导读：我国海绵城市工程设施的运行维护管理是当前亟需重视的问题。针对国内现有的不同雨水设施的运行维护需求，提出了科学运行维护管理的技术体系，如日常巡护制度、运行效能监测和衰减性能监测。其中，运行效能监测主要是观测雨水设施运行过程中对径流峰值和污染物总量的调控。当雨水设施运行效果不达标时，应及时进行设施的衰减性监测。通过对雨水设施的介质土表征测试、沉积物积累测试和表面渗透性测试等步骤，评估雨水设施当前的衰减程度，并根据设施的衰减程度进行针对性维护。同时，运用物联网等技术建立智慧海绵动态管控系统，保证雨水设施持久有效运行，由此实现了运行维护指标体系的系统化，以期为今后我国海绵城市运行维护提供有力的技术支撑。
我国第一批和第二批海绵试点城市建成并投入使用对城市内涝及径流污染的缓解做出了一定贡献。由于雨水设施种类多、基数大、布局分散等特性，为使海绵城市中雨水设施充分发挥缓解暴雨径流的效果，建成后应加强对雨水设施的维护管理。
当前国内外在对海绵城市的研究中，对于雨水设施的运行维护管理涉及较少。目前国内30个试点城市的监测与评估也仅满足了住建部的考核目标或者是排水系统的提质增效要求，缺乏长期的运行管理和维护章程。如何科学地对雨水设施进行运行维护，使其长期稳定发挥“自然积存，自然渗透，自然净化”功能已成为当前亟需解决的问题。
基于此，参考国外运行维护的相关经验，探索运行管理和维护的内容要求和技术路线，梳理科学诊断和监测的有效性和实用性，进而提出海绵城市科学的运行维护管理技术体系，可为科学编制海绵城市运行维护方案提供参考。
01.海绵城市运行维护进展
1.1国内外运行维护的研究进展
一些发达国家在城市开发过程中，提出的如最佳管理措施（BMPs）、可持续城市雨水管理（SUDS）、水敏感城市设计（WSUD）等多种解决城市内涝和水生态危机的管理理念和比较完善的运行维护管理机制取得了一定成效，但很少有学术期刊和报告等针对雨水设施运行维护的科学性进行相关研究。对于水资源利用管理研究较早的美国，大部分地区以相关的法律法规和结合当地气候、地理条件等特征颁布施行的管理运行维护手册来规范对雨水设施的运行维护，例如，费城的雨水管理手册对非专业背景住户在雨水设施运行维护方面的指导，包括雨水设施的概念、典型构造、运行维护的常规操作和重点问题等；纳什维尔地区主要是对设计规模和标准的详细指导，具体的运行维护方案要参照业主签订的检查维护协议；哥伦比亚特区就四种典型设施建设与维护做了简要说明等。英国在雨水设施运营维护规划指导手册中明确规定了维护的内容和框架，并对手册的内容及时补充更新。德国柏林为尽快排除地面积水、减轻排管压力，开发了“洼地-渗渠”地下管道与地面明沟相结合的新型雨水处理系统，对雨水设施管理维护实现产业化。因各个国家的国情和典型雨水设施的安置类型不同，因此运行维护的重点也不尽相同。对于淡水资源缺乏的日本，雨水资源利用设施多以大型地下水库、雨水调节池以及政府鼓励家庭和企业购买的集雨装置为主，这就决定了其维护任务的重点落在对这些设施的定期清洁工作上。为解决雨洪和水资源缺乏等问题，新加坡的集水和排水系统较先进，企业和组织机构主要进行水库和河道的清淤及底泥疏浚等维护工作。
参考国外的这些运行维护经验，国内有部分学者对雨水设施的运行维护需求进行了总结：高雪等对雨水设施运行中常出现的杂质淤积及积水排空等问题提出了针对性维护措施；王琦等对雨水设施维护过程中关于责任分配、维护人员要求、维护要点等问题进行了探讨；丁继勇等则分析了雨水设施的社会属性，提出了“管养分离”的管理模式。我国部分海绵城市对雨水设施的运行维护管理规定主要包括：宁波市的雨水设施运行与维护技术导则中将24种雨水设施分为渗滞、储存、调节、截污净化、转输排放以及附属设施六大类，并对各类设施的维护要点和注意事项进行了解释说明；天津市的维护技术规程对其中15种雨水设施维护周期和维护方法进一步细致化；深圳光明新区的运行维护和绩效评估要点中增加了各个设施的构造示意图以及查看运维记录文件和运维效果的评测。相比较而言，国内现有的运行维护导则仅仅停留在对雨水设施的分类归纳和日常巡护层面。
