海绵城市建设中径流污染控制与排水防涝系统优化——以天津解放南路片区为例

导  言

城市在快速发展中出现了一系列“水的问题”，包括水资源短缺、水环境污染以及城市内涝。国家对于上述问题高度重视，提出了一系列建设要求与政策，包括海绵城市规划建设、黑臭水体治理、排水防涝、污水处理提质增效、城市双修等。在政策执行中，要特别注意：解决水系统问题需要多目标导向、综合失策和因地制宜，根据当地自然经济状况、建设条件和水系统存在的问题，制定有针对性的规划和建设方案，标本兼治，避免一刀切、三板斧和形象工程。

2017年，天津市入选国家海绵城市建设试点城市，共两个试点区，其中解放南路片区是其中之一。中规院（北京）规划设计公司生态市政院全过程参与了天津市海绵城市建设规划及技术咨询工作，从国家试点区申报到海绵城市建设专项规划，从解放南路片区海绵城市建设系统化方案到海绵城市建设技术咨询服务，服务天津市海绵城市建设领导小组办公室，为天津市海绵城市建设提供了技术保障。下文是项目组在 “解放南路片区海绵城市建设系统化方案”中，针对天津市解放南路片区具体情况，做出的海绵城市建设探索，为落实国家对试点区海绵城市建设要求，实现海绵城市建设目标，切实解决解放南路片区中存在的内涝积水和河道水环境污染等问题提供了技术支持。

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建设情况与条件

天津市中心城区解放南路试点区总面积16.7平方公里，属老城区改造区，其中建成区面积约为13平方公里（含老工业区、公建及居住），不透水地面面积占比较高。

解放南路试点区规划用地布局

现状特征1：地形相对低平、地表排水组织不明显

解放南路片区地形相对平坦，高程不超过3.5米，其中北部和南部地形较低（1.9~2.5米），中部地形较高（2.5~3.5米）。70%的地区坡度不超过6°，因此地表雨水汇流过程相对平缓。城市建成区主要通过管网泵站排水，地表排水特征不明显。

现状特征2：地下水位高、土壤透水性弱

试点区地下水埋深为0.8~2米，地下水位较高。土壤类型以粘土、粉土为主，渗透性多为微透水、弱透水、不透水。

现状特征3：闸泵连通河道、水系流动性差

天津市位于海河流域末端，市内水网密布，多为人工排水河道，海河为一级河道，复兴河、长泰河、外环河为二级河道。

根据不同降雨级别，一、二级河道之间通过闸阀进行排水调度：中雨时，开外环河闸，连通复兴河-长泰河-外环河排水；大雨及以上级别，河道水位超高，影响泵站排放时，开启河口闸门，向海河排放，无法自流时，关闭闸门，开复兴门河口泵站向海河排水。

闸阀长期闭合，水系流动性较差：由明珠、四新桥、复兴河三座取水泵站从海河取水经南运河、津河、卫津河、长泰河、复兴河最终经外环河排入环外。

现状特征4：河道水质逐年改善，但仍不满足水功能区划要求

自2015年海绵城市建设实施以来，复兴河水质呈好转趋势，化学需氧量、氨氮2018年均值比2015年均值分别下降了16%、10%；长泰河河水的化学需氧量2018年均值比2015年均值上升了9%，氨氮2018年均值比2015年均值下降了22%。但是，解放南路复兴河与长泰河水质总体情况为V类水，不满足水功能区划IV类水要求。

现状特征5：分流制强排系统，泵站设计标准偏低

现状排水体制为雨污分流制，雨水排放主要依靠泵站强排。泵站设计标准偏低（设计标准仅为一年一遇），且3座泵站排水能力不达标（达不到一年一遇的设计标准），最终导致排水不畅。

现状特征6：存在雨污合流小区、片区管网错接混接20余处

部分老旧小区缺乏雨水管网，仍为雨污合流，片区内管网存在明显混接错接的点位有20余处。

现状特征7：雨污水管网基本呈满流状态，泵站高水位运行

雨季时主干管雨水检查井充满水，井内水位距地面仅0.8~1.2米。井内水质较差，呈黑臭状态。我们推测，这是由初雨污染、合流制小区、雨污水管网混接等问题造成的。

污水管网系统满负荷运行，无力处理水质较差的雨水。市区污水管网已呈现满流状态，污水厂满负荷运行，不能及时处理管网内雨水。且片区存在泵站串接情况，片区距离污水厂也较远，排水困难。

