唐双成1，罗 纨2，贾忠华2，李 山1，仵 艳1，周 萌2
(1.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西西安 710048；2. 扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009)
摘要：雨水花园能够有效地蓄渗雨水径流、降低城市发展对水环境的不利影响。根据在西安市开展的一项连续4年对雨水花园入流与出流水文过程的监测研究，分析了雨水花园对暴雨径流的削减效果，并根据花园内土壤入渗率及颗粒组分随时间的变化，讨论了雨水花园运行效果的可持续性。结果显示：蓄水深度为15 cm，汇流比为20∶1的试验用雨水花园，在4年监测的28场降雨中，仅有4场暴雨径流汇入雨水花园后发生溢流，且溢流量很小；试验期内，有2年未发生溢流，雨水径流全部入渗；最多的1年发生溢流3次，但年径流削减率仍高达96.8%；导致雨水花园发生溢流的均为短历时高强度暴雨。研究中还发现，雨水花园土壤入渗率在4年运行期内没有显著变化，一直稳定在2.4 m/d左右，花园内表层土壤砂粒含量由7.36%增加到20.55%，而粉粒和黏粒的含量则相应降低。可见，研究区雨水花园能够显著减少暴雨径流，且入渗性能稳定，具有良好的应用前景。
关键词：雨水花园；径流削减；入渗率；土壤颗粒；低影响开发
城市化的快速发展使得大量的硬化地面代替了原来能够涵养水源的林地和草地，城区降雨迅速产流、汇流，并通过排水管网直接被排走。这不仅造成了城市雨水资源的浪费，而且也是近年来频发的城区“看海”洪涝灾害的主要根源[1-2]。国外应对城市化过程中激增的雨水径流，从最初倡导的快速排除，发展到后来的排洪与蓄洪结合，管理目标从 “最佳管理方案” (BMPs)推进到后来的 “低影响开发” (LID)[3]。中国住房城乡建设部于2014年提出了《海绵城市建设技术指南》[4]，强调借助自然力量排水，慢排缓释，让城市回归自然，雨水花园就是海绵城市建设的主要措施之一。
面对城市化的迅速扩张，地下水资源被过量开采，引发地面沉降、天坑和建筑物倾斜等问题[5]，雨水花园可以增加城区雨水入渗，对缓解城市缺水问题具有重要意义[6-7]。国际上大量研究表明，雨水花园能够有效地蓄渗雨水径流、净化雨水水质，采用最低碳的自然方法将城市化后的水文过程缓慢恢复到接近开发前水平[8-9]。Endreny和Collins[10]采用数值模拟方法研究了雨水花园蓄渗雨水径流后地下水位的变化，结果发现补给数年后，地下水位抬升幅度超过1 m。Davis等[11]和Hatt等[12]研究发现雨水花园对城市雨水径流的洪峰流量削减和径流总量的削减效果显著。针对各类雨水花园水文效果的研究显示，水量与峰值削减效果和雨水花园的汇流面积比、蓄水层深度、介质层厚度以及所在地区的降雨特性相关[13]。国内对雨水花园等LID措施的研究还处于概念推广和示范区规划的初级阶段，而对实际规模雨水花园运行情况的长期监测还少有研究[14]。雨水花园的水文效益主要来自花园的蓄水和入渗能力；而入渗能力会受到径流中泥沙等沉积物的影响。雨水花园种植的植物年复一年的生长和腐烂，以及一些土壤微生物的综合作用，表层土壤会被缓慢的有机化，雨水花园内动植物的种类和数量会进一步增加，长期运行的雨水花园已经从一个雨水过滤装置演变成一套简单的陆生生态系统[15]。然而，雨水花园长期运行时，雨水径流中携带的颗粒会在表层沉淀，研究表明：雨水径流中的固体悬浮物主要被介质表层10～15 cm的土壤介质吸附，细颗粒会在雨水花园表层土壤累积，长期以来可能会导致雨水花园表层土壤堵塞，入渗性能降低[16-17]。实验室进行土柱试验研究发现，细颗粒对生物过滤器有明显的堵塞作用，降低了入渗性能[18-19]。但野外调查研究则反之；Emerson 和Traver[20]通过监测研究发现，入渗率随季节有一定变化，但是随着时间推移入渗率没有明显的变化，这可能由于土壤生态系统随时间不断完善，一些无脊椎动物的孔洞以及植物根系发展使得土壤结构发生良性变化，抵消了细颗粒土壤沉淀对雨水花园土壤入渗率的不利影响。Jenkins等[21]研究发现，在9年运行期内雨水花园土壤中小于0.1 mm的细颗粒有一定累积，但入渗率无明显改变。
在中国许多城市，暴雨洪涝灾害与城市缺水以及地下水超采问题并存，迫切需要探索雨水花园这类能够蓄渗暴雨径流的生态管理措施。但雨水花园对不同降雨的调蓄作用以及雨水花园长期运行的效果尚缺乏持续的监测研究。本文根据一项连续监测4年的黄土地区雨水花园蓄渗屋面雨水径流的观测试验，研究了雨水花园对暴雨径流的削减效果；并根据花园内土壤入渗能力及颗粒组成变化，评价雨水花园长期运行时其入渗能力的可持续性。
1.1 研究区概况及数据采集
图1 试验雨水花园示意
Fig.1Sketch of the experimental rain garden
