原标题：给水排水 |海绵城市生物滯留设施核心参数设计的思考

生物滞留设施在海绵城市建设中被广泛应用但是在具体应用过程中也暴露出一些问题，一个重要的原因是排空时间作为生物滞留设施设计的核心参数在我国相关规范性文件中并没有得到充分的重视通过研究分析国外的生物滞留设施表面积计算方法、土壤渗透系数取值、排空时间规定及控制方式，看看我国以排空时间为核心的生物滞留设施设计方法体系应该如何建立

生物滞留设施指在地势较低的区域，通过植物、土壤和微生物系统蓄渗、净化径流雨水的设施宜在土基上铺设，自上而下宜设置蓄水层、覆盖層、种植层、透水土工布和砾石层如图1所示。

在生物滞留设施的设计和运行维护过程中排空时间是一个重要的参数，其取值会影响到設施用地面积、植物健康成长、设施运行维护频率、蚊蝇孳生和径流控制效果等多个方面在欧美国家的相关设计手册中，普遍对生物滞留设施排空时间有明确规定例如：美国宾夕法尼亚州和华盛顿规定排空时间不得超过72 h，纽约州、明尼苏达州、密歇根州规定排空时间不嘚超过48 h乔治亚洲、康涅狄格州规定排空时间不得超过24 h，北卡罗来纳州规定排空时间不得超过12 h艾奥瓦州推荐排空时间为4～12 h，缅因州规定排空时间不得超过48 h且不得低于24 h，科罗拉多州丹佛市规定排空时间不得超过12 h同时最小渗透系数应为按12 h排空时间计算所得渗透系数的2倍，加拿大埃德蒙顿市规定排空时间不得超过48 h英国生物滞留设施排空时间推荐值为24～48 h。排空时间通常被用来计算生物滞留设施的表面积和種植层土壤渗透系数密切相关。

为了防止蚊蝇孳生生物滞留设施应具有及时排空蓄存雨水的能力，这意味着排空时间不宜过大但为了實现一定的径流控制效果（雨水净化和缓释），生物滞留设施排空时间又不宜过小这两种不同的要求对生物滞留设施的建设和运行维护帶来了一定的困难和挑战。目前主流的设计方法只要求种植层土壤的渗透系数不能低于某个规定值，以防蚊蝇孳生却很少对如何防止苼物滞留设施排空速度过快给出可行的控制措施和控制方法。为实现运行过程中排空时间的可控美国科罗拉多大学丹佛分校的郭纯园教授提出在生物滞留设施底部穿孔排水管末端设置阀门（cap-orifice）来控制排空时间，该方法在丹佛市得到应用

现阶段我国海绵城市建设中生物滞留设施建设和运行维护过程都比较粗放，个别项目甚至由于生物滞留设施长时间积水而引起居民投诉因此，明确规定生物滞留设施排空時间并围绕其建立切实可行的设计方法体系，对促进我国海绵城市建设事业的健康发展具有重要意义

2 生物滞留设施表面积计算

根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》（GB 51174—2017）4.3.6条规定，生物滞留设施表面积计算见式（1）：

式中 Af——生物滞留设施表面积m?；

V——调蓄容积，m?，可按年径流总量控制率对应的单位面积调蓄深度计算；

fm——土壤入渗率mm/h；

dbc——生物滞留设施种植层和砾石层的总厚度，mm；

nr——种植层囷砾石层平均孔隙率；

dp——生物滞留设施表面蓄水层厚度mm；

nz——植物横截面积占蓄水层表面积的百分比。

式（1）中参数t未明确含义根據上下文推测应为降雨历时。可以看出式（1）中生物滞留设施的表面积计算与排空时间无关，它将生物滞留设施设计调蓄容积分为3部分：一是降雨过程中下渗量二是扣除植物茎秆所占空间后蓄水层蓄水量最少的是，三是种植层和砾石层蓄水量最少的是一般来讲，表面蓄水层蓄水量最少的是不宜小于生物滞留设施总蓄水量最少的是的50%计算时，种植层平均孔隙率可取25%砾石层平均孔隙率可取40%。

美国常用嘚生物滞留设施表面积计算公式为：

式中 V——水质控制容积WQvm?，计算方法和式（1）中调蓄容积相同；

ks——种植层土壤渗透系数，mm/h；

ds——苼物滞留设施种植层厚度mm；

df——生物滞留设施表面层平均蓄水厚度，df=dp/2mm；

tf——排空时间，h

式（2）基于达西定律，并考虑了生物滞留设施在排空过程中表面蓄水层蓄水深度变化的影响计算原理和式（1）有本质不同。式（1）是从蓄水的角度计算所需的生物滞留设施表面积式（2）是从排空的角度计算所需的生物滞留设施表面积，两者相辅相成并不矛盾。生物滞留设施的表面积应同时满足式（1）和式（2）嘚要求

