雨水双效控制的生物滞留设施内部排水系统及实现方法

摘要

本发明公开一种雨水双效控制的生物滞留设施内部排水系统及实现方法，在生物滞留设施内部增设排水管和溢流堰作为辅助排水设施，以实现对雨水径流总量调蓄和峰值流量削减的双效控制目标。并根据《海绵城市建设技术指南》中径流总量控制标准和《室外排水设计规范(2014版)》中雨水管道峰值流量控制标准，提出底部排水管和溢流堰设计流量设计步骤。根据相关水力学计算公式和湿润地区降雨特征推算得出底部排水管和溢流堰关键参数的计算方法。本方法弥补了以往仅以径流总量作为控制目标的不足，可作为南方湿润地区生物滞留设施排水系统的重要设计依据，为其他地区海绵城市设施建设提供参考。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物滞留设施排水系统，具体是一种针对湿润地区雨水双效控制的生物滞留设施内部排水系统及实现方法，属于雨水处理技术领域。

背景技术

城市暴雨洪涝减灾技术已经成为我国经济可持续发展中迫切要求解决的关键问题。新形势下国家大力推进的“海绵城市”建设，强调城市地表对雨水在自然循环过程中尤其是入渗过程中的自然积存、自然渗透和自然净化能力，突出城市建设的低影响开发特点。生物滞留设施是一种有效的低影响开发雨洪管理措施，一般由蓄水层、覆盖层、填料层、砾石调蓄层组成，主要通过植物(微生物)、填料的共同作用实现对雨水的调节、渗透、转输、储存和净化，近年来在国内外应用非常广泛。研究表明生物滞留系统对小降雨事件具有更好的调控效果，但对高重现期降雨的调控能力非常有限。对于降雨总量、峰值均较大的南方湿润地区，生物滞留设施下渗速率有限，可能会发生淹没、冲刷、堵塞等情况，影响其正常运行。

发明内容

发明目的：针对南方湿润地区的降雨峰高量大特征，综合考虑雨水峰值及总量双效控制目标，本发明提供一种针对湿润地区雨水双效控制的生物滞留设施内部排水系统及实现方法，对生物滞留设施通过增设排水系统来提高其渗透性能，促进雨水的入渗、截留和排放。以期为国内生物滞留系统及其他低影响开发措施的设计和施工提供理论指导和技术支撑。

技术方案：一种针对湿润地区雨水双效控制的生物滞留设施内部排水系统，在生物滞留设施中增设底部排水管和溢流堰，分别用于控制雨水总量和峰值，底部排水管主要用于雨水总量调蓄，溢流堰主要用于雨水峰值的控制；所述底部排水管设置在生物滞留设施渗透层的下方，底部排水管上设有多个开孔，开孔截面分布应沿排水管轴中心点对称均匀分布，底部排水管侧面开孔的分布应为平行于排水管轴线的均匀直线分布。排水管位于排水层中部，管上、下留有安全距离，尤其是开缝/孔的下方，垫有集料保证排水畅通。

所述溢流堰为正方形溢流堰，溢流堰设置于生物滞留设施中部或者根据实际需要进行适当调整(如设置为生物滞留设施边缘豁口进行排水，在此种情况下应保证与该设计的溢流堰排水线长度相等)。

针对底部排水管和溢流堰不同的工作性质(底部排水管侧重雨水总量调蓄，溢流堰侧重雨水峰值的控制)，采取不同的标准和计算公式对其具体尺寸进行推导。底部排水管采取《海绵城市建设技术指南》中径流总量控制标准，根据Colebrook-White公式对其管径尺寸进行推算，根据孔口公式对其孔径进行推算。溢流堰采取《室外排水设计规范(2014版)》雨水管道峰值控制标准，采取宽顶堰公式和孔口公式分别对自由出流和淹没出流条件下的溢流堰边长进行推算。最终得出底部排水管管径、孔径及溢流堰边长计算公式。

一种针对湿润地区雨水双效控制的生物滞留设施内部排水系统的实现方法，在生物滞留设施中增设底部排水管和溢流堰，分别用于控制雨水总量和峰值，底部排水管主要用于雨水总量调蓄，溢流堰主要用于雨水峰值的控制；底部排水管的作用是将下渗雨水量及时排出，此过程缓慢持续进行，注重对雨水总量的调节。溢流堰的作用是将多余雨水尤其是峰值雨水及时溢流进入雨水管道，避免对下渗层的淹没、冲刷进而造成堵塞等情况，此过程只在雨水量较大时出现，注重对雨水峰值的调节。

