城市公园雨水利用技术研究进展

张丽宏，刘艳红，王思瑶

（1山西农业大学林学院，山西晋中030801；2山西农业大学城乡建设学院，山西晋中030801）

0 引言

近年来，国内很多城市频繁遭受暴雨袭击，出现“城市看海”、“街上游泳”、“路边捉鱼”、“汽车变船”、“地库泡水”等现象。一方面，由于暴雨频发和有限的排水系统，城市饱受内涝之困，当地经济发展受到了不同程度的负面影响，最重要的是给市民出行带来极大不便，甚至威胁到生命安全。内涝灾害也造成河流湖泊污染严重，难以有效治理和恢复。另一方面，城市用水短缺已成为制约城市长期发展的短板之一。在水资源紧缺的条件下，城市园林绿地作为城市用水的客观主体，每年都需要通过大量的浇灌才能够满足园林绿地的生长需求。国内外大量文献表明，城市公园具有雨水资源管理、净化和再利用等多重功能，对解决城市雨水问题至关重要。目前已有很多学者对城市公园雨水利用进行了局部的探索和研究，但并未受到足够重视。实际管理中，仍有很多城市公园忽视了对雨水资源的利用。部分城市公园雨水直接由市政排水管网排出，这样不仅增加了市政排水管道的压力，浪费大量的雨水资源，而且容易引发严重的洪涝灾害，产生径流污染。

笔者从城市公园内的铺地、绿地、水景、建筑等基本要素入手来研究城市公园的雨水利用技术。并且依据该分类方法对城市公园雨水利用技术的概念、功能、应用范围和国内外的研究进展进行归纳分析。以期通过上述内容的综述，为进一步开展城市公园雨水利用研究工作的学者们提供一定的参考，为城市公园建设提供重要依据。

1 城市公园雨水利用技术

1.1 概述

城市公园内收集利用雨水是通过采用一定的技术手段和工程措施完成的。收集到的雨水经储存净化后可以直接使用，也可以借助城市公园内的池塘、湿地、下凹绿地等自然或者人工水体对雨水径流进行合理地调蓄和净化，或通过渗透设施补充地下水源[1]。20世纪六七十年代，国外的很多国家就开始研究城市雨水的收集、储存和净化技术。其中包括日本[2]、德国[3-4]、美国[5]、英国[6]等，这些国家大力修建蓄水池和地下蓄水系统用于雨水收集，或者通过软化技术处理一些硬质的市政设施，如嵌草砖和透水铺装的运用，增加雨水的入渗。因此，目前国内城市绿地雨水利用技术主要包括雨水集蓄利用和雨水渗透[7]。

1.2 研究的意义

城市公园对雨水的合理有效利用，是减少城市洪涝灾害、缓解城市水资源短缺的重要方法。同时，政府及相关的管理部门通过这一方法因地制宜，对雨水进行科学调控和管理，将会产生广泛的环境效益、经济效益和社会效益，促进城市的可持续发展。

2 城市公园雨水利用技术研究

2.1 结合铺地的雨水利用

城市公园中铺装作为重要组成要素，是进行雨水收集利用的关键环节[8]。由于面积较大且雨水集中较快，使得铺地成为主要的雨水汇集面。而且当雨水径流流过铺地时，容易与铺地上的灰尘等污染物结合，产生径流污染。刘扬亮[9]主要从透水铺地和非透水铺地2个方面进行了公园内铺地的雨水利用探索，其中，透水铺地是通过雨水入渗和雨水收集来达到利用雨水的目的，不透水铺地是通过雨水收集和雨水引流措施来进行雨水利用。

2.1.1 透水铺地的雨水利用 所谓透水铺地就是指雨水透过铺装直接渗入地下，并还原成地下水的人工铺筑的地面[10]。根据国外已有的研究得出，渗透地面的成本比传统的不透水地面成本要高出10%左右，但是利用渗透地面可以减少地表径流量，延长地面集流时间从而缩短雨水管道长度、缩减管径，因此利用渗透地面的雨水系统的总投资比不透水地面减少12%～38%，同时能够产生较大的环境及社会效益[11]。所以城市公园在满足功能等要求的前提下，应尽可能采用透水铺地。

