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        海綿城市源頭工程設施的運行維護管理技術體系

          導讀:我國海綿城市工程設施的運行維護管理是當前亟需重視的問題。針對國內現有的不同雨水設施的運行維護需求,提出了科學運行維護管理的技術體系,如日常巡護制度、運行效能監測和衰減性能監測。其中,運行效能監測主要是觀測雨水設施運行過程中對徑流峰值和污染物總量的調控。當雨水設施運行效果不達標時,應及時進行設施的衰減性監測。通過對雨水設施的介質土表征測試、沉積物積累測試和表面滲透性測試等步驟,評估雨水設施當前的衰減程度,并根據設施的衰減程度進行針對性維護。同時,運用物聯網等技術建立智慧海綿動態管控系統,保證雨水設施持久有效運行,由此實現了運行維護指標體系的系統化,以期為今后我國海綿城市運行維護提供有力的技術支撐。
          我國第一批和第二批海綿試點城市建成并投入使用對城市內澇及徑流污染的緩解做出了一定貢獻。由于雨水設施種類多、基數大、布局分散等特性,為使海綿城市中雨水設施充分發揮緩解暴雨徑流的效果,建成后應加強對雨水設施的維護管理。 
          當前國內外在對海綿城市的研究中,對于雨水設施的運行維護管理涉及較少。目前國內30個試點城市的監測與評估也僅滿足了住建部的考核目標或者是排水系統的提質增效要求,缺乏長期的運行管理和維護章程。如何科學地對雨水設施進行運行維護,使其長期穩定發揮“自然積存,自然滲透,自然凈化”功能已成為當前亟需解決的問題。
          基于此,參考國外運行維護的相關經驗,探索運行管理和維護的內容要求和技術路線,梳理科學診斷和監測的有效性和實用性,進而提出海綿城市科學的運行維護管理技術體系,可為科學編制海綿城市運行維護方案提供參考。
          01.海綿城市運行維護進展
          1.1國內外運行維護的研究進展
          一些發達國家在城市開發過程中,提出的如最佳管理措施(BMPs)、可持續城市雨水管理(SUDS)、水敏感城市設計(WSUD)等多種解決城市內澇和水生態危機的管理理念和比較完善的運行維護管理機制取得了一定成效,但很少有學術期刊和報告等針對雨水設施運行維護的科學性進行相關研究。對于水資源利用管理研究較早的美國,大部分地區以相關的法律法規和結合當地氣候、地理條件等特征頒布施行的管理運行維護手冊來規范對雨水設施的運行維護,例如,費城的雨水管理手冊對非專業背景住戶在雨水設施運行維護方面的指導,包括雨水設施的概念、典型構造、運行維護的常規操作和重點問題等;納什維爾地區主要是對設計規模和標準的詳細指導,具體的運行維護方案要參照業主簽訂的檢查維護協議;哥倫比亞特區就四種典型設施建設與維護做了簡要說明等。英國在雨水設施運營維護規劃指導手冊中明確規定了維護的內容和框架,并對手冊的內容及時補充更新。德國柏林為盡快排除地面積水、減輕排管壓力,開發了“洼地-滲渠”地下管道與地面明溝相結合的新型雨水處理系統,對雨水設施管理維護實現產業化。因各個國家的國情和典型雨水設施的安置類型不同,因此運行維護的重點也不盡相同。對于淡水資源缺乏的日本,雨水資源利用設施多以大型地下水庫、雨水調節池以及政府鼓勵家庭和企業購買的集雨裝置為主,這就決定了其維護任務的重點落在對這些設施的定期清潔工作上。為解決雨洪和水資源缺乏等問題,新加坡的集水和排水系統較先進,企業和組織機構主要進行水庫和河道的清淤及底泥疏浚等維護工作。 
          參考國外的這些運行維護經驗,國內有部分學者對雨水設施的運行維護需求進行了總結:高雪等對雨水設施運行中常出現的雜質淤積及積水排空等問題提出了針對性維護措施;王琦等對雨水設施維護過程中關于責任分配、維護人員要求、維護要點等問題進行了探討;丁繼勇等則分析了雨水設施的社會屬性,提出了“管養分離”的管理模式。我國部分海綿城市對雨水設施的運行維護管理規定主要包括:寧波市的雨水設施運行與維護技術導則中將24種雨水設施分為滲滯、儲存、調節、截污凈化、轉輸排放以及附屬設施六大類,并對各類設施的維護要點和注意事項進行了解釋說明;天津市的維護技術規程對其中15種雨水設施維護周期和維護方法進一步細致化;深圳光明新區的運行維護和績效評估要點中增加了各個設施的構造示意圖以及查看運維記錄文件和運維效果的評測。相比較而言,國內現有的運行維護導則僅僅停留在對雨水設施的分類歸納和日常巡護層面。
          1.2運行維護的不足和難點
          目前我國的運行維護較國外的發展還有很大差距,主要體現在以下三個方面:第一,國家政策層面缺乏明確的運行維護參照標準和相關的法律法規約束。缺乏參照標準導致的維護頻次較少或維護方法不合理會減少雨水設施的生命周期;沒有相關法律法規的約束,建成后雨水設施疏于管理也會使雨水設施的效果大打折扣。第二,管理體制層面缺乏明確的責任維護主體,維護管理模式單一。雨水設施從設計施工到建成運行需經過多個部門和企事業單位的參與,多個城市管理部門權責不明確,存在監管盲區;移交體制不完善等問題對長期運行維護的開展產生負面影響。第三,技術層面缺乏運行維護的定性監測指標和方法。技術層面是海綿城市運行維護的不足也是將來科學運維的難點?,F如今,我國的運行維護集中在對雨水設施的日常巡護,通過觀察雨水設施結構的完整性、植被生長狀況、邊坡的穩定等表觀情況來判定需要運行維護的內容。為保證雨水設施長效運行,應對雨水設施的運行效果是否衰減做出科學的診斷,并及時維護以延長雨水設施使用的生命周期。
          02.科學運維體系的建立
          2.1科學運維管理的內容和要求
          為建立適宜本地區的運行維護管理方案,應綜合考慮設施類型、維護制度建設及指標體系的建立等多個方面,具體研究思路見圖1。
          
