基于正交試驗(yàn)的蓄滯型雨水花園結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選研究

李鵬程，蘆昌興，宮雪亮

(1.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南250061；2.河北水利電力學(xué)院，河北 滄州 061001)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，原始下墊面改變，不透水率的增大引起降雨過(guò)程中急劇的產(chǎn)匯流過(guò)程，城市內(nèi)澇問(wèn)題逐漸凸顯，同時(shí)雨水的滲透、截流及填洼量的減小造成了水資源的浪費(fèi)[1]。雨水花園作為“海綿城市”建設(shè)低影響開(kāi)發(fā)措施的重要方式，被廣泛應(yīng)用于雨水蓄滯及凈化領(lǐng)域。雨水花園對(duì)降雨徑流的控制，一方面是通過(guò)結(jié)構(gòu)自身的蓄存，降低雨水的流失，另一方面其對(duì)匯流的截留、緩釋，起到了延緩峰現(xiàn)時(shí)間、削減徑流量的作用[2-6]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)雨水花園的運(yùn)行規(guī)律及水文調(diào)節(jié)效果進(jìn)行了不同的試驗(yàn)與研究。Hunt[7]等對(duì)壤土雨水花園進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，降雨洪峰流量及總徑流量削減作用明顯，春、冬季運(yùn)行效果劣于夏、秋季節(jié)。EMERSON[8]等通過(guò)對(duì)研究發(fā)現(xiàn)，隨時(shí)間推移雨水花園的滲透率變化不明顯，原因可能是植被根系與土壤中微生物的作用，降低了種植土層的細(xì)微顆粒淤積帶來(lái)的影響。目前國(guó)內(nèi)還缺乏對(duì)雨水花園不同結(jié)構(gòu)配置及其運(yùn)行規(guī)律系統(tǒng)性的試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)及研究，隨著水生態(tài)文明城市與海綿城市計(jì)劃的實(shí)施，相關(guān)LID措施的規(guī)劃與推廣正在逐步開(kāi)展。唐雙成[1,4]等研究發(fā)現(xiàn)，在4年的模擬運(yùn)行期內(nèi)，雨水花園對(duì)降雨徑流削減效果明顯，28場(chǎng)降雨中僅有4場(chǎng)發(fā)生溢流。

近年來(lái),地下水開(kāi)采超標(biāo)，工、農(nóng)業(yè)用水量的急劇增長(zhǎng)，引發(fā)了嚴(yán)重的水資源短缺問(wèn)題,同時(shí)逢雨必澇成為濟(jì)南城市發(fā)展的痼疾,對(duì)人身安全及財(cái)產(chǎn)造成了隱患。本文旨在探究雨水花園合理的結(jié)構(gòu)配置及濾料配比,通過(guò)實(shí)地的運(yùn)行模擬、系統(tǒng)性的觀測(cè)與分析，對(duì)雨水蓄存率、初始產(chǎn)流時(shí)間、洪峰延遲時(shí)間等水文特征進(jìn)行分析,確定適宜濟(jì)南地區(qū)的雨水花園結(jié)構(gòu),為濟(jì)南市及類似區(qū)域低影響開(kāi)發(fā)措施的建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 研究方法及材料

1.1 試驗(yàn)方法

正交試驗(yàn)法通過(guò)科學(xué)的方法對(duì)試驗(yàn)中涉及的多因素、多水平進(jìn)行結(jié)合，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。通過(guò)有限次試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)因素及水平進(jìn)行梳理，分析確定主次因素及最優(yōu)組合。正交試驗(yàn)法在醫(yī)藥、生物及化工領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用，較普通試驗(yàn)方法其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①有效降低試驗(yàn)次數(shù)②利用較少的試驗(yàn)次數(shù)，有針對(duì)性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而得出對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有指導(dǎo)性的方案[9]。

根據(jù)對(duì)濟(jì)南地區(qū)雨水花園結(jié)構(gòu)的研究，結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)，選用四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)雨水花園試驗(yàn)方案，具體因素及水平選取如表1所示，采用L9(34)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表。

表1 試驗(yàn)因素及水平選取表Tab.1 Test factor and level selection table

1.2 試驗(yàn)概況與數(shù)據(jù)采集

雨水花園試驗(yàn)選址濟(jì)南某高校校園露天試驗(yàn)場(chǎng)地，定做9組試驗(yàn)裝置，為便于觀察及增加裝置強(qiáng)度、穩(wěn)定性，試驗(yàn)裝置均采用有機(jī)玻璃制作，底部設(shè)置開(kāi)孔，外接雨水管收集經(jīng)過(guò)過(guò)濾凈化的雨水，上部蓄水層頂部設(shè)有溢流孔，用于排放并收集超出雨水花園過(guò)濾凈化能力范圍的雨水(圖1)。

試驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)前期培育運(yùn)行穩(wěn)定后，于2016年09月10日-11月05日完整完成試驗(yàn)，試驗(yàn)雨水為人工配置，模擬降雨在雨水花園中形成的“匯水-漲水-回水”完整過(guò)程。降雨雨型采用芝加哥雨型暴雨強(qiáng)度公式，如式(1)所示。

式中：Q、P、t分別表示時(shí)段平均暴雨強(qiáng)度、降雨重現(xiàn)期、設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)；A、C、b、n均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。根據(jù)1992年修訂的《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》，濟(jì)南地區(qū)對(duì)應(yīng)的A、C、b、n分別取4700、0.753、17.500、0.898。設(shè)定降雨歷時(shí)t=60min，峰值比例r=0.4時(shí)，設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為2a，暴雨歷時(shí)為60min，雨水花園面積與匯水面積之比為1∶5。

該降雨強(qiáng)度下每組試驗(yàn)重復(fù)3次，最終取測(cè)試結(jié)果平均值。記錄雨水花園的初始產(chǎn)流時(shí)間，雨水出流過(guò)程中每間隔6min記錄一次出流總量。

圖1 正交試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.1 Site layout of orthogonal test

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 雨水花園雨水蓄存率正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 不同因素下各水平對(duì)雨水蓄存率的影響分析

由圖2可以看出，對(duì)于平均雨水蓄存率的影響，A2>A1>A3；B2>B3>B1，3種配比的植土層對(duì)雨水蓄存率差別較小，說(shuō)明其對(duì)雨水蓄存率的變化影響不大，二者之間的正相關(guān)趨勢(shì)不明顯，這與方差中四種因素對(duì)雨水蓄存率影響的排序中，植土層配料選擇排到末位的結(jié)果相一致；C2>C3>C1；D1>D2>D3，說(shuō)明在試驗(yàn)選用的濾料粒徑范圍內(nèi)粒徑越小雨水的蓄存量越大，雨水蓄存率也就越高，原因是其粒徑減小，濾料整體的表面積增大，存留在濾料中的雨水相對(duì)增大。

圖2 不同因素下各水平平均雨水蓄存率趨勢(shì)圖Fig.2 Trend diagram of average detention rate at various levels of different factors

2.1.2 不同因素對(duì)雨水蓄存率的影響分析

由表2中數(shù)據(jù)可知因素A的值小于0.01，因素B、因素C及因素D的值均大于0.05，因素A對(duì)雨水的蓄存濾影響極顯著，其他因素影響不顯著，對(duì)于雨水蓄存率的影響程度的主次順序?yàn)椋褐脖贿x擇、人工填料層填料選擇、人工填料層填料粒徑、種植土層配料選擇，主要是3種植被自身的根系生長(zhǎng)情況不同，其根系的長(zhǎng)度、粗細(xì)程度、疏密程度直接影響到其與土壤的結(jié)合程度，使得土壤的疏松程度在植被生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)生較大變化等因素直接對(duì)土壤的滲透產(chǎn)生了影響，從而對(duì)雨水花園的蓄存率造成直接影響。種植土層產(chǎn)生影響較小，這可能與本試驗(yàn)種植土配置有關(guān)，種植土配比中濟(jì)南南部的大田土占比較大，主要配料變化幅度小，對(duì)雨水的蓄存率沒(méi)有產(chǎn)生重要影響。

對(duì)雨水花園的工程設(shè)計(jì)及實(shí)施時(shí)，當(dāng)雨水蓄存率作為主要考量因素時(shí)，可優(yōu)先考慮根莖較長(zhǎng)，較密，根系更發(fā)達(dá)的植被來(lái)提高蓄存率。對(duì)于種植土不同材料的配比，試驗(yàn)中3種配比下雨水蓄存率相差不大，在后續(xù)的試驗(yàn)研究中可以在保障植被正常生長(zhǎng)的條件下，將各配比含量拉開(kāi)差距或是增加更多的水平，進(jìn)一步論證種植土料的配比是否是影響雨水花園蓄存率的重要因素之一。對(duì)于過(guò)濾濾料的選擇，3種濾料中沸石為較佳的選擇，該因素下的雨水花園具有相對(duì)較高的雨水蓄存率。對(duì)于過(guò)濾濾料的粒徑，當(dāng)僅把雨水蓄存率作為考量因素的雨水花園設(shè)計(jì)方案中，在不影響雨水花園正常運(yùn)行，例如不產(chǎn)生較大流量溢流，不發(fā)生堵塞等特殊情況下，應(yīng)盡量選擇粒徑較小的過(guò)濾濾料。該試驗(yàn)雨水花園蓄存率最大的配置為A2、B2、C2、D1組合；雨水花園蓄存率最小的配置為A3、B1、C1、D3組合。