早在20世纪80年代初期日本就开发和应用了透水性铺装，研究表明东京市区使用透水铺装后大大提高了雨水资源利用率[12]。陈家明[13]从铺地的面层材料、铺地的构造、竖向设计、铺装方式、使用面积等方面研究了具有生态效应的铺地环境设计方法和手段。王波等[14]系统地研究了透水铺装的构造特点及其维护和保养，为透水铺装的应用提供了借鉴。侯立柱等[15]认为透水砖铺装地面的应用极大地减少城市地面淹水频次和涝灾程度。王莱[16]在研究透水透气性材料在园林中的应用时，对透水铺地的应用类型做了分类，为透水透气性材料在园林中的应用提供了有益的参考。赵飞等[17]提出一定面积的不透水铺装产生的雨水径流能够被相等面积的透水铺装较好地消纳。位于美国华盛顿洲的High Point住宅区采用了自然开放式的雨水处理方式，其街道和停车场都使用了透水性铺装材料[18]。赖娜娜等[19]将透水铺装铺设于北京中山公园的古树下，既补充了地下水，又解决了古树的透气问题，改善了根部的生态环境。

2.1.2 不透水铺地的雨水利用 考虑到透水铺地的局限性，城市公园内不能全部使用透水铺地，必要时也需要用到不透水铺地。不透水铺地又称为硬化地面，其构造层的面层、基层都不透水，或者仅面层不透水，这类铺地方法采用地面排水的形式来处理雨水。不透水铺地可以通过雨水的收集或将铺地上的雨水引入绿地，从而实现对雨水的利用[20]。

在北京，排水系统设计规划得最科学、最周密的部分要数故宫博物院。在紫禁城中，除了有多条排水管道和支沟，古代设计者还巧妙地利用地形坡度形成地面排水，太和殿院内中间高，四边低，北高南低，水顺坡流入沟槽汇流[21]。邓卓智等[22]在研究北京奥林匹克公园雨水利用工程时指出，公园内雨水利用的一个创新点是完全不透水铺装、半透水铺装和全透水铺装相结合的雨水利用收集技术。英国诺丁汉的一个旅社将建筑物附近的地面做成蓄水地面，在车行道、停车场、小广场、人行道等地方把地面改为透水性好的地面，地面下铺设基底蓄水层，利用蓄水池来收集雨水，最后通过净化等措施将雨水用于绿地浇灌、生活杂用等[23]。

2.2 结合绿地的雨水利用

城市公园中绿地作为重要组成部分，在其经过合理的规划设计后，不但可以接纳绿地周边建筑、铺地上的雨水径流，而且还能有效利用绿地内的雨水，从而加大雨水入渗量。当今世界在城市公园的规划设计中着重强调生态性，而结合绿地的城市公园雨水利用是体现城市公园生态性的重要方面，更是必然要求。

田仲等[24]详细地研究了城市公园雨水径流后得出了城市草坪绿地降雨量、降雨强度和径流量的关系，以及不同地面条件下降雨径流的关系。王沛永[25]在研究北京地区园林绿地的雨水利用时提出，利用城市绿地储存雨水不仅可以增加汛期雨水对地下水的入渗补给，还能节约草地灌溉雨水。路毅和董艳桐[26]通过研究得出，城市绿地的雨水利用不仅能够有效解决城市绿地大量浪费水资源的现象，还能缓解城市用水的供需矛盾。关卓今等[27]通过研究得出，绿地对雨水的净化是通过其自身的生化作用、物理作用以及绿池的截获储存作用达到的。

