基于海绵城市建设理念的雨水花园设计综述

孙程贵，吕伟娅，殷宝剑

(南京工业大学城市建设学院，江苏南京 210003)

城市化的快速发展使得能够涵养水源的湿地和草地被大量的硬化地面所代替，城区降雨迅速产流、汇流，并通过排水管网直接被排走[1]。这种快排式的雨水处理方式，不仅造成了城市雨水资源的浪费，加重了雨水管网的负荷，更是近年来城市“看海”现象的主要原因。同时初期雨水的冲刷，使得雨水中含有大量的污染物，未经处理的雨水直接排入河流造成的雨水面源污染逐渐成为城市水环境的第二大污染源。

自习近平主席在2013年12月中央城镇化工作会议上提出 “建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”的理念，“低影响开发理念”、“绿色雨水基础设施”的观念逐渐为人们所熟知，海绵城市建设进入井喷期。雨水花园作为绿色雨水基础设施的重要组成部分，因其具有控制洪峰流量、延缓洪峰时间、减轻面源污染、美化环境的优点而被广泛使用。

1 雨水花园的定义与分类

“雨水花园”是指在地势较低区域种有各种灌木、花草以及树木等植物的专类工程设施[2]，能够减少地表径流并补充地下水，缓解水资源危机，可以通过吸附、过滤、降解等作用处理雨水径流，减少面源污染。在我国一般比较适用于低密度公寓或别墅区以及建筑庭院，也可建造在公园、广场、道路周边等空间，用来收集建筑屋面、停车场、广场及道路等不透水区域的径流[3]。

根据雨水花园是否在底部做防渗、是否埋设穿孔管，雨水花园又分为自然入渗式和外排式。自然入渗式雨水花园底部不做防渗，无穿孔管，滞留的雨水主要通过蒸发和下渗作用进行排空，由于其下渗和储存能力有限，设计径流量不易过大，适合分散运用在公园里或别墅边。外排式雨水花园正好相反，其底部包有防渗膜，并埋设穿孔管，收集的雨水通过管道外排至雨水回用井或河道，适合运用在小区、停车场、道路等空间。因此外排式雨水花园的设计径流量要大于自然入渗式，同时基质的渗透系数和雨水径流的处理要求也更高。

2 雨水花园的设计建造

2.1 选址

选址对于雨水花园的建造是十分重要的，合理利用地形，可以减少施工量，降低成本。选址可遵循如下原则：

(1) 雨水花园建造地点应该是在地势比较低但没有长期积水的地带或雨水径流可以流经的区域;

(2) 雨水花园与建筑应该保持至少3 m远的距离，避免渗水影响建筑地基造成安全隐患;

(3) 雨水花园适合设置在经常能够被阳光照射的地方。

2.2 深度与坡度

雨水花园汇集雨水需要具备一定的坡度，并且沿着坡向设计汇水线，将雨水有效地引入雨水花园。合适的坡度有利于雨水植物、土壤等充分接触，达到净化的目的。罗红梅等[4]认为雨水花园的地面坡度应≤12%,深度建议为15 cm左右,具体如表1所示。

表1 雨水花园的深度与坡度Tab.1 Depth and Slope of Rainwater Garden

2.3 设计方法

目前国外常用3种方法进行雨水花园设计，主要包括基于达西定律的渗滤法、蓄水层有效容积法和基于汇水面积的比例估算法。基于达西定律的渗滤法主要依据雨水花园自身的渗透能力和达西定律而设计，忽略了雨水花园构造空隙的储水量。蓄水层有效容积法主要利用雨水花园蓄水层滞留雨水，但未考虑雨水花园的渗透能力和空隙储水能力。基于汇水面积的比例估算法，推荐面积一般为汇水面积的5%～10%，但精度不高。向璐璐等[5]综合考虑雨水花园的蓄水能力、土壤渗透能力等提出了更精确的完全水量平衡法。雨水花园表面积的计算公式如式(1)。

(1)

其中：Af—雨水花园的面积，m2；

Ad—汇流面积，m2；

H—设计降雨量，m；

φ—径流系数；

df—雨水花园的深度，m；

K—土壤的渗透系数，m/s；

T—计算时段，min，取一场典型的短历时降雨为12 min；

h—蓄水层设计平均水深，m；

hm—最大蓄水高度，m；

fv—植物横截面积占蓄水层表面积的百分比，一般为20%；

n—种植土和填料层的平均空隙率，一般取0.3左右。

3 雨水花园基质层研究

雨水花园的构造从上到下一般由蓄水层、覆盖层、植被及种植土层、人工填料层和砾石排水层5部分组成。

图1 雨水花园构造图Fig.1 Structural Diagram of Rainwater Garden

基质是生物滞留系统的重要部分，因为基质不仅吸附污染物，还为污染物的降解提供电子供体，为细菌的增殖提供表面积，因此种植土层和人工填料层统称为基质层。现阶段对于基质层的研究主要分为三种：天然原状土、种植土+人工填料、混合基质。

