階梯型雨水花園在山地城市海綿設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳泳帆，毛偉，張華廷，王索

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司 綜合技術(shù)研究所，重慶 400039）

0 引言

海綿城市設(shè)計(jì)主要運(yùn)用雨水花園這一典型技術(shù)，結(jié)合“滲、滯、蓄、凈、用、排”等方法[1]，在常規(guī)地形區(qū)域有效地解決了雨水徑流處理的難題。但由于相關(guān)知識(shí)體系尚不成熟，對(duì)于山地城市這種特殊地形條件，海綿城市中雨水花園設(shè)計(jì)仍需要進(jìn)行深入的探討與研究。目前，已有相關(guān)研究人員對(duì)山地城市與雨水花園在海綿城市設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了探索。唐曉會(huì)[2]對(duì)重慶山地城市海綿技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的定性分析，研究?jī)?nèi)容包括氣候、城市特點(diǎn)、可應(yīng)用的海綿城市技術(shù)措施等方面，但未對(duì)雨水花園等典型措施進(jìn)行深入研究。王雪琴、王力[3]對(duì)重慶市海綿城市的建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并列舉了重慶市海綿技術(shù)運(yùn)用較為成功的主要成果，但同時(shí)也未涉及雨水花園相關(guān)的研究。姚蕾[4]對(duì)非山地城市雨水花園的選址、植物選擇、構(gòu)造設(shè)計(jì)、計(jì)算等進(jìn)行了研究，得出了平原地區(qū)雨水花園設(shè)計(jì)的合理化建議。蔣春博、李家科等[5]通過(guò)數(shù)據(jù)采集與分析，證明了雨水花園在非山地城市的雨水控制及污染物去除中的效果。

上述相關(guān)海綿技術(shù)及雨水花園均未結(jié)合山地城市海綿技術(shù)與雨水花園設(shè)計(jì)兩者進(jìn)行系統(tǒng)研究。因此，綜合分析兩者之間的相關(guān)性，對(duì)于指導(dǎo)山地城市雨水花園技術(shù)應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。本文通過(guò)對(duì)山地城市的降雨氣候、地形、計(jì)算方法、類型選擇進(jìn)行綜合性分析與對(duì)比，以便為更加清晰地指導(dǎo)山地城市雨水花園設(shè)計(jì)，解決其實(shí)際徑流控制問(wèn)題提供幫助。

1 山地城市水文特征及雨水花園設(shè)計(jì)的局限性

1.1 山地城市水文特征

首先，山地城市降雨的特點(diǎn)主要分為兩方面進(jìn)行考慮：季節(jié)性降雨特性和單場(chǎng)降雨特性。其一，山地城市多屬于季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，降雨充沛；其二，單場(chǎng)降雨總時(shí)間較短，暴雨強(qiáng)度從降雨開始到達(dá)到峰值的時(shí)間較短，達(dá)到峰值后暴雨強(qiáng)度又迅速跌落，雨水總量主要集中在峰值周邊。其次，山地城市地勢(shì)特性突出，部分地區(qū)與周邊區(qū)域高差較大，形成坡度較陡的坡面匯水區(qū)。這樣一來(lái)，雖上游雨水停留時(shí)間較短，但下游雨水不易排走，容易形成積水；同時(shí)，由于坡度較陡，雨水在坡面上流速較快，容易引起土壤侵蝕，且下游雨水聚集時(shí)間過(guò)短，往往容易超出傳統(tǒng)管網(wǎng)的排水負(fù)荷，極易形成內(nèi)澇。再次，山地城市土壤蓄水層較薄，不適宜存水。因此在實(shí)際工程中，土壤的壓實(shí)度較高，雨水滲透性不好，對(duì)排水管網(wǎng)的泄洪能力要求高[2]。加之隨著快速城市化進(jìn)程，越來(lái)越多硬化地面產(chǎn)生了過(guò)多的雨水徑流，在特殊的山地地形條件下加劇了積水、內(nèi)澇發(fā)生的可能性。

1.2 雨水花園設(shè)計(jì)局限性

（1）空間布局緊湊

山地城市地形高低不一，與平原城市相比，同一等高平臺(tái)總體面積較小。因此在針對(duì)該地形特性進(jìn)行雨水花園布置時(shí)，有時(shí)難以在同一高度平臺(tái)找到布置雨水花園的對(duì)應(yīng)位置，有時(shí)同一平臺(tái)上布置雨水花園的面積滿足不了雨水控制規(guī)模的要求。因此需在高度較低的平臺(tái)上布置一層或多層階梯型雨水花園，以打破山地城市的空間局限性。

（2）地形坡度較陡

由于山地城市地形特殊，道路及硬化地面坡度較陡，坡面長(zhǎng)度較短，降雨歷時(shí)較短，因此暴雨強(qiáng)度較大。在這種條件下，地面雨水在短時(shí)間內(nèi)迅速匯集。與平原城市相比，山地城市雨水花園控制規(guī)模應(yīng)適當(dāng)增大，以應(yīng)對(duì)實(shí)際雨水徑流的控制要求及溢流過(guò)水能力。加之山地城市空間布局緊湊的特點(diǎn)，應(yīng)設(shè)計(jì)階梯型雨水花園，增大蓄水面積與溢流能力。

