生物滯留措施排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

孟瑩瑩^1,2,3，殷瑞雪^2,3，張書函^2,3，陳建剛^2,3，王會(huì)肖¹

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京100875；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京100048；3.北京市非常規(guī)水資源開發(fā)利用與節(jié)水工程技術(shù)研究中心，北京 100048)

摘 要：為有效設(shè)計(jì)生物滯留措施排水系統(tǒng)，通過對(duì)國外生物滯留措施設(shè)計(jì)手冊(cè)的調(diào)研，結(jié)合國內(nèi)排水系統(tǒng)的應(yīng)用形式，對(duì)排水系統(tǒng)設(shè)置條件、材料、規(guī)格、布置形式、水量計(jì)算等分別進(jìn)行了分析，討論了各項(xiàng)排水設(shè)計(jì)參數(shù)的取值方法，以期為北京及國內(nèi)其他城市生物滯留系統(tǒng)的排水設(shè)計(jì)提供參考。主要提出如下建議：排水管的適宜管材為PVC管，適宜管徑為100~150 mm，管徑及開孔尺寸需保證排水層集料無法進(jìn)入，以及滿足土壤層最大入滲流量的要求。

生物滯留系統(tǒng)是一種有效的低影響開發(fā)雨洪管理措施（LID），它通過在低洼地短暫蓄水，利用植物、填料、微生物間的物理、化學(xué)、生物作用滯蓄和凈化雨水，近年來逐漸成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。排水系統(tǒng)位于填料層以下，目前對(duì)其研究主要集中在污染物去除效果方面，排水系統(tǒng)能力與生物滯留設(shè)施整體排水效果密切相關(guān)，但目前少見對(duì)其設(shè)計(jì)和計(jì)算的報(bào)道。

相比較而言，國外較為重視對(duì)生物滯留措施科學(xué)、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的總結(jié)，以便于成套技術(shù)的推廣和規(guī)�；瘧�(yīng)用，如其誕生地美國馬里蘭州Prince George’s County制定的生物滯留設(shè)計(jì)手冊(cè)，科羅拉多州、緬因州制定的雨水最佳管理措施設(shè)計(jì)手冊(cè)，澳大利亞西澳州制定的雨水管理手冊(cè)等等。由于國內(nèi)研究起步較晚，相關(guān)文獻(xiàn)大多是對(duì)其應(yīng)用效果的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)和過程模擬，缺乏具有指導(dǎo)意義的理論研究和使用技術(shù)總結(jié)。北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 11/685—2013）雖然提出了生物滯留措施排水層的一般要求，但沒有給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)方法。因此，筆者通過對(duì)國外生物滯留措施排水設(shè)計(jì)的調(diào)研，對(duì)比北京市地方標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合國內(nèi)排水系統(tǒng)的應(yīng)用形式，提出了國內(nèi)生物滯留系統(tǒng)的排水設(shè)計(jì)方法，以期為北京及國內(nèi)其他城市生物滯留系統(tǒng)的排水設(shè)計(jì)提供參考。

1 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 排水系統(tǒng)設(shè)置條件

生物滯留措施是否需要設(shè)置排水系統(tǒng)，取決于設(shè)施周圍土壤和設(shè)施本身的入滲性能。若周圍土壤入滲性能較好，則雨水徑流可直接下滲，補(bǔ)給地下水；若周圍土壤滲透性較差，則建議設(shè)置底部排水系統(tǒng)。設(shè)施本身也應(yīng)具有一定的入滲性能，若入滲性能較差，也建議設(shè)置底部排水系統(tǒng)，當(dāng)?shù)撞糠罎B時(shí)，必須設(shè)排水系統(tǒng)。美國Prince George’s County按照控制年90%降雨(場(chǎng)次)產(chǎn)生徑流的標(biāo)準(zhǔn)確定雨水控制利用設(shè)施的設(shè)計(jì)降雨量，其對(duì)應(yīng)值為1英寸（2.54 cm），因此將以生物滯留系統(tǒng)為代表的雨水入滲措施的最小入滲速率定為1英寸/h（約為7.1×10^-6 m/s），低于此速率時(shí)推薦安裝排水管。威斯康星大學(xué)則對(duì)入滲速率在壤土（入滲速率約為1.7×10^-6 m/s）以下的填料介質(zhì)，推薦采用排水管。

