn)足多水源交叉補(bǔ)水需求。

表1 非常規(guī)水源處理工藝及對(duì)應(yīng)出水水質(zhì)一覽表 mg/L

3.景觀(guān)水體水質(zhì)保持與生態(tài)修復(fù)技術(shù)

基于水系健康運(yùn)行的水量保障和水質(zhì)維持需求，研究融合多種非常規(guī)水源協(xié)同補(bǔ)水、水力循環(huán)、旁路透析、生態(tài)功能恢復(fù)的城市景觀(guān)水體水質(zhì)水量保障的集成技術(shù)，形成非常規(guī)水多源協(xié)同利用和低影響開(kāi)發(fā)實(shí)施路徑（圖3），精準(zhǔn)分配不同非常規(guī)水補(bǔ)水量和補(bǔ)水點(diǎn)，通過(guò)低影響開(kāi)發(fā)設(shè)施截留減排、水體生態(tài)修復(fù)、雨水濕地凈化等措施控制面源污染，基于水體連通循環(huán)聯(lián)動(dòng)保持水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)非常規(guī)水協(xié)同利用和水生態(tài)改善目標(biāo)。

圖3 非常規(guī)水多源協(xié)同利用和低影響開(kāi)發(fā)實(shí)施路徑

基于水資源循環(huán)高效利用目標(biāo)，通過(guò)分析影響生態(tài)水量平衡的因素，進(jìn)行生態(tài)水量平衡計(jì)算（圖4），結(jié)合2014~2016年補(bǔ)水、外排水量，并考慮降水、徑流和蒸發(fā)損失，核算出滲入及未預(yù)見(jiàn)水量為12.5萬(wàn)m3/月，滲漏方向?yàn)闈B入，由于生態(tài)城水體底部已做防滲處理，故判斷為地下水側(cè)向水平滲入。

圖4 水體水量平衡影響因素與水平衡計(jì)算公式

天津生態(tài)城30km2范圍內(nèi)生態(tài)水體面積在2020年以前處于逐步改造和建設(shè)階段，因此2018~2020年間水體水面面積和蓄水量也呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，至2020年改造完成后，水體面積基本穩(wěn)定在408萬(wàn)m2，常水位蓄水量1202萬(wàn)m3，且2018年以后為節(jié)約優(yōu)質(zhì)海淡水資源，生態(tài)補(bǔ)水主要以再生水和凈化雨水為主，海淡水作為應(yīng)急補(bǔ)水水源。分別計(jì)算近期（2018~2020年）和遠(yuǎn)期（2030年）滿(mǎn)足2次、3次換水需求的生態(tài)需水量，并通過(guò)近遠(yuǎn)期再生水和雨水資源量，核算生態(tài)補(bǔ)水保障能力。結(jié)果顯示（圖5），隨著污水量的增加和雨水凈化設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)，用于生態(tài)補(bǔ)水的提標(biāo)水量和雨水量均逐年增加，并且生態(tài)補(bǔ)水以再生水為主。近期再生水和雨水可滿(mǎn)足2次換水的基本需求，2018~2020年換水次數(shù)分別可達(dá)到2.18、2.34和2.02次。遠(yuǎn)期因生態(tài)需水量不變，而污水資源量逐年增加，所以2030年換水次數(shù)可達(dá)到2.86次。再生水和雨水近、遠(yuǎn)期均可滿(mǎn)足生態(tài)補(bǔ)水需求。

圖5 生態(tài)水量供需平衡保障能力示意

天津生態(tài)城排水體制為分流制，根據(jù)每個(gè)排水分區(qū)布設(shè)雨水泵站將雨水徑流強(qiáng)排入河的特點(diǎn)，研發(fā)了雨水泵站與復(fù)合功能濕地組合建設(shè)模式。在起步區(qū)合建泵站開(kāi)展人工濕地雨水與河水協(xié)同凈化技術(shù)研究及工程應(yīng)用示范，將三種常見(jiàn)的人工濕地（垂直潛流、水平潛流和表流）有機(jī)組合，通過(guò)調(diào)控運(yùn)行方式，雨季處理徑流雨水，非雨季旁路透析處理河水，實(shí)現(xiàn)氨氮和COD的去除。人工濕地工藝流程及應(yīng)用實(shí)景如圖6所示，目前已形成河濕循環(huán)的水系格局。