          圖1雨水設施運行維護管理的研究思路
          雨水設施建設完成后,經過試運行及調試驗收合格后,建設方應將檔案資料(竣工圖紙等)及時移交運行維護管理方,除必要的日常巡護外,運行效能和衰減性能監測應交由專業人員定期開展. 
          ① 日常巡護制度
          建立海綿城市中雨水設施的日常維護制度、暴雨前巡查制度、應急處置制度等。培訓運行管理的專業人員,具備海綿城市設施運行維護管理的專業技術知識。 
         ?、?運行效能監測
          開展至少每年一次的運行效能監測評估,主要針對雨水設施的徑流水質、水量調控效果,通過自然/模擬降雨測試提出評估結論和改進建議。對運行效能下降明顯的設施,需要進一步進行相關性能的衰減性能診斷監測。 
          ③ 衰減性能監測
          雨水設施在長期運營過程中會出現損壞、老化等問題,為保障海綿城市設施運行效果的可持續性,實現其運維的規范化和精細化,需要定期對海綿城市設施的相關性能進行衰減監測,評估其效能衰減性,提高海綿城市設施運行維護水平。主要監測方面為介質土表征測試、沉積物積累測試、表面滲透性測試。 
          ④ 智慧養護
          根據不同類型的雨水設施,確定設施相關影響因子,制定設施模型,確定評價機制,通過智慧園林模塊,將相關雨水設施的數據采集,模型計算、分析、展示,計劃制定及考核整合至海綿平臺。 
          2.2科學運維管理的類型和監測方法
          運行維護管理方為保障各類設施的運行效能,需要根據不同的雨水設施類型和當地氣候、降雨等因素具體分析設施各項指標衰減情況,并及時做出維護。技術路線見圖2。
          
          圖2 雨水設施運行維護管理的技術路線
          2.2.1日常巡護
          海綿城市中雨水設施的可持續運行在于定期的檢查和維護,除了日常巡視以外,更要在雨季前后進行重點巡查,針對不同的雨水設施及時做好運行維護記錄表,方便下一步修復。同時應注意雨水設施不同的維護需求,對于有植物的雨水設施,需要對植物進行澆灌施肥,除草防凍補種等工作,在發揮滯滲功能的同時實現附加的景觀效果。透水鋪裝應在每年雨季前對人員聚集、交通繁忙地段通過抽真空器械清理或高壓沖洗等方式清理表面封堵空隙,綠色屋頂應在雨季前重點檢查是否存在滲漏現象,蓄水池、雨水罐、調節池等應在雨季和冬季到來前降至調節水位或排空,防止對設施造成損壞。不同雨水設施的維護要點和維護周期見表1。 
          表1 雨水設施的維護要點
          
