生物滯留設(shè)施排空時(shí)間影響因素研究

李凱，王建龍,2*，林宏軍，王澤熙，彭柳葦，張長鶴

1.北京建筑大學(xué),城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2.北京建筑大學(xué),北京未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心

3.北京市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司

近年來，隨著海綿城市建設(shè)的推廣，生物滯留設(shè)施由于具有良好的水量削減和水質(zhì)凈化效果[1]，逐漸得到廣泛應(yīng)用，而排空時(shí)間對(duì)其雨水徑流總量控制效果、景觀效果、植物生長狀況、蚊蠅滋生、設(shè)施運(yùn)行狀況等方面具有重要影響。針對(duì)上述問題，國內(nèi)外已開展了相關(guān)研究，如梁小光等[2]分析了歐美國家有關(guān)生物滯留設(shè)施排空時(shí)間的規(guī)定及控制方式，提出了生物滯留設(shè)施底部穿孔排水管開孔面積計(jì)算方法。馬越等[3]推導(dǎo)了濕陷性黃土地區(qū)典型生物滯留設(shè)施調(diào)蓄容積與排空時(shí)間的關(guān)系式，該公式僅適用于種植土層、礫石層孔隙水飽和狀態(tài)。楊慶華等[4]分析了低影響開發(fā)雨水調(diào)蓄設(shè)施蓄水深度與降水量、硬化率以及滲透系數(shù)之間的相關(guān)性，推導(dǎo)了調(diào)蓄設(shè)施的調(diào)蓄容積理論計(jì)算公式。唐雪芹[5]通過生物滯留帶產(chǎn)流延時(shí)、蓄水層蓄水時(shí)間等5 個(gè)指標(biāo)，評(píng)價(jià)了生物滯留帶的蓄滲效果，提出了最優(yōu)蓄滲效果的構(gòu)造組合。在生物滯留設(shè)施工程應(yīng)用中，常常由于排空時(shí)間選擇不當(dāng)，而導(dǎo)致產(chǎn)生蚊蠅滋生、植物受淹等問題，因此，合理選擇生物滯留設(shè)施排空時(shí)間對(duì)于其設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)至關(guān)重要。目前我國GB 51222—2017《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定下凹式綠地排空時(shí)間宜為24～28 h[6]，而在生物滯留設(shè)施的設(shè)計(jì)中鮮有明確規(guī)定。國外對(duì)生物滯留設(shè)施排空時(shí)間的規(guī)定差異較大，美國部分地區(qū)規(guī)定如表1 所示。梁小光等[2]通過綜合分析徑流污染物控制所需下滲速率，推薦我國生物滯留設(shè)施排空時(shí)間上限為24～28 h，下限不宜低于6～12 h。綜上，生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)排空時(shí)間的量化影響還缺乏系統(tǒng)研究，此外，對(duì)于調(diào)蓄層排空時(shí)間的研究也鮮見報(bào)道。

表1 美國部分地區(qū)生物滯留設(shè)施排空時(shí)間Table 1 Emptying time of bioretention facilities in different districts of the United States h

生物滯留設(shè)施排空時(shí)間一般指設(shè)施蓄水量全部排出所需時(shí)間，本研究根據(jù)生物滯留設(shè)施滲透過程及其對(duì)雨水徑流控制效果、植物健康生長的影響，將排空時(shí)間分為調(diào)蓄層排空時(shí)間與完全排空時(shí)間。調(diào)蓄層排空時(shí)間為生物滯留蓄水層最大蓄水體積排空所需時(shí)間，主要受設(shè)計(jì)調(diào)蓄水深和生物滯留設(shè)施整體滲透性能影響，是引起蚊蠅滋生、高溫雨水徑流抑制植物生長的重要影響因素；完全排空時(shí)間為生物滯留設(shè)施開始進(jìn)水至排水管停止出流所需時(shí)間，主要受生物滯留設(shè)施滲透性能、設(shè)計(jì)滯蓄容積、生物滯留介質(zhì)吸水率等參數(shù)影響，是影響植物耐淹性能的主要因素。通過實(shí)驗(yàn)室柱狀模擬試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同影響因素條件下，生物滯留設(shè)施調(diào)蓄層排空時(shí)間和完全排空時(shí)間的變化特征，以期為生物滯留設(shè)施的精細(xì)化設(shè)計(jì)、施工與維護(hù)管理提供依據(jù)。

