海島地區雨水花園設計及應用

劉萬和，黃琦珊，樂文彩，章 茹

（1.南昌大學資源環境與化工學院，南昌330031；2.南昌大學鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室，南昌330029；3.宜春學院生命科學與資源環境學院，江西宜春336000；4.中國電建集團江西省電力建設有限公司，南昌330001）

0 引 言

中國是名副其實的“萬島之國”，而海島地區海洋經濟的發展加快了城市化進度，不透水地面面積迅速增大，加之海島地區降雨集中，徑流不能及時下滲快速匯聚一處，致使城市排水管網壓力增大并可能引發洪澇災害。經濟發展的同時，海島地區也面臨著嚴重的水域污染問題［1］，海水倒灌現象頻發，致使水質惡化咸化，土壤鹽漬化嚴重，含鹽度高的雨水直接下滲會嚴重污染地下水［2］，造成惡性循環。

近年來，天津、深圳等地區相繼對其沿海區域的海綿城市建設模式進行探索，均提到沿海地區面臨的環境問題［3］。雨水花園作為海綿城市建設的主要設施之一，是一種具有滲透結構的低洼地，它能有效減少雨洪災害，凈化雨水徑流。Davis 等［5］和唐雙成等［6］研究表明雨水花園對降水事件的徑流總量控制效果顯著；蔣春博等［7］在西安市監測33 場降雨，發現防滲型雨水花園水量控制率可達60%以上，并且雨水花園可凈化徑流，改善出水；蘆昌興等［8］設計9 種小試雨水花園裝置，發現雨水花園對徑流中的COD、懸浮物、總氮、總磷去除效果顯著；郭娉婷等［9］研究介質類型對生物滯留設施凈化水質的影響，發現各種介質類型的設施對雨水徑流有凈化效果，出水均滿足灌溉綠地的標準；Li 等［10］研究發現生物滯留系統在不同因素影響下對氮磷污染物均有較好去除效果。雨水花園還能通過其結構層中砂層和礫石層的隔離作用以及其植被根系的凈化作用防止土壤鹽漬化［11］，因此雨水花園于海島地區建設有其必要性。

然而，海島地區雨水花園的設計經驗不足，用于構建海島型雨水花園的植物選擇，填料優化等針對性研究稀少，設施進出水污染物濃度實時監測數據缺少，裝置的運行效果鮮有評估。本研究在我國浙江省舟山海島地區，收集相關資料，采用完全水量平衡法和室內優化實驗設計構建海島地區適應性雨水花園；現場監測4 場不同降雨強度降水事件，采集徑流數據，分析不同降雨強度下裝置對徑流的調控效果，實時監測裝置進出水污染物濃度，生成污染物濃度變化特征圖，評估其在海島地區的運行效果，為雨水花園在海島地區的設計應用提供實際參考。

1 研究區雨水花園設計與研究方法

1.1 雨水花園面積

研究區域位于浙江省舟山市嵊泗縣（30°24′～31°04′ N，121°30′～123°25′E），屬亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫為16.4 ℃，年平均降水量1 105.8 mm，降雨集中于春、夏兩季，約占全年70%。雨水花園集水區為其周圍的路面及屋頂，總面積約為522.16 m2。結合場地情況，根據《浙江省海綿城市規劃設計導則（試行）》（以下簡稱《導則》），以嵊泗縣的年徑流總量控制率80%為目標，構建不僅能夠凈化雨水徑流，還能進一步削減水量、峰值，實現無溢流現象的防滲型雨水花園。

完全水量平衡法的原理是當水量超過雨水花園集蓄和滲透能力時，開始溢流的一定時段內，系統任一區域各水文要素之間存在水量平衡關系。此方法用于雨水花園設計計算時，全面考慮雨水花園系統內的滲濾能力、蓄水層植物影響和空隙儲水能力等因素，適用于以削量凈污為構建目的的雨水花園面積計算［12］。因此本研究宜采用完全水量平衡法估算海島型雨水花園面積，計算方法如式（1）：

式中：Af為雨水花園的表面積，m2；Ad為匯流面積，m2；H為設計降雨量，m；ψ為綜合徑流系數，0.9；hm為最大蓄水高度，m；fv為植物橫截面積占蓄水層表面積的百分比，一般取0.2；n為種植土和填料層的平均空隙率，一般取0.3 左右；df為雨水花園的深度，一般包括種植土層和填料層，m。

查閱《導則》，當嵊泗縣的年徑流總量控制率設置為80%時，對應設計降雨量為25.3 mm，根據式（1）計算得雨水花園面積約為50 m2，與集水區面積比約為1∶10，研究區域及雨水花園平面圖如圖1。