          2.2.2運行效能監測
          雨水設施的運行效能監測主要對雨水設施的整體運行效果評估服務。為了檢驗典型雨水設施的日常運行效能,監測典型降雨事件中的入水和出水水質、水量并進行評估。根據不同地區雨水設施的實際情況,采用在線和人工監測相結合的方法,在雨水設施的進出水口、關鍵管網的節點安裝監測裝置,實現水量水質的同步監測。運行效能監測至少每年一次監測評估,就徑流水質、水量調控效果出現的問題,提出改進建議。
         ?、?徑流峰值控制效果
          海綿城市雨水設施的徑流控制率和徑流控制體積對其運行效能具有重要影響。例如具有水量調控功能的滯滲設施和截污凈化設施。通過模擬降雨事件,針對雨水設施內不同目標污染物濃度變化情況評估設施的水質凈化效果,并及時對不達標的雨水設施進行下一步的衰減性能監測。雨水設施的徑流監測主要包括:設施進出口流量、徑流峰值流量、徑流體積、峰現時間控制效果。通過與設施設計降雨量等參數比較,以及場降雨或年連續降雨水量平衡計算,最終可以得到雨水設施的徑流控制規律,為雨水設施的管理和運行維護提供技術支持。
         ?、?污染物總量控制效果
          海綿城市雨水設施對徑流污染物的削減能力是評價其運行效能的重要指標,雨水徑流經過雨水設施的分級滲透,實現污染物的削減甚至去除的效果。因此,對雨水設施進行污染物控制監測具有重要意義??紤]到系統的整體性,在源頭、中間和末端對雨水設施的分段監測可以推算出整個匯水區的徑流控制情況。污染物的控制監測與徑流總量監測同步進行,監測內容主要包括:雨水設施進口污染物濃度、污染物去除能力(底部排放污染物濃度)、場/年污染物總量控制效果、單一不透水下墊面的徑流污染特征(如通過設施進水水質監測分析相應下墊面的初期效應)等。通過對雨水設施污染物控制率核算,可以得到雨水設施對多種污染物的控制規律,最終為雨水設施的管理和運行維護提供技術支持。 
         ?、?監測指標與評價標準
          海綿城市雨水設施施工完成后,應按照運行維護方案定期進行管理和監測,并對監測指標進行統計評估。在運行效能監測階段,主要監測內容為進出水流量、水質、透水系數和服務面積比,通過監測內容進一步計算出徑流控制率和污染物削減率兩大評估指標。監測指標及評價標準見表2。
          表2 運行效能監測指標及評價標準
          
          2.2.3衰減性能監測
          衰減性能監測在監測要求和監測精度基礎上,加強在線監測與人工監測的結合。在典型設施布設自動監測設備和在線監測設備測定相關參數,同時對要求精度高且不適合在線監測的指標進行人工監測。雨水設施在使用過程中會出現損壞、老化等問題,在運行效能監測完成后,如果發現雨水設施運行效能衰減,則需要進行衰減性監測,監測周期按照一年1~2次進行。主要監測方面為介質土表征測試、沉積物積累測試、表面滲透性測試。 
          ① 介質土表征測試
          海綿城市中雨水設施介質土的性能是影響雨水處理性能和整體功能的關鍵因素之一。主要體現在三個方面:一是介質土緊實度過大或質地過于細膩,會導致滲透速率變慢,產生排水過緩的問題;二是介質土有機質含量過高或化學肥料過量,將導致介質土中的氮磷營養鹽向水體轉移,增加水體富營養化的概率;三是介質土層深度過淺,將無法充分處理雨水攜帶的污染物,更不利于植被的健康生長。因此,作為衰減性能監測的一部分,通過對生物滯留設施的過濾介質、綠色屋頂的生長介質、植草溝和人工土壤滲濾的表層土壤介質等進行取樣和測試,能夠幫助診斷不良的植被覆蓋,排水或處理性能差的原因,從而進行準確有效的設施維護。
          在對雨水設施進行衰減性能監測時,確定其介質土相關參數是否在可接受的范圍內,是判定雨水設施性能衰減程度的重要參考。表3描述了介質土的關鍵指標、監測標準和測試方法,本文只給出參考數據,精確數據應根據本地區土壤情況具體設定。其中監測指標參照全國第二次土壤普查養分分級標準,數值代表已確定的雨水設施的可接受范圍(即在運行3年或更長的時間內),在進行衰減性能監測的數據分析時,若監測值應超過此范圍,應對介質土進行及時更換。
          表3 衰減性能監測指標及評價標準
          
