天津生态城水系统构建与海绵建设技术研究与实践
研究背景
水作为支撑经济社会发展的命脉，对于城市发展具有重要作用。在“以人为本”发展定位、“以水四定”治水思路和海绵城市建设理念的指引下，融合水安全保障、水资源高效利用、水环境污染控制、水生态改善、水管理效能提升等多重目标，构建新型城市水系统，是推动城市水环境高质量发展的关键。天津生态城作为中国和新加坡两国政府的战略合作项目，其立意是在极端恶劣条件下创建资源节约型、环境友好型生态示范城市，为中国乃至世界其他城市可持续发展提供样板。而生态城水面大、污染严重、水资源紧缺，其发展必须先解决好水的问题，尤其需要解决高标准水系统和海绵城市建设的难题。目前国内外关于城市水系统构建的研究，大多从排水防涝规划、水资源配置与利用、水污染控制、水体水质改善与水生态环境修复、低影响开发与海绵城市建设雨水管理、基于内涝治理预测评估或水体水质保持的数值模拟等规划与技术的单一层面展开，对盐碱区域的研究也多数聚焦于水系空间优化、盐碱地滨水景观设计、耐盐植物选择和土壤改良等方面，未见从城市水系统规划、建设、管理全链条角度开展技术研究与集成的案例，也鲜有统筹水系统与海绵城市建设技术研究的报道。为此，本研究围绕天津生态城在盐碱荒滩高标准建设水系统和海绵城市面临的技术难题，从新型水系统规划，统筹多种非常规水源协同处理与景观利用、河湖岸带生态恢复、水系连通与河湿循环水体净化的新型水系统建设，协同大排水系统构建、雨水调蓄利用、面源减控及景观生态改善的海绵城市建设，水系水质水量智能调控的水系统管理等方面进行技术攻关与集成，以期为国内外生态城市水环境治理和水系统建设提供参考和借鉴。
摘 要
围绕天津生态城高标准水系统建设目标，分析不同发展阶段的水环境问题与技术需求，全方位开展水系统及海绵城市规划、建设与管理技术研究，创新形成了统筹所有涉水设施的生态城市新型水系统规划模式、耦合大水系构建与全过程灰绿蓝结合的海绵城市规划策略，研发了非常规水多源多功能净化处理技术、景观水体水质保持与生态修复技术、盐碱区域生物滞留设施雨水径流污染控制技术、盐碱影响下的雨水调蓄与利用技术、基于盐渍土改良和耐盐植物群落构建的景观生态改善技术，建立了融合水动力-水质耦合模型、多水源补水优化调度模型和内涝模型的天津生态城水系统智能化管理平台。技术成果在天津生态城水系统和海绵城市规划、建设与管理中得到应用， 实现非常规水利用率超50%、水体水质地表水IV类，年径流总量控制率大于80%，径流污染削减率高于65%（以SS计）、年雨水资源化利用总量30余万m3，优化了水资源结构并提高了水资源利用效率，全面改善了天津生态城水环境质量，提升了涉水设施动态联动联控的协同管理水平，昔日的盐碱荒滩成为繁荣宜居的绿色生态新城，为类似地区水系统和海绵城市高标准建设提供了参考和借鉴。
01天津生态城水环境问题与技术需求
天津生态城作为新建城市，从规划建设到逐渐完善的不同发展阶段面临不同的水环境问题，相应的技术需求也存在差异，并且需要不断深化。
2008年天津生态城建设伊始，土地性质中废弃盐田、盐碱荒地、污染水面各占1/3，水资源极度匮乏，生态环境极度恶化，如何统筹水系统规划，为打造高标准生态水系描摹蓝图，成为生态城水环境治理首先需要解决的问题。为此迫切需要研究污水处理与再生、雨洪水综合利用、水资源优化配置、水系统管理等整体规划技术，为30km2中新合作区水系统规划方案制定提供支撑。
“十二五”期间天津生态城以水系统构建与实施为重点任务，亟需解决补水水源、水量、水质及盐碱环境水生态修复等水系统建设与管理保障方面的问题，将规划落到实处。为此，研究多种非常规水源多等级净化利用、景观水体水质保持与生态修复、水环境智能管控技术，成为推进水系统高质量建设和高效管理的重要支点。
