天津中新生态城盐碱区域雨水调蓄设施分类与优化
2019-11-26徐僖李唐张岩
徐僖 李唐 张岩
摘要：针对天津中新生态城区域地下水位高、土壤盐碱化严重、雨水分类回用困难等问题，提出了盐碱区域雨水调蓄设施选用原则，并根据调蓄量划分了微调蓄、小调蓄和大调蓄设施。雨水调蓄设施作为盐碱区雨水回用的重要前提，它的设计直接影响了后续雨水回用水质，同时设施的优化也可避免盐碱对蓄积雨水的影响。研究了雨水在不同盐碱下垫面的冲刷特点，并对盐碱区选用的典型雨水调蓄设施进行了设计以满足后续雨水利用。
关键词：盐碱区域;雨水调蓄;隔盐;雨水回用
中图分类号：TU463 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）20-0173-05
1引言
1.1背景
天津市位处欧亚大陆东部，受季风环流的影响明显，冬季受北部寒冷高气压影响，多偏北风;夏季受太平洋热高气压影响，多偏南风。天津降水较少，且分配不均，年平均气温12.3℃，7、8月最热，12月、1月最冷，年平均降水量为550～680mm，其中夏季降水量约占全年降水量的80%。
天津是个典型的缺水城市，人均用水资源量仅160m2，是全国平均数的1/15，加上引滦水量和其他入境水量，人均用水资源量仅约370m3，是全国平均数的1/6。根据有关资料，按两年一遇降雨量495mm来看，天津市目前中心城区（面积281km2）每年雨水量接近2.0亿m3，而这些雨水基本全部从城市雨污水管网中排出，这不仅是雨水资源的不充分利用，也同样会加重城市排水设施负担。对此根据海绵城市建设要求，要充分收集、存储、处理、利用雨水，不仅能增加淡水资源、减少城市内涝，还能改善城市水生态环境。天津滨海新区多以盐碱地为主，盐碱土一定程度上限制了雨水的回用。当雨水流经盐碱土壤时，雨水径流会携带一定的盐分进而使得雨水电导率大幅度上升，不利于雨水的再利用。当盐碱区域内的地下水位较高时，高盐度的地下水会反渗入蓄积的雨水中，也同样会制约雨水的回用。
针对天津市中新生态城土壤盐碱度高，易发生土壤反盐现象，不利于雨水蓄积回用的问题，同时结合不同雨水调蓄设施自身特点，分析探讨了盐碱区域不同雨水水质的调蓄措施选用原则，以最大限度蓄积雨水并减少盐碱的影响，进一步缓解区域内水资源危机。
1.2区域土壤盐碱现状
1.2.1土壤盐碱情况
由于滨海新区地处海洋与陆地接壤地带，地势相对较低，大部分土壤主要是由海滨盐渍土及盐化潮土组成，土壤盐碱化严重，盐渍化特征突出，淤泥质明显。天津市盐渍化土地面积7800km2，约占天津市总土地面积65.8%，其中土壤含盐量大于0.2%的土地有4700 km2，占总土地面积的39.3%。天津滨海新区盐渍土面积约1958.9km2，占滨海新区土地总面积的86.3%。所含盐碱以氯化钠为主要盐分，有机质缺乏严重，土壤自身贫瘠且肥力不高，物理性能差。由于土壤本身是由粘质颗粒组成，不利于水盐上下运动，造成水盐往返运动缓慢，再加上地下水位高，矿化度高，土壤容易返盐。
土壤含可溶盐量多数在1%左右，甚至更高，盐碱土中的盐离子主要有Na+、Ca2+、Mg2+、K+/sup>、HCO3-、C1-、SO42-一等。经测定，表层土壤总含盐量为2.42g/kg，深层土总含盐量为13.99g/kg，属重盐碱土。
1.2.2土壤渗透性