试验雨水花园位于陕西省西安市某高校校园内。西安市属于半湿润气候区，多年平均气温为13.3℃，平均降雨量为580.2 mm，降水年内分配不均，5—10月降雨占全年的80%左右。西安地处黄土高原南部，黄土入渗性能较好，且黄土层较厚，为贮存雨水径流提供了天然的蓄积水库。如图1所示，试验雨水花园汇流区为一实验室屋面的一侧，面积为604.7 m2，汇流区与雨水花园面积比为20∶1，雨水花园深度为15 cm，入流口处安装有45°三角堰，出流(即溢流)口安装30°三角堰，堰上稳定水面处安装压力传感器，传感器的读数间隔为1 min，用于监测雨水花园入流和出流的水文过程，出流水量排入城市管网。花园内土壤质地为粉砂土，地下水位埋深约3.5 m，在雨季连续降雨后有所抬升。天然降雨量数据通过距离雨水花园约100 m的移动气象站采集。
1.2 雨水花园对雨水径流的削减效果及其可持续性分析
(1)雨水花园对暴雨径流的削减效果 可以通过水量削减率体现。削减率(r)可以表示为
(1)
式中 Win和Wout分别为入流量和出流量(溢流量)。可以根据监测的入流和出流过程，通过流量积分计算，可以表达为
(2)
式中 W为时段总水量，m3；Q(t)为t时刻的瞬时流量，m3/min。
(2)雨水花园入渗率及土壤组分变化 如图1所示，试验雨水花园是一个深度为15 cm的椭圆形下凹地，当雨水花园表面完全积水时，成为一个天然的入渗单环，从屋面上汇集的雨水径流为该单环的“水源补给”，“水源消耗”包括花园入渗、溢流和蒸散发。降雨过程中蒸散发可忽略，入流和溢流的水量通过三角堰监测，雨水花园内的积水深度变化通过读取安装在花园内的水尺得到。距离雨水花园大约50 m的地下水位监测井显示，研究区地下水埋深保持在3 m以下。因此，可以认为地下水对于入渗没有顶托作用，根据雨水花园内的水量平衡，在任意观测时段(Δt)内，花园的雨水入流总量(Win)可表示为
图2 试验雨水花园土样采集位置示意
Fig.2 Locations of the soil sampling points in the experimental rain garden
Win=ΔH A+KAΔt+Wout
(3)
式中 Win为时段入流总量，m3；ΔH为时段内花园中积水深度变化，m；A为雨水花园面积，m2；K为雨水花园土壤的入渗率，m/min；Wout为时段出流总量，m3。
根据式(3)，通过监测花园中一定时段内入流总量以及积水深度变化，土壤的入渗率K为
(4)
为了评价花园入渗性能受雨水径流携带泥沙的影响，分别在试验开始的2011年初、2012年、2013年、2014年末进行了土壤调查，在图2所示的6个采样点提取土样。土样在自然条件下风干，经碾压后过2 mm筛，采用马尔文MS 2000激光粒度分析仪测定土壤粒径分布。
2.1 雨水花园对雨水径流的削减效果
表1 监测期内年降雨量、发生频率及雨水花园削减率统计
Table 1 Annual rainfall, frequency and runoff reduction in the experimental rain garden during the monitoring period
年份降雨量/mm发生频率/%径流量削减/%2011656 220 0100 02012383 290 3100 02013455 280 696 82014698 116 198 9
表1列出了监测期内的年降雨量、发生频率和雨水花园对雨水径流的年削减率。西安的多年平均降雨量为580.2 mm，监测期内有2年(2011年、2014年)的降雨量高于多年平均值，根据多年长系列资料统计分析，2011年和2014年的年降雨频率分别为20.0%和16.1%，其余2年(2012年、2013年)降雨量为平均值的66%和78%。2011年和2012年均未发生溢流，雨水径流通过雨水花园全部入渗，径流削减率为100%。2013年和2014年均有溢流发生，其中2013年出现3次，2014年出现1次；与全年入流总量相比，溢流量很小，2013年和2014年雨水花园对径流的削减率分别为96.8%和98.9%，结合降雨量加权平均，监测期(2011—2014年)4年内，雨水花园总的径流削减率达到99.0%。如果将上述溢流后排入城市管网的雨水径流与实际汇集雨水径流相比，相当于将雨水花园控制的集水区的径流系数降低到了0.01，这一值大大低于当地开发前、原始裸地0.15左右的径流系数[22]；雨水花园对雨水径流99%的削减率也满足2014年10月住房城乡建设部编制的《海绵城市建设技术指南》年径流总量80%～85%的控制目标[4]。
2.2 雨水花园溢流过程及蓄渗能力分析
2.2.1 雨水花园溢流过程分析
表1说明雨水花园能够大幅度削减汇流区的雨水径流。图3显示监测4年中所记录的28场降雨过程，其中大于50 mm的暴雨2次，25～50 mm的大雨8次，10～25 mm的中雨11次，小于10 mm的小雨7次。最大日降雨量发生在2011年9月11日，为53.2 mm；但其并未发生溢流。在监测的28场降雨中，仅有4场发生溢流，分别为2013年5月28日降雨量36.4 mm，2013年6月8日降雨量47.8 mm，2013年7月28日降雨量35.2 mm，2014年7月22日降雨量44.6 mm。发生溢流的这4次降雨事件普遍的特点是历时短、雨强大。所以，雨水花园发生溢流主要受到两个因素的影响，即降雨历时和雨强，其中，短历时高强度的降雨过程更容易发生溢流。
