雨水花园建设的主要作用，雨水花园对城市的影响分析

摘要：雨水花园是海绵城市建设中应用最广泛的技术手段之一。为研究雨水花园对雨水径流热污染的控制效果及影响因素，以典型雨水花园实验装置为研究对象，采用人工模拟雨水径流的方法，系统地改变温度。研究过。降雨过程中雨水径流温度和降雨强度对雨水花园各结构层规律的影响及热污染抑制效果。结果表明，雨水花园能够有效控制雨水径流热污染，且当重现期从1年增加到10年时，雨水径流温度下降幅度从17.4减小到10.5，热污染减少。削减率有所下降。从17.4到10.5，减少量从32.42%增加到14.54%，当雨水径流温度从22增加到35时，降温量从6.3增加到20.5，热量减少率从20.67%增加到32.65%到。此外，雨水花园出口水温受填充床温度影响较大，出水口附近填充床温度越低，雨水花园出口水温越低。因此，降雨强度越小，填充床温度越低，雨水径流温度越高，雨水花园对雨水径流热污染的控制作用越大。关键词：雨水花园；雨水径流；热污染；温度；热量； 作者简介：徐维珍（1995—），女，硕士研究生，主要从事城市水环境及雨水径流污染控制研究。 E-mail:xuweitong9565@163.com;*王建龙(1978—)，男，教授，博士，主要从事城市雨水径流污染防治及城市雨水规划与管理研究。 E-mail:wjl_xt@163.com；基金项目：国家水污染控制与治理重点科技攻关项目（2017ZX07103-002）；引用文献：许伟彦，王建龙，吴艳杰等，雨水花园对热力控制效果试验徐伟同， 王建龙， 吴艳杰， 等. 雨水径流污染研究[J]. 水利水电技术， 2020, 51(9) : 162-167.王志强， 王志强， 等. 雨水径流经雨水花园输入的热污染[J]. 水利水利工程， 2020, 51(9) : 162-167.

0 引言环境水温升高导致水中对温度敏感的水生生物无法正常生存甚至大量死亡，造成水体热污染。研究表明，冷水鱼栖息的水体最高水温不应超过21，水体温度变化应小于3。鳟鱼等冷水鱼最适宜生存的温度是10至18，但如果超过20，就会影响它们的繁殖和摄食能力，甚至危及生命。此外，环境水体的热污染使水中溶解氧浓度降低，氮、磷浓度升高，造成水质恶化和水体富营养化，破坏水生生态系统的平衡。近年来，随着城市化的快速进展，城市不透水面积急剧增加。夏季，不透水表面因太阳辐射而温度升高，降雨时发生雨水径流和热交换，雨水温度升高。雨水径流量增加，导致雨水径流热量污染，最终造成受纳水体热污染。 GALLI等人的一项研究表明，城市化可使受纳水域的温度升高5.1C。因此，雨水径流热污染是环境水体热污染的主要来源之一。目前，日本关于水体热污染的研究大多集中于水源热泵、发电厂等产生的热废水对水体的影响及其控制策略。目前还没有引起足够的重视。因此，迫切需要解决雨水径流造成的热污染。雨水花园不仅可以减少雨水径流量、净化水质，而且对于抑制雨水径流造成的热污染也有显着效果。国内外针对雨水花园在减少雨水径流造成的热污染方面的有效性进行了一系列研究。根据JONES等人的研究，雨水花园处理后的雨水径流温度可降低3至6，且出水口越低，出口水温越低。 ROSEEN 等人通过监测多个BMP 设施，包括降雨期间的生物滞留池和湿地，表明生物滞留可以显着减少雨水径流造成的热污染问题。根据Tozono Ling等人的研究结果，雨水花园的出水温度比进水温度低3至8摄氏度。通过生物滞留模拟试验，郭平亭先生发现，当生物滞留进水温度为20~35时，出水温度保持在14~18之间，生物滞留可以有效降低雨水径流温度.我发现我可以降低它。李晓静等对深圳市光明新区雨水径流温度进行监测，结果表明生物储水池可将雨水径流温度降低至26.4。综上所述，现有研究主要局限于雨水径流温度控制效果，但对于雨水径流热污染控制效果的影响因素及其温度变化特征仍缺乏系统的信息。降雨期间雨水花园结构层与热平衡研究因此，本文以典型雨水花园结构为研究对象，采用雨水径流人工模拟的方法，研究降雨过程中雨水花园各结构层的温度变化特征、雨水径流温度和降雨强度。的影响抑制热污染效果及雨水影响研究对园林热平衡进行分析，为抑制雨水径流造成的热污染和合理开发利用土地提供科学依据。

