仇少鵬，周 維，孫 超，王 斌

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

近年來我國的城市化進程不斷加快，很大程度上改變原有徑流匯流的水文條件，總體趨勢呈現(xiàn)出匯流加劇，洪澇頻發(fā)。為解決這個問題，海綿城市集“滯、蓄、滲、凈、用、排”等優(yōu)點，有效地實現(xiàn)多重徑流雨水控制，重構(gòu)城市的生態(tài)結(jié)構(gòu)，豐富城市功能性，降低城市發(fā)展的不利影響[1-3]。雨水花園作為一種新型生態(tài)雨洪控制與利用設(shè)施，是建設(shè)海綿城市的基礎(chǔ)要素與補充，具有削減城市雨洪徑流、凈化雨水水質(zhì)以及補給地下水的優(yōu)點。這一形式最早在20 世紀90年代初于美國馬里蘭州喬治王子郡得到應(yīng)用[4]，之后此設(shè)計理念得到世界各國的認可，該措施逐漸在德國、美國、澳大利亞等地得以實施和進一步發(fā)展。EMERSON 研究發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，植被根系與土壤中的微生物發(fā)生作用，降低種植土層的細微顆粒淤積帶來的影響，致使隨時間的推移雨水花園的滲透率下降不明顯[5]。唐雙城等研究發(fā)現(xiàn)，黃土具有良好的下滲能力，在較為濕潤的2011 年基本沒有發(fā)生溢流[6]。李鵬程等研究發(fā)現(xiàn)，植被選擇、人工填料層填料粒徑對雨水花園蓄滯效應(yīng)的影響最顯著，種植土層配料選擇、人工填料層填料選擇影響最弱[7]。

現(xiàn)階段我國城市雨水資源利用及城市雨水徑流面源污染控制的研究相對落后，雨水花園等雨水集蓄工程設(shè)計與規(guī)劃的依據(jù)不足，迫切需要提出一套適用于不同地區(qū)的雨水花園技術(shù)規(guī)范，而確定不同參數(shù)的雨水花園蓄滲量是指導雨水花園設(shè)計的關(guān)鍵。本文根據(jù)杭州市本地2 種土壤類型設(shè)計雨水花園箱體模型，通過改變降雨重現(xiàn)期和砂土混合配比，分析不同暴雨強度與土壤類型條件下的下滲情況，成果可為類似地區(qū)雨水花園設(shè)計參數(shù)的確定提供技術(shù)參考。

2 研究材料與方法

2.1 雨水花園箱體模型

研究中選取的典型概化模型為矩形箱，其斷面示意見圖1。由覆蓋層、生長介質(zhì)層、土工布層和過濾貯水層組成，其中覆蓋層種植不同類型的典型植物。覆蓋層即植被層選取常見植被麥冬草；生長介質(zhì)層選取杭州本地土壤，分別為種植土與園區(qū)土，并分別與粗砂和細砂進行配比獲得6 種不同的土壤類型，厚度為50 cm；過濾貯水層采用30 cm 塊狀礫石鋪墊；降雨使用杭州地區(qū)2 a 一遇和5 a 一遇重現(xiàn)期的降雨數(shù)據(jù)，采用人工降雨的方式進行。

圖1 雨水花園典型模型試驗配置斷面示意圖

2.2 降雨資料選取

根據(jù)浙江省建設(shè)廳建科發(fā)[2008]89 號《關(guān)于公布浙江省各城市暴雨強度公式的通知》，暴雨強度公式采用年最大值選樣法、指數(shù)分布曲線擬合，降雨歷時采用5，10，15，20，30，45，60，90，120 min 共 9 個歷時，降雨重現(xiàn)期按2，3，5，10，20 a 統(tǒng)計，取樣數(shù)據(jù)截至2006 年。該暴雨強度公式適用范圍為降雨歷時不大于120 min，重現(xiàn)期不超過20 a。根據(jù)此課題，杭州市暴雨強度公式采用年最大值法選樣，具體公式：

式中：i為設(shè)計暴雨強度（mm/min）；t為降雨歷時（min）；P為設(shè)計重現(xiàn)期（a）。

根據(jù)杭州暴雨強度公式，計算下沙地區(qū)低重現(xiàn)期短歷時降雨雨量，2 a 一遇重現(xiàn)期降雨量為56 mm；5 a 一遇重現(xiàn)期降雨量為72 mm。采用下沙地區(qū)2015 年7 月21 日的短歷時實測降雨作為典型雨型，對2 a 一遇與5 a 一遇重現(xiàn)期下的降雨進行分配。杭州地區(qū)2 a 一遇和5 a 一遇重現(xiàn)期短歷時暴雨過程見圖2。杭州地區(qū)不同降雨條件下2 h 降雨分布見表1。

