基于海綿城市建設(shè)理念的雨水花園設(shè)計(jì)綜述

孫程貴，呂偉婭，殷寶劍

(南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，江蘇南京 210003)

城市化的快速發(fā)展使得能夠涵養(yǎng)水源的濕地和草地被大量的硬化地面所代替，城區(qū)降雨迅速產(chǎn)流、匯流，并通過排水管網(wǎng)直接被排走[1]。這種快排式的雨水處理方式，不僅造成了城市雨水資源的浪費(fèi)，加重了雨水管網(wǎng)的負(fù)荷，更是近年來城市“看?！爆F(xiàn)象的主要原因。同時(shí)初期雨水的沖刷，使得雨水中含有大量的污染物，未經(jīng)處理的雨水直接排入河流造成的雨水面源污染逐漸成為城市水環(huán)境的第二大污染源。

自習(xí)近平主席在2013年12月中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議上提出 “建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”的理念，“低影響開發(fā)理念”、“綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施”的觀念逐漸為人們所熟知，海綿城市建設(shè)進(jìn)入井噴期。雨水花園作為綠色雨水基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，因其具有控制洪峰流量、延緩洪峰時(shí)間、減輕面源污染、美化環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。

1 雨水花園的定義與分類

“雨水花園”是指在地勢較低區(qū)域種有各種灌木、花草以及樹木等植物的專類工程設(shè)施[2]，能夠減少地表徑流并補(bǔ)充地下水，緩解水資源危機(jī)，可以通過吸附、過濾、降解等作用處理雨水徑流，減少面源污染。在我國一般比較適用于低密度公寓或別墅區(qū)以及建筑庭院，也可建造在公園、廣場、道路周邊等空間，用來收集建筑屋面、停車場、廣場及道路等不透水區(qū)域的徑流[3]。

根據(jù)雨水花園是否在底部做防滲、是否埋設(shè)穿孔管，雨水花園又分為自然入滲式和外排式。自然入滲式雨水花園底部不做防滲，無穿孔管，滯留的雨水主要通過蒸發(fā)和下滲作用進(jìn)行排空，由于其下滲和儲(chǔ)存能力有限，設(shè)計(jì)徑流量不易過大，適合分散運(yùn)用在公園里或別墅邊。外排式雨水花園正好相反，其底部包有防滲膜，并埋設(shè)穿孔管，收集的雨水通過管道外排至雨水回用井或河道，適合運(yùn)用在小區(qū)、停車場、道路等空間。因此外排式雨水花園的設(shè)計(jì)徑流量要大于自然入滲式，同時(shí)基質(zhì)的滲透系數(shù)和雨水徑流的處理要求也更高。

2 雨水花園的設(shè)計(jì)建造

2.1 選址

選址對(duì)于雨水花園的建造是十分重要的，合理利用地形，可以減少施工量，降低成本。選址可遵循如下原則：

(1) 雨水花園建造地點(diǎn)應(yīng)該是在地勢比較低但沒有長期積水的地帶或雨水徑流可以流經(jīng)的區(qū)域;

(2) 雨水花園與建筑應(yīng)該保持至少3 m遠(yuǎn)的距離，避免滲水影響建筑地基造成安全隱患;

(3) 雨水花園適合設(shè)置在經(jīng)常能夠被陽光照射的地方。

2.2 深度與坡度

雨水花園匯集雨水需要具備一定的坡度，并且沿著坡向設(shè)計(jì)匯水線，將雨水有效地引入雨水花園。合適的坡度有利于雨水植物、土壤等充分接觸，達(dá)到凈化的目的。羅紅梅等[4]認(rèn)為雨水花園的地面坡度應(yīng)≤12%,深度建議為15 cm左右,具體如表1所示。

表1 雨水花園的深度與坡度Tab.1 Depth and Slope of Rainwater Garden

2.3 設(shè)計(jì)方法

目前國外常用3種方法進(jìn)行雨水花園設(shè)計(jì)，主要包括基于達(dá)西定律的滲濾法、蓄水層有效容積法和基于匯水面積的比例估算法?；谶_(dá)西定律的滲濾法主要依據(jù)雨水花園自身的滲透能力和達(dá)西定律而設(shè)計(jì)，忽略了雨水花園構(gòu)造空隙的儲(chǔ)水量。蓄水層有效容積法主要利用雨水花園蓄水層滯留雨水，但未考慮雨水花園的滲透能力和空隙儲(chǔ)水能力?；趨R水面積的比例估算法，推薦面積一般為匯水面積的5%～10%，但精度不高。向璐璐等[5]綜合考慮雨水花園的蓄水能力、土壤滲透能力等提出了更精確的完全水量平衡法。雨水花園表面積的計(jì)算公式如式(1)。

(1)