所述底部排水管设计流量确定即根据《海绵城市建设技术指南》中年径流总量控制标准，根据不同径流总量控制率查找相对的设计降雨量，由该部分降雨量计算底部排水管设计流量。《海绵城市建设技术指南》中规定了低影响开发雨水系统年径流总量控制率与设计降雨量之间的关系，对于不同的城市不同的年径流总量控制率，都能查到与之相对应的设计降雨量。对于本发明中的生物滞留设施，我们也可以查到相对应的设计降雨量，该部分降雨量就是我们生物滞留设施需要下渗调蓄的降雨量。对于底部排水管流量设计，应考虑最不利的情况，当生物滞留设施土壤含水量达到饱和时，则该设计降雨量就是底部排水管需要排出的雨水量。综合考虑各因素，给出以下底部排水管流量设计公式，如公式(7)所述。

式中，Q_p-生物滞留设施底部排水管设计流量(m³/s)；

H-生物滞留设施设计降雨量(mm)；

Φ-生物滞留设施服务区域径流系数；

F-生物滞留设施服务面积(hm²)；

t-下渗时间(min)，一般可取120min。

所述溢流堰设计流量确定即根据《室外排水设计规范(2014版)》中雨水管道峰值流量控制标准，综合考虑各因素，根据雨水管道流量设计公式给出以下溢流堰流量设计公式，如式(8)所示。

式中，Q-生物滞留设施溢流堰设计流量(m³/s)；

Φ-生物滞留设施服务区域径流系数，其数值小于1；

A₁、c、b、n-地方参数，反映降雨特征。

P-设计重现期(a)；

t₂-降水时间(min)；

F-生物滞留设施服务面积(hm²)。

所述底部排水管尺寸设计公式确定即根据Colebrook-White公式及相关经验参数，给出以下排水管管径迭代计算公式，如式(9)所示。

式中，Q_p-生物滞留设施底部排水管设计流量(m³/s)；

d_pipe-底部排水管设计管径(mm)；

k-管壁粗糙度。

注：g取9.81m/s²；I取0.5％；ν取20℃下1.007·10^-6m²/s；π取3.14。

所述孔径设计公式即根据孔口公式反推计算排水管孔径，如式(10)所示。

其中，d_perf-排水管开孔孔径(mm)；

Q_P-生物滞留设施排水管设计流量(m³/s)；

N为全管开孔数；

h为管上水头(生物滞留设施过滤层总深度、生物滞留设施最大积水深度之和)。

所述正方形溢流堰边长设计公式确定即考虑自由出流和淹没出流两种情况，自由出流情况根据宽顶堰公式导出正方形堰边长如式(11)所示，淹没出流采用孔口公式导出正方形堰边长如式(12)所示，L₁、L₂取较大值作为溢流堰边长设计值，如式(11)、(12)所示。

其中，L₁-溢流堰设计边长(mm)；

Q_w-生物滞留设施溢流堰设计流量(m³/s)；

h-堰上水头(m)(溢流堰顶部距最高水位的距离)；

其中，L₂-溢流堰设计边长(mm)；

h-堰上水头(m)(溢流堰顶部距最高水位的距离)。

有益效果：相对于现有方法，本发明提供的一种针对湿润地区雨水双效控制的生物滞留设施内部排水系统及实现方法，可实现对雨水总量及峰值的双效控制，计算步骤简单，原理清楚，对于南方湿润地区生物滞留设施排水系统构建提供简单有效的判断依据。具体效果如下：

1、本发明简化计算步骤，化繁为简，可在缺乏相关参数的情况下，作为生物滞留设施排水系统尺寸设计的初步判断依据。

2、本发明排水管尺寸设计符合《海绵城市建设技术指南》年径流总量控制标准，可对雨水总量进行有效调控，及时将下渗水量排出，保证生物滞留设施正常运行。

3、本发明溢流堰尺寸设计符合排水管道峰值控制标准，可及时将多余雨水及峰值雨水溢流进入雨水管道，避免对生物滞留下渗层的过度冲刷、淹没，防止发生堵塞等情况，保证生物滞留设施正常运行。

