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    2005—2015中国十年来雨水花园研究进展

    关键词:风景园林;雨水花园;中国;综述

    Key words:landscape architecture; rain garden; China; summary

    摘要:初步总结中国2005—2015年10年来雨水花园研究进展,通过查阅CNKI数据库雨水花园相关文献,运用内容分析法,构建“1+2”的维度分析框架,研究发现:1)雨水花园研究进展表现为启蒙期、酝酿期、繁盛期3个发展时期;2)归纳出“1+5”的学科体系,即风景园林+(城乡规划+水利科学+给水排水+环境科学+农业);3)阐述了目前雨水花园设计营建、雨水花园性能实验研究、应用实践及其他三大研究热点方向的主要内容;4)探讨了雨水花园研究存在理论深度不够、量化研究不足、缺乏因地制宜研究、未考虑公众参与等问题。最后提出未来研究展望,旨在对我国未来雨水花园的理论研究与实际建造提供参考和依据。

    Abstract:Through consulting the relevant literature about rain garden from the CNKI database and using content analysis, with the construction of a "1+2" dimension analysis framework, this paper preliminarily summarized the research progress of rain garden in China in the ten years from 2005 to 2015. It was found that: 1) the study of rain garden shows enlightenment period, gestation period and prosperous period of three stages of development; 2) the subject structure of "1+5", namely the landscape architecture + (urban planning + water conservancy science + water supply and drainage+ environmental science + agriculture); 3) rain garden study covers three hot fields: construction design of rain garden, performance experimental research, application practice and others; 4) the deficiency of the present study of rain garden such as theoretical depth is not enough, lack of quantitative research, lack of study in adjusting measures to local conditions and not considering public participation. Finally, the article looked forward the research direction in the future, so as to provide a reference for the rain garden research and practical application.

    内容:我国城镇化进程迅速膨胀,特别是城市灰色基础设施建设的快速发展,导致城市暴雨内涝灾害频发,引起人们对雨洪问题的思考和重视[1]。住房城乡建设部于2014年10月颁布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》,更是将雨水管理问题上升到国家层面。旨在通过推广和建设“海绵城市”,利用其自然积存、渗透、净化的生态功能,实现保护和改善城市生态环境,同时节约水资源的愿景[2]。
    雨水花园(rain garden),又称为生物滞留地(bioretention),是建设“海绵城市”、实现城市低影响开发技术(Low Impact Development,简称LID)的技术类型之一。现代雨水花园概念起源于20世纪90年代的美国马里兰州乔治王子郡,即绿地中具有一定渗透结构的低洼地,利用土壤和植物来管理和控制城市的雨水径流,减少雨洪灾害和径流污染的同时又能有效补给城市地下水[3]。由于其具有易管理、景观佳、成本低、生态好等优势,在美国、澳大利亚、英国、德国等雨洪管理实践中得到广泛地推广与运用。
    我国最早以雨水花园为主题的文献发表于2005年(中国知网CNKI的中文学术文献总库),该文仅用案例图片简单介绍了雨水花园是生态园林的一类[4]。经过10年发展,国内对雨水花园的研究与实践逐步深入,本文利用文献分析法对前人研究成果进行初步归纳总结,梳理国内雨水花园的研究现状、热点趋势以及不足之处,为未来雨水花园的理论研究与实际建造提供借鉴。

