武春生 任鵬飛 郭大煒 張孟強 蘇晉國 田海鵬

（1、北京雨人潤科生態(tài)技術有限責任公司，北京100089 2、北京建工建筑設計研究院，北京100044 3、北京建筑大學，北京100044 4、青島市李滄區(qū)城市管理局，山東 青島266100）

1 概述

海綿城市是在借鑒國外低影響開發(fā)（LID）等模式成功經驗基礎上，通過構建源頭削減- 過程控制- 末端治理的綜合性策略，并采取綠灰結合的綜合工程技術措施來解決目前我國城市發(fā)展普遍遇到的涉水問題[1]。目前，海綿城市建設已在我國多個地區(qū)實施，其對區(qū)域性的內澇緩解、水環(huán)境提升、水資源利用等成效明顯。在這些涉水問題中，尤其以徑流沖刷城市硬化下墊面產生的污染物對城市整體水環(huán)境質量影響最為突出。據(jù)相關文獻報道，我國部分城市硬化下墊面徑流污染貢獻率在城市水體總體污染負荷比例中高達40%以上, 合理對源頭的硬化區(qū)域進行低影響開發(fā)改造成了有效控制徑流和面源污染削減的重要技術措施。雨水花園作為LID 設施的一種，可有效強化城市源頭徑流控制與污染削減效果，但從建設效果來看，不同的設施規(guī)模、調蓄深度、結構層等配置對滯蓄效果均有顯著影響[2]。本文對已建成的雨水花園進行了效果評估，并通過試驗適當優(yōu)化了主要的設計參數(shù)，可在一定程度上優(yōu)化設施配置及提高相應的利用效率。

2 概況

選取青島市某海綿化改造建筑小區(qū)中的新建雨水花園作為設施建設效果和參數(shù)優(yōu)化的研究對象。該雨水花園設計規(guī)模約15m2，周邊環(huán)境由瓦礫屋面材質的低層住宅和少量綠地構成。按設計要求，設施主要收集屋面及周邊綠地徑流雨水，匯水范圍約70m2，可調蓄容積約2m3。本地典型花園雨水花園設計結構示意如下圖所示, 結構層由下至上分別為原狀土層、350mm 厚礫石層、100mm 厚中砂隔離層、500 厚種植土換土層、100mm 厚覆蓋層，設計蓄水層250mm（圖1）。

本文主要從區(qū)位選擇、徑流控制、污染物削減、植物長勢4個層面綜合評估雨水花園建設后的運行效果。區(qū)位選擇指在設施布局、雨水組織及匯水范圍等方面的合理性選擇。降雨徑流控制指不同降雨情況下的設施徑流調蓄能力。污染物削減指不同類型的徑流污染物經設施截留凈化的程度。植物長勢指植物選擇及生長情況。其中，徑流控制及污染物削減結合在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行評估，污染物削減的污染物主要指懸浮物（SS）。

圖1 雨水花園結構及現(xiàn)場圖

在設施設計參數(shù)優(yōu)化方面，主要通過在室內模擬降雨及設施徑流預處理，并采取單一變量的試驗方法開展相關研究工作，研究變量主要有：降雨量、匯水面積、設計規(guī)模、滯蓄深度、結構層（厚度及介質材料）、植物配置。

3 建設效果評估

該雨水花園位于普通住宅樓前，設施未實施時為普通綠地，海綿化改造的主要內容是將屋面下的雨落管斷接，將降雨屋面徑流引入樓前新建雨水花園滯蓄、凈化。通過降雨時對現(xiàn)場的實地觀察，新建雨水花園設置位置合理，主要用于調蓄建筑屋面徑流，且匯水邊界清晰、設施匯水順暢，基本滿足設計要求。在徑流控制方面，設計要求非集中降雨（降雨超過4 小時）時，該雨水花園可100%控制相應匯水范圍27.4mm 以下體積的雨量。選取若干場不同降雨強度的小雨（10mm 以下）、中雨（10-25mm）、大雨（25-50mm）類型的降雨進行徑流控制效果評估。表1 數(shù)據(jù)顯示：按設施規(guī)劃設計，長歷時降雨量47.6mm 以下的降雨，單體設施的徑流控制效果良好，均為100%不出流，監(jiān)測調蓄量約3.33 立方米，滿足設計要求。同時，也發(fā)現(xiàn)，部分降雨歷時較短，雨強強度較大的降雨場次對設施的雨水徑流削減有影響，集中雨量不能及時入滲或有效滯蓄，如36.8mm、降雨歷時12.18 小時、平均雨強3.02mm 時，徑流控制率為90%。

