上海地区雨水花园结构对降雨径流水文特征的影响
臧洋飞 / ZANG Yang-fei陈 舒 / CHEN Shu车生泉* / CHE Sheng-quan
摘 要：雨水花园是海绵城市构建过程中最基本、最适用的低影响设施技术之一，其结构特征是发挥自然式雨洪管控功能的关键。针对上海地区雨水径流的水文特点，通过室内人工模拟控制实验，运用正交实验方法，分析不同结构的雨水花园(包括填料类别、填料层厚度、排水层厚度)对降雨径流水文特征的影响(出流洪峰延迟时间、总削减率、渗透率、蓄水率)。结果表明，结构因素对出流洪峰延迟时间及径流总削减率的影响大小顺序为：填料层种类>填料层厚度>排水层厚度；对渗透率影响大小顺序为：填料层种类>填料层厚度>排水层厚度；对蓄水率影响大小顺序为：填料层厚度＞排水层厚度＞填料层填料；适宜上海地区以洪峰延迟及径流总量削减为主要目的的最优雨水花园结构是：沸石作为填料层填料，厚度为30~50cm；砾石作为排水层填料，厚度为20~30cm。
关 键 词：风景园林；海绵城市；雨水花园；结构；径流；水文特征
文章编号：1000-6664(2016)04-0079-06
中图分类号：TU 986 文献标志码：A
收稿日期：2015-07-24； 修回日期：2015-10-16
基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目“乡村自然生态系统保护与修复技术研究及示范”(编号2015BAL02B01)资助
Abstract: Rain garden is the most basic and the most suitable low-impact facilities technologyin the construction of sponge city, and its structural feature is key to the functioning of naturalstormwater management and control.In order to select suitable rain garden structure for Shanghai area, with high storage capacity structural parameters, the rainfall simulation and orthogonal experiments were operated according to the hydrological characteristics of runoff, which will promote the technology selection for the sponge city. The impactsof diverse raingarden structure (improved planting soil, gravel, zeolite, fly-ash block) on runoff, such as outflow peak delay, total runoff reduce rate, rain garden permeability rate, rain garden storage rate,were analyzed. Theresults show that, the ranking for factors influencing outflow peak delay and runoff reduce rate is type of filter layer, thickness of filter layer and thickness of drainage blanket, respectively. The impact for type of filter layer on permeability rate is higher than others. While for the one on storage rate, the thickness of filter layer is the highest. As a result, the suitable and functional raingarden structure for storing runoff at Shanghai areais of 30-50cm zeolite filter layer and 20-30cm drainage layer.
