杭州地区雨水花园不同土壤配比与雨型对比试验研究

仇少鹏，周 维，孙 超，王 斌

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

近年来我国的城市化进程不断加快，很大程度上改变原有径流汇流的水文条件，总体趋势呈现出汇流加剧，洪涝频发。为解决这个问题，海绵城市集“滞、蓄、渗、净、用、排”等优点，有效地实现多重径流雨水控制，重构城市的生态结构，丰富城市功能性，降低城市发展的不利影响[1-3]。雨水花园作为一种新型生态雨洪控制与利用设施，是建设海绵城市的基础要素与补充，具有削减城市雨洪径流、净化雨水水质以及补给地下水的优点。这一形式最早在20 世纪90年代初于美国马里兰州乔治王子郡得到应用[4]，之后此设计理念得到世界各国的认可，该措施逐渐在德国、美国、澳大利亚等地得以实施和进一步发展。EMERSON 研究发现，随着时间的推移，植被根系与土壤中的微生物发生作用，降低种植土层的细微颗粒淤积带来的影响，致使随时间的推移雨水花园的渗透率下降不明显[5]。唐双城等研究发现，黄土具有良好的下渗能力，在较为湿润的2011 年基本没有发生溢流[6]。李鹏程等研究发现，植被选择、人工填料层填料粒径对雨水花园蓄滞效应的影响最显著，种植土层配料选择、人工填料层填料选择影响最弱[7]。

现阶段我国城市雨水资源利用及城市雨水径流面源污染控制的研究相对落后，雨水花园等雨水集蓄工程设计与规划的依据不足，迫切需要提出一套适用于不同地区的雨水花园技术规范，而确定不同参数的雨水花园蓄渗量是指导雨水花园设计的关键。本文根据杭州市本地2 种土壤类型设计雨水花园箱体模型，通过改变降雨重现期和砂土混合配比，分析不同暴雨强度与土壤类型条件下的下渗情况，成果可为类似地区雨水花园设计参数的确定提供技术参考。

2 研究材料与方法

2.1 雨水花园箱体模型

研究中选取的典型概化模型为矩形箱，其断面示意见图1。由覆盖层、生长介质层、土工布层和过滤贮水层组成，其中覆盖层种植不同类型的典型植物。覆盖层即植被层选取常见植被麦冬草；生长介质层选取杭州本地土壤，分别为种植土与园区土，并分别与粗砂和细砂进行配比获得6 种不同的土壤类型，厚度为50 cm；过滤贮水层采用30 cm 块状砾石铺垫；降雨使用杭州地区2 a 一遇和5 a 一遇重现期的降雨数据，采用人工降雨的方式进行。

图1 雨水花园典型模型试验配置断面示意图

2.2 降雨资料选取

根据浙江省建设厅建科发[2008]89 号《关于公布浙江省各城市暴雨强度公式的通知》，暴雨强度公式采用年最大值选样法、指数分布曲线拟合，降雨历时采用5，10，15，20，30，45，60，90，120 min 共 9 个历时，降雨重现期按2，3，5，10，20 a 统计，取样数据截至2006 年。该暴雨强度公式适用范围为降雨历时不大于120 min，重现期不超过20 a。根据此课题，杭州市暴雨强度公式采用年最大值法选样，具体公式：

式中：i为设计暴雨强度（mm/min）；t为降雨历时（min）；P为设计重现期（a）。

根据杭州暴雨强度公式，计算下沙地区低重现期短历时降雨雨量，2 a 一遇重现期降雨量为56 mm；5 a 一遇重现期降雨量为72 mm。采用下沙地区2015 年7 月21 日的短历时实测降雨作为典型雨型，对2 a 一遇与5 a 一遇重现期下的降雨进行分配。杭州地区2 a 一遇和5 a 一遇重现期短历时暴雨过程见图2。杭州地区不同降雨条件下2 h 降雨分布见表1。

图2 杭州地区2 a 一遇和5 a 一遇重现期短历时暴雨过程图

表1 杭州地区不同降雨条件下2 h 降雨分布表

2.3 试验组次

本次采用2 个试验组次进行研究，分别为雨频试验组次和土体配比试验组次。雨频实验组次通过改变降雨重现期进行对比试验；土体配比试验组次通过土壤与砂粒混合配比进行对比试验（见表2 和表3）。

