干旱区城市雨水花园建设探析

付恒阳， 李小燕

(1.陕西理工大学 历史文化与旅游学院，陕西 汉中 723000；2.秦巴环境与旅游开发协同创新中心，陕西 汉中 723000)

快速城市化被认为是改变区域水循环的最主要因素[1]。城镇化快速发展的直接结果是城市不透水面积的增加，导致雨水径流量激增、水体污染等诸多水生态和水环境问题[2]。为了改进地表环境，同时实现对雨水的可持续管理，近年来，基于低影响开发(Low Impact Development，LID)的雨水管理方法被许多国家接受和实施[3]，并被视为控制非点源雨水污染和自然水文恢复最有前景的方法[4]。

雨水花园是LID主要措施之一。该技术主要利用生态系统来储存、处理和渗透地表径流[5]。已知的雨水花园生态效益包括减少地表径流量，减少径流对收纳水域的污染，减少大规模的雨水排水系统的需求，有效提高城市的大型降水事件期间的洪水控制能力，扩大城市绿色空间和美化市容等[6-7]。目前，一些学者对雨水花园的设计进行了专门研究[8-14]，但有关干旱气候条件下的雨水花园设计的相关论述却鲜有报道，不利于干旱区可持续的雨水管理。

本文在植物生理学、生态学等相关理论的基础上，结合文献研究，探讨基于生态学的、能够适应干旱气候的、同时能够有效处理雨水径流并利用雨水作为主要灌溉源的雨水花园设计，旨在为干旱区雨水花园建设提供理论借鉴。

1 干旱区城市雨水花园建设的必要性

近些年来我国西北部干旱地区城镇化发展迅速。随着城市的发展，不透水面积的不断扩大对地方和区域范围内的水文产生了深远影响；城市人口的不断增加导致草坪及花园灌溉用水量增加，加重了城市用水负担，给城市水管理带来极大挑战。在一些干旱地区，降雨虽少，但比较集中，且有时多发强降雨，导致城市洪涝灾害时有发生。为有效减轻城市化对区域水文的负面影响，亟需进行可持续的雨水管理。

在干旱区域，原生态系统对人为影响的恢复弹性较小[15]，其生态修复又受到缺水和植物生长困难的制约[16]。基于生态学的雨水花园设计是可持续雨水管理方法的一种，也是恢复干旱区生态系统的有效途径。作为传统园林绿化的替代方案，雨水花园的实施可以通过创造一个漂亮的无灌溉景观来减轻干旱地区的供水压力，从而实现有限水资源的科学利用。同时，在干旱气候下采用基于绿色基础设施(Green Infrastructure，GI)的雨水管理方法，可以减少径流对周围水体造成的物理和化学性损害，从而保护该地区稀缺的地表水资源。

2 干旱区城市雨水花园设计

2.1 植物的选择原则

首先，干旱区雨水花园的植物选择应主要考虑植物的耐旱和耐寒性。因为不耐旱的植物在干旱气候条件下，低土壤水分与低大气含水量相结合，导致植物的叶-大气界面和根-土壤界面两者之间极端水势梯度的出现，植物木质部导管或管胞中会产生气穴化(Cavitation)现象[17]。不耐寒的植物在越冬过程中植物脉管内会结冰，冰晶会导致木质部低压气泡的形成，或者冰晶可以将溶解的气体浓缩至超过饱和点，产生气泡，引起气穴化现象。如果植物输水通道被气穴化所破坏，植物将会失去从土壤中吸收水分的能力，即使土壤水分充足，但运输中断，植物也会死亡[18]。

其次，干旱区雨水花园建设时，应尽量选择本地生长的植物。因为干旱区植物群落在进化过程中通过生理上的自适应以避免木质部的气穴化现象。寒冷干旱区的植物常通过落叶避免冬季霜冻的危害；一些常绿灌木采用其他方式过冬，如增加叶片的脱落酸(ABA)抑制植物生长，使植物进入休眠期，以降低冻害的发生，或增加植物体内不饱和脂肪酸的含量以提高抗寒性；也有一些植物用厚树皮保护木质部，以减少结冰的风险；有些植物在冬季受冻害后，在春季通过积极的根压作用重新填充木质部[19]；生长在干旱区的一些植物通过生理上的自适应能够在生长季节的春季进行光合作用并获取水分，然后在气候干燥的月份关闭水分运输，从而避免夏季极端水势梯度造成的气穴化风险。