其中：Af—雨水花園的面積，m2；

Ad—匯流面積，m2；

H—設(shè)計(jì)降雨量，m；

φ—徑流系數(shù)；

df—雨水花園的深度，m；

K—土壤的滲透系數(shù)，m/s；

T—計(jì)算時(shí)段，min，取一場典型的短歷時(shí)降雨為12 min；

h—蓄水層設(shè)計(jì)平均水深，m；

hm—最大蓄水高度，m；

fv—植物橫截面積占蓄水層表面積的百分比，一般為20%；

n—種植土和填料層的平均空隙率，一般取0.3左右。

3 雨水花園基質(zhì)層研究

雨水花園的構(gòu)造從上到下一般由蓄水層、覆蓋層、植被及種植土層、人工填料層和礫石排水層5部分組成。

圖1 雨水花園構(gòu)造圖Fig.1 Structural Diagram of Rainwater Garden

基質(zhì)是生物滯留系統(tǒng)的重要部分，因?yàn)榛|(zhì)不僅吸附污染物，還為污染物的降解提供電子供體，為細(xì)菌的增殖提供表面積，因此種植土層和人工填料層統(tǒng)稱為基質(zhì)層?，F(xiàn)階段對(duì)于基質(zhì)層的研究主要分為三種：天然原狀土、種植土+人工填料、混合基質(zhì)。

合適的基質(zhì)層應(yīng)該具有較好的滲透系數(shù)和雨水處理效果，而且具有成本低的特點(diǎn)。早期生物滯留設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦選用高滲透率的天然土壤，認(rèn)為壤質(zhì)砂土、砂質(zhì)壤土、壤土(最小吸水率分別為51、25、13 mm/h)是生物滯留系統(tǒng)的最佳土壤類型[6]。唐雙成等[7]在陜西省西安市某高校內(nèi)進(jìn)行原狀黃土對(duì)于氮磷的去除試驗(yàn)，該雨水花園基質(zhì)層為60 cm黃土，結(jié)果顯示，雨水花園對(duì)顆粒態(tài)總磷的濃度去除率為40.1%，顆粒態(tài)總氮的濃度去除率為44.8%；系統(tǒng)對(duì)于溶解態(tài)的氮、磷幾乎沒有去除能力。

由于不同地區(qū)土壤性質(zhì)不同，滲透系數(shù)差別很大，大面積換土變得不切實(shí)際，于是開始使用種植土+人工填料構(gòu)成的分層式基質(zhì)層。李俊奇等[8]在北京建造了基質(zhì)層為25 cm種植土+100 cm沙子的雨水花園，用于收集處理屋面徑流。研究表明：該雨水花園對(duì)TSS、色度和濁度的去除率較高(> 90%)，對(duì)COD的去除效果也較為明顯,去除率為35%～96.2%，TN也有一定的去除效果，去除率為22%～45.4%。李鵬等[9]在西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的露天試驗(yàn)場，對(duì)基質(zhì)層為30 cm種植+25 cm～45 cm人工填料的滯留池進(jìn)行試驗(yàn)，人工填料分別為粉煤灰、高爐渣、沸石。不同影響因素的多水平正交試驗(yàn)表明：以粉煤灰為填料、厚度為 45 cm的滯留槽去除污染物的綜合效果最優(yōu)。蔣沂孜[10]試驗(yàn)的基質(zhì)層為22.5 cm種植土+2.5 cm人工填料，填料分別為礫石、石英砂、沸石、活性炭、爐渣。試驗(yàn)結(jié)果表明：雨水花園對(duì) SS和TP有較穩(wěn)定的去除效果，去除率分別在90%和80%以上；爐渣對(duì)于COD去除最好；沸石和活性炭對(duì)于TN去除最優(yōu)，去除率可達(dá)77%以上；綜合比較五組不同填料的雨水花園處理能力，從大到小依次為沸石、活性炭、爐渣、石英砂、礫石。

