雨水花园建设效果评估与设计参数优化

武春生 任鹏飞 郭大炜 张孟强 苏晋国 田海鹏

（1、北京雨人润科生态技术有限责任公司，北京100089 2、北京建工建筑设计研究院，北京100044 3、北京建筑大学，北京100044 4、青岛市李沧区城市管理局，山东 青岛266100）

1 概述

海绵城市是在借鉴国外低影响开发（LID）等模式成功经验基础上，通过构建源头削减- 过程控制- 末端治理的综合性策略，并采取绿灰结合的综合工程技术措施来解决目前我国城市发展普遍遇到的涉水问题[1]。目前，海绵城市建设已在我国多个地区实施，其对区域性的内涝缓解、水环境提升、水资源利用等成效明显。在这些涉水问题中，尤其以径流冲刷城市硬化下垫面产生的污染物对城市整体水环境质量影响最为突出。据相关文献报道，我国部分城市硬化下垫面径流污染贡献率在城市水体总体污染负荷比例中高达40%以上, 合理对源头的硬化区域进行低影响开发改造成了有效控制径流和面源污染削减的重要技术措施。雨水花园作为LID 设施的一种，可有效强化城市源头径流控制与污染削减效果，但从建设效果来看，不同的设施规模、调蓄深度、结构层等配置对滞蓄效果均有显著影响[2]。本文对已建成的雨水花园进行了效果评估，并通过试验适当优化了主要的设计参数，可在一定程度上优化设施配置及提高相应的利用效率。

2 概况

选取青岛市某海绵化改造建筑小区中的新建雨水花园作为设施建设效果和参数优化的研究对象。该雨水花园设计规模约15m2，周边环境由瓦砾屋面材质的低层住宅和少量绿地构成。按设计要求，设施主要收集屋面及周边绿地径流雨水，汇水范围约70m2，可调蓄容积约2m3。本地典型花园雨水花园设计结构示意如下图所示, 结构层由下至上分别为原状土层、350mm 厚砾石层、100mm 厚中砂隔离层、500 厚种植土换土层、100mm 厚覆盖层，设计蓄水层250mm（图1）。

本文主要从区位选择、径流控制、污染物削减、植物长势4个层面综合评估雨水花园建设后的运行效果。区位选择指在设施布局、雨水组织及汇水范围等方面的合理性选择。降雨径流控制指不同降雨情况下的设施径流调蓄能力。污染物削减指不同类型的径流污染物经设施截留净化的程度。植物长势指植物选择及生长情况。其中，径流控制及污染物削减结合在线监测数据进行评估，污染物削减的污染物主要指悬浮物（SS）。

图1 雨水花园结构及现场图

在设施设计参数优化方面，主要通过在室内模拟降雨及设施径流预处理，并采取单一变量的试验方法开展相关研究工作，研究变量主要有：降雨量、汇水面积、设计规模、滞蓄深度、结构层（厚度及介质材料）、植物配置。

3 建设效果评估

该雨水花园位于普通住宅楼前，设施未实施时为普通绿地，海绵化改造的主要内容是将屋面下的雨落管断接，将降雨屋面径流引入楼前新建雨水花园滞蓄、净化。通过降雨时对现场的实地观察，新建雨水花园设置位置合理，主要用于调蓄建筑屋面径流，且汇水边界清晰、设施汇水顺畅，基本满足设计要求。在径流控制方面，设计要求非集中降雨（降雨超过4 小时）时，该雨水花园可100%控制相应汇水范围27.4mm 以下体积的雨量。选取若干场不同降雨强度的小雨（10mm 以下）、中雨（10-25mm）、大雨（25-50mm）类型的降雨进行径流控制效果评估。表1 数据显示：按设施规划设计，长历时降雨量47.6mm 以下的降雨，单体设施的径流控制效果良好，均为100%不出流，监测调蓄量约3.33 立方米，满足设计要求。同时，也发现，部分降雨历时较短，雨强强度较大的降雨场次对设施的雨水径流削减有影响，集中雨量不能及时入渗或有效滞蓄，如36.8mm、降雨历时12.18 小时、平均雨强3.02mm 时，径流控制率为90%。