圖1 研究區域及雨水花園平面圖Fig.1 Layout plan of the study area and rain garden

1.2 雨水花園結構優化

在室內進行植物及填料優化實驗。根據嵊泗當地土壤鹽堿特點設置鹽堿度條件，如表1。

1.2.1 植物優化

高鹽堿脅迫對植物的生長、細胞膜及光合作用等均有不利影響［13］。對《導則》中推薦的旱傘草、美人蕉、馬藺和千屈菜4種植物進行抗鹽堿實驗，通過比較4 種植物在不同鹽堿度條件下的生長狀況，葉綠素含量變化，相對電導率變化優選出抗鹽堿的植物。實驗表明：在低鹽堿條件下，4 種植物均生長良好，但在鹽堿3～6 條件下，除了旱傘草以外，其余植物均出現不同程度的枯萎老化現象；4 種植物在鹽堿1～5 條件下葉綠素含量變化不明顯，而在鹽堿6 階段，美人蕉、馬藺和千屈菜葉綠素含量都急劇下降，嚴重影響光合作用的進行，旱傘草葉綠素含量在鹽堿1～6 條件下穩定在1.740～2.142 mg/g；此外，鹽堿1～5 條件下4 種植物的相對電導率隨都有緩慢增加，鹽堿6 階段美人蕉、馬藺和千屈菜相對電導率突然急劇增加，會使植物細胞膜遭到破壞，加速植物衰老，而旱傘草相對電導率全階段維持在15.03%～20.48%，展現了優秀的耐鹽堿能力。

1.2.2 填料優化

海島型雨水花園應選擇在嵊泗土壤鹽堿條件下對N、P 均有穩定吸附能力的填料，以保證徑流凈化效率。填料優化實驗選用常見的紅壤、砂子、珍珠巖、膨脹蛭石、沸石和粉煤灰陶粒六種填料作N、P 的等溫吸附實驗。分別取2 g 填料放入100 mL氨氮（總磷）濃度為50 mg/L（25 mg/L）的溶液中，并按表1設置6個鹽堿條件，放于25 ℃恒溫震蕩24 h，過濾后取上清液檢測氨氮、總磷濃度。實驗表明：在鹽堿1～6 條件下，6 種填料對氨氮的吸附量均有不同程度的減弱，而沸石對氨氮的吸附量在每個鹽堿階段最多，吸附量為675.95～1 826.16 mg/kg，粉煤灰陶粒則表現得最為穩定，吸附量為492.38～632.08 mg/kg；6 種填料在各鹽堿條件下對總磷的吸附量變化不一，其中沸石和粉煤灰陶粒的吸附量為838.89～872.41、893.16～945.10 mg/kg，相比于其余4種填料表現得最為穩定，且吸附量較多。

表1 鹽堿度梯度表Tab.1 Salinity gradient table

1.2.3 雨水花園構造

綜上室內優化實驗，海島型雨水花園主要種植旱傘草，設置15 cm 蓄水層；種植土層采用90%當地土壤和10%營養土混合，25 cm；選用沸石、粉煤灰陶粒1∶1 混合作為填料層，30 cm；采用礫石作為排水層，30 cm，其中布置直徑10 cm 的穿孔管（穿孔孔徑2 cm），并在礫石層底部鋪設防滲膜。前置池面積為20 m2，主要作用是削減徑流對雨水花園主體部分的進水負荷，同時營造跌水的景觀效應；雨水花園主體部分中央構建暗渠，利于穿孔管排放出水。

1.3 實驗方法

雨水花園進出口徑流流量采用流量計監測，自監測點產生徑流后開始采樣記錄，采用5、10、15、30 min 的時間間隔取樣，每個樣品體積約1 L。水質分析指標為懸浮固體（SS）、化學需氧量（CODcr）、氨氮（NH3-N）、硝氮（NO3-N）、總氮（TN）、磷酸鹽（PO43+）和總磷（TP），檢測方法均按照相對應的國家標準。

徑流總量削減率（Rv）、峰值削減率（Rp）、滯峰時間（Td）和徑流污染物事件平均濃度（Event Mean Concentration，EMC）去除率（REMC）計算公式分別為：

式中：Rv為徑流總量削減率，%；Vin、Vout為進/出流總量，L；Rp為峰值削減率，%；Qin，max、Qout，max為進/出流峰值流量，L/min；Td為滯峰時間，min；Tin，max、Tout，max為進/出流峰現時間，min；Ct為進/出水t時的污染物濃度，mg/L；Qt為t時刻的進/出水流量，L/min；Δt為時間間隔，min；REMC為平均濃度去除率，%。

