海綿城市生物滯留設施核心參數(shù)設計的思考
來源：給水排水
作者：梁小光等
導語：
生物滯留設施在海綿城市建設中被廣泛應用，但是在具體應用過程中也暴露出一些問題，一個重要的原因是排空時間作為生物滯留設施設計的核心參數(shù)在我國相關規(guī)范性文件中并沒有得到充分的重視。通過研究分析國外的生物滯留設施表面積計算方法、土壤滲透系數(shù)取值、排空時間規(guī)定及控制方式，看看我國以排空時間為核心的生物滯留設施設計方法體系應該如何建立?
1 研究背景
生物滯留設施指在地勢較低的區(qū)域，通過植物、土壤和微生物系統(tǒng)蓄滲、凈化徑流雨水的設施，宜在土基上鋪設，自上而下宜設置蓄水層、覆蓋層、種植層、透水土工布和礫石層，如圖1所示。
在生物滯留設施的設計和運行維護過程中，排空時間是一個重要的參數(shù)，其取值會影響到設施用地面積、植物健康成長、設施運行維護頻率、蚊蠅孳生和徑流控制效果等多個方面。在歐美國家的相關設計手冊中，普遍對生物滯留設施排空時間有明確規(guī)定，例如：美國賓夕法尼亞州和華盛頓規(guī)定排空時間不得超過72 h，紐約州、明尼蘇達州、密歇根州規(guī)定排空時間不得超過48 h，喬治亞洲、康涅狄格州規(guī)定排空時間不得超過24 h，北卡羅來納州規(guī)定排空時間不得超過12 h，艾奧瓦州推薦排空時間為4～12 h，緬因州規(guī)定排空時間不得超過48 h，且不得低于24 h，科羅拉多州丹佛市規(guī)定排空時間不得超過12 h，同時最小滲透系數(shù)應為按12 h排空時間計算所得滲透系數(shù)的2倍，加拿大埃德蒙頓市規(guī)定排空時間不得超過48 h，英國生物滯留設施排空時間推薦值為24～48 h。排空時間通常被用來計算生物滯留設施的表面積，和種植層土壤滲透系數(shù)密切相關。
為了防止蚊蠅孳生，生物滯留設施應具有及時排空蓄存雨水的能力，這意味著排空時間不宜過大，但為了實現(xiàn)一定的徑流控制效果(雨水凈化和緩釋)，生物滯留設施排空時間又不宜過小，這兩種不同的要求對生物滯留設施的建設和運行維護帶來了一定的困難和挑戰(zhàn)。目前，主流的設計方法只要求種植層土壤的滲透系數(shù)不能低于某個規(guī)定值，以防蚊蠅孳生，卻很少對如何防止生物滯留設施排空速度過快給出可行的控制措施和控制方法。為實現(xiàn)運行過程中排空時間的可控，美國科羅拉多大學丹佛分校的郭純園教授提出在生物滯留設施底部穿孔排水管末端設置閥門(cap-orifice)來控制排空時間，該方法在丹佛市得到應用。
現(xiàn)階段我國海綿城市建設中生物滯留設施建設和運行維護過程都比較粗放，個別項目甚至由于生物滯留設施長時間積水而引起居民投訴。因此，明確規(guī)定生物滯留設施排空時間，并圍繞其建立切實可行的設計方法體系，對促進我國海綿城市建設事業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。
2 生物滯留設施表面積計算
根據(jù)《城鎮(zhèn)雨水調蓄工程技術規(guī)范》(GB 51174—2017)4.3.6條規(guī)定，生物滯留設施表面積計算見式(1)：
Af=V/[fmt+dbcnr+dp(1-nz)](1)
式中 Af——生物滯留設施表面積，m²;
V——調蓄容積，m³，可按年徑流總量控制率對應的單位面積調蓄深度計算;
fm——土壤入滲率，mm/h;
dbc——生物滯留設施種植層和礫石層的總厚度，mm;
nr——種植層和礫石層平均孔隙率;
dp——生物滯留設施表面蓄水層厚度，mm;
nz——植物橫截面積占蓄水層表面積的百分比。