圖6 人工濕地雨水凈化及旁路透析技術(shù)流程及應(yīng)用

03

濱海鹽堿區(qū)域海綿城市建設(shè)技術(shù)

1.耦合大水系構(gòu)建的海綿城市建設(shè)規(guī)劃

“十三五”期間，天津生態(tài)城三區(qū)合一規(guī)劃統(tǒng)籌推進(jìn)，亟需整合構(gòu)建大水系。以全面改善水環(huán)境、塑造親水和諧的景觀(guān)環(huán)境為目的，結(jié)合生態(tài)城指標(biāo)體系對(duì)水系水質(zhì)水量的要求和海綿城市建設(shè)擬達(dá)到的雨水徑流量及徑流污染物削減目標(biāo)等需求，協(xié)調(diào)涉水專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃及海綿規(guī)劃，遵循綠灰藍(lán)結(jié)合雨水調(diào)控理念，提出水系周邊用地布局優(yōu)化方案；合作區(qū)水動(dòng)力改善及水質(zhì)凈化提升方案；不同功能區(qū)淡水連通及補(bǔ)水協(xié)調(diào)、淡水系統(tǒng)和海水系統(tǒng)耦合行洪調(diào)蓄安全保障方案。

將海綿設(shè)施小調(diào)蓄與水系大調(diào)蓄有效結(jié)合，協(xié)同綠色基礎(chǔ)設(shè)施不同鹽分雨水徑流的濕地處理與生態(tài)補(bǔ)水、再生水常規(guī)補(bǔ)水、水體循環(huán)與旁路濕地凈化、不同鹽分水體的連通與水力交換作用，構(gòu)建基于鹽分梯度控制的景觀(guān)水體與濕地系統(tǒng)及相應(yīng)耐鹽級(jí)別的鹽生景觀(guān)植物群落，有效利用非常規(guī)水資源、調(diào)控土壤和水體鹽分、保障水安全、塑造水景觀(guān)。形成涵蓋水質(zhì)、水量、行洪調(diào)蓄、景觀(guān)生態(tài)改善多目標(biāo)的生態(tài)城大水系構(gòu)建方案（圖7），為涉水項(xiàng)目合理有序建設(shè)提供參考。

圖7 三區(qū)合一大水系構(gòu)建技術(shù)策略框架圖

立足于天津生態(tài)城本地特征，基于海綿城市水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水安全、水景觀(guān)目標(biāo)，實(shí)施分區(qū)管控、指標(biāo)分級(jí)和項(xiàng)目落實(shí)的建管模式，具體項(xiàng)目中采取雨水徑流源頭削減-過(guò)程調(diào)控-末端管控的系統(tǒng)化措施（圖8）。耦合海綿設(shè)施、管網(wǎng)、水系多級(jí)調(diào)蓄與凈化功能，以及地表水和地下水的水文交換利用，構(gòu)建大排水系統(tǒng)，形成天津生態(tài)城海綿城市建設(shè)整體技術(shù)策略，支撐徑流量與徑流污染控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

圖8 海綿城市全過(guò)程管控模式

2.鹽堿區(qū)域海綿城市構(gòu)建與景觀(guān)生態(tài)改善集成技術(shù)

圍繞海綿城市建設(shè)的徑流量、徑流污染削減、景觀(guān)環(huán)境提升，基于促滲減排壓鹽控鹽等多目標(biāo)，進(jìn)行海綿技術(shù)措施組成要素、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建設(shè)運(yùn)維等鹽堿區(qū)域適用性參數(shù)優(yōu)化以及鹽生景觀(guān)塑造研究。研發(fā)鹽堿區(qū)域生物滯留設(shè)施徑流污染控制、雨水調(diào)蓄利用、景觀(guān)生態(tài)改善技術(shù)，耦合大水系調(diào)蓄及不同鹽分梯度的水環(huán)境景觀(guān)改善，形成鹽堿區(qū)域海綿城市構(gòu)建與景觀(guān)生態(tài)改善集成技術(shù)。

