沈阳市雨水花园设计的关键参数及影响因子研究

2018-05-14张广新宋扬石平

安徽农业科学 2018年20期

张广新宋扬石平

摘要雨水花园可以有效控制径流污染，削减径流流量，是海绵城市建设中最为重要而有效的处理措施。以沈阳市为例，因地制宜，从设施面积、组成构造等方面分析了雨水花园设计中的关键参数和影响因子。关键设计参数为蓄水层高度、种植土层结构、填料组成和深度及砾石层结构，影响因素主要为沈阳市降雨特点、植物品种、土壤渗透系数、雨水花园面积率。以沈阳市某居住小区为例，运用水量平衡分析方法设计雨水花园，根据建筑给水排水设计规范，计算得出小区内屋顶、道路、绿地的雨水径流量及小区所需雨水花园总面积，为雨水花园在东北寒地范围内的推广应用提供重要的数据支撑。

关键词雨水花园；影响因子；关键参数；雨水径流量；沈阳市

中图分类号 S731.2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）20-0167-04

Abstract Rain garden as an important facility in the sponge city development，can effectively control runoff pollution，substantially reduce runoff volumes and peak flows.The key parameters and impact factor in the design of rain gardens were analyzed from aspects of facilities areas，structure and composition combined with different application conditions of Shenyang.The important parameters are：waterretaining layer，planting layer structure，filling layer，gravel layer foundation.And different rainfall conditions，plant breeds，infiltration coefficient of soil，area percentage in Shenyang are the impact factors.Based on the method of water balance analysis，a case study of rain garden in residential area of Shenyang was discussed.According to the Code for architectural water supplydrainage design，the theory and practice of a computing process on urban rainfall runoff volumes of roof，roads and green spaces and total areas of rain garden was put forward，which would provide a fundamental idea for the design and application of rain garden in Northeastern China.

Key words Rain garden；Impact factor；Key parameters；Rainfall runoff；Shenyang City

在快速城市化过程中，城市迅速扩张，人口和汽车数量急剧增加，城市水系、绿地质量急剧下降。尤其是城市化对水环境的影响越来越大，大量的建筑物、不透水道路的增加，绿地面积的锐减，增加了雨水径流的总量和速度以及城市洪水发生的频率，缩短了雨洪峰值到来的时间。

雨水花园，作为一种分散式的雨洪控制与利用措施，可在较短时间内排空集水区域内地表径流，具有适应范围广、占地少、建造及养护费用低、运行管理简单、生态环保、自然美观、易与场地环境结合等显著性特点，对改善和优化场地的综合环境质量具有极为重要的现实意义[1]。在美国、澳大利亚、新西兰以及欧洲等发达国家和地区已经得到广泛应用，但目前在我国应用并不多。

目前，沈阳市拟申报国家海绵城市建设试点，但市内运用雨水花园相关技术的绿地严重缺失，已建成的雨水花园数量寥寥无几，效果仍待检验。况且寒地城市的海绵城市建设相对南方城市来讲更加困难，如恶劣的气候条件，水资源时空分布严重不均，关键技术的严重缺乏等。可以借鉴的雨水花园建成案例与沈阳气候地理条件差异较大，缺乏充足的相关实证案例和数据支持，尤其是关于雨水花园建设各方面的定量分析和关键技术研究严重不足，诸多问题亟待解决。

笔者在分析雨水花园基本构造和设计原理的基础上，采用完全水量平衡分析的设计方法，并根据沈阳市的气候环境特点探讨了雨水花园在沈阳应用存在的问题，对其关键设计参数及影响因子进行了讨论，合理确定其构造、面积、深度、进出水口等，解决关键技术难题，以期为雨水花园在东北地区范围内的推广应用提供借鉴。

1 雨水花园的选址及构造设计要点

1.1 选址建造场地应当充分考虑周边环境条件，综合区域优势来选择，需要考虑以下几点：

①为避免雨水浸泡地基，雨水花园的边线距离建筑基础至少3 m；

②不能建在地下水位过高的位置，不能建在靠近供水系统的地方或是水井周围；

③尽量不要建在林下，以免遮挡阳光，让雨水花园能直接接受到全日照；

④为减少土方量，应建在相对较平坦的地方；⑤尽量建在雨水易汇集的区域，但不宜建在土壤渗透性差的地方或經常积水的低洼地[2-4]。

1.2 构造设计

雨水花园的构造主要由5个部分组成，由上到下依次为：蓄水层、覆盖层、植被及种植土层、人工填料层、砂滤层及砾石垫层[5]（如图 1 所示）。其中，在填料层和砾石层之间可以铺设一层砂层或土工布。根据雨水花园与周边建筑物的距离和环境条件，可分为渗透型和蓄水型雨水花园，因此其内部构造可以采用防渗或不防渗2种做法。当有回用要求或要排入水体时还可以在砾石层中埋置集水穿孔管，将雨水排入水体或市政管道。

