生物滞留设施排空时间影响因素研究

　　摘要生物滞留设施是我国海绵城市建设中应用较为广泛的技术措施之一，在其设计和运行维护过程中，排空时间对雨水径流总量的控制效果、植物生长状况等具有重要影响，但目前尚缺乏排空时间影响因素的系统研究。通过实验室试验，研究了调蓄层高度、降雨间隔、淹没区高度及构造类型对排空时间的影响。结果表明：试验条件下，不同构造类型生物滞留设施调蓄层排空时间为10~140min，完全排空时间为6~47h。调蓄层排空时间随调蓄层高度和淹没高度的增加而增加，随降雨间隔的增加而降低，调蓄高度对调蓄层排空时间影响最大;完全排空时间随调蓄水深和降雨间隔的增加而增加，随淹没高度的增加而降低，降雨间隔对完全排空时间影响最大。研究结果可为海绵城市建设过程中生物滞留设施优化设计提供技术支撑。

　　关键词生物滞留;排空时间;设计参数;降雨间隔;模拟试验

　　近年来，随着海绵城市建设推广应用，生物滞留设施由于具有良好的水量削减和水质净化效果[1]，逐渐得到广泛应用，而排空时间对其雨水径流总量控制效果、景观效果、植物生长状况、蚊蝇滋生、设施运行状况等方面具有重要影响。针对上述问题，国内外已开展了部分研究，如梁小光等[2]分析了欧美国家有关生物滞留设施排空时间的规定及控制方式，提出了生物滞留设施底部穿孔排水管开孔面积计算方法。马越等[3]推导了湿陷性黄土地区典型生物滞留设施调蓄容积与排空时间的关系式，该公式仅适用于种植土层、砾石层孔隙水饱和状态。

　　杨庆华等[4]分析了低影响开发雨水调蓄设施蓄水深度与降雨量、硬化率以及渗透系数之间的相关性，推导了调蓄设施的调蓄容积理论计算公式。唐雪芹[5]通过生物滞留带产流延时、蓄水层蓄水时间等5个指标，评价了生物滞留带的蓄渗效果，提出了最优蓄渗效果的构造组合。在生物滞留设施工程应用中，常常由于排空时间选择不当，而导致蚊蝇滋生、植物受淹等问题，因此，合理选择生物滞留设施排空时间对于其设计和运行维护至关重要。目前我国GB51222—2017《城镇内涝防治技术规范》中规定下凹式绿地“排空时间宜为24~28h”[6]，对于生物滞留设施的设计尚未明确规定。国外对生物滞留设施排空时间的规定差异较大。

　　梁小光等[2]通过综合分析径流污染物控制所需下渗速率，推荐我国生物滞留设施排空时间上限值为24~28h，下限值不宜低于6~12h。综上可见，生物滞留设施设计参数对排空时间的量化影响还缺乏系统研究，此外，对于调蓄层排空时间的研究也尚未见报道。 生物滞留设施排空时间一般指设施蓄水量全部排出所需时间，本文根据生物滞留设施渗透过程及其对雨水径流控制效果、植物健康生长的影响，将排空时间分为调蓄层排空时间与完全排空时间。

　　调蓄层排空时间为生物滞留蓄水层最大蓄水体积排空所需时间，主要受设计调蓄水深和生物滞留设施整体渗透性能影响，是引起蚊蝇滋生、高温雨水径流抑制植物生长的重要影响因素;完全排空时间为生物滞留设施开始进水至排水管停止出流所需时间，主要受生物滞留设施渗透性能、设计滞蓄容积、生物滞留介质吸水率等参数影响，是影响植物耐淹性能的主要因素。通过实验室柱状模拟试验，系统研究了不同影响因素条件下，生物滞留设施调蓄层排空时间和完全排空时间的变化特征，以期为生物滞留设施的精细化设计、施工与维护管理提供依据。

　　1装置与方法

　　1.1材料与装置生物滞留结构类型对其水量水质控制效果具有重要影响，冉阳等[22]研究提出生物滞留池经结构优化、有效蓄水深度、入渗率和水力流动方向等方面改良后，可提升雨水入渗速率及对氮、磷污染物的去除效果。设计了包括传统型、无植物型、倒置型、混合型、覆盖层型不同类型的生物滞留模拟装置。

　　各装置尺寸均为

　　1.2试验方法

　　试验进水采用瞬时进水方式，进水量为设计调蓄高度最大蓄水量，出流流量记录间隔为1min，流速较大时采用量筒测量，当出流流速降低至1mL/s时，使用翻斗式雨量计(型号HOBORG3-M)测量。试验中通过安装在淹没出流管不同高度的阀门控制淹没区高度。

　　不同类型生物滞留设施介质层总高度均为80cm。测量渗透系数时，每10cm设置一个监测点，以传统型为例，渗透系数采用常水头法测量，不同类型生物滞留设施的种植层各深度渗透速率。传统型、无植物型、混合型、覆盖层型的1均较小，说明其表层渗透性能较差。与相关研究试验结果一致，谢瑶[23]研究发现生物滞留表层20cm由于堵塞等原因，渗透性能最差。因此，实际应用中为提高生物滞留蓄水的下渗速率，种植土表层0~20cm建议使用渗透系数较高的介质，林宏军等[24]研究发现通过将部分填料倒置于表层，倒置生物滞留的径流总量控制率、峰值削减率和污染物去除效果均优于传统生物滞留。

