便攜式粉塵儀
生物滯留設(shè)施在海綿城市建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，但是在具體應(yīng)用過(guò)程中也暴露出一些問(wèn)題，一個(gè)重要的原因是排空時(shí)間作為生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)的核心參數(shù)在我國(guó)相關(guān)規(guī)范性文件中并沒(méi)有得到充分的重視。通過(guò)研究分析國(guó)外的生物滯留設(shè)施表面積計(jì)算方法、土壤滲透系數(shù)取值、排空時(shí)間規(guī)定及控制方式，看看我國(guó)以排空時(shí)間為核心的生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)方法體系應(yīng)該如何建立？
1 研究背景
生物滯留設(shè)施指在地勢(shì)較低的區(qū)域，通過(guò)植物、土壤和微生物系統(tǒng)蓄滲、凈化徑流雨水的設(shè)施，宜在土基上鋪設(shè)，自上而下宜設(shè)置蓄水層、覆蓋層、種植層、透水土工布和礫石層，如圖1所示。
微信圖片_20181123170713.jpg
在生物滯留設(shè)施的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，排空時(shí)間是一個(gè)重要的參數(shù)，其取值會(huì)影響到設(shè)施用地面積、植物健康成長(zhǎng)、設(shè)施運(yùn)行維護(hù)頻率、蚊蠅孳生和徑流控制效果等多個(gè)方面。在歐美國(guó)家的相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)中，普遍對(duì)生物滯留設(shè)施排空時(shí)間有明確規(guī)定，例如：美國(guó)賓夕法尼亞州和華盛頓規(guī)定排空時(shí)間不得超過(guò)72 h，紐約州、明尼蘇達(dá)州、密歇根州規(guī)定排空時(shí)間不得超過(guò)48 h，喬治亞洲、康涅狄格州規(guī)定排空時(shí)間不得超過(guò)24 h，北卡羅來(lái)納州規(guī)定排空時(shí)間不得超過(guò)12 h，艾奧瓦州推薦排空時(shí)間為4～12 h，緬因州規(guī)定排空時(shí)間不得超過(guò)48 h，且不得低于24 h，科羅拉多州丹佛市規(guī)定排空時(shí)間不得超過(guò)12 h，同時(shí)最小滲透系數(shù)應(yīng)為按12 h排空時(shí)間計(jì)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(shí)間不得超過(guò)48 h，英國(guó)生物滯留設(shè)施排空時(shí)間推薦值為24～48 h。排空時(shí)間通常被用來(lái)計(jì)算生物滯留設(shè)施的表面積，和種植層土壤滲透系數(shù)密切相關(guān)。
為了防止蚊蠅孳生，生物滯留設(shè)施應(yīng)具有及時(shí)排空蓄存雨水的能力，這意味著排空時(shí)間不宜過(guò)大，但為了實(shí)現(xiàn)一定的徑流控制效果（雨水凈化和緩釋），生物滯留設(shè)施排空時(shí)間又不宜過(guò)小，這兩種不同的要求對(duì)生物滯留設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)了一定的困難和挑戰(zhàn)。目前，主流的設(shè)計(jì)方法只要求種植層土壤的滲透系數(shù)不能低于某個(gè)規(guī)定值，以防蚊蠅孳生，卻很少對(duì)如何防止生物滯留設(shè)施排空速度過(guò)快給出可行的控制措施和控制方法。為實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中排空時(shí)間的可控，美國(guó)科羅拉多大學(xué)丹佛分校的郭純園教授提出在生物滯留設(shè)施底部穿孔排水管末端設(shè)置閥門（cap-orifice）來(lái)控制排空時(shí)間，該方法在丹佛市得到應(yīng)用。
現(xiàn)階段我國(guó)海綿城市建設(shè)中生物滯留設(shè)施建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)過(guò)程都比較粗放，個(gè)別項(xiàng)目甚至由于生物滯留設(shè)施長(zhǎng)時(shí)間積水而引起居民投訴。因此，明確規(guī)定生物滯留設(shè)施排空時(shí)間，并圍繞其建立切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方法體系，對(duì)促進(jìn)我國(guó)海綿城市建設(shè)事業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。
2 生物滯留設(shè)施表面積計(jì)算
根據(jù)《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51174—2017）4.3.6條規(guī)定，生物滯留設(shè)施表面積計(jì)算見式（1）：
Af=V/［fmt+dbcnr+dp(1-nz)］（1）
式中 Af——生物滯留設(shè)施表面積，m²；
V——調(diào)蓄容積，m³，可按年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的單位面積調(diào)蓄深度計(jì)算；
fm——土壤入滲率，mm/h；
