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(guó)的城市化進(jìn)程不斷加快，很大程度上改變?cè)袕搅鲄R流的水文條件，總體趨勢(shì)呈現(xiàn)出匯流加劇，洪澇頻發(fā)。為解決這個(gè)問題，海綿城市集“滯、蓄、滲、凈、用、排”等優(yōu)點(diǎn)，有效地實(shí)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(bǔ)充，具有削減城市雨洪徑流、凈化雨水水質(zhì)以及補(bǔ)給地下水的優(yōu)點(diǎn)。這一形式最早在20 世紀(jì)90年代初于美國(guó)馬里蘭州喬治王子郡得到應(yīng)用[4]，之后此設(shè)計(jì)理念得到世界各國(guó)的認(rèn)可，該措施逐漸在德國(guó)、美國(guó)、澳大利亞等地得以實(shí)施和進(jìn)一步發(fā)展。EMERSON 研究發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)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(xì)微顆粒淤積帶來的影響，致使隨時(shí)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(rùn)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(duì)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(guó)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(duì)落后，雨水花園等雨水集蓄工程設(shè)計(jì)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(dǎo)雨水花園設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文根據(jù)杭州市本地2 種土壤類型設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(xì)砂進(jìn)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(jìn)行。

圖1 雨水花園典型模型試驗(yàn)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(hào)《關(guān)于公布浙江省各城市暴雨強(qiáng)度公式的通知》，暴雨強(qiáng)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(shí)采用5，10，15，20，30，45，60，90，120 min 共 9 個(gè)歷時(shí)，降雨重現(xiàn)期按2，3，5，10，20 a 統(tǒng)計(jì)，取樣數(shù)據(jù)截至2006 年。該暴雨強(qiáng)度公式適用范圍為降雨歷時(shí)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(qiáng)度公式采用年最大值法選樣，具體公式：

式中：i為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度（mm/min）；t為降雨歷時(shí)（min）；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期（a）。

根據(jù)杭州暴雨強(qiáng)度公式，計(jì)算下沙地區(qū)低重現(xiàn)期短歷時(shí)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(shí)實(shí)測(cè)降雨作為典型雨型，對(duì)2 a 一遇與5 a 一遇重現(xiàn)期下的降雨進(jìn)行分配。杭州地區(qū)2 a 一遇和5 a 一遇重現(xiàn)期短歷時(shí)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(shí)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(yàn)組次

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

表2 雨頻試驗(yàn)組次表

表3 土體配比試驗(yàn)組次表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 土工試驗(yàn)結(jié)果

將所配比的4 種土樣與原有的2 種土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，得到結(jié)果：杭州地區(qū)種植土中黏粒和粉粒的占比達(dá)到53.4%，屬于細(xì)粒土壤；園區(qū)土中黏粒和粉粒的占比達(dá)到95.1%，比種植土多40.0%，也屬于細(xì)粒土壤。種植土混入細(xì)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(xì)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(xì)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(yàn)結(jié)果

圖3 為不同降雨重現(xiàn)期雨水花園箱體試驗(yàn)下滲流量過程線圖。由圖3 可以看出，2 個(gè)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(gè)階段。首先在實(shí)驗(yàn)開始20 min 到60 min 時(shí)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行1 h 到5 h 時(shí)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(gè)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(zhǎng)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(dá)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(yàn)下滲流量過程線圖

3.3 土體配比試驗(yàn)結(jié)果

圖4 為不同配比土樣雨水花園箱體試驗(yàn)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(xì)砂）的最大下滲流量為4.8 cm3/s；B4（園區(qū)土+細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(duì)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(xì)砂的粒徑，因此混入粗砂的砂土比混入細(xì)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(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生原因進(jìn)行闡述分析，為后續(xù)試驗(yàn)開展提供思路。相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(jì)提供參考。