通过对中新生态城空地表层土壤做土壤渗透系数测定实验，得到渗透系数如图1所示，经过一段时间的浸水试验后，渗透系数稳定在2.0×10-4cm/s，属弱透水土层。
1.3雨水水质情况
从表1可以看出，地面雨水和屋顶雨水pH值均处于中性范围内，相较于屋顶雨水，地面雨水含盐量较高，COD、氨氮、TN、TP等污染物浓度均较低，可以进行绿化回用。
2雨水调蓄类型分类及选用
2.1目标
雨水水质较为清洁，是优质的回用水来源。蓄积于调蓄设施的屋顶、地面雨水既可补充天津中新生态城用水，也能防止城市雨洪。
2.2选用原则
（1）雨水调蓄设施的选择应尽可能结合区域地形地势、设施古地面积、设施调蓄能力、雨水水质、雨水用途、經济成本等方面，充分利用雨水资源，减少施工量，达到雨水调蓄回用的目标。
（2）调蓄设施应适当采取隔盐措施，避免盐碱土壤、盐碱地下水影响回用雨水。
（3）调蓄设施容积能满足3～5年重现期的降雨要求，控制雨水径流总量，降低内涝风险。
（4）调蓄设施应合理布局，充分与景观效果相结合。
（5）选用的调蓄设施应能配套后续回用设施，且在盐碱区域长期有效运行。
2.3调蓄设施分类
将雨水调蓄设施按照调蓄量分为微调蓄、小调蓄和大调蓄。微调蓄主要包括树池、绿色屋顶、雨水罐、渗沟、植草沟等，小调蓄主要包括湿塘、渗透塘、蓄水池、雨水花园、雨水湿地等，大调蓄主要为天然河湖与人工河湖，详见图2。
2.3.1微调蓄
微调蓄系统指的是在进人大型调蓄设施前的独立单元或者分散式调蓄设施，可作为源头调蓄减排设施，小尺度的调蓄设施起到控制径流污染和径流总量的主导作用，可以从源头解决水质、水量的问题。
2.3.1.1树池
树池的作用一般是收集并简单过滤路面初期的雨水径流。树池适用于建筑小区、广场和道路区域，树池的标高一般比路面低一些，可以起到缓解不透水路面雨水的积聚，同时作为潜在的收集雨水的设施，能够较好地发挥收集、过滤雨水径流的作用。
2.3.1.2绿色屋顶
绿色屋顶是指在屋顶上建造一个兼有蓄水和绿化功能的能透水的绿地。它是一种可以减少城市中不透水下垫面面积，削减屋顶径流雨水量的一种微调蓄设施，也可以有效解决内涝、径流污染等问题。绿色屋顶多用于满足屋顶荷载、防水等条件的平屋顶和坡度小于15°的坡屋顶建筑，但绿色屋顶的防水抗渗和非降雨期的定期维护工作需要到位。
2.3.1.3雨水罐
雨水罐能有效收集和存储屋顶、路面雨水。雨水罐抗压密封性能好，占地面积小，使用方便，收集的雨水可用于浇灌、冲厕等，但收集雨水量较小，多用于办公楼、住宅小区、学校等场所。
2.3.1.4植草沟
植草沟是针对暴雨径流造成的城市面源污染治理的一种调蓄设施，适用于布置在不透水路面的周边洼地，作为中途传输的一种调蓄设施可以起到径流引导的作用。
2.3.2小调蓄
小调蓄设施是整个调蓄系统的主要组成部分，一般包括湿塘、渗透塘、蓄水池、雨水湿地和雨水花园等中尺度的调蓄设施，主要应对一个汇水区域在常规重现期内的降雨进行调蓄，更侧重于径流污染控制和水资源调配，保证海绵城市正常运行。
2.3.2.1湿塘
湿塘的作用主要是进行雨水调蓄的同时进行雨水净化，另外湿塘作为一种景观水体，一般占地面积较大，适合于有较大空间的区域，如厂区、绿地、广场和公园等区域。湿塘调蓄设施具有很有效的径流削减作用，也具有很好的景观效果，但投入成本和运行维护费用较高。在盐碱区域塘内蓄积雨水作为景观水体时，应充分考虑塘体的隔盐降污设计。
2.3.2.2渗透塘
