天津生态城水系统构建与海绵建设技术研究及实践

围绕天津生态城高标准水系统建设目标,分析不同发展阶段的水环境问题与技术需求,全方位开展水系统及海绵城市规划、建设与管理技术研究,创新形成了统筹所有涉水设施的生态城市新型水系统规划模式、耦合大水系构建与全过程灰绿蓝结合的海绵城市规划策略,研发了非常规水多源多功能净化处理技术、景观水体水质保持与生态修复技术、盐碱区域生物滞留设施雨水径流污染控制技术、盐碱影响下的雨水调蓄与利用技术、基于盐渍土改良和耐盐植物群落构建的景观生态改善技术,建立了融合水动力-水质耦合模型、多水源补水优化调度模型和内涝模型的天津生态城水系统智能化管理平台。该技术成果在天津生态城水系统和海绵城市规划、建设与管理中得到应用,实现非常规水利用率超50%、水体水质达GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类,年径流总量控制率>80%,径流污染削减率>65%(以SS计),年雨水资源化利用总量达30余万m3,优化了水资源结构并提高了水资源利用效率,全面改善了天津生态城水环境质量,提升了涉水设施动态联动联控的协同管理水平,为同类型地区水系统和海绵城市高标准建设提供了参考和借鉴。     

基于多目标优化与综合评价的海绵城市规划设计

海绵城市源头减排设施已被广泛应用于城市雨水径流削减与污染控制,但仍缺乏一种综合评价方法来实现其科学规划设计.本研究构建了一种基于多目标优化与综合评价相耦合的海绵城市规划设计方法,以建设成本、雨水综合径流系数、污染物综合控制率为目标函数,以源头减排设施建设规模和海绵城市径流控制指标作为边界条件,建立基于快速分类的非支配遗传算法（NSGA-Ⅱ）的多目标优化模型;然后结合层次分析法对优化解集进行综合指标评价,得出最优化设计方案.利用该方法以研究区A为案例,构建了一套建设成本最小化、水文水质效益最大化的设计方案,并通过海绵城市建设前后的暴雨洪水管理模型（SWMM）,评估最优化方案的降雨径流控制与径流污染控制效果.研究结果表明,海绵城市建设能大幅削减雨水径流量,年径流总量控制率达70.1%;雨水峰值流量削减率超过40%,同时延后径流峰值出现时间;有效降低雨水径流污染,研究区各类污染物综合削减率均超过30%.本文提出的多目标优化与综合评价方法,能够基于特定的目标与需求,针对性提出适合区域发展的海绵建设方案,为海绵城市规划设计提供技术支持.     

基于SWMM的天津市某海绵型建筑小区径流水量水质效果模拟分析

以天津市某海绵型建筑小区为研究对象,采用在线监测与模型模拟相结合的方法,开展小区尺度海绵化改造对径流水量水质效果评估的量化研究。构建暴雨雨洪管理模型,利用实测降雨、水量、水质数据进行模型关键参数的率定与验证,在设计降雨和实际场次降雨、多年连续降雨情景下,模拟分析海绵化改造对径流总量、径流峰值、径流污染的控制效果及差异。结果表明,海绵型建筑小区在2～10年一遇设计降雨重现期下,径流总量控制率为64.43%～74.10%,径流体积削减率为31.27%～40.09%,监测排口处径流峰值削减率为40.57%～41.40%。在55场实际降雨情景下,径流总量控制率为58.29%～100.00%,径流污染削减率为40.93%～83.05%。同时,总降雨量、最大小时降雨量是影响径流总量、径流污染控制效果最主要的降雨特征,存在较强的负相关(P<0.01)。多年连续降雨情景下,年径流总量控制率为78.61%,年径流体积削减率为37.18%,年径流污染削减率为45.16%。该研究成果可为科学定量评估海绵型建筑小区径流控制效果提供参考。     

对低影响开发中雨水调蓄设施的分析和思考研究

随着海绵城市规划建设的陆续开展,低影响开发(LID)的理念也深入人心并得到广泛应用,国内各地均结合自身实际情况提出了年径流总量控制率的目标.事实上,各地在实践中也都逐渐总结出,将年径流总量控制率的目标转化为控制的雨量更容易落地实施,而实现目标的其中一个关键抓手就是雨水调蓄设施.通过对调蓄设施的类型、用途及标准等内容的分析和思考,提出规划建设中应当注意的问题和建议,为海绵城市建设提供一些参考,促进调蓄设施更好的发挥作用.     

