編者導(dǎo)讀

自然濕地或人工濕地在“海綿城市”建設(shè)中的應(yīng)用已非常廣泛。不同于普通的廢水處理人工濕地，海綿城市雨水人工濕地在具有水質(zhì)凈化功能的同時(shí)，還擔(dān)負(fù)著雨水水量滯蓄任務(wù)，因此其設(shè)計(jì)方法與普通穩(wěn)定運(yùn)行的污水處理人工濕地有顯著差別，其中最為特別的是其雨水水量滯蓄能力的設(shè)計(jì)。

作者將海綿城市雨水人工濕地滯蓄容積分為前置調(diào)蓄池/塘的有效滯蓄容積和濕地床的有效滯蓄容積兩部分進(jìn)行探討，給出了詳細(xì)計(jì)算公式和合理選擇前置調(diào)蓄池/塘出水控制方式的要點(diǎn)，并說明了雨水人工濕地由降雨情況而改變的運(yùn)行方式。

以重慶市棕櫚泉雨水人工濕地為例，利用有效滯蓄容積計(jì)算公式，分析了人工濕地對(duì)降雨徑流的滯蓄效果，表明人工濕地年雨水滯蓄總量達(dá)到了匯水區(qū)地表徑流總量的72%，其中前置調(diào)蓄池對(duì)地表徑流的滯蓄起主導(dǎo)作用，其滯蓄量占總滯蓄量的96.5%。對(duì)于規(guī)模（面積）較小的濕地，調(diào)蓄池通常主導(dǎo)雨水的滯蓄，但濕地床面積越大，設(shè)計(jì)接納的暴雨沖擊負(fù)荷越大濕地床的滯蓄能力就越大。另外，還可采用可滲透基底設(shè)計(jì)來增加濕地床的滯蓄能力。

作者簡介：肖海文（1976- ），女，四川名山人，博士，副教授，從事雨水、廢水的處理和資源化利用以及人工濕地廢水處理技術(shù)研究。

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海綿城市雨水人工濕地的滯蓄能力

海綿城市雨水人工濕地屬于受降雨事件驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行系統(tǒng)，其雨量滯蓄容積的設(shè)計(jì)受城市降雨情況、雨水排水系統(tǒng)特征、集水區(qū)雨水水質(zhì)特點(diǎn)、受納水體情況、人工濕地處理負(fù)荷以及水質(zhì)凈化目標(biāo)等因素影響。一般來說，雨水人工濕地對(duì)雨水水量的滯蓄容積可由前置調(diào)蓄池（前置塘）的有效滯蓄容積V1和濕地床的有效滯蓄容積V2之和求得。

1.1前置調(diào)蓄池的有效滯蓄容積V1設(shè)計(jì)計(jì)算

人工濕地前置調(diào)蓄池的有效滯蓄容積指擔(dān)負(fù)雨量貯存和調(diào)節(jié)功能的這部分池容。根據(jù)人工濕地在海綿城市中所發(fā)揮的主要功能，有效容積計(jì)算可分為按年降水滯蓄率計(jì)算和按污染物總量控制計(jì)算兩種方法。

①按年降水滯蓄率的計(jì)算方法

按年降水滯蓄率計(jì)算主要考慮人工濕地對(duì)匯水區(qū)年總降水量的滯蓄效率，設(shè)定單場降雨調(diào)蓄池能貯存匯水區(qū)內(nèi)小于或等于HK（mm）的雨量，則調(diào)蓄池有效容積V1計(jì)算如式（1）。

（1）

式中Ab為匯水區(qū)面積，m2；φ為匯水區(qū)徑流系數(shù)；0.001為單位轉(zhuǎn)化系數(shù)。該式的物理意義表明，匯水區(qū)內(nèi)小于或等于HK的單場降雨將全部被滯蓄處理后排放，對(duì)于單場雨量大于HK的降雨則只有其前HK的雨量會(huì)被滯蓄處理后再排放。如果多年平均降雨次數(shù)（number of the events）、年降雨量以及大于、等于或小于HK的降雨次數(shù)已知，則可求出該前置調(diào)蓄池對(duì)年總降水量的滯蓄率。反之HK也可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求的年雨水滯蓄率來進(jìn)行計(jì)算確定。

②按污染物總量控制的計(jì)算方法

在初期雨量法理論的原則上，根據(jù)人工濕地的污染物總量控制目標(biāo)，設(shè)定需要處理的污染物占總污染物控制量的比率Y %，則可得到初始沖刷雨量H0，以此按式（2）計(jì)算調(diào)蓄池的有效容積V1。

（2）

式中H0為初始沖刷雨量，mm；其余參數(shù)同式（1）。該式的物理意義為該雨水人工濕地處理了徑流攜帶污染物總量的Y %，而調(diào)蓄池對(duì)雨水的年滯蓄率則可根據(jù)降雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按①中的方法計(jì)算確定。