2.2.1 下凹式绿地 下凹绿地在雨水调蓄中起着重要作用。城市公园内下凹式绿地的使用有利于周边道路或者广场上的雨水汇集进入绿地内，从而充分蓄集下渗雨水、削减洪峰流量、减轻地表径流污染，达到有效增加雨水下渗时间的目的[28]。相关研究表明，不透水铺装区的径流汇入下凹绿地后，雨水下渗效果最好[29]。

北京奥林匹克公园内的绿地规划设计全部采用的是下凹式绿地或者带增渗设施的下凹式绿地形式进行雨水利用[30]。陈闯[31]研究了蓄水池和下沉式绿地2种雨水利用措施，得出了不同的降雨水平年在不同雨水资源利用方案下的利用潜力，为城市公园雨水利用的研究提供了参考。

2.2.2 雨水花园 雨水花园是指在园林绿地的低洼区域中种植植物，这些区域通常覆盖了树皮或其他地被植物。因此，雨水花园又称作生物滞留区域(bioretention area)[32]。雨水花园不仅可以通过滞留雨水使雨水下渗，从而补充地下水，降低暴雨发生期地表径流的洪峰，而且还可以通过吸附、降解、挥发和离子交换等过程来减少污染[33]。

以下3个项目对于分析雨水花园在不同场地类型中的应用具有一定的代表性[34]。

首先位于波特兰市的塔博尔中学雨水花园是最成功的暴雨管理项目。设计师将一个不能物尽其用的沥青停车场改造成一个既有教育意义，又有艺术和生态功能的创新性雨水花园[35]。图1是塔博尔中学沥青停车场改造前后对比图。

图1 改造前的沥青场地和改造后的雨水花园

该设计的雨洪管理手段是把雨水花园原理与园林手法相结合，将场地周围不透水面上汇集的雨水引流入雨水花园中，实现雨水的就地管理。场地中的植物配置充分考虑了不同植物的颜色和纹理的搭配，同时也允许杂草在其中生长，进而减少未来频繁的养护。

其次是美国波特兰市中心的西南第12大道的绿街工程，这个工程在规划设计过程中将一个超现代的城市街区打造成一条园林化的绿色人行通道。为了避免雨水径流直接从地下水道流入城市河道，该工程对街道中的雨水径流实施就地管理[36]。图2是西南第12大道绿街工程平面图。

该设计沿街道一侧设置了4个连续的雨水收集池，每个收集池长5.4 m、宽1.5 m，通过预制混凝土板围合边界。雨季时，来自740 m2面积的雨水径流顺着下坡（2%的坡度）和现有路道牙流人雨水收集池。图3是该场地雨水收集平面示意图。图4是道牙开口引导街道径流进入雨水收集池。每一个雨水收集池同时也是种植池，其中密集地种植了平展灯心草和多花蓝果树。

最后是米勒工厂的外环境——万人工厂停车场的生态设计。由于工厂需要，设计师在场地的主体建筑周边布置了总面积为4 hm2的大型停车场。这一项目利用地形来分散引导雨水，尽量减少使用硬质排水设施。图5为场地雨水收集的剖面示意图。

图2 西南第12大道绿街工程平面图

图3 人行道雨水收集平面示意图

图4 道牙开口与雨水收集池

该场地中没有路道牙、管道和人工井等设施，在5%坡度的地形上，雨水能迅速流入周边的草地、池塘和湿地。高一级的湿地汇集的雨水达到最大蓄水量时就会溢出，流入下一级湿地，直至超出所有湿地容量，雨水才汇入场地外的河流。分布在停车场周围的湿地对于停车场范围内的雨水处理起到了关键作用。

对上述3个雨水花园项目的场地类型、属性和形态，下垫面，雨水引导方式和雨水花园形式及植被特征等加以总结和比较，具体如表1[34]所示。

由表1可以得出，小面积内向型的场地，雨水花园应设置于场地中心，雨水经排水沟和管道汇入雨水花园。如果场地为线型空间，应按场地线型，在人行道和路道牙之间布置雨水收集池，一定的道路坡度和雨水收集池闸口将雨水引流进入雨水收集池。如果是大面积外向型的场地，雨水花园多为分散式雨水滞留池，雨水也是利用场地坡度流入滞留池。雨水花园中，宜选择既耐湿又耐旱的植物，还要能过滤杂质、吸附有害物质。

