干旱區(qū)城市雨水花園建設(shè)探析

付恒陽， 李小燕

(1.陜西理工大學(xué) 歷史文化與旅游學(xué)院，陜西 漢中 723000；2.秦巴環(huán)境與旅游開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 漢中 723000)

快速城市化被認為是改變區(qū)域水循環(huán)的最主要因素[1]。城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的直接結(jié)果是城市不透水面積的增加，導(dǎo)致雨水徑流量激增、水體污染等諸多水生態(tài)和水環(huán)境問題[2]。為了改進地表環(huán)境，同時實現(xiàn)對雨水的可持續(xù)管理，近年來，基于低影響開發(fā)(Low Impact Development，LID)的雨水管理方法被許多國家接受和實施[3]，并被視為控制非點源雨水污染和自然水文恢復(fù)最有前景的方法[4]。

雨水花園是LID主要措施之一。該技術(shù)主要利用生態(tài)系統(tǒng)來儲存、處理和滲透地表徑流[5]。已知的雨水花園生態(tài)效益包括減少地表徑流量，減少徑流對收納水域的污染，減少大規(guī)模的雨水排水系統(tǒng)的需求，有效提高城市的大型降水事件期間的洪水控制能力，擴大城市綠色空間和美化市容等[6-7]。目前，一些學(xué)者對雨水花園的設(shè)計進行了專門研究[8-14]，但有關(guān)干旱氣候條件下的雨水花園設(shè)計的相關(guān)論述卻鮮有報道，不利于干旱區(qū)可持續(xù)的雨水管理。

本文在植物生理學(xué)、生態(tài)學(xué)等相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻研究，探討基于生態(tài)學(xué)的、能夠適應(yīng)干旱氣候的、同時能夠有效處理雨水徑流并利用雨水作為主要灌溉源的雨水花園設(shè)計，旨在為干旱區(qū)雨水花園建設(shè)提供理論借鑒。

1 干旱區(qū)城市雨水花園建設(shè)的必要性

近些年來我國西北部干旱地區(qū)城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速。隨著城市的發(fā)展，不透水面積的不斷擴大對地方和區(qū)域范圍內(nèi)的水文產(chǎn)生了深遠影響；城市人口的不斷增加導(dǎo)致草坪及花園灌溉用水量增加，加重了城市用水負擔(dān)，給城市水管理帶來極大挑戰(zhàn)。在一些干旱地區(qū)，降雨雖少，但比較集中，且有時多發(fā)強降雨，導(dǎo)致城市洪澇災(zāi)害時有發(fā)生。為有效減輕城市化對區(qū)域水文的負面影響，亟需進行可持續(xù)的雨水管理。

在干旱區(qū)域，原生態(tài)系統(tǒng)對人為影響的恢復(fù)彈性較小[15]，其生態(tài)修復(fù)又受到缺水和植物生長困難的制約[16]?；谏鷳B(tài)學(xué)的雨水花園設(shè)計是可持續(xù)雨水管理方法的一種，也是恢復(fù)干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的有效途徑。作為傳統(tǒng)園林綠化的替代方案，雨水花園的實施可以通過創(chuàng)造一個漂亮的無灌溉景觀來減輕干旱地區(qū)的供水壓力，從而實現(xiàn)有限水資源的科學(xué)利用。同時，在干旱氣候下采用基于綠色基礎(chǔ)設(shè)施(Green Infrastructure，GI)的雨水管理方法，可以減少徑流對周圍水體造成的物理和化學(xué)性損害，從而保護該地區(qū)稀缺的地表水資源。

2 干旱區(qū)城市雨水花園設(shè)計

2.1 植物的選擇原則

首先，干旱區(qū)雨水花園的植物選擇應(yīng)主要考慮植物的耐旱和耐寒性。因為不耐旱的植物在干旱氣候條件下，低土壤水分與低大氣含水量相結(jié)合，導(dǎo)致植物的葉-大氣界面和根-土壤界面兩者之間極端水勢梯度的出現(xiàn)，植物木質(zhì)部導(dǎo)管或管胞中會產(chǎn)生氣穴化(Cavitation)現(xiàn)象[17]。不耐寒的植物在越冬過程中植物脈管內(nèi)會結(jié)冰，冰晶會導(dǎo)致木質(zhì)部低壓氣泡的形成，或者冰晶可以將溶解的氣體濃縮至超過飽和點，產(chǎn)生氣泡，引起氣穴化現(xiàn)象。如果植物輸水通道被氣穴化所破壞，植物將會失去從土壤中吸收水分的能力，即使土壤水分充足，但運輸中斷，植物也會死亡[18]。

