城市雨水花園設(shè)計(jì)與應(yīng)用： 基于益陽(yáng)市氣候條件

鄧玉梅 ，鄢恒珍，李 好，鄧 潔，夏藝翔

(1. 湖南城市學(xué)院 市政與測(cè)繪工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000；2. 湖南城市學(xué)院規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院 湖南省城鄉(xiāng)生態(tài)規(guī)劃與修復(fù)工程技術(shù)研究中心/湖南省博士后流動(dòng)站協(xié)作研發(fā)中心，湖南 益陽(yáng) 413000)

隨著城市的發(fā)展，不透水地面隨之增加，而不透水地面截?cái)嗔擞晁械娜霛B通道，導(dǎo)致城市雨水徑流總量和洪峰量激增，由此城市內(nèi)澇和水資源污染等城市水資源生態(tài)問(wèn)題逐漸凸顯出來(lái)，而如何實(shí)現(xiàn)有效利用收集雨水資源成為當(dāng)代亟待解決的問(wèn)題[1-3]﹒城市初期雨水中溶解了空氣中的酸性氣體、工廠廢氣、汽車尾氣及地面上的污水、污泥和垃圾等污染物質(zhì)，若不經(jīng)處理直接排放，將對(duì)水環(huán)境造成污染﹒初期雨水的處理措施主要是源頭消減、調(diào)蓄滯蓄和污水廠集中處理等3 個(gè)方向﹒2014 年住建部基于低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)(Low Impact Development，即LID)發(fā)布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》，鼓勵(lì)各大城市通過(guò)建設(shè)海綿城市從源頭消減城市雨水徑流量和凈化雨水水質(zhì)，雨水花園是建設(shè)海綿城市的主要措施之一[4-5]﹒

在20 世紀(jì)90 年代，雨水花園起源于美國(guó)，它以一種新型的花園形式被用于雨水凈化和處理，也被稱為“生物滯留池”﹒雨水花園在歐、美和澳等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已被積極推廣和深入研究。近幾年我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始在北京和上海等城市初步應(yīng)用[6-7]﹒本文以國(guó)內(nèi)外雨水花園應(yīng)用為依據(jù)，設(shè)計(jì)了符合益陽(yáng)市氣候條件的雨水花園模型，并對(duì)模型成分最佳填料組分和處理效果進(jìn)行了研究﹒

1 雨水花園的功能

雨水花園主要由蓄水層、凈化層和排水層組成，一般建在地勢(shì)低洼處，通過(guò)天然或人工填料的過(guò)濾截留、種植植物的吸收、微生物的分解作用達(dá)到削減雨量、保護(hù)水質(zhì)和補(bǔ)充地下水的目的﹒其主要功能有：①通過(guò)雨水花園中土壤和植物的滯蓄作用，可以有效削減洪峰流量、減少雨水外排、降低雨水流速，從而降低了下游管道的負(fù)荷和減少了雨水對(duì)管道的沖刷﹒②利用植物截流和土壤滲濾能有效去除雨水中的懸浮固體顆粒、重金屬離子和其他有機(jī)污染物等，從而改善雨水水質(zhì)﹒③充分利用雨水涵養(yǎng)地下水，或作為中水回用的水源，緩解水資源的短缺﹒④雨水花園可通過(guò)蒸發(fā)和植物的蒸騰作用調(diào)節(jié)氣候，經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)以及妥善的維護(hù)能改善小區(qū)的環(huán)境，為一些鳥類和昆蟲提供食物以及棲息場(chǎng)所，從而構(gòu)成良好的生態(tài)環(huán)境﹒

2 雨水花園的花園模型設(shè)計(jì)

2.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)楹鲜∫骊?yáng)市某高校教學(xué)樓的屋面和道路雨水﹒雨水花園模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可分為7個(gè)部分，見(jiàn)圖1﹒

圖1 雨水花園結(jié)構(gòu)

1)蓄水層﹒該層主要是滯留雨水，降低水流速度，減緩雨水沖刷力，沉淀并截留雨水中部分懸浮固體、有機(jī)物和重金屬離子等污染物﹒根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，一般厚度為100~250 mm，本模型厚度為200 mm﹒

