我国提出海绵城市建设已经有一段时间, 在2015、2016年建设的两批30个试点城市大多集中在东部、南部降水量较大的地区。北方干旱半干旱地区的试点城市却相对较少, 只有西咸新区、庆阳、白城、西宁和固原5个, 所以相应的理论研究也较少。同时我国降水量时空上分配不均, 北方干旱半干旱地区的降水量要远低于东南部地区, 更需要建设有效的雨水利用设施或景观来解决城市化进程中的雨水问题。雨水花园目前应用广泛, 但总体上仍面临做得多、理论研究少、土壤和降雨分析不够的现实情况。所以探讨分析雨水花园在北方干旱半干地区的应用, 有着实际的理论指导意义。

　　 雨水花园是自然形成或人工挖掘的浅凹型绿地, 具有滞留雨水、吸收地表径流、补充地下水资源、净化水质功能, 同时种植物还具有景观观赏性, 是一种生态可持续的低影响开发设施。

　　 自20世纪90年代美国马里兰州乔治王子郡第一个真正意义上的雨水花园建造使用以来, 雨水花园已经应用近30年的时间, 在世界各地广泛应用。我国自引入雨水花园概念以来, 多建造在降水量偏多的东南地区以及经济发达城市, 并且总结形成有相对成熟的理论研究。而北方干旱半干旱地区的雨水花园虽然说建造应用也不少, 但与之相匹配的理论研究及理论支撑却相对较少。

　　 雨水花园由于其特殊的性质与土壤渗透性或建造材料的渗透性有着密不可分的关系^[1,2]。也正因为如此, 不同地区、不同功能的雨水花园对于渗透的要求也不同^[3]。从土壤入渗来说:南方水网密集, 地下水位高, 降水时间长并且间隔的时间短, 反而不利于处置雨水;北方干旱半干旱地区地下水位低, 降水时间偏少且雨季集中, 降水的间隔时间长。所以在建造雨水花园时要充分考虑其地区的功能适宜性, 尤其是渗透性的适宜度。这样才能使得雨水花园充分发挥适宜其地区利用雨水的功能———滞留雨水以及雨水调蓄和利用雨水进行植物景观的栽培养护的作用。

　　 干旱半干旱地区在建造雨水花园这种雨水利用设施时, 应该充分考虑因地制宜的特性来建造, 不能统一地按照东南地区或降雨量大的地区的模式建造^[4~7]。以呼和浩特市为例:属于亚欧大陆温带季风气候, 多年平均气温7.3℃, 夏季最高温度29℃, 冬季最低气温在零下17℃左右, 干旱少雨, 平均年降雨量在410 mm左右, 年蒸发量在3 000mm左右, 并且降雨时空分布不均。雨季多集中于夏秋时期, 冬春较少, 夏秋雨季时期多伴有强对流天气。所以瞬时的降雨量较大, 外加上城市地面的硬化不渗透容易形成地表径流的汇集集中, 造成城市内涝。

　　 城市公共区域由于面积较大, 汇集、吸收、利用雨水的能力也较强, 主要建造大型的雨水花园、雨水湿地以及大型的生物滞留景观带、景观池等, 大多在人流汇集的公共区域、广场、车站、公园、以及周边的保护性湿地等建造。再配以城市的排水管网, 能够有效地控制城市公共区域的雨洪, 还可以形成大型的生态滞留景观、生态湿地, 进而帮助缓解城市公共区域的“热岛效应”。

　　 在公共区域建造雨水花园时, 由于所需的功能不同, 相应的雨水滞留及吸收下渗、外排的要求也不相同。例如城市商业广场、车站广场等人流密集的场所中建造的雨水花园, 要求雨水下渗较快, 尽快使雨水下渗吸收, 吸收不了的雨水尽快排入市政基础设施管网, 从而保证这种类型的公共区域不产生大量的径流聚集。大型的雨水花园一般建造在城市公园、湿地保护区这种公共区域内, 需要合理地控制雨水下渗的时间, 不用快速地使雨水排走。

