生物滯留措施排水系統設計方法研究 孟瑩瑩1,2,3，殷瑞雪2,3，張書函2,3，陳建剛2,3，王會肖1 (1.北京師范大學水科學研究院，北京100875；2.北京市水科學技術研究院，北京100048；

生物滯留措施排水系統設計方法研究

孟瑩瑩^1,2,3，殷瑞雪^2,3，張書函^2,3，陳建剛^2,3，王會肖¹

(1.北京師范大學水科學研究院，北京100875；2.北京市水科學技術研究院，北京100048；3.北京市非常規水資源開發利用與節水工程技術研究中心，北京 100048)

摘 要：為有效設計生物滯留措施排水系統，通過對國外生物滯留措施設計手冊的調研，結合國內排水系統的應用形式，對排水系統設置條件、材料、規格、布置形式、水量計算等分別進行了分析，討論了各項排水設計參數的取值方法，以期為北京及國內其他城市生物滯留系統的排水設計提供參考。主要提出如下建議：排水管的適宜管材為PVC管，適宜管徑為100~150 mm，管徑及開孔尺寸需保證排水層集料無法進入，以及滿足土壤層最大入滲流量的要求。

生物滯留系統是一種有效的低影響開發雨洪管理措施（LID），它通過在低洼地短暫蓄水，利用植物、填料、微生物間的物理、化學、生物作用滯蓄和凈化雨水，近年來逐漸成為研究和應用的熱點。排水系統位于填料層以下，目前對其研究主要集中在污染物去除效果方面，排水系統能力與生物滯留設施整體排水效果密切相關，但目前少見對其設計和計算的報道。

相比較而言，國外較為重視對生物滯留措施科學、系統的設計方法的總結，以便于成套技術的推廣和規模化應用，如其誕生地美國馬里蘭州Prince George’s County制定的生物滯留設計手冊，科羅拉多州、緬因州制定的雨水最佳管理措施設計手冊，澳大利亞西澳州制定的雨水管理手冊等等。由于國內研究起步較晚，相關文獻大多是對其應用效果的試驗監測和過程模擬，缺乏具有指導意義的理論研究和使用技術總結。北京市地方標準《雨水控制與利用工程設計規范》（DB 11/685—2013）雖然提出了生物滯留措施排水層的一般要求，但沒有給出詳細的設計方法。因此，筆者通過對國外生物滯留措施排水設計的調研，對比北京市地方標準要求，并結合國內排水系統的應用形式，提出了國內生物滯留系統的排水設計方法，以期為北京及國內其他城市生物滯留系統的排水設計提供參考。

1 排水系統設計

1.1 排水系統設置條件

生物滯留措施是否需要設置排水系統，取決于設施周圍土壤和設施本身的入滲性能。若周圍土壤入滲性能較好，則雨水徑流可直接下滲，補給地下水；若周圍土壤滲透性較差，則建議設置底部排水系統。設施本身也應具有一定的入滲性能，若入滲性能較差，也建議設置底部排水系統，當底部防滲時，必須設排水系統。美國Prince George’s County按照控制年90%降雨(場次)產生徑流的標準確定雨水控制利用設施的設計降雨量，其對應值為1英寸（2.54 cm），因此將以生物滯留系統為代表的雨水入滲措施的最小入滲速率定為1英寸/h（約為7.1×10^-6 m/s），低于此速率時推薦安裝排水管。威斯康星大學則對入滲速率在壤土（入滲速率約為1.7×10^-6 m/s）以下的填料介質，推薦采用排水管。

北京城市道路綠地土壤表層40~60 cm大多數為墊土，主要是粗砂和壤土或粘土攪拌的混合土，平均入滲速率為6.6×10^-5 m/s。建議根據生物滯留系統應用場合確定是否需要設置排水系統，如布置于市政道路兩側，則推薦采用底部排水系統，以緩解北京市汛期道路積水嚴重的情況，若布置于公園、小區等交通流量較小的區域，則可不設置排水系統，使更多的雨水下滲，發揮雨水回補的效用。

1.2 排水系統材料

排水管宜使用厚壁管，在美國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。不同設計導則對管材的要求各有不同，如北卡羅萊納州提出滑壁塑料管的效果好于非滑壁波紋管，其排水速率更大，且不易滋生蚊蟲；USEPA提出開縫HDPE管的效果好于開孔PVC管，避免了徑流中大顆粒物質進入排水系統。由于PVC管價格低、配件齊全、易于加工，國內的實際工程中應用較多，因此，生物滯留措施設計中推薦使用PVC管，與北京市地方標準的要求相同。