dbc——生物滯留設(shè)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(shè)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(cè)應(yīng)為降雨歷時(shí)。可以看出，式（1）中生物滯留設(shè)施的表面積計(jì)算與排空時(shí)間無(wú)關(guān)，它將生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)調(diào)蓄容積分為3部分：一是降雨過(guò)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(lái)講，表面蓄水層蓄水量不宜小于生物滯留設(shè)施總蓄水量的50%。計(jì)算時(shí)，種植層平均孔隙率可取25%，礫石層平均孔隙率可取40%。
美國(guó)常用的生物滯留設(shè)施表面積計(jì)算公式為：
Af=Vds/［ks(ds+df)tf］（2）
式中 V——水質(zhì)控制容積WQv，m³，計(jì)算方法和式（1）中調(diào)蓄容積相同；
ks——種植層土壤滲透系數(shù)，mm/h；
ds——生物滯留設(shè)施種植層厚度，mm；
df——生物滯留設(shè)施表面層平均蓄水厚度，df=dp/2，mm；
tf——排空時(shí)間，h。
式（2）基于達(dá)西定律，并考慮了生物滯留設(shè)施在排空過(guò)程中表面蓄水層蓄水深度變化的影響，計(jì)算原理和式（1）有本質(zhì)不同。式（1）是從蓄水的角度計(jì)算所需的生物滯留設(shè)施表面積，式（2）是從排空的角度計(jì)算所需的生物滯留設(shè)施表面積，兩者相輔相成，并不矛盾。生物滯留設(shè)施的表面積應(yīng)同時(shí)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(shè)施設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)原生土壤滲透性較強(qiáng)時(shí)，礫石層中可不設(shè)置底部穿孔排水管，雨水全部滲入地下，當(dāng)原生土壤滲透系數(shù)小于12.7 mm/h時(shí)，礫石層中可能需要埋設(shè)底部穿孔排水管，也可根據(jù)土壤滲透系數(shù)大小設(shè)置部分滲透系統(tǒng)。在美國(guó)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(shè)施一般都需要對(duì)土壤進(jìn)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(jī)質(zhì)含量適中的特點(diǎn)。改良后的種植土初始滲透系數(shù)很高，但在使用過(guò)程中滲透系數(shù)會(huì)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(duì)生物滯留設(shè)施排空能力要求高的地區(qū)，滲透系數(shù)取值會(huì)更大，相應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)也將更加頻繁，例如：美國(guó)北卡羅來(lái)納州在新版《雨水設(shè)計(jì)手冊(cè)》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(jìn)行設(shè)施維護(hù)”。也有少數(shù)情況下，規(guī)定值為初始滲透系數(shù)，例如：英國(guó)《可持續(xù)排水系統(tǒng)手冊(cè)》中規(guī)定“種植層土壤滲透系數(shù)應(yīng)為100～300 mm/h”。
從圖1可以看出，生物滯留設(shè)施具有多層結(jié)構(gòu)（成層土結(jié)構(gòu)），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(shè)施內(nèi)部蓄水空間是否飽和有關(guān)。當(dāng)生物滯留設(shè)施中的種植層和礫石層孔隙內(nèi)充滿水流時(shí)，根據(jù)達(dá)西定律，可推導(dǎo)出其等效滲透系數(shù)計(jì)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(dāng)生物滯留設(shè)施為實(shí)現(xiàn)反硝化功能，通過(guò)抬高底部穿孔排水管的排放口標(biāo)高，在生物滯留設(shè)施底部建立內(nèi)部蓄水層（Internal Water Storage，IWS）時(shí)，可近似認(rèn)為生物滯留設(shè)施的種植層和礫石層處于飽和狀態(tài)，用式（3）計(jì)算其等效滲透系數(shù)，但可用水頭應(yīng)扣除穿孔排水管的抬升高度。當(dāng)采用閥門控制底部穿孔排水管排水能力時(shí)，為計(jì)算閥門開啟度，也可采用式（3）計(jì)算生物滯留設(shè)施等效滲透系數(shù)。
在一般的生物滯留設(shè)施中，由于礫石層滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于種植層，礫石層通常會(huì)存在自由水面，此時(shí)式（3）轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/DIV>
ke=kf(dp+ds)/ds（4）
由于在排空的過(guò)程中表面層蓄水深度不斷降低，因此計(jì)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(shí)間的規(guī)定
