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(shè)計研究總院有限公司，天津 300074)

研究背景

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

摘 要

圍繞天津生態(tài)城高標準水系統(tǒng)建設(shè)目標，分析不同發(fā)展階段的水環(huán)境問題與技術(shù)需求，全方位開展水系統(tǒng)及海綿城市規(guī)劃、建設(shè)與管理技術(shù)研究，創(chuàng)新形成了統(tǒng)籌所有涉水設(shè)施的生態(tài)城市新型水系統(tǒng)規(guī)劃模式、耦合大水系構(gòu)建與全過程灰綠藍結(jié)合的海綿城市規(guī)劃策略，研發(fā)了非常規(guī)水多源多功能凈化處理技術(shù)、景觀水體水質(zhì)保持與生態(tài)修復(fù)技術(shù)、鹽堿區(qū)域生物滯留設(shè)施雨水徑流污染控制技術(shù)、鹽堿影響下的雨水調(diào)蓄與利用技術(shù)、基于鹽漬土改良和耐鹽植物群落構(gòu)建的景觀生態(tài)改善技術(shù)，建立了融合水動力-水質(zhì)耦合模型、多水源補水優(yōu)化調(diào)度模型和內(nèi)澇模型的天津生態(tài)城水系統(tǒng)智能化管理平臺。技術(shù)成果在天津生態(tài)城水系統(tǒng)和海綿城市規(guī)劃、建設(shè)與管理中得到應(yīng)用， 實現(xiàn)非常規(guī)水利用率超50%、水體水質(zhì)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(yōu)化了水資源結(jié)構(gòu)并提高了水資源利用效率，全面改善了天津生態(tài)城水環(huán)境質(zhì)量，提升了涉水設(shè)施動態(tài)聯(lián)動聯(lián)控的協(xié)同管理水平，昔日的鹽堿荒灘成為繁榮宜居的綠色生態(tài)新城，為類似地區(qū)水系統(tǒng)和海綿城市高標準建設(shè)提供了參考和借鑒。

01

天津生態(tài)城水環(huán)境問題與技術(shù)需求

天津生態(tài)城作為新建城市，從規(guī)劃建設(shè)到逐漸完善的不同發(fā)展階段面臨不同的水環(huán)境問題，相應(yīng)的技術(shù)需求也存在差異，并且需要不斷深化。

2008年天津生態(tài)城建設(shè)伊始，土地性質(zhì)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(tài)環(huán)境極度惡化，如何統(tǒng)籌水系統(tǒng)規(guī)劃，為打造高標準生態(tài)水系描摹藍圖，成為生態(tài)城水環(huán)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(yōu)化配置、水系統(tǒng)管理等整體規(guī)劃技術(shù)，為30km2中新合作區(qū)水系統(tǒng)規(guī)劃方案制定提供支撐。

“十二五”期間天津生態(tài)城以水系統(tǒng)構(gòu)建與實施為重點任務(wù)，亟需解決補水水源、水量、水質(zhì)及鹽堿環(huán)境水生態(tài)修復(fù)等水系統(tǒng)建設(shè)與管理保障方面的問題，將規(guī)劃落到實處。為此，研究多種非常規(guī)水源多等級凈化利用、景觀水體水質(zhì)保持與生態(tài)修復(fù)、水環(huán)境智能管控技術(shù)，成為推進水系統(tǒng)高質(zhì)量建設(shè)和高效管理的重要支點。

“十三五”期間，天津生態(tài)城獲批海綿城市建設(shè)試點，雖然先期的開發(fā)建設(shè)始終秉持低影響開發(fā)理念，然而對于技術(shù)的區(qū)域適用性還欠缺考慮，且技術(shù)應(yīng)用的系統(tǒng)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(shè)難題，實現(xiàn)海綿技術(shù)本土化與集成化，成為亟需解決的問題。同時，天津生態(tài)城實施行政體制改革，三區(qū)合一水系整合構(gòu)建需求迫切。為此，研究鹽堿區(qū)域雨水污染控制與調(diào)蓄利用、景觀生態(tài)改善、大水系構(gòu)建與智能管控技術(shù)，成為統(tǒng)籌推進天津生態(tài)城海綿城市建設(shè)和水系統(tǒng)完善的重要基礎(chǔ)。

