雨水花園建設(shè)效果評(píng)估與設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

武春生 任鵬飛 郭大煒 張孟強(qiáng) 蘇晉國(guó) 田海鵬

（1、北京雨人潤(rùn)科生態(tài)技術(shù)有限責(zé)任公司，北京100089 2、北京建工建筑設(shè)計(jì)研究院，北京100044 3、北京建筑大學(xué)，北京100044 4、青島市李滄區(qū)城市管理局，山東 青島266100）

1 概述

海綿城市是在借鑒國(guó)外低影響開(kāi)發(fā)（LID）等模式成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建源頭削減- 過(guò)程控制- 末端治理的綜合性策略，并采取綠灰結(jié)合的綜合工程技術(shù)措施來(lái)解決目前我國(guó)城市發(fā)展普遍遇到的涉水問(wèn)題[1]。目前，海綿城市建設(shè)已在我國(guó)多個(gè)地區(qū)實(shí)施，其對(duì)區(qū)域性的內(nèi)澇緩解、水環(huán)境提升、水資源利用等成效明顯。在這些涉水問(wèn)題中，尤其以徑流沖刷城市硬化下墊面產(chǎn)生的污染物對(duì)城市整體水環(huán)境質(zhì)量影響最為突出。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，我國(guó)部分城市硬化下墊面徑流污染貢獻(xiàn)率在城市水體總體污染負(fù)荷比例中高達(dá)40%以上, 合理對(duì)源頭的硬化區(qū)域進(jìn)行低影響開(kāi)發(fā)改造成了有效控制徑流和面源污染削減的重要技術(shù)措施。雨水花園作為L(zhǎng)ID 設(shè)施的一種，可有效強(qiáng)化城市源頭徑流控制與污染削減效果，但從建設(shè)效果來(lái)看，不同的設(shè)施規(guī)模、調(diào)蓄深度、結(jié)構(gòu)層等配置對(duì)滯蓄效果均有顯著影響[2]。本文對(duì)已建成的雨水花園進(jìn)行了效果評(píng)估，并通過(guò)試驗(yàn)適當(dāng)優(yōu)化了主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，可在一定程度上優(yōu)化設(shè)施配置及提高相應(yīng)的利用效率。

2 概況

選取青島市某海綿化改造建筑小區(qū)中的新建雨水花園作為設(shè)施建設(shè)效果和參數(shù)優(yōu)化的研究對(duì)象。該雨水花園設(shè)計(jì)規(guī)模約15m2，周邊環(huán)境由瓦礫屋面材質(zhì)的低層住宅和少量綠地構(gòu)成。按設(shè)計(jì)要求，設(shè)施主要收集屋面及周邊綠地徑流雨水，匯水范圍約70m2，可調(diào)蓄容積約2m3。本地典型花園雨水花園設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意如下圖所示, 結(jié)構(gòu)層由下至上分別為原狀土層、350mm 厚礫石層、100mm 厚中砂隔離層、500 厚種植土換土層、100mm 厚覆蓋層，設(shè)計(jì)蓄水層250mm（圖1）。

本文主要從區(qū)位選擇、徑流控制、污染物削減、植物長(zhǎng)勢(shì)4個(gè)層面綜合評(píng)估雨水花園建設(shè)后的運(yùn)行效果。區(qū)位選擇指在設(shè)施布局、雨水組織及匯水范圍等方面的合理性選擇。降雨徑流控制指不同降雨情況下的設(shè)施徑流調(diào)蓄能力。污染物削減指不同類(lèi)型的徑流污染物經(jīng)設(shè)施截留凈化的程度。植物長(zhǎng)勢(shì)指植物選擇及生長(zhǎng)情況。其中，徑流控制及污染物削減結(jié)合在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，污染物削減的污染物主要指懸浮物（SS）。

圖1 雨水花園結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)圖

在設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方面，主要通過(guò)在室內(nèi)模擬降雨及設(shè)施徑流預(yù)處理，并采取單一變量的試驗(yàn)方法開(kāi)展相關(guān)研究工作，研究變量主要有：降雨量、匯水面積、設(shè)計(jì)規(guī)模、滯蓄深度、結(jié)構(gòu)層（厚度及介質(zhì)材料）、植物配置。