1.2运行维护的不足和难点
目前我国的运行维护较国外的发展还有很大差距，主要体现在以下三个方面：第一，国家政策层面缺乏明确的运行维护参照标准和相关的法律法规约束。缺乏参照标准导致的维护频次较少或维护方法不合理会减少雨水设施的生命周期；没有相关法律法规的约束，建成后雨水设施疏于管理也会使雨水设施的效果大打折扣。第二，管理体制层面缺乏明确的责任维护主体，维护管理模式单一。雨水设施从设计施工到建成运行需经过多个部门和企事业单位的参与，多个城市管理部门权责不明确，存在监管盲区；移交体制不完善等问题对长期运行维护的开展产生负面影响。第三，技术层面缺乏运行维护的定性监测指标和方法。技术层面是海绵城市运行维护的不足也是将来科学运维的难点。现如今，我国的运行维护集中在对雨水设施的日常巡护，通过观察雨水设施结构的完整性、植被生长状况、边坡的稳定等表观情况来判定需要运行维护的内容。为保证雨水设施长效运行，应对雨水设施的运行效果是否衰减做出科学的诊断，并及时维护以延长雨水设施使用的生命周期。
02.科学运维体系的建立
2.1科学运维管理的内容和要求
为建立适宜本地区的运行维护管理方案，应综合考虑设施类型、维护制度建设及指标体系的建立等多个方面，具体研究思路见图1。
图1雨水设施运行维护管理的研究思路
雨水设施建设完成后，经过试运行及调试验收合格后，建设方应将档案资料（竣工图纸等）及时移交运行维护管理方，除必要的日常巡护外，运行效能和衰减性能监测应交由专业人员定期开展.
① 日常巡护制度
建立海绵城市中雨水设施的日常维护制度、暴雨前巡查制度、应急处置制度等。培训运行管理的专业人员，具备海绵城市设施运行维护管理的专业技术知识。
② 运行效能监测
开展至少每年一次的运行效能监测评估，主要针对雨水设施的径流水质、水量调控效果，通过自然/模拟降雨测试提出评估结论和改进建议。对运行效能下降明显的设施，需要进一步进行相关性能的衰减性能诊断监测。
③ 衰减性能监测
雨水设施在长期运营过程中会出现损坏、老化等问题，为保障海绵城市设施运行效果的可持续性，实现其运维的规范化和精细化，需要定期对海绵城市设施的相关性能进行衰减监测，评估其效能衰减性，提高海绵城市设施运行维护水平。主要监测方面为介质土表征测试、沉积物积累测试、表面渗透性测试。
④ 智慧养护
根据不同类型的雨水设施，确定设施相关影响因子，制定设施模型，确定评价机制，通过智慧园林模块，将相关雨水设施的数据采集，模型计算、分析、展示，计划制定及考核整合至海绵平台。
2.2科学运维管理的类型和监测方法
运行维护管理方为保障各类设施的运行效能，需要根据不同的雨水设施类型和当地气候、降雨等因素具体分析设施各项指标衰减情况，并及时做出维护。技术路线见图2。
图2 雨水设施运行维护管理的技术路线
2.2.1日常巡护
海绵城市中雨水设施的可持续运行在于定期的检查和维护，除了日常巡视以外，更要在雨季前后进行重点巡查，针对不同的雨水设施及时做好运行维护记录表，方便下一步修复。同时应注意雨水设施不同的维护需求，对于有植物的雨水设施，需要对植物进行浇灌施肥，除草防冻补种等工作，在发挥滞渗功能的同时实现附加的景观效果。透水铺装应在每年雨季前对人员聚集、交通繁忙地段通过抽真空器械清理或高压冲洗等方式清理表面封堵空隙，绿色屋顶应在雨季前重点检查是否存在渗漏现象，蓄水池、雨水罐、调节池等应在雨季和冬季到来前降至调节水位或排空，防止对设施造成损坏。不同雨水设施的维护要点和维护周期见表1。