02

天津生態(tài)城新型水系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

1.統(tǒng)籌所有涉水設(shè)施的生態(tài)城市新型水系統(tǒng)規(guī)劃模式

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

圖1 新型水環(huán)境系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)路線

在水資源配置層面，遵循水資源梯級利用、非常規(guī)水資源利用率最大化原則，基于天津生態(tài)城城市供水水源、水質(zhì)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(tài)供需平衡分析，優(yōu)化配置海水、雨水、再生水、過境水等非常規(guī)水源，對水資源利用進行彈性管理。在水環(huán)境質(zhì)量提升方面，協(xié)同規(guī)劃非常規(guī)水資源凈化利用、景觀水體水水質(zhì)保持與景觀生態(tài)改善集成技術(shù)措施，保障水資源配置結(jié)果的有效落地和水環(huán)境整體改善。在水系統(tǒng)管理層面，強化城市水系統(tǒng)數(shù)字化軟硬件規(guī)劃，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)和GIS等平臺系統(tǒng)，在城市水系統(tǒng)中布設(shè)相應(yīng)硬件設(shè)施并建立數(shù)字化管理平臺，對多水源進行實時優(yōu)化調(diào)配，對水系水質(zhì)水量進行監(jiān)控及聯(lián)動調(diào)度，實時管理城市水系，確保排澇、水生態(tài)安全，同時在系統(tǒng)中設(shè)置預(yù)警和應(yīng)急預(yù)案，提高城市用水系統(tǒng)運行的安全保障率。為生態(tài)城市規(guī)劃建設(shè)具有節(jié)水、減排、智能、安全、高效、健康等功能特征的水系統(tǒng)提出新的規(guī)劃參考。

2.非常規(guī)水多源多功能凈化處理技術(shù)

針對中新生態(tài)城景觀水體補水水源及水質(zhì)水量隨時空變化大，水體呈緩流及相對封閉的特點，研發(fā)多等級再生水、雨水和低污染水、高鹽水協(xié)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(jié)合水源特征，研究處理工藝單元及組合的處理效果、優(yōu)化運行參數(shù)，形成多水源綜合處理技術(shù)及其工藝組合、工藝過程動態(tài)調(diào)控方法（圖2）。

圖2 多水源補水的深度處理技術(shù)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(chǎn)普通品質(zhì)再生水，并進一步研究提出滿足高品質(zhì)再生水水質(zhì)要求的微絮凝-氣浮過濾-超濾-反滲透工藝單元組合及參數(shù)；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(shù)。不同非常規(guī)水源處理工藝及出水水質(zhì)如表1所示，經(jīng)微絮凝-氣浮過濾/快速過濾-人工濕地處理的出水水質(zhì)優(yōu)于普通補水水質(zhì)要求，經(jīng)雙膜法處理的出水明顯優(yōu)于高等級補水水質(zhì)要求，滿足多水源交叉補水需求。

表1 非常規(guī)水源處理工藝及對應(yīng)出水水質(zhì)一覽表 mg/L

3.景觀水體水質(zhì)保持與生態(tài)修復(fù)技術(shù)