1）鹽堿區(qū)域生物滯留設(shè)施雨水徑流污染控制技術(shù)。

針對(duì)以天津生態(tài)城為代表的鹽堿區(qū)域建設(shè)海綿城市面臨的面源污染特征復(fù)雜、地下水位高、土壤鹽堿化程度高且滲透性極差等問(wèn)題，開(kāi)展生物滯留設(shè)施徑流污染控制技術(shù)參數(shù)的本土化研究，篩選4種適生草本植物；量化確定種植土改良配料和厚度：種植土:細(xì)砂:有機(jī)料=（0.5-0.7）:（0.2-0.3）:（0.1-0.2），種植土厚度種草本為20cm-30cm、種灌木為45cm-60cm；優(yōu)選氮磷凈化人工填料并定量化摻混體積比沸石:蛭石:麥飯石:砂=3:7:1:6，人工填料層厚度30cm~50cm；確定防止地下水鹽分對(duì)設(shè)施影響的最高地下水位埋深應(yīng)>1.75m。

研究形成促滲減排控污壓鹽協(xié)同的鹽堿區(qū)域生物滯留設(shè)施雨水徑流污染控制技術(shù)與設(shè)施系統(tǒng)。統(tǒng)籌預(yù)處理措施、適宜植物選擇、設(shè)施土壤入滲性能改良、多功能復(fù)合型凈水填料選配及設(shè)施下挖深度參數(shù)優(yōu)化與集節(jié)水控鹽運(yùn)維調(diào)控于一體的技術(shù)措施，形成了適合鹽堿區(qū)域雨水徑流污染控制的生物滯留設(shè)施構(gòu)建策略。技術(shù)已在天津生態(tài)城甘露溪和中新友好景觀(guān)工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用。累計(jì)實(shí)測(cè)18場(chǎng)降雨，每場(chǎng)降雨初期、中期、后期分別采集設(shè)施出水，測(cè)定SS濃度變化，降雨量及設(shè)施出流SS濃度如表2所示，其中6場(chǎng)降雨雨量小于30mm，生物滯留設(shè)施未產(chǎn)生出流，徑流全部得到消納。

表2 實(shí)測(cè)場(chǎng)次降雨雨量及生物滯留設(shè)施出流SS濃度一覽表

同時(shí)，以路面徑流作為對(duì)照，分析生物滯留設(shè)施每年出水SS濃度變化趨勢(shì)（圖9），結(jié)果顯示，與路面徑流相比，生物滯留設(shè)施出水SS濃度明顯較低，年均出水SS濃度均低于35mg/L，表明設(shè)施對(duì)雨水徑流具有良好的凈化效果，并且對(duì)SS的去除呈現(xiàn)逐年向好的趨勢(shì)。

圖9 生物滯留設(shè)施出流與路面徑流SS濃度對(duì)照?qǐng)D

2）鹽堿影響下的雨水調(diào)蓄與利用技術(shù)。

針對(duì)鹽堿區(qū)域雨水資源化利用受制于雨水徑流鹽分的影響問(wèn)題，研究提出適用于鹽堿地區(qū)的不同下墊面雨水分類(lèi)收集與利用方案。依據(jù)下墊面鹽分變化定量提出屋頂徑流無(wú)需棄流，路面徑流初期棄流6mm，綠地徑流初期棄流20mm；依據(jù)回用途徑對(duì)鹽分的要求，形成雨水分類(lèi)收集與利用模式（圖11）。技術(shù)已應(yīng)用于甘露溪和中新友好景觀(guān)工程，甘露溪公園雨水梯級(jí)調(diào)蓄可消納削減75.7mm降雨量（調(diào)蓄量為7916m3），雨水利用率提升至35%；中新友好公園雨水調(diào)蓄設(shè)施可消納削減量86.9mm降雨量（調(diào)蓄量為46074m3），雨水利用率提升至34%，解決了鹽堿區(qū)域雨水資源化利用的難點(diǎn)問(wèn)題。