　　 城市居住区域由于自身特有的性质, 一般建造小型的雨水花园, 建造方法也不能与公共区域的相同。普通单一居住区由于面积相对较小, 所以吸收滞留的降水量也不能同公共区域相比, 人员流动也不像公共区域那样大, 相对私密性高。同时居住区的排水管网不像道路和公共区域的排水管网那样通畅, 所以更容易造成径流的汇集, 严重影响居民日常生活。

　　 城市中居住区域虽然单一面积并不大, 但是分散且数量多, 所以产生的径流汇集率也大于公共区域。居住区在建造雨水花园时, 要考虑下渗吸收时间和汇聚面积的关系。控制雨水的下渗速率, 得到一种最优的建造方案。同时, 一般居住区的雨水花园都建造在居住区的绿化景观当中, 不是单一存在的, 所以在下渗吸收补充地下水的同时还得滞留雨水一段时间, 从而保证景观效果和节约经济成本。

　　 北方干旱半干旱地区地质土壤条件与南方地区有着很大的不同, 所以在建造居住区雨水花园时应该进行渗透性的分析, 这其中包括土质分析、渗透性试验计算、渗透层材料试验及植物的配置筛选等方面。

　　 根据我国土的基本分类, 分为4个等级:岩石、碎石土、砂土及粘性土。按土壤质地分类土壤一般分为3大类:砂质土、黏质土和壤土。根据全国土壤分类又分为12种土纲。北方干旱半干旱地区土质为砂质土和黏质土, 其中多为栗钙土、棕钙土、黑垆土及荒漠土。以呼和浩特地区为例几种土质都有分布, 但城市地区主要为栗钙土及棕钙土并伴有砂质 (见图1) 。所以雨水花园在建造时应该考虑砂质土壤的渗透性能。

　　 现今国内外在确定土壤渗透能力方面主要都使用达西定律渗透法。其中渗透系数K是用来测定雨水渗透的关键系数, 是土壤渗透率计算过程中不可缺少的数据, 一般采用室内定水位和变水位法两种进行测定, 往往将室内测得渗透系数作为参考数据^[4]。

　　 本研究在呼和浩特市城区西部丽和阳光城住宅小区内, 建造雨水花园渗透设施兼雨水利用景观示范工程。选定7号楼南侧东西向长56.98 m, 南北向宽17.5m的地带共计997.15m²作为试验地带 (见图2、图3) 。使用室内变水位法测定K值, 作为地区土壤渗透系数的代表数据。

　　 从试验场地中准备建造雨水花园的东西两侧及中间部位各取土样, 用室内变水位法测定渗透系数。试验结果见表1。

　　 由于是新建小区, 小区雨水利用景观地形不符合建造雨水花园及种植绿化的要求, 所以全部采用客土回填。回填土为本地建造之前挖除的原土, 自然沉积2年。属于原土回填, 在取土测定试验数据之前回填土已经自然沉积9个月, 地区土质未改变。测得的土壤平均渗透系数为4.85×10^-4 m/s。

　　 在呼和浩特东部中心城区某一自然沉积时间较长的居住小区绿地内, 随机现场取土进行室内变水位试验, 试验的结果见表2。这一小区已建成入住3年, 其土质检测法同试验小区, 测得的土壤平均渗透系数为4.79×10^-4 m/s。

　　 (1) 雨水花园在建造时一般分为蓄水层、种植土层、砂层、渗透层等几个结构部分^[8,9]。蓄水层是指雨水花园中最上部的一个部分, 与正常的地表存在一定的高差, 一般控制在7.5~20cm, 蓄水层的深度控制与当地降雨量强度及下渗速率、种植的植物有密切的关系。降水量大时地表径流流入雨水花园, 径流流入量及流速超出了雨水花园下渗吸收地表径流的速率, 蓄水层用来滞留这部分超出下渗速率的雨水, 还能起到沉淀临时杂物的作用。种植层是指植物的种植土层, 种植层的厚度与雨水花园中种植的植物有着密切的关系, 随着种植的植物种类不同, 厚度也随之变化。花卉、草本厚500mm, 灌木、乔木厚800~1 000mm。但干旱半干地区因地区属性不同, 应种植符合地区生长属性植物, 多地区性花卉、草本、灌木。一般情况不种植乔木。因地区生长情况不同, 种植层厚度一般控制在800mm左右为宜。在种植层之上应还有一层覆盖物, 一般采用保持土壤湿度的材料, 如细石、腐植杂物等, 用来防止土壤板结、控制湿度、过滤径流污染物。但是由于干旱半干旱地区的气候及种植特性, 把这一层覆盖物统归入种植层中。砂层是指用来隔离种植土与渗透层的结构, 用普通砂做为材料, 防止土壤颗粒进入渗透层中的穿孔管造成堵塞。穿孔管由直径100mm的PVC管制成。呼和浩特隶属的干旱半干旱地区由于其特殊的地质土壤情况, 本身即为砂质壤土所以可不设置砂层, 在种植层下直接设置渗透层。渗透层是指采用砾石铺设在砂层之下, 厚度约300 mm, 中间埋设穿孔管的结构层。雨水通过种植层经过雨水花园的下渗吸收之后, 多余的雨水进入穿孔管收集进入雨水收集利用设施。