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

圖3 非常規(guī)水多源協(xié)同利用和低影響開發(fā)實施路徑

基于水資源循環(huán)高效利用目標，通過分析影響生態(tài)水量平衡的因素，進行生態(tài)水量平衡計算（圖4），結(jié)合2014~2016年補水、外排水量，并考慮降水、徑流和蒸發(fā)損失，核算出滲入及未預(yù)見水量為12.5萬m3/月，滲漏方向為滲入，由于生態(tài)城水體底部已做防滲處理，故判斷為地下水側(cè)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(tài)城30km2范圍內(nèi)生態(tài)水體面積在2020年以前處于逐步改造和建設(shè)階段，因此2018~2020年間水體水面面積和蓄水量也呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，至2020年改造完成后，水體面積基本穩(wěn)定在408萬m2，常水位蓄水量1202萬m3，且2018年以后為節(jié)約優(yōu)質(zhì)海淡水資源，生態(tài)補水主要以再生水和凈化雨水為主，海淡水作為應(yīng)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(tài)需水量，并通過近遠期再生水和雨水資源量，核算生態(tài)補水保障能力。結(jié)果顯示（圖5），隨著污水量的增加和雨水凈化設(shè)施建設(shè)的推進，用于生態(tài)補水的提標水量和雨水量均逐年增加，并且生態(tài)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(shù)分別可達到2.18、2.34和2.02次。遠期因生態(tài)需水量不變，而污水資源量逐年增加，所以2030年換水次數(shù)可達到2.86次。再生水和雨水近、遠期均可滿足生態(tài)補水需求。

圖5 生態(tài)水量供需平衡保障能力示意

天津生態(tài)城排水體制為分流制，根據(jù)每個排水分區(qū)布設(shè)雨水泵站將雨水徑流強排入河的特點，研發(fā)了雨水泵站與復(fù)合功能濕地組合建設(shè)模式。在起步區(qū)合建泵站開展人工濕地雨水與河水協(xié)同凈化技術(shù)研究及工程應(yīng)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(diào)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(xiàn)氨氮和COD的去除。人工濕地工藝流程及應(yīng)用實景如圖6所示，目前已形成河濕循環(huán)的水系格局。

圖6 人工濕地雨水凈化及旁路透析技術(shù)流程及應(yīng)用

03

濱海鹽堿區(qū)域海綿城市建設(shè)技術(shù)

1.耦合大水系構(gòu)建的海綿城市建設(shè)規(guī)劃

“十三五”期間，天津生態(tài)城三區(qū)合一規(guī)劃統(tǒng)籌推進，亟需整合構(gòu)建大水系。以全面改善水環(huán)境、塑造親水和諧的景觀環(huán)境為目的，結(jié)合生態(tài)城指標體系對水系水質(zhì)水量的要求和海綿城市建設(shè)擬達到的雨水徑流量及徑流污染物削減目標等需求，協(xié)調(diào)涉水專項規(guī)劃及海綿規(guī)劃，遵循綠灰藍結(jié)合雨水調(diào)控理念，提出水系周邊用地布局優(yōu)化方案；合作區(qū)水動力改善及水質(zhì)凈化提升方案；不同功能區(qū)淡水連通及補水協(xié)調(diào)、淡水系統(tǒng)和海水系統(tǒng)耦合行洪調(diào)蓄安全保障方案。

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

圖7 三區(qū)合一大水系構(gòu)建技術(shù)策略框架圖

立足于天津生態(tài)城本地特征，基于海綿城市水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水安全、水景觀目標，實施分區(qū)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(diào)控-末端管控的系統(tǒng)化措施（圖8）。耦合海綿設(shè)施、管網(wǎng)、水系多級調(diào)蓄與凈化功能，以及地表水和地下水的水文交換利用，構(gòu)建大排水系統(tǒng)，形成天津生態(tài)城海綿城市建設(shè)整體技術(shù)策略，支撐徑流量與徑流污染控制目標的實現(xiàn)。

圖8 海綿城市全過程管控模式

2.鹽堿區(qū)域海綿城市構(gòu)建與景觀生態(tài)改善集成技術(shù)

圍繞海綿城市建設(shè)的徑流量、徑流污染削減、景觀環(huán)境提升，基于促滲減排壓鹽控鹽等多目標，進行海綿技術(shù)措施組成要素、結(jié)構(gòu)設(shè)計、建設(shè)運維等鹽堿區(qū)域適用性參數(shù)優(yōu)化以及鹽生景觀塑造研究。研發(fā)鹽堿區(qū)域生物滯留設(shè)施徑流污染控制、雨水調(diào)蓄利用、景觀生態(tài)改善技術(shù)，耦合大水系調(diào)蓄及不同鹽分梯度的水環(huán)境景觀改善，形成鹽堿區(qū)域海綿城市構(gòu)建與景觀生態(tài)改善集成技術(shù)。