薄壁堰式智能流量监测装置的设计及其应用

在海绵城市建设中,雨水径流流量是一项重要的基本参数。但由于径流雨水的水头低、流量不稳定等特点,使得雨水径流流量测量难度很高。针对雨水径流流量测量难的问题,设计出1种薄壁堰式智能流量监测装置。该装置基于三角形薄壁堰测流原理,结合1种水位实时监测模块,实现雨水径流流量的在线实时监测。水位测量是利用阿基米德原理,通过力传感器将内置的圆柱体浮筒所受浮力转化为薄壁堰的堰上水头高度,再通过三角堰流量率定公式,计算得到被测流量。通过物联网技术,将数据实时发送到网站,实现在线监测。对设计的三角堰进行率定,流量为0. 5871～6. 4741 L/s,率定实验结果表明,所建立的拟合公式R~2=0. 9983,相对误差<4. 7%,具有良好的测量效果。将装置应用于某海绵城市建设园区内进行测试,能很好地记录降雨过程中径流流量以及流量的变化、峰值时间等参数,并且满足精准度的要求,在海绵城市建设和信息化建设中具有广阔的应用和推广前景。     

基于在线监测+模型的海绵城市建设径流水量控制效果研究

以青岛市海绵城市典型项目区为研究区,通过收集、整理和概化汇水区资料,构建了研究区降雨径流模型——SWMM模型。利用2018年雨季的降雨-径流实时监测数据,进行了模型关键参数的率定和模型验证,研究了海绵城市建设在削减径流量、增加入渗与滞蓄雨量方面的定量效果。结果显示:海绵改造后,不同降雨强度下形成径流的雨量占总雨量的平均比例由56%下降至29%;下渗雨水的平均比例由40%增加至60%,滞蓄深度由0.63 mm增加至5 mm。海绵改造前后研究区场降雨径流总量控制率变化显著,当以1~10年一遇的短历时（120 min）设计降雨作为模型边界条件进行模拟时,海绵化改造后场次降雨径流总量控制率提高了26%~34%,认为研究区基本达到了海绵城市关于水量控制的建设要求。     

城市降雨径流监测自动采样技术研发与应用

海绵城市建设效果评估需要对海绵设施和不同尺度区域的径流过程进行水质监测采样。现有的采样方法和设备难以自动采集到径流产生初始阶段的水样。研发了一套包含无电力驱动天然降雨自动采样器、"零捕获"下垫面径流过程水质监测自动采样终端、智能型自动水质监测采样器等设备的城市降雨径流水质监测自动采样技术,解决了全天候、自动采集天然降雨和径流过程最初水样的难题,并可记录采样过程的具体时间。实际应用表明,该套技术可操作性强,性能可靠,能为相关科学研究和监测评估提供参考。     

海绵城市监测和效果评估中存在的问题与对策建议

海绵城市监测与评估涉及科学、技术、工程、设备及管理等多个方面,现阶段监测评估工作面临一定的困惑和挑战。根据我国海绵城市建设效果监测评估实践,分析海绵城市监测评估中在监测目的、监测方案、评估分析方法、模型率定和验证等方面存在的误区及若干问题,并提出相应的对策建议。针对建设,片区、项目、设施等不同尺度,从效果评估、科学研究、模型率定、运行维护等方面对监测目的和内容进行分析。海绵城市建设效果评估的核心指标应包括年径流总量控制率、黑臭水体消除比例、内涝积水点消除比例、内涝防治标准达标情况、天然水域面积变化率等,鼓励采用"监测+模型"的评估方式。     

人工调水回灌和海绵城市促渗补给地下水方案比较

随着城市化快速发展和城市人口急剧增加,城市需水量急剧增加,导致许多城市地下水被过量开采。与此同时,随着城市建设用地的增加,不透水面积比例逐年升高,阻断了雨水下渗通道,导致地下水补给量逐年减小。地下水资源的过量开采引起了地面不均匀沉降、地下水污染、海水入侵等一系列问题。针对上述问题,以某市为例,从水量、水质、工程可靠性等方面比较了人工调水回灌与海绵城市促渗补给地下水方案的综合效益。结果表明:人工调水方案地下水补给量约为779万m3/年,海绵城市建设方案地下水补给量为339万m3/年,2种方案补给水水质中污染物种类相似,但雨水径流污染物浓度波动较大。因此,人工调水具有补水量易于控制、水质相对稳定,但调水水量受可利用水源的制约。海绵城市建设在保证地下水补给效果的同时,还具有雨水径流污染控制、洪涝缓解等多重效益,综合效益相对较高,且更符合城市可持续发展的理念。     