1.2.1 蓄水层设计。

蓄水层的高度，即为雨水花园技术型绿地的积水深度，一般为100～300 mm。积水时间不宜过长，否则植物生长受到影响，又易滋生蚊蝇。暴雨只是暂时储存在这一层里，积水须在 24 h 内排干，然后通过各个层次逐渐向下渗透[6]。部分沉淀物在此层沉淀，进而促使附着在沉淀物上的有机物和金属离子得以去除，达到净化的目的。但是在雨水花园技术型绿地设计工作中，需要注意的是，蓄水层的顶部应设置溢水口（图 2），以便于过多的雨水通过溢水口排入其他排水系统，以免植物浸水深度过深。结合沈阳市目前海绵城市建设状况来看，规划还需结合场地地势设置雨水花园技术型绿地入水口，以保证雨水迅速便捷地汇入绿地内，保证雨水行进路径畅通（图 3、4）。

1.2.2 覆盖层设计。

覆盖层位于雨水花园的最顶层，选用树皮、树叶、碎木片等软质材料进行覆盖，深度一般为 50～80 cm。在树皮土壤界面上营造了一个湿润的微生物环境，可以保持土壤的湿度，滞留雨水；避免土壤板结，提高渗透性能；减少径流雨水侵蚀，保护微生物栖息环境。图5、6是以碎木片作为覆盖材料，底层木片因雨水长期浸泡易腐烂，变成肥料；上层每年可以再补充新的碎木片，极耐踩踏；又因碎木片本身比锯末等材料密度大，不易扬尘，一举多得。

1.2.3 种植土层设计。

种植土层，一是具有较好的过滤与吸附作用，土壤微生物和植物根系能够吸附雨水中的杂质、沉淀物；二是为植物根系吸收以及微生物降解碳氢化合物、金属离子、营养物和其他污染物创造良好的生态条件。种植土层一般选用渗透系数较大的砂质土壤，其中砂子含量为60%～85%，有机成分含量为5%～10%，黏土含量不超过5%。种植土层厚度一般根据植物类型来确定，植被一般为草本植物与灌木，有的也会种植乔木。若为花卉与草本，厚度一般为 30～50 cm；灌木，厚度一般为50～80 cm；乔木，厚度一般为1 m 以上。

1.2.4 植物品种选择。

目前，市区内雨污合流，暴雨径流裹挟大量污染物，如悬浮物含量（SS）、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、微生物以及重金属等。通过排水系统直接进入城市河道，直接危害水生生物的生存和城市生态系统的安全。与其他城市相比，沈阳屋面径流中总悬浮物含量（TSS）、TN、TP和COD较少，但却有一定的重金属污染；路面径流中TSS和TP的浓度较高，但TN和COD的浓度较低，且重金属中 Pb、Cr、Cu和Zn的污染较为严重[7]。