北京城市道路綠地土壤表層40~60 cm大多數(shù)為墊土，主要是粗砂和壤土或粘土攪拌的混合土，平均入滲速率為6.6×10^-5 m/s。建議根據(jù)生物滯留系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合確定是否需要設(shè)置排水系統(tǒng)，如布置于市政道路兩側(cè)，則推薦采用底部排水系統(tǒng)，以緩解北京市汛期道路積水嚴(yán)重的情況，若布置于公園、小區(qū)等交通流量較小的區(qū)域，則可不設(shè)置排水系統(tǒng)，使更多的雨水下滲，發(fā)揮雨水回補(bǔ)的效用。

1.2 排水系統(tǒng)材料

排水管宜使用厚壁管，在美國大量使用的排水管材包括聚氯乙烯管（PVC）、柔性ADS管、高密度聚乙烯管（HDPE）等。不同設(shè)計(jì)導(dǎo)則對(duì)管材的要求各有不同，如北卡羅萊納州提出滑壁塑料管的效果好于非滑壁波紋管，其排水速率更大，且不易滋生蚊蟲；USEPA提出開縫HDPE管的效果好于開孔PVC管，避免了徑流中大顆粒物質(zhì)進(jìn)入排水系統(tǒng)。由于PVC管價(jià)格低、配件齊全、易于加工，國內(nèi)的實(shí)際工程中應(yīng)用較多，因此，生物滯留措施設(shè)計(jì)中推薦使用PVC管，與北京市地方標(biāo)準(zhǔn)的要求相同。

1.3 排水管設(shè)計(jì)

1.3.1 排水管尺寸

排水管單管直徑一般為4~6英寸（10.16~15.24 cm），若所需排水管尺寸超過該范圍，則增加排水管數(shù)量。即使1根排水管足夠，為保證安全，在空間允許條件下，一般建議至少設(shè)置2根排水管，管間距通常為4.5~6 m，管坡度至少為0.5%。

排水管開孔/縫尺寸應(yīng)小于周圍集料粒徑，防止集料進(jìn)入排水管，其他沒有嚴(yán)格限制，只要滿足排水需求即可；開孔/縫位置取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，位于管底時(shí)可以取得較大的排水能力，位于管頂時(shí)則在開放空間下部形成一定的滯蓄容積，滯蓄能力增強(qiáng)，且出水水質(zhì)提高。開孔條件下，美國市場(chǎng)上目前銷售的PVC管開孔尺寸為0.5英寸（1.27 cm）或0.25英寸（0.635 cm），孔心距為6英寸（15.24 cm），開孔2~3排。開縫條件下，科羅拉多州對(duì)常用的4英寸（10.16 cm）和6英寸（15.24 cm）直徑排水管推薦了開縫尺寸：對(duì)于4英寸（10.16 cm）排水管，開縫長度為0.0625~1英寸（0.16~2.54 cm），最大開縫寬度為0.032英寸（0.0813 cm），縫間距為0.413 英寸（1.05 cm），開縫面積為1.9平方英寸/英尺（0.40 cm²/cm）；對(duì)于6英寸（15.24 cm）排水管，開縫長度為0.375~1英寸（0.95~2.54 cm），最大開縫寬度為0.032英寸（0.0813 cm），縫間距為0.516 英寸（1.31 cm），開縫面積為1.98平方英寸/英尺（0.42 cm²/cm）。北京市地方標(biāo)準(zhǔn)雖然提出可在排水層底部埋置直徑為100 mm的穿孔PVC管，但對(duì)具體開孔沒有要求。

1.3.2 排水管布置

排水管一般布置于由碎石或礫石組成的級(jí)配良好的排水層中，以收集上層土壤層的排水。排水層與土壤層過渡部分應(yīng)合理設(shè)計(jì)集料粒徑，以防上層細(xì)顆粒被沖入下層，為保證安全，也可使用土工布將土壤層與排水層分隔。排水層集料粒徑一般為2~5 mm，厚度要求各有不同，但至少能將排水管完全包裹，如澳大利亞西澳州、美國科羅拉多州和緬因州分別使用了6英寸（15.24 cm）、6英寸（15.24 cm）和12~14英寸（30.48~35.56 cm），北京市地方標(biāo)準(zhǔn)提出了200~300 mm，基本與國外要求一致。