分層式基質(zhì)固然具有良好的滲透性和較高的污染物處理效果，但是大量的人工填料使用必然使得成本提高，而且為了滿足植物根系的生長，土壤層的厚度會(huì)增加，這就增加了雨水花園的開挖深度，對(duì)于地下水淺的地區(qū)，會(huì)造成地下水回灌和污染的問題。因此，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中推薦使用以土壤為基底、含一定有機(jī)質(zhì)或礦物質(zhì)的混合基質(zhì)，其兼具土壤層與填料層的功能，不僅能夠提供植物生長的必要條件，還具有良好的處理效果，同時(shí)減少了開挖深度。如馬里蘭州推薦使用砂、表層土、有機(jī)質(zhì)(木屑、樹葉堆肥)比例為5∶3∶2的混合基質(zhì)。特拉華州推薦使用等體積的砂、泥炭、有機(jī)物混合基質(zhì)。澳大利亞莫納什大學(xué)生物滯留技術(shù)推廣協(xié)會(huì)推薦使用砂壤土，添加3%～5%的有機(jī)質(zhì)，同時(shí)可添加10%～20%的礦物質(zhì)。國內(nèi)學(xué)者，如胡愛兵等[11]通過模擬柱試驗(yàn)認(rèn)為5%～10%營養(yǎng)土、30%～25%的壤質(zhì)土、65%砂對(duì)雨水徑流中氨氮、TN、TP、COD和SS的去除效果較好。高曉麗[6]通過多種填料組合試驗(yàn)推薦使用30%壤土、40%砂、15%珍珠巖、15%蛭石。王建軍等[12]則認(rèn)為65%建筑黃沙、25%土壤、5%木屑、5%給水廠污泥能夠滿足雨水花園的要求。鄧文珊等[13]推薦使用50%管道沉砂、45%土壤和5%木屑的混合基質(zhì)。

4 污染物去除機(jī)理

4.1 道路雨水徑流水質(zhì)特點(diǎn)

城市雨水徑流包括屋面徑流、綠地徑流、道路徑流等。相較于其他下墊面，道路雨水徑流污染程度較高，而且污染物濃度變化幅度大、可生化性低、來源廣泛、隨機(jī)性強(qiáng)，同時(shí)具有點(diǎn)源和面源的雙重污染特性。研究表明，輪胎磨損、防凍劑使用、車輛泄漏、殺蟲劑和肥料的使用以及丟棄的廢物等是雨水徑流中污染物的主要來源[14]。污染物成分主要包括有機(jī)質(zhì)、氮、磷、金屬、油類及其他化合物等。

4.2 雨水花園對(duì)于污染物的去除機(jī)理

雨水花園主要用于收集城市的雨水徑流，然后通過土壤、微生物、植物、填料等物理、化學(xué)和生物的綜合作用凈化雨水，其中包括過濾沉淀、物理吸附、離子交換化學(xué)吸附、微生物吸收轉(zhuǎn)化與降解、植物同化吸收、揮發(fā)、蒸發(fā)等。

TSS是城市雨水徑流中的主要污染物，通常TSS 含量較高表明雨水徑流中有機(jī)物、氮磷和其他特殊性物質(zhì)含量較高，因此TSS的去除是雨水花園的研究重點(diǎn)。通常情況下，運(yùn)行穩(wěn)定的生物滯留系統(tǒng)通過沉淀和過濾作用能有效去除TSS。Hsieh等[15]進(jìn)行模擬柱試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時(shí)，SS去除率較低，有沉淀物淋洗出來，但是最終TSS的去除率較高，為91%。

徑流雨水中存在的有機(jī)污染物主要包括油脂、橡膠、農(nóng)藥和新型污染物(如表面活性劑)等。去除機(jī)理主要包括土壤過濾、基質(zhì)吸附、生物降解和植物吸收，其中吸附是最主要的作用。Hong等[18]研究了生物滯留去除油脂類的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)覆蓋層可以吸附截留進(jìn)水中83%～97%的油脂類物質(zhì)，并在3～10 d內(nèi)完全降解。此外，植物對(duì)有機(jī)污染物的去除也有作用，有研究指出，種植植物的生物滯留設(shè)施對(duì)碳?xì)浠衔锏纳锝到馑俾适菦]有種植植物系統(tǒng)的2倍[19]。

雨水徑流中的重金屬主要通過沉淀、過濾、吸附以及植物吸收作用去除，致病菌主要通過填料的過濾去除。Sun等[20]通過實(shí)驗(yàn)室模擬分析了生物滯留設(shè)施內(nèi)重金屬的遷移過程，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水中的重金屬總量有0.5%～3.3%被植物吸收積累，約88%～97%的重金屬被填料截留和吸附。Rusciano等[21]通過圓柱試驗(yàn)觀測了進(jìn)出水中大腸桿菌群的數(shù)量變化，發(fā)現(xiàn)通過基質(zhì)的過濾，大腸桿菌群的去除率達(dá)91.6%。

5 雨水花園水文效應(yīng)