1）鹽堿區(qū)域生物滯留設(shè)施雨水徑流污染控制技術(shù)。

針對以天津生態(tài)城為代表的鹽堿區(qū)域建設(shè)海綿城市面臨的面源污染特征復(fù)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(shè)施徑流污染控制技術(shù)參數(shù)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(yōu)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(shè)施影響的最高地下水位埋深應(yīng)>1.75m。

研究形成促滲減排控污壓鹽協(xié)同的鹽堿區(qū)域生物滯留設(shè)施雨水徑流污染控制技術(shù)與設(shè)施系統(tǒng)。統(tǒng)籌預(yù)處理措施、適宜植物選擇、設(shè)施土壤入滲性能改良、多功能復(fù)合型凈水填料選配及設(shè)施下挖深度參數(shù)優(yōu)化與集節(jié)水控鹽運維調(diào)控于一體的技術(shù)措施，形成了適合鹽堿區(qū)域雨水徑流污染控制的生物滯留設(shè)施構(gòu)建策略。技術(shù)已在天津生態(tài)城甘露溪和中新友好景觀工程項目中得到應(yīng)用。累計實測18場降雨，每場降雨初期、中期、后期分別采集設(shè)施出水，測定SS濃度變化，降雨量及設(shè)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(shè)施未產(chǎn)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(shè)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(shè)施每年出水SS濃度變化趨勢（圖9），結(jié)果顯示，與路面徑流相比，生物滯留設(shè)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(shè)施對雨水徑流具有良好的凈化效果，并且對SS的去除呈現(xiàn)逐年向好的趨勢。

圖9 生物滯留設(shè)施出流與路面徑流SS濃度對照圖

2）鹽堿影響下的雨水調(diào)蓄與利用技術(shù)。

針對鹽堿區(qū)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(qū)的不同下墊面雨水分類收集與利用方案。依據(jù)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(jù)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(shù)已應(yīng)用于甘露溪和中新友好景觀工程，甘露溪公園雨水梯級調(diào)蓄可消納削減75.7mm降雨量（調(diào)蓄量為7916m3），雨水利用率提升至35%；中新友好公園雨水調(diào)蓄設(shè)施可消納削減量86.9mm降雨量（調(diào)蓄量為46074m3），雨水利用率提升至34%，解決了鹽堿區(qū)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(gòu)建的景觀生態(tài)改善技術(shù)。

天津生態(tài)城海綿城市景觀建設(shè)面臨土壤鹽漬化重、植物生長環(huán)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(jīng)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(tài)景觀穩(wěn)定性提升措施等技術(shù)難點，開發(fā)鹽漬土改良和鹽生植物群落構(gòu)建技術(shù)。優(yōu)選有機調(diào)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(tǒng)碎石材料，結(jié)合盲管排鹽工藝，通過自然降雨等非常規(guī)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(fù)合耐鹽、單一耐鹽植物群落的多層級鹽生植物群落結(jié)構(gòu)，提升了景觀生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。技術(shù)已應(yīng)用于中新友好景觀工程濱河帶景觀構(gòu)建，濱河帶耐鹽植物種類、數(shù)量比例分別達到83%和96%。

04

城市涉水設(shè)施動態(tài)聯(lián)動聯(lián)控智能平臺構(gòu)建

生態(tài)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(huán)境水生態(tài)改善、非常規(guī)水資源綜合配置與利用等方面目標，需要考慮滿足涉水設(shè)施系統(tǒng)、協(xié)同調(diào)度要求的智能化監(jiān)測管理系統(tǒng)，而模型是構(gòu)建智能化、信息化管理系統(tǒng)的關(guān)鍵。為此研究開發(fā)水動力-水質(zhì)模擬、多水源補水優(yōu)化調(diào)度、海綿內(nèi)澇模型為一體的天津生態(tài)城水系統(tǒng)智能化管理模型庫，是構(gòu)建天津生態(tài)城水系統(tǒng)智能管理平臺的重要內(nèi)容。

