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Design and Application of Rain Garden in Island Areas

花匠小妙招
2024-11-09 04:38

0 引言

中国是名副其实的“万岛之国”，而海岛地区海洋经济的发展加快了城市化进度，不透水地面面积迅速增大，加之海岛地区降雨集中，径流不能及时下渗快速汇聚一处，致使城市排水管网压力增大并可能引发洪涝灾害。经济发展的同时，海岛地区也面临着严重的水域污染问题［1］，海水倒灌现象频发，致使水质恶化咸化，土壤盐渍化严重，含盐度高的雨水直接下渗会严重污染地下水［2］，造成恶性循环。

近年来，天津、深圳等地区相继对其沿海区域的海绵城市建设模式进行探索，均提到沿海地区面临的环境问题［3］。雨水花园作为海绵城市建设的主要设施之一，是一种具有渗透结构的低洼地，它能有效减少雨洪灾害，净化雨水径流。Davis等［5］和唐双成等［6］研究表明雨水花园对降水事件的径流总量控制效果显著；蒋春博等［7］在西安市监测33场降雨，发现防渗型雨水花园水量控制率可达60%以上，并且雨水花园可净化径流，改善出水；芦昌兴等［8］设计9种小试雨水花园装置，发现雨水花园对径流中的COD、悬浮物、总氮、总磷去除效果显著；郭娉婷等［9］研究介质类型对生物滞留设施净化水质的影响，发现各种介质类型的设施对雨水径流有净化效果，出水均满足灌溉绿地的标准；Li等［10］研究发现生物滞留系统在不同因素影响下对氮磷污染物均有较好去除效果。雨水花园还能通过其结构层中砂层和砾石层的隔离作用以及其植被根系的净化作用防止土壤盐渍化［11］，因此雨水花园于海岛地区建设有其必要性。

然而，海岛地区雨水花园的设计经验不足，用于构建海岛型雨水花园的植物选择，填料优化等针对性研究稀少，设施进出水污染物浓度实时监测数据缺少，装置的运行效果鲜有评估。本研究在我国浙江省舟山海岛地区，收集相关资料，采用完全水量平衡法和室内优化实验设计构建海岛地区适应性雨水花园；现场监测4场不同降雨强度降水事件，采集径流数据，分析不同降雨强度下装置对径流的调控效果，实时监测装置进出水污染物浓度，生成污染物浓度变化特征图，评估其在海岛地区的运行效果，为雨水花园在海岛地区的设计应用提供实际参考。

1 研究区雨水花园设计与研究方法

1.1 雨水花园面积

研究区域位于浙江省舟山市嵊泗县（30°24′～31°04′ N，121°30′～123°25′ E），属亚热带海洋性季风气候，年平均气温为16.4 ℃，年平均降水量1 105.8 mm，降雨集中于春、夏两季，约占全年70%。雨水花园集水区为其周围的路面及屋顶，总面积约为522.16 m2。结合场地情况，根据《浙江省海绵城市规划设计导则（试行）》（以下简称《导则》），以嵊泗县的年径流总量控制率80%为目标，构建不仅能够净化雨水径流，还能进一步削减水量、峰值，实现无溢流现象的防渗型雨水花园。

完全水量平衡法的原理是当水量超过雨水花园集蓄和渗透能力时，开始溢流的一定时段内，系统任一区域各水文要素之间存在水量平衡关系。此方法用于雨水花园设计计算时，全面考虑雨水花园系统内的渗滤能力、蓄水层植物影响和空隙储水能力等因素，适用于以削量净污为构建目的的雨水花园面积计算［12］。因此本研究宜采用完全水量平衡法估算海岛型雨水花园面积，计算方法如

式（1）

：

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，m；ψ为综合径流系数，0.9；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，一般取0.2；n为种植土和填料层的平均空隙率，一般取0.3左右；df 为雨水花园的深度，一般包括种植土层和填料层，m。

