沈陽市雨水花園設計的關鍵參數及影響因子研究

張廣新 宋揚 石平

摘要 雨水花園可以有效控制徑流污染，削減徑流流量，是海綿城市建設中最為重要而有效的處理措施。以沈陽市為例，因地制宜，從設施面積、組成構造等方面分析了雨水花園設計中的關鍵參數和影響因子。關鍵設計參數為蓄水層高度、種植土層結構、填料組成和深度及礫石層結構，影響因素主要為沈陽市降雨特點、植物品種、土壤滲透系數、雨水花園面積率。以沈陽市某居住小區為例，運用水量平衡分析方法設計雨水花園，根據建筑給水排水設計規范，計算得出小區內屋頂、道路、綠地的雨水徑流量及小區所需雨水花園總面積，為雨水花園在東北寒地范圍內的推廣應用提供重要的數據支撐。

關鍵詞 雨水花園；影響因子；關鍵參數；雨水徑流量；沈陽市

中圖分類號 S731.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）20-0167-04

Abstract Rain garden as an important facility in the sponge city development，can effectively control runoff pollution，substantially reduce runoff volumes and peak flows.The key parameters and impact factor in the design of rain gardens were analyzed from aspects of facilities areas，structure and composition combined with different application conditions of Shenyang.The important parameters are：waterretaining layer，planting layer structure，filling layer，gravel layer foundation.And different rainfall conditions，plant breeds，infiltration coefficient of soil，area percentage in Shenyang are the impact factors.Based on the method of water balance analysis，a case study of rain garden in residential area of Shenyang was discussed.According to the Code for architectural water supplydrainage design，the theory and practice of a computing process on urban rainfall runoff volumes of roof，roads and green spaces and total areas of rain garden was put forward，which would provide a fundamental idea for the design and application of rain garden in Northeastern China.

Key words Rain garden；Impact factor；Key parameters；Rainfall runoff；Shenyang City

在快速城市化過程中，城市迅速擴張，人口和汽車數量急劇增加，城市水系、綠地質量急劇下降。尤其是城市化對水環境的影響越來越大，大量的建筑物、不透水道路的增加，綠地面積的銳減，增加了雨水徑流的總量和速度以及城市洪水發生的頻率，縮短了雨洪峰值到來的時間。

雨水花園，作為一種分散式的雨洪控制與利用措施，可在較短時間內排空集水區域內地表徑流，具有適應范圍廣、占地少、建造及養護費用低、運行管理簡單、生態環保、自然美觀、易與場地環境結合等顯著性特點，對改善和優化場地的綜合環境質量具有極為重要的現實意義[1]。在美國、澳大利亞、新西蘭以及歐洲等發達國家和地區已經得到廣泛應用，但目前在我國應用并不多。

目前，沈陽市擬申報國家海綿城市建設試點，但市內運用雨水花園相關技術的綠地嚴重缺失，已建成的雨水花園數量寥寥無幾，效果仍待檢驗。況且寒地城市的海綿城市建設相對南方城市來講更加困難，如惡劣的氣候條件，水資源時空分布嚴重不均，關鍵技術的嚴重缺乏等。可以借鑒的雨水花園建成案例與沈陽氣候地理條件差異較大，缺乏充足的相關實證案例和數據支持，尤其是關于雨水花園建設各方面的定量分析和關鍵技術研究嚴重不足，諸多問題亟待解決。

筆者在分析雨水花園基本構造和設計原理的基礎上，采用完全水量平衡分析的設計方法，并根據沈陽市的氣候環境特點探討了雨水花園在沈陽應用存在的問題，對其關鍵設計參數及影響因子進行了討論，合理確定其構造、面積、深度、進出水口等，解決關鍵技術難題，以期為雨水花園在東北地區范圍內的推廣應用提供借鑒。

1 雨水花園的選址及構造設計要點

1.1 選址 建造場地應當充分考慮周邊環境條件，綜合區域優勢來選擇， 需要考慮以下幾點：

①為避免雨水浸泡地基，雨水花園的邊線距離建筑基礎至少3 m；

②不能建在地下水位過高的位置，不能建在靠近供水系統的地方或是水井周圍；

③盡量不要建在林下， 以免遮擋陽光，讓雨水花園能直接接受到全日照；

④為減少土方量，應建在相對較平坦的地方；⑤盡量建在雨水易匯集的區域，但不宜建在土壤滲透性差的地方或經常積水的低洼地[2-4]。

1.2 構造設計

雨水花園的構造主要由5個部分組成，由上到下依次為：蓄水層、覆蓋層、植被及種植土層、人工填料層、砂濾層及礫石墊層[5]（如圖 1 所示）。其中，在填料層和礫石層之間可以鋪設一層砂層或土工布。根據雨水花園與周邊建筑物的距離和環境條件，可分為滲透型和蓄水型雨水花園，因此其內部構造可以采用防滲或不防滲2種做法。當有回用要求或要排入水體時還可以在礫石層中埋置集水穿孔管，將雨水排入水體或市政管道。

