雨水花園在雨洪利用與控制中的應(yīng)用探究

劉文奇

摘要：雨水花園是基于生態(tài)型社會(huì)建設(shè)而提出的雨洪控制與利用的設(shè)施，目前被廣泛應(yīng)用于工業(yè)區(qū)建筑、道路雨洪徑流、停車(chē)場(chǎng)、商業(yè)區(qū)、城市住宅區(qū)等場(chǎng)所，可有效緩解道路截流蓄水能力低及雨水管網(wǎng)排水能力低等問(wèn)題。基于此，筆者以道路雨洪徑流發(fā)生的原因?yàn)榍腥朦c(diǎn)，對(duì)雨水花園的功能、類別以及設(shè)計(jì)應(yīng)用模式進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：雨水花園；雨洪；利用；控制

雨水花園主要利用植物與土壤的過(guò)濾作用滯留雨水，促使其緩慢滲透至土壤層中，而達(dá)到凈化雨水、減少暴雨徑流的目的。一般而言，雨水花園的建立對(duì)所需土壤并無(wú)明確要求，砂土、黏土等均可，在道路、住宅區(qū)、工業(yè)建筑區(qū)、城市公共建筑等周邊場(chǎng)所均可使用，是城市道路暴雨徑流控制較為有效的管控技術(shù)。

1 城市雨洪發(fā)生的原因分析

1.1 道路綠地截留蓄水能力普遍偏低

綠地植被與土壤具有較強(qiáng)的截流與滲透作用，能顯著降低雨洪徑流速度，被國(guó)外重視雨水利用的國(guó)家所利用。而在國(guó)內(nèi)，道路綠地的功能多以分隔車(chē)道、美化城市景觀為主，所選栽種植被多為觀賞型綠植，并未構(gòu)建多類型植物復(fù)合群落；較少考慮植物的耐濕、抗旱特性，部分植被在旱季很可能為高耗水植株；加之植床土質(zhì)滲水特性不強(qiáng)，路面低于植床標(biāo)高，導(dǎo)致雨洪徑流很難匯人道路綠地中。基于上述原因，使得我國(guó)城市道路綠地所能發(fā)揮的截流蓄洪能力普遍偏低。

1.2 城市道路所鋪設(shè)地面多不具備透水性能

相關(guān)研究指出，道路表面徑流系數(shù)與其基層結(jié)構(gòu)、面層結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。目前，我國(guó)大部分城市道路為瀝青或水泥路面，人行道多為花崗巖等低透水率材料，這類材料雖能有效增強(qiáng)路面的密實(shí)度，但其透水率確極低，當(dāng)雨洪發(fā)生時(shí)，直接增大了道路徑流系數(shù)，加大了雨洪治理難度。

1.3 道路排水管網(wǎng)設(shè)施不能有效滿足路面的排水需求

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的迅猛發(fā)展，城區(qū)排水量迅速增加，而現(xiàn)有排水管網(wǎng)存在數(shù)量不足、設(shè)計(jì)不合理、管網(wǎng)老化等問(wèn)題，加之部分排水口多被各類固體垃圾、沙塵等堵塞，如遇暴雨天氣，很容易產(chǎn)生城市內(nèi)澇。

2 雨水花園的功能和分類

2.1 雨水花園的功能

雨水花園主要是利用土壤、植被等的生物作用、物理作用及化學(xué)作用等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的處理，具體功能為：第一，雨水花園植被的蒸騰作用與蓄積雨水的蒸發(fā)作用可調(diào)節(jié)周邊環(huán)境的溫濕度，緩解熱島效應(yīng)；第二，雨水花園中土壤、植被的滲透作用與截流作用可增加雨水徑流阻礙，削減流量，補(bǔ)充地下水源，降低洪澇發(fā)生率；第三，雨水花園能夠有效去除雨洪徑流中的各類污染物，如重金屬去除率可達(dá)45%-95%，TSS去除率可達(dá)80%，TN去除率可達(dá)50%，TP去除率可達(dá)60%，病原體去除率可達(dá)70%-100%。

2.2 雨水花園的類別

2.2.1 雨洪徑流量控制型。雨洪徑流量控制型雨水花園的主要功能是控制區(qū)域內(nèi)雨洪徑流，減緩徑流速度，減少?gòu)搅骺偭浚a(bǔ)充地下水源，凈化水質(zhì)。該類型普遍應(yīng)用于匯流面積小、水質(zhì)較高的雨洪區(qū)，如城鄉(xiāng)分散單戶庭院內(nèi)徑流、小區(qū)屋面雨水徑流等。雨洪徑流量控制型雨水花園的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要專門(mén)設(shè)計(jì)底部排水溝，但對(duì)花園位置的選擇要求十分高，如：雨水花園需遠(yuǎn)離樹(shù)蔭，以增加光照；雨水花園與建筑物間隔距離要控制在3m以上，以防止建筑基地被浸泡；雨水花園要盡可能地設(shè)置在雨水匯聚的區(qū)域，但也需將區(qū)域內(nèi)土壤的滲透性能考慮在內(nèi)，以避免長(zhǎng)時(shí)間積水；所選位置應(yīng)趨于平坦，以此來(lái)減少土方使用量，節(jié)省投建資金。

2.2.2 徑流污染控制型。在部分文獻(xiàn)中，徑流污染控制型花園又被稱為生物滯留區(qū)域，其功能以徑流污染控制為主，普遍應(yīng)用在道路周邊、廣場(chǎng)等區(qū)域。