3 建設(shè)效果評(píng)估

該雨水花園位于普通住宅樓前，設(shè)施未實(shí)施時(shí)為普通綠地，海綿化改造的主要內(nèi)容是將屋面下的雨落管斷接，將降雨屋面徑流引入樓前新建雨水花園滯蓄、凈化。通過(guò)降雨時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地觀察，新建雨水花園設(shè)置位置合理，主要用于調(diào)蓄建筑屋面徑流，且匯水邊界清晰、設(shè)施匯水順暢，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在徑流控制方面，設(shè)計(jì)要求非集中降雨（降雨超過(guò)4 小時(shí)）時(shí)，該雨水花園可100%控制相應(yīng)匯水范圍27.4mm 以下體積的雨量。選取若干場(chǎng)不同降雨強(qiáng)度的小雨（10mm 以下）、中雨（10-25mm）、大雨（25-50mm）類(lèi)型的降雨進(jìn)行徑流控制效果評(píng)估。表1 數(shù)據(jù)顯示：按設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)，長(zhǎng)歷時(shí)降雨量47.6mm 以下的降雨，單體設(shè)施的徑流控制效果良好，均為100%不出流，監(jiān)測(cè)調(diào)蓄量約3.33 立方米，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)，部分降雨歷時(shí)較短，雨強(qiáng)強(qiáng)度較大的降雨場(chǎng)次對(duì)設(shè)施的雨水徑流削減有影響，集中雨量不能及時(shí)入滲或有效滯蓄，如36.8mm、降雨歷時(shí)12.18 小時(shí)、平均雨強(qiáng)3.02mm 時(shí)，徑流控制率為90%。

表1 不同降雨場(chǎng)次下的雨水花園徑流控制率

在面源污染削減方面，設(shè)計(jì)要求非集中降雨（降雨超過(guò)4 小時(shí)）時(shí)，該雨水花園可控制70%以上相應(yīng)匯水范圍27.4mm 體積下的雨水徑流污染物（主要指SS）。分析了與表1 降雨量相對(duì)應(yīng)的雨水花園污染物削減情況，數(shù)據(jù)顯示：按設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)，長(zhǎng)歷時(shí)降雨量47.6mm 以下的降雨，單體設(shè)施的面源污染削減效果良好，均為100%削減（100%不出流），最大污染物削減量達(dá)到0.5kg，可以看出污染物在瓦礫材質(zhì)的屋面上的富集并不明顯，污染程度相對(duì)較低。部分降雨歷時(shí)較短，雨強(qiáng)強(qiáng)度較大的降雨場(chǎng)次對(duì)設(shè)施的徑流污染物（SS）削減有影響，集中雨量不能及時(shí)入滲或有效滯蓄，如36.8mm、降雨歷時(shí)12.18 小時(shí)、平均雨強(qiáng)3.02mm 時(shí)，面源污染削減率為75%。從上述數(shù)據(jù)結(jié)果看來(lái)，設(shè)施仍有調(diào)蓄余量，雖然徑流控制、污染物削減實(shí)際效果優(yōu)于設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)，但也側(cè)面反應(yīng)出了目前的雨水花園存在設(shè)計(jì)規(guī)模與相應(yīng)匯水面積不完全匹配的問(wèn)題（設(shè)施規(guī)模偏大，匯水面積偏小），后節(jié)將就設(shè)計(jì)規(guī)模與匯水面積的相互關(guān)系進(jìn)行分析討論。在植物長(zhǎng)勢(shì)方面，花園內(nèi)主要種植鳶尾屬植物，枝葉呈葉劍型，常生長(zhǎng)于沼澤或淺水層中，屬耐旱又耐淹植物。花園建設(shè)后，每周定期組織專(zhuān)人進(jìn)行植物養(yǎng)護(hù)運(yùn)維，養(yǎng)護(hù)內(nèi)容主要包含：植物修剪、綠化補(bǔ)植和灌溉、雜物清理、營(yíng)養(yǎng)液噴灑等。截止目前，該設(shè)施中的植物生長(zhǎng)狀態(tài)良好，滿(mǎn)足植物養(yǎng)護(hù)要求。綜上，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀測(cè)和監(jiān)測(cè)評(píng)估，該雨水花園建設(shè)效果初步滿(mǎn)足既定的規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，但其設(shè)計(jì)參數(shù)仍存在一定的優(yōu)化空間。

4 設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

雨水花園的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化研究目的在于合理控制設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)模，避免項(xiàng)目投資浪費(fèi)，并通過(guò)優(yōu)化設(shè)施的主要設(shè)計(jì)參數(shù)提高相應(yīng)的利用效率?？紤]雨水花園建設(shè)效果影響因素眾多，本研究采用單一變量控制方式進(jìn)行試驗(yàn)，研究?jī)?nèi)容包含：規(guī)模與匯水面積配比、調(diào)蓄深度、結(jié)構(gòu)層設(shè)置、植物搭配方面。