2.3 结合水景的雨水利用

城市水系调蓄容量的大小是城市能否有效避免内涝的关键因素。城市公园中的水体是蓄存雨水的重要设施。目前，城市公园内常见的水景有自然水景和人造水景2种类型。其中，自然水景主要利用特有的地势或者土建结构建成的根据自然景观设计的水景[37]，例如叠水、瀑布、人工湖、溪流、泉涌等，这些自然水景在中国传统园林中比较常见；人造水景是一种将雨水利用与景观设计相结合的措施，一般用于现代园林中，如喷泉、旱喷等。人造水景技术通过人工设计的方法，充分发挥水生植物或土壤的自然净化作用，有效实现环境、经济、社会效益的和谐与统一[38]。

车伍等[39]认为将雨水利用和水量平衡分析运用于水景设计中，有利于实现在水资源日益紧缺的形势下水景建设的正常发展。王俊岭和许萍[40]对传统雨水排放管系和雨水景生态设计进行技术经济比较，发现水景生态设计虽然投资大，但充分利用了雨水资源，有不可估量的长期效益。李璇和曹磊[41]以德国城市公园为例，研究了如何将城市公园集雨措施与景观设计相结合来有效利用雨水。在这一研究中提到了城市公园雨水收集的景观要素，主要有地表明沟、透水铺装、景观洼地、景观调蓄池等。设计师们把雨水收集与景观设计巧妙结合，设计出了一个个公众喜欢并乐于参与其中的户外场所。陈睿智和陈岩峰[42]在研究成都市武侯祠景区的雨水利用时，提出了景观化雨水管理方法的优势以及用此方法进行雨水收集利用的可行性。设计师在德国的波茨坦广场结合艺术效果合理地设计了其生态水景，使广场成为充满生命活力又具有浓厚自然气息的城市开放空间[43]。王慧红[44]通过研究得出了适宜居住区的自然式人工水景的营造特点，并从水源的选择、施工技术、植物配置、地域特色等几个方面进行了论证。

图5 雨水收集剖面示意图

表1 雨水花园案例横向比较

2.3.1 人工湖的雨水利用 人工湖作为综合的雨水利用系统，既可以直接利用雨水，也能贮存雨水。通常人工湖依靠城市供水系统，或周围河流、湖泊等自然水源进行补水，导致人工湖工程投资成本高且造成水资源浪费等现象。朱晓风和鲁海平[45]认为人工湖作为生态水环境，应当通过汇集天然雨水来补充水量，这样既可以节约自来水，在晴天时还能维持一定水位。施朝阳[46]提出城市人工湖从设计阶段就应重视雨洪资源的利用，通过水质净化增加城市可用水量。

2.3.2 湿地的雨水利用 湿地是比较常见的城市公园水景。湿地具有多种特性，包括分布广泛性、类型多样性、面积差异性、淹水条件的易变性以及湿地边界的不确定性等。因此目前湿地尚无统一的、普遍认可的定义[47]，人工湿地也一样。美国Hammer[48]定义人工湿地为，为了人类的利益，设计师通过模拟自然湿地，人为设计与建造的由饱和基质、挺水植物与沉水植物、动物和水体组成的复合体。相关研究中，朱宝英等[49]对国外人工湿地雨水利用系统的设计进行了总结，并对其设计的内容和理念做了详细介绍。赵薇和张艳桥[50]通过研究得出雨水人工湿地是一种值得推广和应用的新型雨水处理技术，该技术具有投资低、好管理、适应强等特点。

2.3.3 其他水景雨水利用 城市公园为了增加公园景观内容、活跃公园气氛，设计了喷泉、瀑布、溪流、泉涌等水景。这些景观存在的最主要问题是需水量较大，处理成本高，管理维护困难等。