式(1)中參數(shù)t未明確含義，根據(jù)上下文推測應為降雨歷時�？梢钥闯觯�(1)中生物滯留設施的表面積計算與排空時間無關，它將生物滯留設施設計調蓄容積分為3部分：一是降雨過程中下滲量，二是扣除植物莖稈所占空間后蓄水層蓄水量，三是種植層和礫石層蓄水量。一般來講，表面蓄水層蓄水量不宜小于生物滯留設施總蓄水量的50%。計算時，種植層平均孔隙率可取25%，礫石層平均孔隙率可取40%。
美國常用的生物滯留設施表面積計算公式為：
Af=Vds/[ks(ds+df)tf](2)
式中 V——水質控制容積WQv，m³，計算方法和式(1)中調蓄容積相同;
ks——種植層土壤滲透系數(shù)，mm/h;
ds——生物滯留設施種植層厚度，mm;
df——生物滯留設施表面層平均蓄水厚度，df=dp/2，mm;
tf——排空時間，h。
式(2)基于達西定律，并考慮了生物滯留設施在排空過程中表面蓄水層蓄水深度變化的影響，計算原理和式(1)有本質不同。式(1)是從蓄水的角度計算所需的生物滯留設施表面積，式(2)是從排空的角度計算所需的生物滯留設施表面積，兩者相輔相成，并不矛盾。生物滯留設施的表面積應同時滿足式(1)和式(2)的要求。
3土壤滲透系數(shù)及成層土等效滲透系數(shù)
土壤滲透系數(shù)是生物滯留設施設計的一個重要參數(shù)。當原生土壤滲透性較強時，礫石層中可不設置底部穿孔排水管，雨水全部滲入地下，當原生土壤滲透系數(shù)小于12.7 mm/h時，礫石層中可能需要埋設底部穿孔排水管，也可根據(jù)土壤滲透系數(shù)大小設置部分滲透系統(tǒng)。在美國SCS土壤分類中，滲透性最好的A類土壤穩(wěn)定滲透系數(shù)也僅為7.6～11.4 mm/h。因此，生物滯留設施一般都需要對土壤進行改良，改良后的土壤(可稱為種植土)成分各有不同，但普遍表現(xiàn)出沙粒含量高、粘粒含量低和有機質含量適中的特點。改良后的種植土初始滲透系數(shù)很高，但在使用過程中滲透系數(shù)會快速下降，因此，式(2)中使用的滲透系數(shù)通常采用考慮堵塞后的滲透系數(shù)，一般取值為12.7 mm/h。在對生物滯留設施排空能力要求高的地區(qū)，滲透系數(shù)取值會更大，相應的運行維護也將更加頻繁，例如：美國北卡羅來納州在新版《雨水設計手冊》中新增規(guī)定“種植層土壤最小滲透系數(shù)不得低于25.4 mm/h，否則必須進行設施維護”。也有少數(shù)情況下，規(guī)定值為初始滲透系數(shù)，例如：英國《可持續(xù)排水系統(tǒng)手冊》中規(guī)定“種植層土壤滲透系數(shù)應為100～300 mm/h”。
從圖1可以看出，生物滯留設施具有多層結構(成層土結構)，且不同層滲透系數(shù)不同，其整體滲透系數(shù)(稱為等效滲透系數(shù))和設施內部蓄水空間是否飽和有關。當生物滯留設施中的種植層和礫石層孔隙內充滿水流時，根據(jù)達西定律，可推導出其等效滲透系數(shù)計算見式(3)：
ke=(dp+ds+dg)/(ds/ks+dg/kg)(3)
式中 ke——等效滲透系數(shù)，mm/h;
dg——礫石層厚度，mm;
kg——礫石層滲透系數(shù)，mm/h。
當生物滯留設施為實現(xiàn)反硝化功能，通過抬高底部穿孔排水管的排放口標高，在生物滯留設施底部建立內部蓄水層(Internal Water Storage，IWS)時，可近似認為生物滯留設施的種植層和礫石層處于飽和狀態(tài)，用式(3)計算其等效滲透系數(shù)，但可用水頭應扣除穿孔排水管的抬升高度。當采用閥門控制底部穿孔排水管排水能力時，為計算閥門開啟度，也可采用式(3)計算生物滯留設施等效滲透系數(shù)。
在一般的生物滯留設施中，由于礫石層滲透系數(shù)遠遠大于種植層，礫石層通常會存在自由水面，此時式(3)轉變?yōu)椋?/p>
ke=kf(dp+ds)/ds(4)
由于在排空的過程中表面層蓄水深度不斷降低，因此計算用蓄水深度采用平均值dp/2，此即為式(2)中采用的形式。