4.1 設(shè)計(jì)規(guī)模與匯水面積配比

采用5m2（小型）、15 m2（中型）、30 m2（大型）三種建設(shè)規(guī)模的雨水花園開(kāi)展試驗(yàn)研究，雨水花園的結(jié)構(gòu)與圖1 雨水花園示意圖一致，降雨采用人工模擬（均勻降雨），通過(guò)改變一定時(shí)間內(nèi)的人工降雨量大小來(lái)模擬匯水區(qū)域的產(chǎn)流流量變化，試驗(yàn)效果控制參數(shù)為調(diào)蓄容積。經(jīng)試驗(yàn)，雨水花園建設(shè)規(guī)模與相應(yīng)匯水面積的比例應(yīng)在5%-10%間為宜。按控制降雨量27.4mm 計(jì)算，5m2雨水花園對(duì)應(yīng)調(diào)蓄容積最大可達(dá)1.35m3，相應(yīng)匯水面積約50m2。15m2雨水花園對(duì)應(yīng)調(diào)蓄容積最大可達(dá)4.1m3，相應(yīng)匯水面積約150m2。30m2雨水花園對(duì)應(yīng)調(diào)蓄容積最大可達(dá)7.8m3，相應(yīng)匯水面積約300m2。

4.2 調(diào)蓄深度

使用規(guī)模為15m2的雨水花園進(jìn)行調(diào)蓄深度測(cè)試試驗(yàn)，調(diào)蓄深度預(yù)設(shè)置為25cm、30cm、35cm，匯水面積150 m2，觀測(cè)不同降雨量下的設(shè)施實(shí)際調(diào)蓄容積。經(jīng)試驗(yàn)，25cm 蓄水深度的雨水花園在27.4mm、30mm、35mm 降雨下的滯蓄容積分別為4.1m3、4.12m3（有溢流）、4.14m3（有溢流）。30cm 蓄水深度的雨水花園在27.4mm、30mm、35mm 降雨下的滯蓄量分別為4.1m3（存在調(diào)蓄余量）、4.52m3、4.55m3（有溢流）。30cm 蓄水深度的雨水花園在27.4mm、30mm、35mm 降雨下的滯蓄量分別為4.1m3（存在調(diào)蓄余量）、4.52m3（存在調(diào)蓄余量）、5.25m3。綜上，可得出，深度25cm時(shí)最大調(diào)蓄容積4.1m3（對(duì)應(yīng)降雨量27.4mm），深度30cm 時(shí)最大調(diào)蓄容積為4.52m3（對(duì)應(yīng)降雨量27.4mm）。將雨水花園深度加深5cm 可增加調(diào)蓄容積0.4 m3。若進(jìn)一步加深雨水花園蓄水深度，則結(jié)構(gòu)層總深度將超過(guò)1.4m，將進(jìn)一步增大開(kāi)挖難度及投資，故建議將相似雨水花園的蓄水深度初步設(shè)置在25-30cm，宜選用30cm。

4.3 結(jié)構(gòu)層及植物配置

原狀結(jié)構(gòu)層由下至上分別為原狀土層、350mm 厚礫石層、100mm 厚度中砂隔離層、500 厚種植土換土層、100mm 厚覆蓋層，設(shè)計(jì)蓄水層250mm。試驗(yàn)主要針對(duì)厚度、過(guò)濾介質(zhì)選擇2 個(gè)方面開(kāi)展了研究工作。選用瓜子片、煤灰渣、沸石三種材料與礫石材質(zhì)進(jìn)行污染物過(guò)濾能力對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：對(duì)于SS 削減，同樣層厚去除效果瓜子片＞煤灰渣＞沸石＞礫石。除設(shè)計(jì)蓄水層可加深至300mm 外，其余結(jié)構(gòu)層厚度基本可維持原狀。在植物配置方面，鳶尾、馬藺、千屈菜均可起到相近的固著污染物、凈化水質(zhì)，提升花園觀賞效果的效果。

5 結(jié)論

本文對(duì)青島某海綿化改造小區(qū)內(nèi)的新建雨水花園單體綠色設(shè)施的建設(shè)效果進(jìn)行了綜合評(píng)估，并結(jié)合試驗(yàn)適當(dāng)優(yōu)化了相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。經(jīng)評(píng)估，新建雨水花園基本滿(mǎn)足項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，但其在建設(shè)規(guī)模、深度、介質(zhì)材料使用等設(shè)計(jì)參數(shù)仍有優(yōu)化空間。當(dāng)雨水花園建設(shè)規(guī)模與匯水面積比例在1：5-1：10 間，蓄水深度25-30cm 時(shí)，雨水調(diào)蓄及污染物凈化能力比現(xiàn)狀提高約10%-15%。同時(shí)，可選用瓜子片、煤灰渣等替代部分介質(zhì)層，能適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)層滲水、過(guò)濾和污染物凈化能力。在植物配置方面，結(jié)合青島本地氣候條件，雨水花園中的植物宜優(yōu)先選擇耐淹、抗旱且有一定污染物凈化能力的植物，如鳶尾、馬藺、千屈菜等。