随着城市化进程不断推进, 城市原有的生态本底和水文特征被改变, 极易引发城市内涝、水体黑臭等现象^[1]。为了解决城市化带来的环境问题, 改善居民生活环境, 2013年12月, 习近平总书记在中央城镇化工作会议上首次正式提出“海绵城市”概念^[2]。海绵城市通过雨水收集、储存、渗透、净化再利用从而涵养城市地下水源, 是一种现代绿色城市可持续发展模式^[3]。

近年来, 我国先后开展两批海绵城市建设试点工作, 并取得一定成效, 但同时也暴露了许多问题, 比如某些城市不注重对城市现状进行综合梳理和把握等^[4]。2016年4月, 中新天津生态城获批国家第二批海绵城市试点^[5], 以问题为导向, 针对生态城区的下垫面硬化严重、水资源短缺、雨水径流污染、管理欠缺等问题提出相应的解决策略, 并结合项目案例进行深入分析。

中新天津生态城位于天津滨海新区北部, 其年平均降水量545 mm, 水系分为周边水系和区内水系, 周边水系水质呈劣Ⅴ类, 区内水系水质较好, 总体呈Ⅳ类水平。中新天津生态城下垫面参数如表1所示, 其中透水性较差用地占37%。

生态城已启动49个试点项目, 其中完工项目7个, 在建项目19个, 在设计项目23个, 占试点项目总数的72%。

近年来, 中新天津生态城建设提速, 目前已建成道路80余km, 建筑住宅小区26个, 公用建筑20栋, 受城市开发建设影响, 建成区不透水面积增加, 提高了雨水径流系数, 降低了地区雨水滞蓄能力, 不能对雨水进行调蓄。

生态城位于严重缺水的海河流域下游, 本地天然淡水资源不足, 远低于世界公认的人均占有量1 000m³的缺水警戒线, 主要水源是外调水、地表水和地下水等常规资源, 具有脆弱性, 且水源较为单一, 并且由于不透水面积的急剧增加, 雨水被高速导入当地的河流而流失掉, 雨季过后, 又会出现干旱缺水的情况, 无法对水资源进行有效利用。随着建设速度的加快及居住人口的增加, 急需提高雨水资源等非传统水源利用率。

生态城作为雨水受纳水体的河流主要有故道河、惠风溪和静湖, 通过对比分析进入水体的污染物总量与水环境容量, 可知进入水体的污染量超过水环境容量, 如表2所示。

根据对生态城水系现场踏查情况, 结合资料分析, 可判定雨水径流污染是生态城试点区水体主要污染源之一。降雨时, 雨水溶解了空气中大量的酸性气体、汽车尾气、工厂废弃等污染性气体, 降落地面后冲刷建筑工地、屋面、垃圾等, 使得径流雨水污染程度较高, 对水体造成严重污染。

海绵城市建设仍处于摸索尝试阶段, 很多问题尚未预见, 相关管理制度的出台也需要随建设的实践慢慢推进, 需要在建设中总结分析, 并实时调整。生态城应为了保障海绵建设工作有序推进, 并且保障海绵设施能够按设计要求落地应并发挥其预期效果采取相应的策略。

(1) 坚持规划引领。将海绵城市纳入总体规划, 并明确提出“加强中水回用、雨水收集、海水淡化, 实施分质供水”的原则。针对城镇化快速发展导致的不透水面积增加、水资源短缺、雨水径流严重等问题采取相应措施, 并在海绵城市专项规划中提出海绵控制目标, 对不同用地类型的年径流总量控制率、下凹式绿地率、硬化地面可渗透面积比例做出了详细规定, 如表3所示。

(2) 成立海绵城市领导小组。海绵城市是一项跨部门、跨专业、多类型项目统筹建设管理的系统工程^[6], 为了协调各部门, 各专业及各项建设工作, 保证中新天津生态城的海绵建设工作有序推进, 成立了海绵城市建设领导小组和办公室, 专职负责海绵城市建设工作推动, 其中主要部门职责如表4所示。

(3) 加强海绵城市过程管理。海绵城市建设要求应结合《海绵城市建设技术指南》、天津市及生态城相关标准和规范, 真正将海绵城市建设设计落到实处, 因此将其纳入“两证一书 (选址意见书、建设用地规划许可证、建设工程规划许可证) ”是非常必要的。为了将海绵设施落实到实体, 保障项目按照规划总图、施工图进行建设, 达到低影响开发控制目标与指标要求, 因此在方案、施工图、验收阶段增加海绵城市审查环节 (图1) 。海绵设施运营维护阶段是检验其建设效果的重要阶段, 为确保项目正常运行, 发挥其预期效果, 编制海绵城市设施运营养护标准在实际管理中起到重要作用。

该建筑小区位于天津生态城起步区东侧, 富盛路、明盛路、新平道和川博道所围成的地块内 (临海新城08-02-21地块) 。本项目总用地面积4.72hm² (1hm²≈666.7m²) , 主要功能为住宅、配套公建及地下车库。

(1) 充分利用现有绿地, 提高透水地面比例。本项目绿地率高, 绿地范围大, 种植形式丰富, 充分利用现有绿地, 避免多余设施。原设计该项目道路全部为硬质铺装, 为了提高透水地面比例, 降低雨水径流系数, 将园路和人行步道设置为透水混凝土材质。建筑小区的车行道, 一是车流量大, 产生的油污、灰尘等污染物在表层堆积, 容易导致通道孔堵塞;二是荷载负担大, 容易损坏透水铺装, 因此保留原设计, 采用硬质铺装。该项目区域内透水砖总面积为2 875.93m², 透水铺装分布如图2所示。