雨水花園是海綿城市構(gòu)建過程中最基本、最適用的低影響設(shè)施技術(shù)之一，其功能之一是發(fā)揮雨洪管控。雨水花園從上至下包括蓄水層、基質(zhì)層和排水層，蓄水層可以短暫滯留雨水，多余的雨水從溢流口流出，基質(zhì)層由于具有間隙可以儲(chǔ)蓄和吸收一部分雨水，滯留的水量可以通過蒸發(fā)和植物蒸騰作用消耗，排水層的排出管一般高于底部，所以排出管下方的空間又可以儲(chǔ)存部分雨水，因此通過雨水花園對(duì)雨水徑流的蓄滯和下滲，城市的雨水徑流量和洪峰流量都得以得到削減。唐雙成等[22]監(jiān)測了基質(zhì)層為種植土+沙子的分層基質(zhì)和基質(zhì)層為均質(zhì)黃土的兩種雨水花園對(duì)雨水徑流總量和洪峰的削減效果，結(jié)果表明：在2年的監(jiān)測期內(nèi)，分層填料雨水花園對(duì)14場降雨的水量削減為2%～85.9%，平均為44.3%，徑流峰值削減為11.2%～93.3%，平均為55.8%；均質(zhì)黃土填料的花園水量削減為9.8%～79.8%，平均為39.2%，峰值削減為20.3%～89.8%，平均為50.5%。李家科等[23]以西安市某片區(qū)降雨徑流及其污染為研究對(duì)象，構(gòu)建暴雨雨水管理模型(SWMM)，模擬不同重現(xiàn)期下研究區(qū)域有無雨水花園調(diào)控時(shí)的水量及水質(zhì)狀況。結(jié)果表明，設(shè)置面積比例約為2%時(shí)，在2年一遇至20年一遇的降水條件下，洪峰流量遲滯時(shí)間為5～7 min，徑流總量削減率為 25.69%～42.02%。顏樂等[24]以濟(jì)南某停車場為研究區(qū)域，運(yùn)用SWMM軟件模擬了不同重現(xiàn)期的降雨徑流情況，分析了不同影響因子對(duì)于生物滯留池的調(diào)控性能。結(jié)果表明，生物滯留池能夠削減洪峰，延遲洪峰出現(xiàn)時(shí)間，重現(xiàn)期越短，效果越明顯。土壤厚度越大、貯存高度越大、根區(qū)土壤的飽和入滲速率越大，入滲量越大。臧洋飛等[25]通過室內(nèi)人工模擬控制試驗(yàn)，運(yùn)用正交試驗(yàn)方法模擬基質(zhì)層為種植土+填料的雨水花園對(duì)于降雨徑流水文特征的影響，結(jié)果表明，以沸石作為填料層填料，厚度為30～50 cm，對(duì)出流洪峰延遲時(shí)間最長為49 min，對(duì)徑流總削減率為43%，徑流滲透率為70 m/d。

6 案例介紹

光明新區(qū)[10]位于深圳西部，總面積為156.1 km2，人口約80萬。光明新區(qū)為全國首個(gè)綠色建筑示范區(qū)，并在2010年，確定為創(chuàng)國家低碳生態(tài)示范實(shí)驗(yàn)區(qū)。在此背景下，設(shè)計(jì)了道路綠化帶雨水花園設(shè)施工程，工程范圍包括公園路、高新路和三十一號(hào)路三條道路。設(shè)計(jì)方案為將三條道路的綠化帶設(shè)計(jì)為雨水花園，雨水花園結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 雨水花園結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Tab.2 Structure Design of Rainwater Garden

雨水花園建成后，對(duì)其運(yùn)行效果進(jìn)行監(jiān)測。在一次降雨強(qiáng)度為10.6 mm/h的降雨中，發(fā)現(xiàn)道路雨水徑流峰值相較于雨水花園未建成之前滯后了15.5 min，峰值降低了30.4%，年徑流總量控制率達(dá)到85%。在對(duì)道路雨水進(jìn)入雨水花園前和經(jīng)過雨水花園處理后的水質(zhì)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)徑流污染物中SS、COD、TN、TP、氨氮的去除率分別為90.0%、76.8%、76.0%、74.7%、89.8%，處理后SS、COD、TN、TP、氨氮的出水濃度分別為13.4、19.5、0.05、0.3、0.1 mg/L，達(dá)到了地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類。

圖2 采樣路段Fig.2 Sampling Section

7 結(jié)語

雨水花園是一種新型的雨水滯留技術(shù)，通過蓄水滯水，能夠消減徑流總量和洪峰流量，緩解市政管網(wǎng)的壓力，其具體消減率與基質(zhì)層所用填料、降雨規(guī)律及降雨量有關(guān)。一般基質(zhì)層空隙大、吸附能力強(qiáng)、降雨量小時(shí)，其對(duì)徑流總量和洪峰流量的消減率就變大。同時(shí)，雨水花園通過基質(zhì)層的過濾、吸附及沉淀作用，以及植物和微生物的吸收及降解作用，達(dá)到凈化雨水徑流、緩解面源污染的作用。通常情況下合理穩(wěn)定運(yùn)行雨水花園對(duì)徑流總量的消減為9.8%～85.9%，對(duì)洪峰流量的消減為11.2%～93.3%，對(duì)SS的去除率可達(dá)80%以上，COD達(dá)50%以上，TN比較不穩(wěn)定，一般平均在30%以上，TP和氨氮可達(dá)60%以上。