董衛(wèi)爽
(河北省秦皇島水文水資源勘測局,河北 秦皇島 066000)
雨水花園是自然形成或人工挖掘的淺凹綠地,主要作用是匯集和吸收雨水,并通過植物、砂土層的過濾作用使雨水得到凈化,入滲土壤后補給地下水。
一般情況下,雨水花園從上到下結(jié)構(gòu)為: 蓄水層、覆蓋層、土壤層、砂層、礫石層,同時在底部設(shè)置穿孔管來收集雨水,在上部設(shè)置溢流管來排除超過最大蓄水量的積水,如圖1。
圖1 雨水花園結(jié)構(gòu)
(1)可有效過濾降水徑流中的垃圾、懸浮顆粒、有機污染物、重金屬離子等有害物質(zhì),從而保證了地下水的純凈。
(2)通過合理的植物配置,雨水花園可以為昆蟲、鳥類提供棲息地,促進城市生態(tài)環(huán)境的改善。
(3)雨水花園植物通過蒸騰作用可以調(diào)節(jié)空氣溫度和濕度,改善小氣候環(huán)境,對降低城市熱島效應(yīng)有幫助。
(4)與傳統(tǒng)綠化手段相比,雨水花園雖然建造成本高,但維護和管理簡單,提高人的景觀感受,有助于提升城市品味[3]。
秦皇島市位于河北省東北端,主城區(qū)包含北戴河區(qū)、海港區(qū)、山海關(guān)區(qū),總?cè)丝诩s137萬。秦皇島旅游資源豐富,年平均降雨量在520~720mm,水資源總量9.65億m3,年平均氣溫10.1℃,最熱月份平均氣溫24.5℃,是一個優(yōu)良的避暑勝地。秦皇島市屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候,四季分明。春季受冷空氣影響,天氣多變,大風(fēng)多,降水稀少,蒸發(fā)量大,常有春旱發(fā)生;夏季受副熱帶高壓影響,高溫多雨,但因受海洋影響,并無酷熱期。受地形影響,山地迎風(fēng)坡多形成暴雨中心;秋季極地大陸氣團逐漸加強,天氣晴朗,氣溫迅速下降;冬季受西伯利亞大陸氣團控制,天氣寒冷干燥,降雪稀少。
本次在秦皇島市區(qū)內(nèi)不同地點選取3處結(jié)構(gòu)相同的雨水花園進行分析,如表1[4]。
表1 雨水花園尺寸及結(jié)構(gòu)
由表1可知,這種雨水花園的尺寸為長方體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)共分為5層,總厚度90cm。
3.1.1 徑流理論計算依據(jù)
計算雨水花園對于徑流的削減效果可根據(jù)入流量Q1和出流量Q2的差值百分率進行確定,計算如式(1),其中流量Q的計算如式(2)[5]。
式中 R為徑流水量削減率(%);Q1為雨水花園徑流入流量(L); Q2為雨水花園徑流出流量(L)。
式中 μ為流量系數(shù);θ為堰口夾角(°);h為堰前幾何水頭(m);g為重力加速度(N/kg),取9.8N/kg。
3.1.2 徑流削減效果
本次統(tǒng)計了2018年中秦皇島市典型降水中雨水花園的入流、出流量,如表2;統(tǒng)計曲線如圖2。
表2 雨水花園徑流削減效果數(shù)據(jù)統(tǒng)計
圖2 降雨入流及出流量統(tǒng)計曲線
由數(shù)據(jù)和曲線可知:
(1)在春秋季節(jié)降水量較小時(5,9月),雨水花園徑流削減效果很好,削減率能達到100%。
(2)夏季降水量較大(6,7,8月),流入量和流出量均較大,導(dǎo)致削減率顯著降低。
