上海海绵城市建设：雨水资源综合利用

针对上海市城市降雨条件及城乡绿地的雨洪调蓄需求,提出了适于上海地区的海绵城市构建的3种雨水花园模式,分别为调蓄型雨水花园、净化型雨水花园与综合功能型雨水花园。其中,调蓄型雨水花园适用于地表径流较多、但径流污染较轻的场地;净化型雨水花园适用于硬质化程度高,径流污染严重的区域;综合功能型雨水花园适用于径流量较大且污染较严重的区域。

调蓄型雨水花园应具有较好的径流水文方面的改善能力。采用计分方法筛选了对水文特征(出流洪峰延迟时间、洪峰时刻累积径流削减率、总削减率、渗透率、蓄水率)改善能力较强的结构参数:填料层填料为沸石,其分数最高为4．3;填料层厚度50 cm最好,得分为2．25;排水层厚度30 cm最好,得分为1．75。因此,建议采用沸石作为填料层填料,填料层厚度为50 cm,排水层厚度为30 cm的结构参数来构建对水文特征改善能力较强的调蓄型雨水花园。

净化型雨水花园应具有较好的改善水质的能力。同样采用计分方法筛选了对水质改善能力(对COD、TN、TP去除能力)较强的结构参数:最适合的填料层填料为瓜子片,其分数最高为4．33;填料层厚度50 cm最好,得分为2．08;排水层厚度30 cm最好,得分为2．17。因此,建议采用瓜子片作为填料层填料,填料层厚度为50 cm,排水层厚度为30 cm的结构参数来构建对水质改善效果较强的净化型雨水花园。

综合功能型雨水花园既具有良好的水文、水质改善能力,并且造价相对较低,适于大范围的推广和使用。为了构建功能型雨水花园,采用计分方法来筛选雨水花园的结构参数。由于雨水花园主要的功能为就地滞留雨水,因此水文、水质方面的权重分别确定为70%、30%。水文方面的取值为前文关于具有改善水文特征功能的雨水花园结构参数评价表加权后得分,水质方面的取值为前文基于径流水量及水质改善的雨水花园结构参数评价表加权后得分(表4-47)。

表4-47　基于径流水量及水质改善综合功能的雨水花园结构参数评价

适用于上海城市社区的功能型雨水花园应用模式的结构筛选计分结果显示,综合能力最好的填料层填料为沸石,其分数最高为3．81,其次为改良种植土,分数为1．83;填料层厚度50 cm最好,得分为2．2;排水层厚度30 cm最好,得分为1．89。但由于沸石材料的造价相对较高,不利于功能型雨水花园的大范围推广。因此,建议采用改良种植土作为填料层填料,厚度为50 cm,排水层厚度为30 cm,构建适用于上海城市社区的功能型雨水花园。

1．调蓄型雨水花园设计参数及应用模式

调蓄型雨水花园可以在暴雨、大暴雨甚至特大暴雨的情况下快速下渗雨水径流,因此适用于地表径流较多,但径流污染较轻的场地,如公园绿地。调蓄型雨水花园结构包括:预处理设施、蓄水层、覆盖层、种植层、过渡层、填料层、排水层和溢流设施。应在雨水花园四周安置简易预处理设施,可将砾石覆盖于其环形边坡上,用来防止暴雨情况下导致的水土流失和结构层破损。蓄水层为0．2 m厚,种植层采用由50%粒径0．35～0．5 mm黄沙、30%黄色粉质黏土、15%泥炭、5%有机肥按比例混合均匀而成改良种植土;在种植层表面铺设3 cm厚粒径为1 cm左右的砾石或者有机覆盖物作为覆盖层,防止雨水花园渗透速率过快导致的干旱情况。过渡层由中砂铺设而成,过渡层厚度一般为5～10 cm,中砂的粒径0．35～0．5 mm为宜(表4-48)。

此外,根据模拟实验的分析结果,为了提升雨水花园的调蓄能力,填料层应采用沸石,填料层厚度为0．5 m,排水层铺设粒径为1～2 cm的砾石,厚度以0．3 m为宜。站直流设施包括贯穿蓄水层厚度方向的溢流管和位于雨水花园底部的溢流排水管,溢流管与溢流排水管是连通的。溢流管具有溢流口,溢流口上常安装有孔隙大小为1～2 cm的蜂窝型挡板,蜂窝型挡板高出蓄水层12～17 cm,溢流管的管径为12～17 cm。溢流排水管具有1%～3%的坡度,溢流排水管的较高的一端与溢流管连通,较低的一端与附近的排水支管或雨水井连通。同时,调蓄型雨水花园可以与导流设施串联,从而形成分散联系的绿色基础设施系统。例如,在绿地中设置植草沟、明沟、暗沟等传输装置连通至雨水花园中,增加流入雨水花园的径流量(图4-48、表4-48)。

