生物滞留措施排水系统设计方法研究 孟莹莹1,2,3，殷瑞雪2,3，张书函2,3，陈建刚2,3，王会肖1 (1.北京师范大学水科学研究院，北京100875；2.北京市水科学技术研究院，北京100048；

生物滞留措施排水系统设计方法研究

孟莹莹^1,2,3，殷瑞雪^2,3，张书函^2,3，陈建刚^2,3，王会肖¹

(1.北京师范大学水科学研究院，北京100875；2.北京市水科学技术研究院，北京100048；3.北京市非常规水资源开发利用与节水工程技术研究中心，北京 100048)

摘 要：为有效设计生物滞留措施排水系统，通过对国外生物滞留措施设计手册的调研，结合国内排水系统的应用形式，对排水系统设置条件、材料、规格、布置形式、水量计算等分别进行了分析，讨论了各项排水设计参数的取值方法，以期为北京及国内其他城市生物滞留系统的排水设计提供参考。主要提出如下建议：排水管的适宜管材为PVC管，适宜管径为100~150 mm，管径及开孔尺寸需保证排水层集料无法进入，以及满足土壤层最大入渗流量的要求。

生物滞留系统是一种有效的低影响开发雨洪管理措施（LID），它通过在低洼地短暂蓄水，利用植物、填料、微生物间的物理、化学、生物作用滞蓄和净化雨水，近年来逐渐成为研究和应用的热点。排水系统位于填料层以下，目前对其研究主要集中在污染物去除效果方面，排水系统能力与生物滞留设施整体排水效果密切相关，但目前少见对其设计和计算的报道。

相比较而言，国外较为重视对生物滞留措施科学、系统的设计方法的总结，以便于成套技术的推广和规模化应用，如其诞生地美国马里兰州Prince George’s County制定的生物滞留设计手册，科罗拉多州、缅因州制定的雨水最佳管理措施设计手册，澳大利亚西澳州制定的雨水管理手册等等。由于国内研究起步较晚，相关文献大多是对其应用效果的试验监测和过程模拟，缺乏具有指导意义的理论研究和使用技术总结。北京市地方标准《雨水控制与利用工程设计规范》（DB 11/685—2013）虽然提出了生物滞留措施排水层的一般要求，但没有给出详细的设计方法。因此，笔者通过对国外生物滞留措施排水设计的调研，对比北京市地方标准要求，并结合国内排水系统的应用形式，提出了国内生物滞留系统的排水设计方法，以期为北京及国内其他城市生物滞留系统的排水设计提供参考。

1 排水系统设计

1.1 排水系统设置条件

生物滞留措施是否需要设置排水系统，取决于设施周围土壤和设施本身的入渗性能。若周围土壤入渗性能较好，则雨水径流可直接下渗，补给地下水；若周围土壤渗透性较差，则建议设置底部排水系统。设施本身也应具有一定的入渗性能，若入渗性能较差，也建议设置底部排水系统，当底部防渗时，必须设排水系统。美国Prince George’s County按照控制年90%降雨(场次)产生径流的标准确定雨水控制利用设施的设计降雨量，其对应值为1英寸（2.54 cm），因此将以生物滞留系统为代表的雨水入渗措施的最小入渗速率定为1英寸/h（约为7.1×10^-6 m/s），低于此速率时推荐安装排水管。威斯康星大学则对入渗速率在壤土（入渗速率约为1.7×10^-6 m/s）以下的填料介质，推荐采用排水管。

北京城市道路绿地土壤表层40~60 cm大多数为垫土，主要是粗砂和壤土或粘土搅拌的混合土，平均入渗速率为6.6×10^-5 m/s。建议根据生物滞留系统应用场合确定是否需要设置排水系统，如布置于市政道路两侧，则推荐采用底部排水系统，以缓解北京市汛期道路积水严重的情况，若布置于公园、小区等交通流量较小的区域，则可不设置排水系统，使更多的雨水下渗，发挥雨水回补的效用。

1.2 排水系统材料

排水管宜使用厚壁管，在美国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。不同设计导则对管材的要求各有不同，如北卡罗莱纳州提出滑壁塑料管的效果好于非滑壁波纹管，其排水速率更大，且不易滋生蚊虫；USEPA提出开缝HDPE管的效果好于开孔PVC管，避免了径流中大颗粒物质进入排水系统。由于PVC管价格低、配件齐全、易于加工，国内的实际工程中应用较多，因此，生物滞留措施设计中推荐使用PVC管，与北京市地方标准的要求相同。