　　 (2) 雨水花园中渗透层渗透材料的选择要经过试验选取, 常规的雨水花园渗透层一般采用便于施工建造的常用材料制作, 例如砾石、卵石。但是每一个地区的地质土壤情况不同, 不能一概用一种材料设计建造, 要经过试验计算出雨水花园所需的渗透速率及渗透量, 再结合降雨量情况及地区材料的适用性, 选择适宜的渗透材料。同时还得考虑建造时的低碳及低影响情况, 尽量优先使用可循环的材料, 注重环境保护及废料利用, 控制建造成本等。

　　 用常见的建筑垃圾中的提取材料替代雨水花园渗透层的卵石、砾石等材料, 经过试验取得了较好的效果。从建筑垃圾中选取玻璃, 废弃的砌筑砌块、砖瓦, 装修垃圾中的陶瓷砖, 及以上3种建筑垃圾比例为1∶1∶1的混合料进行试验。试验采用上部为现场采样的土壤, 下部建筑废料为试件进行, 测试渗透层各种建筑垃圾替代材料的平均渗透系数。每种材料共试验2组, 每组取样6次, 取其每组的平均值做为结果见表3。

　　 采用图解法^[9]计算设计渗透量V_p:

　　 式中V_p———设计渗透量, m³;

　　 K———渗透系数, m/s;

　　 J———水力坡降, 若地下水位较低, 可近似认为J=1;

　　 A_s———有效渗透面积, m², 因渗透设施中水位上下波动, 取1/2高度水位作为平均水位以计算有效渗透面积^[10]。

　　 计算渗透层采用建筑废料后的渗透性能 (见图4) , 来选取建筑垃圾废料作为渗透层主要材料建造雨水花园。

　　 经过试验计算, 建筑垃圾废料中的混合料和废陶瓷砖更适合本地区雨水花园中渗透层材料的替代应用。渗透材料仅采用废玻璃, 下渗速度太快;采用砌筑砌块、废砖瓦又下渗较慢, 如遇大型降水雨水花园不能及时下渗, 雨水漫出雨水花园容易造成地面径流。所以在进行雨水花园建设时考虑应优先选择建筑废料的混合料及废陶瓷砖作为渗透材料。

　　 雨水花园在建造时, 关于植物的配置筛选跟土壤的渗透性有着直接的关系^[11]。

　　 在建造雨水花园时应优先使用本地区植物, 在考虑植物景观美观的同时应先满足植物功能的需要, 雨水花园中种植的植物必须有一定的抗旱性及抗涝性能, 植物的抗涝特性应与土壤的渗透性能试验结果相匹配, 不能因为雨水在蓄水层有一定的滞留积存时, 因为植物不能具备一定时间的水中浸泡而死亡, 从而造成雨水花园的景观不美观, 而且也达不到植物滞留雨水及污染物、污染颗粒的作用。雨水花园中心区域滞留雨水时间应不大于48h, 滞留时间由中心区域向外逐渐缩短, 最外侧滞留时间应不大于12h;并且因本地区气象条件的特殊性, 选配植物的耐旱时间应不小于72h。同时, 还应考虑到地区特有的环境因素, 就是在筛选上植物应具备越冬的性质, 具有一定的抗冻性, 以及多年生宿根的特性。本地区冬季最低气温能达到-18~-22℃, 种植层已完全处于冻土状态下, 土壤的渗透能力减弱, 植物的生长跟渗透性成正比。所以选择植物时应保证植物能安全越冬, 尽量减少次年重新种植, 降低养护及种植的成本。经过在试验小区种植试验适宜种植于干旱半干旱地区雨水花园中的植物见表4。