基于海绵当量的绿色雨水基础设施规划设计方法研究

绿色雨水基础设施作为海绵城市建设的主要设施,能够减少径流雨水的产生、外排以及发挥净化作用,但绿色雨水基础设施的种类较多,设施的控制效果及适用条件不一。为便于海绵城市绿色雨水基础设施的规划、设计、验收、考核及监测评估,提出了"海绵当量"的概念以及典型绿色雨水基础设施海绵当量的计算方法,并以北京典型片区为例进行应用验证。研究方法和结论可为绿色雨水基础设施规划设计优化及海绵城市建设效果评估提供技术支撑。     

光纤传感技术在雨水径流监测中的应用

鉴于海绵城市建设中海绵设施效能监测不足、手段复杂且精度低的问题,将光纤传感技术应用于海绵城市透水铺装中,以光纤光栅温度传感器为监测手段,以外界量改变引发透水面层上下铺设传感器输出波长信号变化为基本原理,得出雨水渗透速率,并以此为核心指标。以湖北省暴雨资料为基础,模拟不同重现期（1,5,10,50,100 a）下不同透水铺装对雨水径流量的削减实验,结合实验数据,建立了雨水渗透速度与透水铺装径流量削减指标的线性拟合关系。结果表明:渗透速度与径流量削减率、产流时刻均有较好相关性（R2>0.93、R2>0.92）。该技术在鄂西地区高铁站成功应用,证明利用渗透速率监测产流时刻与径流量削减率是可行的。     

自然失水条件下土壤的入渗特性研究

下凹绿地、雨水花园等生物滞留设施可参与雨水和地表径流的自然下渗与调节,是海绵城市建设的重要组成部分,雨水入渗对削减雨水外排具有重要作用。目前对土壤渗流的设计主要基于达西定律,但对非饱和土壤来说,达西定律并不广泛适用。对不同初始含水率土壤进行变水头渗透试验,得出其变水头渗透速度与时间的关系,并与达西定律计算结果进行对比,变水头渗透速度与时间的关系式可为海绵城市中土壤入渗的设计计算提供参考。     

基于光纤传感技术的天然海绵体监测系统评估

对海绵设施的运行效能进行科学监测,可有效评估海绵城市建设的收益,并为海绵城市的建设提供数据反馈和指导性建议,但目前并无有效方法对天然海绵体运行效能进行监测评估。以湖北西部某大型高铁交通枢纽区海绵试点区为例,将光纤传感系统监测到的透水速率作为基础参数,探究其与含水率之间的函数关系,并建立蓄水量监测模型,完成了整个监测系统的构建。在实际降雨条件下,对该系统在径流监测及蓄水饱和预警方面的性能进行了评估,结果表明:光纤传感监测系统,在径流监测方面具有较高精度,预警产流时刻与实际产流时刻基本吻合。光纤传感监测系统展现出了很强的适应性和优异性能,可为海绵城市设施自动化运行提供技术支持。     

南宁市道路初期雨水径流污染物浓度分析

初期雨水污染是雨水径流污染的主要贡献者,掌握初期雨水的污染特征,对于城市雨水处理设施建设尤为重要。以南宁市为例,开展了城市初期雨水径流污染特性分析,旨在为南宁市海绵城市建设以及雨水处理措施提供参考。选取6个采样点的8场降雨,对常规水质指标(COD、NH3-N、TN、TP、SS)进行分析,揭示了降雨过程中污染物的瞬时浓度分布。结果表明:建成区污染物浓度范围和污染物平均水平均明显高于规划区;不同雨型下,雨水初期冲刷效果强弱顺序为暴雨>大雨>中雨>小雨;除小雨外,其他雨型在降雨20 min左右时污染物浓度达到平衡;暴雨情况下,污染物浓度在5 min内降低50%,15 min内70%~80%的污染物随雨水直排或进入城市管网。     

镇江市雨水收集利用示范工程雨水水质特性研究

以镇江市雨水利用示范工程为研究对象,通过对8场典型降雨雨水取样检测,得出了示范点雨水径流的污染状况和水质特性,分析各种雨水水质变化规律、雨水质量及其主要影响因素,研究各类污染物之间的相关性。结果表明:降雨初期径流污染严重,主要是有机污染物和悬浮物固体污染,雨水中的悬浮物与有机污染物浓度有一定的相关性;在弃去初期雨水后,水质基本满足景观环境再生水水质和城市杂用水水质的控制指标。