1 研究材料与方法1.1 试验设备试验设备由雨水花园模拟装置、水箱和配水系统组成（见图1）。雨水花园模拟装置的材质为不锈钢，尺寸为LBH=120cm120cm100cm，试验装置的外壁为填充10cm厚玻璃棉的隔热层。测试设备周围有铝箔蜂窝隔热膜，以减少环境温度对测试的影响。雨水花园的结构从顶部开始由蓄水层、种植土层、填充层、砾石排水层组成。土层中的植物为海棠(Malus chinensis)。种植土为土与细沙1:1的混合物（H=30厘米）。填充床采用细砂（H=30厘米）。该层采用级配碎石（=1~3cm，H=10cm），层与填料层之间放置土工布。在距种植土面1cm、20cm的种植土层、距种植土面50cm的填充层、进水口和出水口处安装温度传感器，监测各层温度。以上监测点分别采用T1、T20、T50进行测量，T进水口和T出水口均采用NT78型热敏电阻温度传感器，T进水口和T出水口采用UC-21W型温度。传感器。实际测试设置如图2 所示。

图1 测试设备

图2 实际测试设备

1.2 试验方法通过调节计量泵（型号：YZ-35）的转速来控制进入雨水花园的水流量，每次试验前均校准流量，试验过程中每5分钟调整一次流量。环境温度变化可达0.5C。雨水花园服务流域面积比例为1:10，流域面积雨水径流系数为0.9，降雨型式采用芝加哥降雨型式，降雨持续时间为1小时，降雨峰值系数为0.5。采用京二区暴雨强度公式模拟重现期P分别为1a、2a、5a、10a的雨水径流过程线（见图3）。

式中，q为计划降雨强度[L·(s·hm2)-1]，P为计划降雨重现期(a)，t为降雨持续时间(min)。

图3 不同重现期雨水径流处理线

根据夏季沥青路面雨水径流温度的变化范围，试验时选取雨水径流温度为22、26、30、35，并通过加热装置控制雨水径流温度（ 304）。在水族箱内部放置一根不锈钢电加热管（不锈钢电热管）。具体测试方案如表1所示。

一般用降雨事件平均温度（EMT）来表示雨水花园雨水出口的平均温度，计算公式为：

式中，q为出水流量（m3），t为出水温度（），T为持续时间（s）。被测EMT 可以使用以下公式计算：

其中Vi是每5分钟产生的水量(m3)，Ti是每5分钟产生的水的平均温度(C)。

2 结果与讨论2.1 各结构层温度变化特征以重现期P=1a、进水温度30为例，确定降雨过程中雨水花园各结构层的温度变化特征并持续一小时。图4为雨停后雨量分析结果。从图中我们可以看出，下雨前温度为T1（10.2）。

图4 雨水花园各结构层温度变化（P=1a，T进水量=30）

2.2 降雨强度对热污染抑制效果的影响当雨水径流温度为30，重现期分别为P=1a、2a、5a、10a时，降雨期间及1后时间雨水花园的结构层降雨最终温度稳定如图5所示，降雨强度对出水温度的影响见表2。由图5可知，返回时间越长，各结构层温度越高，出水温度稳定值越高。由表2可知，返回时间从1a增加到10a，出水时间从44分钟减少到34分钟，平均出水温度EMT从12.6增加到19.5，出水温度下降。值从17.4下降到10.5。因此，降雨强度越小，出水温度越低，温降越大，雨水径流热污染抑制效果越明显。初步分析，主要原因是随着降雨强度的增大，雨水径流在入渗过程中与各结构层的热交换作用减弱，导致出水温度升高。进一步分析图5可知，不同重现期雨水花园出水温度T与填充床温度T50相近，因此填充床的设计参数对热污染控制效果影响较大。的雨水花园。雨水花园出水温度受降雨量和填料层温度的影响，但在实际工程中，增加雨水花园填料层的厚度可以增加雨水径流的热交换时间。通过选择热容量高的填料，可以提高抑制雨水径流造成的热污染的效果。

