居住区“雨水花园”基础理论研究

但 茁，许砚梅

（中南大学建筑与艺术学院，湖南长沙 410000）

1 居住区“雨水花园”相关概念界定

1.1 居住区的概念界定

《城市规划基本术语标准》将居住区定义为：“城市中由城市主要道路或自然分界线所围合，设有与其人口规模相应的、较完善的，能满足该区居民物质与文化生活所需的公共服务设施的相对独立的居住生活聚居地区[1]。

居住区按照其规模可以分为3个级别，分别为：居住区、居住小区、住宅组团[2]。

1.2 雨水花园

雨水花园既是一种具备雨水收集、雨水下渗、雨水净化为主要功能的雨水处理设施，同时又是一种具备良好景观观赏价值、拥有丰富生物多样性的景观绿地，其主要用来收集建筑屋面、道路的雨水径流，主要目的是达到对雨洪的控制（径流量和径流污染），并实现对雨水的有效利用。

2 居住区“雨水花园”的功能

2.1 雨水管理功能

2.1.1 调节径流，缓解城市内涝。城市居住区出现了大面积的不透水铺装，大大减少了雨水的下渗率，土地的自然渗水能力被城市雨水管网取代。这种做法导致城市形成大量的地表径流，集中降雨时使径流短时间达到峰值形成洪峰，在排水不畅的区域引发城市内涝。

2.1.2 雨水下渗。雨水在雨水花园汇集后，通过土壤渗透到地表下，补充地下水源，重新参与到自然水的循环中。雨水的渗透包括自然渗透和设施渗透。自然渗透指降水在重力作用下通过土壤深入地下，植物的根系可以吸收、保留雨水。

2.1.3 雨水收集。雨水花园的设计可以增设雨水收集存储装置，将时空不连续、不稳定的雨水储存起来，成为城市供水的水源之一，用于城市消防、绿地灌溉、水景供水、路面清洁等。

2.2 生态性功能

2.2.1 改善小气候。通过雨水花园中植物的蒸腾作用可以调节环境中空气的湿度和温度，改善小气候环境。2.2.2增加生物多样性。通过合理的植物配置，雨水花园能够为鸟类、昆虫提供良好的栖息环境，增加生物多样性。

2.2.3 净化水质。城市空气污染导致雨水中含有硫化物、氮氧化物等污染物，雨水降落在城市硬质表面也会受到城市垃圾、汽车排放物的污染，雨水花园能够有效地去除径流中的悬浮颗粒、有机污染物以及重金属离子、病原体等有害物质[3]。水质净化是雨水花园的重要功能。通过雨水花园将地表径流进行初步过滤和沉淀，主要包括物理净化、植物净化、土壤净化。

3 居住区“雨水花园”的设计步骤

3.1 场地径流分析与设计

3.1.1 径流分析。建造居住区“雨水花园”，第一步是要对居住区的场地竖向进行分析，进而确定雨水径流的方向，最终划分场地的汇水区域，确定雨水花园的选址。

3.1.2 设计水流路径。①周边建筑屋面的雨水：通过屋面雨水收集系统进入到雨水花园当中，主要利用雨水导流管。②地表径流：通过地形和帮助收集雨水的系统，将地表径流汇流至雨水花园内，雨水经过植物和土壤净化下渗到地下，雨水多的时候进入地下储水箱，用来存储循环用水。③溢流：降雨量特别大的时候多余的雨水通过市政排水系统排掉。其溢流口接入市政排水口，多余的雨水从溢流口流出。

3.2 土壤渗透系数测定

通过以上的场地径流分析，可以确定场地内需要布置雨水花园的区域，接下来，需要对布置雨水花园区域的土壤渗透系数进行测定，在测定的过程中，可以选择区域内典型的地点，获取土壤渗透系数数据。如果土壤可以基本满足雨水入渗的要求，就无需置换土壤；相反，则需要对土壤进行置换，来提高土壤的渗透性。