3 雨水花園的設(shè)計(jì)

3.1 徑流量控制型雨水花園設(shè)計(jì)

3.1.1 土質(zhì)要求。徑流量控制型雨水花園對(duì)土壤的滲透性有要求，一般挖約15cm的坑并注滿水，若24h后積水滲透完，即符合雨水花園建設(shè)對(duì)土壤的要求。若土壤滲透性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，可依照比例對(duì)局部土壤進(jìn)行置換，如20%-30%表層土、腐殖土；50%-60%碎石與砂土。

3.1.2 結(jié)構(gòu)與深度。徑流量控制型雨水花園的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，通常僅需確保滿足其設(shè)計(jì)指標(biāo)的雨水能夠及時(shí)排入排水系統(tǒng)即可。若雨水花園所在位置遠(yuǎn)離排水系統(tǒng)，可通過(guò)溢流裝置將雨水經(jīng)溢流管道進(jìn)入排水系統(tǒng)；若雨水花園處在郊區(qū)或單戶庭院內(nèi)，超出滲蓄能力的雨水則會(huì)自行排人庭院排水溝渠。

以徑流控制為目的的雨水花園其設(shè)計(jì)深度需根據(jù)地面坡度與土壤的滲透性能確定。一般情況下，當(dāng)?shù)孛嫫露?lt;4%時(shí)，其設(shè)計(jì)深度可為7.6-12.7cm；當(dāng)?shù)孛嫫露仍?%～7%時(shí)，其設(shè)計(jì)深度可為15.2-17.8cm；當(dāng)?shù)孛嫫露仍?%～12%時(shí)，其設(shè)計(jì)深度可為20cm。

3.1.3 表面。徑流量控制型雨水花園的設(shè)計(jì)流量通常是整個(gè)匯流面積內(nèi)的所有徑流量，若確保雨水花園內(nèi)的雨水能夠在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)完成滲透，則需根據(jù)公式計(jì)算所得：Q_{t小時(shí)徑流}=Q_{t小時(shí)滲透}；ψ·H_t·A_匯=K·A_f·t；A_f=A_匯·ψ·H_t/K·t。公式中，ψ代表徑流系數(shù)；H_t代表t小時(shí)內(nèi)的降雨量（mm）；A匯代表匯水面積（㎡）；t代表設(shè)計(jì)時(shí)間，通常取值為24h。

3.2 徑流污染控制型雨水花園

3.2.1 土質(zhì)要求。通常要求土壤為砂土，其中黏土含量需不大于25%，砂土含量需介于35%-60%，且土壤內(nèi)需含大量直徑在25mm以上的樹(shù)根、木屑、碎石、無(wú)害草籽等。

3.2.2 結(jié)構(gòu)與深度。結(jié)構(gòu)：徑流污染控制型雨水花園結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由植被緩沖帶、有機(jī)覆蓋層、地下排水暗管、種植土層及植物等構(gòu)成，且部分花園還設(shè)置緊急溢流裝置與貯水池。深度：植被緩沖帶用來(lái)預(yù)處理雨水徑流中包含的大量碎片、固體垃圾等；蓄水區(qū)主要用來(lái)滯留雨水和沉淀徑流，其深度多為15-22cm；覆蓋層可避免表面土層被侵蝕，發(fā)揮過(guò)濾大懸浮物的作用，其設(shè)計(jì)深度多為5-lOcm；種植土層設(shè)計(jì)深度多為60-120cm；底部排水層主要用來(lái)收集滲透完成后的雨水徑流，其設(shè)計(jì)深度大約為30-45cm。

3.2.3 表面積。徑流污染控制型雨水花園的表面積多根據(jù)土壤類型、雨水花園深度及所需處理的雨水徑流量來(lái)確定，其計(jì)算可按下述公式進(jìn)行：

（1）初期徑流量：P=（P-0.2S）²/P+0.8S，S=25400/CN-254。其中P代表需處理的實(shí)際降雨（一），P表示設(shè)計(jì)降雨量（mm）；S代表潛在最大損失量；CN代表徑流曲線。

（2）確定表面積。假設(shè)在t時(shí)間內(nèi)雨水全部滲透至土壤內(nèi)，則可得出公式：Q_{tf初期徑流}=Q_tf滲透量；Q=K·J·t_f.A_f=K.（h+d_f）/d_f·t_f·A；A_f=Q·d_f/K（h+d_f）·t_f。公式中，Af、J、d_f、h、K、t_f分別代表：雨水花園表面積（mm）、水力坡降、種植土深度、平均水深、滲透系數(shù)、雨水在花園表面的滯留時(shí)間。

3.3 雨水花園內(nèi)植株選擇的原則

第一，徑流量控制型雨水花園所選植物要以四季性植物為主，如灌木、蕨類植物。第二，排除妨礙交通安全、有毒類植株。第三，選擇耐澇型植物，在水中浸泡24h仍可存活類植株。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、推廣節(jié)能減排的社會(huì)發(fā)展背景下，雨水花園作為雨洪控制與利用的重要設(shè)施，不僅能促進(jìn)水資源的循環(huán)利用，調(diào)節(jié)大氣環(huán)境，還能控制徑流污染，具有較為廣闊的發(fā)展前景，值得在城市建設(shè)中推廣使用。