2.2.2运行效能监测
雨水设施的运行效能监测主要对雨水设施的整体运行效果评估服务。为了检验典型雨水设施的日常运行效能，监测典型降雨事件中的入水和出水水质、水量并进行评估。根据不同地区雨水设施的实际情况，采用在线和人工监测相结合的方法，在雨水设施的进出水口、关键管网的节点安装监测装置，实现水量水质的同步监测。运行效能监测至少每年一次监测评估，就径流水质、水量调控效果出现的问题，提出改进建议。
① 径流峰值控制效果
海绵城市雨水设施的径流控制率和径流控制体积对其运行效能具有重要影响。例如具有水量调控功能的滞渗设施和截污净化设施。通过模拟降雨事件，针对雨水设施内不同目标污染物浓度变化情况评估设施的水质净化效果，并及时对不达标的雨水设施进行下一步的衰减性能监测。雨水设施的径流监测主要包括：设施进出口流量、径流峰值流量、径流体积、峰现时间控制效果。通过与设施设计降雨量等参数比较，以及场降雨或年连续降雨水量平衡计算，最终可以得到雨水设施的径流控制规律，为雨水设施的管理和运行维护提供技术支持。
② 污染物总量控制效果
海绵城市雨水设施对径流污染物的削减能力是评价其运行效能的重要指标，雨水径流经过雨水设施的分级渗透，实现污染物的削减甚至去除的效果。因此，对雨水设施进行污染物控制监测具有重要意义。考虑到系统的整体性，在源头、中间和末端对雨水设施的分段监测可以推算出整个汇水区的径流控制情况。污染物的控制监测与径流总量监测同步进行，监测内容主要包括：雨水设施进口污染物浓度、污染物去除能力（底部排放污染物浓度）、场/年污染物总量控制效果、单一不透水下垫面的径流污染特征（如通过设施进水水质监测分析相应下垫面的初期效应）等。通过对雨水设施污染物控制率核算，可以得到雨水设施对多种污染物的控制规律，最终为雨水设施的管理和运行维护提供技术支持。
③ 监测指标与评价标准
海绵城市雨水设施施工完成后，应按照运行维护方案定期进行管理和监测，并对监测指标进行统计评估。在运行效能监测阶段，主要监测内容为进出水流量、水质、透水系数和服务面积比，通过监测内容进一步计算出径流控制率和污染物削减率两大评估指标。监测指标及评价标准见表2。
2.2.3衰减性能监测
衰减性能监测在监测要求和监测精度基础上，加强在线监测与人工监测的结合。在典型设施布设自动监测设备和在线监测设备测定相关参数，同时对要求精度高且不适合在线监测的指标进行人工监测。雨水设施在使用过程中会出现损坏、老化等问题，在运行效能监测完成后，如果发现雨水设施运行效能衰减，则需要进行衰减性监测，监测周期按照一年1~2次进行。主要监测方面为介质土表征测试、沉积物积累测试、表面渗透性测试。
① 介质土表征测试
海绵城市中雨水设施介质土的性能是影响雨水处理性能和整体功能的关键因素之一。主要体现在三个方面：一是介质土紧实度过大或质地过于细腻，会导致渗透速率变慢，产生排水过缓的问题；二是介质土有机质含量过高或化学肥料过量，将导致介质土中的氮磷营养盐向水体转移，增加水体富营养化的概率；三是介质土层深度过浅，将无法充分处理雨水携带的污染物，更不利于植被的健康生长。因此，作为衰减性能监测的一部分，通过对生物滞留设施的过滤介质、绿色屋顶的生长介质、植草沟和人工土壤渗滤的表层土壤介质等进行取样和测试，能够帮助诊断不良的植被覆盖，排水或处理性能差的原因，从而进行准确有效的设施维护。