因此，尽量选择多年生的乡土植物品种；尽量选择四季性和根系发达的植物；尽量选择在水中浸泡 48 h仍能存活且耐旱的植物。沈阳地区可参考植物品种如下：①在滨水地区，生长势强的乡土多年生地被，有拂子茅、芒草、蒲苇、水苏、野豌豆等[8]。②蛇鞭菊，也是多年生草本，耐寒，耐水湿，耐贫瘠，喜阳光，要求疏松肥沃湿润土[9]。宜群植于管理粗放地带，地势低洼或水道边更佳。③马莲，乡土植物，喜光，耐阴、耐寒、耐涝、耐高温，耐干旱、盐碱、瘠薄，耐污染、耐践踏；根系极其发达，入土深度可达 1 m 以上，须根呈伞状分布，并且在恶劣环境条件下，会自动调节地上与地下部分的比例，使地上部分变矮，根系更加发达，因而具有极强的抗逆性和适应性，以及极强的水土保持能力[10]。此外，还耐重盐碱，在含盐量达 0.27%、pH 7.9～8.8 时仍能正常生长，并且开花结实。④杨和柳，镉富集能力强，在土壤镉平均含量4.56 mg/kg的情况下，每年地上部至少可以累积20.20 mg/m2（杨）和32.68 mg/m2（柳）的镉，分别占表层土壤总镉量的1.64%、2.66%，是目前适于张士灌区污染土壤修复较为理想的植物种类[11]。⑤菖蒲、雨久花、千屈菜、慈菇对富营养化水体中磷的去除效果最明显，是净化能力较强的优秀水生物种，在应用中可作为主要植物材料[12]。⑥茼麻对Pb的吸收和富集能力较强；小白酒花、三裂叶豚草、酸模叶蓼、茼麻、龙葵、绿珠藜和菊芋对Zn的吸收和富集效果较好；绿珠藜和茼麻对Cu的吸收和富集能力较强；向地上部吸收和富集Cd的能力较强的植物有龙葵、绿珠藜、茼麻、酸模叶蓼和小白酒花[13]。这些植物向地上部转移某些重金属的能力很强，在一定意义上可用于植物提取方式的污染土壤修复。⑦沈阳市屋顶花园绿化植物品种。草本花卉：天竺葵、球根秋海棠、风信子、郁金香、金盏菊、石竹、一串红、鸢尾、芍药、葱兰等。草坪及地被植物：卧茎景天、佛甲草等景天科地被植物。开花灌木、矮生乔木：爬地柏、侧柏、龙爪槐、大叶黄杨、女贞、紫叶小檗、西府海棠、樱花、紫叶李、玫瑰等。爬蔓攀援植物：常春藤、小叶扶芳藤、野葡萄等[14]。

1.2.5 人工填料层设计。人工填料层位于种植土层的下方，与种植土层不同的是，一般选用渗透性较强的天然或人工材料，如炉渣、砾石等，其主要目的是便于雨水下渗。

填料层的厚度，依当地的降雨特性、雨水花园的服务面积而定，一般设计深度为0.5～1.2 m。具体依污染物类型选择，则为重金属、TN、TP、热污染为目标污染物时，最小设计深度分别为0.45、0.76、0.61、0.91 m。厚度不同会直接影响到雨量削减效果和污染物的去除效果[15]。

填料层的组分，对渗透速率有直接的影响，当选用砂质壤土时，其主要成分同种植土层；当选用炉渣或砾石时，其渗透系数一般不小于10-5 m/s，即36 mm/h。初始渗透速率是雨水花园设计的重要参数，长期运行后渗透速率为初始速率的50%左右[3]。渗透速率越大，径流停留时间越短，雨水花园对污染处理效果越不佳。渗透速率越小，處理能力越小，更易造成底层的堵塞。所以对于初始渗透速率的把握尤为重要。

1.2.6 砂滤层及砾石层设计。

通常在填料层和砾石层之间设置一层150 mm厚的砂滤层，以防止土壤颗粒堵塞砾石层中的穿孔管，还具有通风换气的效果；也可以简单地在二者之间铺上一层土工布，但极易堵塞。砾石层位于最底层，由直径不超过 50 mm的砾石组成，厚度一般为 200～300 mm。通常在其中铺设直径为100 mm 的穿孔管，将净化雨水由穿孔管收集输送至蓄水池等蓄积系统或邻近的河流以及其他排放系统。若没有雨水回收利用之需，砾石层则采用渗透性做法，继续渗滤降水以回补地下水。

2 雨水径流量及雨水花园面积计算分析

沈阳市年均降水量607.3～796.7 mm，降水主要集中在7—8月[16]。一进入汛期，强对流等极端天气就比较频繁，而且呈现分布极其不均的现象。当短时间降水量比较大时，市内就会出现不同程度的积水情况，当然这也是当初城市规划时的遗留问题，一般市内路面1 h内降雨超过20 mm就可能积水，目前全国各个城市的排水能力都不足。降水是产生地表径流和补给地下水的主要来源。近年来，受自然环境和大气环流影响，沈阳地区水旱灾害发生频繁。据调查，沈阳市的年平均降水量总体呈下降趋势，年际变化较大，且分配不均，并呈现出周期性。

雨水花园主要用于处理道路、屋面、停车场和庭院的地表径流，可以有效控制径流水质，减少污染；削减径流水量，减少城市化对原有水文条件的影响；可以回补地下水、涵养水源，给城市用水提供新的水资源。此外，还具有调节城市小气候、增加城市水面面积、提高城市绿地量等重要的生态学意义。沈阳地区雨水花园的研究希望将城市的雨水利用技术与控制雨水径流污染和改善城市生态环境相结合，因地制宜，为城市环境的可持续发展和低碳建设提供强有力的科学依据。

