雨水花園在我國城市道路暴雨徑流控制中的應(yīng)用研究

鄧 潔

(永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)學(xué)部，湖南永州425100)

1 我國城市道路暴雨徑流發(fā)生的主要人為原因

1.1 城市道路中大量不透水路面的存在

研究表明，道路表面的徑流系數(shù)與其面層、基層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)?；诖耍毡竞蜌W美的一些國家從20世紀(jì)末開始在城市道路建設(shè)中廣泛推行透水路面的應(yīng)用。對比之下，透水路面的研究與應(yīng)用在我國尚處于起步階段，目前我國大多數(shù)城市的車行道仍以普通水泥或瀝青混凝土為主，人行道鋪裝則多采用陶土磚、花崗巖等透水率低的面層材料。值得一提的是，近年來布洛克等透水磚雖在我國得到廣泛應(yīng)用，但這類塊料鋪裝的基層仍多采用細(xì)集料混凝土施工，不透水的基層結(jié)構(gòu)使透水磚對雨水的滲透量實際十分有限。以往為提高道路密實度與荷載值、快速排除積水而大量采用的不透水路面，直接導(dǎo)致了我國城市道路徑流系數(shù)增大、洪峰增高與峰現(xiàn)時間提前。

1.2 現(xiàn)有雨水管網(wǎng)設(shè)施難以滿足排水需求

隨著我國城市化進程的加快，許多城市現(xiàn)有的雨水管網(wǎng)設(shè)施難以承受建成區(qū)迅速擴張而帶來的排水壓力。對城市道路而言，雨水口是排除道路暴雨徑流的起始點，但實際情況是包括植物枝葉、路面沙塵在內(nèi)的各種固體垃圾常常造成雨水口的淤堵，此外雨水口自身在位置、數(shù)量及形式設(shè)計上的不合理致使其匯集排除雨水的作用實際十分有限［1］，再加上雨水管道干徑過小、管網(wǎng)設(shè)施陳舊老化、內(nèi)河水道泥沙淤積等多方面原因，每遇強降雨等災(zāi)害性天氣，道路積水、城區(qū)內(nèi)澇現(xiàn)象在許多城市中成為常態(tài)。

1.3 道路綠地的實際截流蓄水能力偏低

由于綠地植被的截流以及土壤的滲透作用能降低雨水徑流的流速，國外一些重視雨水利用的國家在工程實踐中普遍采用雨水花園、植被干渠等措施來削減路面雨水徑流［2］。而在我國，道路綠地大多僅停留在美化城市景觀、分隔車道的層面上:植床土質(zhì)的滲水持水能力普遍不高;植物種類的選擇以觀賞性植物為主，缺乏不同生活型植物組成的復(fù)合群落;對植物抗旱耐濕等抗性特征較少考慮，在干旱天氣甚至成為高耗水的園林景觀;植床標(biāo)高往往高于路面，降雨徑流難以流入綠地，植物僅截蓄降落在植床上的部分徑流。以上種種原因使得我國城市道路綠地實際發(fā)揮的截流蓄水功能十分有限。

2 雨水花園的源起及發(fā)展

結(jié)合以上原因分析，筆者認(rèn)為，要最大限度地發(fā)揮我國城市道路綠地對暴雨徑流的控制與利用功能，利用現(xiàn)有道路綠地建設(shè)雨水花園是一種可行思路。作為一種雨水處理設(shè)施，雨水花園是在低洼區(qū)域種植特定種類植物，通過土壤與植物的過濾作用凈化雨水，并最終將雨水暫時滯留滲入地下或利用溢流裝置排出以減少地表徑流的(圖1)。這種技術(shù)設(shè)施最早于1990年在美國馬里蘭州喬治王子郡(Prince George’s County)的Somerse住區(qū)開發(fā)時運用，當(dāng)時開發(fā)商希望用一種生態(tài)滯留與吸收雨水的場地來替代標(biāo)準(zhǔn)化的雨洪最佳管理措施BMPs(Best Management Practices)，最終采取的方法是在每戶臨街的前院配建一個28～40 m2的雨水花園。建成前后的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比表明，這條街道可以吸收周邊75%～80%的地表徑流，其最大設(shè)計能力可以抵御該地區(qū)100年一遇的暴雨，而造價僅為傳統(tǒng)BMPs系統(tǒng)的 1/4［3］。