圖10 鹽堿影響下雨水分類(lèi)收集與利用模式

3）基于鹽漬土改良和耐鹽植物群落構(gòu)建的景觀(guān)生態(tài)改善技術(shù)。

天津生態(tài)城海綿城市景觀(guān)建設(shè)面臨土壤鹽漬化重、植物生長(zhǎng)環(huán)境受限的問(wèn)題，而目前鹽堿地土壤大多采用秸稈覆蓋、秸稈深埋、有機(jī)肥和脫硫石膏等單方面改良措施，集成土壤改良、排鹽淋層脫鹽模式的研究未見(jiàn)報(bào)道。本研究突破經(jīng)濟(jì)便捷的鹽堿地工程隔鹽、鹽漬土改良方案、耐鹽植物多樣性及生態(tài)景觀(guān)穩(wěn)定性提升措施等技術(shù)難點(diǎn)，開(kāi)發(fā)鹽漬土改良和鹽生植物群落構(gòu)建技術(shù)。優(yōu)選有機(jī)調(diào)和物改良濱海鹽漬土配方，牛糞：醋糟：食用菌菌渣：綠化粉碎料：原土=15:45:45:45:510、30:15:30:45:510、30:30:45:15:510，可顯著降低土壤鹽分；以土工布和蘆葦秸稈作為隔鹽淋層替代傳統(tǒng)碎石材料，結(jié)合盲管排鹽工藝，通過(guò)自然降雨等非常規(guī)水進(jìn)行淋洗降鹽，0-90cm土壤鹽分在雨季后較雨季前降低17%~42.01%，可有效抑制土體返鹽。與鹽堿地普遍采用的客土種植、盲管排鹽相比，綜合采用原土有機(jī)廢棄物改良和土工布、蘆葦或園林綠化廢棄物粉碎料隔淋層的鹽堿地綠化工藝，平均每平米綠化成本可以降低約35元；在植物改良土壤方面，研究表明，30余種耐鹽植物對(duì)鹽漬土的改良效果較好，形成鹽堿濕地、復(fù)合耐鹽、單一耐鹽植物群落的多層級(jí)鹽生植物群落結(jié)構(gòu)，提升了景觀(guān)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。技術(shù)已應(yīng)用于中新友好景觀(guān)工程濱河帶景觀(guān)構(gòu)建，濱河帶耐鹽植物種類(lèi)、數(shù)量比例分別達(dá)到83%和96%。

04

城市涉水設(shè)施動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)聯(lián)控智能平臺(tái)構(gòu)建

生態(tài)城作為國(guó)家海綿城市試點(diǎn)，基于徑流總量控制與排水防澇安全保障、徑流污染控制與水環(huán)境水生態(tài)改善、非常規(guī)水資源綜合配置與利用等方面目標(biāo)，需要考慮滿(mǎn)足涉水設(shè)施系統(tǒng)、協(xié)同調(diào)度要求的智能化監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，而模型是構(gòu)建智能化、信息化管理系統(tǒng)的關(guān)鍵。為此研究開(kāi)發(fā)水動(dòng)力-水質(zhì)模擬、多水源補(bǔ)水優(yōu)化調(diào)度、海綿內(nèi)澇模型為一體的天津生態(tài)城水系統(tǒng)智能化管理模型庫(kù)，是構(gòu)建天津生態(tài)城水系統(tǒng)智能管理平臺(tái)的重要內(nèi)容。

針對(duì)天津生態(tài)城景觀(guān)水體半封閉、流動(dòng)性差、補(bǔ)給源短缺且多樣的特點(diǎn)，耦合水動(dòng)力學(xué)模型（EFDC）和水質(zhì)模型（WASP）構(gòu)建水環(huán)境系統(tǒng)水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，應(yīng)用該模型水體進(jìn)行仿真模擬，并利用ARCGIS技術(shù)將模型與地理空間緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)模型可視化。水動(dòng)力模型應(yīng)用顯示（圖11），單點(diǎn)補(bǔ)水情景下，水體的流速較小，存在明顯的死水區(qū)，在湖泊岸線(xiàn)內(nèi)凹的區(qū)域存在污染物積累問(wèn)題。水體水質(zhì)受水源影響較大，采用低質(zhì)補(bǔ)水水源時(shí)，葉綠素a濃度上升明顯；總磷、氨氮等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高，且在補(bǔ)水點(diǎn)附近形成積累。針對(duì)生態(tài)城景觀(guān)水體現(xiàn)狀問(wèn)題，可從補(bǔ)水方式和補(bǔ)水水質(zhì)兩方面進(jìn)行改進(jìn)，流場(chǎng)模擬結(jié)果表明采用多點(diǎn)補(bǔ)水有利于改善水體各區(qū)域的交換性，補(bǔ)水均勻性提高。水質(zhì)模型應(yīng)用顯示：提升補(bǔ)水水質(zhì)可有效控制浮游植物的生長(zhǎng)，水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度下降，多點(diǎn)補(bǔ)水與提升補(bǔ)水水質(zhì)聯(lián)合方案指導(dǎo)下，水體水質(zhì)改善效果更加明顯；增設(shè)水體循環(huán)凈化，可減小水體滯流區(qū)的面積并提高水體水質(zhì)，同時(shí)提出在局部的滯水區(qū)采用噴泉，水車(chē)等措施以改善水力條件。通過(guò)天津生態(tài)城連通水系的水動(dòng)力與水質(zhì)模擬，提出了多點(diǎn)補(bǔ)水、提升補(bǔ)水水質(zhì)及旁路循環(huán)凈化的多種優(yōu)化方案，利用模型對(duì)各優(yōu)化方案及其組合方案進(jìn)行優(yōu)化模擬，提出水動(dòng)力-水質(zhì)組合優(yōu)化方案。