    1  雨水花园文献计量分析
    1.1  数据来源及研究方法
    借助中国知网CNKI的中文学术文献总库,选取“雨水花园”和“生物滞留”进行主题词检索,截至2015年12月31日,共检索出285篇文献,并将医药、生物化工、时政报道、行业讯息等无关文献和重复文献剔除,最终筛选得到249篇相关论文,即本文研究分析对象。
    采用内容分析法,以Excel2010作为统计分析软件。通过构建“1+2”的维度分析框架(“1”为“时间维度”,即文献来源所属的10年时间范围;“2”代表文献来源所属的“研究领域”和“研究内容”范围),将文献样本归类统计,更全面地分析国内雨水花园10年来的研究进展特点。其中“研究领域”维度的获取,需要对文献来源进行分析解读,以了解雨水花园发展的学科类型体系。
    1.2  数据分析
    1.2.1  研究发展阶段特点分析
    通过对年度文献数量进行统计分布(图1),可以在时间维度上较清晰地看出10年来国内雨水花园的发展轨迹。结合样本归类统计表(表1),根据其特征总结为以下3个发展阶段。
    1)启蒙期(2005—2009年),雨水花园概念作为新兴理论由美国传入我国。根据归纳统计表分析,期间仅有18篇研究文献,相关研究处于探索阶段,没有明显的研究倾向,以对国外现有研究及实践的分析探讨为主,同时也出现了以向璐璐[5]、罗红梅等[6]为代表的学者开始根据国内现状提出相适应的雨水花园设计方法,为酝酿期的深入研究奠定基础。
    2)酝酿期(2010—2013年),研究领域和研究内容开始拓展。期间有80篇研究成果,呈缓慢稳定上升趋势。六大学科领域对雨水花园的关注度明显提升,研究内容开始涉及构造填料、水文效应、应用实践、研究综述等19个方面,对雨水花园营造设计、性能试验研究以及应用实践有较深入的研究成果,文献价值较高,具有“精”的特征。
    3)繁盛期(2014—2015年),该阶段文献数量呈现快速上升发展。在建设“海绵城市”的国家政策刺激下,学术界给予积极响应,雨水花园作为“海绵细胞体”迅速得到重视。2015年更是达到90篇的最高值,其中去污、水文效应、模型构建等雨水花园性能实验研究类文献进入井喷式发展阶段,但相较于酝酿期,研究成果水平参差不齐,呈现“泛”的特点。可以预见随着海绵城市建设的推进,雨水花园在未来将会得到更多的关注和研究。
    1.2.2  学科领域分析
    国内雨水花园文献主要来源于中国学术期刊和优秀硕士学位论文,其中在核心期刊的发表量占该主题期刊文章总量一半以上,主要有《中国给水排水》《给水排水》《中国园林》等核心期刊,可以看出在高水平的学术论文中有更多较深入的研究。通过对文献来源进行分析总结(图2),发现其学科领域呈现“1+5”的学科结构,即以“风景园林”为核心,五大学科——“城乡规划、水利科学、给水排水、环境科学、农业”交叉参与、辅助研究的学科体系。
    1.2.3  研究内容分析
    通过阅读样本文献,将其研究内容划分为19个子方向(图3),根据内容可以归纳为三大研究方向:1)雨水花园设计营建(尺寸设计方法/选址/空间布局/结构层次/植物选址与配置/管理维护);2)雨水花园性能实验研究(水文效应/去污能力/构造填料/土壤渗透/模型构建);3)应用实践及其他(应用实践/研究综述/道路绿地/生态技术/低影响开发/景观化设计/雨水利用)。下面分别对这3个热点方向的研究进展进行阐述。