02

问题原因分析

2018年7月24日台风安比造成天津市特大暴雨事件，将城区存在的主要问题与矛盾突出显现出来。

问题1：雨水排放与污染——水环境与内涝

台风安比所造成的天津市特大暴雨降雨历时约12个小时，中心城区范围最大24小时降雨量约160~240毫米，重现期为10~50年一遇。

在特大暴雨事件中暴露出的主要问题包括：

（1）河道水体出现黑臭：津河、复兴河、长泰河等二级河道雨后4小时后出现较明显的黑臭现象。

（2）城市内涝问题突出：中心城区积水片区77处，18处地道断行，最严重片区积水超过36小时，特别是沿河片区内涝更为严重。

城市内涝照片

问题2：雨水径流排放导致水环境污染

雨水径流污染是天津地表水体污染的首要污染源，污染物总量中，COD占40%，SS占90%。受合流制小区、雨污混接、初雨径流污染等因素影响，解放南路地区雨季水体水质较差，总体呈劣五类。河道收纳雨水径流后水质超标严重，色度和溶解氧显著降低，SS、COD、BOD5、氨氮、总氮、Cr、Cd、Pb、挥发酚、LAS、粪大肠菌群显著增加。

三个泵站出水样品

主要原因

（1）自然本底条件层面，存在雨量大、地势平坦、雨水渗透条件差等问题。

（2）规划设计建设层面，存在管网泵站标准偏低，部分管道和泵站受建设时序、拆迁等影响系统连接不顺畅，也存在雨水管网混接问题。

（3）城市运行管理层面，存在城市备用水源地海河限排（一级河道）、排水泵站限排（排水分区）、管道排水无弹性空间等问题。

其中城市运行管理层面的问题值得深思：管网水质原因引起的河道水环境及内涝问题，这是“排”与“控”和“量”与“质”之间的冲突。

03

雨水径流污染控制

针对上述问题，试点区系统化方案提出了“以净为主、滞排结合”的海绵城市建设模式，解决雨水排放污染、缓解内涝积水问题，兼顾雨水径流控制。本文重点讲述雨水径流污染控制方案。

实施方案构建的雨水径流污染控制系统，涵盖源头、过程及末端控制措施。大沽南路分区初期雨水通过泵站提升排至跨区域截污干管；太湖路分区、解放南路分区、郁江道分区和洞庭路分区利用周边绿地空间分别建设分散或集中的调蓄净化设施；中央绿轴分区作为生态绿色空间，起到周边分区径流污染控制及调蓄超标雨水的作用。

源头、过程及末端径流污染控制体系

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源头径流污染控制

在源头控制区开展径流污染控制设施建设。建筑小区和城市道路通过透水铺装、下凹绿地等低影响开发设施，对初期雨水进行滞留净化；改造合流小区排水管网，减少入河径流污染物；对有条件道路，通过在绿化隔离带试点建设卵石坑、渗井，将路面雨水引入进行过滤，削减径流污染；对雨水管网的混错接进行改造，保证污水不进入雨水系统。

结合地块建设条件及天津市对于地块道路建设项目的年径流总量控制率要求，计算试点区内各海绵城市建设分区的源头控制径流深度，其中大沽南路分区为18.8毫米，太湖路分区为19.1毫米，解放南路分区为17.5毫米，郁江道分区为20.2毫米，陈塘分区为19.6毫米，浯水道分区为20.3毫米，洞庭路分区为19.4毫米。源头径流污染削减主要由建筑与小区、城市道路、公园绿地建设项目中低影响开发设施实现。

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过程及末端径流污染控制

初雨调蓄净化池功能与布局

解放南路片区主要通过调蓄池实现径流污染控制，兼顾雨水调蓄的功能，规划设置四个初雨调蓄净化池。

初雨调蓄净化池布局

规划在太湖路分区雨水泵站建设初雨调蓄池，泵站收集初雨经调蓄池净化后，一部分存入清水池，一部分排入复兴河。利用中央绿轴海绵公园建设项目，在北端和南端分别建设初雨调蓄池，北端净化解放南路分区、郁江道分区初期雨水，南端净化洞庭路分区初期雨水，雨水净化后作为公园景观及绿化用水。在洞庭路分区中段，建设中端初雨调蓄池，初雨经调蓄后送入污水处理厂进行净化。

初雨调蓄净化池标准

综合参考《室外排水设计规范》、《城镇雨水调蓄工程技术规范》、《天津市海绵城市建设技术导则》等标准规范、天津雨水径流污染变化趋势与海绵城市建设目标，采用调蓄径流深标准为8~10毫米。

