城市公園雨水利用技術研究進展

張麗宏，劉艷紅，王思瑤

（1山西農業大學林學院，山西晉中030801；2山西農業大學城鄉建設學院，山西晉中030801）

0 引言

近年來，國內很多城市頻繁遭受暴雨襲擊，出現“城市看海”、“街上游泳”、“路邊捉魚”、“汽車變船”、“地庫泡水”等現象。一方面，由于暴雨頻發和有限的排水系統，城市飽受內澇之困，當地經濟發展受到了不同程度的負面影響，最重要的是給市民出行帶來極大不便，甚至威脅到生命安全。內澇災害也造成河流湖泊污染嚴重，難以有效治理和恢復。另一方面，城市用水短缺已成為制約城市長期發展的短板之一。在水資源緊缺的條件下，城市園林綠地作為城市用水的客觀主體，每年都需要通過大量的澆灌才能夠滿足園林綠地的生長需求。國內外大量文獻表明，城市公園具有雨水資源管理、凈化和再利用等多重功能，對解決城市雨水問題至關重要。目前已有很多學者對城市公園雨水利用進行了局部的探索和研究，但并未受到足夠重視。實際管理中，仍有很多城市公園忽視了對雨水資源的利用。部分城市公園雨水直接由市政排水管網排出，這樣不僅增加了市政排水管道的壓力，浪費大量的雨水資源，而且容易引發嚴重的洪澇災害，產生徑流污染。

筆者從城市公園內的鋪地、綠地、水景、建筑等基本要素入手來研究城市公園的雨水利用技術。并且依據該分類方法對城市公園雨水利用技術的概念、功能、應用范圍和國內外的研究進展進行歸納分析。以期通過上述內容的綜述，為進一步開展城市公園雨水利用研究工作的學者們提供一定的參考，為城市公園建設提供重要依據。

1 城市公園雨水利用技術

1.1 概述

城市公園內收集利用雨水是通過采用一定的技術手段和工程措施完成的。收集到的雨水經儲存凈化后可以直接使用，也可以借助城市公園內的池塘、濕地、下凹綠地等自然或者人工水體對雨水徑流進行合理地調蓄和凈化，或通過滲透設施補充地下水源[1]。20世紀六七十年代，國外的很多國家就開始研究城市雨水的收集、儲存和凈化技術。其中包括日本[2]、德國[3-4]、美國[5]、英國[6]等，這些國家大力修建蓄水池和地下蓄水系統用于雨水收集，或者通過軟化技術處理一些硬質的市政設施，如嵌草磚和透水鋪裝的運用，增加雨水的入滲。因此，目前國內城市綠地雨水利用技術主要包括雨水集蓄利用和雨水滲透[7]。

1.2 研究的意義

城市公園對雨水的合理有效利用，是減少城市洪澇災害、緩解城市水資源短缺的重要方法。同時，政府及相關的管理部門通過這一方法因地制宜，對雨水進行科學調控和管理，將會產生廣泛的環境效益、經濟效益和社會效益，促進城市的可持續發展。

2 城市公園雨水利用技術研究

2.1 結合鋪地的雨水利用

城市公園中鋪裝作為重要組成要素，是進行雨水收集利用的關鍵環節[8]。由于面積較大且雨水集中較快，使得鋪地成為主要的雨水匯集面。而且當雨水徑流流過鋪地時，容易與鋪地上的灰塵等污染物結合，產生徑流污染。劉揚亮[9]主要從透水鋪地和非透水鋪地2個方面進行了公園內鋪地的雨水利用探索，其中，透水鋪地是通過雨水入滲和雨水收集來達到利用雨水的目的，不透水鋪地是通過雨水收集和雨水引流措施來進行雨水利用。

2.1.1 透水鋪地的雨水利用 所謂透水鋪地就是指雨水透過鋪裝直接滲入地下，并還原成地下水的人工鋪筑的地面[10]。根據國外已有的研究得出，滲透地面的成本比傳統的不透水地面成本要高出10%左右，但是利用滲透地面可以減少地表徑流量，延長地面集流時間從而縮短雨水管道長度、縮減管徑，因此利用滲透地面的雨水系統的總投資比不透水地面減少12%～38%，同時能夠產生較大的環境及社會效益[11]。所以城市公園在滿足功能等要求的前提下，應盡可能采用透水鋪地。