其次，干旱區(qū)雨水花園建設(shè)時，應(yīng)盡量選擇本地生長的植物。因為干旱區(qū)植物群落在進化過程中通過生理上的自適應(yīng)以避免木質(zhì)部的氣穴化現(xiàn)象。寒冷干旱區(qū)的植物常通過落葉避免冬季霜凍的危害；一些常綠灌木采用其他方式過冬，如增加葉片的脫落酸(ABA)抑制植物生長，使植物進入休眠期，以降低凍害的發(fā)生，或增加植物體內(nèi)不飽和脂肪酸的含量以提高抗寒性；也有一些植物用厚樹皮保護木質(zhì)部，以減少結(jié)冰的風(fēng)險；有些植物在冬季受凍害后，在春季通過積極的根壓作用重新填充木質(zhì)部[19]；生長在干旱區(qū)的一些植物通過生理上的自適應(yīng)能夠在生長季節(jié)的春季進行光合作用并獲取水分，然后在氣候干燥的月份關(guān)閉水分運輸，從而避免夏季極端水勢梯度造成的氣穴化風(fēng)險。

再者，干旱區(qū)雨水花園應(yīng)選擇根系發(fā)達的植物。植物的抗旱能力通常與植物的根系有很大關(guān)系[20]。適宜于干旱氣候的植物最常見的生根模式有兩種：或具有大而深的根，或具有淺且廣泛的根系[21]。在干旱區(qū)，一些植物根部很深(如我國西北生長的檉柳的根深超過10 m；生長20年以上的苜蓿，主根可深達16 m)。這些深根植物在夏季長時間干旱和季節(jié)性干旱條件下，通過利用深層土壤水依然茁壯成長[22]；有些干旱區(qū)的植物通過在較淺的土壤層中發(fā)育廣泛的根系(如紅柳)，在生長季節(jié)迅速捕獲和利用小型降水事件[23]。一些灌木既有深根也有淺而廣泛的根系(如連翹)，當(dāng)不需要水分來驅(qū)動光合作用或氣體交換時，兼有深根和淺根的灌木在晚上將水從深層土壤輸送到干燥的淺層土壤中，第二天，這些水可被自身或鄰近的植物所利用。干旱區(qū)雨水花園選擇根系發(fā)達植物的另一個原因是植物根的生長與土壤中的叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungus，AMF)密切相關(guān)。隨著植物根長度的增加，與AMF相互作用的機會也隨之增加[24]，進而增加了根系吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力，有助于在干旱氣候中維持植物的存活[25]。

最后，為提高雨水花園的雨水處理能力和抗旱潛力，干旱區(qū)雨水花園設(shè)計中應(yīng)將深根植物與淺根植物相結(jié)合。一些根系發(fā)達的淺根草本植物在每個生長季節(jié)可以重新生長多組根[17]。隨著根部的再生和翻轉(zhuǎn)，土壤中產(chǎn)生了許多小通道，使地表徑流快速下滲，這極大地減少了積水時間，提高了雨水捕獲效率。另外，密集的根系也形成了一個與AMF相互作用的網(wǎng)絡(luò)，在徑流通過時起到穩(wěn)定土壤和過濾的作用；與淺根草本植物相比，根深灌木或喬木可以吸收淺根草本植物無法獲得的深層水分，同時，深根植物可以把深層土壤水吸收到表層土壤，有助于淺根植物的存活[26]。

根據(jù)以上原則，表1給出了適宜于干旱區(qū)雨水花園的植物種類，鑒于不同植物對于環(huán)境適應(yīng)性不同，雨水花園建設(shè)中植物的選取需因地制宜。

表1 適宜于干旱區(qū)雨水花園種植的植物

續(xù)表

2.2 構(gòu)造設(shè)計

圖1 干旱區(qū)雨水花園設(shè)計示意圖

基于國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于雨水花園的設(shè)計要求[8-14]，結(jié)合干旱區(qū)特殊氣候條件，遵循經(jīng)濟、實用的原則，建議干旱區(qū)雨水花園的設(shè)計構(gòu)造如圖1所示，從上到下包括：礫石覆蓋層，深度5～10 cm；種植層，深度30～50 cm；人工填料層，深度50～70 cm。