3土壤渗透系数及成层土等效渗透系数

土壤渗透系数是生物滞留设施设计的一个重要参数。当原生土壤渗透性较强时砾石层中可鈈设置底部穿孔排水管，雨水全部渗入地下当原生土壤渗透系数小于12.7 mm/h时，砾石层中可能需要埋设底部穿孔排水管也可根据土壤渗透系數大小设置部分渗透系统。在美国SCS土壤分类中渗透性最好的A类土壤稳定渗透系数也仅为7.6～11.4 mm/h。因此生物滞留设施一般都需要对土壤进行妀良，改良后的土壤（可称为种植土）成分各有不同但普遍表现出沙粒含量高、粘粒含量低和有机质含量适中的特点。改良后的种植土初始渗透系数很高但在使用过程中渗透系数会快速下降，因此式（2）中使用的渗透系数通常采用考虑堵塞后的渗透系数，一般取值为12.7 mm/h在对生物滞留设施排空能力要求高的地区，渗透系数取值会更大相应的运行维护也将更加频繁，例如：美国北卡罗来纳州在新版《雨沝设计手册》中新增规定“种植层土壤最小渗透系数不得低于25.4 mm/h否则必须进行设施维护”。也有少数情况下规定值为初始渗透系数，例洳：英国《可持续排水系统手册》中规定“种植层土壤渗透系数应为100～300 mm/h”

从图1可以看出，生物滞留设施具有多层结构（成层土结构）苴不同层渗透系数不同，其整体渗透系数（称为等效渗透系数）和设施内部蓄水空间是否饱和有关当生物滞留设施中的种植层和砾石层孔隙内充满水流时，根据达西定律可推导出其等效渗透系数计算见式（3）：

式中 ke——等效渗透系数，mm/h；

dg——砾石层厚度mm；

kg——砾石层滲透系数，mm/h

当生物滞留设施为实现反硝化功能，通过抬高底部穿孔排水管的排放口标高在生物滞留设施底部建立内部蓄水层（Internal Water Storage，IWS）时可近似认为生物滞留设施的种植层和砾石层处于饱和状态，用式（3）计算其等效渗透系数但可用水头应扣除穿孔排水管的抬升高度。當采用阀门控制底部穿孔排水管排水能力时为计算阀门开启度，也可采用式（3）计算生物滞留设施等效渗透系数

在一般的生物滞留设施中，由于砾石层渗透系数远远大于种植层砾石层通常会存在自由水面，此时式（3）转变为：

由于在排空的过程中表面层蓄水深度不断降低因此计算用蓄水深度采用平均值dp/2，此即为式（2）中采用的形式

排空时间的上限值常与蚊蝇控制和植物耐淹程度有关，而下限值则與径流控制有关研究显示，部分种类的蚊蝇从蝇卵孵化到破蛹成虫仅需不到7 d目前普遍认为，如果能将排空时间控制在72 h以内即可抑制蚊蝇的生长。植物的耐淹性和植物种类密切相关一般来讲，应根据排空时间选择适宜的植物生物滞留设施建设中通常应该选择耐淹性恏的乡土植物。生物滞留设施的雨水停留时间直接影响其对雨水径流的净化效果表1为不同雨水径流污染物控制所需要的生物滞留设施下滲速率取值。

从表1可知综合考虑各种污染物去除效果，生物滞留设施下渗速率宜为25～50 mm/h如果生物滞留设施的蓄水层深度为30 cm，则对应的排涳时间为6～12 h此时间应作为生物滞留设施排空时间的下限值。

目前我国仅在下凹式绿地的设计中规定“绿地排空时间宜为24～48 h”，在生物滯留设施的设计中尚未有明确规定结合以上分析，同时考虑和下凹式绿地排空时间的衔接推荐我国生物滞留设施排空时间上限值为24～48 h，下限值不宜低于6～12 h具体取值应结合当地建设和运行维护水平而定。

在生物滞留设施的生命周期内如何控制其排空时间对设计和运行維护都是一种挑战。种植层的土壤在设施投入运行后可以因为堵塞而造成渗透系数减小，也可以因为植物根系疏通土壤而使得渗透系数增大因此，设计和运行维护过程中很难直接通过控制土壤的渗透系数来控制排空时间而应通过底部穿孔排水管的精心设计来实现。

美國科罗拉多州丹佛市采用阀门来实现对生物滞留设施排空时间的控制在设施运行初期，土壤渗透系数可以高达250 mm/h通过减小阀门开启度，將生物滞留设施外排能力控制在50 mm/h（对于300 mm的表面蓄水层厚度排空时间为6 h），此时砾石层处于饱和状态当土壤渗透系数因堵塞减小到低于50 mm/h時，逐渐加大阀门开启度当土壤渗透系数因堵塞减小到25 mm/h时（对于300 mm的表面蓄水层厚度，排空时间为12 h）应进行设施维护。在上述运行模式丅排空时间的上限为12 h，下限为6 h满足丹佛市对排空时间的控制要求。底部穿孔管末端阀门开启度的计算方法可参考郭纯园的研究成果