杨光[51]在北极寺公园中将集水池景观与周围的植物配植相结合，极大地提高了水体的生态功能和自净能力，同时构建了完善的群落结构。张孟瑜和张廷廷[52]在江苏省老年公寓水景设计中，将屋面、道路和绿地中收集的雨水，经过简单的过滤净化后用作景观水体，充分体现了节能环保的宗旨。

2.4 结合建筑的雨水利用

城市公园中，建筑作为基本构成要素对公园内雨水的收集利用至关重要。笔者主要从2个方面展开对城市公园内结合建筑的雨水利用研究，包括屋面雨水的收集和引流入渗及屋顶绿化。

屋面雨水收集利用方面，徐军红和刘舜[53]对屋面雨水的收集方案和处理工艺流程做了介绍，并且讨论了屋面雨水回收中的若干问题和设计要点，此外探讨了屋面雨水的综合利用方案。屋顶收集的雨水经过简单的过滤和净化主要用作非饮用水，包括冲厕、清洗、灌溉等日常用水工作，能够显著节约自来水资源[54]，削减城市地表径流[55]。德国柏林的Daimler Chrysler Potzdamer Platz地区，地下大型储水箱每年收集3500 m3的雨水，这些雨水来自总面积为3.23.2万m2的建筑屋顶，收集到的雨水能够占到该地区总降雨量的58%[55]；在日本，每年落在Fukuoka大型圆屋顶建筑场馆上的雨量为5.283万m3，大约有75%的雨水能够被收集利用[56]。中国早在古代就有建筑和蓄积雨水相结合的案例，例如扬州的一些老宅子建筑都建有天井，实现了雨水的“就地消化”[57]。

现代屋顶绿化一般由植被层、种植基质层、过滤层、排（蓄）水层、隔根层和防水层组成[58]。屋顶绿化可以美化环境，增加城市绿量，此外，还具有降温[59-60]、节能截流[61-62]、环保等生态功能[63-64]。徐尚玲和李海燕[65]从城市屋顶绿化的意义出发，分析了屋顶绿化与雨水回用技术，并通过实践案例论述了其可行性。刘葆华[66]对重庆市屋顶绿化雨水利用功能已经做了比较详细的阐述，通过实验分析论证了屋顶绿化对不同降雨量下的降雨吸收利用情况，并得出了夏季降雨量与蒸发量之间的关系，为屋顶绿化的雨水利用提供了分析的依据。

3 城市公园中各雨水利用技术比较分析

在城市公园内的各类雨水利用技术所对应的雨水利用目的以及各自的优劣势有所不同，而且不同区域气候条件、降雨量、地质条件等都会影响公园内的雨水利用。此外，建设用地的性质对雨水的收集利用也有很大影响。在设计时应根据具体需求因地制宜，合理选择。

如前文所述，城市公园中结合铺地的雨水利用分为2种。一种是透水铺装利用铺装孔隙使雨水入渗补充地下水，或者在铺装的透水层下铺设管网以收集雨水。另一种是在不透水铺地上设置合理的排水坡度，将雨水引流至预设的收集管道或者植被浅沟。结合铺地的雨水利用要注意保持路面清洁，保证空隙通透。城市公园中结合铺地对雨水进行收集利用，不仅减少了雨后的道路积水和地表径流、减轻了城市排水压力，使地下水得到补充，而且适用范围较广，在公园道路、广场、停车场等区域都适用。

在绿地中收集利用雨水，一方面可以将雨水引流至绿地得到过滤、净化和下渗，另一方面还可以利用绿地的渗透性，在绿地下铺设管网收集雨水。这种雨水利用技术对土壤的渗透性和绿地内的植物要求高，且占地面积较大。结合绿地的雨水利用技术不仅可以利用入渗雨水补充地下水，还可以消减洪峰量，减轻径流污染。