3.3 雨水花园的计算与设计

国内学者向璐璐（2008）等[4]结合我国大部分城市雨水径流的实际情况（污染严重，需要设法减少径流量和污染物总量），提出了完全水量平衡法，考虑了渗透、过滤和滞留3个方面的因素。

假定雨水花园服务的汇流范围内的径流雨水首先汇入雨水花园（当一般雨水花园面积占全部汇流面积的比例较小，即直接降落到雨水花园本身的雨水量较少时，可忽略不计），当水量超过雨水花园集蓄和渗透能力时，开始溢流出该计算区域，此时，在一定时段内任一区域各水文要素之间均存在着水量平衡关系，如式（1）所示。

其中公式（1）、（2）中所有字母的定义：V（m3）为计算时段内进入雨水花园的雨水径流量；U1（m3）为计算时段开始时雨水花园的蓄水量；S（m3）为计算时段内雨水花园的雨水下渗量；Z（m3）为计算时段内雨水花园的雨水蒸发量；G（m3）为计算时段内雨水花园种植填料层空隙的储水量；U2（m3）为计算时段结束时雨水花园的蓄水量；Q1（m3）为计算时段内雨水花园的雨水溢流外排量；Vw为计算时段开始与终了时雨水花园内蓄水量之差。

图1 雨水花园计算模型示意图[4]

通常，计算时段可以取独立降雨事件的历时，此时，由于蒸发量较小，Z可以忽略。而且在设计雨水花园时，一定设计标准对应的溢流外排雨水量可假设为0。如果计算时段开始与终了时雨水花园内蓄水量之差以Vw表示，即Vw=U2-U1（实际计算时可视时段开始时雨水花园无蓄水，即 U1=0）。即:Vw=U2,如式（2）所示。

根据完全水量平衡法的原理对居住区“雨水花园”面积进行估算，假定绿地起初无雨水，且蒸发量为零，则可由下式估算面积：

式中S屋面代表的是屋顶的面积（m2）；N指的是屋顶雨水输至雨水花园的比例（如4个雨落管仅1个接入雨水花园，则N为1/4）；φ1为屋面径流系数；S铺装——铺装面积（m2）；φ2——铺装径流系数；S绿地——绿地面积（m2）；φ3——绿地径流系数；R渗透——雨水花园渗透率，不低于12.5mm/h；T——设计时间，一般取24h；hm——蓄水层深度，100～250mm；H为设计降雨量[5]。

图2 雨水花园结构示意图[4]

4 居住区“雨水花园”的结构

4.1 构造要求

雨水花园的结构主要包括5个部分，依次是蓄水层、覆盖层、种植土层、人工填料层和砾石层、溢流装置层（或者穿孔管）（见图 2）[6]。

蓄水层深度是影响设施储水能力的主要因素，蓄水层越深，储水能力越强。早期的设计手册要求设施蓄水深度为150mm，马里兰州、特拉华州最新设计手册允许300mm、450mm的最大蓄水深度[7,8]。蓄水层积水深，积水时间长对植物的选择提出了更高要求，同时易造成蚊蝇滋生。一般要求积水在24h内排干，如蓄水深度增加则要求更高渗透能力；同时蓄水深度增加，不利于植物生长和景观质量。建议设计时选择最大蓄水深度为150～300mm，具体深度可根据当地降雨特性、原状土壤渗透性能选定。在土壤粘粒含量较高、渗透性能较差的地区，建议选取150mm作为最大蓄水深度[9]。覆盖层的深度通常取50～75mm，所用材料为树皮、木屑。种植土层用于维持植物生长，深度通常取75～300mm。填料层是雨水花园的主体部分，设施通过填料的物理、化学和其中微生物综合作用削减径流污染。早期的设计手册推荐用渗透速率较高的砂质土壤作为填料，美国马里兰州、卡罗莱纳州相继提出50%砂、30%土壤、20%有机质；85%～88%砂、8%～12%粘土和粉砂、3%～5%有机质作为改良填料[7,10]。对黏土含量高的土壤，需要添加大量砂以改善其渗透速率。土壤掺砂会降低土壤的保水能力，不利于植物生长。因此，除了向土壤添加砂以外，还应添加锯末、木屑等有机质，提高保水性能，提供适宜植物生长的条件。填料的组成对渗透速率有直接的影响。美国环保局要求设施渗透速率至少12.7mm/h，奥地利要求为36～360mm/h，澳大利亚要求为50～200mm/h[11]。研究认为初始渗透速率是雨水花园设计重要参数，长期运行后渗透速率为初始速率的1/2左右[8]。因此控制初始渗透速率在25.4mm/h以上才可保证12.7mm/h的最低标准。排水层常由砂或者砂砾组成，深度通常取150～300mm。