查阅《导则》，当嵊泗县的年径流总量控制率设置为80%时，对应设计降雨量为25.3 mm，根据

式（1）

计算得雨水花园面积约为50 m2，与集水区面积比约为1∶10，研究区域及雨水花园平面图如

图1

。

图1 研究区域及雨水花园平面图

Fig.1 Layout plan of the study area and rain garden

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1.2 雨水花园结构优化

在室内进行植物及填料优化实验。根据嵊泗当地土壤盐碱特点设置盐碱度条件，如

表1

。

表1 盐碱度梯度表

Tab.1 Salinity gradient table

盐碱度1 盐碱度2 盐碱度3 盐碱度4 盐碱度5 盐碱度6 pH 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 盐度/% 0 0.25 0.50 0.50 1.23 2.04

1.2.1 植物优化

高盐碱胁迫对植物的生长、细胞膜及光合作用等均有不利影响［13］。对《导则》中推荐的旱伞草、美人蕉、马蔺和千屈菜4种植物进行抗盐碱实验，通过比较4种植物在不同盐碱度条件下的生长状况，叶绿素含量变化，相对电导率变化优选出抗盐碱的植物。实验表明：在低盐碱条件下，4种植物均生长良好，但在盐碱3～6条件下，除了旱伞草以外，其余植物均出现不同程度的枯萎老化现象；4种植物在盐碱1～5条件下叶绿素含量变化不明显，而在盐碱6阶段，美人蕉、马蔺和千屈菜叶绿素含量都急剧下降，严重影响光合作用的进行，旱伞草叶绿素含量在盐碱1～6条件下稳定在1.740～2.142 mg/g；此外，盐碱1～5条件下4种植物的相对电导率随都有缓慢增加，盐碱6阶段美人蕉、马蔺和千屈菜相对电导率突然急剧增加，会使植物细胞膜遭到破坏，加速植物衰老，而旱伞草相对电导率全阶段维持在15.03%～20.48%，展现了优秀的耐盐碱能力。

1.2.2 填料优化

海岛型雨水花园应选择在嵊泗土壤盐碱条件下对N、P均有稳定吸附能力的填料，以保证径流净化效率。填料优化实验选用常见的红壤、砂子、珍珠岩、膨胀蛭石、沸石和粉煤灰陶粒六种填料作N、P的等温吸附实验。分别取2 g填料放入100 mL氨氮（总磷）浓度为50 mg/L（25 mg/L）的溶液中，并按

表1

设置6个盐碱条件，放于25 ℃恒温震荡24 h，过滤后取上清液检测氨氮、总磷浓度。实验表明：在盐碱1～6条件下，6种填料对氨氮的吸附量均有不同程度的减弱，而沸石对氨氮的吸附量在每个盐碱阶段最多，吸附量为675.95～1 826.16 mg/kg，粉煤灰陶粒则表现得最为稳定，吸附量为492.38～632.08 mg/kg；6种填料在各盐碱条件下对总磷的吸附量变化不一，其中沸石和粉煤灰陶粒的吸附量为838.89～872.41、893.16～945.10 mg/kg，相比于其余4种填料表现得最为稳定，且吸附量较多。

1.2.3 雨水花园构造

综上室内优化实验，海岛型雨水花园主要种植旱伞草，设置15 cm蓄水层；种植土层采用90%当地土壤和10%营养土混合，25 cm；选用沸石、粉煤灰陶粒1∶1混合作为填料层，30 cm；采用砾石作为排水层，30 cm，其中布置直径10 cm的穿孔管（穿孔孔径2 cm），并在砾石层底部铺设防渗膜。前置池面积为20 m2，主要作用是削减径流对雨水花园主体部分的进水负荷，同时营造跌水的景观效应；雨水花园主体部分中央构建暗渠，利于穿孔管排放出水。

1.3 实验方法

雨水花园进出口径流流量采用流量计监测，自监测点产生径流后开始采样记录，采用5、10、15、30 min的时间间隔取样，每个样品体积约1 L。水质分析指标为悬浮固体（SS）、化学需氧量（CODcr）、氨氮（NH3-N）、硝氮（NO3-N）、总氮（TN）、磷酸盐（PO4 3+）和总磷（TP），检测方法均按照相对应的国家标准。