（3）土壤滲水能力不足

山地城市的土層較薄，且密實(shí)度較大，在降雨時(shí)雨水滲透性不強(qiáng)，加之城區(qū)場(chǎng)地地面以下的區(qū)域多為地下建筑，因此流入到雨水花園的徑流應(yīng)盡快排走，以免造成土壤長(zhǎng)期浸潤(rùn)導(dǎo)致地基沉降等問(wèn)題。由于山地城市雨水轉(zhuǎn)輸不易的特點(diǎn)，不同高度、不同位置的階梯型雨水花園能夠有效起到雨水轉(zhuǎn)輸、增加排水能力的作用。

（4）傳統(tǒng)雨水花園規(guī)模計(jì)算的不適用性

在傳統(tǒng)的雨水花園規(guī)模計(jì)算時(shí)，往往將雨水花園自身下墊面按綠地進(jìn)行考慮。但事實(shí)上，山地城市的雨水徑流在短時(shí)間內(nèi)急速增大，雨水花園將迅速充滿雨水。因此，雨水花園計(jì)算時(shí)應(yīng)將雨水花園下墊面考慮為水面進(jìn)行計(jì)算。

2 山地城市階梯型雨水花園中應(yīng)用分析

2.1 階梯型雨水花園的主要設(shè)計(jì)形式

階梯型雨水花園是由多個(gè)高低不同的雨水花園組合而成。其形式主要分為臺(tái)階型、錯(cuò)置型、重疊型三種，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 臺(tái)階型雨水花園

圖2 錯(cuò)置型雨水花園

圖3 重疊型雨水花園

臺(tái)階型雨水花園是指在場(chǎng)地坡度較大時(shí)，由多個(gè)小型雨水花園順著場(chǎng)地的坡度進(jìn)行平行排列的形式，其標(biāo)高隨著場(chǎng)地標(biāo)高的降低而降低。臺(tái)階型雨水花園應(yīng)在標(biāo)高最低的雨水花園處設(shè)置溢流管，同時(shí)也可在其余小型雨水花園處設(shè)置多根溢流管，以確保其過(guò)水能力能夠滿足要求。錯(cuò)置型、重疊型雨水花園是指在場(chǎng)地存在較大高差，且在其服務(wù)分區(qū)內(nèi)相近標(biāo)高處雨水花園布置面積不夠或沒(méi)有空間布置雨水花園時(shí)，采用的特殊階梯組合形式。

2.2 階梯型雨水花園的作用

由于在地形坡度較大的情況下，普通雨水花園的坡度較大，收水時(shí)雨水容易溢出，造成場(chǎng)地積水。因此，布置臺(tái)階型雨水花園能夠吸收較大坡度不同位置的雨水徑流，防止雨水溢出。

錯(cuò)置型、重疊型兩者，一方面能在受限空間內(nèi)增大雨水徑流的控制規(guī)模，有效滯留雨水、削峰減洪。另一方面，這兩類滯留設(shè)施根據(jù)各自組合形式在山地海綿城市設(shè)計(jì)中具有不同的側(cè)重點(diǎn)。錯(cuò)置型雨水花園頂部溢流管下側(cè)的橫向管道的長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)，能夠解決因地形限制所產(chǎn)生的雨水徑流轉(zhuǎn)輸問(wèn)題。重疊型雨水花園的組合形式縮小了雨水花園形成水面時(shí)的徑流總量，能夠徑流蓄積，節(jié)約空間。

2.3 階梯型雨水花園的構(gòu)造

階梯型雨水花園能夠通過(guò)對(duì)內(nèi)部構(gòu)造的設(shè)計(jì)，提升其性價(jià)比。由于大部分雨水徑流污染物均存在于初期雨水中，因此，在階梯型雨水設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量利用上部雨水花園進(jìn)行徑流污染物處理，下部雨水花園進(jìn)行雨水徑流體積的控制。在這種條件下，上部雨水花園可按雨水花園典型構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)，而下部可略微簡(jiǎn)化為下沉式花臺(tái)或綠地，以節(jié)約雨水花園的建設(shè)成本，最大程度地發(fā)揮其作用。