“十三五”期间，天津生态城获批海绵城市建设试点，虽然先期的开发建设始终秉持低影响开发理念，然而对于技术的区域适用性还欠缺考虑，且技术应用的系统性不足，因此如何突破土壤高盐碱、弱透水、地下水位高等海绵城市建设难题，实现海绵技术本土化与集成化，成为亟需解决的问题。同时，天津生态城实施行政体制改革，三区合一水系整合构建需求迫切。为此，研究盐碱区域雨水污染控制与调蓄利用、景观生态改善、大水系构建与智能管控技术，成为统筹推进天津生态城海绵城市建设和水系统完善的重要基础。
02天津生态城新型水系统构建技术
1. 统筹所有涉水设施的生态城市新型水系统规划模式
针对天津生态城水少、水差和标准高的现实问题，有别于传统涉水专项规划各自编制的思路，将给水、再生水、雨水、污水、河道水系统等涉水要素进行统一规划，以避免不同专项规划协同衔接不足导致规划落地实施难得问题；并且坚持安全、高效、韧性、可持续的原则，在水系统规划过程中融入非常规水多源协同利用、低影响开发等绿色低碳技术措施，以及智能管理保障策略，形成新型水系统构建模式（图1）。
图1 新型水环境系统构建技术路线
在水资源配置层面，遵循水资源梯级利用、非常规水资源利用率最大化原则，基于天津生态城城市供水水源、水质水量与用水途径的多维特性，以及不同用户用水的时空差异，通过动态供需平衡分析，优化配置海水、雨水、再生水、过境水等非常规水源，对水资源利用进行弹性管理。在水环境质量提升方面，协同规划非常规水资源净化利用、景观水体水水质保持与景观生态改善集成技术措施，保障水资源配置结果的有效落地和水环境整体改善。在水系统管理层面，强化城市水系统数字化软硬件规划，充分利用现代信息技术和GIS等平台系统，在城市水系统中布设相应硬件设施并建立数字化管理平台，对多水源进行实时优化调配，对水系水质水量进行监控及联动调度，实时管理城市水系，确保排涝、水生态安全，同时在系统中设置预警和应急预案，提高城市用水系统运行的安全保障率。为生态城市规划建设具有节水、减排、智能、安全、高效、健康等功能特征的水系统提出新的规划参考。
2. 非常规水多源多功能净化处理技术
针对中新生态城景观水体补水水源及水质水量随时空变化大，水体呈缓流及相对封闭的特点，研发多等级再生水、雨水和低污染水、高盐水协同利用的多源多功能净化处理集成工艺及系列运行模式。结合水源特征，研究处理工艺单元及组合的处理效果、优化运行参数，形成多水源综合处理技术及其工艺组合、工艺过程动态调控方法（图2）。
图2 多水源补水的深度处理技术工艺流程及单元组合
比选提出微絮凝-气浮过滤工艺单元组合用于处理微污染过境水和污水厂二级出水以生产普通品质再生水，并进一步研究提出满足高品质再生水水质要求的微絮凝-气浮过滤-超滤-反渗透工艺单元组合及参数；针对径流雨水污染严重、暴雨冲击强度大的特征，提出微絮凝-快速过滤-人工湿地工艺组合及参数。不同非常规水源处理工艺及出水水质如表1所示，经微絮凝-气浮过滤/快速过滤-人工湿地处理的出水水质优于普通补水水质要求，经双膜法处理的出水明显优于高等级补水水质要求，满足多水源交叉补水需求。
表1 非常规水源处理工艺及对应出水水质一览表 mg/L
3. 景观水体水质保持与生态修复技术
基于水系健康运行的水量保障和水质维持需求，研究融合多种非常规水源协同补水、水力循环、旁路透析、生态功能恢复的城市景观水体水质水量保障的集成技术，形成非常规水多源协同利用和低影响开发实施路径（图3），精准分配不同非常规水补水量和补水点，通过低影响开发设施截留减排、水体生态修复、雨水湿地净化等措施控制面源污染，基于水体连通循环联动保持水质，实现非常规水协同利用和水生态改善目标。