圖1 雨水花園結(jié)構(gòu)示意

近年來雨水花園在一些國家的城市戶外公共場所中得到了廣泛應(yīng)用，包括道路、廣場、停車場、居住社區(qū)、街頭綠地等。相比雨水干塘/濕塘、徑流濕地等設(shè)施而言，由于占地面積可大可小，所以在對徑流流速控制與污染物處理方式上較為簡便可行，雨水花園在人為活動相對密集、地價較高的城市中心區(qū)域更為適用。在我國，對于雨水花園這一設(shè)施，目前已有專業(yè)學(xué)者對其概念及建造技術(shù)進行了引入研究［4－5］，但投入應(yīng)用的實踐項目并不多，特別是在道路暴雨徑流的控制方面，如何根據(jù)我國城市道路的實際情況，將雨水花園與道路綠地結(jié)合起來，發(fā)揮其截流蓄水功能，目前尚無研究報道。

3 雨水花園在我國城市道路暴雨徑流控制中應(yīng)用的可行性

3.1 徑流處理方面:去污、截流效果明顯

目前我國大多數(shù)城市采用“分流制”雨水排放方式，即雨水由獨立管網(wǎng)收集，直接排入江河內(nèi)湖，由于未經(jīng)過處理，因此排放的雨水往往會給城市水源地造成一定的污染?，F(xiàn)有研究表明，雨水花園通過土壤過濾與植物根系的吸收作用，可有效去除道路徑流中大部分的污染物質(zhì)，其去除率分別為:總懸浮物(TSS)80%、總磷(TP)40%、總氮(TN)30%、重金屬離子(Cd、Pb、Zn等)50%、病原體70%。

在減少道路徑流方面，國內(nèi)尚未見相關(guān)論證數(shù)據(jù)，實踐中可通過雨水花園的徑流滲透量與道路總徑流量的比值來計算其截流能力。參考羅紅梅等人的研究成果［4］，可知雨水花園在tf的時間里雨水滲透量Qtf滲透量的計算公式為

式中:K為滲透系數(shù)，經(jīng)驗值為0.3 m/d;h為花園蓄水層平均水深，取0.11 m;df為種植土深度，一般取1 m;tf為雨水在花園表面的滯留時間，取1.2 d;Af為雨水花園表面積，m2。以紅線寬度40 m的城市道路為例，取1 m長度作為計算范圍，設(shè)道路綠地率為20%(詳見《城市道路綠化規(guī)劃與設(shè)計規(guī)范CJJ 75—97》相關(guān)規(guī)定)，并假設(shè)該范圍內(nèi)所有綠地均建為雨水花園，代入上式可得Qtf滲透量=3.20 m3，道路總徑流量的計算取24 h最大降雨量為100 mm的暴雨標(biāo)準(zhǔn)，則Q總徑流=40×1×100/1000=4(m3)，由此可知在1 m長度范圍內(nèi)雨水花園可減少3.20 m3/4 m3=80%的道路徑流量，可見，雨水花園的應(yīng)用可有效減少道路表面的暴雨徑流。

3.2 經(jīng)費投入方面:利用現(xiàn)有設(shè)施，施工維護方便

雨水花園可利用我國城市道路現(xiàn)有綠地及雨水管網(wǎng)設(shè)施建設(shè)而成，其費用主要產(chǎn)生于各土壤層與濾層的施工、植物種植與維護兩個環(huán)節(jié)，此外，視場地實際需要鋪設(shè)溢流及排水管至檢查井也會產(chǎn)生一定費用。但相比改造或重建整套地下雨水管網(wǎng)所產(chǎn)生的費用而言，雨水花園的建設(shè)投入較為低廉，且可以通過分期建設(shè)、減少建設(shè)數(shù)量等手段以降低費用。在后期維護方面，沉積物的清理、雜草清除、修剪與灌溉可納入道路綠地的日常維護工作中去，且對道路交通的影響較小。

4 雨水花園在我國城市道路暴雨徑流控制中的應(yīng)用模式

我國城市道路綠化的主要橫斷面形式有一板二帶式、二板三帶式、三板四帶式及四板五帶式，不同車道由分車綠帶隔開，人行道與非機動車道由行道樹綠帶隔開，人行道邊緣至道路紅線之間區(qū)域為路側(cè)綠帶，道路兩側(cè)設(shè)有雨水口，沿路地下敷設(shè)雨水管線與城市排水系統(tǒng)相連。以四板五帶式為例，暴雨徑流先沿橫坡流至兩側(cè)分車綠帶路緣，再沿縱坡流入雨水口，經(jīng)連接管連至檢查井、雨水干管，最后由出水口排入城市水系(圖2)。在此過程中，綠化分隔帶中的植物和土壤往往由于路緣石的阻隔而無法吸收路面徑流。考慮我國城市道路綠化的上述特點，筆者以綠化橫斷面形式較為復(fù)雜的四板五帶式為例，提出幾種利用現(xiàn)有綠地和排水設(shè)施改建雨水花園的模式，其他道路形式可以此類推。