4、本发明系统地提出生物滞留设施排水系统设计方法，位南方湿润地区生物滞留设施排水系统设计提供参考，具有一定的实际意义与工程应用价值，可达到对特大雨水的总量及峰值的双效控制，保证生物滞留设施的正常运行，对减轻洪涝灾害具有一定的实际价值。

附图说明

图1为生物滞留设施排水系统构型示意图；

图2为生物滞留设施排水系统实现流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

针对湿润地区雨水双效控制的生物滞留设施内部排水系统，在生物滞留设施中增设底部排水管和溢流堰，分别用于控制雨水总量和峰值，底部排水管主要用于雨水总量调蓄，溢流堰主要用于雨水峰值的控制；底部排水管设置在生物滞留设施渗透层的下方，开孔截面分布应沿排水管轴中心点对称均匀分布，开孔侧面分布应为平行于轴线的均匀直线分布。排水管应位于排水层中部，管上、下留有一定的安全距离，尤其是开缝/孔的下部，应垫有一定厚度的集料保证排水畅通。

溢流堰为正方形溢流堰，溢流堰应设置于生物滞留设施中部或者根据实际需要进行适当调整(如设置为生物滞留设施边缘豁口进行排水，在此种情况下应保证与该设计的溢流堰排水线长度相等)。

针对底部排水管和溢流堰不同的工作性质(底部排水管侧重雨水总量调蓄，溢流堰侧重雨水峰值的控制)，采取不同的标准和计算公式对其具体尺寸进行推导。底部排水管采取《海绵城市建设技术指南》中径流总量控制标准，根据Colebrook-White公式对其管径尺寸进行推算，根据孔口公式对其孔径进行推算。溢流堰采取《室外排水设计规范(2014版)》雨水管道峰值控制标准，采取宽顶堰公式和孔口公式分别对自由出流和淹没出流条件下的溢流堰边长进行推算。最终得出底部排水管管径、孔径及溢流堰边长计算公式。

针对湿润地区雨水双效控制的生物滞留设施内部排水系统的实现方法，在生物滞留设施中增设底部排水管和溢流堰，分别用于控制雨水总量和峰值，底部排水管主要用于雨水总量调蓄，溢流堰主要用于雨水峰值的控制；底部排水管的作用是将下渗雨水量及时排出，此过程缓慢持续进行，注重对雨水总量的调节。溢流堰的作用是将多余雨水尤其是峰值雨水及时溢流进入雨水管道，避免对下渗层的淹没、冲刷进而造成堵塞等情况，此过程只在雨水量较大时出现，注重对雨水峰值的调节，具体结构如图1所示。

底部排水管设计流量确定即根据《海绵城市建设技术指南》中年径流总量控制标准，根据不同径流总量控制率查找相对的设计降雨量，由该部分降雨量计算底部排水管设计流量。《海绵城市建设技术指南》中规定了低影响开发雨水系统年径流总量控制率与设计降雨量之间的关系，对于不同的城市不同的年径流总量控制率，都能查到与之相对应的设计降雨量。对于本发明中的生物滞留设施，我们也可以查到相对应的设计降雨量，该部分降雨量就是我们生物滞留设施需要下渗调蓄的降雨量。对于底部排水管流量设计，应考虑最不利的情况，当生物滞留设施土壤含水量达到饱和时，则该设计降雨量就是底部排水管需要排出的雨水量。综合考虑各因素，给出以下底部排水管流量设计公式，如公式(7)所述。

式中，Q_p-生物滞留设施底部排水管设计流量(m³/s)；

H-生物滞留设施设计降雨量(mm)；

Φ-生物滞留设施服务区域径流系数，参考公式及参数说明；

F-生物滞留设施服务面积(hm²)；

t-下渗时间(min)，一般可取120min。

所述溢流堰设计流量确定即根据《室外排水设计规范(2014版)》中雨水管道峰值流量控制标准，综合考虑各因素，根据雨水管道流量设计公式给出以下溢流堰流量设计公式，如式(8)所示。