图3 非常规水多源协同利用和低影响开发实施路径
基于水资源循环高效利用目标，通过分析影响生态水量平衡的因素，进行生态水量平衡计算（图4），结合2014~2016年补水、外排水量，并考虑降水、径流和蒸发损失，核算出渗入及未预见水量为12.5万m3/月，渗漏方向为渗入，由于生态城水体底部已做防渗处理，故判断为地下水侧向水平渗入。
图4 水体水量平衡影响因素与水平衡计算公式
天津生态城30km2范围内生态水体面积在2020年以前处于逐步改造和建设阶段，因此2018~2020年间水体水面面积和蓄水量也呈现出逐渐增加的趋势，至2020年改造完成后，水体面积基本稳定在408万m2，常水位蓄水量1202万m3，且2018年以后为节约优质海淡水资源，生态补水主要以再生水和净化雨水为主，海淡水作为应急补水水源。分别计算近期（2018~2020年）和远期（2030年）满足2次、3次换水需求的生态需水量，并通过近远期再生水和雨水资源量，核算生态补水保障能力。结果显示（图5），随着污水量的增加和雨水净化设施建设的推进，用于生态补水的提标水量和雨水量均逐年增加，并且生态补水以再生水为主。近期再生水和雨水可满足2次换水的基本需求，2018~2020年换水次数分别可达到2.18、2.34和2.02次。远期因生态需水量不变，而污水资源量逐年增加，所以2030年换水次数可达到2.86次。再生水和雨水近、远期均可满足生态补水需求。
图5 生态水量供需平衡保障能力示意
天津生态城排水体制为分流制，根据每个排水分区布设雨水泵站将雨水径流强排入河的特点，研发了雨水泵站与复合功能湿地组合建设模式。在起步区合建泵站开展人工湿地雨水与河水协同净化技术研究及工程应用示范，将三种常见的人工湿地（垂直潜流、水平潜流和表流）有机组合，通过调控运行方式，雨季处理径流雨水，非雨季旁路透析处理河水，实现氨氮和COD的去除。人工湿地工艺流程及应用实景如图6所示，目前已形成河湿循环的水系格局。
图6 人工湿地雨水净化及旁路透析技术流程及应用
03滨海盐碱区域海绵城市建设技术
1. 耦合大水系构建的海绵城市建设规划
“十三五”期间，天津生态城三区合一规划统筹推进，亟需整合构建大水系。以全面改善水环境、塑造亲水和谐的景观环境为目的，结合生态城指标体系对水系水质水量的要求和海绵城市建设拟达到的雨水径流量及径流污染物削减目标等需求，协调涉水专项规划及海绵规划，遵循绿灰蓝结合雨水调控理念，提出水系周边用地布局优化方案；合作区水动力改善及水质净化提升方案；不同功能区淡水连通及补水协调、淡水系统和海水系统耦合行洪调蓄安全保障方案。
将海绵设施小调蓄与水系大调蓄有效结合，协同绿色基础设施不同盐分雨水径流的湿地处理与生态补水、再生水常规补水、水体循环与旁路湿地净化、不同盐分水体的连通与水力交换作用，构建基于盐分梯度控制的景观水体与湿地系统及相应耐盐级别的盐生景观植物群落，有效利用非常规水资源、调控土壤和水体盐分、保障水安全、塑造水景观。形成涵盖水质、水量、行洪调蓄、景观生态改善多目标的生态城大水系构建方案（图7），为涉水项目合理有序建设提供参考。
图7 三区合一大水系构建技术策略框架图
立足于天津生态城本地特征，基于海绵城市水资源、水环境、水生态、水安全、水景观目标，实施分区管控、指标分级和项目落实的建管模式，具体项目中采取雨水径流源头削减-过程调控-末端管控的系统化措施（图8）。耦合海绵设施、管网、水系多级调蓄与净化功能，以及地表水和地下水的水文交换利用，构建大排水系统，形成天津生态城海绵城市建设整体技术策略，支撑径流量与径流污染控制目标的实现。
