階梯型雨水花園在山地城市海綿設計中的應用

陳泳帆，毛偉，張華廷，王索

（中機中聯工程有限公司 綜合技術研究所，重慶 400039）

0 引言

海綿城市設計主要運用雨水花園這一典型技術，結合“滲、滯、蓄、凈、用、排”等方法[1]，在常規地形區域有效地解決了雨水徑流處理的難題。但由于相關知識體系尚不成熟，對于山地城市這種特殊地形條件，海綿城市中雨水花園設計仍需要進行深入的探討與研究。目前，已有相關研究人員對山地城市與雨水花園在海綿城市設計領域進行了探索。唐曉會[2]對重慶山地城市海綿技術的應用進行了較為系統的定性分析，研究內容包括氣候、城市特點、可應用的海綿城市技術措施等方面，但未對雨水花園等典型措施進行深入研究。王雪琴、王力[3]對重慶市海綿城市的建設現狀進行了闡述，并列舉了重慶市海綿技術運用較為成功的主要成果，但同時也未涉及雨水花園相關的研究。姚蕾[4]對非山地城市雨水花園的選址、植物選擇、構造設計、計算等進行了研究，得出了平原地區雨水花園設計的合理化建議。蔣春博、李家科等[5]通過數據采集與分析，證明了雨水花園在非山地城市的雨水控制及污染物去除中的效果。

上述相關海綿技術及雨水花園均未結合山地城市海綿技術與雨水花園設計兩者進行系統研究。因此，綜合分析兩者之間的相關性，對于指導山地城市雨水花園技術應用具有重要指導意義。本文通過對山地城市的降雨氣候、地形、計算方法、類型選擇進行綜合性分析與對比，以便為更加清晰地指導山地城市雨水花園設計，解決其實際徑流控制問題提供幫助。

1 山地城市水文特征及雨水花園設計的局限性

1.1 山地城市水文特征

首先，山地城市降雨的特點主要分為兩方面進行考慮：季節性降雨特性和單場降雨特性。其一，山地城市多屬于季風性濕潤氣候，降雨充沛；其二，單場降雨總時間較短，暴雨強度從降雨開始到達到峰值的時間較短，達到峰值后暴雨強度又迅速跌落，雨水總量主要集中在峰值周邊。其次，山地城市地勢特性突出，部分地區與周邊區域高差較大，形成坡度較陡的坡面匯水區。這樣一來，雖上游雨水停留時間較短，但下游雨水不易排走，容易形成積水；同時，由于坡度較陡，雨水在坡面上流速較快，容易引起土壤侵蝕，且下游雨水聚集時間過短，往往容易超出傳統管網的排水負荷，極易形成內澇。再次，山地城市土壤蓄水層較薄，不適宜存水。因此在實際工程中，土壤的壓實度較高，雨水滲透性不好，對排水管網的泄洪能力要求高[2]。加之隨著快速城市化進程，越來越多硬化地面產生了過多的雨水徑流，在特殊的山地地形條件下加劇了積水、內澇發生的可能性。

1.2 雨水花園設計局限性

（1）空間布局緊湊

山地城市地形高低不一，與平原城市相比，同一等高平臺總體面積較小。因此在針對該地形特性進行雨水花園布置時，有時難以在同一高度平臺找到布置雨水花園的對應位置，有時同一平臺上布置雨水花園的面積滿足不了雨水控制規模的要求。因此需在高度較低的平臺上布置一層或多層階梯型雨水花園，以打破山地城市的空間局限性。

（2）地形坡度較陡

由于山地城市地形特殊，道路及硬化地面坡度較陡，坡面長度較短，降雨歷時較短，因此暴雨強度較大。在這種條件下，地面雨水在短時間內迅速匯集。與平原城市相比，山地城市雨水花園控制規模應適當增大，以應對實際雨水徑流的控制要求及溢流過水能力。加之山地城市空間布局緊湊的特點，應設計階梯型雨水花園，增大蓄水面積與溢流能力。

（3）土壤滲水能力不足

山地城市的土層較薄，且密實度較大，在降雨時雨水滲透性不強，加之城區場地地面以下的區域多為地下建筑，因此流入到雨水花園的徑流應盡快排走，以免造成土壤長期浸潤導致地基沉降等問題。由于山地城市雨水轉輸不易的特點，不同高度、不同位置的階梯型雨水花園能夠有效起到雨水轉輸、增加排水能力的作用。

（4）傳統雨水花園規模計算的不適用性

在傳統的雨水花園規模計算時，往往將雨水花園自身下墊面按綠地進行考慮。但事實上，山地城市的雨水徑流在短時間內急速增大，雨水花園將迅速充滿雨水。因此，雨水花園計算時應將雨水花園下墊面考慮為水面進行計算。

2 山地城市階梯型雨水花園中應用分析

2.1 階梯型雨水花園的主要設計形式

階梯型雨水花園是由多個高低不同的雨水花園組合而成。其形式主要分為臺階型、錯置型、重疊型三種，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 臺階型雨水花園

圖2 錯置型雨水花園

圖3 重疊型雨水花園

臺階型雨水花園是指在場地坡度較大時，由多個小型雨水花園順著場地的坡度進行平行排列的形式，其標高隨著場地標高的降低而降低。臺階型雨水花園應在標高最低的雨水花園處設置溢流管，同時也可在其余小型雨水花園處設置多根溢流管，以確保其過水能力能夠滿足要求。錯置型、重疊型雨水花園是指在場地存在較大高差，且在其服務分區內相近標高處雨水花園布置面積不夠或沒有空間布置雨水花園時，采用的特殊階梯組合形式。