再者，干旱区雨水花园应选择根系发达的植物。植物的抗旱能力通常与植物的根系有很大关系[20]。适宜于干旱气候的植物最常见的生根模式有两种：或具有大而深的根，或具有浅且广泛的根系[21]。在干旱区，一些植物根部很深(如我国西北生长的柽柳的根深超过10 m；生长20年以上的苜蓿，主根可深达16 m)。这些深根植物在夏季长时间干旱和季节性干旱条件下，通过利用深层土壤水依然茁壮成长[22]；有些干旱区的植物通过在较浅的土壤层中发育广泛的根系(如红柳)，在生长季节迅速捕获和利用小型降水事件[23]。一些灌木既有深根也有浅而广泛的根系(如连翘)，当不需要水分来驱动光合作用或气体交换时，兼有深根和浅根的灌木在晚上将水从深层土壤输送到干燥的浅层土壤中，第二天，这些水可被自身或邻近的植物所利用。干旱区雨水花园选择根系发达植物的另一个原因是植物根的生长与土壤中的丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungus，AMF)密切相关。随着植物根长度的增加，与AMF相互作用的机会也随之增加[24]，进而增加了根系吸收营养物质的能力，有助于在干旱气候中维持植物的存活[25]。

最后，为提高雨水花园的雨水处理能力和抗旱潜力，干旱区雨水花园设计中应将深根植物与浅根植物相结合。一些根系发达的浅根草本植物在每个生长季节可以重新生长多组根[17]。随着根部的再生和翻转，土壤中产生了许多小通道，使地表径流快速下渗，这极大地减少了积水时间，提高了雨水捕获效率。另外，密集的根系也形成了一个与AMF相互作用的网络，在径流通过时起到稳定土壤和过滤的作用；与浅根草本植物相比，根深灌木或乔木可以吸收浅根草本植物无法获得的深层水分，同时，深根植物可以把深层土壤水吸收到表层土壤，有助于浅根植物的存活[26]。

根据以上原则，表1给出了适宜于干旱区雨水花园的植物种类，鉴于不同植物对于环境适应性不同，雨水花园建设中植物的选取需因地制宜。

表1 适宜于干旱区雨水花园种植的植物

续表

2.2 构造设计

图1 干旱区雨水花园设计示意图

基于国内外学者关于雨水花园的设计要求[8-14]，结合干旱区特殊气候条件，遵循经济、实用的原则，建议干旱区雨水花园的设计构造如图1所示，从上到下包括：砾石覆盖层，深度5～10 cm；种植层，深度30～50 cm；人工填料层，深度50～70 cm。

2.2.1 覆盖层

为了提高系统的渗透能力以及径流污染物的吸收性能，在干旱区雨水花园设计时，需要在上部铺设覆盖层[27]。现实中经常使用树皮为覆盖物，但是，在干旱区，树皮覆盖物常会被大风吹走，需经常更换。与树皮相比，直径5～10 cm的砾石一般不需要更换，并且在多数降雨事件下不易被冲走，后期也很少需要维护。此外，干旱区蒸发强烈，浅色的砾石覆盖物可以增加地面反射率，有助于降低覆盖区域的表面温度，从而减少水分的蒸发[28]。故使用浅色砾石作为覆盖层可降低维护成本，并能延长雨水花园的使用寿命。

2.2.2 种植层

为了帮助植物发育广泛的根系，促进植物根系与AMF的相互作用和营养物的吸收，雨水花园应铺设30～50 cm的种植层。为保证种植层较高的渗透率，干旱区雨水花园的种植层应采用渗透率较好的沙壤土。一般情况下，本地土壤足以满足本土植物种植，且使用本地土壤可以降低项目建设成本。如果本地土壤粘土含量高，则可以在本地土壤中添加沙子以提高土壤的渗透性。

2.2.3 人工填料层

为了实现径流的快速下渗，雨水花园中需要铺设人工填料层，以允许大量的雨水短时间储存在占地面积有限的雨水花园系统内并快速渗透到地下。Hsieh等[29]认为，用膨胀页岩、陶粒等密度较轻的介质组成的人工填料层取代由沙子或沙壤土组成的“过滤层”，是实现雨水快速下渗的有效途径。雨水通过人工填料层，经暂时储存后缓慢渗入下面的自然土层并储存起来。深根植物的根可以穿过人工填料层，进入自然土层，以便在干旱季节吸收水分。

人工填料层的深度与雨水花园的功能和成本密切相关。首先人工填料层的深度不易过小，因为雨水花园需要一定深度的人工填料层在春季储存并渗透足够的融雪径流，以维持植物整个夏季的用水需求；另外，一些干旱气候区降雨比较集中，且时有强降雨发生，加上当地城市化导致的径流量和径流体积的增加，雨水花园设计中更需要一定深度的人工填料层储存雨水并促使雨水快速下渗。其次，人工填料层不易过深，因为随着深度的增加，与挖掘和购买填充材料相关的成本也会增加，最为关键的是，人工填料层过深可能会导致干旱区某些植物的根无法穿过人工填料层，从而无法获取深层土壤的水分和养分。结合Hsieh等[29]的研究，建议人工填料层的深度以50～70 cm为宜。