图8 海绵城市全过程管控模式
2. 盐碱区域海绵城市构建与景观生态改善集成技术
围绕海绵城市建设的径流量、径流污染削减、景观环境提升，基于促渗减排压盐控盐等多目标，进行海绵技术措施组成要素、结构设计、建设运维等盐碱区域适用性参数优化以及盐生景观塑造研究。研发盐碱区域生物滞留设施径流污染控制、雨水调蓄利用、景观生态改善技术，耦合大水系调蓄及不同盐分梯度的水环境景观改善，形成盐碱区域海绵城市构建与景观生态改善集成技术。
1）盐碱区域生物滞留设施雨水径流污染控制技术。
针对以天津生态城为代表的盐碱区域建设海绵城市面临的面源污染特征复杂、地下水位高、土壤盐碱化程度高且渗透性极差等问题，开展生物滞留设施径流污染控制技术参数的本土化研究，筛选4种适生草本植物；量化确定种植土改良配料和厚度：种植土:细砂:有机料=（0.5-0.7）:（0.2-0.3）:（0.1-0.2），种植土厚度种草本为20cm-30cm、种灌木为45cm-60cm；优选氮磷净化人工填料并定量化掺混体积比沸石:蛭石:麦饭石:砂=3:7:1:6，人工填料层厚度30cm~50cm；确定防止地下水盐分对设施影响的最高地下水位埋深应>1.75m。
研究形成促渗减排控污压盐协同的盐碱区域生物滞留设施雨水径流污染控制技术与设施系统。统筹预处理措施、适宜植物选择、设施土壤入渗性能改良、多功能复合型净水填料选配及设施下挖深度参数优化与集节水控盐运维调控于一体的技术措施，形成了适合盐碱区域雨水径流污染控制的生物滞留设施构建策略。技术已在天津生态城甘露溪和中新友好景观工程项目中得到应用。累计实测18场降雨，每场降雨初期、中期、后期分别采集设施出水，测定SS浓度变化，降雨量及设施出流SS浓度如表2所示，其中6场降雨雨量小于30mm，生物滞留设施未产生出流，径流全部得到消纳。
表2 实测场次降雨雨量及生物滞留设施出流SS浓度一览表
同时，以路面径流作为对照，分析生物滞留设施每年出水SS浓度变化趋势（图9），结果显示，与路面径流相比，生物滞留设施出水SS浓度明显较低，年均出水SS浓度均低于35mg/L，表明设施对雨水径流具有良好的净化效果，并且对SS的去除呈现逐年向好的趋势。
图9 生物滞留设施出流与路面径流SS浓度对照图
2）盐碱影响下的雨水调蓄与利用技术。
针对盐碱区域雨水资源化利用受制于雨水径流盐分的影响问题，研究提出适用于盐碱地区的不同下垫面雨水分类收集与利用方案。依据下垫面盐分变化定量提出屋顶径流无需弃流，路面径流初期弃流6mm，绿地径流初期弃流20mm；依据回用途径对盐分的要求，形成雨水分类收集与利用模式（图11）。技术已应用于甘露溪和中新友好景观工程，甘露溪公园雨水梯级调蓄可消纳削减75.7mm降雨量（调蓄量为7916m3），雨水利用率提升至35%；中新友好公园雨水调蓄设施可消纳削减量86.9mm降雨量（调蓄量为46074m3），雨水利用率提升至34%，解决了盐碱区域雨水资源化利用的难点问题。
图10 盐碱影响下雨水分类收集与利用模式
3）基于盐渍土改良和耐盐植物群落构建的景观生态改善技术。