2 結果與分析

2.1 嵊泗縣降雨特征

圖2統計了嵊泗縣2008-2018年的降雨量數據，數據來源于CMADs氣象數據集。統計的3 653 d內，降雨天數為1 920 d，嵊泗縣降雨概率為52.56%。其中小雨（日降雨量0～10 mm）發生1 466 次，占降雨天數的76.35%；中雨（日降雨量10～25 mm）發生333次，占降雨天數的17.34%；大雨（日降雨量25～50 mm）發生101次，占降雨天數的5.26%；暴雨（日降雨量＞50 mm）發生20次，占降雨天數的1.04%。嵊泗縣小雨、中雨、大雨常有發生，暴雨事件在10年間僅發生20 次，極為稀少。小雨雖最為常見，但在監測過程中，出水監測效果不佳，大部分小雨事件被雨水花園完全收納不產生出水。因此本研究主要監測分析中雨、大雨的進出水流量變化及污染物濃度特征。

圖2 嵊泗縣2008-2018年降雨量統計圖Fig.2 The rainfall statistics of Shengsi County from 2008 to 2018

2.2 徑流總量控制

表2列出監測期內4 場降水事件的各項數據，場次1～4 的降雨強度依次增大，監測期內未出現溢流現象。如表2所示，雨水花園對徑流總量削減作用明顯，分別為89.71%、81.43%、70.82%、64.60%，平均為76.64%。隨著降雨強度變大，雨水花園的徑流總量削減率隨之減小，呈負相關的關系，這是因為裝置的蓄水量是有限的，蓄水量占徑流總量比例越大，削減作用越顯著。場次1～4 的峰值削減率為70.52%、88.13%、91.23%、89.15%，平均為84.75%，雨水花園對洪峰流量的削減極其有效。場次2～4的峰值削減率接近，推測雨水花園的峰值削減效果受降雨強度的影響不大，可能與降雨前土壤含水量有關［15］。

4 場降水進出水流量變化規律基本一致，以接近雨水花園的設計降雨量的場次二進出水流量變化為例，如圖3。由表2和圖3可知，該裝置有較好的“滯”效應，開始降雨后30～50 min雨水花園產流，并且降雨強度的越大，對雨水花園徑流的產流時間影響越小；4 場降水事件的滯峰時間為70、60、30、75 min，滯峰時間的監測可能會有誤差，因設施出流流量穩定，變化不大，出流流量峰值出現時間難以精準監測。

圖3 場次2降水事件Fig.3 the second rainfall event

表2 4場降雨事件徑流水量調控效果Tab.2 Runoff control effect of 4 rainfall events

2.3 污染物濃度特征

表3是根據式（5）、（6）計算的場次1～4 降雨事件進出水污染物濃度和EMC 去除率；參照《地表水環境質量標準》（GB3838-2002），分析進出水各污染物濃度數據。

2.3.1 SS、COD的去除特征

由圖4、5 和表3可見，四場模擬降雨SS 去除率分別為85.78%、82.30%、79.74%和81.20%，平均去除率為82.26%，四場降雨事件的SS 出水濃度變化規律基本一致，出流初期濃度偏高，而后減小逐漸穩定，這是因為雨水花園運行初期系統內原有的顆粒物會隨徑流流出，故而出水SS初期濃度偏高［15］。各場次雨水花園對COD 的去除率分別為46.52%、68.97%、31.13%、22.04%，去除COD 主要依靠填料吸附和植物截留，沸石的表面粗糙多孔有利于COD 的去除［16］；但出水COD 濃度為4.10～49.59 mg/L，該裝置對出水COD 濃度控制不佳，波動大，不穩定，部分出水水質劣于Ⅴ類水，甚至高于進水COD 濃度；米秋菊［17］研究發現雨水徑流中非溶解性COD 多的情況下，徑流中SS 濃度和COD 濃度呈正相關關系，而本實驗SS 與COD 相關性不太明顯，說明徑流溶解性COD 成分多，去除溶解性COD 需要被填料吸附然后由微生物降解去除，而采用的沸石空隙大，徑流流速快，微生物降解時間短［18］，致使COD出水濃度高。

圖4 進出水SS濃度變化特征Fig.4 Change characteristics of SS concentration in inlet and outlet water

圖5 進出水COD濃度變化特征Fig.5 Change characteristics of COD concentration in inlet and outlet water

表3 進出水污染物濃度及其去除率Tab.3 Concentration of pollutants in the inlet and outlet water and its removal rate