表2 各种土壤的最小吸水率 单位：mm/h

4.2 土质要求

适合建造雨水花园的土壤是砂土和砂质壤土。如果该地区的土壤为黏土和壤土，则能通过局部换土达到要求。可按以下比例配制：20%～30%的表层土；20%～30%的腐殖土；50%～60%的砂土和碎石[12]。

4.3 坡度及深度要求

以控制径流量为主的雨水花园的深度主要由土壤的渗透性能及地面坡度确定。土壤渗透性较好的深度为15cm左右，较差的为7.5cm左右；对于渗透性稍差的土壤来说，深度可以再适当减少[13]。

5 结语

居住区“雨水花园”设计在我国尚处于起步阶段，缺乏大量的理论和实践研究基础；而居住区“雨水花园”设计是一个系统且复杂的工程，需要广泛的、积累性的研究条件。故而本文对居住区“雨水花园”只进行了宏观的研究，未充分阐述其在工程技术方面的具体的、详细的设计方法，除此之外，本文仅探讨了雨水花园在居住区这一特定区域的运用，而国外的雨水花园研究已涉及到城市道路、学校、医院、广场、商业街等诸多方面。总而言之，雨水花园还有更广泛的研究空间和更高的运用价值，在我国具有广阔的应用前景。

（收稿：2018-03-13）

参考文献：

[1]张丹明.美国城市雨洪管理的演变及其对我国的启示[J].国际城市规划,2001

[2]白志远.W建设“海锦型城市”改善城市排水及生态环境的探索[J].探索,2014

[3]罗红梅,车伍,李俊奇,等.雨水花园在雨洪控制与利用中的应用[J].中国给水排水,2008,(06):48-52.

[4]向璐璐,李俊奇,邝诺,等.雨水花园设计方法探析[J].给水排水,2008,(06):47-51.

[5]余进.基于低影响开发理念的重庆市居住区“雨水花园”设计研究[D].四川农业大学,2016.

[6]张钢.雨水花园设计研究[D].北京林业大学,2010.

[7]Clar ML，Green R.Design Manual for Use of Bioretention in Stormwater Management[K].Dept of Environmental Re-sources Prince George’s County,MD,1993.

[8]Delaware Natural Resources and Environmental Control（DNREC）.Green Technology：The Delaware Urban Runoff Management Approach[K].Delaware Department of Natural Resources and Environmental Control，Division of Soil and Water Conservation Dover Del,2005.

[9]王建军,李田.雨水花园设计要点及其在上海市的应用探讨[J].环境科学与技术,2013,(07):164-167.

[10]Hunt W F,Lord W G.Bioretention Performance，Design，Construction and Maintenance,North CarolinaCooperative Extension[R].Raleigh,N.C,2006.

[11]Le Coustumer S,Fletcher T D，Deletic A，et al.Hydraulic performance of biofilter systems for stormwater management：influences of design and operation[J].Journal of Hydrology,2009,376（1-2）:16-23.

[12]毛雪萍.雨水花园在城市居住区景观中的应用[D].四川农业大学,2012.

[13]niversity of Wisconsin Extension and Wisconsin Department of Natural Resources.Rain Gardens:A household Way of Improve Water Qulity in Your Communit[M].Wisconsin:University of Wisconsin Extension.2002:6-7