图4显示2013年7月28日降雨过程中雨水花园的入流和溢流过程。降雨历时短、雨强大，其60 min历时重现期为4.84年。由图4可以看出，雨水花园从开始时刻起，入流流量过程线增长较快，入流量远远大于雨水花园土壤的入渗量，花园内迅速积水，并很快产生溢流。2013年7月28日入流总量为13.93 m3，溢流总量为3.09 m3，其他10.84 m3雨水径流全部入渗补给地下水，雨水花园对该次降雨的径流总量削减率为77.8%，由于入渗补给，花园附近雨后地下水位抬升0.32 m，但降雨结束3 d后，地下水位降低到雨前水平。其他3场溢流事件的径流总量削减分别为93.8%(2013年5月28日)、78.5%(2013年6月8日)和76.6%(2014年7月22日)。
图3 监测期内日降雨量分布
Fig.3Daily rainfall distribution during the monitoring period
图4 单次暴雨下雨水花园入流和出流过程(2013年7月28日)
Fig.4 Rain garden inflow and outflow processes during a severe storm on Jul. 28, 2013
2.2.2 雨水花园蓄渗能力分析
雨水花园水文过程监测中发现，雨水花园土壤入渗性能较好[6]，对其他中小型降雨事件，一般只在降雨过程中雨强较大的时段内，雨水花园内形成短时间积水，雨强减小后园内的积水很快入渗。以2011年7月5日降雨为例，日降雨量24.8 mm，降雨历时为13.5 h，气象站记录降雨的时间间隔为10 min(每10 min为1个时段，共计81个时段)，由此计算出每10 min内的平均雨强，考虑汇流区与雨水花园的汇流面积比，计算实际进入雨水花园内的等效雨强，与雨水花园土壤入渗率对比结果表明：81个统计时段内仅有3个时段内等效降雨强度大于雨水花园的入渗率，其他时段内雨水径流进入雨水花园直接入渗，不会形成积水。据统计，西安地区中小型降雨居多，占全年总降雨量的69.8%，因此，以蓄渗雨水径流补给地下水为目的雨水花园在西安地区可以滞留大部分降雨径流，随后补给地下水。
表2 西安地区不同降雨历时和不同重现期的降雨量cm
Table 2 Rainfall depth under different recurrence interval and durations in Xi′an, China
重现期/a降雨历时45min60min90min204 24 44 7103 63 84 153 03 23 532 62 83 022 22 42 611 61 82 00 51 11 21 4
与普通透水地面的入渗过程相比，雨水花园的优势在于有一定的蓄水深度，能够将地表径流暂时拦蓄，最终入渗补给地下水。观测结果显示，对于研究区的一次显著降雨过程，雨水花园的蓄水深度在20～30 cm范围内就足以拦蓄其表面积20倍范围内的地表径流。表2显示西安地区不同降雨历时和频率的降雨统计结果[23]。本文以西安地区为典型做一个案例分析。若研究区典型土壤的稳定入渗率为2.5 m/d，则一个蓄水深度为20 cm的雨水花园在60 min里拦蓄和入渗的总深度可以达到30.4 cm，按照本文中试验雨水花园的汇流面积比(20∶1)计算，则对应的暴雨深度为1.52 cm，若径流系数取0.9，对比表2，可以看出对于暴雨重现期为1年、3年和5年一遇的降雨，当降雨历时为60 min，溢流量只有0.10 cm、1.00 cm和1.36 cm，溢流量为入流量的6.2%、39.7%和47.2%。当降雨历时为90 min时，对应暴雨重现期为1年、3年和5年一遇的降雨，雨水花园溢流量仅占入流的1.1%、34.1%和43.5%，大部分的雨水径流入渗补给地下，西安地区的地下水位一般在3 m以下，可为持续入渗提供充足的空间。
2.3 雨水花园运行后入渗率和土壤颗粒组成变化
降雨过程中汇集的雨水径流携带有大量的固体悬浮物，尤其是降雨初期形成的雨水径流。雨水花园在运行过程中，雨水径流中较大的固体悬浮物在花园土壤表面沉淀，较细的固体悬浮物则被雨水花园表层10～15 cm土壤过滤吸附[24- 25]。这些细小的悬浮物可能会堵塞土壤孔隙，影响土壤的入渗性能，进而影响雨水花园整体的水文效果和调节功能。因此，表层土壤堵塞，影响土壤入渗性能是雨水花园长期运行所面临的主要风险之一，这直接影响到雨水花园的寿命，即可持续性[12]。本研究自2011年运行，到2014年共进行了9次入渗率监测，图5给出了土壤入渗率的变化，其中，2011年测定的入渗率为2.346 m/d，2014年为2.253 m/d，稍有降低，其后又呈现增长趋势。总体上看，雨水花园土壤入渗率在4年内比较稳定，均值为2.369 m/d，均方差仅为0.200 m/d。