合适的基质层应该具有较好的渗透系数和雨水处理效果，而且具有成本低的特点。早期生物滞留设计手册推荐选用高渗透率的天然土壤，认为壤质砂土、砂质壤土、壤土(最小吸水率分别为51、25、13 mm/h)是生物滞留系统的最佳土壤类型[6]。唐双成等[7]在陕西省西安市某高校内进行原状黄土对于氮磷的去除试验，该雨水花园基质层为60 cm黄土，结果显示，雨水花园对颗粒态总磷的浓度去除率为40.1%，颗粒态总氮的浓度去除率为44.8%；系统对于溶解态的氮、磷几乎没有去除能力。

由于不同地区土壤性质不同，渗透系数差别很大，大面积换土变得不切实际，于是开始使用种植土+人工填料构成的分层式基质层。李俊奇等[8]在北京建造了基质层为25 cm种植土+100 cm沙子的雨水花园，用于收集处理屋面径流。研究表明：该雨水花园对TSS、色度和浊度的去除率较高(> 90%)，对COD的去除效果也较为明显,去除率为35%～96.2%，TN也有一定的去除效果，去除率为22%～45.4%。李鹏等[9]在西北水资源与环境生态教育部重点实验室的露天试验场，对基质层为30 cm种植+25 cm～45 cm人工填料的滞留池进行试验，人工填料分别为粉煤灰、高炉渣、沸石。不同影响因素的多水平正交试验表明：以粉煤灰为填料、厚度为 45 cm的滞留槽去除污染物的综合效果最优。蒋沂孜[10]试验的基质层为22.5 cm种植土+2.5 cm人工填料，填料分别为砾石、石英砂、沸石、活性炭、炉渣。试验结果表明：雨水花园对 SS和TP有较稳定的去除效果，去除率分别在90%和80%以上；炉渣对于COD去除最好；沸石和活性炭对于TN去除最优，去除率可达77%以上；综合比较五组不同填料的雨水花园处理能力，从大到小依次为沸石、活性炭、炉渣、石英砂、砾石。

分层式基质固然具有良好的渗透性和较高的污染物处理效果，但是大量的人工填料使用必然使得成本提高，而且为了满足植物根系的生长，土壤层的厚度会增加，这就增加了雨水花园的开挖深度，对于地下水浅的地区，会造成地下水回灌和污染的问题。因此，现在的设计中推荐使用以土壤为基底、含一定有机质或矿物质的混合基质，其兼具土壤层与填料层的功能，不仅能够提供植物生长的必要条件，还具有良好的处理效果，同时减少了开挖深度。如马里兰州推荐使用砂、表层土、有机质(木屑、树叶堆肥)比例为5∶3∶2的混合基质。特拉华州推荐使用等体积的砂、泥炭、有机物混合基质。澳大利亚莫纳什大学生物滞留技术推广协会推荐使用砂壤土，添加3%～5%的有机质，同时可添加10%～20%的矿物质。国内学者，如胡爱兵等[11]通过模拟柱试验认为5%～10%营养土、30%～25%的壤质土、65%砂对雨水径流中氨氮、TN、TP、COD和SS的去除效果较好。高晓丽[6]通过多种填料组合试验推荐使用30%壤土、40%砂、15%珍珠岩、15%蛭石。王建军等[12]则认为65%建筑黄沙、25%土壤、5%木屑、5%给水厂污泥能够满足雨水花园的要求。邓文珊等[13]推荐使用50%管道沉砂、45%土壤和5%木屑的混合基质。

4 污染物去除机理

4.1 道路雨水径流水质特点

城市雨水径流包括屋面径流、绿地径流、道路径流等。相较于其他下垫面，道路雨水径流污染程度较高，而且污染物浓度变化幅度大、可生化性低、来源广泛、随机性强，同时具有点源和面源的双重污染特性。研究表明，轮胎磨损、防冻剂使用、车辆泄漏、杀虫剂和肥料的使用以及丢弃的废物等是雨水径流中污染物的主要来源[14]。污染物成分主要包括有机质、氮、磷、金属、油类及其他化合物等。

4.2 雨水花园对于污染物的去除机理

雨水花园主要用于收集城市的雨水径流，然后通过土壤、微生物、植物、填料等物理、化学和生物的综合作用净化雨水，其中包括过滤沉淀、物理吸附、离子交换化学吸附、微生物吸收转化与降解、植物同化吸收、挥发、蒸发等。

TSS是城市雨水径流中的主要污染物，通常TSS 含量较高表明雨水径流中有机物、氮磷和其他特殊性物质含量较高，因此TSS的去除是雨水花园的研究重点。通常情况下，运行稳定的生物滞留系统通过沉淀和过滤作用能有效去除TSS。Hsieh等[15]进行模拟柱试验，发现系统刚开始运行时，SS去除率较低，有沉淀物淋洗出来，但是最终TSS的去除率较高，为91%。

径流雨水中存在的有机污染物主要包括油脂、橡胶、农药和新型污染物(如表面活性剂)等。去除机理主要包括土壤过滤、基质吸附、生物降解和植物吸收，其中吸附是最主要的作用。Hong等[18]研究了生物滞留去除油脂类的作用机理，发现覆盖层可以吸附截留进水中83%～97%的油脂类物质，并在3～10 d内完全降解。此外，植物对有机污染物的去除也有作用，有研究指出，种植植物的生物滞留设施对碳氢化合物的生物降解速率是没有种植植物系统的2倍[19]。