早在20世紀80年代初期日本就開發和應用了透水性鋪裝，研究表明東京市區使用透水鋪裝后大大提高了雨水資源利用率[12]。陳家明[13]從鋪地的面層材料、鋪地的構造、豎向設計、鋪裝方式、使用面積等方面研究了具有生態效應的鋪地環境設計方法和手段。王波等[14]系統地研究了透水鋪裝的構造特點及其維護和保養，為透水鋪裝的應用提供了借鑒。侯立柱等[15]認為透水磚鋪裝地面的應用極大地減少城市地面淹水頻次和澇災程度。王萊[16]在研究透水透氣性材料在園林中的應用時，對透水鋪地的應用類型做了分類，為透水透氣性材料在園林中的應用提供了有益的參考。趙飛等[17]提出一定面積的不透水鋪裝產生的雨水徑流能夠被相等面積的透水鋪裝較好地消納。位于美國華盛頓洲的High Point住宅區采用了自然開放式的雨水處理方式，其街道和停車場都使用了透水性鋪裝材料[18]。賴娜娜等[19]將透水鋪裝鋪設于北京中山公園的古樹下，既補充了地下水，又解決了古樹的透氣問題，改善了根部的生態環境。

2.1.2 不透水鋪地的雨水利用 考慮到透水鋪地的局限性，城市公園內不能全部使用透水鋪地，必要時也需要用到不透水鋪地。不透水鋪地又稱為硬化地面，其構造層的面層、基層都不透水，或者僅面層不透水，這類鋪地方法采用地面排水的形式來處理雨水。不透水鋪地可以通過雨水的收集或將鋪地上的雨水引入綠地，從而實現對雨水的利用[20]。

在北京，排水系統設計規劃得最科學、最周密的部分要數故宮博物院。在紫禁城中，除了有多條排水管道和支溝，古代設計者還巧妙地利用地形坡度形成地面排水，太和殿院內中間高，四邊低，北高南低，水順坡流入溝槽匯流[21]。鄧卓智等[22]在研究北京奧林匹克公園雨水利用工程時指出，公園內雨水利用的一個創新點是完全不透水鋪裝、半透水鋪裝和全透水鋪裝相結合的雨水利用收集技術。英國諾丁漢的一個旅社將建筑物附近的地面做成蓄水地面，在車行道、停車場、小廣場、人行道等地方把地面改為透水性好的地面，地面下鋪設基底蓄水層，利用蓄水池來收集雨水，最后通過凈化等措施將雨水用于綠地澆灌、生活雜用等[23]。

2.2 結合綠地的雨水利用

城市公園中綠地作為重要組成部分，在其經過合理的規劃設計后，不但可以接納綠地周邊建筑、鋪地上的雨水徑流，而且還能有效利用綠地內的雨水，從而加大雨水入滲量。當今世界在城市公園的規劃設計中著重強調生態性，而結合綠地的城市公園雨水利用是體現城市公園生態性的重要方面，更是必然要求。

田仲等[24]詳細地研究了城市公園雨水徑流后得出了城市草坪綠地降雨量、降雨強度和徑流量的關系，以及不同地面條件下降雨徑流的關系。王沛永[25]在研究北京地區園林綠地的雨水利用時提出，利用城市綠地儲存雨水不僅可以增加汛期雨水對地下水的入滲補給，還能節約草地灌溉雨水。路毅和董艷桐[26]通過研究得出，城市綠地的雨水利用不僅能夠有效解決城市綠地大量浪費水資源的現象，還能緩解城市用水的供需矛盾。關卓今等[27]通過研究得出，綠地對雨水的凈化是通過其自身的生化作用、物理作用以及綠池的截獲儲存作用達到的。