径流总量削减率（Rv ）、峰值削减率（Rp ）、滞峰时间（Td ）和径流污染物事件平均浓度（Event Mean Concentration，EMC）去除率（REMC ）计算公式分别为：

式中：Rv 为径流总量削减率，%；Vin 、Vout 为进/出流总量，L；Rp 为峰值削减率，%；Qin， max、Qout， max为进/出流峰值流量，L/min；Td 为滞峰时间，min；Tin， max、Tout， max为进/出流峰现时间，min；Ct 为进/出水t时的污染物浓度，mg/L；Qt 为t时刻的进/出水流量，L/min；Δt为时间间隔，min；REMC 为平均浓度去除率，%。

2 结果与分析

2.1 嵊泗县降雨特征

图2

统计了嵊泗县2008-2018年的降雨量数据，数据来源于CMADs气象数据集。统计的3 653 d内，降雨天数为1 920 d，嵊泗县降雨概率为52.56%。其中小雨（日降雨量0～10 mm）发生1 466 次，占降雨天数的76.35%；中雨（日降雨量10～25 mm）发生333次，占降雨天数的17.34%；大雨（日降雨量25～50 mm）发生101次，占降雨天数的5.26%；暴雨（日降雨量>50 mm）发生20次，占降雨天数的1.04%。嵊泗县小雨、中雨、大雨常有发生，暴雨事件在10年间仅发生20次，极为稀少。小雨虽最为常见，但在监测过程中，出水监测效果不佳，大部分小雨事件被雨水花园完全收纳不产生出水。因此本研究主要监测分析中雨、大雨的进出水流量变化及污染物浓度特征。

图2 嵊泗县2008-2018年降雨量统计图

Fig.2 The rainfall statistics of Shengsi County from 2008 to 2018

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2.2 径流总量控制

表2

列出监测期内4场降水事件的各项数据，场次1～4的降雨强度依次增大，监测期内未出现溢流现象。如

表2

所示，雨水花园对径流总量削减作用明显，分别为89.71%、81.43%、70.82%、64.60%，平均为76.64%。随着降雨强度变大，雨水花园的径流总量削减率随之减小，呈负相关的关系，这是因为装置的蓄水量是有限的，蓄水量占径流总量比例越大，削减作用越显著。场次1～4的峰值削减率为70.52%、88.13%、91.23%、89.15%，平均为84.75%，雨水花园对洪峰流量的削减极其有效。场次2～4的峰值削减率接近，推测雨水花园的峰值削减效果受降雨强度的影响不大，可能与降雨前土壤含水量有关［15］。

表2 4场降雨事件径流水量调控效果

Tab.2 Runoff control effect of 4 rainfall events

降雨

场次

起止时间

降雨量/

降雨历时/

min

降雨强度/

（mm·min-1）

产流时间/

min

滞峰时间/

min

峰值削减率/

径流总量

削减率/%

1 16∶15-17∶45 13.91 90 0.15 30 70 70.52 89.71 2 9∶35-10∶35 26.22 60 0.44 50 60 88.13 81.43 3 15∶00-16∶35 42.47 95 0.45 45 30 91.23 70.82 4 9∶30-10∶30 45.92 60 0.77 45 75 89.15 64.60

4场降水进出水流量变化规律基本一致，以接近雨水花园的设计降雨量的场次二进出水流量变化为例，如

图3

。由

表2

和

图3

可知，该装置有较好的“滞”效应，开始降雨后30～50 min雨水花园产流，并且降雨强度的越大，对雨水花园径流的产流时间影响越小；4场降水事件的滞峰时间为70、60、30、75 min，滞峰时间的监测可能会有误差，因设施出流流量稳定，变化不大，出流流量峰值出现时间难以精准监测。

图3 场次2降水事件

Fig.3 the second rainfall event

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2.3 污染物浓度特征

表3

是根据式（

）、（

）计算的场次1～4降雨事件进出水污染物浓度和EMC去除率；参照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），分析进出水各污染物浓度数据。