排空時(shí)間的上限值常與蚊蠅控制和植物耐淹程度有關(guān)，而下限值則與徑流控制有關(guān)。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(rèn)為，如果能將排空時(shí)間控制在72 h以內(nèi)，即可抑制蚊蠅的生長(zhǎng)。植物的耐淹性和植物種類密切相關(guān)，一般來(lái)講，應(yīng)根據(jù)排空時(shí)間選擇適宜的植物，生物滯留設(shè)施建設(shè)中通常應(yīng)該選擇耐淹性好的鄉(xiāng)土植物。生物滯留設(shè)施的雨水停留時(shí)間直接影響其對(duì)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(shè)施下滲速率取值。
微信圖片_20181123170717.jpg
從表1可知，綜合考慮各種污染物去除效果，生物滯留設(shè)施下滲速率宜為25～50 mm/h。如果生物滯留設(shè)施的蓄水層深度為30 cm，則對(duì)應(yīng)的排空時(shí)間為6～12 h，此時(shí)間應(yīng)作為生物滯留設(shè)施排空時(shí)間的下限值。
目前，我國(guó)僅在下凹式綠地的設(shè)計(jì)中規(guī)定“綠地排空時(shí)間宜為24～48 h”，在生物滯留設(shè)施的設(shè)計(jì)中尚未有明確規(guī)定。結(jié)合以上分析，同時(shí)考慮和下凹式綠地排空時(shí)間的銜接，推薦我國(guó)生物滯留設(shè)施排空時(shí)間上限值為24～48 h，下限值不宜低于6～12 h，具體取值應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)和運(yùn)行維護(hù)水平而定。
5 排空時(shí)間的控制
在生物滯留設(shè)施的生命周期內(nèi)，如何控制其排空時(shí)間對(duì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)都是一種挑戰(zhàn)。種植層的土壤在設(shè)施投入運(yùn)行后，可以因?yàn)槎氯斐蓾B透系數(shù)減小，也可以因?yàn)橹参锔凳柰ㄍ寥蓝沟脻B透系數(shù)增大。因此，設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中很難直接通過(guò)控制土壤的滲透系數(shù)來(lái)控制排空時(shí)間，而應(yīng)通過(guò)底部穿孔排水管的精心設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
美國(guó)科羅拉多州丹佛市采用閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物滯留設(shè)施排空時(shí)間的控制。在設(shè)施運(yùn)行初期，土壤滲透系數(shù)可以高達(dá)250 mm/h，通過(guò)減小閥門開啟度，將生物滯留設(shè)施外排能力控制在50 mm/h（對(duì)于300 mm的表面蓄水層厚度，排空時(shí)間為6 h），此時(shí)礫石層處于飽和狀態(tài)。當(dāng)土壤滲透系數(shù)因堵塞減小到低于50 mm/h時(shí)，逐漸加大閥門開啟度。當(dāng)土壤滲透系數(shù)因堵塞減小到25 mm/h時(shí)（對(duì)于300 mm的表面蓄水層厚度，排空時(shí)間為12 h），應(yīng)進(jìn)行設(shè)施維護(hù)。在上述運(yùn)行模式下，排空時(shí)間的上限為12 h，下限為6 h，滿足丹佛市對(duì)排空時(shí)間的控制要求。底部穿孔管末端閥門開啟度的計(jì)算方法可參考郭純園的研究成果。
底部穿孔排水管末端設(shè)置閥門的優(yōu)點(diǎn)在于其可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)排空時(shí)間的精確調(diào)控，缺點(diǎn)在于設(shè)計(jì)和運(yùn)行較為復(fù)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(shè)置，減少系統(tǒng)的復(fù)雜性，但也會(huì)喪失運(yùn)行過(guò)程中對(duì)排空時(shí)間的主動(dòng)控制能力。
根據(jù)達(dá)西定律，當(dāng)土壤滲透系數(shù)不變時(shí)，水流在土壤中的水頭損失和下滲速度成正比。當(dāng)?shù)撞看┛着潘懿粚?duì)生物滯留設(shè)施外排能力構(gòu)成制約時(shí)，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(shí)的下滲速度可用式（3）計(jì)算。當(dāng)?shù)撞看┛着潘軐?duì)生物滯留設(shè)施外排能力構(gòu)成制約時(shí)，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(jì)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(shè)施外排能力，mm/h。
