基于海綿城市理念的雨水回收與水景營造
——以某公園雨水回收工程為例

1 引言

在傳統的城市建設模式中，下墊面多為透水性差的硬質地面。 雨水落下后，只有一小部分能夠通過下滲補充地下水，大部分不能下滲或來不及下滲的雨水通過地面收集后，主要依靠管渠、泵站等灰色設施來排水，以快速排除和末端集中控制為主要規劃設計理念[1]。 每逢大雨，常常會出現城市內澇的現象[2]。

近年來，中央大力倡導海綿城市建設，優先利用植草溝、雨水花園、下沉式綠地等“綠色”措施來組織排水，以“慢排緩釋”和“源頭分散”控制為主要規劃設計理念。 可有效提高城市排水系統的標準，緩減城市內澇的壓力[3-4]。

本文中介紹的濕地雨水回收利用系統便是很好地將海綿城市理念應用到雨水回收系統中， 濕地系統不僅是很好的海綿體和景觀，還兼具雨水凈化作用。

2 項目概況

該公園位于鄭州市， 屬北溫帶大陸性季風氣候， 冷暖適中、四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季晴朗日照長，冬季寒冷少雨。 鄭州市冬季最長，夏季次之，春季較短。 年平均氣溫14.3 ℃，年平均降雨量640.9 mm，無霜期220 d，全年日照時間約2 400 h。 公園總面積10.5 萬m2，包括西側5.8 萬m2綜合公園及東側4.7 萬m2體育公園。 其中綜合公園包括一個面積2 400 m2的景觀湖。

3 水量平衡統計

3.1 用水量統計

回收處理的雨水主要用于綠化澆灑以及景觀水補水。 根據GB 50555—2010《民用建筑節水設計標準》中規定，綠化澆灑用水量為0.28 m3/（m2·a）。 根據GB 50015—2019《建筑給水排水設計標準》中規定，室外水景工程的補充水量宜取循環水流量的3%~5%[5-7]。 因此，綠化用水量以及景觀水補水量約為11 373.76 m3/a。

3.2 可收集水量統計

雨水設計徑流總量公式：

式中，W 為雨水設計徑流總量，m3；φc為雨水徑流系數， 取值為0.33；hy為設計降雨厚度，mm，取值為年平均降雨量640.9 mm；F 為匯水面積，hm2。

本案中收集山坡以及綠地雨水，面積約占總面積70%，雨水徑流系數較小。根據式（1）計算得出匯水量約為8 591.13 m3/a，不能滿足用水量需求，需用自來水做補水。

4 人工濕地的構成及原理

4.1 人工濕地的構成

1）防滲層。 防滲層主要作用與功能是阻止污水向地下水體的垂直滲透與地表水體側向滲透， 避免污染地下水與地表水。 通常采用質地黏重的黃土層、高密度聚乙烯（HDPE）與土工布等防滲。 此外，濕地底部的沉積污泥層，在厭氧狀態下由微生物代謝作用產生的黏稠分泌物和形成的多糖可以形成天然防滲層。

2）基質層。透水性的基質層是人工濕地的核心部分。基質層的作用在于為水生、 沼生、 濕生植物生長提供所需要的基質，為污水在其中滲流提供良好的水力條件，為微生物提供良好的生長載體。 基質層的基質還可以吸附污染物[8]。

3）植物層。植物層由濕生植物組成。它們是適合在飽和水基質中生長的植物。 生態濕地中多選擇高等水生維管植物，一般要求植物的耐污染能力強、根系發達、莖葉茂盛、抗病蟲害能力強、有一定的經濟價值并具有美化環境的功能。 一般在保證處理能力的前提下，盡量選擇本土生長的濕生植物。 這樣能較好地適應當地的氣候、土壤等條件，同時還應考慮植物的越冬能力。 人工濕地常用的植物品種有蘆葦、黃菖蒲、美人蕉、旱傘草、西伯利亞鳶尾、花葉蘆竹、再力花、千屈菜[9]。

4）動物與微生物。 濕地表面還生活著無脊椎動物、兩棲類、爬行類、鳥類等動物，參與有機物的分解過程。 在生態濕地植物淹沒在水下莖、枯枝落葉層、基質層中還發育大量的微生物，可以降解有機污染物。

4.2 濕地的凈水原理

濕地系統是一個非常復雜的生態單元，綜合物理、化學、生物等各方面的作用，使水體得到凈化。 其中，微生物的作用是最主要的。 原水在流經該系統時，各種污染物在微生物的作用下經歷轉化、分解、氧化、還原、吸收、沉淀等過程，被分離或轉化。

微生物凈化水體的過程可以簡單分為好氧、兼氧、厭氧3 種反應。 根部區域是一個復雜多變的微生態系統，無機化學反應、根系呼吸、有機微生物轉化都與雨水處理的最終出水質量相關。

通常城市雨水中的污染物以氮磷等有機物為主。 人工濕地中氮的循環主要通過一系列復雜的生物化學作用， 最終轉化成氮化物與其他礦物質結合起來。 而磷主要通過植物的吸收及與其他有機物結合去除。