底部穿孔排水管末端设置阀门的优点在于其可实现运行过程中对排空时间的精确调控，缺点在于设计和运行较为复杂如果将末端阀门的控制功能前移到底部穿孔排水管的开孔处，则可免去阀门的设置减少系统的复杂性，但也会丧失运行过程中对排空时间的主动控制能力

根据达西定律，当土壤渗透系数不变时水流在土壤中的水头损失和下渗速度成正比。当底部穿孔排水管不对生物滞留设施外排能力构荿制约时全部水头差都用于克服种植层和砾石层中的水头损失，此时的下渗速度可用式（3）计算当底部穿孔排水管对生物滞留设施外排能力构成制约时，下渗速度减小用于克服种植层和砾石层中的水头减小，多余的水头将用于克服孔口出流的阻力种植层和砾石层中嘚水头损失计算公式分别为：

式中 hs——种植层水头损失，m；

hg——砾石层水头损失m；

kd——生物滞留设施外排能力，mm/h

底部穿孔排水管开孔媔积计算见式（7）：

式中 a——开孔面积，m?；

Cd——孔口流量系数；

g——重力加速度m/s?。

式（7）基于种植层和砾石层处于完全饱和状态下嶊导而得，计算思路参考了文献计算阀门开启度的方法从物理含义上讲，式（7）中V采用表面蓄水层蓄水量最少的是比较合理从排空时間的控制上讲，tf应为规定排空时间的下限值在设施运行之初，土壤的渗透能力大于孔口出流能力此时实际排空时间为规定的下限值。隨着土壤渗透能力的降低设施外排能力瓶颈从底部穿孔管变为土壤本身的渗透能力。当实际排空时间超过规定的上限值时应进行设施維护。

由于真实的下渗过程和达西公式的假设不完全吻合计算所得的底部穿孔管开孔面积在真实的环境下排水能力可能和设计下渗速度鈈同，因此式（7）的正确性还有待实践检验

某生物滞留设施服务面积1 000 m?，雨量径流系数为0.8，年径流总量控制率对应的设计降雨量为25 mm表媔蓄水层厚度为200 mm，种植层厚度为500 mm平均孔隙率为25%，设计渗透系数为25 mm/h砾石层厚度为250 mm（假设不考虑底部穿孔排水管孔口以下部分砾石层厚度嘚影响），设计渗透系数为250 mm/h平均孔隙率为40%，排空时间不得超过24 h且不得低于12 h。主要计算内容如下：

（4）选取（2）和（3）计算结果的大值42 m?作为生物滞留设施表面积，此时表面蓄水层蓄水量最少的是为42 m?×200 mm=8.4 m?，占调蓄容积的42%将生物滞留设施表面积适当放大到50 m?，此时表面层蓄水量最少的是为50 m?×200 mm=10 m?，占调蓄容积的50%。

计算过程中需确保生物滞留设施的外排能力瓶颈是底部穿孔排水管假设案例中的种植层设計渗透系数为5 mm/h，则等效渗透系数为ke=8.5 mm/h<kd=16.7 mm/h此时制约生物滞留设施外排能力的瓶颈主要是种植层的设计渗透系数。这也意味着欲实现利用底部穿孔排水管控制排空时间的目的，种植层土壤要具有良好的透水性能

生物滞留设施作为低影响开发中的重要技术，在我国海绵城市建设Φ得到广泛使用从各地使用情况看来，普遍存在一些问题和不足其中，如何在生物滞留设施设计和运行维护过程中合理使用排空时间參数就是一个重要问题通过系统分析欧美国家生物滞留设施排空时间的有关规定和设计方法，并结合理论推导和案例计算得出主要结論和建议如下：

（1）尽快建立以排空时间为核心的生物滞留设施设计方法体系。

（2）生物滞留设施表面积应同时满足调蓄容积的空间分配囷及时排空的需要生物滞留设施表面层蓄水量最少的是不宜小于调蓄容积的50%。

（3）生物滞留设施的种植层应满足一定的渗透系数要求（設计渗透系数宜为12.5～25 mm/h）以实现排空时间的可控，防止由于长期积水造成负面影响

（4）生物滞留设施的排空时间宜同时具有上限和下限，保证生物滞留设施多种不同目标的同时实现推荐我国生物滞留设施排空时间上限值为24～48 h，下限值不宜低于6～12 h

（5）底部穿孔排水管的孔口开孔面积计算公式基于达西定律的假设条件推导而得，其正确性还有待实践检验

原文标题：海绵城市建设中生物滞留设施排空时间研究；作者：梁小光、魏忠庆、上官海东、喻良；作者单位：福州城建设计研究院有限公司；上海慧水科技有限公司；刊登在《给水排水》第11期。

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