1.2濕地床的有效滯蓄容積V2設(shè)計(jì)計(jì)算

降雨事件中，人工濕地屬于非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，濕地床的進(jìn)水總量通常大于出水總量（見圖1），這是由于降雨進(jìn)水時(shí)濕地床水深和淹沒面積（wet area）增加的緣故，另外，對(duì)于底部非硬化處理（粘土夯實(shí)或素土夯實(shí)）的濕地床而言，部分進(jìn)水還能下滲成為土壤含水量或地下徑流。這些水量構(gòu)成了濕地床對(duì)雨水的有效滯蓄容積V2。在很多雨水人工濕地設(shè)計(jì)中，這部分雨量滯蓄容積常常被忽略，然而當(dāng)濕地床面積越大，所設(shè)計(jì)的雨天沖擊負(fù)荷（進(jìn)水量）越大，這部分滯蓄容積就越大，甚至?xí)�超過調(diào)蓄池的滯蓄容積V1，因此在以雨水滯蓄為重要目標(biāo)的海綿城市雨水人工濕地設(shè)計(jì)中通常不能忽略濕地床本身的滯蓄容積，尤其對(duì)規(guī)模大的雨水濕地更是如此。

圖1 棕櫚泉人工濕地單場降雨實(shí)測(cè)進(jìn)出水流量過程

實(shí)際監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，人工濕地水力坡度和進(jìn)水流量之間具有明顯的相關(guān)性，例如圖2是實(shí)測(cè)潛流濕地水力坡度和進(jìn)水流量關(guān)系圖，兩者呈冪函數(shù)關(guān)系。忽略雨前人工濕地未進(jìn)水時(shí)蒸發(fā)和滲透帶來的空置容積，如果晴天濕地進(jìn)水的基流量為Q晴，暴雨沖擊負(fù)荷的進(jìn)水量為Q雨，則濕地床有效滯蓄容積V2可按下式計(jì)算：

（3）

式中AW為人工濕地面積，m2；S為濕地床水損摩阻系數(shù)，可根據(jù)濕地實(shí)測(cè)值或類似人工濕地經(jīng)驗(yàn)值確定；Q晴和Q雨分別為人工濕地設(shè)計(jì)的晴天進(jìn)水流量和暴雨沖擊負(fù)荷流量。a為水損冪函數(shù)指數(shù)，可根據(jù)濕地實(shí)測(cè)值或類似人工濕地經(jīng)驗(yàn)值確定，如無實(shí)測(cè)值則表流濕地可取1.2，水平潛流濕地取1.3；K為濕地底部的滲透系數(shù)，m.h-1；AD為人工濕地底部面積，m2；T為平均降雨歷時(shí)，h。

圖2 實(shí)測(cè)水平潛流人工濕地水力坡度和進(jìn)水流量相關(guān)圖

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設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 調(diào)蓄池水位設(shè)計(jì)和容積分區(qū)

前置調(diào)蓄池或前置塘（forbay）的功能除了雨量貯存調(diào)節(jié)外，通常還擔(dān)負(fù)著預(yù)處理、濕地沖擊負(fù)荷調(diào)節(jié)以及暴雨溢流等任務(wù)。根據(jù)出水方式，前置調(diào)蓄池/塘出水流量通常分為泵控制和管徑控制兩種類型。當(dāng)人工濕地建設(shè)用地地勢(shì)較平坦，雨水管接入埋深較大，可將前置調(diào)蓄池設(shè)計(jì)為地埋式以節(jié)省人工濕地占地面積，出水流量采用泵控制方式，如圖3（a），這時(shí)人工濕地的日常負(fù)荷進(jìn)水量Q晴由水泵從調(diào)蓄池中泵入；當(dāng)人工濕地建設(shè)用地落差較大，雨水管接入標(biāo)高足夠，則優(yōu)先選用無能耗的管徑控制進(jìn)水負(fù)荷方式，由前置調(diào)蓄池的日常出水管重力自流出水接入人工濕地，進(jìn)水水量由出水管管徑的過水能力以及調(diào)節(jié)池內(nèi)剩余有效水位確定，如圖3（b），此時(shí)的前置調(diào)蓄池通常設(shè)置為與濕地景觀相協(xié)調(diào)的地面開敞式前置塘。以上無論哪種進(jìn)水方式，雨水人工濕地前置調(diào)蓄池的容積分區(qū)由上而下一般由四部分構(gòu)成：沉淀集泥區(qū)、有效調(diào)蓄容積區(qū)、暴雨沖擊控制區(qū)和溢流區(qū)。各容積的分區(qū)水位分別為停泵水位/自流出水水位、沖擊負(fù)荷進(jìn)水水位和溢流水位，如圖3所示。

（a）泵控制出水（地埋式）

（b）管徑控制自流出水（開敞景觀塘式）

圖3 前置調(diào)蓄池/塘示意圖

2.2 人工濕地進(jìn)水流量的變化和控制

人工濕地進(jìn)水流量由降雨情況根據(jù)前置調(diào)蓄池/塘的水位自動(dòng)調(diào)節(jié)。

晴天或降雨事件中，當(dāng)調(diào)蓄池/塘內(nèi)水位高于停泵水位或自流出水水位且低于沖擊負(fù)荷進(jìn)水水位時(shí)，人工濕地進(jìn)水量Q晴由泵出水量或自流出水管管徑坡度控制，這一水量雖然一定程度受調(diào)蓄池內(nèi)水位影響（降雨時(shí)調(diào)蓄池內(nèi)水位增高，泵出水量或自流管出水水量均會(huì)相應(yīng)有所增大；不降雨時(shí)，泵出水量和自流管出水水量會(huì)有所下降），但流量變化不大，相對(duì)穩(wěn)定。