2.3.2 氮類污染物去除特征

由圖6～8 和表3知NH3-N 濃度去除率為70.22%、67.55%、53.32%、75.71%，平均去除率為66.70%；TN 濃度去除率為63.32%，52.45%、52.75%、66.02%，平均去除率為58.64%。4 場降水事件裝置出水NH3-N、TN濃度特征均為出流濃度初期有點波動，之后趨于穩定。裝置對NH3-N、TN凈化能力顯著，這與填料使用了部分沸石有關，沸石可依靠化學吸附、離子交換作用去除氮類污染物［19］。出流NH3-N、TN的濃度范圍分別為0.02～0.47、0.09～1.23 mg/L，出水TN 濃度優于Ⅲ類水所占很大比例，NH3-N 出水甚至優于Ⅱ類水，該裝置對NH3-N、TN 有很好的控制效果。雨水花園對NO3-N 的濃度去除率為48.12%、63.60%、77.90%、70.14%，平均去除率為64.94%，去除效果較好；但出水NO3-N濃度波動大，不穩定，出流濃度范圍0.1～0.54 mg/L，說明雨水花園對NO3-N 控制效果較差，主要原因是系統沒有厭氧或缺氧條件促進反硝化過程［20］。

圖6 進出水NO3-N濃度變化特征Fig.6 Change characteristics of NO3-N concentration in inlet and outlet water

圖7 進出水NH3-N濃度變化特征Fig.7 Change characteristics of NH3-N concentration in inlet and outlet water

圖8 進出水TN濃度變化特征Fig.8 Change characteristics of TN concentration in inlet and outlet water

2.3.3 磷類污染物的去除特征

圖9、10 及表3所示，PO43+濃度去除率為71.58%、63.43%、60.84%、65.10%，平均去除率為65.24%；TP 濃度去除率為61.59%、77.42%、84.04%、82.78%，平均去除率為76.46%。雨水花園對徑流中磷的削減與植物、微生物及填料有關，其中填料吸附所起的作用最大，部分研究［21］指出雨水花園對P 的去除效果不太穩定。而本研究四場降水事件，TP、PO43+去除效果較為穩定，TP 的出流濃度范圍為0.004～0.030 mg/L，優于Ⅱ類水，這是因為種植土壤對磷的吸附是最有效的除磷方式，并且當種植土內營養土含量為5%～15%的條件下，系統對TP 有較好去除效果［22］。此外，磷的去除與填料吸附容量和磷本底值有關，當填料自身含有越多磷時，對徑流中磷的吸附量就越少［23］，這也是四次實驗出水TP濃度依次變大的原因。

圖9 進出水PO43+濃度變化特征Fig.9 Change characteristics of PO43+concentration in inlet and outlet water

圖10 進出水TP濃度變化特征Fig.10 Change characteristics of TP concentration in inlet and outlet water

2.4 應用可行性分析

本海島型雨水花園總造價及后期維護費用約為10.85 萬元，高于內陸雨水花園，原因如下：①嵊泗群島遠離大陸，運輸難且費用高；②嵊泗縣地形坡度較大，需人力挖掘；③海島資源緊缺，研究區域周圍土地多為建筑廢棄物，項目需遠距離采購優質本島土壤；④海島地區臺風肆虐，雨水花園維護成本高。海島地區不同于內陸的地理條件加大海島型雨水花園的建設難度，增加其建造費用及維護費用，但相對于大規模建造或改造地下排水管道，建設污水處理廠等措施來緩解城市化帶來的雨水洪澇災害及徑流污染，海島型雨水花園仍具有較高的經濟效益。

此外，海島型雨水花園在不破壞周圍環境的基礎上，提高土壤的下滲率，有助于土壤內鹽隨水走、鹽分轉移，加之礫石層天然的隔鹽效果，使當地土壤得到改良，利于植物生長，美化環境的同時也改善局部生態環境，其潛在的生態效益及景觀效益值得期待。

3 結 論

（1）海島型雨水花園可有效削減雨水徑流量。監測期內4場降水事件中都沒有出現溢流，徑流總量削減率平均為76.64%；峰值削減效果極其顯著，平均削減率達到了84.76%。降雨強度與徑流總量削減率呈現負相關的關系，與峰值削減率相關性不大。并且雨水花園在徑流產流及延遲峰值也展現出了較好的“滯”效應。海島型雨水花園對雨水徑流的長期調控表現還需日后進行監測研究。

（2）海島型雨水花園對雨水徑流有較好的凈化效果。雨水花園對SS 的去除效果最優，平均去除率為82.26%；對N、P 污染物的去除效果良好，NH3-N、NO3-N、TN、PO43+、TP 的平均去除率分別為66.70%、64.94%、58.64%、65.24%、76.46%；對COD 的去除效果一般，平均去除率為42.17%，且出水COD 濃度控制不佳，部分出水劣于Ⅴ類水。

（3）本研究采用完全水量平衡法，并結合室內試驗，設計構建50 m2，以種植旱傘草，沸石、粉煤灰陶粒作為填料的海島型適應性雨水花園。通過對4場不同降雨強度降水事件的實時監測分析，雨水花園能有效滯蓄雨水徑流量，凈化徑流水質。加上海島型雨水花園具有較高的經濟效益及潛在的生態效益和景觀效益，更有助于雨水花園未來在海島地區的大規模推廣應用。