海島地區(qū)雨水花園設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉萬和，黃琦珊，樂文彩，章 茹

（1.南昌大學(xué)資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌330031；2.南昌大學(xué)鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330029；3.宜春學(xué)院生命科學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，江西宜春336000；4.中國電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司，南昌330001）

0 引 言

中國是名副其實(shí)的“萬島之國”，而海島地區(qū)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展加快了城市化進(jìn)度，不透水地面面積迅速增大，加之海島地區(qū)降雨集中，徑流不能及時(shí)下滲快速匯聚一處，致使城市排水管網(wǎng)壓力增大并可能引發(fā)洪澇災(zāi)害。經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，海島地區(qū)也面臨著嚴(yán)重的水域污染問題［1］，海水倒灌現(xiàn)象頻發(fā)，致使水質(zhì)惡化咸化，土壤鹽漬化嚴(yán)重，含鹽度高的雨水直接下滲會(huì)嚴(yán)重污染地下水［2］，造成惡性循環(huán)。

近年來，天津、深圳等地區(qū)相繼對其沿海區(qū)域的海綿城市建設(shè)模式進(jìn)行探索，均提到沿海地區(qū)面臨的環(huán)境問題［3］。雨水花園作為海綿城市建設(shè)的主要設(shè)施之一，是一種具有滲透結(jié)構(gòu)的低洼地，它能有效減少雨洪災(zāi)害，凈化雨水徑流。Davis 等［5］和唐雙成等［6］研究表明雨水花園對降水事件的徑流總量控制效果顯著；蔣春博等［7］在西安市監(jiān)測33 場降雨，發(fā)現(xiàn)防滲型雨水花園水量控制率可達(dá)60%以上，并且雨水花園可凈化徑流，改善出水；蘆昌興等［8］設(shè)計(jì)9 種小試雨水花園裝置，發(fā)現(xiàn)雨水花園對徑流中的COD、懸浮物、總氮、總磷去除效果顯著；郭娉婷等［9］研究介質(zhì)類型對生物滯留設(shè)施凈化水質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)各種介質(zhì)類型的設(shè)施對雨水徑流有凈化效果，出水均滿足灌溉綠地的標(biāo)準(zhǔn)；Li 等［10］研究發(fā)現(xiàn)生物滯留系統(tǒng)在不同因素影響下對氮磷污染物均有較好去除效果。雨水花園還能通過其結(jié)構(gòu)層中砂層和礫石層的隔離作用以及其植被根系的凈化作用防止土壤鹽漬化［11］，因此雨水花園于海島地區(qū)建設(shè)有其必要性。

然而，海島地區(qū)雨水花園的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，用于構(gòu)建海島型雨水花園的植物選擇，填料優(yōu)化等針對性研究稀少，設(shè)施進(jìn)出水污染物濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)缺少，裝置的運(yùn)行效果鮮有評估。本研究在我國浙江省舟山海島地區(qū)，收集相關(guān)資料，采用完全水量平衡法和室內(nèi)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)建海島地區(qū)適應(yīng)性雨水花園；現(xiàn)場監(jiān)測4 場不同降雨強(qiáng)度降水事件，采集徑流數(shù)據(jù)，分析不同降雨強(qiáng)度下裝置對徑流的調(diào)控效果，實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置進(jìn)出水污染物濃度，生成污染物濃度變化特征圖，評估其在海島地區(qū)的運(yùn)行效果，為雨水花園在海島地區(qū)的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供實(shí)際參考。

1 研究區(qū)雨水花園設(shè)計(jì)與研究方法

1.1 雨水花園面積

研究區(qū)域位于浙江省舟山市嵊泗縣（30°24′～31°04′ N，121°30′～123°25′E），屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為16.4 ℃，年平均降水量1 105.8 mm，降雨集中于春、夏兩季，約占全年70%。雨水花園集水區(qū)為其周圍的路面及屋頂，總面積約為522.16 m2。結(jié)合場地情況，根據(jù)《浙江省海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則（試行）》（以下簡稱《導(dǎo)則》），以嵊泗縣的年徑流總量控制率80%為目標(biāo)，構(gòu)建不僅能夠凈化雨水徑流，還能進(jìn)一步削減水量、峰值，實(shí)現(xiàn)無溢流現(xiàn)象的防滲型雨水花園。