針對天津生態(tài)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(xué)模型（EFDC）和水質(zhì)模型（WASP）構(gòu)建水環(huán)境系統(tǒng)水動力-水質(zhì)耦合模型，應(yīng)用該模型水體進行仿真模擬，并利用ARCGIS技術(shù)將模型與地理空間緊密結(jié)合，實現(xiàn)模型可視化。水動力模型應(yīng)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(qū)，在湖泊岸線內(nèi)凹的區(qū)域存在污染物積累問題。水體水質(zhì)受水源影響較大，采用低質(zhì)補水水源時，葉綠素a濃度上升明顯；總磷、氨氮等營養(yǎng)鹽濃度較高，且在補水點附近形成積累。針對生態(tài)城景觀水體現(xiàn)狀問題，可從補水方式和補水水質(zhì)兩方面進行改進，流場模擬結(jié)果表明采用多點補水有利于改善水體各區(qū)域的交換性，補水均勻性提高。水質(zhì)模型應(yīng)用顯示：提升補水水質(zhì)可有效控制浮游植物的生長，水體營養(yǎng)鹽濃度下降，多點補水與提升補水水質(zhì)聯(lián)合方案指導(dǎo)下，水體水質(zhì)改善效果更加明顯；增設(shè)水體循環(huán)凈化，可減小水體滯流區(qū)的面積并提高水體水質(zhì)，同時提出在局部的滯水區(qū)采用噴泉，水車等措施以改善水力條件。通過天津生態(tài)城連通水系的水動力與水質(zhì)模擬，提出了多點補水、提升補水水質(zhì)及旁路循環(huán)凈化的多種優(yōu)化方案，利用模型對各優(yōu)化方案及其組合方案進行優(yōu)化模擬，提出水動力-水質(zhì)組合優(yōu)化方案。

圖11 基于水動力-水質(zhì)模型的水體補水與循環(huán)凈化優(yōu)化模擬

運用多目標非線性規(guī)劃（MONLP）技術(shù)，構(gòu)建天津生態(tài)城水系統(tǒng)多水源補水優(yōu)化調(diào)度模型。以水質(zhì)達標和水資源利用效率最大為目標函數(shù)，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(huán)凈化水量5個模型決策變量的優(yōu)化，提出多水源補水的分季節(jié)、分水期調(diào)度策略。模型優(yōu)化結(jié)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(zhì)保持良好，11月循環(huán)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(zhì)再生水的生產(chǎn)費用較高，故在生態(tài)城水資源優(yōu)化的過程中，在保證水量水質(zhì)的情況下，盡可能地提高可利用雨水和過境水的水質(zhì)，減少高品質(zhì)再生水的供應(yīng)量，這在一定程度上可降低水環(huán)境系統(tǒng)運行成本。

圖12 水系多水源補水優(yōu)化調(diào)度模擬

應(yīng)用水文水動力方法構(gòu)建海綿內(nèi)澇模型，對2年、5年、10年、20年一遇典型降雨下的內(nèi)澇分布情況進行模擬。針對生態(tài)城某一易澇區(qū)域的防汛調(diào)度，可通過分析監(jiān)測降雨雨量結(jié)合未來時段預(yù)報降雨雨量，判別當前場次降雨等級，根據(jù)降雨等級可將附近雨水管網(wǎng)業(yè)務(wù)監(jiān)測數(shù)據(jù)與相應(yīng)降雨等級下的海綿內(nèi)澇模擬結(jié)果進行對照分析，結(jié)合海綿內(nèi)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(jié)果，為該區(qū)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(yù)警管理，并制定應(yīng)急預(yù)岸案；結(jié)合不同的情勢判斷、模型預(yù)案庫及水質(zhì)和水安全改善效果分析結(jié)果，匹配適合的預(yù)案，為調(diào)度提供決策支撐。