2.3 雨水花园面积计算

目前国内外雨水花园面积的计算方法主要有基于汇水面积的比例估算法、蓄水层有效容积法、基于达西定律的渗透率法[10]。其中最简单的方法是汇水面积比例估算法，其公式为

Af=Adβ，

(1)

式中Af为雨水花园的表面积(m2)，Ad为汇流面积(m2)，β为雨水花园表面积与其汇流总面积的比值(当汇流区域均为不透水路面时，β取值0.05～0.10)。

向璐璐等[10]在总结国外雨水花园面积计算方法的基础上，结合国内的具体情况，提出了基于完全水平衡法的雨水花园面积计算公式：

(2)

式中Af为雨水花园的表面积(m2)，Ad为汇流面积(m2)，H为设计降雨量(按照设计要求决定，单位换算为m)，φ为径流系数，df为雨水花园的深度(包括种植层和人工填料层，m)，K为土壤的渗透系数(m/s)，T为计算时间(按照一场降雨120 min计)，h为蓄水层设计平均水深(m)，hm为最大蓄水高度(m)，fv为植物横截面积占蓄水层表面积的百分比，n为种植层和渗滤层的平均孔隙率(一般取值0.3左右)。

基于汇水面积的比例估算法的优点是简便、易操作，但精度不高，要求工程人员经验丰富。无论是蓄水层有效容积法、基于达西定律的渗透率法，还是完全水平衡法，虽然精度能得到提高，但需要的参数较多，不易操作，故具体的雨水花园的面积设计，可根据场地实际情况对相关计算公式作适当的修正。

2.4 维护与管理

为保证雨水花园的径流削减率及其他生态服务功能，应采取相应的措施进行定期维护。在雨水花园建成后第一年的干旱季节，要求每周都要灌溉，以帮助植物根系发育到可以吸收足够深的土壤水分。一年后，当植物存活并生长良好后，无需每周灌溉，只需在干旱严重情况下适当浇水。每年冬季对种植的丛生草进行修剪，使其高度维持在10 cm，这将有助于其下一个生长季节的新芽生长。另外，对死亡或遭受破坏的植被及时补种、定期松土以及淤泥清理也是必要的维护措施。具体维护措施见表2。

表2 雨水花园维护清单

3 讨论

要想实现低影响开发的目标，雨水花园的设计与建造应遵循生态学的基本原理[20]。由于水热条件制约，在干旱区域的雨水花园设计中，无论是植被选择还是内部构造，都不能完全照搬湿润区雨水花园的相关设计。

刘晶晶等[30]研究认为，为了提高植物成活率和尽可能减少灌溉用水需求，干旱区雨水花园建设中应采用抗旱、耐寒、耐贫瘠、适应性强、根系发达的植物。除此之外，本研究认为，在植物选取中，为充分利用地下水资源，应采取浅根草本植物和深根灌木或乔木相结合的方式；前人的研究[8-14]中，覆盖层多采用树皮为覆盖物，本研究认为，为了减少水分蒸发，并防止不必要的杂草迅速消耗土壤水分，可用浅色砾石替代树皮，这不仅有助于减少系统的维护费用，还可以增加场地的反射率，从而降低覆盖区的表面温度，减少水分的蒸发；种植层设计时，为避免过多的营养物随径流进入水体，以及实现雨水花园较好的下渗效果，需要检测所用土壤的孔隙率、入渗率、所含成分等主要数据，为土壤设计提供详实的科学依据[20]。臧洋飞等[31]、Brown等[32]实验发现，人工填料层的填料以及填料层深度对蓄水率的影响显著。在干旱区雨水花园设计时，为增加人工填料层的储水量和渗透率，可以采用密度较轻的膨胀页岩或陶粒。在人工填料层的深度方面，前人的研究中普遍认为人工填料层的深度一般为60～120 cm[10-13]，本研究建议填料层的深度为50～70 cm，主要是考虑到应有利于干旱区植物对深层土壤水的吸收和利用。

需要说明的是，雨水花园建设应与现有的市政设施紧密衔接，项目建设不能过分强调径流量消减和控制，应做到与已建成市政管道的衔接，使得场地原有雨水管道得以充分利用。另外，雨水花园建设应与城市规划、景观规划等大尺度的布局相结合，从宏观角度去协调和整合各个市政规划，发挥各个市政工程的综合效益。

4 结语

本研究讨论了干旱气候下雨水花园建设中植物的合理选择，阐述了覆盖层、种植层、人工填料层的设计要求，以及建设面积的计算和系统的维护问题，旨在为干旱区雨水花园的科学建设提供理论借鉴。干旱区雨水花园的设计不能照搬湿润区的雨水花园设计标准，必须建立在生态学的基础上，充分考虑植物的生存机理、自适应机理以及区域的水文特征。只有合理的植物选择和科学的构造设计才能保证雨水花园的可持续性，才能有效维护干旱区脆弱的城市生态系统。