2.1 雨水径流量计算分析

以沈阳市某居住小区为例，小区内雨水资源收集利用主要来源于屋顶汇流、道路广场径流、绿地径流 3种途径，结合沈阳市的实际气候条件，计算该小区4—10月间的雨水径流量。沈阳市全年月平均降雨量見表1。

根据表3可以得出，该居住小区在4—10月间，8月雨水总径流量最大，为4 632.897 m3；10月雨水总径流量最小，只有918.858 m3。3种径流中，绿地总径流量为565.588 m3，道路广场总径流量为5 578.406 m3，屋顶总径流量为9 136.846 m3。其中，道路广场总径流量占总径流量的比率为36.51%，屋顶总径流量占总径流量的比率为59.79%，已经超过了50%，因此屋顶花园或宅旁雨水花园的建设显得尤为重要。另外，7、8月雨水集中，降雨量大，2个月的径流量占总径流量的60.13%，因此在这2个月期间开展对雨水的收集利用显得尤为重要。

2.2 雨水花园面积计算分析

设施面积、蓄水层深度、填料组成和深度、渗透速率是雨水花园的主要设计参数。雨水花园的规格不得小于汇水面积的 2%，通常按汇水区域不透水面积的 5%～7% 来估算，一般最小面积为12.2 ×4.6 m2[18-19]。沈阳市雨水径流存在污染状况，因此在选择雨水花园的建造模式时，要考虑控制径流污染、削减径流流量和峰值流量这些方面的需求，优先选用渗滤速率较大（K值不小于10-5m/s）、净化效果较好的人工材料。既解决了平日低强度降雨产生的径流，又满足强降雨的蓄水要求，采取包括渗滤和滞留在内的完全水量平衡法计算雨水花园面积，通常以 24 h 最大降雨量 100 mm 的降雨为标准进行计算。

通过计算得知，该居住小区所需雨水花园总面积2 266.73 m2，符合达到不透水面积的5%～7% 的估算值，可以满足小区在较强降雨情况下区域内部道路及绿地雨水的蓄渗，占总绿地总面积的 31.05%，对现有有限的绿地提出了更高要求。

3 结论

（1）沈阳市降水主要集中在7—8月，易涝；1—2月降雨量又极低，易旱。因此雨水的收集利用尤为重要，可以考虑回补地下水，同时这样的降水特点也对雨水花园内适生植物提出了更高要求，至少要耐寒、耐涝、耐旱能力极强。

（2）沈阳市屋面径流和路面径流中重金属 Pb、Cr、Cu和Zn的污染都较为严重，因此雨水花园的植物配置工程中植物品种的选择尤为重要，可以考虑重金属超累积植物。

（3）雨水花园的主要设计参数为蓄水层高度，种植土层结构、填料组成和深度以及砾石层结构；影响因素主要为沈阳市降雨特点、植物品种、土壤渗透系数，雨水花园面积率。这些参数的确定可为雨水花园的结构建造与合理设计提供重要的数据支撑。

（4）定量分析小区内屋顶、道路、绿地的雨水径流量，为雨水收集利用提供科学依据；分析计算小区所需雨水花园总面积以及与绿地的面积比，为提高绿地率及雨水花园规模确定提供重要的参考。

（5）因地制宜，节约土地，避免大开大挖。在沈阳市现有绿地当中寻求合理的方式设计建造雨水花园，解决关键技术难题，充分挖掘现有绿地资源的潜力，探索城市绿地系统中雨水花园的建造方法，实现城市雨水的有效综合利用，解决城市内涝与干旱问题，完善城市水生生态系统，力争沈阳市早日进入海绵城市建设试点行列。

参考文献

[1] 王建军，李田.雨水花园设计要点及其在上海市的应用探讨[J].环境科学与技术，2013， 36（7）：164-167.

[2] 张钢.雨水花园设计研究[D].北京：北京林业大学，2010.

[3] 杨丽萍.城市雨水花园施工技术与植物配置[J].建筑工程技术与设计，2014（14）：883.

[4] 李朱婧，周建华，葛煜喆.雨水花园在步行街的选址与空间形态研究[J].西南师范大学学报（自然科学版）， 2015，40（5）：164-170.