雨水花園對降水徑流水量的削減及污水凈化能力分析

董衛爽

（河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066000）

1 雨水花園結構和生態功能［1］

雨水花園是自然形成或人工挖掘的淺凹綠地，主要作用是匯集和吸收雨水，并通過植物、砂土層的過濾作用使雨水得到凈化，入滲土壤后補給地下水。

1.1 雨水花園結構分析［2］

一般情況下，雨水花園從上到下結構為： 蓄水層、覆蓋層、土壤層、砂層、礫石層，同時在底部設置穿孔管來收集雨水，在上部設置溢流管來排除超過最大蓄水量的積水，如圖1。

圖1 雨水花園結構

1.2 雨水花園生態功能分析

（1）可有效過濾降水徑流中的垃圾、懸浮顆粒、有機污染物、重金屬離子等有害物質，從而保證了地下水的純凈。

（2）通過合理的植物配置，雨水花園可以為昆蟲、鳥類提供棲息地，促進城市生態環境的改善。

（3）雨水花園植物通過蒸騰作用可以調節空氣溫度和濕度，改善小氣候環境，對降低城市熱島效應有幫助。

（4）與傳統綠化手段相比，雨水花園雖然建造成本高，但維護和管理簡單，提高人的景觀感受，有助于提升城市品味［3］。

2 項目區概況

秦皇島市位于河北省東北端，主城區包含北戴河區、海港區、山海關區，總人口約137萬。秦皇島旅游資源豐富，年平均降雨量在520～720mm，水資源總量9.65億m3，年平均氣溫10.1℃，最熱月份平均氣溫24.5℃，是一個優良的避暑勝地。秦皇島市屬暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明。春季受冷空氣影響，天氣多變，大風多，降水稀少，蒸發量大，常有春旱發生；夏季受副熱帶高壓影響，高溫多雨，但因受海洋影響，并無酷熱期。受地形影響，山地迎風坡多形成暴雨中心；秋季極地大陸氣團逐漸加強，天氣晴朗，氣溫迅速下降；冬季受西伯利亞大陸氣團控制，天氣寒冷干燥，降雪稀少。

3 雨水花園對降水徑流水量削減及污染凈化能力

本次在秦皇島市區內不同地點選取3處結構相同的雨水花園進行分析，如表1［4］。

表1 雨水花園尺寸及結構

由表1可知，這種雨水花園的尺寸為長方體結構，結構共分為5層，總厚度90cm。

3.1 雨水花園徑流削減效果

3.1.1 徑流理論計算依據

計算雨水花園對于徑流的削減效果可根據入流量Q1和出流量Q2的差值百分率進行確定，計算如式（1），其中流量Q的計算如式（2）［5］。

式中 R為徑流水量削減率（%）；Q1為雨水花園徑流入流量（L）； Q2為雨水花園徑流出流量（L）。

式中 μ為流量系數；θ為堰口夾角（°）；h為堰前幾何水頭（m）；g為重力加速度（N/kg），取9.8N/kg。

3.1.2 徑流削減效果

本次統計了2018年中秦皇島市典型降水中雨水花園的入流、出流量，如表2；統計曲線如圖2。

表2 雨水花園徑流削減效果數據統計

圖2 降雨入流及出流量統計曲線

由數據和曲線可知：

（1）在春秋季節降水量較小時（5，9月），雨水花園徑流削減效果很好，削減率能達到100%。

（2）夏季降水量較大（6，7，8月），流入量和流出量均較大，導致削減率顯著降低。

綜合分析，雨水花園對降水徑流的削減效果與降水量有著直接關系，若降水量較少，則削減率可達100%；若降水多而猛烈（或降水間隔時間較短），則會極大影響削減率。以全年為標準，雨水花園對降水徑流的削減率平均為45%［6］。

3.2 污水凈化能力分析

3.2.1 理論計算依據

由于市區存在眾多水體污染源，降水會將這些部分污染源帶入地下水，從而影響淺層水質，進而造成人們向更深處地下水開采。雨水花園污水凈化能力理論計算包括污染濃度降低率RC和污染負荷削減率RL兩方面。本次對兩個參數進行分別計算。

3.2.1.1 污染濃度降低率RC

污染濃度降低率RC計算如式（3），由此可知，通過測定入流和出流中某污染物濃度，可算出RC。

式中 C入為入流中某一污染物濃度（mg/L）；C出為出流中某一污染物濃度（mg/L）。

3.2.1.2 污染負荷去除率RL

污染負荷削減率RL計算如式 （4），通過測定入流、出流、溢流中總污染物中的負荷量可算出RL。

式中 T入為入流總污染物負荷量（mg）；T出為出流總污染物負荷量（mg）；T溢為溢流總污染物負荷量（mg）。

3.2.2 水樣及土壤

3.2.2.1 水樣污染物分析指標及方法

本次對雨水花園各類水樣分析指標及方法如表3。其中，污染物種類應根據實地調查確定，不可照搬其他項目。

表3 水樣分析指標及方法

3.2.2.2 土壤污染物分析指標及方法

本次主要對土壤中的N、P、重金屬、TOC、微生物含量等指標進行檢測，如表4。

表4 土壤分析指標及方法（部分）

3.2.3 凈化能力及凈化壽命分析

3.2.3.1 雨水花園凈化能力

圖3 NH3-N，TN，TP污染負荷削減率

由圖3可知：

（1）雨水花園剛投入使用前3年（2011～2013年），對凈化削減率可達98%~100%，對TN，TP的凈化削減率可達90%以上，效果顯著。

（2）從第4年開始，雨水花園對各污染物的凈化能力呈急速下降趨勢，到2017年已經基本處于50%~60%，到2018年區域平緩。

（3）總體來看，雨水花園對TP的凈化削減率效果最好。且隨著使用時間增長，雨水花園的凈化削減率會下降。

3.2.3.2 雨水花園凈化壽命

雨水徑流帶著污染物到達雨水花園后，大部分顆粒會被花園結構層攔截，但是不可能短時間內完全分解，富集在花園結構層的污染物會被徑流帶出一部分，這是造成凈化削減率下降的主要原因。

有關學者提出了雨水花園“三階段凈化能力”概念，如圖4。

圖4 “三階段凈化能力”曲線

由圖4可知：

（1）第一階段（1~3年），雨水花園凈化能力總體處于高位且不斷增長。

（2）第二階段（3~9年）其凈化能力會基本維持在一個高位。

（3）第三階段（9~15年）其凈化能力及效果會快速衰退。

因此雨水花園的凈化壽命基本在15年，每隔15年就換成新的結構層、植物。

4 結語

（1）通過分析，可知雨水花園對降水徑流水量削減在春秋季節顯著，基本可維持在100%，在多雨夏季可維持在30%，這對項目區地下水補充有著極其重要的作用。

（2）雨水花園對污染物凈化作用巨大，且凈化壽命可維持有15年之久。

（3）秦皇島市完全可以利用自身旅游城市定位，大力打造雨水花園城市，必然會對提升市區居民生活質量、增加旅游產值有著重要影響。