1.3 排水管设计

1.3.1 排水管尺寸

排水管单管直径一般为4~6英寸（10.16~15.24 cm），若所需排水管尺寸超过该范围，则增加排水管数量。即使1根排水管足够，为保证安全，在空间允许条件下，一般建议至少设置2根排水管，管间距通常为4.5~6 m，管坡度至少为0.5%。

排水管开孔/缝尺寸应小于周围集料粒径，防止集料进入排水管，其他没有严格限制，只要满足排水需求即可；开孔/缝位置取决于系统设计，位于管底时可以取得较大的排水能力，位于管顶时则在开放空间下部形成一定的滞蓄容积，滞蓄能力增强，且出水水质提高。开孔条件下，美国市场上目前销售的PVC管开孔尺寸为0.5英寸（1.27 cm）或0.25英寸（0.635 cm），孔心距为6英寸（15.24 cm），开孔2~3排。开缝条件下，科罗拉多州对常用的4英寸（10.16 cm）和6英寸（15.24 cm）直径排水管推荐了开缝尺寸：对于4英寸（10.16 cm）排水管，开缝长度为0.0625~1英寸（0.16~2.54 cm），最大开缝宽度为0.032英寸（0.0813 cm），缝间距为0.413 英寸（1.05 cm），开缝面积为1.9平方英寸/英尺（0.40 cm²/cm）；对于6英寸（15.24 cm）排水管，开缝长度为0.375~1英寸（0.95~2.54 cm），最大开缝宽度为0.032英寸（0.0813 cm），缝间距为0.516 英寸（1.31 cm），开缝面积为1.98平方英寸/英尺（0.42 cm²/cm）。北京市地方标准虽然提出可在排水层底部埋置直径为100 mm的穿孔PVC管，但对具体开孔没有要求。

1.3.2 排水管布置

排水管一般布置于由碎石或砾石组成的级配良好的排水层中，以收集上层土壤层的排水。排水层与土壤层过渡部分应合理设计集料粒径，以防上层细颗粒被冲入下层，为保证安全，也可使用土工布将土壤层与排水层分隔。排水层集料粒径一般为2~5 mm，厚度要求各有不同，但至少能将排水管完全包裹，如澳大利亚西澳州、美国科罗拉多州和缅因州分别使用了6英寸（15.24 cm）、6英寸（15.24 cm）和12~14英寸（30.48~35.56 cm），北京市地方标准提出了200~300 mm，基本与国外要求一致。

排水管应位于排水层中部，管上、下留有一定的安全距离，尤其是开缝/孔的下部，应垫有一定厚度的集料，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在开缝/孔下部至少留有2~3英寸（5.08~7.62 cm），缅因州提出管上、下至少留有4英寸（10.16 cm），西雅图市则提出管上至少留1英尺（30.48 cm）、管下至少留6英寸（15.24 cm）、侧面至少留1英尺（30.48 cm），北京市地方标准也提出了排水管底部可设置不小于300 mm的砾石调蓄层。

国外对排水层集料级配均制定了标准，方便推广应用，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号集料和6英寸（15.24 cm）厚的57号集料，西雅图市使用集料为该市26号矿物集料，国内则缺乏相应标准。

1.3.3 排水能力计算

排水管设计排水能力根据土壤层底部的最大入渗流量确定，如式（1）所示，可通过达西定律计算。

式中：Q_max为土壤层最大入渗流量，m³/s；k为土壤层水力传导速率，m/s；W_base为入渗区域宽度，m；L为生物滞留设施长度，m；h_max为表层积水深度，m；d为土壤层总深度，m。

排水设施尺寸的确定是一个迭代过程，以开孔管为例，首先根据集料粒径尺寸确定开孔尺寸，并设定开孔数量，得出总开孔面积，其次采用锐缘孔口公式计算孔口入流流量Q_perf，如式（2）所示。Q_perf应大于Q_max，如Q_perf＜Q_max，则改变开孔数量或开孔尺寸，重新计算Q_perf，直至满足要求。

式中：B为孔口阻塞系数，表征孔口被介质阻塞的情况；C为孔口流量系数，一般取0.62；A为开孔面积，m²；g为重力加速度，取9.81 m/s²；h为管上最大水头，即过滤层总深度与积水深度的和，m。

穿孔管中流量Q_pipe用Colebrook-White公式描述，如式（3）所示。Q_pipe应大于Q_max，如Q_pipe＜Q_max，则改变管径重新计算Q_pipe，直至满足要求。