表2 各因素對(duì)平均雨水蓄存率方差檢驗(yàn)表Tab.2 Variance test table for average storage rate of various factors

2.2 雨水花園初始產(chǎn)流時(shí)間正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 不同因素下各水平對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響分析

初始產(chǎn)流時(shí)間趨勢(shì)圖如圖3所示，由圖3可以看出，對(duì)于初始產(chǎn)流時(shí)間的影響，A2>A1>A3；B1>B2>B3,3種配比的植土層初始產(chǎn)流時(shí)間并未隨著河沙的減少而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，與期望值存在一定差異，這與方差中4因素對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間影響的排序中，植土層配料選擇排到末位的結(jié)果相一致，說(shuō)明可能植土層的配比對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間并沒(méi)有明顯的直接影響，或是3種植土層的配比本身差距較小，同時(shí)雨水花園運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較小也對(duì)植土層的密實(shí)程度產(chǎn)生一定影響；C3>C2>C1；D1>D3>D2，說(shuō)明在試驗(yàn)選用的濾料粒徑范圍內(nèi)粒徑大小對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間并沒(méi)有產(chǎn)生規(guī)律性的影響。

圖3 不同因素下初始產(chǎn)流時(shí)間趨勢(shì)圖Fig.3 Trend diagram for initial flow time of different factors

2.2.2 不同因素對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響分析

由表3方差統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于初始產(chǎn)流時(shí)間的影響，因素A及因素DSig.值< 0.01，因素C及因素DSig.值>0.05，對(duì)雨水花園初始產(chǎn)流時(shí)間的不同影響程度的主次程序依次為：植被選擇、人工填料層填料粒徑、種植土層配料選擇、人工填料層填料選擇，其中人工填料為中等粒徑、植被為狼尾草時(shí)平均產(chǎn)流時(shí)間僅為38.5 min。植被的選擇對(duì)雨水蓄存率及初始產(chǎn)流時(shí)間均有較大的影響，均處于較主要的位次，這是由于不同植物的根系具有不同的特征，同時(shí)根系的生長(zhǎng)情況也不盡相同，將直接對(duì)雨水的滲透速率、初始產(chǎn)流等產(chǎn)生影響。因素A及因素D對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響極其顯著，因素B及因素C對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響均不顯著。雨水花園初始產(chǎn)流時(shí)間最大的結(jié)構(gòu)配置為A2、B1、C3、D1組合，初始產(chǎn)流時(shí)間最小的結(jié)構(gòu)配置為A3、B3、C1、D2組合。

表3 各因素對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的方差檢驗(yàn)表Tab.3 Variance test table for initial flow time of various factors

注：R2=0.876(調(diào)整R2=0.767)。

2.3 雨水花園洪峰延遲時(shí)間正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 不同因素下各水平對(duì)洪峰延遲時(shí)間的影響分析

洪峰延遲時(shí)間趨勢(shì)圖如圖4示，由圖4分析可得，各因素對(duì)洪峰延遲時(shí)間的影響具有較大的差異。對(duì)于洪峰延遲時(shí)間的影響，A2>A1>A3；B3>B1>B2，3種水平洪峰延遲時(shí)間整體變化幅度不大；C2>C3>C1，D1>D2>D3，人工填料層粒徑對(duì)洪峰延遲時(shí)間及雨水蓄存率的影響相似，與粒徑的變化成負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著粒徑的增大，洪峰延遲時(shí)間變小，由大粒徑變換為小粒徑，洪峰延遲時(shí)間降幅達(dá)32.24%。洪峰延遲時(shí)間對(duì)應(yīng)不同因素，因素A及因素D在各水平下變化幅度最大。

圖4 不同因素下洪峰延遲時(shí)間趨勢(shì)圖Fig.4 Trend diagram for peak delay time of different factors