(2) 选择适宜的雨水收集方式。通过对天津生态城的低影响开发设施应用情况进行调研发现, 由于生态城降雨比较少, 且主要集中在7、8月份, 其雨水收集系统效果不佳, 为了满足其建设目标, 借鉴发达国家经验, 设置小型的、可移动、分散的雨水桶。该项目在别墅区12#～22#楼均设置雨水桶, 共设置42个雨水桶, 实现雨水的资源化利用。设置在别墅区的雨水桶, 可由住户进行养管, 降低物业费用, 并且每户门前均有小块绿地, 可将收集的雨水及时利用, 防止雨水桶的雨水存放时间过程而导致黑臭。

(3) 形成连续的雨水净化路径, 控制初期径流污染。该项目部分道路周边绿地面积较小, 不易下凹因此未做设计, 部分道路周边绿地面积较大, 地被植物种植较多, 进行下凹设计。小区道路两侧路缘石均高于路面, 不利于道路雨水径流进入周边海绵设施, 调整部分道牙, 进行道牙豁口设计, 便于铺装径流流入其中净化下渗。该项目在道路与绿地接壤处设置雨水花园、下凹式绿地, 其分布如图2所示, 雨水口做相应挪移, 将硬质地面径流通过道牙豁口导入绿地中, 发挥绿地净化作用。绿地中雨水口采用带有截污功能的渗透性雨水口, 控制初期径流污染。该项目下凹式绿地和雨水花园的总面积分别为2 598.5m²和1 635.55m²。

(4) 加强过程管理, 保证实施效果。为了配合中新天津生态城海绵城市全过程管理, 生态城采用第三方评价的方式来对建设项目的海绵专项进行技术审核, 出具审核报告作为建设主管部门审批的前置条件。建设单位在方案阶段, 应提交项目海绵城市设计方案;在施工图阶段, 应提交海绵城市的施工图设计说明、现状总平面图、规划下垫面情况分析图、竖向及汇水分区图、海绵城市设施布局图、排水管网设计图和海绵设施详图等;在竣工验收阶段, 应由第三方对海绵城市设施的建设完成情况进行专项预验收。

该项目运用SWMM软件模型进行模拟, 验证运用LID技术后的开发建设年径流总量控制率满足海绵城市建设要求。

利用SWMM构建LID模型, 进行排水模拟分析, 模型中有102个汇水区, 其中包括51个透水铺装子汇水区, 26个下凹式绿地子汇水区, 10个雨水花园子汇水区, 管段70个, 节点70个。

模型参数主要有下垫面参数、土壤入渗、管网数据、降雨数据和低影响开发设施参数^[7], 其中该项目土壤入渗率为1×10^-4cm/s;管网断面为圆形、最大埋深为2m、管网粗糙度为0.013;其他数据可通过直接读取、参考设计资料及SWMM用户手册等方法取得。

该项目采用1年的降雨数据, 10 min时间间隔, 模拟低影响开发设施对降雨量控制效果, 2012年生态城总降雨量为577 mm, 接近其多年平均降水量545mm, 以其代表生态城近年来典型降雨, 模拟结果显示, 该项目的年径流总量控制率为85.5%, 满足年径流总量控制率75%的目标。

别墅住宅部分每户设置雨水桶, 收集屋面雨水, 收集后的雨水可用于自家小院的绿化灌溉、车库、道路地面冲洗等, 生态城年用水量约57 330m³/年, 根据生态城典型年逐日降雨量设计, 雨水桶年可收集满13次, 年雨水用量为546 m³。该项目雨水资源利用率为1%。

本项目通过合理设置低影响开发设施, 有效的控制了雨水径流污染。各汇水分区污染物经加权平均计算, SS去除率合计为50.73%。

通过海绵城市建设, 雨水经绿地净化后用于景观补水, 年均近300万m³, 约占景观补水的16%。自来水以5元/t计算, 可节约达1 500万元, 经济效益巨大。同时, 还可节约水资源、减轻市政管网压力、减少市政设施维护费用等。

以临海新城08-02-21地块为例, 结合生态城区下垫面硬化严重、水资源短缺、雨水径流污染、管理欠缺等问题, 采取相应的技术措施:

(1) 针对下垫面硬化, 该项目在园路、人行步道设置为透水混凝土材质, 增加渗透性, 从而降低雨水径流系数, 经过模拟分析, 该项目实现年径流总量控制率75%的目标要求;

(2) 针对水资源短缺, 在别墅区设置雨水桶, 实现雨水的收集回收利用, 年雨水回用量为546m³;

(3) 针对雨水径流污染, 将硬质地面径流导入下凹式绿地中, 进一步发挥绿地净化作用;绿地中雨水口采用带有截污功能的渗透性雨水口, 控制初期径流污染, 经计算, SS去除率为50.73%;

(4) 针对管理不完善, 将海绵城市建设要求纳入“两证一书”, 并在方案、施工图、验收阶段增加了海绵城市审查环节, 保证海绵设施按图施工, 并达到低影响开发控制目标与指标要求。