在对雨水设施进行衰减性能监测时，确定其介质土相关参数是否在可接受的范围内，是判定雨水设施性能衰减程度的重要参考。表3描述了介质土的关键指标、监测标准和测试方法，本文只给出参考数据，精确数据应根据本地区土壤情况具体设定。其中监测指标参照全国第二次土壤普查养分分级标准，数值代表已确定的雨水设施的可接受范围（即在运行3年或更长的时间内），在进行衰减性能监测的数据分析时，若监测值应超过此范围，应对介质土进行及时更换。
② 沉积物积累测试
雨水设施的主要功能是拦截和收集在雨水径流中悬浮的泥沙、垃圾和碎片。透水铺装或生物滞留设施表面的泥沙积累过多时，设施表面因细颗粒泥沙堵塞滤料，泥沙和相关污染物将被输出到水环境，其截留功能将会丧失。因此检查雨水设施沉积物的积累情况是保证雨水设施截留功能的重要步骤。除了对雨水设施的日常巡护外，也应注意对关键组件中沉积物积累的定期测量。
一是监测沉积物的粒径分布和深度，对于沉积物表面的颗粒物，会随着再次降雨冲刷进入雨水设施内，用粒度分布监测仪监测粒径分布是否在径流允许携带的范围内。使用卷尺或探针测量滞渗设施类的进水口前的预处理设备（如路牙、透水铺砖、过滤器等）沉积物标高，当累积深度大于5cm，沉积物阻挡了超过三分之一进口宽度的径流时，估计并记录沉积物数量。对截污净化类和调蓄存储类设施则采用污泥取样器取样并估计深度。通过分析沉积物的粒径分布和深度，预测泥沙的指示移动并估计泥沙积累速率，进而优化日常维修工作的频率。
二是测定沉积物和间隙水中氮磷含量，沉积物的日益积累阻碍径流完全进入雨水设施，降雨后形成积水坑可以看做沉积物和周围水环境形成的“微型湖泊”，在气候适宜的情况下，容易引发沉积物氮磷释放造成内源污染，进而增加水体富营养化的风险。若沉积物还未发生氮磷释放，经降雨冲刷后，沉积物表层颗粒携带的氮磷营养盐会进入雨水设施的过滤介质床层内，成为介质土层一部分。因此沉积物中的总氮总磷含量不应该超过介质土全氮和有效磷限值。间隙水的总氮、总磷含量不应超过《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中的Ⅲ类标准限值。具体指标的监测标准和测试方法见表4。
③ 表面渗透性测试
雨水设施的渗透能力是反映雨水设施运行效果是否衰减的直观体现。通过计算雨水设施渗透量的大小，可以明确判断雨水设施运行效能当前的衰减情况。渗透量的计算方法可参考《海绵城市设计规程》（DB37/T5060-2016）。其中，决定雨水设施入渗效率的关键因子为介质土渗透系数。由于各种复杂因素（例如空间变异性、介质土紧实度、介质土水分含量），实地测量会有很大的变化。因此，应进行多次多地测量取其计算平均值。实地测量时，要根据雨水设施的规划面积合理选择监测范围。像生物滞留设施、植草沟等含有过滤介质床表面的设施，至少应进行5次测量，每25m2再测量一次过滤床的表面积；像透水铺装路面，至少要进行5次测量，每250m2再测量一次透水路面面积。理想情况下，测量应在降雨完全浸湿整个土层不久后进行。不同雨水设施监测标准和测试方法见表5。
当雨水设施开始试运行后，随着介质土表面细颗粒泥沙的积累，渗透系数逐渐变小，导致入渗速度慢，渗透区易形成厌氧环境，不利于污染物截留净化。因此，当监测介质土渗透系数不符合规定值时，应及时进行修复。一是以过滤介质床为表面的生物滞留设施、植草沟等，应及时清除累积的沉淀物、覆盖物，并对顶部20~30cm的过滤介质进行耕作，以消除表面结壳或大孔隙，并减少压实。当介质土损坏时，及时移除并更换表层15cm部分或全部过滤介质。二是以表土为表面人工湿地、渗透塘等，应及时清除累积的沉积物和腐败植物，并将表土耕至20~30cm深，以消除表层结壳，增加孔隙度和减少压实。三是透水铺装的透水路面，首先进行彻底清扫和吸尘，阻塞严重时，尝试人工或压力清洗方式；极端情况下移除表面层和垫层部分重新安装。
2.3智慧养护