Key words: landscape architecture; sponge city; rain garden; structure; runoff; hydrological characteristics
目前，城市雨洪灾害已成为制约地区生态发展的核心问题之一[1]，主要表现为“雨岛效应”和“混浊岛效应”，主要原因是城市地表不透水面积比例不断增加，雨水自然下渗量减少，地表径流系数增大等，进而导致市政排水系统的负荷加重[2]。一种既能够在确保城市排水防涝安全的前提下，又最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护的城市雨洪管控即海绵城市建设迫在眉睫[3]。而作为海绵城市建设核心技术之一——雨水花园，是一种模仿自然界雨水渗滤功能且行之有效的旱地雨水径流调蓄技术[4]。其可有效减少城市地表径流峰值，延缓市政排水压力，同时也能起到净化地表径流水质、促进雨水下渗、改善局部小气候、提升城市宜居度的功能[5]。
目前，国内对雨水花园的研究主要集中在径流污染的去除效果方面[5]，如雨水花园在不同降雨事件中对于总磷、总氮等污染物的去污能力研究等[6]；但对不同结构参数下雨水花园对径流水文改善能力差异的研究较少，而针对上海地区地下水位高、土壤黏度大、降雨中等特殊状况[7]提出的适宜性雨水花园的结构参数研究能够为上海地区雨水花园的设计实践和海绵城市建设奠定理论基础[8]。为此，通过室内人工模拟控制实验，运用正交实验设计方法，分析雨水花园中对水文改善影响较大的主要结构指标(填料种类、填料层厚度、排水层厚度)对径流出流洪峰延迟时间、总削减率、渗透率、蓄水率等水文特征的影响[9-12]。同时，结合上海地区的水文现状(降雨量充足、地下水位高、径流系数大[13])及雨洪管控目标，提出适用于上海地区的雨水花园结构层的优化设计参数，为上海地区雨水花园的设计、建设和管理提供技术支撑。
1 模拟试验设计
1.1 正交实验
1.1.1 因素设置
根据相关雨水花园结构研究[2]，结合上海地区现状，设置因素A填料层填料、因素B填料层厚度和因素C排水层厚度3种对雨水花园径流水文特征影响较大的结构参数作为研究因素，各因素选5个水平进行正交试验(表1)，选用L25(56)表设计实验，每组重复3次。
1.1.2 材料选择
因素A中，单位体积改良种植土分别由50%粒径为0.35~0.5mm黄沙、30%上海市闵行区黄色粉质黏土、15%泥炭、5%有机肥混合而成；瓜子片粒径1~2cm；沸石粒径1~2cm；砌块砖I以及砌块砖II的主要成分为粉煤灰，粒径分别为2~4cm和5~7cm。因素C由粒径为1~2cm的砾石构成。
1.2 模拟实验
1.2.1 模拟装置
自制5组模拟雨水花园实验装置(图1)，装置由模拟降雨器及雨水花园装置两部分组成。模拟降雨器包括水箱、可调控水泵、流量计、入水口、喷头及支架；雨水花园装置包括7个结构层，其中填料层和排水层为变量，常量从上到下依次为蓄水层(15cm)、植被层(吉祥草Reineckia carnea)、覆盖层(3cm，铺设粒径为1~2cm的砾石)、土壤层(25cm改良种植土)、过渡层(铺设2层土工布)及蓄水层上部的溢水口和排水层下部的渗水设施(渗水管、出水口与集水器)。
1.2.2 雨量设计
参照上海地区近30年降雨事件变化特征[7]，设计降雨量为h模拟=16.1mm/h，装置底面积a为1 600cm2，k值为20[6]，根据公式(1)得出进入模拟进水量Q模拟为14.3ml/s。
Q模拟=h模拟·a·k (1)式中：Q模拟——雨水花园模拟设施的模拟进水量；
a——仪器底面积；
k——雨水花园服务面积与其设计面积比值。
