王金麗 鄭興燦 張秀華 葛銅崗 李檬 鄭華清 劉嘉恒

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074)

研究背景

水作為支撐經濟社會發展的命脈，對于城市發展具有重要作用。在“以人為本”發展定位、“以水四定”治水思路和海綿城市建設理念的指引下，融合水安全保障、水資源高效利用、水環境污染控制、水生態改善、水管理效能提升等多重目標，構建新型城市水系統，是推動城市水環境高質量發展的關鍵。天津生態城作為中國和新加坡兩國政府的戰略合作項目，其立意是在極端惡劣條件下創建資源節約型、環境友好型生態示范城市，為中國乃至世界其他城市可持續發展提供樣板。而生態城水面大、污染嚴重、水資源緊缺，其發展必須先解決好水的問題，尤其需要解決高標準水系統和海綿城市建設的難題。目前國內外關于城市水系統構建的研究，大多從排水防澇規劃、水資源配置與利用、水污染控制、水體水質改善與水生態環境修復、低影響開發與海綿城市建設雨水管理、基于內澇治理預測評估或水體水質保持的數值模擬等規劃與技術的單一層面展開，對鹽堿區域的研究也多數聚焦于水系空間優化、鹽堿地濱水景觀設計、耐鹽植物選擇和土壤改良等方面，未見從城市水系統規劃、建設、管理全鏈條角度開展技術研究與集成的案例，也鮮有統籌水系統與海綿城市建設技術研究的報道。為此，本研究圍繞天津生態城在鹽堿荒灘高標準建設水系統和海綿城市面臨的技術難題，從新型水系統規劃，統籌多種非常規水源協同處理與景觀利用、河湖岸帶生態恢復、水系連通與河濕循環水體凈化的新型水系統建設，協同大排水系統構建、雨水調蓄利用、面源減控及景觀生態改善的海綿城市建設，水系水質水量智能調控的水系統管理等方面進行技術攻關與集成，以期為國內外生態城市水環境治理和水系統建設提供參考和借鑒。

摘 要

圍繞天津生態城高標準水系統建設目標，分析不同發展階段的水環境問題與技術需求，全方位開展水系統及海綿城市規劃、建設與管理技術研究，創新形成了統籌所有涉水設施的生態城市新型水系統規劃模式、耦合大水系構建與全過程灰綠藍結合的海綿城市規劃策略，研發了非常規水多源多功能凈化處理技術、景觀水體水質保持與生態修復技術、鹽堿區域生物滯留設施雨水徑流污染控制技術、鹽堿影響下的雨水調蓄與利用技術、基于鹽漬土改良和耐鹽植物群落構建的景觀生態改善技術，建立了融合水動力-水質耦合模型、多水源補水優化調度模型和內澇模型的天津生態城水系統智能化管理平臺。技術成果在天津生態城水系統和海綿城市規劃、建設與管理中得到應用， 實現非常規水利用率超50%、水體水質地表水IV類，年徑流總量控制率大于80%，徑流污染削減率高于65%（以SS計）、年雨水資源化利用總量30余萬m3，優化了水資源結構并提高了水資源利用效率，全面改善了天津生態城水環境質量，提升了涉水設施動態聯動聯控的協同管理水平，昔日的鹽堿荒灘成為繁榮宜居的綠色生態新城，為類似地區水系統和海綿城市高標準建設提供了參考和借鑒。

01

天津生態城水環境問題與技術需求

天津生態城作為新建城市，從規劃建設到逐漸完善的不同發展階段面臨不同的水環境問題，相應的技術需求也存在差異，并且需要不斷深化。

2008年天津生態城建設伊始，土地性質中廢棄鹽田、鹽堿荒地、污染水面各占1/3，水資源極度匱乏，生態環境極度惡化，如何統籌水系統規劃，為打造高標準生態水系描摹藍圖，成為生態城水環境治理首先需要解決的問題。為此迫切需要研究污水處理與再生、雨洪水綜合利用、水資源優化配置、水系統管理等整體規劃技術，為30km2中新合作區水系統規劃方案制定提供支撐。

“十二五”期間天津生態城以水系統構建與實施為重點任務，亟需解決補水水源、水量、水質及鹽堿環境水生態修復等水系統建設與管理保障方面的問題，將規劃落到實處。為此，研究多種非常規水源多等級凈化利用、景觀水體水質保持與生態修復、水環境智能管控技術，成為推進水系統高質量建設和高效管理的重要支點。

