雨水花园在城市设计雨水管理中的应用与规划外文翻译资料

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雨水花园在城市设计雨水管理中的应用与规划

K. Ishimatsu bull; K. Ito bull; Y. Mitanibull; Y. Tanaka bull; T. Sugahara bull; Y. Naka

摘要：随着城市化进程的加快，城市生态系统服务功能逐年恶化。由于城市化的加速，洪水问题威胁到日本各城市的居民。虽然传统处理城市洪水的方式是建设污水系统，但在当前的金融危机的背景下，特别是地方政府的开支不足，因此替代的方法必须开发。雨水花园作为一种低影响开发，近年来在北欧国家、美国被认为是雨水径流处理最佳的管理实践。尽管日本对于雨水花园的需求不断增加，但事实上学术界对于雨水花园的功能和特点缺乏相关的认知。本研究旨在通过验证实验和实地调查来解释雨花园的功能。这项研究表明，虽然雨水花园的适用性受土壤性质和集水区的影响，但是其特别适宜处理低流量的雨水 。我们的实地调查表明，雨水花园必须连接到污水系统。此外与其他绿色基础设施相同，雨花园需要日常维护。维修中最常见的类型是处理垃圾，这是因为垃圾可以阻断通道雨水花园与传统的污水处理系统之间运行。此外，垃圾存积超过36小时会导致雨水的滞留，水体则会变成蚊子幼虫的栖息地。

关键词：洪水；城市绿化；生态系统；污水处理系统；绿化设施

一、雨水花园介绍

城市基础设施对生态系统服务质量有显著影响。由于城市的大多绿地更换为混凝土和沥青，完全密封了土层的渗透面，生态系统功能逐年恶化。因此，世界上大多数的城市正面临着生物多样性丧失的问题，并且由于气候急剧变化，导致降雨模式发生了巨大变化，雨水问题带来的城市内涝近年来严重威胁到城市居民。但是值得注意的是，即使城市扩张，城市面积也只占地球表面的3%，其容纳的人口却达到世界人口的一半（至2010）。可能增加不透水表面的表面面积最深远的影响是对于水文生态体系的改变，特别是对当地的流量排放的变化（Gallagher等，2011）（图1）。最近的雨水的强度完全超出了传统的污水系统的能力。

图1 不透水表面覆盖层和地表径流之间的关系（1998年联邦机构间流恢复工作组）

由于全球变暖，导致雨水的强度不断增加，洪水造成的人和私人财产的损失将严重增加（图2）。

图2 飓风对私人资产造成的损害时间变化以及超过每小时降雨量超过50mm的暴雨事件发生时间（日本气象厅，国土交通省，旅游部）

此外，没有足够的雨水滞留系统，地表水不仅会大量积累造成洪水，还会将携带的营养物质和化学物质引入附近的湿地和水体（Fu等， 2005）。在降雨过程中，前几厘米降雨量带来的地面径流包含大部分的污染物。最初的冲刷水包含沉积在路面的有机物和其他化学物质，其最先流入附近的河流、池塘和湿地（Hostetler，2009）。因此，城市化和建设用地的增加可能不仅会导致污染源的增加，而且在不透水表面下，污染物的传输速率也大大加快（Fu等，2005）因此，地面径流速度需要控制，同时自然区域和洪水区域要防止大量水体流入（Hostetler，2009；Van-Mete ，2011）。

日本污水处理系统十分发达，管道总长度约40000公里，旧污水管道数量增加，但是这将在下一个十年成为更严重的社会问题（Kuwano等人，2010）。虽然资产管理或库存管理部门认识到这些管道需要更新，但是当地政府试图延长管道的使用寿命，为维持一个有效的污水处理系统而降低生命周期成本（LCC）（Hosoi等，2012）。然而对于一些面临严重的人口下降问题的地区，扩大下水道服务生活并不总是LCC的最佳策略（Hosoi等，2012）。此外，即使可用资金充足装修工程完全顺利，由于不透水下垫面面积的增加，城市热岛或暴雨，将继续向城市居民不断威胁（hiraga，2015）。此外，不仅仅是农村，大城市区域雨水管理仅依靠污水处理系统的这一理念无法再实行，这恰好与渗透性表面置换应尽早进行（okui，2015）的拆迁实践需要修改相适应。因此，应在适当的土壤区域填充材料，促进原先结构和碎片的完全清除，并建立保护性植被覆盖，以促进地面径流到地面渗透的转变（Shuster，2014）。