1 裝置與方法

1.1 材料與裝置

生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)類型對(duì)其水量水質(zhì)控制效果具有重要影響，冉陽等[22]研究提出生物滯留池經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有效蓄水深度、入滲率和水力流動(dòng)方向等方面改良后，可提升雨水入滲速率及對(duì)氮、磷污染物的去除效果。設(shè)計(jì)了包括傳統(tǒng)型、無植物型、倒置型、混合型、覆蓋層型不同類型的生物滯留模擬設(shè)施，其構(gòu)造如圖1 所示。各設(shè)施尺寸均為L×B×H=0.4 m×0.4 m×1.0 m。不同類型生物滯留設(shè)施的相同結(jié)構(gòu)層填料組成相同，種植土層采用壤土和中砂按體積1:1 混合的復(fù)合填料，中砂粒徑為0.3～0.5 mm，填料層采用粒徑1～2 mm 的黃砂，礫石層采用粒徑5～10 mm 的碎石，混合填料為黃砂與種植土層填料按體積比為1:1 混合的復(fù)合填料，覆蓋層為枯草和松樹皮，種植土層植物采用馬藺，植株高為40～45 cm，種植密度為125 株/m2。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)進(jìn)水采用瞬時(shí)進(jìn)水方式，進(jìn)水量為設(shè)計(jì)調(diào)蓄水深最大蓄水量，出流流量記錄間隔為1 min，流速較大時(shí)采用量筒測(cè)量，當(dāng)出流流速降低至1 mL/s時(shí)，使用翻斗式雨量計(jì)（型號(hào)HOBORG3-M）測(cè)量。試驗(yàn)中通過安裝在淹沒出流管不同高度的閥門控制淹沒區(qū)高度。試驗(yàn)具體方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Experimental scheme

不同類型生物滯留設(shè)施介質(zhì)層總高度均為80 cm。以傳統(tǒng)型為例，如圖1(e)所示。滲透系數(shù)采用常水頭法測(cè)量，不同類型生物滯留設(shè)施的種植層各深度滲透速率(q)如表3 所示。由表3 可知，傳統(tǒng)型、無植物型、混合型、覆蓋層型的q1（0～10 cm 深度處）均較小，說明其表層滲透性能較差。這與相關(guān)研究試驗(yàn)結(jié)果一致，如謝瑤[23]研究發(fā)現(xiàn)生物滯留設(shè)施表層20 cm 由于堵塞等原因，滲透性能最差。因此，實(shí)際應(yīng)用中為提高生物滯留設(shè)施蓄水的下滲速率，種植土表層0～20 cm 建議使用滲透系數(shù)較高的介質(zhì)。林宏軍等[24]研究發(fā)現(xiàn)通過將部分填料倒置于表層，倒置型生物滯留設(shè)施的徑流總量控制率、峰值削減率和污染物去除效果均優(yōu)于傳統(tǒng)生物滯留設(shè)施。

表3 生物滯留種植層不同深度滲透速率Table 3 Permeation rates at different depths of planting layer of the bioretention cm/h

圖1 不同類型生物滯留設(shè)施構(gòu)造組成Fig.1 Composition of different types of bioretention facilities

2 結(jié)果與討論

2.1 調(diào)蓄水深對(duì)排空時(shí)間的影響

生物滯留設(shè)施調(diào)蓄層調(diào)蓄水深對(duì)其滲透過程具有重要影響，不同調(diào)蓄水深條件下，傳統(tǒng)型生物滯留設(shè)施2 h 出流過程線如圖2 所示。由圖2 可知，不同試驗(yàn)工況的出流速率均呈先增加后降低趨勢(shì)，且隨著調(diào)蓄水深的增加，出流速率的峰值增大，出流速率均在第10 分鐘左右達(dá)到峰值，調(diào)蓄水深為5、10、15、20 cm 時(shí)，出流速率峰值分別為0.04、0.24、0.25、0.31 L/min。因此，適當(dāng)增加生物滯留調(diào)蓄水深可以增加雨水徑流的下滲速率。

圖2 傳統(tǒng)型不同調(diào)蓄水深出流過程線（T=2 h）Fig.2 Outflow process of traditional bioretention at different retention water heights (T=2 h)