基于所研發(fā)的模型和預(yù)案，構(gòu)建了涵蓋水質(zhì)監(jiān)測、水量感知、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、預(yù)報警、輔助決策、應(yīng)急調(diào)度等功能的天津生態(tài)城水系統(tǒng)智能化管理平臺，平臺調(diào)度大廳的水環(huán)境系統(tǒng)調(diào)度人員通過平臺對現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備采集傳輸上來的水質(zhì)實時數(shù)據(jù)進行分析并自動預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)突發(fā)異常報警或水質(zhì)污染預(yù)警。調(diào)度人員獲取信息后，根據(jù)《天津生態(tài)城水環(huán)境系統(tǒng)應(yīng)急預(yù)案》即時啟動處置預(yù)案，對污水、排水、雨水、景觀水體等相關(guān)部門和單位進行調(diào)度指揮，執(zhí)行應(yīng)急預(yù)案，對水質(zhì)污染事故進行集中處理，形成了集水質(zhì)監(jiān)測、處置預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度于一體的閉環(huán)式管理，為生態(tài)城涉水業(yè)務(wù)運營管理提供了保障。

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結(jié)論

為打造國際生態(tài)示范城市，在天津生態(tài)城水系統(tǒng)構(gòu)建與海綿城市建設(shè)實踐中，積極開展創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)。規(guī)劃層面，以水系統(tǒng)規(guī)劃為先導(dǎo)，統(tǒng)籌所有涉水設(shè)施，進行多水源統(tǒng)籌配置，并超前布局智能化管控，形成了新型水系統(tǒng)規(guī)劃模式，體現(xiàn)了城市規(guī)劃建設(shè)管理的科學(xué)性和前瞻性，符合“以水定城”的發(fā)展理念，在其他城市或區(qū)域水系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)中推廣應(yīng)用前景廣闊。技術(shù)層面，緊扣缺水城市水資源短缺特點，在新型水系統(tǒng)構(gòu)建過程中，研發(fā)生物、物化、生態(tài)處理技術(shù)靈活組合模式，協(xié)同處理利用多種非常規(guī)水源進行生態(tài)補水，對于缺水地區(qū)水生態(tài)修復(fù)意義重大；將綠灰藍結(jié)合的海綿理念貫穿于城市開發(fā)建設(shè)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(gòu)建技術(shù)策略；研發(fā)適用于鹽堿地區(qū)的雨水調(diào)蓄利用、徑流污染控制和景觀生態(tài)改善技術(shù)，實現(xiàn)了技術(shù)的本土化，綜合提升城市水環(huán)境質(zhì)量，對其他類似城市極具參考價值。管理層面，開發(fā)水動力-水質(zhì)耦合、多水源補水優(yōu)化調(diào)度、海綿內(nèi)澇系列化模型，構(gòu)建天津生態(tài)城水系統(tǒng)智能化管理平臺，實現(xiàn)涉水設(shè)施動態(tài)聯(lián)動聯(lián)控，綜合保障城市水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，提升涉水設(shè)施高效管理水平。

開發(fā)的新型水系統(tǒng)構(gòu)建、濱海鹽堿區(qū)域海綿城市建設(shè)與水生態(tài)改善成套技術(shù)，全面應(yīng)用于天津生態(tài)城水系統(tǒng)和海綿城市規(guī)劃、建設(shè)和管理當中，助力天津生態(tài)城優(yōu)美宜居生態(tài)城市建設(shè)提前達到《生態(tài)城指標體系》目標要求，實現(xiàn)非常規(guī)水利用率超50%、水體水質(zhì)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(tài)新城。未來，在打造生態(tài)城市升級版和智慧城市創(chuàng)新版的進程中，水系統(tǒng)進一步完善、城市水環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施低碳、智慧賦能轉(zhuǎn)型發(fā)展是必然趨勢，天津生態(tài)城水系統(tǒng)構(gòu)建與海綿城市建設(shè)技術(shù)將持續(xù)優(yōu)化提升，引領(lǐng)我國城市水環(huán)境綠色高質(zhì)量發(fā)展。