2.2.1 覆蓋層

為了提高系統(tǒng)的滲透能力以及徑流污染物的吸收性能，在干旱區(qū)雨水花園設(shè)計時，需要在上部鋪設(shè)覆蓋層[27]?，F(xiàn)實中經(jīng)常使用樹皮為覆蓋物，但是，在干旱區(qū)，樹皮覆蓋物常會被大風(fēng)吹走，需經(jīng)常更換。與樹皮相比，直徑5～10 cm的礫石一般不需要更換，并且在多數(shù)降雨事件下不易被沖走，后期也很少需要維護。此外，干旱區(qū)蒸發(fā)強烈，淺色的礫石覆蓋物可以增加地面反射率，有助于降低覆蓋區(qū)域的表面溫度，從而減少水分的蒸發(fā)[28]。故使用淺色礫石作為覆蓋層可降低維護成本，并能延長雨水花園的使用壽命。

2.2.2 種植層

為了幫助植物發(fā)育廣泛的根系，促進植物根系與AMF的相互作用和營養(yǎng)物的吸收，雨水花園應(yīng)鋪設(shè)30～50 cm的種植層。為保證種植層較高的滲透率，干旱區(qū)雨水花園的種植層應(yīng)采用滲透率較好的沙壤土。一般情況下，本地土壤足以滿足本土植物種植，且使用本地土壤可以降低項目建設(shè)成本。如果本地土壤粘土含量高，則可以在本地土壤中添加沙子以提高土壤的滲透性。

2.2.3 人工填料層

為了實現(xiàn)徑流的快速下滲，雨水花園中需要鋪設(shè)人工填料層，以允許大量的雨水短時間儲存在占地面積有限的雨水花園系統(tǒng)內(nèi)并快速滲透到地下。Hsieh等[29]認為，用膨脹頁巖、陶粒等密度較輕的介質(zhì)組成的人工填料層取代由沙子或沙壤土組成的“過濾層”，是實現(xiàn)雨水快速下滲的有效途徑。雨水通過人工填料層，經(jīng)暫時儲存后緩慢滲入下面的自然土層并儲存起來。深根植物的根可以穿過人工填料層，進入自然土層，以便在干旱季節(jié)吸收水分。

人工填料層的深度與雨水花園的功能和成本密切相關(guān)。首先人工填料層的深度不易過小，因為雨水花園需要一定深度的人工填料層在春季儲存并滲透足夠的融雪徑流，以維持植物整個夏季的用水需求；另外，一些干旱氣候區(qū)降雨比較集中，且時有強降雨發(fā)生，加上當(dāng)?shù)爻鞘谢瘜?dǎo)致的徑流量和徑流體積的增加，雨水花園設(shè)計中更需要一定深度的人工填料層儲存雨水并促使雨水快速下滲。其次，人工填料層不易過深，因為隨著深度的增加，與挖掘和購買填充材料相關(guān)的成本也會增加，最為關(guān)鍵的是，人工填料層過深可能會導(dǎo)致干旱區(qū)某些植物的根無法穿過人工填料層，從而無法獲取深層土壤的水分和養(yǎng)分。結(jié)合Hsieh等[29]的研究，建議人工填料層的深度以50～70 cm為宜。

2.3 雨水花園面積計算

目前國內(nèi)外雨水花園面積的計算方法主要有基于匯水面積的比例估算法、蓄水層有效容積法、基于達西定律的滲透率法[10]。其中最簡單的方法是匯水面積比例估算法，其公式為

Af=Adβ，

(1)

式中Af為雨水花園的表面積(m2)，Ad為匯流面積(m2)，β為雨水花園表面積與其匯流總面積的比值(當(dāng)匯流區(qū)域均為不透水路面時，β取值0.05～0.10)。

向璐璐等[10]在總結(jié)國外雨水花園面積計算方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)的具體情況，提出了基于完全水平衡法的雨水花園面積計算公式：

(2)

式中Af為雨水花園的表面積(m2)，Ad為匯流面積(m2)，H為設(shè)計降雨量(按照設(shè)計要求決定，單位換算為m)，φ為徑流系數(shù)，df為雨水花園的深度(包括種植層和人工填料層，m)，K為土壤的滲透系數(shù)(m/s)，T為計算時間(按照一場降雨120 min計)，h為蓄水層設(shè)計平均水深(m)，hm為最大蓄水高度(m)，fv為植物橫截面積占蓄水層表面積的百分比，n為種植層和滲濾層的平均孔隙率(一般取值0.3左右)。

基于匯水面積的比例估算法的優(yōu)點是簡便、易操作，但精度不高，要求工程人員經(jīng)驗豐富。無論是蓄水層有效容積法、基于達西定律的滲透率法，還是完全水平衡法，雖然精度能得到提高，但需要的參數(shù)較多，不易操作，故具體的雨水花園的面積設(shè)計，可根據(jù)場地實際情況對相關(guān)計算公式作適當(dāng)?shù)男拚?/p>