完全水量平衡法的原理是當(dāng)水量超過雨水花園集蓄和滲透能力時(shí)，開始溢流的一定時(shí)段內(nèi)，系統(tǒng)任一區(qū)域各水文要素之間存在水量平衡關(guān)系。此方法用于雨水花園設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，全面考慮雨水花園系統(tǒng)內(nèi)的滲濾能力、蓄水層植物影響和空隙儲(chǔ)水能力等因素，適用于以削量凈污為構(gòu)建目的的雨水花園面積計(jì)算［12］。因此本研究宜采用完全水量平衡法估算海島型雨水花園面積，計(jì)算方法如式（1）：

式中：Af為雨水花園的表面積，m2；Ad為匯流面積，m2；H為設(shè)計(jì)降雨量，m；ψ為綜合徑流系數(shù)，0.9；hm為最大蓄水高度，m；fv為植物橫截面積占蓄水層表面積的百分比，一般取0.2；n為種植土和填料層的平均空隙率，一般取0.3 左右；df為雨水花園的深度，一般包括種植土層和填料層，m。

查閱《導(dǎo)則》，當(dāng)嵊泗縣的年徑流總量控制率設(shè)置為80%時(shí)，對應(yīng)設(shè)計(jì)降雨量為25.3 mm，根據(jù)式（1）計(jì)算得雨水花園面積約為50 m2，與集水區(qū)面積比約為1∶10，研究區(qū)域及雨水花園平面圖如圖1。

圖1 研究區(qū)域及雨水花園平面圖Fig.1 Layout plan of the study area and rain garden

1.2 雨水花園結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在室內(nèi)進(jìn)行植物及填料優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。根據(jù)嵊泗當(dāng)?shù)赝寥利}堿特點(diǎn)設(shè)置鹽堿度條件，如表1。

1.2.1 植物優(yōu)化

高鹽堿脅迫對植物的生長、細(xì)胞膜及光合作用等均有不利影響［13］。對《導(dǎo)則》中推薦的旱傘草、美人蕉、馬藺和千屈菜4種植物進(jìn)行抗鹽堿實(shí)驗(yàn)，通過比較4 種植物在不同鹽堿度條件下的生長狀況，葉綠素含量變化，相對電導(dǎo)率變化優(yōu)選出抗鹽堿的植物。實(shí)驗(yàn)表明：在低鹽堿條件下，4 種植物均生長良好，但在鹽堿3～6 條件下，除了旱傘草以外，其余植物均出現(xiàn)不同程度的枯萎老化現(xiàn)象；4 種植物在鹽堿1～5 條件下葉綠素含量變化不明顯，而在鹽堿6 階段，美人蕉、馬藺和千屈菜葉綠素含量都急劇下降，嚴(yán)重影響光合作用的進(jìn)行，旱傘草葉綠素含量在鹽堿1～6 條件下穩(wěn)定在1.740～2.142 mg/g；此外，鹽堿1～5 條件下4 種植物的相對電導(dǎo)率隨都有緩慢增加，鹽堿6 階段美人蕉、馬藺和千屈菜相對電導(dǎo)率突然急劇增加，會(huì)使植物細(xì)胞膜遭到破壞，加速植物衰老，而旱傘草相對電導(dǎo)率全階段維持在15.03%～20.48%，展現(xiàn)了優(yōu)秀的耐鹽堿能力。

1.2.2 填料優(yōu)化

海島型雨水花園應(yīng)選擇在嵊泗土壤鹽堿條件下對N、P 均有穩(wěn)定吸附能力的填料，以保證徑流凈化效率。填料優(yōu)化實(shí)驗(yàn)選用常見的紅壤、砂子、珍珠巖、膨脹蛭石、沸石和粉煤灰陶粒六種填料作N、P 的等溫吸附實(shí)驗(yàn)。分別取2 g 填料放入100 mL氨氮（總磷）濃度為50 mg/L（25 mg/L）的溶液中，并按表1設(shè)置6個(gè)鹽堿條件，放于25 ℃恒溫震蕩24 h，過濾后取上清液檢測氨氮、總磷濃度。實(shí)驗(yàn)表明：在鹽堿1～6 條件下，6 種填料對氨氮的吸附量均有不同程度的減弱，而沸石對氨氮的吸附量在每個(gè)鹽堿階段最多，吸附量為675.95～1 826.16 mg/kg，粉煤灰陶粒則表現(xiàn)得最為穩(wěn)定，吸附量為492.38～632.08 mg/kg；6 種填料在各鹽堿條件下對總磷的吸附量變化不一，其中沸石和粉煤灰陶粒的吸附量為838.89～872.41、893.16～945.10 mg/kg，相比于其余4種填料表現(xiàn)得最為穩(wěn)定，且吸附量較多。