2.2.1 下凹式綠地 下凹綠地在雨水調蓄中起著重要作用。城市公園內下凹式綠地的使用有利于周邊道路或者廣場上的雨水匯集進入綠地內，從而充分蓄集下滲雨水、削減洪峰流量、減輕地表徑流污染，達到有效增加雨水下滲時間的目的[28]。相關研究表明，不透水鋪裝區的徑流匯入下凹綠地后，雨水下滲效果最好[29]。

北京奧林匹克公園內的綠地規劃設計全部采用的是下凹式綠地或者帶增滲設施的下凹式綠地形式進行雨水利用[30]。陳闖[31]研究了蓄水池和下沉式綠地2種雨水利用措施，得出了不同的降雨水平年在不同雨水資源利用方案下的利用潛力，為城市公園雨水利用的研究提供了參考。

2.2.2 雨水花園 雨水花園是指在園林綠地的低洼區域中種植植物，這些區域通常覆蓋了樹皮或其他地被植物。因此，雨水花園又稱作生物滯留區域(bioretention area)[32]。雨水花園不僅可以通過滯留雨水使雨水下滲，從而補充地下水，降低暴雨發生期地表徑流的洪峰，而且還可以通過吸附、降解、揮發和離子交換等過程來減少污染[33]。

以下3個項目對于分析雨水花園在不同場地類型中的應用具有一定的代表性[34]。

首先位于波特蘭市的塔博爾中學雨水花園是最成功的暴雨管理項目。設計師將一個不能物盡其用的瀝青停車場改造成一個既有教育意義，又有藝術和生態功能的創新性雨水花園[35]。圖1是塔博爾中學瀝青停車場改造前后對比圖。

圖1 改造前的瀝青場地和改造后的雨水花園

該設計的雨洪管理手段是把雨水花園原理與園林手法相結合，將場地周圍不透水面上匯集的雨水引流入雨水花園中，實現雨水的就地管理。場地中的植物配置充分考慮了不同植物的顏色和紋理的搭配，同時也允許雜草在其中生長，進而減少未來頻繁的養護。

其次是美國波特蘭市中心的西南第12大道的綠街工程，這個工程在規劃設計過程中將一個超現代的城市街區打造成一條園林化的綠色人行通道。為了避免雨水徑流直接從地下水道流入城市河道，該工程對街道中的雨水徑流實施就地管理[36]。圖2是西南第12大道綠街工程平面圖。

該設計沿街道一側設置了4個連續的雨水收集池，每個收集池長5.4 m、寬1.5 m，通過預制混凝土板圍合邊界。雨季時，來自740 m2面積的雨水徑流順著下坡（2%的坡度）和現有路道牙流人雨水收集池。圖3是該場地雨水收集平面示意圖。圖4是道牙開口引導街道徑流進入雨水收集池。每一個雨水收集池同時也是種植池，其中密集地種植了平展燈心草和多花藍果樹。

最后是米勒工廠的外環境——萬人工廠停車場的生態設計。由于工廠需要，設計師在場地的主體建筑周邊布置了總面積為4 hm2的大型停車場。這一項目利用地形來分散引導雨水，盡量減少使用硬質排水設施。圖5為場地雨水收集的剖面示意圖。

圖2 西南第12大道綠街工程平面圖

圖3 人行道雨水收集平面示意圖

圖4 道牙開口與雨水收集池

該場地中沒有路道牙、管道和人工井等設施，在5%坡度的地形上，雨水能迅速流入周邊的草地、池塘和濕地。高一級的濕地匯集的雨水達到最大蓄水量時就會溢出，流入下一級濕地，直至超出所有濕地容量，雨水才匯入場地外的河流。分布在停車場周圍的濕地對于停車場范圍內的雨水處理起到了關鍵作用。

對上述3個雨水花園項目的場地類型、屬性和形態，下墊面，雨水引導方式和雨水花園形式及植被特征等加以總結和比較，具體如表1[34]所示。

由表1可以得出，小面積內向型的場地，雨水花園應設置于場地中心，雨水經排水溝和管道匯入雨水花園。如果場地為線型空間，應按場地線型，在人行道和路道牙之間布置雨水收集池，一定的道路坡度和雨水收集池閘口將雨水引流進入雨水收集池。如果是大面積外向型的場地，雨水花園多為分散式雨水滯留池，雨水也是利用場地坡度流入滯留池。雨水花園中，宜選擇既耐濕又耐旱的植物，還要能過濾雜質、吸附有害物質。