底部穿孔排水管開孔面積計(jì)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(dǎo)而得，計(jì)算思路參考了文獻(xiàn)計(jì)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(shí)間的控制上講，tf應(yīng)為規(guī)定排空時(shí)間的下限值。在設(shè)施運(yùn)行之初，土壤的滲透能力大于孔口出流能力，此時(shí)實(shí)際排空時(shí)間為規(guī)定的下限值。隨著土壤滲透能力的降低，設(shè)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(dāng)實(shí)際排空時(shí)間超過(guò)規(guī)定的上限值時(shí)，應(yīng)進(jìn)行設(shè)施維護(hù)。
由于真實(shí)的下滲過(guò)程和達(dá)西公式的假設(shè)不完全吻合，計(jì)算所得的底部穿孔管開孔面積在真實(shí)的環(huán)境下排水能力可能和設(shè)計(jì)下滲速度不同，因此式（7）的正確性還有待實(shí)踐檢驗(yàn)。
6 案例計(jì)算
某生物滯留設(shè)施服務(wù)面積1 000 m²，雨量徑流系數(shù)為0.8，年徑流總量控制率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)滲透系數(shù)為25 mm/h，礫石層厚度為250 mm（假設(shè)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(shè)計(jì)滲透系數(shù)為250 mm/h，平均孔隙率為40%，排空時(shí)間不得超過(guò)24 h，且不得低于12 h。主要計(jì)算內(nèi)容如下：
（1）調(diào)蓄容積或水質(zhì)控制容積V=1 000 m²×25 mm×0.8=20 m³。
（2）假定降雨歷時(shí)為2 h，不考慮植物莖稈所占空間，根據(jù)式（1）計(jì)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(jì)算的生物滯留設(shè)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(jì)算結(jié)果的大值42 m²作為生物滯留設(shè)施表面積，此時(shí)表面蓄水層蓄水量為42 m²×200 mm=8.4 m³，占調(diào)蓄容積的42%。將生物滯留設(shè)施表面積適當(dāng)放大到50 m²，此時(shí)表面層蓄水量為50 m²×200 mm=10 m³，占調(diào)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(jì)算過(guò)程中需確保生物滯留設(shè)施的外排能力瓶頸是底部穿孔排水管。假設(shè)案例中的種植層設(shè)計(jì)滲透系數(shù)為5 mm/h，則等效滲透系數(shù)為ke=8.5 mm/h<kd=16.7 mm/h，此時(shí)制約生物滯留設(shè)施外排能力的瓶頸主要是種植層的設(shè)計(jì)滲透系數(shù)。這也意味著，欲實(shí)現(xiàn)利用底部穿孔排水管控制排空時(shí)間的目的，種植層土壤要具有良好的透水性能。
7 結(jié)論和建議
生物滯留設(shè)施作為低影響開發(fā)中的重要技術(shù)，在我國(guó)海綿城市建設(shè)中得到廣泛使用。從各地使用情況看來(lái)，普遍存在一些問(wèn)題和不足。其中，如何在生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中合理使用排空時(shí)間參數(shù)就是一個(gè)重要問(wèn)題。通過(guò)系統(tǒng)分析歐美國(guó)家生物滯留設(shè)施排空時(shí)間的有關(guān)規(guī)定和設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合理論推導(dǎo)和案例計(jì)算，得出主要結(jié)論和建議如下：
（1）盡快建立以排空時(shí)間為核心的生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)方法體系。
（2）生物滯留設(shè)施表面積應(yīng)同時(shí)滿足調(diào)蓄容積的空間分配和及時(shí)排空的需要，生物滯留設(shè)施表面層蓄水量不宜小于調(diào)蓄容積的50%。
（3）生物滯留設(shè)施的種植層應(yīng)滿足一定的滲透系數(shù)要求（設(shè)計(jì)滲透系數(shù)宜為12.5～25 mm/h），以實(shí)現(xiàn)排空時(shí)間的可控，防止由于長(zhǎng)期積水造成負(fù)面影響。
（4）生物滯留設(shè)施的排空時(shí)間宜同時(shí)具有上限和下限，保證生物滯留設(shè)施多種不同目標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，推薦我國(guó)生物滯留設(shè)施排空時(shí)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(jì)算公式基于達(dá)西定律的假設(shè)條件推導(dǎo)而得，其正確性還有待實(shí)踐檢驗(yàn)。
本文由中冶卓元網(wǎng)絡(luò)部編輯。
關(guān)于中冶卓元
我公司主要經(jīng)營(yíng)粉塵濃度檢測(cè)儀,粉塵含量檢測(cè)儀,固體含量檢測(cè)儀,液霧含量檢測(cè)儀,防堵壓力變送器,煙塵濃度測(cè)量?jī)x,流量計(jì)/變量?jī)x等設(shè)備;服務(wù)網(wǎng)址：m.taoqiball.com
中冶卓元 真誠(chéng)為您服務(wù)! 