    2  10年来中国雨水花园研究热点概述
    2.1  雨水花园设计营建
    1)总体研究上,最早王淑芬等[7]于2009年根据Roger Bannerman和Ellen Considine的Rain Gardens: A How to Manual for Homeowners总结出关于雨水花园选址的6条通用性建议,强调雨水花园的位置与周边环境关系的重要性。首次从尺寸设计、空间布局、结构层、植物、管理维护等各方面较全面地介绍了雨水花园的营建方法。2010年,以北京林业大学为代表,张钢[8]、万乔西[9]等在其硕士论文中对雨水花园的规划、设计、营建进行详细研究。这3篇文献奠定了国内雨水花园设计营建的研究基石,其后学者们在该方向的研究均以此为基础进行补充和延伸,开始关注不同场地雨水花园的营建方法。毛雪萍[10]、侯科龙等[11]研究了居住区雨水花园的设计方法,李朱婧[12]详细探讨了将雨水花园融入商业步行街的应用途径。
    2)尺寸设计方面,向璐璐等[5]最早详细阐述了国外雨水花园常用的3种设计方法:基于达西定律的渗滤法、蓄水层有效容积法、基于汇水面积的比例估算法,总结出3种方法的适用情景,并根据国内实际情况提出完全水量平衡法。王淑芬等[7]、张钢[8]、杨锐等[13]建议采取精度要求不是很高、基于汇水面积的比例估算法。张婧[14]、史敬华等[15]、蒋沂孜[16]、陈嵩[17]等推荐选用完全水量平衡法进行平面尺寸计算。王建军等[18]、白洁[19]等对竖向尺寸设计进行了探讨,认为匹配环境的雨水花园尺寸与场地空间特征、使用特点、汇水面积、汇水基底、构造及土壤的渗透率相关。
    3)植物应用方面,植物作为雨水花园必不可少的一部分,兼具生态效益与景观效果。刘佳妮[20]按植物的种类、针对不同类型雨水花园的配置方法进行详细的专项研究;王佳等[21]列举了适用于北京地区雨水花园的植物种类;段婉君等[22]研究了适用于南昌市的雨水花园植物群落配置;孟莹莹等[23]通过建立植物评价的层次结构模型,对北京市常见的9种地被植物对雨水花园适宜性进行评价,首次从实验角度对植物进行深入研究。
    2.2  雨水花园性能实验研究
    2.2.1  去污能力
    国内性能实验类研究起步虽晚,但10年间已有64篇文献涉及雨水花园的去污能力,尤其在近2年得到了极大关注。以北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部重点实验室、北京市水利科学研究所等科研机构为代表,进行一系列研究证明雨水花园对不同场地、不同种类污染物的去污能力。
    孟莹莹等[24]、胡爱兵等[25]、何卫华等[26]总结了国外雨水花园在改善雨水径流水质方面的研究进展;部分学者在国外研究的启发下通过实验,采用平均浓度法(EMO)评价法[27]、构建暴雨雨水管理模型(SWMM)[28-29]、采用土柱或土槽模拟实验[30-36]等方法,发现雨水花园对TSS的去除效果最为高效稳定,对重金属、类大肠杆菌群等病菌污染物平均去污率高达90%,对N、P营养物的去污效果最不稳定(图4)。
    李明翰等[41]研究了内部蓄水层对生物滞留系统净化水质功效的影响,发现内部蓄水层能显著提高对Cu、SS、N、P污染物的去除能力。罗艳红[42]研究发现滞留设施去除N、P的效果与pH、温度、填料、水力停留时间等多种因素有关。
    2.2.2  水文效应
    水文效应方面研究在近几年硕士、博士学位论文中得到重视,多通过构建研究模型进行深入研究。孙艳伟[43]利用SWMM和RECARGA软件模拟研究,证实了生物滞留池具有显著的水文调控功能;郭娉婷[44]运用SWMM模型研究了生物滞留单元对径流水量控制效果与构造介质深度的关系;肖可心[45]通过构建L-THIA-LID模型,模拟LID开发模式应用于上海地区的水文环境,研究发现生物滞留池在别墅用地中降低径流的效果最好。
    此外,潘国艳等[46]试验发现,生物滞留池对径流总量的削减率为12.83%~48.12%,对洪峰的平均削减率为70.85%。颜乐等[47]研究表明,生物滞留池能显著减小洪峰流量,并延迟洪峰出现时间,生物滞留池的降水效果与重现期时间长短呈反比。
    2.2.3  构造填料
    国内学者早期主要通过总结国外资料对雨水花园各构造层填料提出基础性建议[5],随着研究的深入开始重点关注填料的筛选和配比组合的改良研究。
    颜秀勤等[48]、邓文珊等[35]、陈舒等[49]、张楠等[50]、王建军等[51]通过实验,推荐使用砂土、沸石、炉渣、管道沉砂、瓜子片、改良种植土、填埋植物秸秆、4%~5%的给水厂污泥等作为雨水花园改良填料,可以对雨水的调蓄或水质处理方面有不同程度的增强效果。
    在填料配比组合的优化研究方面,罗艳红[42]基于除P效果,通过试验优选出90%河沙+5%粉煤灰+5%有机物的混合物为改良填料的最佳配比;王建军等[38]通过研究建议选用5%锯末等有机质+(35%~45%土壤)+(50%~60%吹填砂的混合物)作为填料,可以改良上海地区的土壤渗透性能;基于系统渗透性能和去污效果的综合考虑,高晓丽[52]、李大超[53]分别进行实验筛选出30%壤土+40%砂+15%珍珠岩+15%蛭石+(5%草炭土、500ml凹凸棒土)+300ml草炭+4 000ml火山岩为最佳填料配比组合。
    2.2.4  模型构建
    除上文介绍的SWMM等研究模型之外,芦琳[54]基于城市雨水LID技术LCA(生命周期评价)评价模式,对雨水花园与渗透铺装+渗透管/井系统2种典型的城市雨水LID技术进行了全过程的生命周期评价;高洁等[55]基于城市暴雨处理及分析集成模型(SUSTAIN)评估最佳管理措施(BMP)最优组合;李小宁[56]应用Info Works ICM软件对不同情景下道路构建模型,模拟分析生物滞留设施对道路雨水的调控影响;张先富[57]在其博士论文中首次运用半分布式水文模型HSPF模拟流域水环境,模拟探讨了生物滞留设施等BMP的空间优化配置,综合研究了其在我国流域模拟与管理研究方面的实用价值,提供了新的模型研究思路。
    2.3  雨水花园应用实践及其他
    2010年以来,雨水花园相关的应用实践文献数量逐年上升,在我国武汉、南京、重庆、上海、沈阳、北京等地陆续有雨水花园的项目实践。付中美[58]、李爽[59]、何雨洋等[60]、黄泽幽等[61]基于生态雨水利用思维和实践案例分析,探讨了居住区雨水花园在不同城市场地条件下的设计策略。李丹丹等[62]、杨楠[63]、祖建[64]例证了雨水花园在道路绿地生态景观设计中的应用方法及发展价值。宗菲等[65]、史敬华等[66]为建设生态产业园区提供高效易行的技术经验。陈杰[67]对于将雨水花园技术引入现代农业景观规划设计中的应用做了探索分析,为未来的可持续性农业景观提供新思路。阚丽艳等[68]、刘星等[69]分别分析了雨水花园在上海辰山植物园和第八届中国(重庆)国际园林博览会上海园中的营建设计。刘海龙等[70]以清华大学胜因院为例,详细研究了如何将雨水花园等雨洪管理措施与历史景观环境有机融合。
    文献综述方面,仅有1篇文献以雨水花园为主题,从文献计量分析的角度系统地对其进行研究进展阐述[71];其余文献多针对某一方面,例如径流污染控制[25]、填料研究[72]等来进行综述。此外,还有一些文献涉及低影响开发、雨水利用、生态技术等内容,与上述文献部分重复,不作赘述。