式中，Q-生物滞留设施溢流堰设计流量(m³/s)；

Φ-生物滞留设施服务区域径流系数，其数值小于1；

A₁、c、b、n-地方参数，反映降雨特征，参考公式及参数说明。

P-设计重现期(a)；

t₂-降水时间(min)；

F-生物滞留设施服务面积(hm²)。

所述底部排水管尺寸设计公式确定即根据Colebrook-White公式及相关经验参数，给出以下排水管管径迭代计算公式，如式(9)所示。

式中，Q_p-生物滞留设施底部排水管设计流量(m³/s)；

d_pipe-底部排水管设计管径(mm)；

k-管壁粗糙度，参考公式及参数说明。

注：g取9.81m/s²；I取0.5％；ν取20℃下1.007·10^-6m²/s；π取3.14。

所述孔径设计公式即根据孔口公式反推计算排水管孔径，如式(10)所示。

其中，d_perf-排水管开孔孔径(mm)；

Q_P-生物滞留设施排水管设计流量(m³/s)；

N为全管开孔数；

h为管上水头(生物滞留设施过滤层总深度、生物滞留设施最大积水深度之和)。

所述正方形溢流堰边长设计公式确定即考虑自由出流和淹没出流两种情况，自由出流情况根据宽顶堰公式导出正方形堰边长如式(11)所示，淹没出流采用孔口公式导出正方形堰边长如式(12)所示，L₁、L₂取较大值作为溢流堰边长设计值，如式(11)、(12)所示。

其中，L₁-溢流堰设计边长(mm)；

Q_w-生物滞留设施溢流堰设计流量(m³/s)；

h-堰上水头(m)(溢流堰顶部距最高水位的距离)；

其中，L₂-溢流堰设计边长(mm)；

h-堰上水头(m)(溢流堰顶部距最高水位的距离)。

以南京某四车道道路生物滞留设施排水系统设计为例，设计将绿化带改造为生物滞留设施，使道路雨水经过路牙开孔进入生物滞留设施，多余雨水量溢流进入路边雨水系统。单条机动车道宽度取2.5m，道路雨水口间距取25m，则生物滞留系统汇水面积为250m²生物滞留设施垂向结构:溢流口超高为100mm、蓄水层高150mm、填料层为500mm、砾石排水层为200mm。溢流口设计标准为5年一遇2h降雨，用穿孔PVC管作为设施排水系统，布置于排水层中。具体参数取值见表1所示。

表1南京某城区生物滞留设施排水系统尺寸计算参数

计算步骤如下：

(1)计算底部排水管设计流量。

(2)计算溢流堰设计流量。

(3)计算底部排水管管径及孔径。

根据上式迭代计算得d_pipe＝75(mm)

若采用内径为100mm的PVC管，开孔孔径取12mm(约0.5英寸)，孔心距取150mm(约6英寸)，环周均匀开孔3排，则开孔数为334个

(4)计算自由出流及淹没出流条件下溢流堰边长L₁、L₂。

(5)得出最终取值结果，如表2所示。

表2生物滞留设施排水系统尺寸设计最终取值

项目计算值底部排水管设计流量1.080×10^-3(m³/s)溢流堰设计流量1.862×10^-3(m³/s)底部排水管设计管径75(mm)底部排水管设计孔径2.5(mm)溢流堰设计边长50(mm)

公式及参数说明：

表3涉及推导计算的水力学公式及雨水管道流量设计公式

表4径流系数Φ取值参考

综合径流系数取值参考

区域情况Φ区域情况Φ城镇建筑密集区0.60-0.85城镇建筑稀疏区0.20-0.45城镇建筑较密集区0.45-0.60

在实际设计计算过程中，同一块汇水面积兼有多种地面覆盖情况，需要计算整个汇水面积上的平均径流系数Φ_av值。计算平均径流系数Φ_av的常用方法是采用加权平均法，如下所示。

地方参数A₁、c、b、n常采用年多次法和超定量法进行统计分析确定，反映了一个地方降雨过程特征，本文将南方湿润地区已通过统计分析得到的地方参数取值范围总结如下。

表5南方地区地方参数取值推荐

A₁cbn南方地区5.5-630.4-0.750-21.50.11-0.85

根据《室外排水设计规范(2014版)》中排水管渠粗糙系数推荐值，底部排水管类别相对应的粗糙系数可采取以下推荐值。

表6管壁粗糙度取值推荐

管道材质类别粗糙系数k推荐值UPVC管、PE管、玻璃钢管0.009-0.011石棉水泥管、钢管0.012陶土管、铸铁管0.013混凝土管、钢筋混凝土管0.013-0.014