表1 鹽堿度梯度表Tab.1 Salinity gradient table

1.2.3 雨水花園構(gòu)造

綜上室內(nèi)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，海島型雨水花園主要種植旱傘草，設(shè)置15 cm 蓄水層；種植土層采用90%當(dāng)?shù)赝寥篮?0%營養(yǎng)土混合，25 cm；選用沸石、粉煤灰陶粒1∶1 混合作為填料層，30 cm；采用礫石作為排水層，30 cm，其中布置直徑10 cm 的穿孔管（穿孔孔徑2 cm），并在礫石層底部鋪設(shè)防滲膜。前置池面積為20 m2，主要作用是削減徑流對雨水花園主體部分的進(jìn)水負(fù)荷，同時(shí)營造跌水的景觀效應(yīng)；雨水花園主體部分中央構(gòu)建暗渠，利于穿孔管排放出水。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

雨水花園進(jìn)出口徑流流量采用流量計(jì)監(jiān)測，自監(jiān)測點(diǎn)產(chǎn)生徑流后開始采樣記錄，采用5、10、15、30 min 的時(shí)間間隔取樣，每個(gè)樣品體積約1 L。水質(zhì)分析指標(biāo)為懸浮固體（SS）、化學(xué)需氧量（CODcr）、氨氮（NH3-N）、硝氮（NO3-N）、總氮（TN）、磷酸鹽（PO43+）和總磷（TP），檢測方法均按照相對應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。

徑流總量削減率（Rv）、峰值削減率（Rp）、滯峰時(shí)間（Td）和徑流污染物事件平均濃度（Event Mean Concentration，EMC）去除率（REMC）計(jì)算公式分別為：

式中：Rv為徑流總量削減率，%；Vin、Vout為進(jìn)/出流總量，L；Rp為峰值削減率，%；Qin，max、Qout，max為進(jìn)/出流峰值流量，L/min；Td為滯峰時(shí)間，min；Tin，max、Tout，max為進(jìn)/出流峰現(xiàn)時(shí)間，min；Ct為進(jìn)/出水t時(shí)的污染物濃度，mg/L；Qt為t時(shí)刻的進(jìn)/出水流量，L/min；Δt為時(shí)間間隔，min；REMC為平均濃度去除率，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 嵊泗縣降雨特征

圖2統(tǒng)計(jì)了嵊泗縣2008-2018年的降雨量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于CMADs氣象數(shù)據(jù)集。統(tǒng)計(jì)的3 653 d內(nèi)，降雨天數(shù)為1 920 d，嵊泗縣降雨概率為52.56%。其中小雨（日降雨量0～10 mm）發(fā)生1 466 次，占降雨天數(shù)的76.35%；中雨（日降雨量10～25 mm）發(fā)生333次，占降雨天數(shù)的17.34%；大雨（日降雨量25～50 mm）發(fā)生101次，占降雨天數(shù)的5.26%；暴雨（日降雨量＞50 mm）發(fā)生20次，占降雨天數(shù)的1.04%。嵊泗縣小雨、中雨、大雨常有發(fā)生，暴雨事件在10年間僅發(fā)生20 次，極為稀少。小雨雖最為常見，但在監(jiān)測過程中，出水監(jiān)測效果不佳，大部分小雨事件被雨水花園完全收納不產(chǎn)生出水。因此本研究主要監(jiān)測分析中雨、大雨的進(jìn)出水流量變化及污染物濃度特征。

圖2 嵊泗縣2008-2018年降雨量統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 The rainfall statistics of Shengsi County from 2008 to 2018

2.2 徑流總量控制

表2列出監(jiān)測期內(nèi)4 場降水事件的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，場次1～4 的降雨強(qiáng)度依次增大，監(jiān)測期內(nèi)未出現(xiàn)溢流現(xiàn)象。如表2所示，雨水花園對徑流總量削減作用明顯，分別為89.71%、81.43%、70.82%、64.60%，平均為76.64%。隨著降雨強(qiáng)度變大，雨水花園的徑流總量削減率隨之減小，呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，這是因?yàn)檠b置的蓄水量是有限的，蓄水量占徑流總量比例越大，削減作用越顯著。場次1～4 的峰值削減率為70.52%、88.13%、91.23%、89.15%，平均為84.75%，雨水花園對洪峰流量的削減極其有效。場次2～4的峰值削減率接近，推測雨水花園的峰值削減效果受降雨強(qiáng)度的影響不大，可能與降雨前土壤含水量有關(guān)［15］。