在北欧、美国、加拿大和澳大利亚，雨水花园作为一种低影响开发类型的技术体系（LID），已被推荐为最佳的管理实践，用以在城市地区处理雨水径流和提高生物多样性。低影响开发技术体系是一种替代传统雨水处理的雨水管理方法，是一个生态敏感的发展战略，其侧重于维护生态水文功能的景观开发（Penniman， 2013）。雨水花园是通过种植树木或灌木形成景观低浅洼地，并通过一层树皮覆盖地面（Dietz和Clausen，2005）。雨水花园排水基础良好，多孔床，其中池塘中水含量通常可在几个小时达到100至300毫米的深度，在降雨后干扰蚊子繁殖，并在36小时后达到最大。有时，自然洼地可以被保存并用作雨花园。对于高度工程化的雨水花园，挖掘床往往内衬土工织物，然后覆盖媒介物质，增加粗糙度与深度。雨水花园通常是从下方排水，总是在径流量较大的区域的附近。在干旱时期，土壤吸收并储存雨水，使植物生长。在一个地区引入适当的物种，基本上没有必要经常灌溉，甚至不需要灌溉。一旦设计施工完成，植物进行自我浇水、自我施肥，所以特别适合在城市环境下种植原生植物（Hostetler，2009）

可以预见在不久的将来，在日本管理褐地将非常重要，这是因为有一种可能——由于严重的人口下降这些地区将增加（国家人口与社会保障研究所2015）。再利用可能的空置土地灵活地实施的绿色基础设施，如雨水花园的分散雨水管理系统（舒斯特等。2014）。在褐地安装雨水花园将是实现土地可持续利用的最佳途径。虽然日本对雨水花园的需求不断增加，但对它们的功能和特性缺乏了解。本研究旨在：

1、解释试验场雨花水园的排水功能和特点；

2、提出如何设计和维护适合日本和其他东亚城市的雨水花园。

这项研究的结果可以提高土木工程师和景观设计师在城市地区的生态系统设计建设的提高。

二、材料与方法

这项研究包括一个实验和实地调查。

三、实验

3.1 雨水花园

雨水花园人工池塘于2014年3月建造在日本北九州科技学院戸畑校区（图3）。池塘底部和两侧都覆盖了一层不透水的橡胶板，以避免任何水体的渗透。雨水花园土壤是混合的砾石、沙子和淤泥（2015日本地质调查）内合成的原生土壤，用以取代碎石床。与池塘不同的是，雨水花园的底部和两侧没有被防渗的橡胶薄膜覆盖。当雨水溢出时，池塘通过底部和两侧雨水设施排放给雨水花园。

图3 雨水排水的实验场地概况

当溢出发生时，雨水花园通过另一个聚氯乙烯排水系统将雨水排入污水系统。雨水花园和池塘有数字水位计（model 4800 Samp;DL mini；OYO）测量排水量。数字水位计每10分钟记录水位。监测时间为2015年6月1日至7月31日，此时的日本为雨季。

3.2 排水计算

连续方程（公式1）和曼宁公式（公式2）用来计算从池塘到雨水花园的雨水排水量。

连续方程：

（1）

其中Q是流动体积（每秒/立方米），一个横截面面积充满的水（平方米），v是流速（每秒/米）。

（2）

其中n是粗糙度长度，R是液压半径（米）。

R由公式 3和4计算（见图4）。

（3）

其中D是排水系统的直径（米），S是湿周（米）。

（4）其中H为水深（米），r为排水系统半径（米）。

图4 用于计算水力半径的排水横截面图

由于Q（方程5）不测量雨水花园的直接降雨量，因此通过雨水花园集水面积（1.862平方米）与池塘面积（357.5平方米）的比例计算雨水入雨总量。

其中Qrsquo;为流量（m3 / s）。

当降雨开始时，池塘并不总是充满水，即池塘里的水需要几分钟到达最高水位。 虽然雨水池充满了雨水，但是我们并不需要测量雨水池中雨水的水量，因为其雨水量相当小，可以忽略不计。

以10分钟的间隔收集数字水表的数据，因此假设每次水位计算保持10分钟的间隔进行。

四、现场调查

作者在美国佛罗里达州盖恩斯维尔，俄勒冈州波特兰（2015年1月）和哥本哈根（2015年9月）进行了雨花园实地调查。 此外，作者在雨花园的设计和管理方面，曾与研究人员和景观设计师进行了面谈。

五、结果

实验期间，池塘通过排水系统向雨水花园供应了七次雨水（表1）。 雨水花园开始溢出的时候，我们使用“完成时间”这一定义。 在雨水花园没有溢出的地方，完成时间定义了从池塘到雨水花园的水流停止的时间。 图5和图6显示了雨流事件在流动特性方面的时间变化。