城市公园内的水景在雨水收集利用方面举足轻重。人工湖内水的补充有不同的方法。第一，汇水面的雨水经雨水口流入灌渠，由灌渠引流至人工湖以补充水量。第二，人工湖周边布置微地形，利用植被浅沟汇集雨水。人工湖既可以储存雨水，也可以净化雨水。人工湖和人工湿地适用于湿润地区城市公园内的滨水空间，对种植植物要求既能抗涝又能抗旱，适应水位变化。利用人工湖收集雨水充分发挥出土壤和植被的自然净化作用。但是，人工湖和人工湿地内容易造成污染物的汇集和沉积形象，影响其渗透功能，因此人工湖和人工湿地必须定期维护和管理保证其渗透性[67]。其他水景的雨水利用技术，如结合地形营造半自然水景或者通过雨水的回收实现纯人工水景等一般布置在汇水线上。总之，结合水景的雨水利用能够有效解决公园内水景的耗水问题。

建筑与雨水收集利用结合的技术主要包括2个方面，分别为收集利用屋顶的雨水和屋顶绿化。将雨水收集利用与建筑相结合不仅能够缓解城市公园遭遇大雨时雨水收集和排放的压力，还能消减洪峰量。需要注意的是，收集屋顶雨水的管道与其他管道不能共用，而且每个集雨区域的排水路径都应单独设置，以方便集水管的清理维修。此外，在设计屋顶绿化时，应考虑屋顶的承载力及所用植物根系对建筑的破坏。

表2是对各类雨水利用技术的雨水利用方式、原理、适用范围、优缺点和注意事项进行的分类规划和总结。

4 城市公园雨水利用技术研究中存在的问题及未来发展方向

将城市的“雨水”问题转变为解决城市水资源短缺的突破口，是改善城市水环境的关键环节。本研究旨在运用有效的途径与措施，实现城市公园的雨水利用。笔者参考国内外研究和城市公园雨水利用实践，分析了城市公园雨水利用技术措施的影响因素及适用条件等。

表2 城市公园雨水利用技术分析比较

续表2

目前，随着国家对海绵城市的大力推行，在城市公园内收集利用雨水循序渐进，但仍存在一些问题。首先，城市公园中透水铺地的利用较多，但是不同地区或者同一城市公园的不同功能区所铺设的透水铺装结构没有区别，这将导致铺装因气候、承载力、雨水径流等因素经常有不必要的损坏。而且在关于透水铺地的研究中，没有重视透水铺地后期管理和清洁，实际使用中很容易造成透水铺地的孔隙堵塞，进而导致不透水现象的出现。同时在城市化的环境下很难找到一块渗透率高且平坦连续的场地。其次，城市公园中利用绿地进行雨水的收集和入渗往往因土壤渗透率低再加上管理不善导致水质恶化，池底堵塞、渗透能力下降。进行雨水收集的绿地低洼处，忽略了设置排水管，雨水泛滥后容易对威胁游人安全及环境污染。另外，结合水景的雨水利用技术应因地制宜设置，否则不仅不能收集利用雨水，还会因保证水景的观赏性导致耗水问题的出现。最后，在道路雨水收集方面，需更深入地研究道路绿地布置形式的各种方式、植物配植、土壤、道路施工等工作与雨水收集和利用的联系，以便道路绿地雨水收集系统建立得更加准确、精细。

随着海面城市的提出，国内外关于城市公园雨水利用的定性研究已经深入细致，这些研究成果亟需定量化。科技的不断进步为学者提供了大量的数据和工具，便于学者建立雨水利用模型以定量研究城市雨水利用。近几年越来越多的雨水管理模型将20世纪90年代末发展起的低影响开发措施作为开发的方向，例如MOUSE、MUSIC、SLAMM、StormTac、SWMM模型等，这些模型软件成为实现开发区域规划、设计、建设以及运行管理的必要工具。此外，社会的不断发展使得人们对保护生态环境的意识越来越浓厚。为保证城市的和谐发展，收集利用雨水时不仅要体现生态性和人居环境的舒适性，还要将各种雨水利用技术有机结合，综合运用，有效解决城市雨水问题。

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