圖2 四板五帶式道路綠地與雨水系統(tǒng)示意

4.1 利用中間分車綠帶改建的雨水花園模式

中間分車綠帶位于道路中央用以分隔上下行機動車道。由于處于橫坡路拱拱頂，行車道在橫坡方向上的雨水較少在此匯聚，一般在道路縱坡大于橫坡值的情況下，綠帶才會對道路中心線附近的徑流起截流作用。其特點是徑流量小，固態(tài)垃圾少，污染物以行車過程中產(chǎn)生的重金屬離子、有機污染物居多。根據(jù)上述特點，可將中間分車綠帶縱坡方向的路緣石各斷開一缺口以使徑流流入綠帶內(nèi)的雨水花園，并在斷口附近鋪設(shè)石子以避免雨水將植床泥土帶出綠地，同時為避免縱坡大形成的短時較強徑流對植床造成沖刷，應(yīng)將低洼種植區(qū)域設(shè)計成“S”形曲線，以延長徑流在花園中的滯留時間(圖3);植物選擇應(yīng)以根系對Pb、Zn、PHC等污染物吸附能力較強的種類為主，且宜種植低矮地被以保證行車的視野開闊。此外，中間分車綠帶中的雨水花園改造不宜鋪設(shè)暗管以避免穿越行車道，超出設(shè)計截流能力的多余雨水可經(jīng)綠帶中標(biāo)高較低的路緣石斷口排出。

圖3 中間分車綠帶改建雨水花園平面示意

4.2 利用兩側(cè)分車綠帶改建的雨水花園模式

兩側(cè)分車綠帶在道路中位于車行道兩側(cè)用以分隔機動車道與非機動車道。為減少管線維修時對行車的影響，雨水管線多布置在兩側(cè)分車綠帶下，雨水口則在綠帶左右兩側(cè)以收集臨近車道雨水。其特點是徑流量大，污染較嚴(yán)重，尤其是非機動車道一側(cè)，固態(tài)垃圾、泥沙懸浮物較多。與中間分車綠帶的改造模式不同的是，兩側(cè)分車綠帶路緣石斷開的位置應(yīng)在道路橫斷面方向，當(dāng)?shù)缆房v坡不大時，斷口可采取平斷口形式(圖4)，且斷口位置宜相互錯開以避免徑流對兩側(cè)車道的沖刷;當(dāng)縱坡較大時(如下立交道路)，斷口可采取與路緣石傾斜一定角度的形式，以增加流入花園的徑流量，超出截流設(shè)計能力的雨水則通過溢流口流入附近雨水口。考慮到機動車道的匯水面積大于非機動車道，機動車道一側(cè)斷口的數(shù)量可適當(dāng)增加。植物選擇上建議種植喬木、灌木及草本類鄉(xiāng)土植物，這些植物一般抗性較強，對當(dāng)?shù)氐臉O端天氣有較強適應(yīng)性，而多種生活型組成的復(fù)合植物群落會加大對徑流的吸收滲透。

圖4 兩側(cè)分車綠帶改建雨水花園平面示意

4.3 利用人行道樹池改建的小型雨水花園模式

我國城市道路的人行道綠化往往分為樹池式或綠帶式。利用綠帶改建雨水花園同4.2。樹池種植行道樹占地少，方便行人進出道路兩側(cè)建筑，實際運用較多，但由于樹池面積不大(一般邊長或直徑為1.5 m左右)，難以發(fā)揮匯聚吸納雨水的功能。根據(jù)現(xiàn)有情況，在實際應(yīng)用中可通過以下兩種方式改建:一是在樹池沿車行道一側(cè)設(shè)一側(cè)溝以吸納地表雨水，同時在樹池里埋設(shè)過濾管道，并將管道連接至一個與市政雨水管道相通的過濾器(圖5)［6］，當(dāng)雨量不大時收集的地表徑流可完全被行道樹根系與種植土吸收，當(dāng)雨量過大時過濾管則把樹池中的過量雨水吸收進入過濾器，經(jīng)雨水管排走。目前這項技術(shù)在國外一些城市道路中廣泛應(yīng)用，但缺點是造價較高，且需要預(yù)先埋設(shè)。另一種方式則是通過改變樹池植物栽植方式來提高對雨水的截流量，即采用喬灌草的復(fù)合栽植方式，在減少種植池水土流失的同時，也美化了人行道綠化景觀(圖6)，從經(jīng)濟投入和后期改造的角度看，具有較大的可行性。