表1 不同降雨场次下的雨水花园径流控制率

在面源污染削减方面，设计要求非集中降雨（降雨超过4 小时）时，该雨水花园可控制70%以上相应汇水范围27.4mm 体积下的雨水径流污染物（主要指SS）。分析了与表1 降雨量相对应的雨水花园污染物削减情况，数据显示：按设施规划设计，长历时降雨量47.6mm 以下的降雨，单体设施的面源污染削减效果良好，均为100%削减（100%不出流），最大污染物削减量达到0.5kg，可以看出污染物在瓦砾材质的屋面上的富集并不明显，污染程度相对较低。部分降雨历时较短，雨强强度较大的降雨场次对设施的径流污染物（SS）削减有影响，集中雨量不能及时入渗或有效滞蓄，如36.8mm、降雨历时12.18 小时、平均雨强3.02mm 时，面源污染削减率为75%。从上述数据结果看来，设施仍有调蓄余量，虽然径流控制、污染物削减实际效果优于设施规划设计目标，但也侧面反应出了目前的雨水花园存在设计规模与相应汇水面积不完全匹配的问题（设施规模偏大，汇水面积偏小），后节将就设计规模与汇水面积的相互关系进行分析讨论。在植物长势方面，花园内主要种植鸢尾属植物，枝叶呈叶剑型，常生长于沼泽或浅水层中，属耐旱又耐淹植物。花园建设后，每周定期组织专人进行植物养护运维，养护内容主要包含：植物修剪、绿化补植和灌溉、杂物清理、营养液喷洒等。截止目前，该设施中的植物生长状态良好，满足植物养护要求。综上，经现场实地观测和监测评估，该雨水花园建设效果初步满足既定的规划设计要求，但其设计参数仍存在一定的优化空间。

4 设计参数优化

雨水花园的设计参数优化研究目的在于合理控制设施设计规模，避免项目投资浪费，并通过优化设施的主要设计参数提高相应的利用效率。考虑雨水花园建设效果影响因素众多，本研究采用单一变量控制方式进行试验，研究内容包含：规模与汇水面积配比、调蓄深度、结构层设置、植物搭配方面。

4.1 设计规模与汇水面积配比

采用5m2（小型）、15 m2（中型）、30 m2（大型）三种建设规模的雨水花园开展试验研究，雨水花园的结构与图1 雨水花园示意图一致，降雨采用人工模拟（均匀降雨），通过改变一定时间内的人工降雨量大小来模拟汇水区域的产流流量变化，试验效果控制参数为调蓄容积。经试验，雨水花园建设规模与相应汇水面积的比例应在5%-10%间为宜。按控制降雨量27.4mm 计算，5m2雨水花园对应调蓄容积最大可达1.35m3，相应汇水面积约50m2。15m2雨水花园对应调蓄容积最大可达4.1m3，相应汇水面积约150m2。30m2雨水花园对应调蓄容积最大可达7.8m3，相应汇水面积约300m2。

4.2 调蓄深度

使用规模为15m2的雨水花园进行调蓄深度测试试验，调蓄深度预设置为25cm、30cm、35cm，汇水面积150 m2，观测不同降雨量下的设施实际调蓄容积。经试验，25cm 蓄水深度的雨水花园在27.4mm、30mm、35mm 降雨下的滞蓄容积分别为4.1m3、4.12m3（有溢流）、4.14m3（有溢流）。30cm 蓄水深度的雨水花园在27.4mm、30mm、35mm 降雨下的滞蓄量分别为4.1m3（存在调蓄余量）、4.52m3、4.55m3（有溢流）。30cm 蓄水深度的雨水花园在27.4mm、30mm、35mm 降雨下的滞蓄量分别为4.1m3（存在调蓄余量）、4.52m3（存在调蓄余量）、5.25m3。综上，可得出，深度25cm时最大调蓄容积4.1m3（对应降雨量27.4mm），深度30cm 时最大调蓄容积为4.52m3（对应降雨量27.4mm）。将雨水花园深度加深5cm 可增加调蓄容积0.4 m3。若进一步加深雨水花园蓄水深度，则结构层总深度将超过1.4m，将进一步增大开挖难度及投资，故建议将相似雨水花园的蓄水深度初步设置在25-30cm，宜选用30cm。

4.3 结构层及植物配置

原状结构层由下至上分别为原状土层、350mm 厚砾石层、100mm 厚度中砂隔离层、500 厚种植土换土层、100mm 厚覆盖层，设计蓄水层250mm。试验主要针对厚度、过滤介质选择2 个方面开展了研究工作。选用瓜子片、煤灰渣、沸石三种材料与砾石材质进行污染物过滤能力对比试验，结果表明：对于SS 削减，同样层厚去除效果瓜子片＞煤灰渣＞沸石＞砾石。除设计蓄水层可加深至300mm 外，其余结构层厚度基本可维持原状。在植物配置方面，鸢尾、马蔺、千屈菜均可起到相近的固着污染物、净化水质，提升花园观赏效果的效果。

5 结论

本文对青岛某海绵化改造小区内的新建雨水花园单体绿色设施的建设效果进行了综合评估，并结合试验适当优化了相关设计参数。经评估，新建雨水花园基本满足项目规划设计要求，但其在建设规模、深度、介质材料使用等设计参数仍有优化空间。当雨水花园建设规模与汇水面积比例在1：5-1：10 间，蓄水深度25-30cm 时，雨水调蓄及污染物净化能力比现状提高约10%-15%。同时，可选用瓜子片、煤灰渣等替代部分介质层，能适当提高结构层渗水、过滤和污染物净化能力。在植物配置方面，结合青岛本地气候条件，雨水花园中的植物宜优先选择耐淹、抗旱且有一定污染物净化能力的植物，如鸢尾、马蔺、千屈菜等。