图4-48　应用于公园绿地的调蓄型雨水花园剖面

表4-48　调蓄型雨水花园的结构参数

2．净化型雨水花园设计参数及应用模式

净化型雨水花园可以较小的面积处理较大汇流面积所收集的径流,且对污染严重的径流有非常良好的处理能力,因此其可以应用于广场、道路、停车场等污染较严重的区域。净化型雨水花园在特定的场地中可以与导流设施串联,从而起到更好的协同作用。例如,在道路与人行道的交接处可在路牙处设置雨水筐子,快速地引导雨水径流流入雨水花园,提升雨水花园对道路上产生的雨水径流的处理效率。

净化型雨水花园的结构包括:预处理设施、蓄水层、覆盖层、种植层、过渡层、填料层、排水层、渗水设施和溢流设施。应在雨水花园四周安置初期雨水弃流装置,将前15 min汇集的雨水径流直接排放至污水管网。蓄水层为0．2 m厚,种植层采用由50%粒径0．35～0．5 mm黄沙、30%黄色粉质黏土、15%泥炭、5%有机肥按比例混合均匀而成改良种植土雨水花园应用于其中;在种植层表面铺设3 cm厚粒径为1 cm左右的砾石或者有机覆盖物作为覆盖层,防止雨水花园渗透速率过快导致的干旱情况。过渡层由中砂铺设而成,过渡层的厚度一般为5～10 cm,中砂的粒径以0．35～0．5 mm为宜。调蓄型雨水花园在暴雨情况下的预计功效见表4-49。

表4-49　调蓄型雨水花园在暴雨情况下的预计功效

续表

此外,根据模拟实验的结果,为提升雨水花园对径流中污染物的净化功能,填料层采用瓜子片,填料层厚度为0．5 m。排水层建议铺设粒径为1～2 cm的砾石,厚度以0．3 m为宜。雨水花园的渗水设施由渗水管和渗水排水管构成;渗水管位于排水层的底部,常采用直径为100 mm的穿孔管,经过系统处理过的雨水径流由穿孔管收集进入渗水排水管,渗水排水管具有1%～3%的坡度,渗水排水管较高的一端与渗水管连通,较低的一端与附近的排水支管或雨水井连通,也可收集净化后的雨水径流进行再利用。溢流设施包括贯穿蓄水层的厚度方向的溢流管和位于雨水花园底部的溢流排水管,溢流管与溢流排水管是连通的。溢流管具有溢流口,溢流口上常安装有孔隙大小为1～2 cm的蜂窝型挡板,蜂窝型挡板高出蓄水层12～17 cm,溢流管的管径为12～17 cm。溢流排水管具有1%～3%的坡度,溢流排水管较高的一端与溢流管连通,较低的一端与附近的排水支管或雨水井连通(表4-50、表4-51、图4-49)。

表4-50　调蓄型雨水花园的结构参数

表4-51　净化型雨水花园在暴雨情况下的预计功效

(www.xing528.com)

续表

图4-49　应用于道路绿地的净化型雨水花园剖面

3．综合型雨水花园设计参数及应用模式

综合功能型雨水花园是对径流在流量与水质两方面处理能力都非常好的生态技术。因此适用于径流量较大且污染较严重的区域,可以应用于公园绿地中带状公园、街旁绿地以及居住小区绿地。综合功能型雨水花园可以与导流设施串联,如将居住小区建筑落水管直接或者通过植草沟等设施连通至雨水花园中,增加雨水花园对径流量的处理率(图4-50)。当雨水花园用于承接屋面雨水径流或者建筑立面冲刷产生的径流等情况时,可在雨水花园预处理设施前端加设引流设施,引流设施可采用明沟、暗沟、植草沟等形式。此外,雨水花园也可以很好地与其他生态设施进行合作,如可渗透铺装、蓄水塘、屋顶花园等。