式中：D为管径，m；A为管的截面积，m²；k为管道内壁粗糙度；v为运动粘滞系数，m²/s；S₁为管的坡度，m/m。

超过最大积水深度的径流出现溢流，应合理设计溢流设施，保证设计径流量条件下不发生漫溢。设计时需考虑自由出流和淹没出流：自由出流条件下，首先用宽顶堰公式计算堰宽，见式（4），然后将堰宽作为矩形堰周长，估计矩形堰尺寸；淹没出流条件下，首先用孔口公式计算开孔面积，见式（5），然后用开孔面积作为矩形堰面积，估计矩形堰尺寸，取两种条件计算结果的较大值作为设计值。

式中：Q_wflow为堰溢流量，m³/s；B为阻塞系数；m为堰流量系数，一般可取0.385；b为堰宽，m；h为堰上水头，m。

式中：Q_oflow为孔口溢流量，m³/s；C为孔口流量系数；A为开孔面积，m²。

2 排水系统设计案例

以四车道城市道路为例，设计将道路路牙开孔，使道路径流进入道路绿化带，并将绿化带改造为生物滞留系统，超过系统处理能力的雨水溢流后排入原道路雨水口。单条机动车道宽度取3.75 m，道路雨水口间距取25 m，则生物滞留系统汇水面积为375 m²。系统垂向结构：超高为100 mm、蓄水层为150 mm、砂壤土层为500 mm、排水层为200 mm，设计标准为5年一遇2 h降雨，用穿孔PVC管作为设施排水系统，布置于排水层中。

系统最大入渗流量Q_max根据式（1）计算，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，则计算得到Q_max为0.001 m³/s。

若采用内径为100 mm的PVC管，开孔孔径取12 mm（约0.5英寸），孔心距取150 mm（约6英寸），环周均匀开孔3排，则开孔数为498个，开孔面积A为0.056 m²。取孔口阻塞系数B为0.5，即一半的孔口被阻塞，则实际开孔面积为0.028 m²。根据式（2）计算孔口入流流量Q_perf，其中管上水头h为最大积水深度、土壤层深度、排水管半径的和。根据式（3）计算管道最大排水能力Q_pipe，其中内壁粗糙度k取0.007，运动粘滞系数v取20℃条件下的1.01×10^-6 m²/s，排水管坡度为0.5%。则计算得到Q_perf为0.032 m³/s，Q_pipe为0.0027 m³/s。可以看出，Q_perf＞Q_max，Q_pipe＞Q_max，因此，孔口和管道排水能力均满足最大入渗流量。

采用推理公式计算得到5年一遇2h设计降雨条件下生物滞留系统设计流量为0.0035 m³/s。超过100 mm最大积水深度的径流通过溢流设施排除，溢流设施的最大水头等于最大允许高度(0.1 m)。首先用式（4）计算自由排水条件下的堰宽b，其中Q_wflow为0.0035 m³/s、B为0.5、m为0.385、h为0.1 m，则计算得到堰宽为0.13 m；然后用式（5）计算淹没排水条件下的孔口面积A，其中Q_oflow为0.0035 m³/s、B为0.5、C为0.62、h为0.1 m，则计算得到孔口面积为0.008 m²。据此换算成矩形堰尺寸分别为32.5 mm×32.5 mm、90 mm×90 mm，取较大值为90mm×90mm。因此，淹没出流条件决定了溢流设施的设计尺寸至少为90 mm×90mm。

综上，本案例排水系统相关设计参数如下：管材为PVC管，管径为100 mm，开圆形孔，孔径为12 mm，孔心距为150 mm，环周均匀开孔3排，排水层厚度为200 mm，排水管位于排水层中部，管上、下各留50 mm，矩形溢流堰尺寸为90 mm×90 mm。

3 结论

① 为保证安全，国内生物滞留系统设计推荐采用底部排水系统。可选择内径为100、125、150 mm的穿孔PVC管作为排水管，管径及开孔方案根据排水能力试算确定，保证孔口入流流量及开孔管过流能力满足土壤层底部最大入渗流量要求，且开孔尺寸小于排水层集料粒径。

② 生物滞留系统溢流设施应保证在设计标准降雨下径流不发生漫溢，一般情况下淹没出流条件决定了溢流设施的设计尺寸。

③ 排水管布置于排水层中部，管上、下部留有一定的安全距离。排水层与土壤层过渡部分应合理设计集料粒径，防止上层细颗粒被冲入下层。

（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第9期“城市雨水管理”栏目）

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