圖2 杭州地區(qū)2 a 一遇和5 a 一遇重現(xiàn)期短歷時暴雨過程圖

表1 杭州地區(qū)不同降雨條件下2 h 降雨分布表

2.3 試驗組次

本次采用2 個試驗組次進行研究，分別為雨頻試驗組次和土體配比試驗組次。雨頻實驗組次通過改變降雨重現(xiàn)期進行對比試驗；土體配比試驗組次通過土壤與砂?；旌吓浔冗M行對比試驗（見表2 和表3）。

表2 雨頻試驗組次表

表3 土體配比試驗組次表

3 試驗結(jié)果分析

3.1 土工試驗結(jié)果

將所配比的4 種土樣與原有的2 種土樣進行土工試驗，得到結(jié)果：杭州地區(qū)種植土中黏粒和粉粒的占比達到53.4%，屬于細粒土壤；園區(qū)土中黏粒和粉粒的占比達到95.1%，比種植土多40.0%，也屬于細粒土壤。種植土混入細砂后粉粒與黏粒占比26.8%，混入粗砂后粉粒和黏粒占比22.6%。園區(qū)土混入細砂后粉粒與黏粒占比45.5%，混入粗砂后粉粒與黏粒占比34.6%。綜上，可以得出2 種土壤隨著細砂或粗砂的混入，黏粒與粉粒的占比減小。各配比土樣的顆粒分析結(jié)果見表4。

表4 各配比土樣的顆粒分析結(jié)果表 %

3.2 雨頻試驗結(jié)果

圖3 為不同降雨重現(xiàn)期雨水花園箱體試驗下滲流量過程線圖。由圖3 可以看出，2 個降雨重現(xiàn)期情況下的下滲流量曲線走向基本一致，分為4 個階段。首先在實驗開始20 min 到60 min 時段內(nèi)，下滲流量從0.0 cm3/s 快速增加到2.0 cm3/s 以上，然后在實驗進行1 h 到5 h 時段內(nèi)，下滲流量從最大值緩慢減少到1.5 cm3/s 左右；接著在接下來的5 min到10 min 快速降低到0.3 cm3/s，最后再慢慢的降低到0.0 cm3/s。5 a 一遇降雨相比與2 a 一遇降雨的情況，共有2 個階段發(fā)生了變化。在第一階段，5 a 一遇的最大下滲流量2.3 cm3/s 比2 a 一遇的最大下滲流量2.1 cm3/s 大；在第二階段過程中，5 a 一遇降雨工況比2 a 一遇降雨工況長30 min。由5 a 一遇降雨比2 a 一遇降雨增加了25%以上，而最大下滲流量只增加10%左右，5 a 一遇工況已達到種植土的最大下滲能力。

圖3 不同降雨重現(xiàn)期雨水花園箱體試驗下滲流量過程線圖

3.3 土體配比試驗結(jié)果

圖4 為不同配比土樣雨水花園箱體試驗下滲流量過程線圖。由圖4 可以看出，在2 a 一遇降雨情況下，B1（種植土）的最大下滲流量為2.1 cm3/s；B2（園區(qū)土）的最大下滲流量為0.7 cm3/s；B3（種植土+細砂）的最大下滲流量為4.8 cm3/s；B4（園區(qū)土+細砂）的最大下滲流量為7.7 cm3/s；B5（種植土+粗砂）的最大下滲流量為5.6 cm3/s；B6（園區(qū)土+粗砂）的最大下滲流量為9.2 cm3/s。從以上結(jié)果可以得到B1 的最大下滲流量大于B2 的最大下滲流量、B4 和B6 的最大下滲流量分別大于B3 和B5 的最大下滲流量、B5 和B6 的最大下滲流量分別大于B3 和B4 的最大下滲流量。分析得出：通過土樣顆粒分析得到種植土與園區(qū)土均為細粒土壤，屬于黏質(zhì)土，種植土含砂量多，因此下滲能力更大。2 種土樣混入粗砂或細砂后，砂粒占比大，粉粒和黏粒占比小，變成砂土。同為砂土，種植土和園區(qū)土在混入粗砂或細砂后，由于種植土黏粒占比較大，因此由種植土混合的砂土比混入園區(qū)土的砂土下滲能力小。對于同種土樣混入砂粒變?yōu)樯巴恋那闆r，粗砂的粒徑大于細砂的粒徑，因此混入粗砂的砂土比混入細砂的砂土下滲能力大。

圖4 不同配比土樣雨水花園箱體試驗下滲流量過程線圖

4 結(jié) 語

根據(jù)杭州本地的降雨與土壤情況，建立雨水花園物理模型，通過改變重現(xiàn)期與土體配比得到不同工況下的實驗數(shù)據(jù)，并對相關(guān)試驗結(jié)果產(chǎn)生原因進行闡述分析，為后續(xù)試驗開展提供思路。相關(guān)實驗結(jié)果可為杭州地區(qū)以及水文、地質(zhì)相似地區(qū)的雨水花園設(shè)計提供參考。