2.3.2 不同因素對(duì)洪峰延遲時(shí)間的影響分析

由表4差統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于洪峰延遲時(shí)間的影響，因素A及因素DSig.值< 0.01，因素C及因素DSig.值>0.05，因此因素A及因素D對(duì)洪峰延遲時(shí)間的影響極其顯著，因素B及因素C對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響均不顯著，對(duì)洪峰延遲時(shí)間影響程度的主次程序依次為：植被選擇、人工填料層填料粒徑、種植土層配料選擇、人工填料層填料選擇，其中人工填料為大粒徑、植被為狼尾草時(shí)洪峰延遲時(shí)間僅為58.5 min，當(dāng)選擇人工填料為小粒徑、植被為千屈菜時(shí)洪峰延遲時(shí)間為219 min，洪峰延遲時(shí)間明顯增大。

表4 各因素對(duì)洪峰延遲時(shí)間的方差檢驗(yàn)表Tab.4 Variance test table for peak delay time of different factors

對(duì)于雨水花園洪峰延遲時(shí)間的結(jié)構(gòu)配置，優(yōu)先選擇的是根系較密、較細(xì)，且根系發(fā)達(dá)的植物，洪峰延遲時(shí)間隨著濾料粒徑的減小，洪峰延遲時(shí)間變大，這可能由于在同樣的空間，濾料粒徑變小，整體空間密度變大，雨水滲透率降低，這與初始產(chǎn)流形成時(shí)間具有類似的原理，由此人工填料粒徑優(yōu)先選擇粒徑較小的濾料，有利于降雨洪峰的延遲。對(duì)洪峰延遲效果，雨水花園結(jié)構(gòu)最佳配置組合為A2、B3、C2、D1，最劣配置組合為A3、B2、C1、D3。

2.4 基于蓄滯效應(yīng)綜合影響雨水花園構(gòu)建分析

采用綜合評(píng)價(jià)法TOPSIS法對(duì)蓄滯效應(yīng)進(jìn)行綜合分析。TOPSIS法為處理多目標(biāo)問(wèn)題的決策方法，該方法是通過(guò)為決策問(wèn)題定義理想解、負(fù)理想解，在設(shè)計(jì)的方案中選取距離理想解最大，距離負(fù)理想解最小的，將其定義為滿意解[10]。

雨水蓄存率、初始產(chǎn)流時(shí)間和洪峰延遲時(shí)間決定了雨水花園在滯洪方面效果的體現(xiàn)，越大越好，均為高優(yōu)指標(biāo)。

式中：i為方案數(shù)；j為目標(biāo)數(shù)；fij為對(duì)應(yīng)的目標(biāo)。

首先利用式(2)相關(guān)削減率分析表5進(jìn)行歸一化處理，求得歸一化矩陣。

式中：Z+表示最優(yōu)方案；Z-表示最劣方案。

表5 正交試驗(yàn)相關(guān)削減率分析表Tab.5 Orthogonal test analysis table of reduction rate

利用式(3)、式(4)，求得正交試驗(yàn)方案中最優(yōu)方案Z+=(0.226,0.325,0.251)，最劣方案Z-=(0.039,0.012,0.018)。

式中：i=1,2,…,n，Zij為第j個(gè)目標(biāo)的第i個(gè)方案所對(duì)應(yīng)的規(guī)范后加權(quán)值。

將某可行解相對(duì)于理想解的相對(duì)接近程度定義為：

于是，Ci愈接近于1，表示該可行解與理想解愈接近，Ci愈接近于0，表示該可行解與負(fù)可行解愈接近，對(duì)Ci按大小進(jìn)行排序，即可得到可行解的優(yōu)劣，確定方案的優(yōu)劣。

不同結(jié)構(gòu)配置方案中的雨水蓄滯效應(yīng)表現(xiàn)因素與最優(yōu)值的相對(duì)接近度及其排序，同時(shí)對(duì)排序結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)的極差分析，可得表6。

表6 相對(duì)接近度排序結(jié)果及其正交極差分析表Tab.6 Relative proximity ranking result and its orthogonal difference analysis table

對(duì)雨水花園試驗(yàn)結(jié)果，利用TOPSIS法對(duì)其蓄滯效應(yīng)所得相對(duì)接近度排序結(jié)果進(jìn)行方差分析，可得其方差檢驗(yàn)表如表7所示。

表7 相對(duì)接近度排序結(jié)果的方差檢驗(yàn)表Tab.7 Variance test table for relative proximity ranking results