表1 不同降雨場次下的雨水花園徑流控制率

在面源污染削減方面，設計要求非集中降雨（降雨超過4 小時）時，該雨水花園可控制70%以上相應匯水范圍27.4mm 體積下的雨水徑流污染物（主要指SS）。分析了與表1 降雨量相對應的雨水花園污染物削減情況，數(shù)據(jù)顯示：按設施規(guī)劃設計，長歷時降雨量47.6mm 以下的降雨，單體設施的面源污染削減效果良好，均為100%削減（100%不出流），最大污染物削減量達到0.5kg，可以看出污染物在瓦礫材質的屋面上的富集并不明顯，污染程度相對較低。部分降雨歷時較短，雨強強度較大的降雨場次對設施的徑流污染物（SS）削減有影響，集中雨量不能及時入滲或有效滯蓄，如36.8mm、降雨歷時12.18 小時、平均雨強3.02mm 時，面源污染削減率為75%。從上述數(shù)據(jù)結果看來，設施仍有調蓄余量，雖然徑流控制、污染物削減實際效果優(yōu)于設施規(guī)劃設計目標，但也側面反應出了目前的雨水花園存在設計規(guī)模與相應匯水面積不完全匹配的問題（設施規(guī)模偏大，匯水面積偏?。?，后節(jié)將就設計規(guī)模與匯水面積的相互關系進行分析討論。在植物長勢方面，花園內主要種植鳶尾屬植物，枝葉呈葉劍型，常生長于沼澤或淺水層中，屬耐旱又耐淹植物。花園建設后，每周定期組織專人進行植物養(yǎng)護運維，養(yǎng)護內容主要包含：植物修剪、綠化補植和灌溉、雜物清理、營養(yǎng)液噴灑等。截止目前，該設施中的植物生長狀態(tài)良好，滿足植物養(yǎng)護要求。綜上，經現(xiàn)場實地觀測和監(jiān)測評估，該雨水花園建設效果初步滿足既定的規(guī)劃設計要求，但其設計參數(shù)仍存在一定的優(yōu)化空間。

4 設計參數(shù)優(yōu)化

雨水花園的設計參數(shù)優(yōu)化研究目的在于合理控制設施設計規(guī)模，避免項目投資浪費，并通過優(yōu)化設施的主要設計參數(shù)提高相應的利用效率?？紤]雨水花園建設效果影響因素眾多，本研究采用單一變量控制方式進行試驗，研究內容包含：規(guī)模與匯水面積配比、調蓄深度、結構層設置、植物搭配方面。

4.1 設計規(guī)模與匯水面積配比

采用5m2（小型）、15 m2（中型）、30 m2（大型）三種建設規(guī)模的雨水花園開展試驗研究，雨水花園的結構與圖1 雨水花園示意圖一致，降雨采用人工模擬（均勻降雨），通過改變一定時間內的人工降雨量大小來模擬匯水區(qū)域的產流流量變化，試驗效果控制參數(shù)為調蓄容積。經試驗，雨水花園建設規(guī)模與相應匯水面積的比例應在5%-10%間為宜。按控制降雨量27.4mm 計算，5m2雨水花園對應調蓄容積最大可達1.35m3，相應匯水面積約50m2。15m2雨水花園對應調蓄容積最大可達4.1m3，相應匯水面積約150m2。30m2雨水花園對應調蓄容積最大可達7.8m3，相應匯水面積約300m2。

4.2 調蓄深度

使用規(guī)模為15m2的雨水花園進行調蓄深度測試試驗，調蓄深度預設置為25cm、30cm、35cm，匯水面積150 m2，觀測不同降雨量下的設施實際調蓄容積。經試驗，25cm 蓄水深度的雨水花園在27.4mm、30mm、35mm 降雨下的滯蓄容積分別為4.1m3、4.12m3（有溢流）、4.14m3（有溢流）。30cm 蓄水深度的雨水花園在27.4mm、30mm、35mm 降雨下的滯蓄量分別為4.1m3（存在調蓄余量）、4.52m3、4.55m3（有溢流）。30cm 蓄水深度的雨水花園在27.4mm、30mm、35mm 降雨下的滯蓄量分別為4.1m3（存在調蓄余量）、4.52m3（存在調蓄余量）、5.25m3。綜上，可得出，深度25cm時最大調蓄容積4.1m3（對應降雨量27.4mm），深度30cm 時最大調蓄容積為4.52m3（對應降雨量27.4mm）。將雨水花園深度加深5cm 可增加調蓄容積0.4 m3。若進一步加深雨水花園蓄水深度，則結構層總深度將超過1.4m，將進一步增大開挖難度及投資，故建議將相似雨水花園的蓄水深度初步設置在25-30cm，宜選用30cm。

4.3 結構層及植物配置

原狀結構層由下至上分別為原狀土層、350mm 厚礫石層、100mm 厚度中砂隔離層、500 厚種植土換土層、100mm 厚覆蓋層，設計蓄水層250mm。試驗主要針對厚度、過濾介質選擇2 個方面開展了研究工作。選用瓜子片、煤灰渣、沸石三種材料與礫石材質進行污染物過濾能力對比試驗，結果表明：對于SS 削減，同樣層厚去除效果瓜子片＞煤灰渣＞沸石＞礫石。除設計蓄水層可加深至300mm 外，其余結構層厚度基本可維持原狀。在植物配置方面，鳶尾、馬藺、千屈菜均可起到相近的固著污染物、凈化水質，提升花園觀賞效果的效果。

5 結論

本文對青島某海綿化改造小區(qū)內的新建雨水花園單體綠色設施的建設效果進行了綜合評估，并結合試驗適當優(yōu)化了相關設計參數(shù)。經評估，新建雨水花園基本滿足項目規(guī)劃設計要求，但其在建設規(guī)模、深度、介質材料使用等設計參數(shù)仍有優(yōu)化空間。當雨水花園建設規(guī)模與匯水面積比例在1：5-1：10 間，蓄水深度25-30cm 時，雨水調蓄及污染物凈化能力比現(xiàn)狀提高約10%-15%。同時，可選用瓜子片、煤灰渣等替代部分介質層，能適當提高結構層滲水、過濾和污染物凈化能力。在植物配置方面，結合青島本地氣候條件，雨水花園中的植物宜優(yōu)先選擇耐淹、抗旱且有一定污染物凈化能力的植物，如鳶尾、馬藺、千屈菜等。