2)覆蓋層﹒覆蓋層采用樹皮樹葉覆蓋，主要功能是保持土壤的含水率與滲透率，避免土壤板結(jié)，樹皮與土壤之間營(yíng)造了一個(gè)微生物生存環(huán)境，有利于微生物對(duì)污染物質(zhì)的降解，一般厚度為50~80 mm，本模型裝置厚度為50 mm﹒

3)種植土層和植物﹒種植土層為種植植物提供生長(zhǎng)場(chǎng)所和必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在這一層中雨水中的污染物質(zhì)如重金屬、有機(jī)質(zhì)等被植物吸收，從而水質(zhì)得到進(jìn)一步的凈化﹒其厚度根據(jù)所種植物類型確定，當(dāng)所種植物為木本植物時(shí)其厚度最小為120 mm，為草本植物時(shí)其厚度一般為250 mm﹒雨水花園中的植物選擇應(yīng)滿足以下條件：

①優(yōu)先選擇本地植物，以利于植物適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颉⑼寥罈l件，增加植物的存活率.

②所選植物應(yīng)根系發(fā)達(dá)、莖葉繁茂、耐污染和凈化能力強(qiáng)，能短時(shí)間耐淹和耐旱.

③植物選擇應(yīng)不同種類混合搭配，從而提高雨水花園的景觀性和生物的多樣性﹒

根據(jù)益陽(yáng)市的氣候條件，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇了耐旱耐澇、對(duì)COD 和氨氮去除效果比較好的本地挺水植物香蒲和菖蒲，種植土層主要采用透水性能好的沙質(zhì)土壤，厚度為250 mm﹒

4)人工填料層﹒多選用滲透性較強(qiáng)的天然或者人工材料，如礫石或爐渣，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎灭ね痢⒓?xì)沙和鋸末灰混合而成，厚度為500 mm﹒實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头譃锳 和B 2 個(gè)等體積區(qū)域，其中，在B 區(qū)域填料中加入了吸附性能較好的沸石，可為進(jìn)一步去除初期雨水中的COD 和氨氮等物質(zhì)﹒

5)土工布﹒本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谌斯ぬ盍蠈雍偷[石層中加入土工布，旨在防止土壤等細(xì)小顆粒物進(jìn)入礫石層，堵塞穿孔排水管﹒

6)礫石層﹒礫石層主要用來(lái)收集雨水后排出，由直徑為50 mm左右的礫石組成，厚度為200 mm.在其底部設(shè)有直徑為50 mm 的排水主管，主管上連有4 根直徑為32 mm 帶排水孔的支管，該系統(tǒng)能及時(shí)將處理后的雨水排出﹒

7)溢流管﹒當(dāng)雨水量較大超出雨水花園的蓄水能力時(shí)，多余的水量會(huì)經(jīng)過(guò)溢流管排入市政管網(wǎng)中，其直徑為75 mm﹒

2.2 雨水花園面積設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外常用的雨水花園設(shè)計(jì)方法主要有基于達(dá)西定律的滲濾法、基于面積的比例估算法、蓄水層有效容積法和完全水量平衡法﹒達(dá)西定律法是基于達(dá)西定律和雨水花園自身的滲透能力而設(shè)計(jì)，忽略了雨水花園構(gòu)造空隙儲(chǔ)存水的能力及植物對(duì)蓄水層的影響；基于面積的比例估算法是一種簡(jiǎn)單的估算方法；蓄水層有效容積法考慮了植物對(duì)整個(gè)裝置的影響，但是忽略了雨水花園的滲透能力和空隙的儲(chǔ)水能力；完全水量平衡法則綜合考慮了雨水花園土壤的滲率能力、植物的影響、空隙的潛在儲(chǔ)水能力等因素[8-9]﹒本實(shí)驗(yàn)采用完全水量平衡法計(jì)算雨水花園的面積﹒

1)水量平衡分析原理﹒假設(shè)研究區(qū)域內(nèi)的雨水徑流全部匯入雨水花園，忽略計(jì)算時(shí)段內(nèi)雨水花園的蒸發(fā)量和計(jì)算時(shí)段內(nèi)雨水花園的雨水溢流量，則計(jì)算時(shí)段內(nèi)水量平衡公式為