降雨中當(dāng)調(diào)蓄池/塘內(nèi)水位高于沖擊負(fù)荷進(jìn)水水位時(shí)，人工濕地開始承受暴雨沖擊負(fù)荷，此時(shí)的人工濕地進(jìn)水水量等于(1＋r)倍 Q晴，其中r為人工濕地設(shè)計(jì)能承受的沖擊負(fù)荷倍數(shù)。而沖擊負(fù)荷出水孔大小按水頭h和流量值rQ晴按堰出流公式計(jì)算。人工濕地處理雨水徑流的優(yōu)勢(shì)之一是既可多天停止進(jìn)水閑置運(yùn)行，也可以承受3～8倍日常流量的高沖擊負(fù)荷。海綿城市雨水人工濕地通常應(yīng)充分利用人工濕地抗沖擊負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)，設(shè)置沖擊負(fù)荷進(jìn)水孔。

當(dāng)降雨繼續(xù)增大，調(diào)蓄池內(nèi)水位達(dá)到溢流水位時(shí)，人工濕地進(jìn)水流量仍為(1＋r)倍 Q晴，但多于雨量開始溢流，溢流管管徑設(shè)計(jì)應(yīng)大于或等于前置調(diào)蓄池接入的雨水管管徑。溢流管一般可設(shè)置在調(diào)蓄池雨水進(jìn)水管前的檢查井上，以避免溢流水量對(duì)調(diào)蓄池的沖擊。

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案例分析

3.1棕櫚泉雨水人工濕地概況

棕櫚泉雨水人工濕地位于重慶市北部新區(qū)高新園，于2005年建成運(yùn)行。人工濕地面積及匯水區(qū)下墊面性質(zhì)見表1。該工程對(duì)棕櫚泉住宅區(qū)匯水區(qū)的雨水進(jìn)行集中處理，長期以來運(yùn)行穩(wěn)定，無沖擊負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)出水水質(zhì)滿足地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表1 人工濕地面積及匯水區(qū)特征

表2 無沖擊負(fù)荷時(shí)人工濕地進(jìn)、出水水質(zhì)

棕櫚泉人工濕地具體流程見圖4，采用濕地塘床組合工藝，主要包括沉砂池、前置調(diào)蓄池、景觀池、潛流（HSSF）床、多級(jí)跌水小溪、表流（SWF床）等。

圖4 人工濕地系統(tǒng)處理流程示意圖

3.2年雨水滯蓄效果分析

2012年對(duì)棕櫚泉雨水人工濕地匯水區(qū)降雨情況進(jìn)行了全年監(jiān)測(cè)。該年總降雨量1054.7mm，降雨天數(shù)150d，年地表徑流總量為40590 m3。其中各月降雨情況及人工濕地系統(tǒng)的雨水滯蓄量計(jì)算見表3。

表3 各月降雨情況及雨水滯蓄量

由表3可看出，人工濕地系統(tǒng)對(duì)匯水區(qū)內(nèi)雨水有良好的滯蓄能力，年雨水滯蓄總量達(dá)到了匯水區(qū)地表徑流總產(chǎn)量的72 %，其中絕大部分滯蓄量為前置調(diào)蓄池承擔(dān)，為28106 m3，占滯蓄總量的96.5%，若沒有前置調(diào)蓄池，濕地系統(tǒng)能滯蓄的雨量就只有1009 m3，由濕地床承擔(dān)，可見前置調(diào)蓄池在雨水人工濕地中作用很大，尤其對(duì)規(guī)模小的人工濕地更是如此。值得注意的是，如果將棕櫚泉雨水人工濕地底部由硬化（混凝土）處理改為可滲透性基底處理，如有一定滲透性能的粘土基底，按式（3）則可增加濕地床對(duì)雨水的滯蓄比例。

本文詳細(xì)內(nèi)容參見即將出版的2018年9月《中國給水排水》第18期 《海綿城市雨水濕地的滯蓄容積設(shè)計(jì)與工程實(shí)例》，作者：肖海文，代蕾，任莉蓉，翟俊，譚軍蓮 重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

該文標(biāo)準(zhǔn)引用格式：

肖海文，代蕾，任莉蓉，等. 海綿城市雨水濕地的滯蓄容積設(shè)計(jì)與工程實(shí)例[J]. 中國給水排水，2018,34（18）：53-57,65.

Xiao Haiwen,Dai Lei,Ren Lirong,et al.Caseand designof retention volume of wetland for stormwater treatment insponge city [J]. China Water & Wastewater, 2018,34（18）：53-57,65(in Chinese).

編輯：孔紅春

制作：文凱