雨水径流中的重金属主要通过沉淀、过滤、吸附以及植物吸收作用去除，致病菌主要通过填料的过滤去除。Sun等[20]通过实验室模拟分析了生物滞留设施内重金属的迁移过程，发现进水中的重金属总量有0.5%～3.3%被植物吸收积累，约88%～97%的重金属被填料截留和吸附。Rusciano等[21]通过圆柱试验观测了进出水中大肠杆菌群的数量变化，发现通过基质的过滤，大肠杆菌群的去除率达91.6%。

5 雨水花园水文效应

雨水花园是海绵城市构建过程中最基本、最适用的低影响设施技术之一，其功能之一是发挥雨洪管控。雨水花园从上至下包括蓄水层、基质层和排水层，蓄水层可以短暂滞留雨水，多余的雨水从溢流口流出，基质层由于具有间隙可以储蓄和吸收一部分雨水，滞留的水量可以通过蒸发和植物蒸腾作用消耗，排水层的排出管一般高于底部，所以排出管下方的空间又可以储存部分雨水，因此通过雨水花园对雨水径流的蓄滞和下渗，城市的雨水径流量和洪峰流量都得以得到削减。唐双成等[22]监测了基质层为种植土+沙子的分层基质和基质层为均质黄土的两种雨水花园对雨水径流总量和洪峰的削减效果，结果表明：在2年的监测期内，分层填料雨水花园对14场降雨的水量削减为2%～85.9%，平均为44.3%，径流峰值削减为11.2%～93.3%，平均为55.8%；均质黄土填料的花园水量削减为9.8%～79.8%，平均为39.2%，峰值削减为20.3%～89.8%，平均为50.5%。李家科等[23]以西安市某片区降雨径流及其污染为研究对象，构建暴雨雨水管理模型(SWMM)，模拟不同重现期下研究区域有无雨水花园调控时的水量及水质状况。结果表明，设置面积比例约为2%时，在2年一遇至20年一遇的降水条件下，洪峰流量迟滞时间为5～7 min，径流总量削减率为 25.69%～42.02%。颜乐等[24]以济南某停车场为研究区域，运用SWMM软件模拟了不同重现期的降雨径流情况，分析了不同影响因子对于生物滞留池的调控性能。结果表明，生物滞留池能够削减洪峰，延迟洪峰出现时间，重现期越短，效果越明显。土壤厚度越大、贮存高度越大、根区土壤的饱和入渗速率越大，入渗量越大。臧洋飞等[25]通过室内人工模拟控制试验，运用正交试验方法模拟基质层为种植土+填料的雨水花园对于降雨径流水文特征的影响，结果表明，以沸石作为填料层填料，厚度为30～50 cm，对出流洪峰延迟时间最长为49 min，对径流总削减率为43%，径流渗透率为70 m/d。

6 案例介绍

光明新区[10]位于深圳西部，总面积为156.1 km2，人口约80万。光明新区为全国首个绿色建筑示范区，并在2010年，确定为创国家低碳生态示范实验区。在此背景下，设计了道路绿化带雨水花园设施工程，工程范围包括公园路、高新路和三十一号路三条道路。设计方案为将三条道路的绿化带设计为雨水花园，雨水花园结构如表2所示。

表2 雨水花园结构设计Tab.2 Structure Design of Rainwater Garden

雨水花园建成后，对其运行效果进行监测。在一次降雨强度为10.6 mm/h的降雨中，发现道路雨水径流峰值相较于雨水花园未建成之前滞后了15.5 min，峰值降低了30.4%，年径流总量控制率达到85%。在对道路雨水进入雨水花园前和经过雨水花园处理后的水质进行检测，发现径流污染物中SS、COD、TN、TP、氨氮的去除率分别为90.0%、76.8%、76.0%、74.7%、89.8%，处理后SS、COD、TN、TP、氨氮的出水浓度分别为13.4、19.5、0.05、0.3、0.1 mg/L，达到了地表水水质标准Ⅲ类。

图2 采样路段Fig.2 Sampling Section

7 结语

雨水花园是一种新型的雨水滞留技术，通过蓄水滞水，能够消减径流总量和洪峰流量，缓解市政管网的压力，其具体消减率与基质层所用填料、降雨规律及降雨量有关。一般基质层空隙大、吸附能力强、降雨量小时，其对径流总量和洪峰流量的消减率就变大。同时，雨水花园通过基质层的过滤、吸附及沉淀作用，以及植物和微生物的吸收及降解作用，达到净化雨水径流、缓解面源污染的作用。通常情况下合理稳定运行雨水花园对径流总量的消减为9.8%～85.9%，对洪峰流量的消减为11.2%～93.3%，对SS的去除率可达80%以上，COD达50%以上，TN比较不稳定，一般平均在30%以上，TP和氨氮可达60%以上。