4 排空時間的規(guī)定
排空時間的上限值常與蚊蠅控制和植物耐淹程度有關，而下限值則與徑流控制有關。研究顯示，部分種類的蚊蠅從蠅卵孵化到破蛹成蟲僅需不到7 d。目前普遍認為，如果能將排空時間控制在72 h以內，即可抑制蚊蠅的生長。植物的耐淹性和植物種類密切相關，一般來講，應根據(jù)排空時間選擇適宜的植物，生物滯留設施建設中通常應該選擇耐淹性好的鄉(xiāng)土植物。生物滯留設施的雨水停留時間直接影響其對雨水徑流的凈化效果，表1為不同雨水徑流污染物控制所需要的生物滯留設施下滲速率取值。
從表1可知，綜合考慮各種污染物去除效果，生物滯留設施下滲速率宜為25～50 mm/h。如果生物滯留設施的蓄水層深度為30 cm，則對應的排空時間為6～12 h，此時間應作為生物滯留設施排空時間的下限值。
目前，我國僅在下凹式綠地的設計中規(guī)定“綠地排空時間宜為24～48 h”，在生物滯留設施的設計中尚未有明確規(guī)定。結合以上分析，同時考慮和下凹式綠地排空時間的銜接，推薦我國生物滯留設施排空時間上限值為24～48 h，下限值不宜低于6～12 h，具體取值應結合當?shù)亟ㄔO和運行維護水平而定。
5 排空時間的控制
在生物滯留設施的生命周期內，如何控制其排空時間對設計和運行維護都是一種挑戰(zhàn)。種植層的土壤在設施投入運行后，可以因為堵塞而造成滲透系數(shù)減小，也可以因為植物根系疏通土壤而使得滲透系數(shù)增大。因此，設計和運行維護過程中很難直接通過控制土壤的滲透系數(shù)來控制排空時間，而應通過底部穿孔排水管的精心設計來實現(xiàn)。
美國科羅拉多州丹佛市采用閥門來實現(xiàn)對生物滯留設施排空時間的控制。在設施運行初期，土壤滲透系數(shù)可以高達250 mm/h，通過減小閥門開啟度，將生物滯留設施外排能力控制在50 mm/h(對于300 mm的表面蓄水層厚度，排空時間為6 h)，此時礫石層處于飽和狀態(tài)。當土壤滲透系數(shù)因堵塞減小到低于50 mm/h時，逐漸加大閥門開啟度。當土壤滲透系數(shù)因堵塞減小到25 mm/h時(對于300 mm的表面蓄水層厚度，排空時間為12 h)，應進行設施維護。在上述運行模式下，排空時間的上限為12 h，下限為6 h，滿足丹佛市對排空時間的控制要求。底部穿孔管末端閥門開啟度的計算方法可參考郭純園的研究成果。
底部穿孔排水管末端設置閥門的優(yōu)點在于其可實現(xiàn)運行過程中對排空時間的精確調控，缺點在于設計和運行較為復雜。如果將末端閥門的控制功能前移到底部穿孔排水管的開孔處，則可免去閥門的設置，減少系統(tǒng)的復雜性，但也會喪失運行過程中對排空時間的主動控制能力。
根據(jù)達西定律，當土壤滲透系數(shù)不變時，水流在土壤中的水頭損失和下滲速度成正比。當?shù)撞看┛着潘懿粚ι餃粼O施外排能力構成制約時，全部水頭差都用于克服種植層和礫石層中的水頭損失，此時的下滲速度可用式(3)計算。當?shù)撞看┛着潘軐ι餃粼O施外排能力構成制約時，下滲速度減小，用于克服種植層和礫石層中的水頭減小，多余的水頭將用于克服孔口出流的阻力。種植層和礫石層中的水頭損失計算公式分別為：
hs=kdds/ks(5)
hg=kddg/kg(6)
式中 hs——種植層水頭損失，m;
hg——礫石層水頭損失，m;
kd——生物滯留設施外排能力，mm/h。
底部穿孔排水管開孔面積計算見式(7)：
a=V/[tfCdg(df+ds+dg-hs-hg)](7)
式中 a——開孔面積，m²;
Cd——孔口流量系數(shù);
g——重力加速度，m/s²。
式(7)基于種植層和礫石層處于完全飽和狀態(tài)下推導而得，計算思路參考了文獻計算閥門開啟度的方法。從物理含義上講，式(7)中V采用表面蓄水層蓄水量比較合理。從排空時間的控制上講，tf應為規(guī)定排空時間的下限值。在設施運行之初，土壤的滲透能力大于孔口出流能力，此時實際排空時間為規(guī)定的下限值。隨著土壤滲透能力的降低，設施外排能力瓶頸從底部穿孔管變?yōu)橥寥辣旧淼臐B透能力。當實際排空時間超過規(guī)定的上限值時，應進行設施維護。