表3 进出水污染物浓度及其去除率

Tab.3 Concentration of pollutants in the inlet and outlet water and its removal rate

场次水质指标 SS COD NH3-N NO3-N TN PO4 3+ TP 1 EMCin /（mg·L-1） 31.46 30.30 0.34 0.39 0.84 0.02 0.02 EMCout /（mg·L-1） 4.47 16.20 0.10 0.20 0.31 0.01 0.01 REMC /% 85.78 46.52 70.22 48.12 63.32 71.58 61.59 2 EMCin /（mg·L-1） 34.55 38.23 0.83 0.57 1.59 0.02 0.04 EMCout /（mg·L-1） 6.12 11.86 0.27 0.21 0.75 0.01 0.01 REMC /% 82.30 68.97 67.55 63.60 52.45 63.43 77.42 3 EMCin /（mg·L-1） 35.87 22.35 0.62 0.62 0.98 0.02 0.11 EMCout /（mg·L-1） 7.27 15.40 0.29 0.14 0.46 0.01 0.02 REM C/% 79.74 31.13 53.32 77.90 52.75 60.84 84.04 4 EMCin /（mg·L-1） 50.97 42.45 0.91 0.54 1.29 0.05 0.11 EMCout /（mg·L-1） 9.58 33.09 0.22 0.16 0.44 0.02 0.02 REMC /% 81.20 22.04 75.71 70.14 66.02 65.10 82.78

2.3.1 SS、COD的去除特征

由图

、

和

表3

可见，四场模拟降雨SS去除率分别为85.78%、82.30%、79.74%和81.20%，平均去除率为82.26%，四场降雨事件的SS出水浓度变化规律基本一致，出流初期浓度偏高，而后减小逐渐稳定，这是因为雨水花园运行初期系统内原有的颗粒物会随径流流出，故而出水SS初期浓度偏高［15］。各场次雨水花园对COD的去除率分别为46.52%、68.97%、31.13%、22.04%，去除COD主要依靠填料吸附和植物截留，沸石的表面粗糙多孔有利于COD的去除［16］；但出水COD浓度为4.10～49.59 mg/L，该装置对出水COD浓度控制不佳，波动大，不稳定，部分出水水质劣于Ⅴ类水，甚至高于进水COD浓度；米秋菊［17］研究发现雨水径流中非溶解性COD多的情况下，径流中SS浓度和COD浓度呈正相关关系，而本实验SS与COD相关性不太明显，说明径流溶解性COD成分多，去除溶解性COD需要被填料吸附然后由微生物降解去除，而采用的沸石空隙大，径流流速快，微生物降解时间短［18］，致使COD出水浓度高。

图4 进出水SS浓度变化特征

Fig.4 Change characteristics of SS concentration in inlet and outlet water

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图5 进出水COD浓度变化特征

Fig.5 Change characteristics of COD concentration in inlet and outlet water

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2.3.2 氮类污染物去除特征

由图

～

和

表3

知NH3-N浓度去除率为70.22%、67.55%、53.32%、75.71%，平均去除率为66.70%；TN浓度去除率为63.32%，52.45%、52.75%、66.02%，平均去除率为58.64%。4场降水事件装置出水NH3-N、TN浓度特征均为出流浓度初期有点波动，之后趋于稳定。装置对NH3-N、TN净化能力显著，这与填料使用了部分沸石有关，沸石可依靠化学吸附、离子交换作用去除氮类污染物［19］。出流NH3-N、TN的浓度范围分别为0.02～0.47、0.09～1.23 mg/L，出水TN浓度优于Ⅲ类水所占很大比例，NH3-N出水甚至优于Ⅱ类水，该装置对NH3-N、TN有很好的控制效果。雨水花园对NO3-N的浓度去除率为48.12%、63.60%、77.90%、70.14%，平均去除率为64.94%，去除效果较好；但出水NO3-N浓度波动大，不稳定，出流浓度范围0.1～0.54 mg/L，说明雨水花园对NO3-N控制效果较差，主要原因是系统没有厌氧或缺氧条件促进反硝化过程［20］。