表1 实验结果

图5 从池塘到雨水花园的时间变化（黑色为溢出，白色为不溢出）

图6 雨水花园的累积渗透（黑色为溢出，白色为无溢出）

如图5所示，出现溢流的实验（4,6,7）的流量明显高于没有溢流的实验（1,2,3,5）。 在没有溢出的实验中，实验2的最大排放量为0.26m³/min。如图6所示，没有溢流的实验的累积渗透量明显高于溢流实验，这是因为前者的出流历时长于后者。

从这些结果可以得出结论，雨水花园适合处理降雨量较小、降雨历时较短的雨水，这一特点可能会因土壤特性或集水面积而略有变化。

然而，实地调查显示，常规雨花园的排水功能与雨水污水系统一样难以直接检测其控制效果。其主要原因是土层是生物体，在不饱和条件下，水力传导系数随土壤含水量而变化，并取决于土壤中有多少孔有助于输送水量。在100％饱和条件下，土壤的水力传导率Ksat是一个常数，因此认为Ksat是检测雨花园排水功能的重要参数。 Ksat表示土壤吸水能力最差的情况。然而，不可能直接在现场确定Ksat，因为土壤柱的高度随着水体渗入土壤而增加，100％的饱和度无法实现。此外，在自然界中没有发现100％饱和条件下的土壤，因此应注意，这种条件是人工的，仅仅适用于进行岩土实验。

因此，雨水花园必须连接到常规污水处理系统（图7）。此外，像其他绿色基础设施一样，雨水花园需要维护工作。最常见的维护是在雨天随雨水流入雨水花园的垃圾（例如空罐，塑料袋等）的处理。 垃圾会堵塞雨水花园和常规污水处理系统之间的通道。此外，垃圾可以保持雨水在雨水花园中滞留36小时以上，导致滞留雨水成为蚊子的栖息地。 此外，根据雨水花园的植被组成，还需要去除侵入性和非植物性植物，修剪丛生的各类杂草，保持花园美学价值。

图7 雨花园不同类型的排水口， 所有照片由K.Ishimatsu提供（左上角Gainsville，FL，2015年1月;左下角Portland，OR，2015年1月;右上角Portland，2015年1月;右下角Copenhagen，2015年9月）

六、 讨论

城市化导致土壤密封，下垫面透水性减少，破坏了生态系统的功能。同时由于城市人口的增加，对生态系统的需求也在增加（Maes等，2015）。 包括雨水花园在内的绿色基础设施可能是城市环境的关键因素，以增加对诸如频繁降雨等气候变化影响的抵御能力; 它还增加了生物多样性并保护了自然景观（Herzog，2013）。

在本项研究中，通过验证实验探究了雨水花园的排水功能和特点。 雨水花园可以阻止地面径流，有效减少和延缓洪峰，并在恢复水循环方面发挥重要作用。 尽管城市地区需要传统的污水处理系统相配合才能完全处理雨水，但雨水花园同样也可减少对这些传统的污水处理系统的依赖。 雨水渗透和雨水再分配也是潜在的重要的生态系统功能，并为目前价值很小或没有价值的空置土地赋予生态价值（Shuster等，2014）。

Penniman等人 （2013年）侧重于现场分级和雨水管道成本的研究，因为这两个方面通常占常规雨水管理成本的很大比例。 他们的研究发现，与传统雨水管理相比，使用雨水花园很大程度上减少挖掘雨水管道的要求。 同时，他们深入发现与雨水花园设计相关的雨水运输管理，成本有所减少。 总而言之，使用雨水花园，并减少常规污水系统将是减少地方政府预算的最明智的方法之一。

城市化的加快意味着剩余的绿地与其他类型的土地利用之间的竞争，这使得生态系统功能的管理特别复杂（Enqvist 等，2014）。这一竞争明显影响到生态系统功能的质量，并将影响人类社会的未来。应该指出的是，雨水花园措施是解决目前人口严重下降的国家生态系统服务问题的最有效工具之一，特别是日本和大韩民国，这些地方可能会增加褐地。我们需要调查在区域范围内安装雨水花园的潜在可能性，如Martin-Mikle等人 （2015）提出，正如本研究结果所示。同时还需要估算雨水渗透量和雨水再分配量。最后，我们要向地方政府解释雨水花园的建设的益处，把它们融入下一代城市居民的可持续发展城市的计划。

七、致谢

感谢这项工作得到了日本科学技术促进会KAKENHI授予号26870433和日本教育、文化、体育、科技部特殊科学研究项目（2011.04-2016.03）的支持。 Mark Hostetler，Marina Bergen Jensen教授和Tom Liptan教授给了我们有关雨水花园的很多有用信

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