由于真實的下滲過程和達西公式的假設不完全吻合，計算所得的底部穿孔管開孔面積在真實的環(huán)境下排水能力可能和設計下滲速度不同，因此式(7)的正確性還有待實踐檢驗。
6 案例計算
某生物滯留設施服務面積1 000 m²，雨量徑流系數(shù)為0.8，年徑流總量控制率對應的設計降雨量為25 mm，表面蓄水層厚度為200 mm，種植層厚度為500 mm，平均孔隙率為25%，設計滲透系數(shù)為25 mm/h，礫石層厚度為250 mm(假設不考慮底部穿孔排水管孔口以下部分礫石層厚度的影響)，設計滲透系數(shù)為250 mm/h，平均孔隙率為40%，排空時間不得超過24 h，且不得低于12 h。主要計算內容如下：
(1)調蓄容積或水質控制容積V=1 000 m²×25 mm×0.8=20 m³。
(2)假定降雨歷時為2 h，不考慮植物莖稈所占空間，根據(jù)式(1)計算的表面積Af=20 m³/(25 mm/h×2 h+500 mm×25%+250 mm×40%+200 mm)≈42 m²。
(3)根據(jù)式(2)計算的生物滯留設施表面積Af=(20 m³×500 mm)/[25 mm/h×(200 mm/2+500 mm)×24 h]≈28 m²。
(4)選取(2)和(3)計算結果的大值42 m²作為生物滯留設施表面積，此時表面蓄水層蓄水量為42 m²×200 mm=8.4 m³，占調蓄容積的42%。將生物滯留設施表面積適當放大到50 m²，此時表面層蓄水量為50 m²×200 mm=10 m³，占調蓄容積的50%。
(5)外排能力kd=200 mm/12 h=16.7 mm/h，則種植層水頭損失hs=16.7 mm/h×500 mm/25 mm/h=333.3 mm，礫石層水頭損失hg=16.7 mm/h×250 mm/250 mm/h=16.7 mm。
(6)穿孔排水管開孔處可用水頭為200 mm/2+500 mm+250 mm-333.3 mm-16.7 mm=500 mm=0.5 m。
(7)假定孔口流量系數(shù)Cd為0.6，則穿孔排水管需要的開孔面積a=10 m³/[(12 h×3 600 s)×0.6×9.81 m/s²×0.5 m]=1.74 cm²。
計算過程中需確保生物滯留設施的外排能力瓶頸是底部穿孔排水管。假設案例中的種植層設計滲透系數(shù)為5 mm/h，則等效滲透系數(shù)為ke=8.5 mm/h
7 結論和建議
生物滯留設施作為低影響開發(fā)中的重要技術，在我國海綿城市建設中得到廣泛使用。從各地使用情況看來，普遍存在一些問題和不足。其中，如何在生物滯留設施設計和運行維護過程中合理使用排空時間參數(shù)就是一個重要問題。通過系統(tǒng)分析歐美國家生物滯留設施排空時間的有關規(guī)定和設計方法，并結合理論推導和案例計算，得出主要結論和建議如下：
(1)盡快建立以排空時間為核心的生物滯留設施設計方法體系。
(2)生物滯留設施表面積應同時滿足調蓄容積的空間分配和及時排空的需要，生物滯留設施表面層蓄水量不宜小于調蓄容積的50%。
(3)生物滯留設施的種植層應滿足一定的滲透系數(shù)要求(設計滲透系數(shù)宜為12.5～25 mm/h)，以實現(xiàn)排空時間的可控，防止由于長期積水造成負面影響。
(4)生物滯留設施的排空時間宜同時具有上限和下限，保證生物滯留設施多種不同目標的同時實現(xiàn)，推薦我國生物滯留設施排空時間上限值為24～48 h，下限值不宜低于6～12 h。
(5)底部穿孔排水管的孔口開孔面積計算公式基于達西定律的假設條件推導而得，其正確性還有待實踐檢驗。