图6 进出水NO3-N浓度变化特征

Fig.6 Change characteristics of NO3-N concentration in inlet and outlet water

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图7 进出水NH3-N浓度变化特征

Fig.7 Change characteristics of NH3-N concentration in inlet and outlet water

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图8 进出水TN浓度变化特征

Fig.8 Change characteristics of TN concentration in inlet and outlet water

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2.3.3 磷类污染物的去除特征

图

、

及

表3

所示，PO4 3+浓度去除率为71.58%、63.43%、60.84%、65.10%，平均去除率为65.24%；TP浓度去除率为61.59%、77.42%、84.04%、82.78%，平均去除率为76.46%。雨水花园对径流中磷的削减与植物、微生物及填料有关，其中填料吸附所起的作用最大，部分研究［21］指出雨水花园对P的去除效果不太稳定。而本研究四场降水事件，TP、PO4 3+去除效果较为稳定，TP的出流浓度范围为0.004～0.030 mg/L，优于Ⅱ类水，这是因为种植土壤对磷的吸附是最有效的除磷方式，并且当种植土内营养土含量为 5%～15%的条件下，系统对TP有较好去除效果［22］。此外，磷的去除与填料吸附容量和磷本底值有关，当填料自身含有越多磷时，对径流中磷的吸附量就越少［23］，这也是四次实验出水TP浓度依次变大的原因。

图9 进出水PO4 3+浓度变化特征

Fig.9 Change characteristics of PO4 3+ concentration in inlet and outlet water

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图10 进出水TP浓度变化特征

Fig.10 Change characteristics of TP concentration in inlet and outlet water

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2.4 应用可行性分析

本海岛型雨水花园总造价及后期维护费用约为10.85万元，高于内陆雨水花园，原因如下：①嵊泗群岛远离大陆，运输难且费用高；②嵊泗县地形坡度较大，需人力挖掘；③海岛资源紧缺，研究区域周围土地多为建筑废弃物，项目需远距离采购优质本岛土壤；④海岛地区台风肆虐，雨水花园维护成本高。海岛地区不同于内陆的地理条件加大海岛型雨水花园的建设难度，增加其建造费用及维护费用，但相对于大规模建造或改造地下排水管道，建设污水处理厂等措施来缓解城市化带来的雨水洪涝灾害及径流污染，海岛型雨水花园仍具有较高的经济效益。

此外，海岛型雨水花园在不破坏周围环境的基础上，提高土壤的下渗率，有助于土壤内盐随水走、盐分转移，加之砾石层天然的隔盐效果，使当地土壤得到改良，利于植物生长，美化环境的同时也改善局部生态环境，其潜在的生态效益及景观效益值得期待。

3 结论

（1）海岛型雨水花园可有效削减雨水径流量。监测期内4场降水事件中都没有出现溢流，径流总量削减率平均为76.64%；峰值削减效果极其显著，平均削减率达到了84.76%。降雨强度与径流总量削减率呈现负相关的关系，与峰值削减率相关性不大。并且雨水花园在径流产流及延迟峰值也展现出了较好的“滞”效应。海岛型雨水花园对雨水径流的长期调控表现还需日后进行监测研究。

（2）海岛型雨水花园对雨水径流有较好的净化效果。雨水花园对SS的去除效果最优，平均去除率为82.26%；对N、P污染物的去除效果良好，NH3-N、NO3-N、TN、PO4 3+、TP的平均去除率分别为66.70%、64.94%、58.64%、65.24%、76.46%；对COD的去除效果一般，平均去除率为42.17%，且出水COD浓度控制不佳，部分出水劣于Ⅴ类水。

（3）本研究采用完全水量平衡法，并结合室内试验，设计构建50 m2，以种植旱伞草，沸石、粉煤灰陶粒作为填料的海岛型适应性雨水花园。通过对4场不同降雨强度降水事件的实时监测分析，雨水花园能有效滞蓄雨水径流量，净化径流水质。加上海岛型雨水花园具有较高的经济效益及潜在的生态效益和景观效益，更有助于雨水花园未来在海岛地区的大规模推广应用。

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