2.3 結合水景的雨水利用

城市水系調蓄容量的大小是城市能否有效避免內澇的關鍵因素。城市公園中的水體是蓄存雨水的重要設施。目前，城市公園內常見的水景有自然水景和人造水景2種類型。其中，自然水景主要利用特有的地勢或者土建結構建成的根據自然景觀設計的水景[37]，例如疊水、瀑布、人工湖、溪流、泉涌等，這些自然水景在中國傳統園林中比較常見；人造水景是一種將雨水利用與景觀設計相結合的措施，一般用于現代園林中，如噴泉、旱噴等。人造水景技術通過人工設計的方法，充分發揮水生植物或土壤的自然凈化作用，有效實現環境、經濟、社會效益的和諧與統一[38]。

車伍等[39]認為將雨水利用和水量平衡分析運用于水景設計中，有利于實現在水資源日益緊缺的形勢下水景建設的正常發展。王俊嶺和許萍[40]對傳統雨水排放管系和雨水景生態設計進行技術經濟比較，發現水景生態設計雖然投資大，但充分利用了雨水資源，有不可估量的長期效益。李璇和曹磊[41]以德國城市公園為例，研究了如何將城市公園集雨措施與景觀設計相結合來有效利用雨水。在這一研究中提到了城市公園雨水收集的景觀要素，主要有地表明溝、透水鋪裝、景觀洼地、景觀調蓄池等。設計師們把雨水收集與景觀設計巧妙結合，設計出了一個個公眾喜歡并樂于參與其中的戶外場所。陳睿智和陳巖峰[42]在研究成都市武侯祠景區的雨水利用時，提出了景觀化雨水管理方法的優勢以及用此方法進行雨水收集利用的可行性。設計師在德國的波茨坦廣場結合藝術效果合理地設計了其生態水景，使廣場成為充滿生命活力又具有濃厚自然氣息的城市開放空間[43]。王慧紅[44]通過研究得出了適宜居住區的自然式人工水景的營造特點，并從水源的選擇、施工技術、植物配置、地域特色等幾個方面進行了論證。

圖5 雨水收集剖面示意圖

表1 雨水花園案例橫向比較

2.3.1 人工湖的雨水利用 人工湖作為綜合的雨水利用系統，既可以直接利用雨水，也能貯存雨水。通常人工湖依靠城市供水系統，或周圍河流、湖泊等自然水源進行補水，導致人工湖工程投資成本高且造成水資源浪費等現象。朱曉風和魯海平[45]認為人工湖作為生態水環境，應當通過匯集天然雨水來補充水量，這樣既可以節約自來水，在晴天時還能維持一定水位。施朝陽[46]提出城市人工湖從設計階段就應重視雨洪資源的利用，通過水質凈化增加城市可用水量。

2.3.2 濕地的雨水利用 濕地是比較常見的城市公園水景。濕地具有多種特性，包括分布廣泛性、類型多樣性、面積差異性、淹水條件的易變性以及濕地邊界的不確定性等。因此目前濕地尚無統一的、普遍認可的定義[47]，人工濕地也一樣。美國Hammer[48]定義人工濕地為，為了人類的利益，設計師通過模擬自然濕地，人為設計與建造的由飽和基質、挺水植物與沉水植物、動物和水體組成的復合體。相關研究中，朱寶英等[49]對國外人工濕地雨水利用系統的設計進行了總結，并對其設計的內容和理念做了詳細介紹。趙薇和張艷橋[50]通過研究得出雨水人工濕地是一種值得推廣和應用的新型雨水處理技術，該技術具有投資低、好管理、適應強等特點。

2.3.3 其他水景雨水利用 城市公園為了增加公園景觀內容、活躍公園氣氛，設計了噴泉、瀑布、溪流、泉涌等水景。這些景觀存在的最主要問題是需水量較大，處理成本高，管理維護困難等。