圖11 基于水動(dòng)力-水質(zhì)模型的水體補(bǔ)水與循環(huán)凈化優(yōu)化模擬

運(yùn)用多目標(biāo)非線(xiàn)性規(guī)劃（MONLP）技術(shù)，構(gòu)建天津生態(tài)城水系統(tǒng)多水源補(bǔ)水優(yōu)化調(diào)度模型。以水質(zhì)達(dá)標(biāo)和水資源利用效率最大為目標(biāo)函數(shù)，考慮水量控制、污染物總量控制、防洪等約束條件，通過(guò)對(duì)蓄水量、雨水補(bǔ)水量、普通水源補(bǔ)水量、高等級(jí)水源補(bǔ)水量和循環(huán)凈化水量5個(gè)模型決策變量的優(yōu)化，提出多水源補(bǔ)水的分季節(jié)、分水期調(diào)度策略。模型優(yōu)化結(jié)果顯示（圖12），9-11月為蓄水期，在11月末達(dá)到高水位，以便緩解次年春季水資源短缺問(wèn)題。補(bǔ)水主要采用過(guò)境水和普通補(bǔ)水，9月以過(guò)境水為主，10月和11月以普通補(bǔ)水水源和過(guò)境水為主，11月末水位達(dá)到高水位。由于要求在冬季冰封期來(lái)臨前使水質(zhì)保持良好，11月循環(huán)凈化水量保持高負(fù)荷運(yùn)行。6-8月水體補(bǔ)水主要為雨水，然而隨著城市大氣污染及地面污染的嚴(yán)重，雨水徑流污染愈加嚴(yán)重，尤其是污染物較多的初期雨水，必須考慮對(duì)雨水的凈化處理。高品質(zhì)再生水的生產(chǎn)費(fèi)用較高，故在生態(tài)城水資源優(yōu)化的過(guò)程中，在保證水量水質(zhì)的情況下，盡可能地提高可利用雨水和過(guò)境水的水質(zhì)，減少高品質(zhì)再生水的供應(yīng)量，這在一定程度上可降低水環(huán)境系統(tǒng)運(yùn)行成本。

圖12 水系多水源補(bǔ)水優(yōu)化調(diào)度模擬

應(yīng)用水文水動(dòng)力方法構(gòu)建海綿內(nèi)澇模型，對(duì)2年、5年、10年、20年一遇典型降雨下的內(nèi)澇分布情況進(jìn)行模擬。針對(duì)生態(tài)城某一易澇區(qū)域的防汛調(diào)度，可通過(guò)分析監(jiān)測(cè)降雨雨量結(jié)合未來(lái)時(shí)段預(yù)報(bào)降雨雨量，判別當(dāng)前場(chǎng)次降雨等級(jí)，根據(jù)降雨等級(jí)可將附近雨水管網(wǎng)業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與相應(yīng)降雨等級(jí)下的海綿內(nèi)澇模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)照分析，結(jié)合海綿內(nèi)澇積水模型對(duì)積水水深、積水過(guò)程歷時(shí)、退水過(guò)程歷時(shí)等的評(píng)估結(jié)果，為該區(qū)域的最大積水水深判斷、積退水時(shí)間判斷等提供對(duì)照參考。同時(shí)，通過(guò)雨量、水體水位、潮位等特征指標(biāo)警戒閾值配置，進(jìn)行預(yù)警管理，并制定應(yīng)急預(yù)岸案；結(jié)合不同的情勢(shì)判斷、模型預(yù)案庫(kù)及水質(zhì)和水安全改善效果分析結(jié)果，匹配適合的預(yù)案，為調(diào)度提供決策支撐。

