给水排水 |雨水生物滞留设施应用研究

生物滞留设施能够削减高频次中小降雨带来的径流污染与合流制溢流，维系城市生态本底的水文特征。我国推进海绵城市建设以来，生物滞留设施得到大量应用，但由于没有形成标准，产业化水平不高，建设质量和成效不佳。为规范生物滞留设施的建设和管理，中国城镇供水排水协会组织编制了《雨水生物滞留设施技术规程》（T/CUWA 40052-2022），本文从设计方法、验收维护等方面，对技术规程的核心内容进行了总结，以便于更好的理解和使用该规程。

一、分类与典型构造

生物滞留设施根据底部防渗层与排水层的设置情况，可分为防渗型、部分入渗型和全入渗型3种类型，典型构造做法如表1所示，部分入渗型生物滞留设施典型构造如图1所示。按照应用场所与设计形态的不同还可分为生物滞留带（池）、雨水花园、高位花坛（或种植池）、生态树池，称谓不同，构造均可参照上述3种类型进行设计。

表1 生物滞留设施典型构造

 

 

图1 部分入渗型生物滞留设施典型构造

需明确的是，生物滞留设施与传统下凹（沉）式绿地不同，后者指低于汇水面且下凹深度在100mm以内的绿地，较大比例的下凹式绿地受场地竖向影响，难以提供有效的蓄水空间，实际上，它的功能与缓冲带更为接近。

需指出的是，美国环保局（EPA）开发的SWMM模型中，生物滞留池（Bio-retention Cell）与雨水花园（Rain Garden）为构造不同的两种设施，前者较后者多了排水层。具体应用中，为强化水质或水量控制效果，生物滞留设施做法灵活多样，如土壤介质层可设置为多层介质结构，全入渗型、部分入渗型生物滞留设施可分别在土壤介质层、排水管下部设置碎石或卵石调蓄层等。

生物滞留设施适用条件如表2所示。其中，防渗型生物滞留设施的选用主要考虑水质风险与结构安全风险，特别指出，对于径流污染严重或存在特殊污染物的场所，如部分工业场地、加油站周边、市政道路等，防渗型生物滞留设施仍是径流污染控制的“最佳管理措施”之一，不应一刀切的将工业用地等纳入径流污染控制豁免清单，相反，从发达国家的做法看，越是径流污染严重的场地，越是要“重点对待”。

 

表2 生物滞留设施选型

 

 

部分入渗型和全入渗型生物滞留设施的选用主要考虑底部原有土层的渗透性能，原有土层的渗透性能较差时，为了提升对连续场次降雨的应对能力，需及时排空土壤介质中的重力水，以降低含水率、恢复入渗能力，故在底部设置排水层。参照美国EPA与新泽西州等部分州的做法，原有土层的实测稳定入渗率小于0.5 inch/h（约12.5mm/h），或小于设计排空时间（Td）对应的设计稳定入渗率（fm）时，应采用底部设置排水层的部分入渗型生物滞留设施。

二、基于排空时间的建设与管理方法

生物滞留设施是否需要换土，土壤介质渗透性能应满足什么要求是关系生物滞留设施推广应用的重要问题。不少设施建成后表层积水难以入渗，导致植物生长障碍、滋生蚊蝇，影响径流控制效能与市民接受度，究其原因为“设计排空时间（Td）”这一重要设计参数没有得到明确和落实。Td指蓄水层蓄满的径流雨水通过表层土壤全部入渗所需时间。事实上，生物滞留设施的全生命周期，包括设计阶段设施选型（见表2）、规模计算及土壤介质选择，施工阶段的材料进场检验与竣工验收，运行阶段判定设施是否需要维护，Td均是重要依据，如图2所示。

 

 

图2 设计排空时间（Td）在生物滞留设施全生命周期中的作用

 

具体讲，运行期内生物滞留设施表层土壤介质不断堵塞，入渗能力逐渐衰减，因此，设计层面上应按照保守设计的原则，确定可接受的（不利的）设计排空时间Td及对应的设计稳定入渗率fm，将其作为表面积计算的设计参数。而建设用土壤介质材料的稳定入渗率fm0应大于fm，即设施建成初期，初始排空时间Td0应小于Td，运行若干年后，当实际稳定入渗率fmc与fm相当、Tdc达到Td时，设施1个生命周期结束，需进行维护。综上，Td、fm既是考虑堵塞因素所采用的保守设计值，也是判定设施是否需要维护的标准，而fm0则是建设用土壤介质材料的选用标准。

参照美国、澳大利亚的经验，考虑环境卫生因素，兼顾水质处理效果，Td可取12~24h，人员活动较少的场所，可放宽至24~48h。举例说明，按此标准，取蓄水层深度按dp=200~300mm计算，fm0=（3~6）fm=12.5~150mm/h（3.5×10-6~4.2×10-5 m/s），Td0可达2~4 h。设施运行10年~15年后，Tdc达到Td。通过换填表层土壤介质，设施排空时间可恢复至Td0，自此，设施进入下一个生命周期。实践中，为延长径流雨水渗滤和沉淀时间，以延缓出流并提高水质处理效果，即便运行期内土壤介质的实际入渗能力衰减有一个过程，也可采用安装阀门或减小出口断面面积的方式，控制底部排水管出流量，使排空时间维持在Td。