图6显示监测期内花园土壤组分的变化，其中，土壤颗粒分级采用美国农部制标准。根据监测结果，雨水花园内土壤颗粒变化的整体表现为：土壤中的砂粒含量显著增加，黏粒含量稍有降低，粉粒含量降低。这种变化趋势对维持雨水花园入渗性能有利。2011年春，在雨水花园运行前，土壤采样后进行颗粒分析的结果显示，平均黏粒含量为9.46%，粉粒含量为83.19%，砂粒含量为7.36%。运行2年后(2012年)，黏粒含量均值为9.10%，与运行初期的9.46%相比变化不大，但砂粒含量有所增高，由原先的7.36%增至11.09%，粉粒含量有所降低；雨水花园运行3年后(2013年)，平均黏粒含量由9.46%降低到6.72%，降幅为28.98%，砂粒含量均值增至26.34%，增幅为257.90%；粉粒含量由83.19%降低到66.94%，降幅为19.53%。与2011年初始状态相比，雨水花园运行4年后的2014年，土壤砂粒含量由7.36%增加到20.55%，几乎提高了2倍；而粉粒含量从83.19%减少到72.35%，减少幅度为13.03%。这里砂粒的增加几乎都来自粉粒的减少，而黏粒的含量几乎没有变化，2011年为9.46%，2014年为7.10%。
图5 监测期内雨水花园土壤入渗率变化
Fig.5 Measured infiltration capacity of the experimental rain garden during the monitoring period
图6 运行期内雨水花园不同粒径土壤颗粒含量变化
Fig.6 Soil particle fractions in the rain garden during the operation years
图7 不同运行阶段土壤颗粒分析结果
Fig.7 Particle distribution of the rain garden soil during the operation years
图7显示，雨水花园运行4年间，土壤粒径累计曲线变化情况。可见，土壤粒径累计百分比曲线随时间逐渐右移，当土壤粒径累计百分比为50%时，2011年和2014年的土壤粒径分别为14.16 μm和19.96 μm；土壤粒径累计百分比为80%时，2011年和2014年的土壤粒径分别为28.25 μm和50.00 μm，表明运行后花园内土壤颗粒粒径呈现出整体变大的趋势，土壤质地逐渐由粉砂土转变为粉砂壤土。在无外来扰动情况下，花园内土壤粒径变化受雨水径流携带固体悬浮物的影响，而花园内土壤粒径整体变大，说明试验区雨水径流携带的固体悬浮物可能以大颗粒为主，这有利于维持该地区雨水花园良好的入渗性能。
同类研究中，Li和Davis[16]、Le Coustumer等[18]通过大量的室内土柱试验研究表明，细颗粒不会穿透表层5～10 cm的土壤，其会在表层累计形成一个致密层，影响雨水花园的入渗性能，但土柱内种有植物时，土壤的入渗能力则得以维持。Jenkins等[21]研究发现，运行9年后雨水花园整体的入渗性能没有发生明显改变。本文中的试验雨水花园运行4年后，土壤入渗率维持稳定，土壤颗粒中黏粒含量没有增加，而砂粒含量增加。试验雨水花园土壤组分的这一变化趋势受到研究区雨水径流特性的影响，也与Jenkins等[21]的研究结果基本一致。另外，长期运行雨水花园内更为湿润，不仅植物生长茂盛，而且为多种无脊椎动物提供了栖息地；虫洞的形成和根系的发展都会增加、维持入渗能力。这些因素表明，雨水花园在西安地区可以较为高效的长期运行。
(1)雨水花园运行期内，对于暴雨径流的总削减率高达99.0%；在监测的28场降雨中仅有4场降雨发生溢流，其中2年内均未发生溢流，径流削减率为100%，最多1年发生溢流3次，但年径流削减仍高达96.8%。导致雨水花园发生溢流的均为高强度、短历时暴雨。
(2)水文频率分析结果显示，试验雨水花园对于重现期为1年、3年和5年一遇的暴雨，当降雨历时为60 min时，溢流量仅为入流量的6.2%、39.7%和47.2%；当降雨历时为90 min时，溢流量仅为入流量的1.1%、34.1%和43.5%，研究区土层较厚，地下水位较低，利用雨水花园增加雨水入渗有利于当地生态环境的改善。
(3)雨水花园运行4年后，其表层土壤砂粒含量明显升高，由7.36%增加到20.55%，细颗粒含量则相应减少；试验雨水花园土壤的入渗率保持在2.4 m/d，说明系统能够维持稳定的入渗率，保证其蓄渗功能的持续性。
本研究中雨水花园对暴雨径流的削减效果显著，且入渗效果稳定，充分显示了雨水花园这一生物滞留系统在城市雨洪管理中的积极作用，成果可为中国海绵城市建设提供理论依据与技术参考。本文侧重于对雨水花园滞留效果的水文过程研究；入渗对区域地下水位的影响以及入渗后对地下水水质的影响将在后续研究中关注。
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TANG Shuangcheng1, LUO Wan2, JIA Zhonghua2, LI Shan1, WU Yan1, ZHOU Meng2
(1.State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area,Xi′an University of Technology,Xi′an 710048, China; 2.School of Hydraulic, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China)