“十三五”期間，天津生態城獲批海綿城市建設試點，雖然先期的開發建設始終秉持低影響開發理念，然而對于技術的區域適用性還欠缺考慮，且技術應用的系統性不足，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難題，實現海綿技術本土化與集成化，成為亟需解決的問題。同時，天津生態城實施行政體制改革，三區合一水系整合構建需求迫切。為此，研究鹽堿區域雨水污染控制與調蓄利用、景觀生態改善、大水系構建與智能管控技術，成為統籌推進天津生態城海綿城市建設和水系統完善的重要基礎。

02

天津生態城新型水系統構建技術

1.統籌所有涉水設施的生態城市新型水系統規劃模式

針對天津生態城水少、水差和標準高的現實問題，有別于傳統涉水專項規劃各自編制的思路，將給水、再生水、雨水、污水、河道水系統等涉水要素進行統一規劃，以避免不同專項規劃協同銜接不足導致規劃落地實施難得問題；并且堅持安全、高效、韌性、可持續的原則，在水系統規劃過程中融入非常規水多源協同利用、低影響開發等綠色低碳技術措施，以及智能管理保障策略，形成新型水系統構建模式（圖1）。

圖1 新型水環境系統構建技術路線

在水資源配置層面，遵循水資源梯級利用、非常規水資源利用率最大化原則，基于天津生態城城市供水水源、水質水量與用水途徑的多維特性，以及不同用戶用水的時空差異，通過動態供需平衡分析，優化配置海水、雨水、再生水、過境水等非常規水源，對水資源利用進行彈性管理。在水環境質量提升方面，協同規劃非常規水資源凈化利用、景觀水體水水質保持與景觀生態改善集成技術措施，保障水資源配置結果的有效落地和水環境整體改善。在水系統管理層面，強化城市水系統數字化軟硬件規劃，充分利用現代信息技術和GIS等平臺系統，在城市水系統中布設相應硬件設施并建立數字化管理平臺，對多水源進行實時優化調配，對水系水質水量進行監控及聯動調度，實時管理城市水系，確保排澇、水生態安全，同時在系統中設置預警和應急預案，提高城市用水系統運行的安全保障率。為生態城市規劃建設具有節水、減排、智能、安全、高效、健康等功能特征的水系統提出新的規劃參考。

2.非常規水多源多功能凈化處理技術

針對中新生態城景觀水體補水水源及水質水量隨時空變化大，水體呈緩流及相對封閉的特點，研發多等級再生水、雨水和低污染水、高鹽水協同利用的多源多功能凈化處理集成工藝及系列運行模式。結合水源特征，研究處理工藝單元及組合的處理效果、優化運行參數，形成多水源綜合處理技術及其工藝組合、工藝過程動態調控方法（圖2）。

圖2 多水源補水的深度處理技術工藝流程及單元組合

比選提出微絮凝-氣浮過濾工藝單元組合用于處理微污染過境水和污水廠二級出水以生產普通品質再生水，并進一步研究提出滿足高品質再生水水質要求的微絮凝-氣浮過濾-超濾-反滲透工藝單元組合及參數；針對徑流雨水污染嚴重、暴雨沖擊強度大的特征，提出微絮凝-快速過濾-人工濕地工藝組合及參數。不同非常規水源處理工藝及出水水質如表1所示，經微絮凝-氣浮過濾/快速過濾-人工濕地處理的出水水質優于普通補水水質要求，經雙膜法處理的出水明顯優于高等級補水水質要求，滿足多水源交叉補水需求。

表1 非常規水源處理工藝及對應出水水質一覽表 mg/L

3.景觀水體水質保持與生態修復技術

基于水系健康運行的水量保障和水質維持需求，研究融合多種非常規水源協同補水、水力循環、旁路透析、生態功能恢復的城市景觀水體水質水量保障的集成技術，形成非常規水多源協同利用和低影響開發實施路徑（圖3），精準分配不同非常規水補水量和補水點，通過低影響開發設施截留減排、水體生態修復、雨水濕地凈化等措施控制面源污染，基于水體連通循環聯動保持水質，實現非常規水協同利用和水生態改善目標。

圖3 非常規水多源協同利用和低影響開發實施路徑

基于水資源循環高效利用目標，通過分析影響生態水量平衡的因素，進行生態水量平衡計算（圖4），結合2014~2016年補水、外排水量，并考慮降水、徑流和蒸發損失，核算出滲入及未預見水量為12.5萬m3/月，滲漏方向為滲入，由于生態城水體底部已做防滲處理，故判斷為地下水側向水平滲入。