排水管應(yīng)位于排水層中部，管上、下留有一定的安全距離，尤其是開縫/孔的下部，應(yīng)墊有一定厚度的集料，如USEPA提出排水管上至少布置8英寸（20.32 cm）厚的碎石，Prince George’s County在開縫/孔下部至少留有2~3英寸（5.08~7.62 cm），緬因州提出管上、下至少留有4英寸（10.16 cm），西雅圖市則提出管上至少留1英尺（30.48 cm）、管下至少留6英寸（15.24 cm）、側(cè)面至少留1英尺（30.48 cm），北京市地方標(biāo)準(zhǔn)也提出了排水管底部可設(shè)置不小于300 mm的礫石調(diào)蓄層。

國外對(duì)排水層集料級(jí)配均制定了標(biāo)準(zhǔn)，方便推廣應(yīng)用，如USEPA提出排水管上方8英寸（20.32 cm）厚的碎石包括2英寸（5.08 cm）厚的7號(hào)集料和6英寸（15.24 cm）厚的57號(hào)集料，西雅圖市使用集料為該市26號(hào)礦物集料，國內(nèi)則缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.3 排水能力計(jì)算

排水管設(shè)計(jì)排水能力根據(jù)土壤層底部的最大入滲流量確定，如式（1）所示，可通過達(dá)西定律計(jì)算。

式中：Q_max為土壤層最大入滲流量，m³/s；k為土壤層水力傳導(dǎo)速率，m/s；W_base為入滲區(qū)域?qū)挾龋?/span>m；L為生物滯留設(shè)施長度，m；h_max為表層積水深度，m；d為土壤層總深度，m。

排水設(shè)施尺寸的確定是一個(gè)迭代過程，以開孔管為例，首先根據(jù)集料粒徑尺寸確定開孔尺寸，并設(shè)定開孔數(shù)量，得出總開孔面積，其次采用銳緣孔口公式計(jì)算孔口入流流量Q_perf，如式（2）所示。Q_perf應(yīng)大于Q_max，如Q_perf＜Q_max，則改變開孔數(shù)量或開孔尺寸，重新計(jì)算Q_perf，直至滿足要求。

式中：B為孔口阻塞系數(shù)，表征孔口被介質(zhì)阻塞的情況；C為孔口流量系數(shù)，一般取0.62；A為開孔面積，m²；g為重力加速度，取9.81 m/s²；h為管上最大水頭，即過濾層總深度與積水深度的和，m。

穿孔管中流量Q_pipe用Colebrook-White公式描述，如式（3）所示。Q_pipe應(yīng)大于Q_max，如Q_pipe＜Q_max，則改變管徑重新計(jì)算Q_pipe，直至滿足要求。

式中：D為管徑，m；A為管的截面積，m²；k為管道內(nèi)壁粗糙度；v為運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，m²/s；S₁為管的坡度，m/m。

超過最大積水深度的徑流出現(xiàn)溢流，應(yīng)合理設(shè)計(jì)溢流設(shè)施，保證設(shè)計(jì)徑流量條件下不發(fā)生漫溢。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮自由出流和淹沒出流：自由出流條件下，首先用寬頂堰公式計(jì)算堰寬，見式（4），然后將堰寬作為矩形堰周長，估計(jì)矩形堰尺寸；淹沒出流條件下，首先用孔口公式計(jì)算開孔面積，見式（5），然后用開孔面積作為矩形堰面積，估計(jì)矩形堰尺寸，取兩種條件計(jì)算結(jié)果的較大值作為設(shè)計(jì)值。

