海绵城市生物滞留设施核心参数设计的思考
来源：给水排水
作者：梁小光等
导语：
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?
1 研究背景
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、覆盖层、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，其取值会影响到设施用地面积、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得超过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，和种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，但为了实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带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，却很少对如何防止生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时间，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)：
Af=V/[fmt+dbcnr+dp(1-nz)](1)
式中 Af——生物滞留设施表面积，m²;
V——调蓄容积，m³，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——种植层和砾石层平均孔隙率;
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，根据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，三是种植层和砾石层蓄水量。一般来讲，表面蓄水层蓄水量不宜小于生物滞留设施总蓄水量的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%。
美国常用的生物滞留设施表面积计算公式为：
Af=Vds/[ks(ds+df)tf](2)
式中 V——水质控制容积WQv，m³，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——生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/2，mm;
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)的要求。
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，砾石层中可不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数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改良，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《雨水设计手册》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，例如：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)，且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)：
ke=(dp+ds+dg)/(ds/ks+dg/kg)(3)
式中 ke——等效渗透系数，mm/h;
dg——砾石层厚度，mm;
kg——砾石层渗透系数，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。当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：
ke=kf(dp+ds)/ds(4)
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。
4 排空时间的规定
排空时间的上限值常与蚊蝇控制和植物耐淹程度有关，而下限值则与径流控制有关。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好的乡土植物。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渗速率取值。
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，则对应的排空时间为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”，在生物滞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。
5 排空时间的控制
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维护都是一种挑战。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。
美国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，将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时，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。在上述运行模式下，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成制约时，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。种植层和砾石层中的水头损失计算公式分别为：
hs=kdds/ks(5)
hg=kddg/kg(6)
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面积计算见式(7)：
a=V/[tfCdg(df+ds+dg-hs-hg)](7)
式中 a——开孔面积，m²;
Cd——孔口流量系数;
g——重力加速度，m/s²。
式(7)基于种植层和砾石层处于完全饱和状态下推导而得，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比较合理。从排空时间的控制上讲，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。随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，应进行设施维护。
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不同，因此式(7)的正确性还有待实践检验。
6 案例计算
某生物滞留设施服务面积1 000 m²，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，表面蓄水层厚度为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的影响)，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：
(1)调蓄容积或水质控制容积V=1 000 m²×25 mm×0.8=20 m³。
(2)假定降雨历时为2 h，不考虑植物茎秆所占空间，根据式(1)计算的表面积Af=20 m³/(25 mm/h×2 h+500 mm×25%+250 mm×40%+200 mm)≈42 m²。
(3)根据式(2)计算的生物滞留设施表面积Af=(20 m³×500 mm)/[25 mm/h×(200 mm/2+500 mm)×24 h]≈28 m²。
(4)选取(2)和(3)计算结果的大值42 m²作为生物滞留设施表面积，此时表面蓄水层蓄水量为42 m²×200 mm=8.4 m³，占调蓄容积的42%。将生物滞留设施表面积适当放大到50 m²，此时表面层蓄水量为50 m²×200 mm=10 m³，占调蓄容积的50%。
(5)外排能力kd=200 mm/12 h=16.7 mm/h，则种植层水头损失hs=16.7 mm/h×500 mm/25 mm/h=333.3 mm，砾石层水头损失hg=16.7 mm/h×250 mm/250 mm/h=16.7 mm。
(6)穿孔排水管开孔处可用水头为200 mm/2+500 mm+250 mm-333.3 mm-16.7 mm=500 mm=0.5 m。
(7)假定孔口流量系数Cd为0.6，则穿孔排水管需要的开孔面积a=10 m³/[(12 h×3 600 s)×0.6×9.81 m/s²×0.5 m]=1.74 cm²。
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计渗透系数为5 mm/h，则等效渗透系数为ke=8.5 mm/h
7 结论和建议
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中得到广泛使用。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参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，得出主要结论和建议如下：
(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和及时排空的需要，生物滞留设施表面层蓄水量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(设计渗透系数宜为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。