1.3 排水管設計

1.3.1 排水管尺寸

排水管單管直徑一般為4~6英寸（10.16~15.24 cm），若所需排水管尺寸超過該范圍，則增加排水管數量。即使1根排水管足夠，為保證安全，在空間允許條件下，一般建議至少設置2根排水管，管間距通常為4.5~6 m，管坡度至少為0.5%。

排水管開孔/縫尺寸應小于周圍集料粒徑，防止集料進入排水管，其他沒有嚴格限制，只要滿足排水需求即可；開孔/縫位置取決于系統設計，位于管底時可以取得較大的排水能力，位于管頂時則在開放空間下部形成一定的滯蓄容積，滯蓄能力增強，且出水水質提高。開孔條件下，美國市場上目前銷售的PVC管開孔尺寸為0.5英寸（1.27 cm）或0.25英寸（0.635 cm），孔心距為6英寸（15.24 cm），開孔2~3排。開縫條件下，科羅拉多州對常用的4英寸（10.16 cm）和6英寸（15.24 cm）直徑排水管推薦了開縫尺寸：對于4英寸（10.16 cm）排水管，開縫長度為0.0625~1英寸（0.16~2.54 cm），最大開縫寬度為0.032英寸（0.0813 cm），縫間距為0.413 英寸（1.05 cm），開縫面積為1.9平方英寸/英尺（0.40 cm²/cm）；對于6英寸（15.24 cm）排水管，開縫長度為0.375~1英寸（0.95~2.54 cm），最大開縫寬度為0.032英寸（0.0813 cm），縫間距為0.516 英寸（1.31 cm），開縫面積為1.98平方英寸/英尺（0.42 cm²/cm）。北京市地方標準雖然提出可在排水層底部埋置直徑為100 mm的穿孔PVC管，但對具體開孔沒有要求。

1.3.2 排水管布置

排水管一般布置于由碎石或礫石組成的級配良好的排水層中，以收集上層土壤層的排水。排水層與土壤層過渡部分應合理設計集料粒徑，以防上層細顆粒被沖入下層，為保證安全，也可使用土工布將土壤層與排水層分隔。排水層集料粒徑一般為2~5 mm，厚度要求各有不同，但至少能將排水管完全包裹，如澳大利亞西澳州、美國科羅拉多州和緬因州分別使用了6英寸（15.24 cm）、6英寸（15.24 cm）和12~14英寸（30.48~35.56 cm），北京市地方標準提出了200~300 mm，基本與國外要求一致。

排水管應位于排水層中部，管上、下留有一定的安全距離，尤其是開縫/孔的下部，應墊有一定厚度的集料，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在開縫/孔下部至少留有2~3英寸（5.08~7.62 cm），緬因州提出管上、下至少留有4英寸（10.16 cm），西雅圖市則提出管上至少留1英尺（30.48 cm）、管下至少留6英寸（15.24 cm）、側面至少留1英尺（30.48 cm），北京市地方標準也提出了排水管底部可設置不小于300 mm的礫石調蓄層。

國外對排水層集料級配均制定了標準，方便推廣應用，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號集料和6英寸（15.24 cm）厚的57號集料，西雅圖市使用集料為該市26號礦物集料，國內則缺乏相應標準。

1.3.3 排水能力計算

排水管設計排水能力根據土壤層底部的最大入滲流量確定，如式（1）所示，可通過達西定律計算。

式中：Q_max為土壤層最大入滲流量，m³/s；k為土壤層水力傳導速率，m/s；W_base為入滲區域寬度，m；L為生物滯留設施長度，m；h_max為表層積水深度，m；d為土壤層總深度，m。

排水設施尺寸的確定是一個迭代過程，以開孔管為例，首先根據集料粒徑尺寸確定開孔尺寸，并設定開孔數量，得出總開孔面積，其次采用銳緣孔口公式計算孔口入流流量Q_perf，如式（2）所示。Q_perf應大于Q_max，如Q_perf＜Q_max，則改變開孔數量或開孔尺寸，重新計算Q_perf，直至滿足要求。

式中：B為孔口阻塞系數，表征孔口被介質阻塞的情況；C為孔口流量系數，一般取0.62；A為開孔面積，m²；g為重力加速度，取9.81 m/s²；h為管上最大水頭，即過濾層總深度與積水深度的和，m。

穿孔管中流量Q_pipe用Colebrook-White公式描述，如式（3）所示。Q_pipe應大于Q_max，如Q_pipe＜Q_max，則改變管徑重新計算Q_pipe，直至滿足要求。