渗透塘是主要可用于补充地下水的洼地，适用于较大汇水面积的区域，在盐碱区域可不考虑雨水隔盐问题，从而将蓄积雨水全部用于涵养地下水系，且设施费用低。
2.3.2.3蓄水池
雨水调蓄池多用于收集屋顶等较为干净的雨水从而回用于绿化灌溉、冲厕等。一般建筑区地下封闭蓄水池较为多见，既可节省占地面积，又可避免外界污染物质进入，但建造费用较高，维护管理不便。在盐碱区域构建蓄水池应采用隔盐防渗材质，避免高盐度地下水入渗。
2.3.2.4雨水花园
雨水花园是自然形成的或人工挖掘的凹形绿地，可用于涵养地下水也可以用于景观用水或回用作为冲厕等用水。雨水花园适宜于建设在土壤渗透良好的区域，建设成本低，运行维护方便，且具有较高的景观效果，多用于小区、公园、广场等场所。蓄水层深度一般为10～20cm，当深度过深时，蓄积雨水时间过长会危害植物生长，当深度过浅时，不能充分发挥雨水花园蓄水渗透作用。在盐碱区域内，雨水花园内蓄积的水体适宜于用来涵养地下水，无需作隔盐处理，故雨水花园植物种类应选择耐盐碱类植物，防止盐碱土壤浸出离子导致植物脱水死亡。
2.3.2.5雨水湿地
雨水湿地是利用水生植物及微生物以及湿地基质的多重净物理、化学及生物作用净化并蓄积雨水的设施。雨水湿地多用于具有较大空间的小区、绿地、滨水带等区域，可有效降低水体污染物，减小径流总量，但建设费用和运行维护费用较高。雨水湿地一般有潜流湿地和表面流湿地两种，其中，潜流式湿地又分为垂直潜流湿地和水平潜流湿地。在盐碱地运行雨水湿地时，为了防止地下含盐渗透同时保持足够的水体含量供植物生长所需，一般多设计为防渗型湿地。
2.3.3大调蓄
大调蓄系统主要为了应对超过小调蓄系统设计标准的超标暴雨或极端天气特大暴雨的一套大尺度调蓄设施。主要包括具有排水功能的道路、沟渠等地表径流和大型天然或人工湖泊河湖等调蓄设施。
2.3.3.1天然河湖
盐碱区域内天然的河湖能够蓄积较大量雨水，但蓄积的雨水由于池水长期浸泡盐碱土壤，雨水电导率大幅升高，不利于回用。生态城区域镜湖6月份所测电导率约为23.76ms/cm，远远高于雨水电导率116us/cm。
2.3.3.2人工河湖
人工河湖一般有混凝土隔层与无隔层两类，混凝土隔层的则完全将池体内雨水与盐碱土壤隔离开使其免受土壤盐碱影响，池内雨水可回用于普通不耐盐碱植物，无隔层人工河湖则受土壤盐碱影响较大，池内雨水可回用于耐盐碱植物和道路浇洒。
3典型雨水调蓄设施设计
3.1绿色屋顶
绿色屋顶构造层主要分为防渗层、隔根层、蓄排水层、过滤层、土壤层、植被层等。防渗层一般选用高分子防水卷材或复合铜胎基SBS改性沥青防水卷材等。种植的植物一般选用抗风力和抗倒伏力强、耐干旱和耐瘠薄土层、叶子革质或腊质、抗干热风能力及辐射能力强、根系对屋顶侵蚀破坏作用小的植物，多数景天科的植物都能适应屋顶的環境。灌木类如苏铁、福建茶、黄金榕、变叶木、鹅掌柴、龙舌兰、假连翘、木香、合欢、石榴、紫薇等;地被类可用各种草皮、美女樱、太阳花、遍地黄金、蟛蜞菊、马樱丹、吊竹梅、佛甲草、麦冬、垂盆草、凹叶景天等;果蔬类如葡萄、青菜、南瓜、丝瓜、佛手瓜、百香果等;爬藤类如爬山虎、炮仗花、常春藤、薜荔等。
3.2雨水调蓄池