圖4 水體水量平衡影響因素與水平衡計算公式

天津生態城30km2范圍內生態水體面積在2020年以前處于逐步改造和建設階段，因此2018~2020年間水體水面面積和蓄水量也呈現出逐漸增加的趨勢，至2020年改造完成后，水體面積基本穩定在408萬m2，常水位蓄水量1202萬m3，且2018年以后為節約優質海淡水資源，生態補水主要以再生水和凈化雨水為主，海淡水作為應急補水水源。分別計算近期（2018~2020年）和遠期（2030年）滿足2次、3次換水需求的生態需水量，并通過近遠期再生水和雨水資源量，核算生態補水保障能力。結果顯示（圖5），隨著污水量的增加和雨水凈化設施建設的推進，用于生態補水的提標水量和雨水量均逐年增加，并且生態補水以再生水為主。近期再生水和雨水可滿足2次換水的基本需求，2018~2020年換水次數分別可達到2.18、2.34和2.02次。遠期因生態需水量不變，而污水資源量逐年增加，所以2030年換水次數可達到2.86次。再生水和雨水近、遠期均可滿足生態補水需求。

圖5 生態水量供需平衡保障能力示意

天津生態城排水體制為分流制，根據每個排水分區布設雨水泵站將雨水徑流強排入河的特點，研發了雨水泵站與復合功能濕地組合建設模式。在起步區合建泵站開展人工濕地雨水與河水協同凈化技術研究及工程應用示范，將三種常見的人工濕地（垂直潛流、水平潛流和表流）有機組合，通過調控運行方式，雨季處理徑流雨水，非雨季旁路透析處理河水，實現氨氮和COD的去除。人工濕地工藝流程及應用實景如圖6所示，目前已形成河濕循環的水系格局。

圖6 人工濕地雨水凈化及旁路透析技術流程及應用

03

濱海鹽堿區域海綿城市建設技術

1.耦合大水系構建的海綿城市建設規劃

“十三五”期間，天津生態城三區合一規劃統籌推進，亟需整合構建大水系。以全面改善水環境、塑造親水和諧的景觀環境為目的，結合生態城指標體系對水系水質水量的要求和海綿城市建設擬達到的雨水徑流量及徑流污染物削減目標等需求，協調涉水專項規劃及海綿規劃，遵循綠灰藍結合雨水調控理念，提出水系周邊用地布局優化方案；合作區水動力改善及水質凈化提升方案；不同功能區淡水連通及補水協調、淡水系統和海水系統耦合行洪調蓄安全保障方案。

將海綿設施小調蓄與水系大調蓄有效結合，協同綠色基礎設施不同鹽分雨水徑流的濕地處理與生態補水、再生水常規補水、水體循環與旁路濕地凈化、不同鹽分水體的連通與水力交換作用，構建基于鹽分梯度控制的景觀水體與濕地系統及相應耐鹽級別的鹽生景觀植物群落，有效利用非常規水資源、調控土壤和水體鹽分、保障水安全、塑造水景觀。形成涵蓋水質、水量、行洪調蓄、景觀生態改善多目標的生態城大水系構建方案（圖7），為涉水項目合理有序建設提供參考。

圖7 三區合一大水系構建技術策略框架圖

立足于天津生態城本地特征，基于海綿城市水資源、水環境、水生態、水安全、水景觀目標，實施分區管控、指標分級和項目落實的建管模式，具體項目中采取雨水徑流源頭削減-過程調控-末端管控的系統化措施（圖8）。耦合海綿設施、管網、水系多級調蓄與凈化功能，以及地表水和地下水的水文交換利用，構建大排水系統，形成天津生態城海綿城市建設整體技術策略，支撐徑流量與徑流污染控制目標的實現。

圖8 海綿城市全過程管控模式

2.鹽堿區域海綿城市構建與景觀生態改善集成技術

圍繞海綿城市建設的徑流量、徑流污染削減、景觀環境提升，基于促滲減排壓鹽控鹽等多目標，進行海綿技術措施組成要素、結構設計、建設運維等鹽堿區域適用性參數優化以及鹽生景觀塑造研究。研發鹽堿區域生物滯留設施徑流污染控制、雨水調蓄利用、景觀生態改善技術，耦合大水系調蓄及不同鹽分梯度的水環境景觀改善，形成鹽堿區域海綿城市構建與景觀生態改善集成技術。

1）鹽堿區域生物滯留設施雨水徑流污染控制技術。

針對以天津生態城為代表的鹽堿區域建設海綿城市面臨的面源污染特征復雜、地下水位高、土壤鹽堿化程度高且滲透性極差等問題，開展生物滯留設施徑流污染控制技術參數的本土化研究，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:細砂:有機料=（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設施影響的最高地下水位埋深應>1.75m。