对绿色雨水基础设施的智慧养护是指将海绵城市建设与“智慧城市”理念相结合，通过物联网等技术实现对雨水设施远程控制管理，建立起海绵城市运行维护的智慧监测和动态管控系统。从我国当前的国情出发，应该由点及面，逐层构建完善的智慧海绵体系。当典型示范区智慧海绵运维管理平台搭建运行取得明显的成效后，应在不同片区的同类项目继续深入推广。具体思路为：首先在典型设施、典型项目、示范区内选取适宜的监测点位，并在典型设施、排水管道和排水分区排口的关键节点安装传感器、流量计和水质监测仪等在线监测设备。采用在线与人工监测相结合的方式对相关信息模块数据进行监测和汇集；然后，通过网络通信对数据进行入库处理和传输到智慧海绵运行维护管理平台进行质量控制；最后通过对实时数据的分析以及模型模拟情况结果的比较，对有偏差的设施进行风险预警和维护方案制定。同时要对维护后效果进行绩效考评，对系统反馈结果进行新一轮的修正。运行人员应定期对在线监测设备进行现场检查维护并做好记录。
目前我国海绵试点城市采用的SWMM、SUSTAIN、TOPMODEL或InfoWorks CS等相关模型，主要是针对洪涝风险、流域风险及管网的排水调蓄能力的评估以及方案的设计和优化，还少有针对绿色雨水基础设施运行维护的模型。因此，应采用如园林养护等其他模型与上述模型相结合的方式才能精确模拟绿色雨水基础设施并服务于整个系统。除了对绿色雨水基础设施的运行维护外，还可以耦合灰色基建管网排水系统，控制雨污混合的溢流污水和减缓内涝带来的损失，实现区域内涝风险可视化、监测数据集成显示、动态评估控制指标等功能。
03.结语与展望
海绵城市中雨水设施的运行维护是保证其长久有效运行的关键环节。按照科学运维体系的步骤来对雨水设施进行运行管理维护，能够最大化的发挥雨水设施滞、渗、蓄、净的功能，延长使用的生命周期，节约维护成本，减少不必要的浪费。对雨水设施的维护不仅仅是政府和企业的责任，更要提高全民参与的意识。结合我国现阶段的发展状况，对雨水设施的科学运行维护将来的研究方向展望如下：
①在现有人工定期检修运行维护情况的基础上，逐步实现现代化和信息化的智能监测和动态管控的线上一体化。通过传感器和流量计、雨量计等相关辅助设备感应是否存在阻塞等日常维护问题，并在线监测渗透、土壤或介质土的关键参数、植物生长参数等实时传送到云端智能监测系统，对数据出现问题的设施及时进行反馈，以便随时掌握雨水设施工作情况，优化设施的运行维护情况。
②我国现已研究出多种模型对降雨进行模拟计算，考虑到雨水花园、植草沟等海绵城市的雨水设施都是以地表漫流的方式完成汇流，无论是机器还是人工监测，其数据存有一定的误差，造成模拟精度不准确的问题。因此，应尝试研发能够评估和修正相关数据参数的人工智能软件，提高数据的精度，以便更好地进行模型的模拟研究。
③现有的某些有植被雨水设施的表层覆盖土和介质土在降雨过程中若雨强过大，一段时间后很容易出现吸水饱和或粉化的现象，使雨水设施的下渗滞蓄功能减弱，根据不同的介质土类型，每半年到一年就需要更换一次，会消耗大量的财力物力。在今后的研究中，应加大对新型介质土的研究，在保证保水、保肥等基本性能的同时，实现可循环使用和渗透性能的提升。
本文的完整版刊登在《中国给水排水》2021年第12期，作者及单位如下：
单溪环1,2，房志达1,3，谢文霞2，佘年4，赵洪涛1,3，李叙勇1,3（1. 中国科学院生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085；2. 青岛大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266071；3. 中国科学院大学，北京100049；4. 珠海深圳清华大学研究院创新中心，广东 珠海 519080）