图5 不同降雨强度下雨水花园各结构层稳定温度（T进水口=30）

2.3 雨水径流温度对热污染防治效果的影响表3和图6分别为恢复期为1年、雨水径流温度分别为22、26、30、35时的试验结果表示。从表3和图6可以看出，当雨水径流温度从22增加到35时，雨水花园雨水径流温度的降低值从6.3增加到20.5，雨水径流温度降低值从6.3增加到20.5，雨水径流温度降低值从6.3增加到20.5。温度降低率增加。 28.6%58.6%，且随着雨水径流温度的升高，出水温度的降低值和降低率增大。进一步分析表3可知，出水平均温度与填充床平均温度几乎一致，且当雨水径流温度为22时，实验过程中填充床温度较高（16.4 ）。平均出水温度也较高（15.9），当雨水径流温度为30时，实验期间填充床温度较低（12.7），平均出水温度也较低。 (12.6)，与2.1的研究结果一致。因此，出水温度受雨水径流温度和填充床温度影响较大，填充床温度越低，出水温度越低，雨水径流热污染抑制效果越高。雨水径流温度越高，相对于雨水径流温度的降温幅度越大，降温幅度越大，热污染治理效果也越大。另外，不同雨水径流温度条件下，种植土表面温度T1的温度变化为10.225.4，20cm种植土表面温度T20的温度变化为10.721.4。温度T20处的温度变化为10.7至21.4。为雨水花园选择适合土壤温度10C 至25C 的植物是个好主意。

图6 进水温度对雨水花园出水温度的影响(P=1a)

2.4 雨水花园热平衡分析雨水花园减少雨水径流的计算公式如下。

式中，Q为雨水花园对雨水径流的减热量（kJ），V1为雨水径流总量（m3），V2为总溢流量（m3），V3为雨水总量（立方米）。入渗水量（m3），为雨水径流密度（103 kg/m3），C为雨水径流比热容[4.2103J/（kg·）]，EMT1为雨水径流平均温度（）， EMT2 是溢流水的平均温度（），EMT3 是渗透水的平均温度（）。由式（4）可确定雨水花园的雨水径流热量减少率。

由式（4）和（5）可计算出雨水花园对雨水径流的减热效果，结果如表4和表5所示。由于试验中雨水花园面积为1 m2，表4、表5中的热减量值可表示为单位面积雨水径流的热减量值，单位为kJ/m2。从表4可以看出，当收集年限从1年增加到10年时，雨水花园径流的热还原值从1.33104 kJ/m2减小到1.08104 kJ/m2。该比例从32.42%下降至14.54%。因此，重现期越短，雨水花园对雨水径流的减热量越大，减热率越高，雨水花园对雨水径流热污染的控制效果越高。由表5可知，当雨水径流温度从22升高到35时，雨水花园对雨水径流的减热量从6.22103 kJ/m2增大到1.56104 kJ/m2。热量减少率从20.67%提高到32.65%。因此，雨水径流温度越高，雨水花园对雨水径流的减热量越大，减热率越高，雨水花园抑制雨水径流热污染的效果也越大。

3 结论与展望(1)降雨强度对抑制雨水径流热污染的效果具有重要影响。当重现期从1年增加到10年时，雨水花园排水EMT从12.6增加到19.5，热量减少率从32.42%减少到14.54%。因此，降雨强度越小、出水温度越低，雨水花园对雨水径流热的削减率就越大，雨水径流热污染抑制效果就越大。 (2)雨水径流温度是影响雨水花园降温率和雨水径流热减值的重要因素，但对出水温度影响不显着。雨水径流温度由22上升至35，降温值由6.3上升至20.5，降温率由28.6%上升至58.6%，雨水径流热量下降率由20.67%上升至58.6%到32.65%。因此，雨水径流温度越高，雨水花园的降温减热量越大，雨水花园对雨水径流热污染也具有较强的抗冲击能力和稳定的控制效果。 (3)填料层的设计参数对雨水花园出水温度有显着影响，填料层温度越低，雨水花园出水温度越低。因此，在实际工程中，可以通过增加填料层厚度、选择热容较高的填料来提高雨水花园的热污染控制效果。雨水径流造成的热污染受到多种因素的影响，包括光、天气和风速。未来有必要根据工程实际监测和监测，对受纳水域雨水径流造成的热污染负荷进行系统评估。管道输电中的雨水径流热损失。此外，为了实现对热污染敏感水体的有效管控，需要加强雨径流热污染控制基础研究，制定雨径流热污染相关政策和制度。

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