三、系统化与精细化设计

生物滞留设施设计内容主要包括布置与选型、规模计算与效果校核。相比排放设施、调节设施、集蓄利用设施的设计，基于“体积法”的径流总量控制设施的规模设计方法并不复杂，但从项目整体看，设施与汇水面之间、各类设施之间的竖向、规模衔接设计，却是个系统、精细的工作，容易出现问题。

当多个生物滞留设施或生物滞留设施与其他设施共同承担汇水面径流体积控制量时，上下游径流组织路径、设施规模应衔接和匹配。以两个生物滞留设施为例，已知设计年径流总量控制率均为α，对应的设计降雨量为D，汇水面积分别为F1、F2，计算得到位于上游的生物滞留设施设计径流体积控制量为V1，受场地条件等因素限制实际控制量为V′（V′＜V1），超出部分（V1-V′）由下游设施承担，故下游设施设计径流体积控制量除来自自身汇水面的径流量V2外，还包括上游转输径流量（V1-V′），共计（V2+V1-V′）。通常，上游生物滞留设施为离线式，下游为在线式，径流组织路径与设施规模衔接关系如图3所示。

 

 

图3 径流组织路径与设施规模衔接

生物滞留设施设计标准为年径流总量控制率α，规模设计参数为设计降雨量D，进水口、溢流排水口设计标准为雨水管渠设计重现期Pmi。接纳场地中雨水管渠等主要排水通道的径流，易对设施结构造成冲蚀破坏时，应选用离线式生物滞留设施；对于在线式生物滞留设施，设置于场地的较低点，暴雨径流全部流入，应校核暴雨时的积水深度，若超过内涝积水标准，除设置排水管渠设计重现期对应的溢流排水口外，还应设置内涝防治设计重现期标准Pma对应的排水口，且溢流出水应与下游排水防涝设施衔接。

 

四、施工验收与检查维护

生物滞留设施施工与设计工作一样，需要精细化，体现在隐蔽工程施工、分层回填、边坡施工、进水口位置、各个构造之间的竖向关系等环节。此外，汇水面径流组织路径上的高程控制非常重要。验收环节，除对竖向、径流组织进行验收外，还应对表层滞蓄容积、表层土壤介质结构稳定性、底部排水管淤堵情况进行验收。需指出的是，无需设置“效果验收”，比如人工浇水试验、土壤介质入渗性能测试、实际降雨情境下的效果检验等较为复杂的验收工作，只要竖向、容积、材料等验收合格，符合设计要求，即可认为效果达标。

生物滞留设施的检查包括日常巡视和定期检查，日常巡视主要在中雨及以上级别降雨过程中及结束后进行，定期检查主要针对经一段时期的运行后才会逐渐暴露出的问题，如表层土壤介质堵塞带来的排空时间延长，过渡层或排水层材料颗粒级配不合格带来的土壤介质流失等。无论是日常巡视还是定期检查，在雨中、雨后观测设施的收水、蓄水、溢流运行情况即可完成，简单易行，若经检查达到维护标准，应随即开展相应的维护工作。

五、案例研究

以长春市某老旧小区改造项目为例，该项目占地2.34 hm?，设计保留原有合流制管网作为污水管，新建雨水管网，结合绿色基础设施管理场地径流雨水。场地北高南低，最低点在小区进口，根据场地下垫面构成、绿地可用空间等建设条件分析，结合竖向与雨水管网设计，明确地表径流组织路径，共布设11个生物滞留设施，划分10个排水分区，设施平面布局如图4所示。

 

 

图4 设施平面布局

 

由于均靠近道路设置，生物滞留设施均选用防渗型，断面构造如图1所示，取消过渡层，底部排水管无需采用土工布包裹，施工更加便捷，成本更低。土壤介质由建筑垃圾再生骨料与秸秆堆肥产物生产，经实验室检验，饱和稳定入渗率fm0=100mm/h。以排水分区⑧为例，地表径流组织、设施主要构造（建成后）如图5所示，效果校核如表3所示。各个设施与项目整体的年径流总量控制率核算如表4所示，满足项目设计年径流总量控制率75%的要求。

 

图5 径流组织路径与设施主要构造（以排水分区⑧为例）

 表3 生物滞留设施效果核算（以排水分区⑧为例）

 

 

表4 项目径流控制效果核算

 

注：a 两个生物滞留设施合并计算；b 根据汇水面综合径流系数估算。

六、结 论

随着海绵城市建设常态化、全域化推进，标准化、产业化成为高质量建设海绵城市的重要保障，也是目前亟待解决的问题。生物滞留设施具有广泛的适用性，应用场景和目标不同，可针对性的选用防渗型、部分入渗型、全入渗型3种构造类型的生物滞留设施，并可以灵活的进行构造优化，最大限度提高径流总量和径流污染控制效果。排空时间是设施选型、规模计算、土壤介质材料选择、维护标准判定的关键参数，贯穿生物滞留设施全生命周期，必须予以明确。土壤介质材料选择、构造设计必须考虑成本效益和后期维护，形成标准做法和产品。生物滞留设施的高质量实施，必须解决好与汇水面、其它源头减排设施、排水防涝设施之间的竖向和规模衔接。生物滞留设施的验收、检查和维护简单易行，宜开展资产化、建设运行一体化管理。

 

微信对原文有修改。原文标题：雨水生物滞留设施应用研究；作者：王文亮、徐明浩、李俊奇、孙宏亮；作者单位：北京建筑大学 城市雨水系统与水环境教育部重点实验室、长春市市政工程设计研究院有限责任公司。刊登在《给水排水》2023年第5期。