          ② 沉積物積累測試
          雨水設施的主要功能是攔截和收集在雨水徑流中懸浮的泥沙、垃圾和碎片。透水鋪裝或生物滯留設施表面的泥沙積累過多時,設施表面因細顆粒泥沙堵塞濾料,泥沙和相關污染物將被輸出到水環境,其截留功能將會喪失。因此檢查雨水設施沉積物的積累情況是保證雨水設施截留功能的重要步驟。除了對雨水設施的日常巡護外,也應注意對關鍵組件中沉積物積累的定期測量。
          一是監測沉積物的粒徑分布和深度,對于沉積物表面的顆粒物,會隨著再次降雨沖刷進入雨水設施內,用粒度分布監測儀監測粒徑分布是否在徑流允許攜帶的范圍內。使用卷尺或探針測量滯滲設施類的進水口前的預處理設備(如路牙、透水鋪磚、過濾器等)沉積物標高,當累積深度大于5cm,沉積物阻擋了超過三分之一進口寬度的徑流時,估計并記錄沉積物數量。對截污凈化類和調蓄存儲類設施則采用污泥取樣器取樣并估計深度。通過分析沉積物的粒徑分布和深度,預測泥沙的指示移動并估計泥沙積累速率,進而優化日常維修工作的頻率。
          二是測定沉積物和間隙水中氮磷含量,沉積物的日益積累阻礙徑流完全進入雨水設施,降雨后形成積水坑可以看做沉積物和周圍水環境形成的“微型湖泊”,在氣候適宜的情況下,容易引發沉積物氮磷釋放造成內源污染,進而增加水體富營養化的風險。若沉積物還未發生氮磷釋放,經降雨沖刷后,沉積物表層顆粒攜帶的氮磷營養鹽會進入雨水設施的過濾介質床層內,成為介質土層一部分。因此沉積物中的總氮總磷含量不應該超過介質土全氮和有效磷限值。間隙水的總氮、總磷含量不應超過《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)中的Ⅲ類標準限值。具體指標的監測標準和測試方法見表4。
          表4 沉積物積累測試監測標準和測試方法
          
          ③ 表面滲透性測試
          雨水設施的滲透能力是反映雨水設施運行效果是否衰減的直觀體現。通過計算雨水設施滲透量的大小,可以明確判斷雨水設施運行效能當前的衰減情況。滲透量的計算方法可參考《海綿城市設計規程》(DB37/T5060-2016)。其中,決定雨水設施入滲效率的關鍵因子為介質土滲透系數。由于各種復雜因素(例如空間變異性、介質土緊實度、介質土水分含量),實地測量會有很大的變化。因此,應進行多次多地測量取其計算平均值。實地測量時,要根據雨水設施的規劃面積合理選擇監測范圍。像生物滯留設施、植草溝等含有過濾介質床表面的設施,至少應進行5次測量,每25m2再測量一次過濾床的表面積;像透水鋪裝路面,至少要進行5次測量,每250m2再測量一次透水路面面積。理想情況下,測量應在降雨完全浸濕整個土層不久后進行。不同雨水設施監測標準和測試方法見表5。
          表5 表面滲透性測試監測標準和測試方法
          