1.2.1 蓄水層設計。

蓄水層的高度，即為雨水花園技術型綠地的積水深度，一般為100～300 mm。積水時間不宜過長，否則植物生長受到影響，又易滋生蚊蠅。暴雨只是暫時儲存在這一層里，積水須在 24 h 內排干，然后通過各個層次逐漸向下滲透[6]。部分沉淀物在此層沉淀，進而促使附著在沉淀物上的有機物和金屬離子得以去除，達到凈化的目的。但是在雨水花園技術型綠地設計工作中，需要注意的是，蓄水層的頂部應設置溢水口（圖 2），以便于過多的雨水通過溢水口排入其他排水系統，以免植物浸水深度過深。結合沈陽市目前海綿城市建設狀況來看，規劃還需結合場地地勢設置雨水花園技術型綠地入水口，以保證雨水迅速便捷地匯入綠地內，保證雨水行進路徑暢通（圖 3、4）。

1.2.2 覆蓋層設計。

覆蓋層位于雨水花園的最頂層，選用樹皮、樹葉、碎木片等軟質材料進行覆蓋，深度一般為 50～80 cm。在樹皮土壤界面上營造了一個濕潤的微生物環境， 可以保持土壤的濕度，滯留雨水；避免土壤板結，提高滲透性能；減少徑流雨水侵蝕，保護微生物棲息環境。圖5、6是以碎木片作為覆蓋材料，底層木片因雨水長期浸泡易腐爛，變成肥料；上層每年可以再補充新的碎木片，極耐踩踏；又因碎木片本身比鋸末等材料密度大，不易揚塵，一舉多得。

1.2.3 種植土層設計。

種植土層，一是具有較好的過濾與吸附作用，土壤微生物和植物根系能夠吸附雨水中的雜質、沉淀物；二是為植物根系吸收以及微生物降解碳氫化合物、金屬離子、營養物和其他污染物創造良好的生態條件。種植土層一般選用滲透系數較大的砂質土壤，其中砂子含量為60%～85%，有機成分含量為5%～10%，黏土含量不超過5%。種植土層厚度一般根據植物類型來確定， 植被一般為草本植物與灌木，有的也會種植喬木。若為花卉與草本，厚度一般為 30～50 cm；灌木，厚度一般為50～80 cm；喬木，厚度一般為1 m 以上。

1.2.4 植物品種選擇。

目前，市區內雨污合流，暴雨徑流裹挾大量污染物，如懸浮物含量（SS）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、微生物以及重金屬等。通過排水系統直接進入城市河道，直接危害水生生物的生存和城市生態系統的安全。與其他城市相比，沈陽屋面徑流中總懸浮物含量（TSS）、TN、TP和COD較少，但卻有一定的重金屬污染； 路面徑流中TSS和TP的濃度較高，但TN和COD的濃度較低，且重金屬中 Pb、Cr、Cu和Zn的污染較為嚴重[7]。