1.3 数据处理
模拟降雨时，调节水泵进水量为14.3ml/s，每分钟测一次集水器中出水体积V出流，持续降水60min，记录60次出流体积。同时，观察是否有溢流情况，如有，记录每分钟溢流径流体积V溢流。每组实验重复3次。如60min实验过程中，可取到相对稳定的最大V出流值，则到达该值所用时长记为本次实验出流洪峰延迟时间T洪峰(单位为min)；若60min内未达V出流的相对稳定最大值，则持续降水直至达到该值为止。每组实验重复3次。
总削减率
η总为在1h的实验内总进水量Q总入与通过渗流设施流出体系的总径流量Q总出的差值占进水量Q总入的比例，计算公式为：η总=[(Q总入-Q总出)/Q总入]·100% (2)式中
η总——总削减率；Q总入——总进水量；
Q总出——通过渗流设施流出体系的总径流量。
采集不同结构渗透率、蓄水率等相关数据时，调节进水量为14.3ml/s，每分钟测一次集水器中出流体积V出流2，持续降水60min，即记录60次每分钟出流体积。同时，观察是否有溢流情况，如有，记录每分钟溢流径流体积V溢流2。每组实验重复3次。
60min内，如出现溢流，且可取到相对稳定的最大V出流2
值，则可计算该结构的渗透率Kmax；若60min内未出现溢流、或未达到V出流2的相对稳定最大值，则缓慢增加单位时间进水量并持续降水直至取到该值为止。雨水花园的渗透率Kmax(单位为m/d)为该结构参数雨水花园体系内所蓄积的径流在相对饱和情况下出流的下渗速率，即持续溢流情况下，体系内径流的下渗率。计算公式为：
式中：Kmax——雨水花园渗透率；
Vmax——相对稳定的最大V出流2值；
t——收集Vmax所用时间；
a——仪器底面积。
雨水花园蓄水率
θmax是指该结构参数在径流相对饱和的情况下体系内存在的径流占体系总体积的比例，即当该雨水花园出现持续溢流情况时，且可取到相对稳定的最大V出流2值，到此刻流入体系的总进水量Q累积入与总出水量Q累积出的差值占雨水花园总体积V结构的比例。其计算公式为：θmax=[(Q累积入-Q累积出)/V结构]·100% (4)式中：
θmax——雨水花园蓄水率；Q累积入——取到相对稳定的最大V出流2值时刻流入体系的总进水量；Q累积出——取到相对稳定的最大V出流2值时刻流入体系的总出水量，包括渗流及溢流两部分出水量；
V结构——雨水花园总体积。
通过SPSS18.0软件对试验结果进行方差与极差分析，找出三因素分别对径流洪峰延迟时间、总削减率、渗透率、蓄水率影响的显著性及影响排序；应用Tukey HSD a，b方法对同一因素不同水平间的实验结果进行两两比较，分析不同水平间的差异显著性。
2 结果分析
2.1 雨水花园不同结构参数对出流洪峰延迟时间的影响
2.1.1 不同因素对出流洪峰延迟时间影响的显著性分析
对不同试验组的出流洪峰延迟时间进行方差分析，结果表明，因素A、B、C的Sig.值均小于0.01。可见填料层填料、排水层厚度及填料层厚度对出流洪峰延迟时间的影响都极显著(表2)。进行三因素极差分析可知，因素A、B、C的极差依次为25、21、13。因此，出流洪峰延迟时间的影响排序为：填料层填料＞填料层厚度＞排水层厚度。
2.1.2 不同因素水平对出流洪峰延迟时间的差异性分析
应用Tukey HSD a，b方法对因素间不同水平两两比较得知(图2)，因素A中沸石对出流洪峰延迟时间最长为49min，瓜子片和砌块砖II对出流洪峰延迟时间较短，分别为26、25min。原因可能是瓜子片孔隙度低、蓄水空间有限；而砌块砖II孔隙度过高，易吸水饱和，且粒径较大，材料之间空隙大，对径流下渗过程产生的阻力较小，因此对洪峰延迟时间较短。沸石和改良种植土处于中间水平，所以延迟洪峰产生时间的效果较好。因素B中当填料层厚度为50cm时，延迟时间最长为43min，厚度为10cm时，延迟时间最短为23min，二者正相关趋势较为明显。但考虑到上海地区地下水位较高，所以留出30cm种植空间外，在填料层厚度的选择上应尽量不超过50cm。因素C中排水层厚度在20~30cm时延迟洪峰效果明显好于其他厚度，此时对洪峰延迟时间约为39min，而厚度低于20cm时约为26min。