图4-50　居住小区建筑落水管与雨水花园的连通效果

综合功能型雨水花园的结构包括:预处理设施、蓄水层、覆盖层、种植层、过渡层、填料层、排水层、渗水设施和溢流设施。应在雨水花园四周安置简易预处理设施,可将砾石覆盖于其环形边坡上,用来防止暴雨情况下导致的水土流失和结构层破损。蓄水层为0．2 m厚,种植层采用由50%粒径0．35～0．5 mm黄沙、30%黄色粉质黏土、15%泥炭、5%有机肥按比例混合均匀而成改良种植土雨水花园应用于其中;在种植层表面铺设3 cm厚粒径为1 cm左右的砾石或者有机覆盖物作为覆盖层,防止雨水花园渗透速率过快导致的干旱情况。过渡层由中砂铺设而成,过渡层的厚度一般为5～10 cm,中砂的粒径为0．35～0．5 mm为宜。根据模拟实验的结果,兼顾调蓄与净化功能且经济可行填料层可采用改良种植土,厚度为0．5 m。排水层建议铺设粒径为1～2 cm的砾石,厚度以0．3 m为宜(表4-52)。

表4-52　综合功能型雨水花园的结构参数

续表

渗水设施由渗水管和渗水排水管构成;渗水管位于排水层的底部,常采用直径为100 mm的穿孔管,经过系统处理过的雨水径流由穿孔管收集进入渗水排水管,渗水排水管具有1%～3%的坡度,渗水排水管较高的一端与渗水管连通,较低的一端与附近的排水支管或雨水井连通,也可收集净化后的雨水径流进行再利用。溢流设施包括贯穿蓄水层厚度方向的溢流管和位于雨水花园底部的溢流排水管,溢流管与溢流排水管是连通的。溢流管具有溢流口,溢流口上常安装有孔隙大小为1～2 cm的蜂窝型挡板,蜂窝型挡板高出蓄水层12～17 cm,溢流管的管径为12～17 cm。溢流排水管具有1%～3%的坡度,溢流排水管的较高的一端与溢流管连通,较低的一端与附近的排水支管或雨水井连通(图4-51、表4-53)。

图4-51　居住小区绿地中综合功能型雨水花园剖面

表4-53　综合功能型雨水花园在暴雨情况下的预计功效

续表

此外,上海地区雨水花园的设计与建设过程中植物选择应考虑安全性、植物抗性和适应性及观赏效果。其中,安全性包括生态安全性和社区居民的安全性。例如,尽可能采用复层群落结构,提升雨水花园生态系统的稳定,更好地抗病虫害并抵御外来物种侵略。优先选择乡土植物,以保证成活率,降低对后期维护的要求。但是,外来植物物种在试验驯化的前提下可以谨慎选用。另一方面,当雨水花园设置在游人或者市民会经常经过,甚至接触到的地方时,应设置必要的隔离植物,并且避免使用有刺、有毒植物或是容易引发过敏反应的植物。

雨水花园中应用的植物应选择根系发达、净化能力强的植物。研究表明,生长速度快、生物量大的植物净化水体和抗污染能力更好。在此进程中,植物根系的生长状况对其去污抗污能力有非常显著的影响,并且植物根系越发达,其净化能力越强。同时植物根系可以吸收土壤中累积的地表径流污染物,恢复土壤的吸附、净化能力。另外,植物发达的根系可以防止在雨水冲刷过程中出现倒伏现象。但是,雨水花园中也不适合使用根系过长的植物,以避免其根系的生长穿过过渡层,破坏填料层和排水层,甚至堵塞排水层中的渗水管,导致雨水花园的渗透、排水能力下降。

雨水花园应选择耐涝、耐旱、抗污染、抗病虫害的植物。因为其雨水处理净化消纳系统是全年连续运作的旱地生态系统,植物要经历丰水期和枯水期。为了保证雨水花园全年都能运行,应选择既耐涝又有一定抗旱能力的植物。同时,因为植物根系有时要接触浓度较高且变化较大的污染物,如各种沉积物、营养物、油污、重金属等,所选用的植物应抗水污染。又因,雨水花园在积水的情况下易滋生蚊虫,所以应该选择具有抗病虫害能力的植物。

同时,雨水花园应选择季相特征明显的或者姿态优美、有质感的植物从而提高观赏性,避免过多使用单季生长的植物。若降低养护成本,可在雨水花园内种植多年生常绿植物,搭配部分季相特征明显的植物。同时,可选择蜜源植物吸引昆虫和小动物,在城市营造富有自然野趣的景观群落。