因此，盡量選擇多年生的鄉土植物品種；盡量選擇四季性和根系發達的植物；盡量選擇在水中浸泡 48 h仍能存活且耐旱的植物。沈陽地區可參考植物品種如下：①在濱水地區，生長勢強的鄉土多年生地被，有拂子茅、芒草、蒲葦、水蘇、野豌豆等[8]。②蛇鞭菊，也是多年生草本，耐寒，耐水濕，耐貧瘠，喜陽光，要求疏松肥沃濕潤土[9]。宜群植于管理粗放地帶，地勢低洼或水道邊更佳。③馬蓮，鄉土植物，喜光，耐陰、耐寒、耐澇、耐高溫，耐干旱、鹽堿、瘠薄，耐污染、耐踐踏；根系極其發達， 入土深度可達 1 m 以上， 須根呈傘狀分布，并且在惡劣環境條件下， 會自動調節地上與地下部分的比例， 使地上部分變矮， 根系更加發達，因而具有極強的抗逆性和適應性， 以及極強的水土保持能力[10]。此外， 還耐重鹽堿， 在含鹽量達 0.27%、pH 7.9～8.8 時仍能正常生長， 并且開花結實。④楊和柳，鎘富集能力強，在土壤鎘平均含量4.56 mg/kg的情況下，每年地上部至少可以累積20.20 mg/m2（楊）和32.68 mg/m2（柳）的鎘，分別占表層土壤總鎘量的1.64%、2.66%，是目前適于張士灌區污染土壤修復較為理想的植物種類[11]。⑤菖蒲、雨久花、千屈菜、慈菇對富營養化水體中磷的去除效果最明顯，是凈化能力較強的優秀水生物種，在應用中可作為主要植物材料[12]。⑥茼麻對Pb的吸收和富集能力較強；小白酒花、三裂葉豚草、酸模葉蓼、茼麻、龍葵、綠珠藜和菊芋對Zn的吸收和富集效果較好；綠珠藜和茼麻對Cu的吸收和富集能力較強；向地上部吸收和富集Cd的能力較強的植物有龍葵、綠珠藜、茼麻、酸模葉蓼和小白酒花[13]。這些植物向地上部轉移某些重金屬的能力很強，在一定意義上可用于植物提取方式的污染土壤修復。⑦沈陽市屋頂花園綠化植物品種。草本花卉：天竺葵、球根秋海棠、風信子、郁金香、金盞菊、石竹、一串紅、鳶尾、芍藥、蔥蘭等。草坪及地被植物：臥莖景天、佛甲草等景天科地被植物。開花灌木、矮生喬木：爬地柏、側柏、龍爪槐、大葉黃楊、女貞、紫葉小檗、西府海棠、櫻花、紫葉李、玫瑰等。爬蔓攀援植物：常春藤、小葉扶芳藤、野葡萄等[14]。

1.2.5 人工填料層設計。人工填料層位于種植土層的下方，與種植土層不同的是，一般選用滲透性較強的天然或人工材料，如爐渣、礫石等，其主要目的是便于雨水下滲。

填料層的厚度，依當地的降雨特性、雨水花園的服務面積而定， 一般設計深度為0.5～1.2 m。具體依污染物類型選擇，則為重金屬、TN、TP、熱污染為目標污染物時，最小設計深度分別為0.45、0.76、0.61、0.91 m。厚度不同會直接影響到雨量削減效果和污染物的去除效果[15]。

填料層的組分，對滲透速率有直接的影響，當選用砂質壤土時，其主要成分同種植土層；當選用爐渣或礫石時，其滲透系數一般不小于10-5 m/s，即36 mm/h。初始滲透速率是雨水花園設計的重要參數，長期運行后滲透速率為初始速率的50%左右[3]。滲透速率越大，徑流停留時間越短，雨水花園對污染處理效果越不佳。滲透速率越小，處理能力越小，更易造成底層的堵塞。所以對于初始滲透速率的把握尤為重要。

1.2.6 砂濾層及礫石層設計。

通常在填料層和礫石層之間設置一層150 mm厚的砂濾層，以防止土壤顆粒堵塞礫石層中的穿孔管，還具有通風換氣的效果；也可以簡單地在二者之間鋪上一層土工布，但極易堵塞。礫石層位于最底層，由直徑不超過 50 mm的礫石組成，厚度一般為 200～300 mm。通常在其中鋪設直徑為100 mm 的穿孔管，將凈化雨水由穿孔管收集輸送至蓄水池等蓄積系統或鄰近的河流以及其他排放系統。若沒有雨水回收利用之需，礫石層則采用滲透性做法，繼續滲濾降水以回補地下水。

2 雨水徑流量及雨水花園面積計算分析

沈陽市年均降水量607.3～796.7 mm，降水主要集中在7—8月[16]。一進入汛期，強對流等極端天氣就比較頻繁，而且呈現分布極其不均的現象。當短時間降水量比較大時，市內就會出現不同程度的積水情況，當然這也是當初城市規劃時的遺留問題，一般市內路面1 h內降雨超過20 mm就可能積水，目前全國各個城市的排水能力都不足。降水是產生地表徑流和補給地下水的主要來源。近年來，受自然環境和大氣環流影響，沈陽地區水旱災害發生頻繁。據調查，沈陽市的年平均降水量總體呈下降趨勢，年際變化較大，且分配不均，并呈現出周期性。

