阶梯型雨水花园在山地城市海绵设计中的应用

2019-09-26陈泳帆毛伟张华廷王索

重庆建筑 2019年9期

陈泳帆，毛伟，张华廷，王索

（中机中联工程有限公司综合技术研究所，重庆 400039）

0 引言

海绵城市设计主要运用雨水花园这一典型技术，结合“渗、滞、蓄、净、用、排”等方法[1]，在常规地形区域有效地解决了雨水径流处理的难题。但由于相关知识体系尚不成熟，对于山地城市这种特殊地形条件，海绵城市中雨水花园设计仍需要进行深入的探讨与研究。目前，已有相关研究人员对山地城市与雨水花园在海绵城市设计领域进行了探索。唐晓会[2]对重庆山地城市海绵技术的应用进行了较为系统的定性分析，研究内容包括气候、城市特点、可应用的海绵城市技术措施等方面，但未对雨水花园等典型措施进行深入研究。王雪琴、王力[3]对重庆市海绵城市的建设现状进行了阐述，并列举了重庆市海绵技术运用较为成功的主要成果，但同时也未涉及雨水花园相关的研究。姚蕾[4]对非山地城市雨水花园的选址、植物选择、构造设计、计算等进行了研究，得出了平原地区雨水花园设计的合理化建议。蒋春博、李家科等[5]通过数据采集与分析，证明了雨水花园在非山地城市的雨水控制及污染物去除中的效果。

上述相关海绵技术及雨水花园均未结合山地城市海绵技术与雨水花园设计两者进行系统研究。因此，综合分析两者之间的相关性，对于指导山地城市雨水花园技术应用具有重要指导意义。本文通过对山地城市的降雨气候、地形、计算方法、类型选择进行综合性分析与对比，以便为更加清晰地指导山地城市雨水花园设计，解决其实际径流控制问题提供帮助。

1 山地城市水文特征及雨水花园设计的局限性

1.1 山地城市水文特征

首先，山地城市降雨的特点主要分为两方面进行考虑：季节性降雨特性和单场降雨特性。其一，山地城市多属于季风性湿润气候，降雨充沛；其二，单场降雨总时间较短，暴雨强度从降雨开始到达到峰值的时间较短，达到峰值后暴雨强度又迅速跌落，雨水总量主要集中在峰值周边。其次，山地城市地势特性突出，部分地区与周边区域高差较大，形成坡度较陡的坡面汇水区。这样一来，虽上游雨水停留时间较短，但下游雨水不易排走，容易形成积水；同时，由于坡度较陡，雨水在坡面上流速较快，容易引起土壤侵蚀，且下游雨水聚集时间过短，往往容易超出传统管网的排水负荷，极易形成内涝。再次，山地城市土壤蓄水层较薄，不适宜存水。因此在实际工程中，土壤的压实度较高，雨水渗透性不好，对排水管网的泄洪能力要求高[2]。加之随着快速城市化进程，越来越多硬化地面产生了过多的雨水径流，在特殊的山地地形条件下加剧了积水、内涝发生的可能性。

1.2 雨水花园设计局限性

（1）空间布局紧凑

山地城市地形高低不一，与平原城市相比，同一等高平台总体面积较小。因此在针对该地形特性进行雨水花园布置时，有时难以在同一高度平台找到布置雨水花园的对应位置，有时同一平台上布置雨水花园的面积满足不了雨水控制规模的要求。因此需在高度较低的平台上布置一层或多层阶梯型雨水花园，以打破山地城市的空间局限性。

（2）地形坡度较陡

由于山地城市地形特殊，道路及硬化地面坡度较陡，坡面长度较短，降雨历时较短，因此暴雨强度较大。在这种条件下，地面雨水在短时间内迅速汇集。与平原城市相比，山地城市雨水花园控制规模应适当增大，以应对实际雨水径流的控制要求及溢流过水能力。加之山地城市空间布局紧凑的特点，应设计阶梯型雨水花园，增大蓄水面积与溢流能力。

（3）土壤渗水能力不足

山地城市的土层较薄，且密实度较大，在降雨时雨水渗透性不强，加之城区场地地面以下的区域多为地下建筑，因此流入到雨水花园的径流应尽快排走，以免造成土壤长期浸润导致地基沉降等问题。由于山地城市雨水转输不易的特点，不同高度、不同位置的阶梯型雨水花园能够有效起到雨水转输、增加排水能力的作用。

（4）传统雨水花园规模计算的不适用性

在传统的雨水花园规模计算时，往往将雨水花园自身下垫面按绿地进行考虑。但事实上，山地城市的雨水径流在短时间内急速增大，雨水花园将迅速充满雨水。因此，雨水花园计算时应将雨水花园下垫面考虑为水面进行计算。