    3  结论
    3.1  主要特征
    我国现代雨水花园概念10年间经历了从无到有,本文通过内容分析法,统计分析文献年度数量分布,概括为以下几个特征。
    1)研究进展表现为3个发展阶段:启蒙期以介绍、学习国外理论和优秀案例实践为主;酝酿期开始初步形成我国特有的研究体系特征;繁盛期在国家政策条件的促进作用下,呈井喷式增长,重点研究方向突出。
    2)从事雨水花园相关研究的学科领域表现为“1+5”的结构,即风景园林学科为主+(城市规划+水利科学+给水排水+环境科学+农业)5个学科综合。
    3)雨水花园研究内容划分为19个子方向,可以将其归并为雨水花园设计营建、雨水花园性能实验研究、应用实践及其他等3个热点研究方向。
    4)近几年呈现快速而稳定上升的研究趋势,表明该理论在我国得到了良好的推广和发展,可以预见未来研究热度还将持续。
    3.2  存在的问题
    目前我国雨水花园研究取得了丰富的成果,但仍存在以下不足。
    1)理论研究深度不够,多以总结国外理论为基础,简单介绍雨水花园来源、定义、功能、营建步骤等,此类论文大多结构相似、内容雷同,缺少深入思考。
    2)实验定量化研究类文献数量较少,多以定性分析与介绍类文献为主。而定量化研究也多参考国外研究方法、设计模型等,缺乏创新性、全面性和深入性;同时实验多在室内进行,缺少对实际场地中的理论验证。
    3)缺乏因地制宜的雨水花园营建设计研究,项目实践较少,且相关文献仅处于介绍项目的初级层面。
    4)雨水花园在国外常作为居民宅前屋后的雨水利用景观设施,在国内缺乏公众参与性研究的开展。

    4  研究展望
    综上所述,基于我国雨水花园研究体系——学科结构和研究方向的确定,对现状研究热点的分析阐述,提出了存在的问题,可以对未来的研究方向做出合理展望,总结出以下应该深入研究的方向。
    1)完善雨水花园的设计营建研究,包括雨水花园对于不同场地(例如高架桥、居住区、校园、道路绿地、商业街等)的选址、空间形态布局等的深入研究,进行归纳总结形成一套较全面的设计指导方法,并建立适应性评价机制,验证该方法的可行性。植物的筛选方面应引入实验量化分析,使植物的应用更为科学合理,为未来雨水花园的种植设计提供可靠依据。
    2)深化雨水花园性能实验研究,将重点放在微观层面的研究,例如雨水花园系统净化和蓄渗功效的影响因子、去污机制等。关注填料的优化设计,研究如何让各污染物的去除效果更加稳定,针对不同城市、不同场地的环境条件,改良出去污效果最佳、最稳定且径流控制效果最好的填料组合。已完成的实验成果可在实际项目中进行追踪验证。
    3)海绵城市试点城市可以率先制订适应于当地环境特征的雨水花园设计规范,真正做到因地制宜。同时将公众参与性纳入雨水花园的场地规划设计中,包括公众意愿、参与方法、管理措施等,让公众切身感受到雨水花园给居住生活环境带来的益处。


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    (编辑/刘欣雅)