式中：D為管徑，m；A為管的截面積，m²；k為管道內壁粗糙度；v為運動粘滯系數，m²/s；S₁為管的坡度，m/m。

超過最大積水深度的徑流出現溢流，應合理設計溢流設施，保證設計徑流量條件下不發生漫溢。設計時需考慮自由出流和淹沒出流：自由出流條件下，首先用寬頂堰公式計算堰寬，見式（4），然后將堰寬作為矩形堰周長，估計矩形堰尺寸；淹沒出流條件下，首先用孔口公式計算開孔面積，見式（5），然后用開孔面積作為矩形堰面積，估計矩形堰尺寸，取兩種條件計算結果的較大值作為設計值。

式中：Q_wflow為堰溢流量，m³/s；B為阻塞系數；m為堰流量系數，一般可取0.385；b為堰寬，m；h為堰上水頭，m。

式中：Q_oflow為孔口溢流量，m³/s；C為孔口流量系數；A為開孔面積，m²。

2 排水系統設計案例

以四車道城市道路為例，設計將道路路牙開孔，使道路徑流進入道路綠化帶，并將綠化帶改造為生物滯留系統，超過系統處理能力的雨水溢流后排入原道路雨水口。單條機動車道寬度取3.75 m，道路雨水口間距取25 m，則生物滯留系統匯水面積為375 m²。系統垂向結構：超高為100 mm、蓄水層為150 mm、砂壤土層為500 mm、排水層為200 mm，設計標準為5年一遇2 h降雨，用穿孔PVC管作為設施排水系統，布置于排水層中。

系統最大入滲流量Q_max根據式（1）計算，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，則計算得到Q_max為0.001 m³/s。

若采用內徑為100 mm的PVC管，開孔孔徑取12 mm（約0.5英寸），孔心距取150 mm（約6英寸），環周均勻開孔3排，則開孔數為498個，開孔面積A為0.056 m²。取孔口阻塞系數B為0.5，即一半的孔口被阻塞，則實際開孔面積為0.028 m²。根據式（2）計算孔口入流流量Q_perf，其中管上水頭h為最大積水深度、土壤層深度、排水管半徑的和。根據式（3）計算管道最大排水能力Q_pipe，其中內壁粗糙度k取0.007，運動粘滯系數v取20℃條件下的1.01×10^-6 m²/s，排水管坡度為0.5%。則計算得到Q_perf為0.032 m³/s，Q_pipe為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滿足最大入滲流量。

采用推理公式計算得到5年一遇2h設計降雨條件下生物滯留系統設計流量為0.0035 m³/s。超過100 mm最大積水深度的徑流通過溢流設施排除，溢流設施的最大水頭等于最大允許高度(0.1 m)。首先用式（4）計算自由排水條件下的堰寬b，其中Q_wflow為0.0035 m³/s、B為0.5、m為0.385、h為0.1 m，則計算得到堰寬為0.13 m；然后用式（5）計算淹沒排水條件下的孔口面積A，其中Q_oflow為0.0035 m³/s、B為0.5、C為0.62、h為0.1 m，則計算得到孔口面積為0.008 m²。據此換算成矩形堰尺寸分別為32.5 mm×32.5 mm、90 mm×90 mm，取較大值為90mm×90mm。因此，淹沒出流條件決定了溢流設施的設計尺寸至少為90 mm×90mm。

綜上，本案例排水系統相關設計參數如下：管材為PVC管，管徑為100 mm，開圓形孔，孔徑為12 mm，孔心距為150 mm，環周均勻開孔3排，排水層厚度為200 mm，排水管位于排水層中部，管上、下各留50 mm，矩形溢流堰尺寸為90 mm×90 mm。

3 結論

① 為保證安全，國內生物滯留系統設計推薦采用底部排水系統。可選擇內徑為100、125、150 mm的穿孔PVC管作為排水管，管徑及開孔方案根據排水能力試算確定，保證孔口入流流量及開孔管過流能力滿足土壤層底部最大入滲流量要求，且開孔尺寸小于排水層集料粒徑。

② 生物滯留系統溢流設施應保證在設計標準降雨下徑流不發生漫溢，一般情況下淹沒出流條件決定了溢流設施的設計尺寸。

③ 排水管布置于排水層中部，管上、下部留有一定的安全距離。排水層與土壤層過渡部分應合理設計集料粒徑，防止上層細顆粒被沖入下層。

（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第9期“城市雨水管理”欄目）

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