4 場降水進(jìn)出水流量變化規(guī)律基本一致，以接近雨水花園的設(shè)計(jì)降雨量的場次二進(jìn)出水流量變化為例，如圖3。由表2和圖3可知，該裝置有較好的“滯”效應(yīng)，開始降雨后30～50 min雨水花園產(chǎn)流，并且降雨強(qiáng)度的越大，對雨水花園徑流的產(chǎn)流時(shí)間影響越??；4 場降水事件的滯峰時(shí)間為70、60、30、75 min，滯峰時(shí)間的監(jiān)測可能會(huì)有誤差，因設(shè)施出流流量穩(wěn)定，變化不大，出流流量峰值出現(xiàn)時(shí)間難以精準(zhǔn)監(jiān)測。

圖3 場次2降水事件Fig.3 the second rainfall event

表2 4場降雨事件徑流水量調(diào)控效果Tab.2 Runoff control effect of 4 rainfall events

2.3 污染物濃度特征

表3是根據(jù)式（5）、（6）計(jì)算的場次1～4 降雨事件進(jìn)出水污染物濃度和EMC 去除率；參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），分析進(jìn)出水各污染物濃度數(shù)據(jù)。

2.3.1 SS、COD的去除特征

由圖4、5 和表3可見，四場模擬降雨SS 去除率分別為85.78%、82.30%、79.74%和81.20%，平均去除率為82.26%，四場降雨事件的SS 出水濃度變化規(guī)律基本一致，出流初期濃度偏高，而后減小逐漸穩(wěn)定，這是因?yàn)橛晁▓@運(yùn)行初期系統(tǒng)內(nèi)原有的顆粒物會(huì)隨徑流流出，故而出水SS初期濃度偏高［15］。各場次雨水花園對COD 的去除率分別為46.52%、68.97%、31.13%、22.04%，去除COD 主要依靠填料吸附和植物截留，沸石的表面粗糙多孔有利于COD 的去除［16］；但出水COD 濃度為4.10～49.59 mg/L，該裝置對出水COD 濃度控制不佳，波動(dòng)大，不穩(wěn)定，部分出水水質(zhì)劣于Ⅴ類水，甚至高于進(jìn)水COD 濃度；米秋菊［17］研究發(fā)現(xiàn)雨水徑流中非溶解性COD 多的情況下，徑流中SS 濃度和COD 濃度呈正相關(guān)關(guān)系，而本實(shí)驗(yàn)SS 與COD 相關(guān)性不太明顯，說明徑流溶解性COD 成分多，去除溶解性COD 需要被填料吸附然后由微生物降解去除，而采用的沸石空隙大，徑流流速快，微生物降解時(shí)間短［18］，致使COD出水濃度高。

圖4 進(jìn)出水SS濃度變化特征Fig.4 Change characteristics of SS concentration in inlet and outlet water

圖5 進(jìn)出水COD濃度變化特征Fig.5 Change characteristics of COD concentration in inlet and outlet water

表3 進(jìn)出水污染物濃度及其去除率Tab.3 Concentration of pollutants in the inlet and outlet water and its removal rate

2.3.2 氮類污染物去除特征

由圖6～8 和表3知NH3-N 濃度去除率為70.22%、67.55%、53.32%、75.71%，平均去除率為66.70%；TN 濃度去除率為63.32%，52.45%、52.75%、66.02%，平均去除率為58.64%。4 場降水事件裝置出水NH3-N、TN濃度特征均為出流濃度初期有點(diǎn)波動(dòng)，之后趨于穩(wěn)定。裝置對NH3-N、TN凈化能力顯著，這與填料使用了部分沸石有關(guān)，沸石可依靠化學(xué)吸附、離子交換作用去除氮類污染物［19］。出流NH3-N、TN的濃度范圍分別為0.02～0.47、0.09～1.23 mg/L，出水TN 濃度優(yōu)于Ⅲ類水所占很大比例，NH3-N 出水甚至優(yōu)于Ⅱ類水，該裝置對NH3-N、TN 有很好的控制效果。雨水花園對NO3-N 的濃度去除率為48.12%、63.60%、77.90%、70.14%，平均去除率為64.94%，去除效果較好；但出水NO3-N濃度波動(dòng)大，不穩(wěn)定，出流濃度范圍0.1～0.54 mg/L，說明雨水花園對NO3-N 控制效果較差，主要原因是系統(tǒng)沒有厭氧或缺氧條件促進(jìn)反硝化過程［20］。

圖6 進(jìn)出水NO3-N濃度變化特征Fig.6 Change characteristics of NO3-N concentration in inlet and outlet water

圖7 進(jìn)出水NH3-N濃度變化特征Fig.7 Change characteristics of NH3-N concentration in inlet and outlet water

圖8 進(jìn)出水TN濃度變化特征Fig.8 Change characteristics of TN concentration in inlet and outlet water