綜合分析,雨水花園對降水徑流的削減效果與降水量有著直接關(guān)系,若降水量較少,則削減率可達100%;若降水多而猛烈(或降水間隔時間較短),則會極大影響削減率。以全年為標(biāo)準(zhǔn),雨水花園對降水徑流的削減率平均為45%[6]。
3.2.1 理論計算依據(jù)
由于市區(qū)存在眾多水體污染源,降水會將這些部分污染源帶入地下水,從而影響淺層水質(zhì),進而造成人們向更深處地下水開采。雨水花園污水凈化能力理論計算包括污染濃度降低率RC和污染負(fù)荷削減率RL兩方面。本次對兩個參數(shù)進行分別計算。
3.2.1.1 污染濃度降低率RC
污染濃度降低率RC計算如式(3),由此可知,通過測定入流和出流中某污染物濃度,可算出RC。
式中 C入為入流中某一污染物濃度(mg/L);C出為出流中某一污染物濃度(mg/L)。
3.2.1.2 污染負(fù)荷去除率RL
污染負(fù)荷削減率RL計算如式 (4),通過測定入流、出流、溢流中總污染物中的負(fù)荷量可算出RL。
式中 T入為入流總污染物負(fù)荷量(mg);T出為出流總污染物負(fù)荷量(mg);T溢為溢流總污染物負(fù)荷量(mg)。
3.2.2 水樣及土壤
3.2.2.1 水樣污染物分析指標(biāo)及方法
本次對雨水花園各類水樣分析指標(biāo)及方法如表3。其中,污染物種類應(yīng)根據(jù)實地調(diào)查確定,不可照搬其他項目。
表3 水樣分析指標(biāo)及方法
3.2.2.2 土壤污染物分析指標(biāo)及方法
本次主要對土壤中的N、P、重金屬、TOC、微生物含量等指標(biāo)進行檢測,如表4。
表4 土壤分析指標(biāo)及方法(部分)
3.2.3 凈化能力及凈化壽命分析
3.2.3.1 雨水花園凈化能力
圖3 NH3-N,TN,TP污染負(fù)荷削減率
由圖3可知:
(1)雨水花園剛投入使用前3年(2011~2013年),對凈化削減率可達98%~100%,對TN,TP的凈化削減率可達90%以上,效果顯著。
(2)從第4年開始,雨水花園對各污染物的凈化能力呈急速下降趨勢,到2017年已經(jīng)基本處于50%~60%,到2018年區(qū)域平緩。
(3)總體來看,雨水花園對TP的凈化削減率效果最好。且隨著使用時間增長,雨水花園的凈化削減率會下降。
3.2.3.2 雨水花園凈化壽命
雨水徑流帶著污染物到達雨水花園后,大部分顆粒會被花園結(jié)構(gòu)層攔截,但是不可能短時間內(nèi)完全分解,富集在花園結(jié)構(gòu)層的污染物會被徑流帶出一部分,這是造成凈化削減率下降的主要原因。
有關(guān)學(xué)者提出了雨水花園“三階段凈化能力”概念,如圖4。
圖4 “三階段凈化能力”曲線
由圖4可知:
(1)第一階段(1~3年),雨水花園凈化能力總體處于高位且不斷增長。
(2)第二階段(3~9年)其凈化能力會基本維持在一個高位。
(3)第三階段(9~15年)其凈化能力及效果會快速衰退。
因此雨水花園的凈化壽命基本在15年,每隔15年就換成新的結(jié)構(gòu)層、植物。
(1)通過分析,可知雨水花園對降水徑流水量削減在春秋季節(jié)顯著,基本可維持在100%,在多雨夏季可維持在30%,這對項目區(qū)地下水補充有著極其重要的作用。
(2)雨水花園對污染物凈化作用巨大,且凈化壽命可維持有15年之久。
(3)秦皇島市完全可以利用自身旅游城市定位,大力打造雨水花園城市,必然會對提升市區(qū)居民生活質(zhì)量、增加旅游產(chǎn)值有著重要影響。