Abstract：Rain gardens can be used effectively for retaining stormwater runoff and mitigating the negative impact of urban development on the aquatic environment. By monitoring the inflow and outflow processes of a rain garden over four years in Xi′an, China, this paper presents a study on the effect of a rain garden on storm runoff reduction; the sustainability of the rain garden operation was examined on the basis of soil sampling for particle size analysis and onsite measurements of infiltration capacity. The results showed that, for the experimental rain garden constructed with ponding depth of 15 cm and flow catchment area ratio of 20∶1, only 4 storm events produced overflow from the rain garden out of the 28 monitored events, and the overflow volumes were generally small; there were no overflow occurred in two years, all inflow infiltrated in the rain garden; there was maximum 3 overflow events in one year, but the runoff reduction rate was as high as 96.8%; the storms that caused the rain garden overflow were all high intensity and short duration events. The onsite infiltration measurements showed no significant change in the infiltration capacity over the four years, the rain garden infiltration capacity was maintained at 2.400 m/d. The soil particle size analysis showed that, sand content at the surface layer of the rain garden increased from 7.36% to 20.55%, while the silt and clay contents decreased accordingly. These results indicate that rain gardens can reduce storm runoff significantly, and the stable infiltration capacity entitles them a promising future in the study area. Findings from this research may provide theoretical basis and technical support for the sponge city construction in China.
Key words：rain garden; runoff reduction; infiltration capacity; particle size; low impact development
收稿日期：2015-05-28;
网络出版：时间：2015-11-19
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20151119.1058.014.html
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51279159)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)
作者简介：唐双成 (1987— )，男，陕西渭南人，博士研究生，主要从事水资源与环境保护方面研究。 E-mail：shuangchengtang@126.com
通信作者：罗纨 ，E-mail：luowan@yzu.edu.cn
中图分类号：TV121; TU992.0
文献标志码：A
文章编号：1001-6791(2015)06-0787-08
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