2.2 雨水花园不同结构参数对径流总削减率的影响
2.2.1 不同因素对径流总削减率影响的显著性分析
对不同实验组径流总削减率进行方差分析，结果表明，因素A、B的Sig.值均小于0.01，即填料层填料以及填料层厚度对径流总削减率的影响都极显著。而因素C的Sig.值大于0.05，表明排水层厚度对于径流总削减率没有显著影响(表3)。进行三因素的极差分析，因素A、B、C的极差依次为28、14、4，因此对径流总削减率的影响排序为：填料层填料＞填料层厚度＞排水层厚度。
2.2.2 不同因素对径流总削减率的差异性分析
用Tukey HSD a，b方法两两比较得知(图3)，因素A中沸石对径流总削减率最高为43%，其次改良种植土为28%，其余填料材料对径流总削减率较低，均未达到20%。可能的原因是沸石相较于其他填料具有较高的表面粗糙度，同样厚度下径流在其内部下渗速率较其他材料慢；因素B中在填料层厚度为50cm时对径流总削减率最高为33%，厚度为10cm最低为19%。可能的原因是随着填料层厚度的增加，径流体在同样的压强下所产生的阻力也相应增加；因素C中排水层厚度变化对径流总削减率影响较小。可能是因为对径流的滞留主要发生在填料层，而排水层的作用较为微弱。
2.3 雨水花园不同结构参数渗透率的分析
2.3.1 不同因素对雨水花园渗透率影响的显著性分析
对不同实验组的雨水花园渗透率进行方差分析，结果表明，因素A、C的Sig.值均小于0.01，即填料层填料以及排水层厚度对雨水花园渗透率影响极显著。而因素B的Sig.值大于0.05，即填料层厚度对于雨水花园渗透率无显著的影响(表4)。进行三因素极差分析，因素A、B、C的极差依次为37、8、19。因此对雨水花园渗透率的影响排序为：填料层填料＞排水层厚度＞填料层厚度。
2.3.2 不同因素对雨水花园渗透率的差异性分析
用Tukey HSD a，b方法进行两两比较得知(图4)，因素A中沸石对径流渗透率最高为70m/d，砌块砖II次之为65m/d，瓜子片最低为34m/d。可能的原因是瓜子片在5种填料中孔隙率最低，其内部泥沙成分造成的干扰较大，所以径流在其内部下渗速率较慢，而其他4种材料的渗透率较好；因素B中填料层厚度对雨水花园渗透率无显著影响，原因是在设计降雨量较大并且蓄水层满溢的情况下所产生的水压也相对较大，而填料层厚度的变化对体系内正在下渗的径流黏滞能力较材料本身的变化和排水层厚度的变化弱；因素C中当排水层厚度介于20~25cm时渗透率较高可达63m/d，厚度为30cm时最低仅为43m/d。
2.4 雨水花园不同结构参数蓄水率的分析
2.4.1 不同因素对蓄水率影响的显著性分析
对不同实验组蓄水率进行方差分析，结果表明，因素A、B、C的Sig.值均小于0.01，可见填料层填料、排水层厚度以及填料层厚度对蓄水率的影响都极显著(表5)。进行三因素极差分析，因素A、B、C的极差依次为7、9、8，则对雨水花园蓄水率的影响排序为：填料层厚度＞排水层厚度＞填料层填料。
图3 不同因素在不同水平下对总削减率的影响
图4 不同因素在不同水平下对雨水花园渗透率的影响
2.4.2 不同因素对雨水花园蓄水率的差异性分析
用Tukey HSD a，b方法对因素间不同水平两两比较得知(图5)， 因素A中砌块砖II对雨水花园蓄水率最高为36%，砌块砖I对雨水花园蓄水率最低为28%。可能的原因是砌块砖的粒径为3~5cm，即堆积密度较小，且其具有较高的孔隙率，在雨水花园体系内蓄水能力相对饱和的情况下，同样厚度下堆积密度越小、孔隙率越大则其所能蓄水的空间越大；因素B中填料层厚度为10cm时蓄水率最高可达36%，而厚度为40cm最低则为28%。可能的原因是在其他结构层蓄水量相同的情况下，填料层厚度的增加导致总体积增加，而填料层相对于其他层相对蓄水量的贡献率较低；因素C中当排水层厚度为15cm时最高为35%，厚度为30cm时最低为26%。
图6 适用于上海地区雨水花园结构模式构建
3 基于影响因素的雨水花园适宜模式构建
