雨水花园对降水径流水量的削减及污水净化能力分析

董卫爽

（河北省秦皇岛水文水资源勘测局，河北 秦皇岛 066000）

1 雨水花园结构和生态功能［1］

雨水花园是自然形成或人工挖掘的浅凹绿地，主要作用是汇集和吸收雨水，并通过植物、砂土层的过滤作用使雨水得到净化，入渗土壤后补给地下水。

1.1 雨水花园结构分析［2］

一般情况下，雨水花园从上到下结构为： 蓄水层、覆盖层、土壤层、砂层、砾石层，同时在底部设置穿孔管来收集雨水，在上部设置溢流管来排除超过最大蓄水量的积水，如图1。

图1 雨水花园结构

1.2 雨水花园生态功能分析

（1）可有效过滤降水径流中的垃圾、悬浮颗粒、有机污染物、重金属离子等有害物质，从而保证了地下水的纯净。

（2）通过合理的植物配置，雨水花园可以为昆虫、鸟类提供栖息地，促进城市生态环境的改善。

（3）雨水花园植物通过蒸腾作用可以调节空气温度和湿度，改善小气候环境，对降低城市热岛效应有帮助。

（4）与传统绿化手段相比，雨水花园虽然建造成本高，但维护和管理简单，提高人的景观感受，有助于提升城市品味［3］。

2 项目区概况

秦皇岛市位于河北省东北端，主城区包含北戴河区、海港区、山海关区，总人口约137万。秦皇岛旅游资源丰富，年平均降雨量在520～720mm，水资源总量9.65亿m3，年平均气温10.1℃，最热月份平均气温24.5℃，是一个优良的避暑胜地。秦皇岛市属暖温带半湿润季风气候，四季分明。春季受冷空气影响，天气多变，大风多，降水稀少，蒸发量大，常有春旱发生；夏季受副热带高压影响，高温多雨，但因受海洋影响，并无酷热期。受地形影响，山地迎风坡多形成暴雨中心；秋季极地大陆气团逐渐加强，天气晴朗，气温迅速下降；冬季受西伯利亚大陆气团控制，天气寒冷干燥，降雪稀少。

3 雨水花园对降水径流水量削减及污染净化能力

本次在秦皇岛市区内不同地点选取3处结构相同的雨水花园进行分析，如表1［4］。

表1 雨水花园尺寸及结构

由表1可知，这种雨水花园的尺寸为长方体结构，结构共分为5层，总厚度90cm。

3.1 雨水花园径流削减效果

3.1.1 径流理论计算依据

计算雨水花园对于径流的削减效果可根据入流量Q1和出流量Q2的差值百分率进行确定，计算如式（1），其中流量Q的计算如式（2）［5］。

式中 R为径流水量削减率（%）；Q1为雨水花园径流入流量（L）； Q2为雨水花园径流出流量（L）。

式中 μ为流量系数；θ为堰口夹角（°）；h为堰前几何水头（m）；g为重力加速度（N/kg），取9.8N/kg。

3.1.2 径流削减效果

本次统计了2018年中秦皇岛市典型降水中雨水花园的入流、出流量，如表2；统计曲线如图2。

表2 雨水花园径流削减效果数据统计

图2 降雨入流及出流量统计曲线

由数据和曲线可知：

（1）在春秋季节降水量较小时（5，9月），雨水花园径流削减效果很好，削减率能达到100%。

（2）夏季降水量较大（6，7，8月），流入量和流出量均较大，导致削减率显著降低。

综合分析，雨水花园对降水径流的削减效果与降水量有着直接关系，若降水量较少，则削减率可达100%；若降水多而猛烈（或降水间隔时间较短），则会极大影响削减率。以全年为标准，雨水花园对降水径流的削减率平均为45%［6］。

3.2 污水净化能力分析

3.2.1 理论计算依据

由于市区存在众多水体污染源，降水会将这些部分污染源带入地下水，从而影响浅层水质，进而造成人们向更深处地下水开采。雨水花园污水净化能力理论计算包括污染浓度降低率RC和污染负荷削减率RL两方面。本次对两个参数进行分别计算。

3.2.1.1 污染浓度降低率RC

污染浓度降低率RC计算如式（3），由此可知，通过测定入流和出流中某污染物浓度，可算出RC。

式中 C入为入流中某一污染物浓度（mg/L）；C出为出流中某一污染物浓度（mg/L）。

3.2.1.2 污染负荷去除率RL

污染负荷削减率RL计算如式 （4），通过测定入流、出流、溢流中总污染物中的负荷量可算出RL。

式中 T入为入流总污染物负荷量（mg）；T出为出流总污染物负荷量（mg）；T溢为溢流总污染物负荷量（mg）。

3.2.2 水样及土壤

3.2.2.1 水样污染物分析指标及方法

本次对雨水花园各类水样分析指标及方法如表3。其中，污染物种类应根据实地调查确定，不可照搬其他项目。

表3 水样分析指标及方法

3.2.2.2 土壤污染物分析指标及方法

本次主要对土壤中的N、P、重金属、TOC、微生物含量等指标进行检测，如表4。

表4 土壤分析指标及方法（部分）

3.2.3 净化能力及净化寿命分析

3.2.3.1 雨水花园净化能力

图3 NH3-N，TN，TP污染负荷削减率

由图3可知：

（1）雨水花园刚投入使用前3年（2011～2013年），对净化削减率可达98%~100%，对TN，TP的净化削减率可达90%以上，效果显著。

（2）从第4年开始，雨水花园对各污染物的净化能力呈急速下降趋势，到2017年已经基本处于50%~60%，到2018年区域平缓。

（3）总体来看，雨水花园对TP的净化削减率效果最好。且随着使用时间增长，雨水花园的净化削减率会下降。

3.2.3.2 雨水花园净化寿命

雨水径流带着污染物到达雨水花园后，大部分颗粒会被花园结构层拦截，但是不可能短时间内完全分解，富集在花园结构层的污染物会被径流带出一部分，这是造成净化削减率下降的主要原因。

有关学者提出了雨水花园“三阶段净化能力”概念，如图4。

图4 “三阶段净化能力”曲线

由图4可知：

（1）第一阶段（1~3年），雨水花园净化能力总体处于高位且不断增长。

（2）第二阶段（3~9年）其净化能力会基本维持在一个高位。

（3）第三阶段（9~15年）其净化能力及效果会快速衰退。

因此雨水花园的净化寿命基本在15年，每隔15年就换成新的结构层、植物。

4 结语

（1）通过分析，可知雨水花园对降水径流水量削减在春秋季节显著，基本可维持在100%，在多雨夏季可维持在30%，这对项目区地下水补充有着极其重要的作用。

（2）雨水花园对污染物净化作用巨大，且净化寿命可维持有15年之久。

（3）秦皇岛市完全可以利用自身旅游城市定位，大力打造雨水花园城市，必然会对提升市区居民生活质量、增加旅游产值有着重要影响。