　　2结果与讨论

　　2.1调蓄高度对排空时间的影响

　　生物滞留设施调蓄层调蓄高度对其渗透过程具有重要影响，不同调蓄高度条件下，传统生物滞留设施2h出流过程线。不同试验工况的出流流速均为先增加后降低变化趋势，且随着调蓄高度的增加，出流的峰值流速增加，出流速率均在第10分钟左右达到峰值，调蓄高度为5、10、15、20cm时，出流峰值速率分别为0.04、0.14、0.24、0.31L/min。因此，适当增加生物滞留调蓄高度可以增加雨水径流的下渗速率。生物滞留设施调蓄高度可直接影响排空时间，传统型在不同调蓄高度条件下排空时间。

　　随着调蓄高度的增加，生物滞留设施调蓄层排空时间和完全排空时间均增加，调蓄高度由5cm增至20cm时，调蓄层排空时间由35min增加到100min，完全排空时间由25h增加到37h。同时，随着调蓄高度的增加，生物滞留设施开始出流时间提前，出流总量增加，调蓄高度由5cm增至20cm时，底部排水口开始出流时间由第55分钟提前至第26分钟，出流总量增加20.93L，水量削减率由39.6%降至19.5%。因此，通过增加调蓄高度可以增加生物滞留调蓄层和完全排空时间，但出流时间提前，水量削减率降低。

　　2.2结构类型对排空时间的影响

　　2.2.1结构类型对调蓄层排空时间的影响

　　不同类型生物滞留设施在试验条件下调蓄层排空时间。调蓄层排空时间为10~140min，各影响因素变化条件下调蓄层排空时间由低到高顺序均为倒置型<混合型<传统型<无植物型<覆盖层型，与各装置equ由高到低顺序基本相同，可见在相同试验条件下，渗透系数越高，调蓄层排空时间越快。

　　调蓄高度由10cm增至20cm时，倒置型的调蓄层排空时间由20min增至90min，增长幅度超过其他4种类型，原因为倒置结构使用渗透系数较高的填料倒置在种植土层上，在增加表层渗透系数的同时可充分发挥填料层空隙的滞蓄作用，相当于增加了调蓄层的容积。蓄水较少时由于填料渗透系数较大，下渗速度快，当蓄水深度超过填料层厚度时，下渗速度减慢，调蓄层排空时间变长。可见调蓄层排空时间主要由生物滞留表层渗透系数决定。

　　不同类型生物滞留设施的调蓄层排空时间均随调蓄高度的增加而增加，变化范围为15~140min，随降雨间隔时间的增加而降低，变化范围为20~100min;随淹没高度的增加，调蓄层排空时间整体呈增加趋势，变化范围为10~80min，但在淹没高度由10cm增至20cm时，不同类型生物滞留的调蓄层排空时间变化不一致，覆盖层型和倒置型分别缩短3和5min，传统型不变，无植物和倒置型均增加5min，说明淹没高度对其调蓄层排空时间影响较低。对3种影响因素与调蓄层排空时间进行SPSS相关性分析，结果显著性水平均小于0.05，说明3种影响因素均与调蓄层排空时间显著相关，其相关系数绝对值由高到低排序与时间变化范围由大到小排序一致，因此，调蓄层排空时间的影响大小为调蓄高度>降雨间隔>淹没高度。

　　3结论

　　(1)随着调蓄高度的增加，生物滞留设施调蓄层排空时间和完全排空时间均增加;随着内部淹没高度的增加，生物滞留设施调蓄层排空时间增加，完全排空时间减少;随着降雨间隔时间的增加，生物滞留设施调蓄层排空时间减少，有植物生物滞留设施完全排空时间增加，无植物生物滞留设施完全排空时间减少。

　　(2)调蓄高度、淹没高度、降雨间隔3种影响因素与生物滞留设施调蓄层排空时间、完全排空时间均显著相关，且对调蓄层排空时间的影响程度由高到低为：调蓄高度>降雨间隔>淹没高度;对完全排空时间的影响程度由高到低为：降雨间隔>调蓄高度>淹没高度。

　　水利论文投稿刊物：《给水排水》(月刊)曾用刊名：(建筑技术通讯)创刊于1964年，是中国建筑科学类中文核心期刊，中国科技论文统计源期刊。设有城市给排水，工业给排水，建筑给排水，施工、材料与设备，策略研讨，科技信息综述，标准规范交流园地，计算机技术，研究生论文摘要，信息市场等栏目。

　　(3)不同结构的生物滞留设施渗透和贮水能力不同，排空时间差异较大，调蓄层排空时间范围为10~140min，完全排空时间范围为6~47h。在实际工程应用中，应根据当地降雨特征和设计目标要求，合理确定调蓄层排空时间和完全排空时间，并应注意二者的区别。

　　参考文献：

　　[1]北京市规划和自然资源委员会.海绵城市建设设计标准:DB11/T1743—2020[S].北京:中国标准出版社,2020.

　　[2]梁小光,魏忠庆,上官海东,等.海绵城市建设中生物滞留设施排空时间研究[J].给水排水,2018,54(11):26-30.LIANGXG,WEIZQ,SHANGGUANHD,etal.Researchontheemptyingtimeofbiologicaldetentionfacilityinspongecityconstruction[J].Water&WastewaterEngineering,2018,54(11):26-30.

　　[3]马越,胡志平,姬国强,等.湿陷性黄土地区海绵城市建设雨水渗蓄风险防控若干问题探讨[J].给水排水,2020,56(9):70-77.MAY,HUZP,JIGQ,etal.Discussiononriskcontrolofstormwaterinfiltrationanddetentionforspongecityconstructionincollapsibleloessarea[J].Water&WastewaterEngineering,2020,56(9):70-77.

　　[4]杨庆华,杨乾,唐雪芹.基于低影响开发策略的雨水调蓄容积取值计算[C]//《环境工程》2018年全国学术年会论文集(下册)北京:《环境工程》编辑部,2018:264-268.

　　作者：李凯1，王建龙1,2*，林宏军3，王泽熙1，彭柳苇1，张长鹤1