根据正交实验的结果，构建适宜上海降雨条件的雨水花园模式(图6)。综合考虑上海地区降雨特征及安全问题，蓄水层设置为15cm；为防止周边径流对雨水花园内部结构造成冲击破坏，应在边缘处设置碎石堰堤；种植层表面3cm厚的砾石能够有效防止水分蒸发以及径流冲刷；溢水口、溢水管及排水管是保证整个系统能够正常运行的重要组成部分，建设完成后应指派专员定期进行检查，以免暴雨时期造成堵塞，影响雨水花园正常运行；植物种植层应选择抗性和适应性较强的草本植物，如花叶芒、狼尾草、黄菖蒲、吉祥草、八宝景天、佛甲草、细叶芒、香菇草等。
不同结构层厚度、排水层厚度对雨水花园功能的发挥有着明显的影响。以1h内雨强为16mm/h短时暴雨情况下面积为30m2雨水花园为例，当沸石填料层厚度为50cm、砾石排水层厚度为20cm时，其能够有效处理周边600m2径流系数为接近1的硬质汇水区域，延缓洪峰到来的时间约为43min；对汇水区域径流削减率约为34%；此时的渗透率可达61m/d; 能够有效蓄积汇水区域约31.3%的径流量。
4 结论与讨论
本研究与相关雨水花园对水文特征影响研究具有一定的差异性及一致性。孙艳伟、魏晓妹等人的研究发现，生物滞留池的面积占汇水面积15%时，可削减80%的径流量[14]。本模拟研究中径流总削减率可达43%；唐双成、罗纨在西安进行屋面雨水花园径流试验时发现，蓄水层深度为20cm，渗透率为2.346m/d[15]。本实验中渗透率为34~80m/d，远高于唐双成等的实验结果；李家科、李亚等雨水花园的径流情况进行监测与数据分析的结果显示，在2~20年一遇的降水条件下，径流总削减率为25.7%~42.0%[16]。潘国艳、夏军等的实验发现，其自制的生物滞留池的径流总削减率约为13%~48%，洪峰削减率可达71%，洪峰延迟时间平均为26min，并且其小流量的洪峰延迟时间高达32min[17]。本实验中总径流削减率为15%~43%，洪峰延迟时间为26~49min，与上述李家科、潘国艳等人的研究结果较为相似。
研究结果表明，雨水花园结构因素对出流洪峰延迟时间影响大小顺序为：填料层种类>填料层厚度>排水层厚度；沸石对出流洪峰延迟时间最长，厚度为50cm时最佳，排水层最佳厚度为20~30cm；对径流总削减率影响大小顺序为：填料层种类>填料层厚度>排水层厚度；对总削减率最优的填料是沸石，厚度为50cm时最佳; 对渗透率影响大小顺序为：填料层种类>排水层厚度>填料层厚度；对雨水花园渗透率最优的填料是沸石，其厚度在30cm时最佳；最优的排水层厚度为20~25cm；对蓄水率影响大小顺序为：填料层厚度＞排水层厚度＞填料层填料；当砌块砖II在厚度为10~20cm时雨水花园蓄水率最优，此时最优排水层厚度为10~25cm。综合考虑，上海是一个雨量充足、地下水位高地区，运用雨水花园的主要目的是延迟洪峰时间及削减洪峰，因此适宜上海地区的最优雨水花园结构组合推荐采用沸石作为填料层填料，厚度为30~50cm，砾石排水层厚度为20~30cm。
本次研究主要针对上海地区水文条件及土壤结构状况设计的实验，能够及时为上海海绵城市建设提供一定参考依据，同时也能为其他区域雨水花园研究提供方法上的借鉴。在不同区域设计雨水花园时，应根据当地土壤、水文特性，降雨条件等因素，有针对性地调整雨水花园的结构参数，以达到海绵城市建设基本目标。研究中主要探讨的是基质的结构参数对水文特征的影响，由于在室内环境下进行条件控制的模拟实验，实验无法完全反应自然降雨过程，而地表植物根系对降雨径流的水文特征、水质污染削减有重要影响，将在自然降雨条件下对不同基质结构对水文特征影响、雨水花园植物对降雨径流水文特征、水质污染削减的影响及筛选等方面进行深入的研究。
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作者简介：
臧洋飞/1990年生/男/江苏宿迁人/上海交通大学在读硕士研究生/研究方向为景观设计，生态规划设计(上海 200240)
陈 舒/1989年生/女/山东青岛人/上海交通大学在读硕士研究生/研究方向为景观生态设计(上海 200240)
车生泉/1968年生/男/山东临沂人/博士/上海交通大学农业与生物学院园林科学与工程系教授，博士生导师/研究方向为生态规划设计，生态保育与修复/本刊编委(上海 200240)