生物滯留設(shè)施調(diào)蓄水深可直接影響排空時(shí)間，傳統(tǒng)型在不同調(diào)蓄水深條件下排空時(shí)間如表4 所示。由表4 可知，隨著調(diào)蓄水深的增加，生物滯留設(shè)施調(diào)蓄層排空時(shí)間和完全排空時(shí)間均增加，調(diào)蓄水深由5 cm 增至20 cm 時(shí)，調(diào)蓄層排空時(shí)間由35 min增至100 min，完全排空時(shí)間由25 h 增至37 h。同時(shí)，隨著調(diào)蓄水深的增加，生物滯留設(shè)施開始出流時(shí)間提前，出流總量增加，調(diào)蓄水深由5 cm 增至20 cm時(shí)，排水口開始出流時(shí)間由第55 分鐘提前至第26 分鐘，出流總量增加20.93 L，水量削減率由39.6%降至19.5%。因此，通過增加調(diào)蓄水深可以增加生物滯留調(diào)蓄層排空時(shí)間和完全排空時(shí)間，但出流時(shí)間提前，雨水徑流外排總量削減率降低。

表4 傳統(tǒng)型不同調(diào)蓄水深時(shí)排空時(shí)間Table 4 Emptying time of traditional bioretention at different retention water heights

2.2 降雨間隔對(duì)排空時(shí)間的影響

降雨間隔對(duì)生物滯留設(shè)施滲透過程具有重要影響，不同降雨間隔時(shí)傳統(tǒng)型2 h 出流過程線如圖3 所示。由圖3 可知，隨著降雨間隔的增加，出流速率到達(dá)峰值時(shí)間縮短，峰值增大，降雨間隔為3、7 和15 d時(shí)，出流速率峰值分別出現(xiàn)在第12、6、1 分鐘，峰值分別為0.24、0.24 和0.32 L/min，原因在于降雨間隔增加后生物滯留設(shè)施內(nèi)部初始含水率降低，降雨初期雨水下滲速率較大。

圖3 傳統(tǒng)型不同降雨間隔時(shí)出流過程線（T=2 h）Fig.3 Outflow process of traditional bioretention at different rainfall intervals (T=2 h)

不同降雨間隔時(shí)傳統(tǒng)型排空時(shí)間的影響如表5所示。由表5 可知，隨著降雨間隔的增加，調(diào)蓄層排空時(shí)間減少，完全排空時(shí)間增加。降雨間隔由3 d 增至7 d 時(shí)調(diào)蓄層排空時(shí)間減少20 min，完全排空時(shí)間幾乎不變，由7 d 增至15 d 時(shí)，調(diào)蓄層排空時(shí)間減少20 min，完全排空時(shí)間增加20 h，說明間隔時(shí)間較長時(shí)對(duì)完全排空時(shí)間影響較大。且隨著降雨間隔增加，開始出流時(shí)間提前，出流總量減少。降雨間隔由3 d 增至15 d 時(shí)，底部排水口開始出流時(shí)間由第35 分鐘提前至第31 分鐘，出流總量減少4.67 L。因此，在降雨間隔時(shí)間較長的地區(qū)，應(yīng)充分利用生物滯留設(shè)施在該地區(qū)調(diào)蓄層排空時(shí)間短、完全排空時(shí)間長的特點(diǎn)，因地制宜選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，例如減少表層蓄水空間，增加填料層厚度，提高蓄滯效果。

表5 傳統(tǒng)型不同降雨間隔條件時(shí)排空時(shí)間Table 5 Emptying time of traditional bioretention under different rainfall intervals

2.3 淹沒高度對(duì)排空時(shí)間的影響

研究表明，設(shè)置淹沒出流區(qū)并提高滯留時(shí)間可提升污染物去除效果，如仇付國等[25]研究發(fā)現(xiàn)，通過在生物滯留系統(tǒng)底部增加內(nèi)部淹沒區(qū)并提高滯留時(shí)間，可以大幅增加對(duì)NO3-N 和TN 的去除效果。不同淹沒高度條件下傳統(tǒng)型生物滯留設(shè)施2 h 出流過程線如圖4 所示。由圖4 可知，隨著淹沒高度的增加，生物滯留設(shè)施出流速率峰值時(shí)間提前，峰值降低，淹沒高度為0、10、20、40 cm 時(shí)，出流速率峰值分別為0.24、0.17、0.16 和0.10 L/min。同時(shí)隨著淹沒高度增加，雨水的滲流路徑逐漸縮短，穩(wěn)定出流速率增加。由此可見，淹沒高度增加會(huì)縮短徑流雨水下滲路徑，削弱生物滯留的水量控制效果。

圖4 傳統(tǒng)型不同淹沒高度時(shí)出流過程線（T=2 h）Fig.4 Outflow process of traditional bioretention at different submerged heights (T=2 h)