雨水调蓄池可分为敞开式调蓄池和封闭式调蓄池，敞开式调蓄池占地面积较大，则无法利用高度差，同时池内雨水水质也容易被污染，而封闭式调蓄池占用地下空间，可充分利用高程差，且池内水体可降低盐碱影响，故建议盐碱区域调蓄池采用地下封闭式调蓄池。其次，池体材质的选择也尤为重要，常见的材质有钢筋混凝土、不锈钢、PP材质等。为此专门针对不同材质的隔盐效果进行了模拟研究，池体内部为采集的盐碱区域地下水（>10ms/cm），分别采用PP、不锈钢、混凝土等不同材质进行隔离，外部为低电导率的自来水，测试结果如图3所示，可以发现测试初期，不锈钢材质和PP材质的隔盐效果最好，混凝土材质的隔盐效果略差;随着测试时间的延长，不锈钢材质的锈斑愈发明显，说明盐碱离子加速了不锈钢的腐蚀;测试后期混凝土材质与不锈钢材质下的电导率均有升高，PP材质下的电导率变化较小;总的来说，PP材质具有佳的隔盐效果。由于电导率受温度影响较大，室内温度受外部天气温度影响较明显，故造成了图3中不同材质电导率的小浮波动。
雨水调蓄池的容积可根据雨水回用量来确定，通过计算调蓄池雨水回用于浇灌、道理喷洒、景观补水、冲厕等方面的日用水量，并考虑实际雨水降雨频率及持续干旱时间间隔，雨水调蓄池容积可按3～7d的回用雨水量计算，日回用雨水量根据《民用建筑节水设计标准》（GB50555-2010）的节水用水定额来计算获得。因此，在天津盐碱区域建设雨水调蓄池建议选用PP材质调蓄模块，容积根据回用水量及实际降雨频率来确定。
3.3雨水花园
雨水花园是由蓄水层、覆盖层、种植层、填料层、砾石层等5个部分组成。种植层土壤适宜选用渗透性较好的砂土或壤土;花园的面积则由蓄水深度、雨水径流量和土壤类型决定，花园的面积一般在9～27m。之间，雨水径流量越大，土壤渗透性越小，花园的面积应越大。在盐碱区域的雨水花園可蓄积雨水来涵养地下水系，不宜于用作回用水。雨水花园的设计可采用蓄水层有效容积法以消纳一定量的径流雨水。
3.4雨水湿地
雨水湿地可以达到削减初期雨水污染、净化雨水水质并实施雨水回用的效果。利用物理、水生植物及微生物等作用净化雨水，是一种高效的径流污染控制设施。盐碱地雨水湿地除了在工艺选型、处理水质、结构尺寸、布水和集水方式等方面的设计遵从湿地设计规范外，还需要特别注意在盐碱地条件下的以下几点设计，才能保证雨水湿地有效运行。
3.4.1雨水湿地组合工艺的选择
雨水湿地有表面流雨水湿地、水平潜流雨水湿地和垂直潜流雨水湿地3种，3种湿地在运行中对径流污染雨水起到的作用和效果也不相同。因此在实际修建湿地时需结合其水力参数和去除效率择优选择并进行工艺组合，一般选用表面流湿地和水平潜流湿地作为雨水缓冲、蓄积设施，垂直潜流湿地作为深层净化设施，净化雨水水质。甚至有许多湿地与湿塘合建并设计一定的调蓄容积。
3.4.2雨水湿地基质选择
湿地净化作用的效果很大程度上取决于湿地的基质构造对。湿地于盐碱地运行时，由于天津滨海新区土壤盐量属重盐碱土范围，而营养物含量低，植物生长较为困难，因此需要敷设含营养物的土层供植物生长。同时在湿地下层敷设防渗材料或者渗透性差的黏土层等土层，防止湿地水体快速渗人地下和地下含盐渗入湿地影响湿地植物生长。另外，雨水湿地的填料层一般由多种填料组成，如砂、砾石、沸石、石灰石、页岩、塑料、陶瓷等提供湿地植物与微生物生长场所，以对污染物起到过滤、吸收去除的作用。
3.4.3湿地植被选择