研究形成促滲減排控污壓鹽協同的鹽堿區域生物滯留設施雨水徑流污染控制技術與設施系統。統籌預處理措施、適宜植物選擇、設施土壤入滲性能改良、多功能復合型凈水填料選配及設施下挖深度參數優化與集節水控鹽運維調控于一體的技術措施，形成了適合鹽堿區域雨水徑流污染控制的生物滯留設施構建策略。技術已在天津生態城甘露溪和中新友好景觀工程項目中得到應用。累計實測18場降雨，每場降雨初期、中期、后期分別采集設施出水，測定SS濃度變化，降雨量及設施出流SS濃度如表2所示，其中6場降雨雨量小于30mm，生物滯留設施未產生出流，徑流全部得到消納。

表2 實測場次降雨雨量及生物滯留設施出流SS濃度一覽表

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

圖9 生物滯留設施出流與路面徑流SS濃度對照圖

2）鹽堿影響下的雨水調蓄與利用技術。

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

圖10 鹽堿影響下雨水分類收集與利用模式

3）基于鹽漬土改良和耐鹽植物群落構建的景觀生態改善技術。

天津生態城海綿城市景觀建設面臨土壤鹽漬化重、植物生長環境受限的問題，而目前鹽堿地土壤大多采用秸稈覆蓋、秸稈深埋、有機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報道。本研究突破經濟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景觀穩定性提升措施等技術難點，開發鹽漬土改良和鹽生植物群落構建技術。優選有機調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碎石材料，結合盲管排鹽工藝，通過自然降雨等非常規水進行淋洗降鹽，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余種耐鹽植物對鹽漬土的改良效果較好，形成鹽堿濕地、復合耐鹽、單一耐鹽植物群落的多層級鹽生植物群落結構，提升了景觀生態環境質量。技術已應用于中新友好景觀工程濱河帶景觀構建，濱河帶耐鹽植物種類、數量比例分別達到83%和96%。

04

城市涉水設施動態聯動聯控智能平臺構建

生態城作為國家海綿城市試點，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境水生態改善、非常規水資源綜合配置與利用等方面目標，需要考慮滿足涉水設施系統、協同調度要求的智能化監測管理系統，而模型是構建智能化、信息化管理系統的關鍵。為此研究開發水動力-水質模擬、多水源補水優化調度、海綿內澇模型為一體的天津生態城水系統智能化管理模型庫，是構建天津生態城水系統智能管理平臺的重要內容。

針對天津生態城景觀水體半封閉、流動性差、補給源短缺且多樣的特點，耦合水動力學模型（EFDC）和水質模型（WASP）構建水環境系統水動力-水質耦合模型，應用該模型水體進行仿真模擬，并利用ARCGIS技術將模型與地理空間緊密結合，實現模型可視化。水動力模型應用顯示（圖11），單點補水情景下，水體的流速較小，存在明顯的死水區，在湖泊岸線內凹的區域存在污染物積累問題。水體水質受水源影響較大，采用低質補水水源時，葉綠素a濃度上升明顯；總磷、氨氮等營養鹽濃度較高，且在補水點附近形成積累。針對生態城景觀水體現狀問題，可從補水方式和補水水質兩方面進行改進，流場模擬結果表明采用多點補水有利于改善水體各區域的交換性，補水均勻性提高。水質模型應用顯示：提升補水水質可有效控制浮游植物的生長，水體營養鹽濃度下降，多點補水與提升補水水質聯合方案指導下，水體水質改善效果更加明顯；增設水體循環凈化，可減小水體滯流區的面積并提高水體水質，同時提出在局部的滯水區采用噴泉，水車等措施以改善水力條件。通過天津生態城連通水系的水動力與水質模擬，提出了多點補水、提升補水水質及旁路循環凈化的多種優化方案，利用模型對各優化方案及其組合方案進行優化模擬，提出水動力-水質組合優化方案。