2.2 階梯型雨水花園的作用

由于在地形坡度較大的情況下，普通雨水花園的坡度較大，收水時雨水容易溢出，造成場地積水。因此，布置臺階型雨水花園能夠吸收較大坡度不同位置的雨水徑流，防止雨水溢出。

錯置型、重疊型兩者，一方面能在受限空間內增大雨水徑流的控制規模，有效滯留雨水、削峰減洪。另一方面，這兩類滯留設施根據各自組合形式在山地海綿城市設計中具有不同的側重點。錯置型雨水花園頂部溢流管下側的橫向管道的長度可根據實際情況設計，能夠解決因地形限制所產生的雨水徑流轉輸問題。重疊型雨水花園的組合形式縮小了雨水花園形成水面時的徑流總量，能夠徑流蓄積，節約空間。

2.3 階梯型雨水花園的構造

階梯型雨水花園能夠通過對內部構造的設計，提升其性價比。由于大部分雨水徑流污染物均存在于初期雨水中，因此，在階梯型雨水設計時，應盡量利用上部雨水花園進行徑流污染物處理，下部雨水花園進行雨水徑流體積的控制。在這種條件下，上部雨水花園可按雨水花園典型構造進行設計，而下部可略微簡化為下沉式花臺或綠地，以節約雨水花園的建設成本，最大程度地發揮其作用。

2.4 階梯型雨水花園防侵蝕能力

在山地城市場地坡度較大、坡面長度較短的條件下，雨水匯集時間短，徑流流速較大，因此在流入雨水花園時能量較大。這容易使雨水花園內部土壤受到徑流沖刷而產生侵蝕現象，致使最終溢流雨水中的土壤沉淀物較多，從而導致雨水花園種植土層破壞、雨水花園凈化能力削減、溢流管堵塞等問題。解決該問題可從雨水花園的形狀及設置效能設施兩方面考慮。其一，各級雨水花園的設計應盡量避免寬度較小的條形，防止土層被沖出花園外。同時，應增加將徑流引入雨水花園的引水設施長度，從而降低其徑流總量[6]。其二，各級雨水花園應設置混凝土或卵石緩沖帶等消能設施，并將徑流均勻散布在雨水花園中，增加土壤的均勻下滲性及雨水花園的壽命。

3 山地城市徑流規模計算法

3.1 雨水花園設計在不同降雨階段的特性分析

雨水花園規模計算的分析主要思考兩個方面。第一，徑流階段分析。根據前面對降雨趨勢的分析發現，對于一場降雨，其強度從開始的少量初期降雨，經過一段時間之后迅速激增至降雨峰值，再迅速跌落至強度較小的降雨，整個過程主要有三個不同的時間段，因此受降雨影響的地面雨水徑流可分為三個階段，即初期徑流、峰值徑流、后期徑流。第二，下墊面類型分析。在海綿城市設計中，雨水花園的規模主要根據其受降雨影響的服務區域所產生的雨水徑流的大小來確定。其服務區域主要包含滲透性地面（綠地、透水鋪裝、綠色屋頂）和非滲透性地面（硬質鋪裝、硬屋面、水面）兩類下墊面。初期徑流時，徑流體積及流量較小，污染物總量較多[7]。此時，流入雨水花園的雨水較少，大多數雨水與污染物直接滲透，雨水花園的下墊面屬性與綠地相近。隨著暴雨強度激增，雨水徑流迅速增多，逐漸充滿整個雨水花園。充滿后，多余的雨水通過溢流口排走，此時雨水花園表面形成水面，徑流系數顯著增大。

3.2 雨水花園新徑流規模計算法

目前普遍的計算方法是將雨水花園按照綠地考慮，即只考慮初期降雨過程產生的徑流。這樣會存在兩個方面的偏差：一是初期雨水在綠地上基本能夠實現完全滲透，因此徑流在雨水花園上直接下滲，無法蓄積；二是在雨水徑流迅速達到峰值時，雨水花園按綠地考慮將導致徑流系數偏小，因此根據《低影響開發雨水系統設計標準》[6]，雨水花園規模指標“徑流控制容積VT（m3）”及“設計流量QS（L/s）”計算值偏小，在實際使用時可能會導致路面積水的情況出現。因此，雨水花園的實際控制容積與設計流量應按下列各式進行計算：

H為設計降雨量（mm）；q為暴雨強度（L/s·hm2）；RVin為雨水花園作為水面時的雨量徑流系數；RVout為服務分區扣除雨水花園后的綜合雨量徑流系數；ψin為雨水花園作為水面時的流量徑流系數；ψout為服務分區扣除雨水花園后的綜合流量徑流系數；Fin為雨水花園面積 （hm2）；Fout為服務分區扣除雨水花園后的面積（hm2）。

4 結語

綜上，可得到如下結論：

（1）山地城市的主要水文特征為降雨充沛，雨水峰值大且時間短，再加上地形起伏且坡度較大，土壤滲透性較小，容易導致積水和內澇的產生；

（2）山地城市地形坡度大，土壤緩排能力小，雨水花園設計空間布局受限，傳統徑流規模計算不適用；

（3）針對山地城市降雨充沛、地形起伏、土壤滲透性差的水文特征，提出了臺階型、錯置型、重疊型三種階梯型雨水花園的形式。在設計應用中須根據高差、坡度等方面進行綜合對比選擇；

（4）山地城市徑流規模計算時，應將雨水花園的表面按水面進行計算，以滿足雨水花園的實際徑流控制要求，防止路面積水與內澇的發生。