洞庭路排水系统初雨调蓄池

以洞庭路系统为例，系统收水范围为501公顷，泵站排水能力13.92立方米/秒。方案采用分级调蓄，规划洞庭路中端初雨调蓄池，降低后端系统压力，有效容积3440立方米，初雨调蓄后就近排入旁边d600的污水干管。

规划在中央绿轴海绵公园南端建设初雨调蓄池，净化洞庭路分区初期雨水。采用管道将初雨从雨水泵站运至调蓄池，对雨水进行调蓄净化回用，雨水经净化处理后回用于中央绿轴公园。调蓄池有效容积约20000立方米。初雨调蓄池净化工艺为快速沉淀池与人工湿地相结合。

洞庭路中端调蓄池设计方案模拟

基于天津雨型及模型软件对洞庭路中端调蓄池在不同降雨事件中的运行状况进行模拟。当降雨量小于等于11mm时，雨水全部收集至调蓄池，雨水径流污染全部控制，调蓄水量1300~5356m³，总调蓄量42120m³。当降雨量为11~25mm时，雨水将调蓄池基本充满，径流污染绝大部分得到控制，单场降雨调蓄水量6292m³，总调蓄量125840m³。当降雨量为25~50mm时，雨水将调蓄池充满，雨水径流污染可得到有效控制，单场降雨调蓄水量6292m³，总调蓄量18876m³。在上述降雨事件中，初雨可得到有效控制。在特大暴雨事件中（20年一遇即107mm降雨；50年一遇即123mm降雨）情况下调蓄池将快速被蓄满，调蓄池充满时间短于管网远端集水与管道流行时间，因此管网远端初雨污染不能有效控制。

特大暴雨情境下调蓄池控制初雨污染情况

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雨水排水系统调度运维优化

通过初雨调蓄池的建设，进一步优化调整雨水排水系统运行调度：

（1）无降雨时，雨水泵站不开启，结合泵站前池水位，启动调蓄净化池系统，向公园绿地补充景观用水，保障降雨时泵站低水位运行启动（腾空管网积水）。

（2）降雨强度达到小雨及小到中雨级别时，一、二级河道沿线雨水泵站不开启，开启雨水调蓄净化系统，对雨水净化调蓄。

（3）降雨强度达到中雨级别时，部分低洼地区会出现积水情况。一级河道沿线雨水泵站不开启，二级河道沿线雨水泵站遇积水情况可开启，启动调蓄净化池系统。

（4）降雨强度达到中到大雨级别，降雨强度超过排水设计标准，低洼易积水地区会出现较严重积水。一级河道沿线雨水泵站遇积水情况可开启，二级河道沿线雨水泵站可全部开启。

（5）降雨强度达到大雨及以上级别时，降雨强度远超排水设计标准，低洼易积水地区会出现严重积水。此时沿一、二级河道雨水泵站全部开启。

经过上述系统运营调度优化，可有效降低水系污染风险、增加“调蓄”弹性空间、更利于绿化种植。将源头削减（地块LID）、过程控制、末端调蓄（泵站+调蓄池）等一系列海绵建设措施代入水文管网模型中进行模拟，可观察到2年一遇3小时降雨（76.2mm）及5年一遇3小时降雨（94.9mm）所产生的内涝均能得到有效缓解，有助于实现“中雨不积水、大雨无风险”的目标。

中雨不积水

大雨无风险

05

思考与展望

海绵城市建设首先要摸清家底，衔接好规划与设计，对现状条件清楚，要从设计的角度出发去考虑现状情况，规划方案要沉下去并接地气。其次要找准问题，解决主要矛盾，在海绵城市建设中要明确主要目标，从诸多问题中牵住牛鼻子，找准问题产生的根源，要避免就问题说问题，只顾表面现象，要统筹考虑综合原因。再次要优化系统调度，提高设施利用效率，从规划、设计、建设和运维多角度考虑方案的合理性，把海绵设施的功效发挥到最大化，重点突出海绵城市建设的运行效果。最后，海绵城市建设要经济可行，平衡投入与效果，切忌不考虑成本问题，搞一刀切，而是要考虑综合效益。

项目团队信息

项目主管：任希岩、吕红亮

项目组成员：于德淼、张中秀、吴岩杰、李智旭

联系电话：[phone]

邮箱：[e-mail]

本文为中规院（北京）规划设计公司，“2019规划论谈”系列报道之一，更多相关精彩内容，敬请期待！

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