2 山地城市阶梯型雨水花园中应用分析

2.1 阶梯型雨水花园的主要设计形式

阶梯型雨水花园是由多个高低不同的雨水花园组合而成。其形式主要分为台阶型、错置型、重叠型三种，如图1、图2、图3所示。

图1 台阶型雨水花园

图2 错置型雨水花园

图3 重叠型雨水花园

台阶型雨水花园是指在场地坡度较大时，由多个小型雨水花园顺着场地的坡度进行平行排列的形式，其标高随着场地标高的降低而降低。台阶型雨水花园应在标高最低的雨水花园处设置溢流管，同时也可在其余小型雨水花园处设置多根溢流管，以确保其过水能力能够满足要求。错置型、重叠型雨水花园是指在场地存在较大高差，且在其服务分区内相近标高处雨水花园布置面积不够或没有空间布置雨水花园时，采用的特殊阶梯组合形式。

2.2 阶梯型雨水花园的作用

由于在地形坡度较大的情况下，普通雨水花园的坡度较大，收水时雨水容易溢出，造成场地积水。因此，布置台阶型雨水花园能够吸收较大坡度不同位置的雨水径流，防止雨水溢出。

错置型、重叠型两者，一方面能在受限空间内增大雨水径流的控制规模，有效滞留雨水、削峰减洪。另一方面，这两类滞留设施根据各自组合形式在山地海绵城市设计中具有不同的侧重点。错置型雨水花园顶部溢流管下侧的横向管道的长度可根据实际情况设计，能够解决因地形限制所产生的雨水径流转输问题。重叠型雨水花园的组合形式缩小了雨水花园形成水面时的径流总量，能够径流蓄积，节约空间。

2.3 阶梯型雨水花园的构造

阶梯型雨水花园能够通过对内部构造的设计，提升其性价比。由于大部分雨水径流污染物均存在于初期雨水中，因此，在阶梯型雨水设计时，应尽量利用上部雨水花园进行径流污染物处理，下部雨水花园进行雨水径流体积的控制。在这种条件下，上部雨水花园可按雨水花园典型构造进行设计，而下部可略微简化为下沉式花台或绿地，以节约雨水花园的建设成本，最大程度地发挥其作用。

2.4 阶梯型雨水花园防侵蚀能力

在山地城市场地坡度较大、坡面长度较短的条件下，雨水汇集时间短，径流流速较大，因此在流入雨水花园时能量较大。这容易使雨水花园内部土壤受到径流冲刷而产生侵蚀现象，致使最终溢流雨水中的土壤沉淀物较多，从而导致雨水花园种植土层破坏、雨水花园净化能力削减、溢流管堵塞等问题。解决该问题可从雨水花园的形状及设置效能设施两方面考虑。其一，各级雨水花园的设计应尽量避免宽度较小的条形，防止土层被冲出花园外。同时，应增加将径流引入雨水花园的引水设施长度，从而降低其径流总量[6]。其二，各级雨水花园应设置混凝土或卵石缓冲带等消能设施，并将径流均匀散布在雨水花园中，增加土壤的均匀下渗性及雨水花园的寿命。

3 山地城市径流规模计算法

3.1 雨水花园设计在不同降雨阶段的特性分析

雨水花园规模计算的分析主要思考两个方面。第一，径流阶段分析。根据前面对降雨趋势的分析发现，对于一场降雨，其强度从开始的少量初期降雨，经过一段时间之后迅速激增至降雨峰值，再迅速跌落至强度较小的降雨，整个过程主要有三个不同的时间段，因此受降雨影响的地面雨水径流可分为三个阶段，即初期径流、峰值径流、后期径流。第二，下垫面类型分析。在海绵城市设计中，雨水花园的规模主要根据其受降雨影响的服务区域所产生的雨水径流的大小来确定。其服务区域主要包含渗透性地面（绿地、透水铺装、绿色屋顶）和非渗透性地面（硬质铺装、硬屋面、水面）两类下垫面。初期径流时，径流体积及流量较小，污染物总量较多[7]。此时，流入雨水花园的雨水较少，大多数雨水与污染物直接渗透，雨水花园的下垫面属性与绿地相近。随着暴雨强度激增，雨水径流迅速增多，逐渐充满整个雨水花园。充满后，多余的雨水通过溢流口排走，此时雨水花园表面形成水面，径流系数显著增大。

3.2 雨水花园新径流规模计算法

目前普遍的计算方法是将雨水花园按照绿地考虑，即只考虑初期降雨过程产生的径流。这样会存在两个方面的偏差：一是初期雨水在绿地上基本能够实现完全渗透，因此径流在雨水花园上直接下渗，无法蓄积；二是在雨水径流迅速达到峰值时，雨水花园按绿地考虑将导致径流系数偏小，因此根据《低影响开发雨水系统设计标准》[6]，雨水花园规模指标“径流控制容积VT（m3）”及“设计流量QS（L/s）”计算值偏小，在实际使用时可能会导致路面积水的情况出现。因此，雨水花园的实际控制容积与设计流量应按下列各式进行计算：

H为设计降雨量（mm）；q为暴雨强度（L/s·hm2）；RVin为雨水花园作为水面时的雨量径流系数；RVout为服务分区扣除雨水花园后的综合雨量径流系数；ψin为雨水花园作为水面时的流量径流系数；ψout为服务分区扣除雨水花园后的综合流量径流系数；Fin为雨水花园面积（hm2）；Fout为服务分区扣除雨水花园后的面积（hm2）。