式中，V 為計(jì)算時(shí)段內(nèi)匯入雨水花園的徑流量，m3；G 為計(jì)算時(shí)段內(nèi)雨水花園填料空隙儲(chǔ)水量，m3；U 為計(jì)算時(shí)段結(jié)束時(shí)雨水花園的需水量，m3；S 為計(jì)算時(shí)段內(nèi)雨水花園的下滲量，m3﹒

2)雨水徑流量計(jì)算V﹒

式中，Ad為雨水匯水面積，m2；H 為設(shè)計(jì)降雨量，m；ψ 為徑流系數(shù)﹒

3)填料空隙出水量G﹒

式中，n 為平均空隙率，取0.3；Af為雨水花園面積，m2；df為雨水花園深度，包括種植土層和填料層，m﹒

4)雨水花園需水量Vw﹒當(dāng)雨水花園中的入流量大于土壤滲透量時(shí)，將會(huì)在雨水花園中形成蓄水，假設(shè)計(jì)算時(shí)段開(kāi)始時(shí)雨水花園的蓄水量為0，則雨水花園的需水量即等于計(jì)算時(shí)段結(jié)束時(shí)雨水花園的蓄水量：

式中，hm為雨水花園最大水深，m；fv為植物橫截面積占蓄水層表面積的百分比﹒

5)雨水花園下滲量S﹒

式中，K 為滲透系數(shù)，介于粗砂和礫石之間取0.03；h為蓄水層的設(shè)計(jì)平均水深，一般為hm的1/2，m；T 為計(jì)算時(shí)間，按120 min 計(jì)﹒

6)雨水花園面積Af的計(jì)算﹒綜合上述公式可得，雨水花園面積計(jì)算公式為

根據(jù)上述公式計(jì)算設(shè)計(jì)匯流面積為10 m2時(shí)的雨水花園表面積為0.5 m2﹒

3 雨水花園應(yīng)用

選取益陽(yáng)市2016 年8 月份的雨水為水樣，測(cè)得某氨氮值為3.14 mg/L，COD 值為74.32 mg/L﹒實(shí)驗(yàn)中，模擬雨水配置了氨氮值為4.93 mg/L 和COD 值為74.32 mg/L 的原水，用來(lái)測(cè)試雨水花園的處理效果﹒對(duì)土壤中有無(wú)添加沸石進(jìn)行了對(duì)比研究，得到COD 和氨氮濃度隨處理時(shí)間的變化曲線如圖2 和圖3 所示﹒

圖2 雨水花園對(duì)氨氮去除效果的影響

圖3 雨水花園對(duì)COD 去除效果的影響

由圖2 和圖3 可知，隨著時(shí)間的增加，雨水花園對(duì)氨氮和COD 的去除效果越明顯﹒添加沸石后，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)COD 和氨氮的處理效果更加顯著﹒10 min 時(shí)，對(duì)氨氮的去除率由未添加沸石時(shí)的72.76%增加到80.64%，COD 的去除率由38.45%增加到67.55%，說(shuō)明沸石對(duì)氨氮和COD具有一定的吸附作用﹒

4 結(jié)論

1)雨水花園模型組成共分為蓄水層、凈水層和排水層3 層﹒蓄水層能暫時(shí)蓄存雨水，減緩水流速度；凈水層主要采用當(dāng)?shù)厣惩痢⒌[石和菖蒲、香蒲等凈化水質(zhì)，排水層由直徑為50 mm 左右的礫石組成，底部設(shè)有帶支管的排水主管，能加速雨水的排出﹒

2)用完全水量平衡法計(jì)算出匯流面積為10 m2時(shí)雨水花園表面積為0.5 m2﹒

3)對(duì)模擬雨水進(jìn)行了處理﹒試驗(yàn)結(jié)果表明雨水花園對(duì)氨氮和COD 均有一定的處理效果，10 min 后，未添加沸石時(shí)氨氮和COD 的去除率分別為72.76%和38.45%；添加沸石后，其處理效果更佳，氨氮和COD 的去除率分別提高到80.64%和67.55%﹒