式中：Q_wflow為堰溢流量，m³/s；B為阻塞系數(shù)；m為堰流量系數(shù)，一般可取0.385；b為堰寬，m；h為堰上水頭，m。

式中：Q_oflow為孔口溢流量，m³/s；C為孔口流量系數(shù)；A為開孔面積，m²。

2 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例

以四車道城市道路為例，設(shè)計(jì)將道路路牙開孔，使道路徑流進(jìn)入道路綠化帶，并將綠化帶改造為生物滯留系統(tǒng)，超過系統(tǒng)處理能力的雨水溢流后排入原道路雨水口。單條機(jī)動(dòng)車道寬度取3.75 m，道路雨水口間距取25 m，則生物滯留系統(tǒng)匯水面積為375 m²。系統(tǒng)垂向結(jié)構(gòu)：超高為100 mm、蓄水層為150 mm、砂壤土層為500 mm、排水層為200 mm，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇2 h降雨，用穿孔PVC管作為設(shè)施排水系統(tǒng)，布置于排水層中。

系統(tǒng)最大入滲流量Q_max根據(jù)式（1）計(jì)算，其中k取1.0×10^-5 m/s，L取25 m，W_base取3 m，h_max取0.15m，d取0.5 m，則計(jì)算得到Q_max為0.001 m³/s。

若采用內(nèi)徑為100 mm的PVC管，開孔孔徑取12 mm（約0.5英寸），孔心距取150 mm（約6英寸），環(huán)周均勻開孔3排，則開孔數(shù)為498個(gè)，開孔面積A為0.056 m²。取孔口阻塞系數(shù)B為0.5，即一半的孔口被阻塞，則實(shí)際開孔面積為0.028 m²。根據(jù)式（2）計(jì)算孔口入流流量Q_perf，其中管上水頭h為最大積水深度、土壤層深度、排水管半徑的和。根據(jù)式（3）計(jì)算管道最大排水能力Q_pipe，其中內(nèi)壁粗糙度k取0.007，運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)v取20℃條件下的1.01×10^-6 m²/s，排水管坡度為0.5%。則計(jì)算得到Q_perf為0.032 m³/s，Q_pipe為0.0027 m³/s�？梢钥闯觯�Q_perf＞Q_max，Q_pipe＞Q_max，因此，孔口和管道排水能力均滿足最大入滲流量。

采用推理公式計(jì)算得到5年一遇2h設(shè)計(jì)降雨條件下生物滯留系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為0.0035 m³/s。超過100 mm最大積水深度的徑流通過溢流設(shè)施排除，溢流設(shè)施的最大水頭等于最大允許高度(0.1 m)。首先用式（4）計(jì)算自由排水條件下的堰寬b，其中Q_wflow為0.0035 m³/s、B為0.5、m為0.385、h為0.1 m，則計(jì)算得到堰寬為0.13 m；然后用式（5）計(jì)算淹沒排水條件下的孔口面積A，其中Q_oflow為0.0035 m³/s、B為0.5、C為0.62、h為0.1 m，則計(jì)算得到孔口面積為0.008 m²。據(jù)此換算成矩形堰尺寸分別為32.5 mm×32.5 mm、90 mm×90 mm，取較大值為90mm×90mm。因此，淹沒出流條件決定了溢流設(shè)施的設(shè)計(jì)尺寸至少為90 mm×90mm。

綜上，本案例排水系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：管材為PVC管，管徑為100 mm，開圓形孔，孔徑為12 mm，孔心距為150 mm，環(huán)周均勻開孔3排，排水層厚度為200 mm，排水管位于排水層中部，管上、下各留50 mm，矩形溢流堰尺寸為90 mm×90 mm。

3 結(jié)論

① 為保證安全，國內(nèi)生物滯留系統(tǒng)設(shè)計(jì)推薦采用底部排水系統(tǒng)。可選擇內(nèi)徑為100、125、150 mm的穿孔PVC管作為排水管，管徑及開孔方案根據(jù)排水能力試算確定，保證孔口入流流量及開孔管過流能力滿足土壤層底部最大入滲流量要求，且開孔尺寸小于排水層集料粒徑。

② 生物滯留系統(tǒng)溢流設(shè)施應(yīng)保證在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)降雨下徑流不發(fā)生漫溢，一般情況下淹沒出流條件決定了溢流設(shè)施的設(shè)計(jì)尺寸。

③ 排水管布置于排水層中部，管上、下部留有一定的安全距離。排水層與土壤層過渡部分應(yīng)合理設(shè)計(jì)集料粒徑，防止上層細(xì)顆粒被沖入下層。

（本文發(fā)表于《中國給水排水》雜志2015年第9期“城市雨水管理”欄目）

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