表2 雨频试验组次表

表3 土体配比试验组次表

3 试验结果分析

3.1 土工试验结果

将所配比的4 种土样与原有的2 种土样进行土工试验，得到结果：杭州地区种植土中黏粒和粉粒的占比达到53.4%，属于细粒土壤；园区土中黏粒和粉粒的占比达到95.1%，比种植土多40.0%，也属于细粒土壤。种植土混入细砂后粉粒与黏粒占比26.8%，混入粗砂后粉粒和黏粒占比22.6%。园区土混入细砂后粉粒与黏粒占比45.5%，混入粗砂后粉粒与黏粒占比34.6%。综上，可以得出2 种土壤随着细砂或粗砂的混入，黏粒与粉粒的占比减小。各配比土样的颗粒分析结果见表4。

表4 各配比土样的颗粒分析结果表 %

3.2 雨频试验结果

图3 为不同降雨重现期雨水花园箱体试验下渗流量过程线图。由图3 可以看出，2 个降雨重现期情况下的下渗流量曲线走向基本一致，分为4 个阶段。首先在实验开始20 min 到60 min 时段内，下渗流量从0.0 cm3/s 快速增加到2.0 cm3/s 以上，然后在实验进行1 h 到5 h 时段内，下渗流量从最大值缓慢减少到1.5 cm3/s 左右；接着在接下来的5 min到10 min 快速降低到0.3 cm3/s，最后再慢慢的降低到0.0 cm3/s。5 a 一遇降雨相比与2 a 一遇降雨的情况，共有2 个阶段发生了变化。在第一阶段，5 a 一遇的最大下渗流量2.3 cm3/s 比2 a 一遇的最大下渗流量2.1 cm3/s 大；在第二阶段过程中，5 a 一遇降雨工况比2 a 一遇降雨工况长30 min。由5 a 一遇降雨比2 a 一遇降雨增加了25%以上，而最大下渗流量只增加10%左右，5 a 一遇工况已达到种植土的最大下渗能力。

图3 不同降雨重现期雨水花园箱体试验下渗流量过程线图

3.3 土体配比试验结果

图4 为不同配比土样雨水花园箱体试验下渗流量过程线图。由图4 可以看出，在2 a 一遇降雨情况下，B1（种植土）的最大下渗流量为2.1 cm3/s；B2（园区土）的最大下渗流量为0.7 cm3/s；B3（种植土+细砂）的最大下渗流量为4.8 cm3/s；B4（园区土+细砂）的最大下渗流量为7.7 cm3/s；B5（种植土+粗砂）的最大下渗流量为5.6 cm3/s；B6（园区土+粗砂）的最大下渗流量为9.2 cm3/s。从以上结果可以得到B1 的最大下渗流量大于B2 的最大下渗流量、B4 和B6 的最大下渗流量分别大于B3 和B5 的最大下渗流量、B5 和B6 的最大下渗流量分别大于B3 和B4 的最大下渗流量。分析得出：通过土样颗粒分析得到种植土与园区土均为细粒土壤，属于黏质土，种植土含砂量多，因此下渗能力更大。2 种土样混入粗砂或细砂后，砂粒占比大，粉粒和黏粒占比小，变成砂土。同为砂土，种植土和园区土在混入粗砂或细砂后，由于种植土黏粒占比较大，因此由种植土混合的砂土比混入园区土的砂土下渗能力小。对于同种土样混入砂粒变为砂土的情况，粗砂的粒径大于细砂的粒径，因此混入粗砂的砂土比混入细砂的砂土下渗能力大。

图4 不同配比土样雨水花园箱体试验下渗流量过程线图

4 结 语

根据杭州本地的降雨与土壤情况，建立雨水花园物理模型，通过改变重现期与土体配比得到不同工况下的实验数据，并对相关试验结果产生原因进行阐述分析，为后续试验开展提供思路。相关实验结果可为杭州地区以及水文、地质相似地区的雨水花园设计提供参考。