4.3 景觀配合設計

在保障濕地對水體處理和修復功能的同時， 景觀配合設計以及與周邊的生態系統的協調， 成為人工濕地外在景觀體征的重要因素。 在景觀配合過程中，優選優勢品種植物，配合一年四季整體景觀作品的特征，進行個性化設計，在保障整體景觀理念表達的同時， 對季節更替中植物的品種豐富做優化選擇，使生態濕地四季常綠[10]。

5 雨水回收系統的設計

5.1 西側綜合公園

5.1.1 工藝流程

通過雨水管井將雨水匯集到景觀湖里， 在景觀湖的岸邊構建人工濕地過濾帶。 根據所需要處理的水量設計人工濕地的面積。 湖區內設一臺潛水泵，周期性對人工濕地表面送水。通過調節水體的停留時間，可以提高湖水的自凈能力和整體對磷負荷的承受力，使之滿足當前的要求。 湖水不斷地被抽取，送到人工濕地過濾系統處理。 出水流入清水池供綠化使用，其余出水流入景觀水體中。 夏天，人工濕地凈化系統在循環中大量吸取熱量，使水溫明顯下降。 通過水溫的降低也能夠更好地降低藻類的繁殖。 溫度是藻類大量繁殖的一個重要因素。

有了循環泵， 即可直接在凈化水體的流入過程中實現再循環。人工濕地在每天24 h 的運營時間內，提升水泵的實際運行時間為夏季4 h，冬季2 h，水體可每半個月循環一次。

人工濕地工作的過程是間歇式的， 以保證設施表面積會有階段性干燥期產生。 濕地的基質厚度應達到1 m，材料的滲透系數kf選擇在10-3~10-4m/s。水質凈化的功效主要是通過生長在基質上的微生物對污染物質的分解吸收來實現的。

5.1.2 人工濕地1#設計

1）工藝尺寸：人工濕地面積為200~250 m2，根據現場條件調節，有效深度1 m。

2）清水池設計：清水池30 m3，建于地下，為鋼混凝土結構。

3）配套設備及參數：景觀水池中設有潛水泵組一套，流量30 m3/h， 揚程22 m，功率3.7 kW，兩用一備。 清水池有變頻供水系統。

4）形狀、位置配合景觀設計確定，總面積需滿足要求。

5）表面種植多年生水生植物，主要有黃菖蒲、西伯利亞鳶尾、美人蕉、旱傘草、花葉蘆竹。 表面干燥無積水。

6）進水水質：一般山坡以及綠地雨水的主要污染物，CODCr平均濃度不超過70~100 mg/L；SS 平均濃度不超過20~40 mg/L；色度為10~40度。

7） 出水水質達到GB/T 18920—2020《城市污水再生利用市雜用水水質標準》中的城市綠化用水和GB/T 18921—2019 《城市污水再生利用景觀環境用水水質標準》的景觀濕地環境用水水質要求。

5.2 東側體育公園

5.2.1 工藝流程

體育公園沒有景觀湖可以利用， 于是設計中增加了蓄水池。 地下蓄水池、清水池合建，中間用鋼筋混凝土隔開，并在清水池最高水位處開溢流口。 清水池最高水位高于蓄水池最高水位。 根據最高日雜用水量設計清水池有效容積，蓄水池有效容積設計為清水池有效容積的3 倍左右。

收集屋面、硬質地面雨水至地下蓄水池，通過蓄水池提升泵每天提升1.3 倍最高日雜用水水量的雨水至微生態濾床，均勻布水、下滲、處理。 處理后自流至清水池，回用于綠化、道路澆灑等。 多余的清水通過溢流口溢流回蓄水池。

人工濕地的工作模式和基質的選擇同綜合公園設計。

5.2.2 人工濕地2#設計

1）工藝尺寸：微生態濾床面積為55~60 m2，根據現場條件調節，有效深度1 m。

2）蓄水池清水池設計：蓄水池67.5 m3，清水池30 m3，建于地下，為鋼混結構。

3）配套設備及參數：蓄水池中設有雨水提升泵組1 套，流量10 m3/h， 揚程10 m，功率0.75 kW。 一用一備。 清水池中有變頻供水機組。

4）形狀、位置配合景觀設計確定，總面積需滿足。

5）表面種植植物品種與進水水質同綜合公園要求。

體育公園雨水回收系統工藝流程如圖1 所示。

圖1 體育公園雨水回收系統工藝流程圖

6 項目運行費用估算

1#濕地設置3 臺3.7 kW 提升泵，兩用一備，平均每天運行時間為4 h， 每天耗電量7.4 kW×4 h=29.6 kW·h。 電價按0.7元/（kW·h）計算，則日耗電費為20.7 元。

2#濕地設置2 臺0.75kW 提升泵，一用一備，平均每天運行時間為4 h， 每天耗電量0.75 kW×4 h=3 kW·h。 電價按0.7 元/（kW·h）計算，則日耗電費為2.1 元。

7 結語