圖11 基于水動力-水質模型的水體補水與循環凈化優化模擬

運用多目標非線性規劃（MONLP）技術，構建天津生態城水系統多水源補水優化調度模型。以水質達標和水資源利用效率最大為目標函數，考慮水量控制、污染物總量控制、防洪等約束條件，通過對蓄水量、雨水補水量、普通水源補水量、高等級水源補水量和循環凈化水量5個模型決策變量的優化，提出多水源補水的分季節、分水期調度策略。模型優化結果顯示（圖12），9-11月為蓄水期，在11月末達到高水位，以便緩解次年春季水資源短缺問題。補水主要采用過境水和普通補水，9月以過境水為主，10月和11月以普通補水水源和過境水為主，11月末水位達到高水位。由于要求在冬季冰封期來臨前使水質保持良好，11月循環凈化水量保持高負荷運行。6-8月水體補水主要為雨水，然而隨著城市大氣污染及地面污染的嚴重，雨水徑流污染愈加嚴重，尤其是污染物較多的初期雨水，必須考慮對雨水的凈化處理。高品質再生水的生產費用較高，故在生態城水資源優化的過程中，在保證水量水質的情況下，盡可能地提高可利用雨水和過境水的水質，減少高品質再生水的供應量，這在一定程度上可降低水環境系統運行成本。

圖12 水系多水源補水優化調度模擬

應用水文水動力方法構建海綿內澇模型，對2年、5年、10年、20年一遇典型降雨下的內澇分布情況進行模擬。針對生態城某一易澇區域的防汛調度，可通過分析監測降雨雨量結合未來時段預報降雨雨量，判別當前場次降雨等級，根據降雨等級可將附近雨水管網業務監測數據與相應降雨等級下的海綿內澇模擬結果進行對照分析，結合海綿內澇積水模型對積水水深、積水過程歷時、退水過程歷時等的評估結果，為該區域的最大積水水深判斷、積退水時間判斷等提供對照參考。同時，通過雨量、水體水位、潮位等特征指標警戒閾值配置，進行預警管理，并制定應急預岸案；結合不同的情勢判斷、模型預案庫及水質和水安全改善效果分析結果，匹配適合的預案，為調度提供決策支撐。

基于所研發的模型和預案，構建了涵蓋水質監測、水量感知、數據統計分析、預報警、輔助決策、應急調度等功能的天津生態城水系統智能化管理平臺，平臺調度大廳的水環境系統調度人員通過平臺對現場水質監測設備采集傳輸上來的水質實時數據進行分析并自動預警，及時發現水質突發異常報警或水質污染預警。調度人員獲取信息后，根據《天津生態城水環境系統應急預案》即時啟動處置預案，對污水、排水、雨水、景觀水體等相關部門和單位進行調度指揮，執行應急預案，對水質污染事故進行集中處理，形成了集水質監測、處置預警、應急調度于一體的閉環式管理，為生態城涉水業務運營管理提供了保障。

05

結論

為打造國際生態示范城市，在天津生態城水系統構建與海綿城市建設實踐中，積極開展創新技術研發。規劃層面，以水系統規劃為先導，統籌所有涉水設施，進行多水源統籌配置，并超前布局智能化管控，形成了新型水系統規劃模式，體現了城市規劃建設管理的科學性和前瞻性，符合“以水定城”的發展理念，在其他城市或區域水系統規劃建設中推廣應用前景廣闊。技術層面，緊扣缺水城市水資源短缺特點，在新型水系統構建過程中，研發生物、物化、生態處理技術靈活組合模式，協同處理利用多種非常規水源進行生態補水，對于缺水地區水生態修復意義重大；將綠灰藍結合的海綿理念貫穿于城市開發建設全過程，將水系納入海綿范疇，形成了耦合海綿理念的大水系構建技術策略；研發適用于鹽堿地區的雨水調蓄利用、徑流污染控制和景觀生態改善技術，實現了技術的本土化，綜合提升城市水環境質量，對其他類似城市極具參考價值。管理層面，開發水動力-水質耦合、多水源補水優化調度、海綿內澇系列化模型，構建天津生態城水系統智能化管理平臺，實現涉水設施動態聯動聯控，綜合保障城市水系統安全穩定運行，提升涉水設施高效管理水平。

開發的新型水系統構建、濱海鹽堿區域海綿城市建設與水生態改善成套技術，全面應用于天津生態城水系統和海綿城市規劃、建設和管理當中，助力天津生態城優美宜居生態城市建設提前達到《生態城指標體系》目標要求，實現非常規水利用率超50%、水體水質地表水IV類，年徑流總量控制率大于80%，徑流污染削減率高于65%（以SS計），年雨水資源化利用總量30余萬m3，昔日的鹽堿荒灘成為繁榮宜居的綠色生態新城。未來，在打造生態城市升級版和智慧城市創新版的進程中，水系統進一步完善、城市水環境基礎設施低碳、智慧賦能轉型發展是必然趨勢，天津生態城水系統構建與海綿城市建設技術將持續優化提升，引領我國城市水環境綠色高質量發展。