生物滯留設(shè)施內(nèi)部淹沒高度可直接影響排空時(shí)間，不同淹沒高度條件下傳統(tǒng)型出流特征見表6。

表6 傳統(tǒng)型不同淹沒高度時(shí)排空時(shí)間Table 6 Emptying time of traditional bioretention at different inundation heights

由表6 可知，隨著淹沒高度的增加，調(diào)蓄層排空時(shí)間小幅度增加，完全排空時(shí)間則會(huì)大幅度減少。同時(shí)隨著淹沒高度的增加，開始出流時(shí)間延后，出流總量減少。淹沒高度由0 cm 增至40 cm 時(shí)，調(diào)蓄層排空時(shí)間增加10 min，完全排空時(shí)間減少21 h，底部排水口開始出流時(shí)間由第35 分鐘延后至第60 分鐘，出流總量減少3.64 L。可見，增加內(nèi)部淹沒高度可以大幅縮短生物滯留設(shè)施的完全排空時(shí)間，對(duì)調(diào)蓄層排空時(shí)間影響較小，但會(huì)減少外排水量。

2.4 結(jié)構(gòu)類型對(duì)排空時(shí)間的影響

2.4.1結(jié)構(gòu)類型對(duì)調(diào)蓄層排空時(shí)間的影響

不同類型生物滯留設(shè)施在試驗(yàn)條件下調(diào)蓄層排空時(shí)間如圖5 所示。從圖5 可知，調(diào)蓄層排空時(shí)間為10～140 min，各影響因素變化條件下調(diào)蓄層排空時(shí)間由低到高順序均為倒置型＜混合型＜傳統(tǒng)型＜無植物型＜覆蓋層型，與表3 各裝置Kequ由高到低順序基本相同。可見，在相同試驗(yàn)條件下，滲透系數(shù)越高，調(diào)蓄層排空時(shí)間越短。由圖5(a)可知，調(diào)蓄水深由10 cm 增至20 cm 時(shí)，倒置型的調(diào)蓄層排空時(shí)間由20 min 增至90 min，增長幅度超過其他4 種類型，原因?yàn)榈怪媒Y(jié)構(gòu)使用滲透系數(shù)較高的填料在種植土層上，在增加表層滲透系數(shù)的同時(shí)可充分發(fā)揮填料層空隙的滯蓄作用，相當(dāng)于增加了調(diào)蓄層的容積。當(dāng)蓄水深度超過填料層厚度（＞15cm）時(shí)，下滲速度減慢，調(diào)蓄層排空時(shí)間變長。因此，調(diào)蓄層排空時(shí)間受生物滯留設(shè)施表層滲透系數(shù)影響較大。

圖5 不同類型生物滯留設(shè)施調(diào)蓄層排空時(shí)間變化Fig.5 Comparison of emptying time of storage layer among different types of bioretention facilities

由圖5(a)、圖5(b)可知，不同類型生物滯留設(shè)施的調(diào)蓄層排空時(shí)間均隨調(diào)蓄水深的增加而增加，變化范圍為15～140 min，隨降雨間隔的增加而降低，變化范圍為20～100 min；由圖5(c)可知，隨淹沒高度的增加，調(diào)蓄層排空時(shí)間整體呈增加趨勢(shì)，變化范圍為10～80 min，但在淹沒高度由10 cm 增至20 cm時(shí)，不同類型生物滯留的調(diào)蓄層排空時(shí)間均較小，覆蓋層型和倒置型分別縮短3 和5 min，傳統(tǒng)型不變，無植物和倒置型均增加5 min，說明淹沒高度對(duì)其調(diào)蓄層排空時(shí)間影響較低。對(duì)不同影響因素與調(diào)蓄層排空時(shí)間進(jìn)行SPSS 相關(guān)性分析，結(jié)果如表7 所示。由表7 可見，顯著性水平P均小于0.05，說明3 種影響因素均與調(diào)蓄層排空時(shí)間顯著相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值由高到低排序與時(shí)間變化范圍由大到小排序一致，因此，調(diào)蓄層排空時(shí)間的影響大小為調(diào)蓄水深＞降雨間隔＞淹沒高度。

表7 調(diào)蓄層排空時(shí)間影響因素相關(guān)性分析Table 7 Correlation analysis of factors influencing the emptying time of storage layer