楊光[51]在北極寺公園中將集水池景觀與周圍的植物配植相結合，極大地提高了水體的生態功能和自凈能力，同時構建了完善的群落結構。張孟瑜和張廷廷[52]在江蘇省老年公寓水景設計中，將屋面、道路和綠地中收集的雨水，經過簡單的過濾凈化后用作景觀水體，充分體現了節能環保的宗旨。

2.4 結合建筑的雨水利用

城市公園中，建筑作為基本構成要素對公園內雨水的收集利用至關重要。筆者主要從2個方面展開對城市公園內結合建筑的雨水利用研究，包括屋面雨水的收集和引流入滲及屋頂綠化。

屋面雨水收集利用方面，徐軍紅和劉舜[53]對屋面雨水的收集方案和處理工藝流程做了介紹，并且討論了屋面雨水回收中的若干問題和設計要點，此外探討了屋面雨水的綜合利用方案。屋頂收集的雨水經過簡單的過濾和凈化主要用作非飲用水，包括沖廁、清洗、灌溉等日常用水工作，能夠顯著節約自來水資源[54]，削減城市地表徑流[55]。德國柏林的Daimler Chrysler Potzdamer Platz地區，地下大型儲水箱每年收集3500 m3的雨水，這些雨水來自總面積為3.23.2萬m2的建筑屋頂，收集到的雨水能夠占到該地區總降雨量的58%[55]；在日本，每年落在Fukuoka大型圓屋頂建筑場館上的雨量為5.283萬m3，大約有75%的雨水能夠被收集利用[56]。中國早在古代就有建筑和蓄積雨水相結合的案例，例如揚州的一些老宅子建筑都建有天井，實現了雨水的“就地消化”[57]。

現代屋頂綠化一般由植被層、種植基質層、過濾層、排（蓄）水層、隔根層和防水層組成[58]。屋頂綠化可以美化環境，增加城市綠量，此外，還具有降溫[59-60]、節能截流[61-62]、環保等生態功能[63-64]。徐尚玲和李海燕[65]從城市屋頂綠化的意義出發，分析了屋頂綠化與雨水回用技術，并通過實踐案例論述了其可行性。劉葆華[66]對重慶市屋頂綠化雨水利用功能已經做了比較詳細的闡述，通過實驗分析論證了屋頂綠化對不同降雨量下的降雨吸收利用情況，并得出了夏季降雨量與蒸發量之間的關系，為屋頂綠化的雨水利用提供了分析的依據。

3 城市公園中各雨水利用技術比較分析

在城市公園內的各類雨水利用技術所對應的雨水利用目的以及各自的優劣勢有所不同，而且不同區域氣候條件、降雨量、地質條件等都會影響公園內的雨水利用。此外，建設用地的性質對雨水的收集利用也有很大影響。在設計時應根據具體需求因地制宜，合理選擇。

如前文所述，城市公園中結合鋪地的雨水利用分為2種。一種是透水鋪裝利用鋪裝孔隙使雨水入滲補充地下水，或者在鋪裝的透水層下鋪設管網以收集雨水。另一種是在不透水鋪地上設置合理的排水坡度，將雨水引流至預設的收集管道或者植被淺溝。結合鋪地的雨水利用要注意保持路面清潔，保證空隙通透。城市公園中結合鋪地對雨水進行收集利用，不僅減少了雨后的道路積水和地表徑流、減輕了城市排水壓力，使地下水得到補充，而且適用范圍較廣，在公園道路、廣場、停車場等區域都適用。

在綠地中收集利用雨水，一方面可以將雨水引流至綠地得到過濾、凈化和下滲，另一方面還可以利用綠地的滲透性，在綠地下鋪設管網收集雨水。這種雨水利用技術對土壤的滲透性和綠地內的植物要求高，且占地面積較大。結合綠地的雨水利用技術不僅可以利用入滲雨水補充地下水，還可以消減洪峰量，減輕徑流污染。