天津生态城海绵城市景观建设面临土壤盐渍化重、植物生长环境受限的问题，而目前盐碱地土壤大多采用秸秆覆盖、秸秆深埋、有机肥和脱硫石膏等单方面改良措施，集成土壤改良、排盐淋层脱盐模式的研究未见报道。本研究突破经济便捷的盐碱地工程隔盐、盐渍土改良方案、耐盐植物多样性及生态景观稳定性提升措施等技术难点，开发盐渍土改良和盐生植物群落构建技术。优选有机调和物改良滨海盐渍土配方，牛粪：醋糟：食用菌菌渣：绿化粉碎料：原土=15:45:45:45:510、30:15:30:45:510、30:30:45:15:510，可显著降低土壤盐分；以土工布和芦苇秸秆作为隔盐淋层替代传统碎石材料，结合盲管排盐工艺，通过自然降雨等非常规水进行淋洗降盐，0-90cm土壤盐分在雨季后较雨季前降低17%~42.01%，可有效抑制土体返盐。与盐碱地普遍采用的客土种植、盲管排盐相比，综合采用原土有机废弃物改良和土工布、芦苇或园林绿化废弃物粉碎料隔淋层的盐碱地绿化工艺，平均每平米绿化成本可以降低约35元；在植物改良土壤方面，研究表明，30余种耐盐植物对盐渍土的改良效果较好，形成盐碱湿地、复合耐盐、单一耐盐植物群落的多层级盐生植物群落结构，提升了景观生态环境质量。技术已应用于中新友好景观工程滨河带景观构建，滨河带耐盐植物种类、数量比例分别达到83%和96%。
04城市涉水设施动态联动联控智能平台构建
生态城作为国家海绵城市试点，基于径流总量控制与排水防涝安全保障、径流污染控制与水环境水生态改善、非常规水资源综合配置与利用等方面目标，需要考虑满足涉水设施系统、协同调度要求的智能化监测管理系统，而模型是构建智能化、信息化管理系统的关键。为此研究开发水动力-水质模拟、多水源补水优化调度、海绵内涝模型为一体的天津生态城水系统智能化管理模型库，是构建天津生态城水系统智能管理平台的重要内容。
针对天津生态城景观水体半封闭、流动性差、补给源短缺且多样的特点，耦合水动力学模型（EFDC）和水质模型（WASP）构建水环境系统水动力-水质耦合模型，应用该模型水体进行仿真模拟，并利用ARCGIS技术将模型与地理空间紧密结合，实现模型可视化。水动力模型应用显示（图11），单点补水情景下，水体的流速较小，存在明显的死水区，在湖泊岸线内凹的区域存在污染物积累问题。水体水质受水源影响较大，采用低质补水水源时，叶绿素a浓度上升明显；总磷、氨氮等营养盐浓度较高，且在补水点附近形成积累。针对生态城景观水体现状问题，可从补水方式和补水水质两方面进行改进，流场模拟结果表明采用多点补水有利于改善水体各区域的交换性，补水均匀性提高。水质模型应用显示：提升补水水质可有效控制浮游植物的生长，水体营养盐浓度下降，多点补水与提升补水水质联合方案指导下，水体水质改善效果更加明显；增设水体循环净化，可减小水体滞流区的面积并提高水体水质，同时提出在局部的滞水区采用喷泉，水车等措施以改善水力条件。通过天津生态城连通水系的水动力与水质模拟，提出了多点补水、提升补水水质及旁路循环净化的多种优化方案，利用模型对各优化方案及其组合方案进行优化模拟，提出水动力-水质组合优化方案。
图11 基于水动力-水质模型的水体补水与循环净化优化模拟
运用多目标非线性规划（MONLP）技术，构建天津生态城水系统多水源补水优化调度模型。以水质达标和水资源利用效率最大为目标函数，考虑水量控制、污染物总量控制、防洪等约束条件，通过对蓄水量、雨水补水量、普通水源补水量、高等级水源补水量和循环净化水量5个模型决策变量的优化，提出多水源补水的分季节、分水期调度策略。模型优化结果显示（图12），9-11月为蓄水期，在11月末达到高水位，以便缓解次年春季水资源短缺问题。补水主要采用过境水和普通补水，9月以过境水为主，10月和11月以普通补水水源和过境水为主，11月末水位达到高水位。由于要求在冬季冰封期来临前使水质保持良好，11月循环净化水量保持高负荷运行。6-8月水体补水主要为雨水，然而随着城市大气污染及地面污染的严重，雨水径流污染愈加严重，尤其是污染物较多的初期雨水，必须考虑对雨水的净化处理。高品质再生水的生产费用较高，故在生态城水资源优化的过程中，在保证水量水质的情况下，尽可能地提高可利用雨水和过境水的水质，减少高品质再生水的供应量，这在一定程度上可降低水环境系统运行成本。