2.4.2結(jié)構(gòu)類型對(duì)完全排空時(shí)間的影響

不同類型的生物滯留設(shè)施在試驗(yàn)條件下完全排空時(shí)間如圖6 所示。從圖6 可知，完全排空時(shí)間變化范圍為6～47 h，當(dāng)降雨間隔較短、淹沒高度較低時(shí)，完全排空時(shí)間由低到高順序?yàn)闊o植物型＜倒置型＜覆蓋層型＜混合型＜傳統(tǒng)型，與表3 中各裝置K由低到高順序基本相同。劉霞等[26]研究認(rèn)為，土壤的滯留貯水功能在積水入滲過程中對(duì)下滲速度有較大影響。生物滯留設(shè)施完全排空時(shí)間可能由整體滲透系數(shù)和土壤貯水能力綜合決定，徑流雨水下滲過程中土壤逐漸吸水處于飽水狀態(tài)，下滲結(jié)束后部分土壤貯水會(huì)在重力作用下逐漸向下運(yùn)移至排水口繼續(xù)排出。因此，整體滲透系數(shù)越大，持水能力低，完全排空時(shí)間短；整體滲透系數(shù)越小，持水能力大，完全排空時(shí)間長。

圖6 不同類型生物滯留設(shè)施完全排空時(shí)間變化Fig.6 Comparison of complete emptying time of different types of bioretention facilities

由圖6(a)、圖6(c)可知，不同類型生物滯留設(shè)施的完全排空時(shí)間均隨調(diào)蓄水深的增加而增加，變化范圍為6～37 h，隨淹沒高度的增加而縮短，變化范圍為6～27 h；由圖6(b)可知，完全排空時(shí)間隨著降雨間隔增加，變化范圍為6～47 h。對(duì)不同影響因素與完全排空時(shí)間進(jìn)行SPSS 相關(guān)性分析，結(jié)果如表8所示。由表8 可見，顯著性水平P均小于0.05，說明不同影響因素均與完全排空時(shí)間顯著相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值由高到低排序與時(shí)間變化范圍由大到小排序一致，因此，完全排空時(shí)間的影響大小為降雨間隔＞調(diào)蓄水深＞淹沒高度。

表8 完全排空時(shí)間影響因素相關(guān)性分析Table 8 Correlation analysis of influencing factors of complete emptying time

由圖6(b)可知，4 種有植物生物滯留設(shè)施完全排空時(shí)間逐漸增加，無植物型完全排空時(shí)間降低。說明植被對(duì)生物滯留設(shè)施的滲透性能具有重要影響，如劉霞等[26]研究發(fā)現(xiàn)，植被具有明顯的改良土壤水文物理性質(zhì)、提高土壤入滲和貯水能力的作用；郭雷[27]研究發(fā)現(xiàn)，林、灌、草植被能顯著降低土壤容重和增加土壤孔隙度，改善土壤物理性質(zhì)；Luo 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，有植被覆蓋的土壤吸水率相對(duì)無植被覆蓋的土壤大幅提升?？梢娭脖辉鰪?qiáng)了生物滯留設(shè)施的貯水能力，因此，無植物型完全排空時(shí)間較短，且隨著降雨間隔增加，長期蒸發(fā)與植物吸水使土壤含水量降低，該現(xiàn)象會(huì)更加明顯。

3 結(jié)論

(1)隨著調(diào)蓄水深的增加，生物滯留設(shè)施調(diào)蓄層排空時(shí)間和完全排空時(shí)間均增加；隨著淹沒區(qū)高度的增加，生物滯留設(shè)施調(diào)蓄層排空時(shí)間增加，完全排空時(shí)間減少；隨著降雨間隔時(shí)間的增加，生物滯留設(shè)施調(diào)蓄層排空時(shí)間減少，有植物生物滯留設(shè)施完全排空時(shí)間增加，無植物生物滯留設(shè)施完全排空時(shí)間減少。

(2)調(diào)蓄水深、淹沒高度、降雨間隔與生物滯留設(shè)施調(diào)蓄層排空時(shí)間、完全排空時(shí)間均顯著相關(guān)，且對(duì)調(diào)蓄層排空時(shí)間的影響程度由高到低為調(diào)蓄水深＞降雨間隔＞淹沒高度；對(duì)完全排空時(shí)間的影響程度由高到低為降雨間隔＞調(diào)蓄水深＞淹沒高度。

(3) 不同結(jié)構(gòu)的生物滯留設(shè)施滲透和貯水能力不同，排空時(shí)間差異較大，調(diào)蓄層排空時(shí)間為10～140 min，完全排空時(shí)間為6～47 h。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤晏卣骱驮O(shè)計(jì)目標(biāo)要求，合理確定調(diào)蓄層排空時(shí)間和完全排空時(shí)間，并應(yīng)注意二者的區(qū)別。