城市公園內的水景在雨水收集利用方面舉足輕重。人工湖內水的補充有不同的方法。第一，匯水面的雨水經雨水口流入灌渠，由灌渠引流至人工湖以補充水量。第二，人工湖周邊布置微地形，利用植被淺溝匯集雨水。人工湖既可以儲存雨水，也可以凈化雨水。人工湖和人工濕地適用于濕潤地區城市公園內的濱水空間，對種植植物要求既能抗澇又能抗旱，適應水位變化。利用人工湖收集雨水充分發揮出土壤和植被的自然凈化作用。但是，人工湖和人工濕地內容易造成污染物的匯集和沉積形象，影響其滲透功能，因此人工湖和人工濕地必須定期維護和管理保證其滲透性[67]。其他水景的雨水利用技術，如結合地形營造半自然水景或者通過雨水的回收實現純人工水景等一般布置在匯水線上。總之，結合水景的雨水利用能夠有效解決公園內水景的耗水問題。

建筑與雨水收集利用結合的技術主要包括2個方面，分別為收集利用屋頂的雨水和屋頂綠化。將雨水收集利用與建筑相結合不僅能夠緩解城市公園遭遇大雨時雨水收集和排放的壓力，還能消減洪峰量。需要注意的是，收集屋頂雨水的管道與其他管道不能共用，而且每個集雨區域的排水路徑都應單獨設置，以方便集水管的清理維修。此外，在設計屋頂綠化時，應考慮屋頂的承載力及所用植物根系對建筑的破壞。

表2是對各類雨水利用技術的雨水利用方式、原理、適用范圍、優缺點和注意事項進行的分類規劃和總結。

4 城市公園雨水利用技術研究中存在的問題及未來發展方向

將城市的“雨水”問題轉變為解決城市水資源短缺的突破口，是改善城市水環境的關鍵環節。本研究旨在運用有效的途徑與措施，實現城市公園的雨水利用。筆者參考國內外研究和城市公園雨水利用實踐，分析了城市公園雨水利用技術措施的影響因素及適用條件等。

表2 城市公園雨水利用技術分析比較

續表2

目前，隨著國家對海綿城市的大力推行，在城市公園內收集利用雨水循序漸進，但仍存在一些問題。首先，城市公園中透水鋪地的利用較多，但是不同地區或者同一城市公園的不同功能區所鋪設的透水鋪裝結構沒有區別，這將導致鋪裝因氣候、承載力、雨水徑流等因素經常有不必要的損壞。而且在關于透水鋪地的研究中，沒有重視透水鋪地后期管理和清潔，實際使用中很容易造成透水鋪地的孔隙堵塞，進而導致不透水現象的出現。同時在城市化的環境下很難找到一塊滲透率高且平坦連續的場地。其次，城市公園中利用綠地進行雨水的收集和入滲往往因土壤滲透率低再加上管理不善導致水質惡化，池底堵塞、滲透能力下降。進行雨水收集的綠地低洼處，忽略了設置排水管，雨水泛濫后容易對威脅游人安全及環境污染。另外，結合水景的雨水利用技術應因地制宜設置，否則不僅不能收集利用雨水，還會因保證水景的觀賞性導致耗水問題的出現。最后，在道路雨水收集方面，需更深入地研究道路綠地布置形式的各種方式、植物配植、土壤、道路施工等工作與雨水收集和利用的聯系，以便道路綠地雨水收集系統建立得更加準確、精細。

隨著海面城市的提出，國內外關于城市公園雨水利用的定性研究已經深入細致，這些研究成果亟需定量化。科技的不斷進步為學者提供了大量的數據和工具，便于學者建立雨水利用模型以定量研究城市雨水利用。近幾年越來越多的雨水管理模型將20世紀90年代末發展起的低影響開發措施作為開發的方向，例如MOUSE、MUSIC、SLAMM、StormTac、SWMM模型等，這些模型軟件成為實現開發區域規劃、設計、建設以及運行管理的必要工具。此外，社會的不斷發展使得人們對保護生態環境的意識越來越濃厚。為保證城市的和諧發展，收集利用雨水時不僅要體現生態性和人居環境的舒適性，還要將各種雨水利用技術有機結合，綜合運用，有效解決城市雨水問題。

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