表6對(duì)于雨水花園各配置方案利用法進(jìn)行的排序可以直觀判斷9組試驗(yàn)在雨水綜合蓄滯效應(yīng)方面的表現(xiàn)優(yōu)劣。從雨水花園蓄滯效應(yīng)的結(jié)果，同時(shí)結(jié)合相關(guān)雨水花園實(shí)施效果，綜合比較分析，確定最佳雨水花園蓄滯效應(yīng)的綜合配置方案為A2、B2、C3、D1。在實(shí)際雨水花園的植被選擇方面要選擇根系發(fā)達(dá)、細(xì)密，短期內(nèi)耐澇又耐旱的種類，在考慮到雨水花園作為景觀性、觀賞性方面的考慮，一般要搭配3種以上的植被，以園林設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行空間、喬、灌、草等植物搭配等方面的合理布局。同時(shí)雨水花園的工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行在以雨水蓄滯為目的的情況下，要在條件允許范圍內(nèi)加大其設(shè)計(jì)尺度[11]。

不同因素對(duì)蓄滯效應(yīng)的影響分析，A2>A1>A3，表明對(duì)于雨水花園蓄滯效應(yīng)的綜合影響千屈菜>鳶尾>狼尾草；B種植土層配料選擇所對(duì)應(yīng)的K值，B2>B3>B1，表明對(duì)于雨水花園蓄滯效應(yīng)的綜合影響的綜合順序?yàn)锽2、B3、B1；C人工填料層填料選擇所對(duì)應(yīng)的K值，C3>C2>C1，表明對(duì)于雨水花園蓄滯效應(yīng)的綜合影響的綜合順序?yàn)镃3、C2、C1；D人工填料層填料粒徑所對(duì)應(yīng)的K值，D1>D3>D2，表明對(duì)于雨水花園蓄滯效應(yīng)的綜合影響的綜合順序?yàn)镈1、D3、D2，但對(duì)于人工填料粒徑K值D3、D2相差較小，考慮到試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間較短、材料粒徑本身相差不大等帶來(lái)的影響，可近似認(rèn)為在一定范圍內(nèi)雨水花園蓄滯效應(yīng)隨著人工填料粒徑的減小而增大。

由表7中R值比較分析，其主次順序?yàn)锳、D、B、C。因素ASig.值<0.01，因素DSig.值<0.05，因素B及因素CSig.值>0.05，表明對(duì)于雨水花園蓄滯效應(yīng)因素A植被選擇的影響及其顯著，因素D植人工填料層填料的影響顯著，B種植土層配料選擇、C人工填料層填料選擇的影響不顯著。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)利用正交試驗(yàn)的方法對(duì)濟(jì)南地區(qū)蓄滯型雨水花園結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究，確定了不同結(jié)構(gòu)配置下相關(guān)指標(biāo)雨水蓄存率、初始產(chǎn)流時(shí)間、洪峰延遲時(shí)間的具體數(shù)值，通過(guò)不同因素下各水平趨勢(shì)分析，確定了蓄滯型雨水花園不同指標(biāo)下各因素的影響順序，通過(guò)方差分析確定了不同控制指標(biāo)類型的雨水花園各因素的影響程度，對(duì)不同類型的雨水花園的最佳及最劣效果的結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行了確定，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(kāi)展提供思路。

(2)在分析雨水花園結(jié)構(gòu)配置、濾料選擇等基礎(chǔ)上，利用TOPSIS多目標(biāo)分析決策方法、極差及方差對(duì)雨水花園綜合蓄滯效應(yīng)進(jìn)行分析，確定了蓄滯型雨水花園結(jié)構(gòu)配置最優(yōu)形式，對(duì)相同因素下各水平的影響程度對(duì)比排序，對(duì)不同因素的影響顯著性進(jìn)行判斷。

(3)此次試驗(yàn)設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度下，雨水花園沒(méi)有發(fā)生溢流，因此在降雨強(qiáng)度較大或是降雨強(qiáng)度不大但歷時(shí)較長(zhǎng)發(fā)生溢流的情況，對(duì)其溢流時(shí)間、溢流量變化等方面相關(guān)規(guī)律的研究將作為下一步研究重點(diǎn)。

以上結(jié)論可為濟(jì)南地區(qū)蓄滯型雨水花園結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料的選取配置提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)于其他水文、地質(zhì)特性相似的地區(qū)的雨洪水蓄滯也具有一定指導(dǎo)意義，對(duì)水文、地質(zhì)特性相差較大的地區(qū)，其他海綿城市工程措施，可以結(jié)合本文的研究方法進(jìn)行優(yōu)化分析，從而得到指導(dǎo)工程實(shí)踐的具體方案及理論。