　　 居住区雨水花园建造中渗透层采用建筑废料替代常用的渗透材料, 会产生较大的经济与社会效益。

　　 (1) 经济效益。可以较大地降低雨水花园的建造成本。雨水花园的建造中, 渗透层是建造过程中渗透性要求最高的一个结构层, 花费的建造成本也较大。常用的渗透材料一般原地不具备条件, 都需要另行购买。如果采用建筑废料、垃圾替代砾石、卵石, 将减少材料的成本投入, 同时也减少人工、机械、垃圾外运等成本的投入, 从而降低建造成本。雨水花园渗透层采用建筑废料、垃圾建造与采用卵石、砾石建造所产生的成本对比见表5。

　　 (2) 社会效益。居住小区在建设时产生大量的建筑废料及垃圾, 建筑废料、垃圾的处理是城市化进程中比较难解决的问题, 一般情况都是运至垃圾填埋场填埋。雨水花园渗透层采用建筑废料、垃圾建造可以使建筑废料、垃圾进行原地有效使用, 不用外运。降低成本投入的同时也处理了居住区建设过程中产生的建筑废料。在小区绿化中建造的雨水花园不仅可以使雨水得到有效利用, 控制地表径流、滞留雨水, 利用建筑废料作为渗透材料, 缓解了一直困扰居住区建设后建筑废料难处理的城市环境问题。使得雨水花园建造时真正达到低影响开发、循环再利用, 减少建造过程中次生污染的目的, 因此为城市化建设中产生较大的社会效益及生态效益。

　　 北方干旱半干旱地区降雨总量少而且降雨时间集中, 城市所用地下水的比例大。因此, 雨水花园的建造应用与我国南方雨水大及集中地区相比, 则更能体现其生态效益。

　　 呼和浩特市是北方干旱半干旱地区的代表性城市, 其气候、土壤、水文特性具有明显的区域性特征。以呼和浩特市地区为实例试验可以代表其区域的特性, 在其居住区建造的雨水花园及其渗透性试验具有较高的区域代表性, 所产生的生态效益、经济效益、社会效益有较大代表性意义。渗透层替代材料的应用不仅可以在本地区使用, 也可以在相同或相近区域应用, 具有较大的应用前景。同时, 雨水花园渗透材料替代的应用试验, 可以为今后我国其他地区雨水花园建造提供一种创新尝试。

　　 雨水花园在建造时要保证其每一结构层需要的渗透性, 保证渗透性就是保证雨水花园的功能性, 才可以使雨水花园发挥其滞留、吸收雨水补充地下水、蓄留利用雨水的作用。在建造完成后也要注意雨水花园的定期保养维护, 不能放任不管。因为地区特有的气候特性:冬天寒冷、春季风沙大, 所以覆盖物要定期维护, 以保证土壤的渗透性, 防止风化板结。还要定期检查植物的损失情况, 及时补充, 减少因植物缺少使得渗透性降低, 从而降低雨水花园作用的风险。

　　 在国家大力提倡城市化进程中建造“海绵城市”的今天, 水资源的有效利用和保护将成为长期的课题。北方干旱半干旱地区居住区雨水花园的建造及应用, 作为一种高效利用雨水资源、缓解城市雨洪问题的设施及技术手段, 将拥有广阔的应用前景。经过试验数据总结建造的雨水花园, 尤其是渗透层替代材料的应用, 可以有效地控制地表径流的产生, 并且还可以使得雨水在雨水花园中留置一定时间, 起到了滞留、蓄水的生态作用, 产生较大的经济效益与生态效益。在建造雨水花园时应最大限度地考虑其“因地制宜”的特性, 建造符合当地雨洪特点的雨水花园, 这样才能发挥居住区这种城市“海绵细胞”真正的作用。