植物在湿地中扮演着极其重要的角色，植物可以吸收和净化径流雨水中携带的多种污染物，此外还能起到滞留雨水、减缓径流、维持土壤渗透性、作为景观等作用。针对滨海新区盐碱地现状，如果想要实现雨水湿地的良好运行，需要在湿地上方种植耐盐碱植物。同时应根据湿地不同地点水文条件的不同试行分区种植，可以分为入口区、干湿交替区、浅水区、深水区4个区域。针对盐碱地及不同水域分区，可以选取以下耐盐碱植物（表2）。
3.4.4湿地防渗设计
雨水湿地建设时，为维持湿地水量并且防止盐碱渗透影响湿地植物生长，根据实际情况可以采取防渗措施。为了保证盐碱地区湿地生态系统，需要综合考虑防止水分和盐分渗过采取防渗设计。防渗层的渗透系数应不大于8～10m/s，具有抗化学腐蚀能力，具有抗老化能力。防渗层的结构如图4所示。
防渗材料的选取：天津滨海新区由于土壤含盐量较高，因此湿地设计防渗材料必须满足一定的抗侵蚀能力和防渗可靠等要求。针对目前较为常用的黏土、HDPE土工膜、LDPE土工膜及复合土工膜的经济成本及防渗效果进行比较，可以选定复合土工膜作为主要防渗材料。以PE或PVC膜作为复合土工膜主要防渗基材，与无纺布复合而成，PE或者PVC膜的防渗性能是复合土工膜防渗的主要影响因素，而无纺土工布则主要起保护作用。复合土工膜已在人工湖、渠道、坝体等工程中得到广泛应用。
4雨水调蓄设施隔盐策略
4.1外部辅助阻盐
4.1.1减少土壤反盐
将雨水流经的土壤部分进行深耕，切断土壤毛细管，使盐分不能升到土表，在土壤表面种植绿色植物，防止雨水冲刷带走盐分。
4.1.2辅助设施设计
将屋顶雨水、地面雨水等通过排水管道进人雨水调蓄系统，并进行雨水回用，避免对土壤的冲刷;流经绿地的雨水四周设置植草沟、沥水沟等设施，调节土壤和地下水盐动态，并通过排水洗盐，降低调蓄设施含盐率。
4.1.3铺设排盐管
在土壤或绿地下部铺设暗管，将降雨淋洗的土壤盐分通过暗管排走，达到净化表层土壤的目的，绿地排盐管网的布设终端与涵养水系功能的调蓄设施相连通。
4.2内部设施隔盐
4.2.1加入抗压防渗材料
对于用于雨水回用的调蓄设施雨水调蓄池、人工河湖等，可以选用PP材质防渗材料或混凝土防渗材料，以防止外部盐碱侵入设施内部盐化蓄积雨水。
4.2.2防渗膜保护
对于绿色屋顶、雨水湿地等调蓄设施铺设专门的防渗膜，以避免屋顶渗漏和盐碱侵蚀，具体可参考文中典型调蓄设施设计。
5存在的问题
（1）施工与设计常略有出入。实际施工过程中，施工完成的池体尺寸坡度与设计图纸的尺寸坡度有轻微出入，从而发生积水或易破损现象，应结合实际出现的问题来调整设计。
（2）后期设施维护不到位。调蓄设施需要长期运行维护，一旦设施维护不到位，设施容易出现运行故障从而影响调蓄效果。
（3）调蓄设施未考虑一定深度下的盐碱影响。随着调蓄层的加深，深度愈大，水压愈大，过程未考虑不同压力下盐碱地下水对调蓄设施的影响。
6结论与建议
（1）将区域调蓄设施分为微调蓄、小调蓄和大调蓄，盐碱区域调蓄设施选择根据调蓄原则与雨水回用目的来进行设计，设施选型也需根据场地特点选择经济性好、能达到削减目标雨量目的的设施。
（2）调蓄池的蓄积雨水作为回用时，为充分考虑池体防腐抗压抗渗性能，建议调蓄池采用PP材质为基体，以防渗土工膜为保护膜来充分防止土壤和地下水盐碱影响。
（3）选用雨水花园设施多以植物景观观赏为主，蓄积雨水量不大，渗透性好以充分补充地下水，建议小型花园、广场选用，且所选植物需充分耐盐碱。
（4）雨水湿地应保持一定水量来维持植物生存，故湿地也需充分做好防渗隔盐措施以防止盐碱影响蓄积雨水水质。