2.3.3 磷類污染物的去除特征

圖9、10 及表3所示，PO43+濃度去除率為71.58%、63.43%、60.84%、65.10%，平均去除率為65.24%；TP 濃度去除率為61.59%、77.42%、84.04%、82.78%，平均去除率為76.46%。雨水花園對徑流中磷的削減與植物、微生物及填料有關(guān)，其中填料吸附所起的作用最大，部分研究［21］指出雨水花園對P 的去除效果不太穩(wěn)定。而本研究四場降水事件，TP、PO43+去除效果較為穩(wěn)定，TP 的出流濃度范圍為0.004～0.030 mg/L，優(yōu)于Ⅱ類水，這是因?yàn)榉N植土壤對磷的吸附是最有效的除磷方式，并且當(dāng)種植土內(nèi)營養(yǎng)土含量為5%～15%的條件下，系統(tǒng)對TP 有較好去除效果［22］。此外，磷的去除與填料吸附容量和磷本底值有關(guān)，當(dāng)填料自身含有越多磷時(shí)，對徑流中磷的吸附量就越少［23］，這也是四次實(shí)驗(yàn)出水TP濃度依次變大的原因。

圖9 進(jìn)出水PO43+濃度變化特征Fig.9 Change characteristics of PO43+concentration in inlet and outlet water

圖10 進(jìn)出水TP濃度變化特征Fig.10 Change characteristics of TP concentration in inlet and outlet water

2.4 應(yīng)用可行性分析

本海島型雨水花園總造價(jià)及后期維護(hù)費(fèi)用約為10.85 萬元，高于內(nèi)陸雨水花園，原因如下：①嵊泗群島遠(yuǎn)離大陸，運(yùn)輸難且費(fèi)用高；②嵊泗縣地形坡度較大，需人力挖掘；③海島資源緊缺，研究區(qū)域周圍土地多為建筑廢棄物，項(xiàng)目需遠(yuǎn)距離采購優(yōu)質(zhì)本島土壤；④海島地區(qū)臺(tái)風(fēng)肆虐，雨水花園維護(hù)成本高。海島地區(qū)不同于內(nèi)陸的地理?xiàng)l件加大海島型雨水花園的建設(shè)難度，增加其建造費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)用，但相對于大規(guī)模建造或改造地下排水管道，建設(shè)污水處理廠等措施來緩解城市化帶來的雨水洪澇災(zāi)害及徑流污染，海島型雨水花園仍具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，海島型雨水花園在不破壞周圍環(huán)境的基礎(chǔ)上，提高土壤的下滲率，有助于土壤內(nèi)鹽隨水走、鹽分轉(zhuǎn)移，加之礫石層天然的隔鹽效果，使當(dāng)?shù)赝寥赖玫礁牧?，利于植物生長，美化環(huán)境的同時(shí)也改善局部生態(tài)環(huán)境，其潛在的生態(tài)效益及景觀效益值得期待。

3 結(jié) 論

（1）海島型雨水花園可有效削減雨水徑流量。監(jiān)測期內(nèi)4場降水事件中都沒有出現(xiàn)溢流，徑流總量削減率平均為76.64%；峰值削減效果極其顯著，平均削減率達(dá)到了84.76%。降雨強(qiáng)度與徑流總量削減率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，與峰值削減率相關(guān)性不大。并且雨水花園在徑流產(chǎn)流及延遲峰值也展現(xiàn)出了較好的“滯”效應(yīng)。海島型雨水花園對雨水徑流的長期調(diào)控表現(xiàn)還需日后進(jìn)行監(jiān)測研究。

（2）海島型雨水花園對雨水徑流有較好的凈化效果。雨水花園對SS 的去除效果最優(yōu)，平均去除率為82.26%；對N、P 污染物的去除效果良好，NH3-N、NO3-N、TN、PO43+、TP 的平均去除率分別為66.70%、64.94%、58.64%、65.24%、76.46%；對COD 的去除效果一般，平均去除率為42.17%，且出水COD 濃度控制不佳，部分出水劣于Ⅴ類水。

（3）本研究采用完全水量平衡法，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)構(gòu)建50 m2，以種植旱傘草，沸石、粉煤灰陶粒作為填料的海島型適應(yīng)性雨水花園。通過對4場不同降雨強(qiáng)度降水事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測分析，雨水花園能有效滯蓄雨水徑流量，凈化徑流水質(zhì)。加上海島型雨水花園具有較高的經(jīng)濟(jì)效益及潛在的生態(tài)效益和景觀效益，更有助于雨水花園未來在海島地區(qū)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。