图12 水系多水源补水优化调度模拟
应用水文水动力方法构建海绵内涝模型，对2年、5年、10年、20年一遇典型降雨下的内涝分布情况进行模拟。针对生态城某一易涝区域的防汛调度，可通过分析监测降雨雨量结合未来时段预报降雨雨量，判别当前场次降雨等级，根据降雨等级可将附近雨水管网业务监测数据与相应降雨等级下的海绵内涝模拟结果进行对照分析，结合海绵内涝积水模型对积水水深、积水过程历时、退水过程历时等的评估结果，为该区域的最大积水水深判断、积退水时间判断等提供对照参考。同时，通过雨量、水体水位、潮位等特征指标警戒阈值配置，进行预警管理，并制定应急预岸案；结合不同的情势判断、模型预案库及水质和水安全改善效果分析结果，匹配适合的预案，为调度提供决策支撑。
基于所研发的模型和预案，构建了涵盖水质监测、水量感知、数据统计分析、预报警、辅助决策、应急调度等功能的天津生态城水系统智能化管理平台，平台调度大厅的水环境系统调度人员通过平台对现场水质监测设备采集传输上来的水质实时数据进行分析并自动预警，及时发现水质突发异常报警或水质污染预警。调度人员获取信息后，根据《天津生态城水环境系统应急预案》即时启动处置预案，对污水、排水、雨水、景观水体等相关部门和单位进行调度指挥，执行应急预案，对水质污染事故进行集中处理，形成了集水质监测、处置预警、应急调度于一体的闭环式管理，为生态城涉水业务运营管理提供了保障。
05结论
为打造国际生态示范城市，在天津生态城水系统构建与海绵城市建设实践中，积极开展创新技术研发。规划层面，以水系统规划为先导，统筹所有涉水设施，进行多水源统筹配置，并超前布局智能化管控，形成了新型水系统规划模式，体现了城市规划建设管理的科学性和前瞻性，符合“以水定城”的发展理念，在其他城市或区域水系统规划建设中推广应用前景广阔。技术层面，紧扣缺水城市水资源短缺特点，在新型水系统构建过程中，研发生物、物化、生态处理技术灵活组合模式，协同处理利用多种非常规水源进行生态补水，对于缺水地区水生态修复意义重大；将绿灰蓝结合的海绵理念贯穿于城市开发建设全过程，将水系纳入海绵范畴，形成了耦合海绵理念的大水系构建技术策略；研发适用于盐碱地区的雨水调蓄利用、径流污染控制和景观生态改善技术，实现了技术的本土化，综合提升城市水环境质量，对其他类似城市极具参考价值。管理层面，开发水动力-水质耦合、多水源补水优化调度、海绵内涝系列化模型，构建天津生态城水系统智能化管理平台，实现涉水设施动态联动联控，综合保障城市水系统安全稳定运行，提升涉水设施高效管理水平。
开发的新型水系统构建、滨海盐碱区域海绵城市建设与水生态改善成套技术，全面应用于天津生态城水系统和海绵城市规划、建设和管理当中，助力天津生态城优美宜居生态城市建设提前达到《生态城指标体系》目标要求，实现非常规水利用率超50%、水体水质地表水IV类，年径流总量控制率大于80%，径流污染削减率高于65%（以SS计），年雨水资源化利用总量30余万m3，昔日的盐碱荒滩成为繁荣宜居的绿色生态新城。未来，在打造生态城市升级版和智慧城市创新版的进程中，水系统进一步完善、城市水环境基础设施低碳、智慧赋能转型发展是必然趋势，天津生态城水系统构建与海绵城市建设技术将持续优化提升，引领我国城市水环境绿色高质量发展。