2.4 維護與管理

為保證雨水花園的徑流削減率及其他生態(tài)服務(wù)功能，應(yīng)采取相應(yīng)的措施進行定期維護。在雨水花園建成后第一年的干旱季節(jié)，要求每周都要灌溉，以幫助植物根系發(fā)育到可以吸收足夠深的土壤水分。一年后，當(dāng)植物存活并生長良好后，無需每周灌溉，只需在干旱嚴(yán)重情況下適當(dāng)澆水。每年冬季對種植的叢生草進行修剪，使其高度維持在10 cm，這將有助于其下一個生長季節(jié)的新芽生長。另外，對死亡或遭受破壞的植被及時補種、定期松土以及淤泥清理也是必要的維護措施。具體維護措施見表2。

表2 雨水花園維護清單

3 討論

要想實現(xiàn)低影響開發(fā)的目標(biāo)，雨水花園的設(shè)計與建造應(yīng)遵循生態(tài)學(xué)的基本原理[20]。由于水熱條件制約，在干旱區(qū)域的雨水花園設(shè)計中，無論是植被選擇還是內(nèi)部構(gòu)造，都不能完全照搬濕潤區(qū)雨水花園的相關(guān)設(shè)計。

劉晶晶等[30]研究認為，為了提高植物成活率和盡可能減少灌溉用水需求，干旱區(qū)雨水花園建設(shè)中應(yīng)采用抗旱、耐寒、耐貧瘠、適應(yīng)性強、根系發(fā)達的植物。除此之外，本研究認為，在植物選取中，為充分利用地下水資源，應(yīng)采取淺根草本植物和深根灌木或喬木相結(jié)合的方式；前人的研究[8-14]中，覆蓋層多采用樹皮為覆蓋物，本研究認為，為了減少水分蒸發(fā)，并防止不必要的雜草迅速消耗土壤水分，可用淺色礫石替代樹皮，這不僅有助于減少系統(tǒng)的維護費用，還可以增加場地的反射率，從而降低覆蓋區(qū)的表面溫度，減少水分的蒸發(fā)；種植層設(shè)計時，為避免過多的營養(yǎng)物隨徑流進入水體，以及實現(xiàn)雨水花園較好的下滲效果，需要檢測所用土壤的孔隙率、入滲率、所含成分等主要數(shù)據(jù)，為土壤設(shè)計提供詳實的科學(xué)依據(jù)[20]。臧洋飛等[31]、Brown等[32]實驗發(fā)現(xiàn)，人工填料層的填料以及填料層深度對蓄水率的影響顯著。在干旱區(qū)雨水花園設(shè)計時，為增加人工填料層的儲水量和滲透率，可以采用密度較輕的膨脹頁巖或陶粒。在人工填料層的深度方面，前人的研究中普遍認為人工填料層的深度一般為60～120 cm[10-13]，本研究建議填料層的深度為50～70 cm，主要是考慮到應(yīng)有利于干旱區(qū)植物對深層土壤水的吸收和利用。

需要說明的是，雨水花園建設(shè)應(yīng)與現(xiàn)有的市政設(shè)施緊密銜接，項目建設(shè)不能過分強調(diào)徑流量消減和控制，應(yīng)做到與已建成市政管道的銜接，使得場地原有雨水管道得以充分利用。另外，雨水花園建設(shè)應(yīng)與城市規(guī)劃、景觀規(guī)劃等大尺度的布局相結(jié)合，從宏觀角度去協(xié)調(diào)和整合各個市政規(guī)劃，發(fā)揮各個市政工程的綜合效益。

4 結(jié)語

本研究討論了干旱氣候下雨水花園建設(shè)中植物的合理選擇，闡述了覆蓋層、種植層、人工填料層的設(shè)計要求，以及建設(shè)面積的計算和系統(tǒng)的維護問題，旨在為干旱區(qū)雨水花園的科學(xué)建設(shè)提供理論借鑒。干旱區(qū)雨水花園的設(shè)計不能照搬濕潤區(qū)的雨水花園設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，必須建立在生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)上，充分考慮植物的生存機理、自適應(yīng)機理以及區(qū)域的水文特征。只有合理的植物選擇和科學(xué)的構(gòu)造設(shè)計才能保證雨水花園的可持續(xù)性，才能有效維護干旱區(qū)脆弱的城市生態(tài)系統(tǒng)。