4.4 利用路側(cè)綠帶改建的雨水花園模式

路側(cè)綠帶是布設(shè)在人行道邊緣至道路紅線之間的綠帶，無分道分流功能，在對其進行雨水花園改造時，應(yīng)保證綠帶植床標(biāo)高低于人行道。雨水流入花園的方式視具體情況有兩種:當(dāng)綠帶面積不大時，可將人行道緊鄰綠帶的一側(cè)路牙設(shè)置為平路牙以方便雨水流入;當(dāng)路側(cè)綠帶與其他面積較大的城市綠地或水體相連時，由于可吸納的徑流量較大，可設(shè)計一暗管穿越人行道、非機動車道連通雨水口與路側(cè)綠帶，將道路暴雨徑流收集排入就近的城市內(nèi)河水系或公園綠地。

5 雨水花園在我國城市道路綠地中的應(yīng)用建議

5.1 轉(zhuǎn)變“以排為主”的道路排水設(shè)計理念

我國城市道路排水設(shè)計的傳統(tǒng)理念強調(diào)“以排為主”，實踐證明，這不僅增加了現(xiàn)有雨水排放設(shè)施的負(fù)荷，而且也加劇了水質(zhì)污染、城市地下水位下降等問題。相比之下，新型的雨洪控制理念更為強調(diào)對雨水徑流的存蓄與利用。結(jié)合我國實際，在道路綠地中建設(shè)雨水花園，正是在傳統(tǒng)管道排水的基礎(chǔ)上，強化綠地蓄水滯水的功能。實際應(yīng)用時，需相關(guān)工作者轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)道路排水的設(shè)計思路，才能使上述應(yīng)用模式在我國道路建設(shè)工作中得以推廣。

5.2 制定相關(guān)的鼓勵性政策及措施

對于包括雨水花園在內(nèi)的雨水處理設(shè)施的實施，發(fā)達國家有著與相關(guān)技術(shù)相配套的完善政策法規(guī)。就目前我國城市道路排水工作而言，建立類似的技術(shù)與法規(guī)體系尚不成熟，但通過政府行政干預(yù)，在道路工程建設(shè)和維護中出臺相關(guān)的鼓勵性政策及措施，如補貼雨水花園的建設(shè)費用，倡導(dǎo)市民維護公共綠地中的花園植物等，將對雨水花園在道路綠地中的推廣和實施起到重要的推動作用。

5.3 實施多學(xué)科多部門協(xié)調(diào)的場地規(guī)劃

城市道路綠地中雨水花園的應(yīng)用，不僅在于具體施工技術(shù)的實施，而且需要綜合考慮多方面因素對其所在道路及其周邊地段進行合理的場所規(guī)劃，這就涉及包括園林、規(guī)劃、市政、道橋、環(huán)衛(wèi)等多部門多學(xué)科的共同協(xié)作。因此，可考慮借鑒國外在類似項目施工前期啟動場地綜合規(guī)劃與設(shè)計程序的做法。對雨水花園在建設(shè)維護過程中涉及的問題，建設(shè)部門需協(xié)調(diào)不同學(xué)科及部門通力合作解決，這樣才能發(fā)揮其在徑流控制與利用方面的更大價值。

［1］曹美娟.城市道路雨水口布置的弊病分析［J］.市政設(shè)施管理，2008(12):8－11.

［2］格萊格里·赫斯特，汪可薇.區(qū)域建設(shè)中的濕地和暴雨徑流管理方法［J］.中國園林，2005，21(10):1 －4.

［3］陳曉彤，倪兵華.街道景觀的“綠色革命”［J］.中國園林，2009，25(6):50 －53.

［4］羅紅梅，車伍，李俊奇，等.雨水花園在雨洪控制與利用中的應(yīng)用［J］.中國給水排水，2008，24(6):48 －52.

［5］向璐璐，李俊奇，鄺諾，等.雨水花園設(shè)計方法探析［J］.給水排水，2008，34(6):47 －51.

［6］Kelly R F，Ruby M.BacterraTMAdvanced Bioretention Technology［DB/OL］.http://www.filterra.com/pdf/bacterra_ebook.pdf.