2.4 階梯型雨水花園防侵蝕能力

在山地城市場(chǎng)地坡度較大、坡面長(zhǎng)度較短的條件下，雨水匯集時(shí)間短，徑流流速較大，因此在流入雨水花園時(shí)能量較大。這容易使雨水花園內(nèi)部土壤受到徑流沖刷而產(chǎn)生侵蝕現(xiàn)象，致使最終溢流雨水中的土壤沉淀物較多，從而導(dǎo)致雨水花園種植土層破壞、雨水花園凈化能力削減、溢流管堵塞等問(wèn)題。解決該問(wèn)題可從雨水花園的形狀及設(shè)置效能設(shè)施兩方面考慮。其一，各級(jí)雨水花園的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免寬度較小的條形，防止土層被沖出花園外。同時(shí)，應(yīng)增加將徑流引入雨水花園的引水設(shè)施長(zhǎng)度，從而降低其徑流總量[6]。其二，各級(jí)雨水花園應(yīng)設(shè)置混凝土或卵石緩沖帶等消能設(shè)施，并將徑流均勻散布在雨水花園中，增加土壤的均勻下滲性及雨水花園的壽命。

3 山地城市徑流規(guī)模計(jì)算法

3.1 雨水花園設(shè)計(jì)在不同降雨階段的特性分析

雨水花園規(guī)模計(jì)算的分析主要思考兩個(gè)方面。第一，徑流階段分析。根據(jù)前面對(duì)降雨趨勢(shì)的分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一場(chǎng)降雨，其強(qiáng)度從開始的少量初期降雨，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后迅速激增至降雨峰值，再迅速跌落至強(qiáng)度較小的降雨，整個(gè)過(guò)程主要有三個(gè)不同的時(shí)間段，因此受降雨影響的地面雨水徑流可分為三個(gè)階段，即初期徑流、峰值徑流、后期徑流。第二，下墊面類型分析。在海綿城市設(shè)計(jì)中，雨水花園的規(guī)模主要根據(jù)其受降雨影響的服務(wù)區(qū)域所產(chǎn)生的雨水徑流的大小來(lái)確定。其服務(wù)區(qū)域主要包含滲透性地面（綠地、透水鋪裝、綠色屋頂）和非滲透性地面（硬質(zhì)鋪裝、硬屋面、水面）兩類下墊面。初期徑流時(shí)，徑流體積及流量較小，污染物總量較多[7]。此時(shí)，流入雨水花園的雨水較少，大多數(shù)雨水與污染物直接滲透，雨水花園的下墊面屬性與綠地相近。隨著暴雨強(qiáng)度激增，雨水徑流迅速增多，逐漸充滿整個(gè)雨水花園。充滿后，多余的雨水通過(guò)溢流口排走，此時(shí)雨水花園表面形成水面，徑流系數(shù)顯著增大。

3.2 雨水花園新徑流規(guī)模計(jì)算法

目前普遍的計(jì)算方法是將雨水花園按照綠地考慮，即只考慮初期降雨過(guò)程產(chǎn)生的徑流。這樣會(huì)存在兩個(gè)方面的偏差：一是初期雨水在綠地上基本能夠?qū)崿F(xiàn)完全滲透，因此徑流在雨水花園上直接下滲，無(wú)法蓄積；二是在雨水徑流迅速達(dá)到峰值時(shí)，雨水花園按綠地考慮將導(dǎo)致徑流系數(shù)偏小，因此根據(jù)《低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[6]，雨水花園規(guī)模指標(biāo)“徑流控制容積VT（m3）”及“設(shè)計(jì)流量QS（L/s）”計(jì)算值偏小，在實(shí)際使用時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致路面積水的情況出現(xiàn)。因此，雨水花園的實(shí)際控制容積與設(shè)計(jì)流量應(yīng)按下列各式進(jìn)行計(jì)算：

H為設(shè)計(jì)降雨量（mm）；q為暴雨強(qiáng)度（L/s·hm2）；RVin為雨水花園作為水面時(shí)的雨量徑流系數(shù)；RVout為服務(wù)分區(qū)扣除雨水花園后的綜合雨量徑流系數(shù)；ψin為雨水花園作為水面時(shí)的流量徑流系數(shù)；ψo(hù)ut為服務(wù)分區(qū)扣除雨水花園后的綜合流量徑流系數(shù)；Fin為雨水花園面積 （hm2）；Fout為服務(wù)分區(qū)扣除雨水花園后的面積（hm2）。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，可得到如下結(jié)論：

（1）山地城市的主要水文特征為降雨充沛，雨水峰值大且時(shí)間短，再加上地形起伏且坡度較大，土壤滲透性較小，容易導(dǎo)致積水和內(nèi)澇的產(chǎn)生；

（2）山地城市地形坡度大，土壤緩排能力小，雨水花園設(shè)計(jì)空間布局受限，傳統(tǒng)徑流規(guī)模計(jì)算不適用；

（3）針對(duì)山地城市降雨充沛、地形起伏、土壤滲透性差的水文特征，提出了臺(tái)階型、錯(cuò)置型、重疊型三種階梯型雨水花園的形式。在設(shè)計(jì)應(yīng)用中須根據(jù)高差、坡度等方面進(jìn)行綜合對(duì)比選擇；

（4）山地城市徑流規(guī)模計(jì)算時(shí)，應(yīng)將雨水花園的表面按水面進(jìn)行計(jì)算，以滿足雨水花園的實(shí)際徑流控制要求，防止路面積水與內(nèi)澇的發(fā)生。