          當雨水設施開始試運行后,隨著介質土表面細顆粒泥沙的積累,滲透系數逐漸變小,導致入滲速度慢,滲透區易形成厭氧環境,不利于污染物截留凈化。因此,當監測介質土滲透系數不符合規定值時,應及時進行修復。一是以過濾介質床為表面的生物滯留設施、植草溝等,應及時清除累積的沉淀物、覆蓋物,并對頂部20~30cm的過濾介質進行耕作,以消除表面結殼或大孔隙,并減少壓實。當介質土損壞時,及時移除并更換表層15cm部分或全部過濾介質。二是以表土為表面人工濕地、滲透塘等,應及時清除累積的沉積物和腐敗植物,并將表土耕至20~30cm深,以消除表層結殼,增加孔隙度和減少壓實。三是透水鋪裝的透水路面,首先進行徹底清掃和吸塵,阻塞嚴重時,嘗試人工或壓力清洗方式;極端情況下移除表面層和墊層部分重新安裝。
          2.3智慧養護
          對綠色雨水基礎設施的智慧養護是指將海綿城市建設與“智慧城市”理念相結合,通過物聯網等技術實現對雨水設施遠程控制管理,建立起海綿城市運行維護的智慧監測和動態管控系統。從我國當前的國情出發,應該由點及面,逐層構建完善的智慧海綿體系。當典型示范區智慧海綿運維管理平臺搭建運行取得明顯的成效后,應在不同片區的同類項目繼續深入推廣。具體思路為:首先在典型設施、典型項目、示范區內選取適宜的監測點位,并在典型設施、排水管道和排水分區排口的關鍵節點安裝傳感器、流量計和水質監測儀等在線監測設備。采用在線與人工監測相結合的方式對相關信息模塊數據進行監測和匯集;然后,通過網絡通信對數據進行入庫處理和傳輸到智慧海綿運行維護管理平臺進行質量控制;最后通過對實時數據的分析以及模型模擬情況結果的比較,對有偏差的設施進行風險預警和維護方案制定。同時要對維護后效果進行績效考評,對系統反饋結果進行新一輪的修正。運行人員應定期對在線監測設備進行現場檢查維護并做好記錄。
          
          目前我國海綿試點城市采用的SWMM、SUSTAIN、TOPMODEL或InfoWorks CS等相關模型,主要是針對洪澇風險、流域風險及管網的排水調蓄能力的評估以及方案的設計和優化,還少有針對綠色雨水基礎設施運行維護的模型。因此,應采用如園林養護等其他模型與上述模型相結合的方式才能精確模擬綠色雨水基礎設施并服務于整個系統。除了對綠色雨水基礎設施的運行維護外,還可以耦合灰色基建管網排水系統,控制雨污混合的溢流污水和減緩內澇帶來的損失,實現區域內澇風險可視化、監測數據集成顯示、動態評估控制指標等功能。
          03.結語與展望
          海綿城市中雨水設施的運行維護是保證其長久有效運行的關鍵環節。按照科學運維體系的步驟來對雨水設施進行運行管理維護,能夠最大化的發揮雨水設施滯、滲、蓄、凈的功能,延長使用的生命周期,節約維護成本,減少不必要的浪費。對雨水設施的維護不僅僅是政府和企業的責任,更要提高全民參與的意識。結合我國現階段的發展狀況,對雨水設施的科學運行維護將來的研究方向展望如下: 
         ?、僭诂F有人工定期檢修運行維護情況的基礎上,逐步實現現代化和信息化的智能監測和動態管控的線上一體化。通過傳感器和流量計、雨量計等相關輔助設備感應是否存在阻塞等日常維護問題,并在線監測滲透、土壤或介質土的關鍵參數、植物生長參數等實時傳送到云端智能監測系統,對數據出現問題的設施及時進行反饋,以便隨時掌握雨水設施工作情況,優化設施的運行維護情況。 
         ?、谖覈F已研究出多種模型對降雨進行模擬計算,考慮到雨水花園、植草溝等海綿城市的雨水設施都是以地表漫流的方式完成匯流,無論是機器還是人工監測,其數據存有一定的誤差,造成模擬精度不準確的問題。因此,應嘗試研發能夠評估和修正相關數據參數的人工智能軟件,提高數據的精度,以便更好地進行模型的模擬研究。
         
         ?、郜F有的某些有植被雨水設施的表層覆蓋土和介質土在降雨過程中若雨強過大,一段時間后很容易出現吸水飽和或粉化的現象,使雨水設施的下滲滯蓄功能減弱,根據不同的介質土類型,每半年到一年就需要更換一次,會消耗大量的財力物力。在今后的研究中,應加大對新型介質土的研究,在保證保水、保肥等基本性能的同時,實現可循環使用和滲透性能的提升。
          本文的完整版刊登在《中國給水排水》2021年第12期,作者及單位如下:
          單溪環1,2,房志達1,3,謝文霞2,佘年4,趙洪濤1,3,李敘勇1,3(1. 中國科學院生態環境研究中心 城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085;2. 青島大學 環境科學與工程學院,山東 青島 266071;3. 中國科學院大學,北京100049;4. 珠海深圳清華大學研究院創新中心,廣東 珠海 519080)
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