基于所研發(fā)的模型和預(yù)案，構(gòu)建了涵蓋水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水量感知、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、預(yù)報(bào)警、輔助決策、應(yīng)急調(diào)度等功能的天津生態(tài)城水系統(tǒng)智能化管理平臺(tái)，平臺(tái)調(diào)度大廳的水環(huán)境系統(tǒng)調(diào)度人員通過(guò)平臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集傳輸上來(lái)的水質(zhì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并自動(dòng)預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)突發(fā)異常報(bào)警或水質(zhì)污染預(yù)警。調(diào)度人員獲取信息后，根據(jù)《天津生態(tài)城水環(huán)境系統(tǒng)應(yīng)急預(yù)案》即時(shí)啟動(dòng)處置預(yù)案，對(duì)污水、排水、雨水、景觀(guān)水體等相關(guān)部門(mén)和單位進(jìn)行調(diào)度指揮，執(zhí)行應(yīng)急預(yù)案，對(duì)水質(zhì)污染事故進(jìn)行集中處理，形成了集水質(zhì)監(jiān)測(cè)、處置預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度于一體的閉環(huán)式管理，為生態(tài)城涉水業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理提供了保障。

05

結(jié)論

為打造國(guó)際生態(tài)示范城市，在天津生態(tài)城水系統(tǒng)構(gòu)建與海綿城市建設(shè)實(shí)踐中，積極開(kāi)展創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)。規(guī)劃層面，以水系統(tǒng)規(guī)劃為先導(dǎo)，統(tǒng)籌所有涉水設(shè)施，進(jìn)行多水源統(tǒng)籌配置，并超前布局智能化管控，形成了新型水系統(tǒng)規(guī)劃模式，體現(xiàn)了城市規(guī)劃建設(shè)管理的科學(xué)性和前瞻性，符合“以水定城”的發(fā)展理念，在其他城市或區(qū)域水系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)中推廣應(yīng)用前景廣闊。技術(shù)層面，緊扣缺水城市水資源短缺特點(diǎn)，在新型水系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，研發(fā)生物、物化、生態(tài)處理技術(shù)靈活組合模式，協(xié)同處理利用多種非常規(guī)水源進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，對(duì)于缺水地區(qū)水生態(tài)修復(fù)意義重大；將綠灰藍(lán)結(jié)合的海綿理念貫穿于城市開(kāi)發(fā)建設(shè)全過(guò)程，將水系納入海綿范疇，形成了耦合海綿理念的大水系構(gòu)建技術(shù)策略；研發(fā)適用于鹽堿地區(qū)的雨水調(diào)蓄利用、徑流污染控制和景觀(guān)生態(tài)改善技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的本土化，綜合提升城市水環(huán)境質(zhì)量，對(duì)其他類(lèi)似城市極具參考價(jià)值。管理層面，開(kāi)發(fā)水動(dòng)力-水質(zhì)耦合、多水源補(bǔ)水優(yōu)化調(diào)度、海綿內(nèi)澇系列化模型，構(gòu)建天津生態(tài)城水系統(tǒng)智能化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)涉水設(shè)施動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)聯(lián)控，綜合保障城市水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提升涉水設(shè)施高效管理水平。

開(kāi)發(fā)的新型水系統(tǒng)構(gòu)建、濱海鹽堿區(qū)域海綿城市建設(shè)與水生態(tài)改善成套技術(shù)，全面應(yīng)用于天津生態(tài)城水系統(tǒng)和海綿城市規(guī)劃、建設(shè)和管理當(dāng)中，助力天津生態(tài)城優(yōu)美宜居生態(tài)城市建設(shè)提前達(dá)到《生態(tài)城指標(biāo)體系》目標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)非常規(guī)水利用率超50%、水體水質(zhì)地表水IV類(lèi)，年徑流總量控制率大于80%，徑流污染削減率高于65%（以SS計(jì)），年雨水資源化利用總量30余萬(wàn)m3，昔日的鹽堿荒灘成為繁榮宜居的綠色生態(tài)新城。未來(lái)，在打造生態(tài)城市升級(jí)版和智慧城市創(chuàng)新版的進(jìn)程中，水系統(tǒng)進(jìn)一步完善、城市水環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施低碳、智慧賦能轉(zhuǎn)型發(fā)展是必然趨勢(shì)，天津生態(tài)城水系統(tǒng)構(gòu)建與海綿城市建設(shè)技術(shù)將持續(xù)優(yōu)化提升，引領(lǐng)我國(guó)城市水環(huán)境綠色高質(zhì)量發(fā)展。