雨水花園主要用于處理道路、屋面、停車場和庭院的地表徑流，可以有效控制徑流水質，減少污染；削減徑流水量，減少城市化對原有水文條件的影響；可以回補地下水、涵養水源，給城市用水提供新的水資源。此外，還具有調節城市小氣候、增加城市水面面積、提高城市綠地量等重要的生態學意義。沈陽地區雨水花園的研究希望將城市的雨水利用技術與控制雨水徑流污染和改善城市生態環境相結合，因地制宜，為城市環境的可持續發展和低碳建設提供強有力的科學依據。

2.1 雨水徑流量計算分析

以沈陽市某居住小區為例，小區內雨水資源收集利用主要來源于屋頂匯流、道路廣場徑流、綠地徑流 3種途徑，結合沈陽市的實際氣候條件，計算該小區4—10月間的雨水徑流量。沈陽市全年月平均降雨量見表1。

根據表3可以得出，該居住小區在4—10月間，8月雨水總徑流量最大，為4 632.897 m3；10月雨水總徑流量最小，只有918.858 m3。3種徑流中，綠地總徑流量為565.588 m3，道路廣場總徑流量為5 578.406 m3，屋頂總徑流量為9 136.846 m3。其中，道路廣場總徑流量占總徑流量的比率為36.51%，屋頂總徑流量占總徑流量的比率為59.79%，已經超過了50%，因此屋頂花園或宅旁雨水花園的建設顯得尤為重要。另外，7、8月雨水集中，降雨量大，2個月的徑流量占總徑流量的60.13%，因此在這2個月期間開展對雨水的收集利用顯得尤為重要。

2.2 雨水花園面積計算分析

設施面積、蓄水層深度、填料組成和深度、滲透速率是雨水花園的主要設計參數。雨水花園的規格不得小于匯水面積的 2%，通常按匯水區域不透水面積的 5%～7% 來估算，一般最小面積為12.2 ×4.6 m2[18-19]。沈陽市雨水徑流存在污染狀況，因此在選擇雨水花園的建造模式時， 要考慮控制徑流污染、削減徑流流量和峰值流量這些方面的需求， 優先選用滲濾速率較大（K值不小于10-5m/s）、凈化效果較好的人工材料。既解決了平日低強度降雨產生的徑流，又滿足強降雨的蓄水要求，采取包括滲濾和滯留在內的完全水量平衡法計算雨水花園面積，通常以 24 h 最大降雨量 100 mm 的降雨為標準進行計算。

通過計算得知，該居住小區所需雨水花園總面積2 266.73 m2，符合達到不透水面積的5%～7% 的估算值，可以滿足小區在較強降雨情況下區域內部道路及綠地雨水的蓄滲，占總綠地總面積的 31.05%，對現有有限的綠地提出了更高要求。

3 結論

（1）沈陽市降水主要集中在7—8月，易澇；1—2月降雨量又極低，易旱。因此雨水的收集利用尤為重要，可以考慮回補地下水，同時這樣的降水特點也對雨水花園內適生植物提出了更高要求，至少要耐寒、耐澇、耐旱能力極強。

（2）沈陽市屋面徑流和路面徑流中重金屬 Pb、Cr、Cu和Zn的污染都較為嚴重，因此雨水花園的植物配置工程中植物品種的選擇尤為重要，可以考慮重金屬超累積植物。

（3）雨水花園的主要設計參數為蓄水層高度，種植土層結構、填料組成和深度以及礫石層結構；影響因素主要為沈陽市降雨特點、植物品種、土壤滲透系數，雨水花園面積率。這些參數的確定可為雨水花園的結構建造與合理設計提供重要的數據支撐。

（4）定量分析小區內屋頂、道路、綠地的雨水徑流量，為雨水收集利用提供科學依據；分析計算小區所需雨水花園總面積以及與綠地的面積比，為提高綠地率及雨水花園規模確定提供重要的參考。

（5）因地制宜，節約土地，避免大開大挖。在沈陽市現有綠地當中尋求合理的方式設計建造雨水花園，解決關鍵技術難題，充分挖掘現有綠地資源的潛力，探索城市綠地系統中雨水花園的建造方法，實現城市雨水的有效綜合利用，解決城市內澇與干旱問題，完善城市水生生態系統，力爭沈陽市早日進入海綿城市建設試點行列。

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