生物滯留設施在城市建設中被廣泛應用，但是在具體應用過程中也暴露出一些問題，一個重要的原因是排空時間作為生物滯留設施設計的核心參數(shù)在我國相關規(guī)范性文件中并沒有得到充分的重視。通過研究分析國外的生物滯留設施表面積計算方法、土壤滲透系數(shù)取值、排空時間規(guī)定及控制方式，看看我國以排空時間為核心的生物滯留設施設計方法體系應該如何建立？
1、研究背景
生物滯留設施指在地勢較低的區(qū)域，通過植物、土壤和微生物系統(tǒng)蓄滲、凈化徑流雨水的設施，宜在土基上鋪設，自上而下宜設置蓄水層、覆蓋層、種植層、透水土工布和礫石層，如圖1所示。
在生物滯留設施的設計和運行維護過程中，排空時間是一個重要的參數(shù)，其取值會影響到設施用地面積、植物健康成長、設施運行維護頻率、蚊蠅孳生和徑流控制效果等多個方面。在歐美國家的相關設計手冊中，普遍對生物滯留設施排空時間有明確規(guī)定，例如：美國賓夕法尼亞州和華盛頓規(guī)定排空時間不得超過72 h，紐約州、明尼蘇達州、密歇根州規(guī)定排空時間不得超過48 h，喬治亞洲、康涅狄格州規(guī)定排空時間不得超過24 h，北卡羅來納州規(guī)定排空時間不得超過12 h，艾奧瓦州推薦排空時間為4～12 h，緬因州規(guī)定排空時間不得超過48 h，且不得低于24 h，科羅拉多州丹佛市規(guī)定排空時間不得超過12 h，同時最小滲透系數(shù)應為按12 h排空時間計算所得滲透系數(shù)的2倍，加拿大埃德蒙頓市規(guī)定排空時間不得超過48 h，英國生物滯留設施排空時間推薦值為24～48 h。排空時間通常被用來計算生物滯留設施的表面積，和種植層土壤滲透系數(shù)密切相關。
為了防止蚊蠅孳生，生物滯留設施應具有及時排空蓄存雨水的能力，這意味著排空時間不宜過大，但為了實現(xiàn)一定的徑流控制效果（雨水凈化和緩釋），生物滯留設施排空時間又不宜過小，這兩種不同的要求對生物滯留設施的建設和運行維護帶來了一定的困難和挑戰(zhàn)。目前，主流的設計方法只要求種植層土壤的滲透系數(shù)不能低于某個規(guī)定值，以防蚊蠅孳生，卻很少對如何防止生物滯留設施排空速度過快給出可行的控制措施和控制方法。為實現(xiàn)運行過程中排空時間的可控，美國科羅拉多大學丹佛分校的郭純園教授提出在生物滯留設施底部穿孔排水管末端設置閥門（cap-orifice）來控制排空時間，該方法在丹佛市得到應用。 現(xiàn)階段我國城市建設中生物滯留設施建設和運行維護過程都比較粗放，個別項目甚至由于生物滯留設施長時間積水而引起居民投訴。因此，明確規(guī)定生物滯留設施排空時間，并圍繞其建立切實可行的設計方法體系，對促進我國城市建設事業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。 2、生物滯留設施表面積計算 根據(jù)《城鎮(zhèn)雨水調蓄工程技術規(guī)范》（GB 51174—2017）4.3.6條規(guī)定，生物滯留設施表面積計算見式（1）： Af=V/［fmt+dbcnr+dp(1-nz)］（1） 式中 Af——生物滯留設施表面積，m²； V——調蓄容積，m³，可按年徑流總量控制率對應的單位面積調蓄深度計算； fm——土壤入滲率，mm/h； dbc——生物滯留設施種植層和礫石層的總厚度，mm； nr——種植層和礫石層平均孔隙率； dp——生物滯留設施表面蓄水層厚度，mm； nz——植物橫截面積占蓄水層表面積的百分比。 式（1）中參數(shù)t未明確含義，根據(jù)上下文推測應為降雨歷時。可以看出，式（1）中生物滯留設施的表面積計算與排空時間無關，它將生物滯留設施設計調蓄容積分為3部分：一是降雨過程中下滲量，二是扣除植物莖稈所占空間后蓄水層蓄水量，三是種植層和礫石層蓄水量。一般來講，表面蓄水層蓄水量不宜小于生物滯留設施總蓄水量的50%。計算時，種植層平均孔隙率可取25%，礫石層平均孔隙率可取40%。 美國常用的生物滯留設施表面積計算公式為： Af=Vds/［ks(ds+df)tf］（2） 式中 V——水質控制容積WQv，m³，計算方法和式（1）中調蓄容積相同； ks——種植層土壤滲透系數(shù)，mm/h； ds——生物滯留設施種植層厚度，mm； df——生物滯留設施表面層平均蓄水厚度，df=dp/2，mm； tf——排空時間，h。 式（2）基于達西定律，并考慮了生物滯留設施在排空過程中表面蓄水層蓄水深度變化的影響，計算原理和式（1）有本質不同。式（1）是從蓄水的角度計算所需的生物滯留設施表面積，式（2）是從排空的角度計算所需的生物滯留設施表面積，兩者相輔相成，并不矛盾。生物滯留設施的表面積應同時滿足式（1）和式（2）的要求。 3、土壤滲透系數(shù)及成層土等效滲透系數(shù) 土壤滲透系數(shù)是生物滯留設施設計的一個重要參數(shù)。當原生土壤滲透性較強時，礫石層中可不設置底部穿孔排水管，雨水全部滲入地下，當原生土壤滲透系數(shù)小于12.7 mm/h時，礫石層中可能需要埋設底部穿孔排水管，也可根據(jù)土壤滲透系數(shù)大小設置部分滲透系統(tǒng)。在美國SCS土壤分類中，滲透性的A類土壤穩(wěn)定滲透系數(shù)也僅為7.6～11.4 mm/h。因此，生物滯留設施一般都需要對土壤進行改良，改良后的土壤（可稱為種植土）成分各有不同，但普遍表現(xiàn)出沙粒含量高、粘粒含量低和有機質含量適中的特點。改良后的種植土初始滲透系數(shù)很高，但在使用過程中滲透系數(shù)會快速下降，因此，式（2）中使用的滲透系數(shù)通常采用考慮堵塞后的滲透系數(shù)，一般取值為12.7 mm/h。在對生物滯留設施排空能力要求高的地區(qū)，滲透系數(shù)取值會更大，相應的運行維護也將更加頻繁，例如：美國北卡羅來納州在新版《雨水設計手冊》中新增規(guī)定“種植層土壤最小滲透系數(shù)不得低于25.4 mm/h，否則必須進行設施維護”。也有少數(shù)情況下，規(guī)定值為初始滲透系數(shù)，例如：英國《可持續(xù)排水系統(tǒng)手冊》中規(guī)定“種植層土壤滲透系數(shù)應為100～300 mm/h”。 從圖1可以看出，生物滯留設施具有多層結構（成層土結構），且不同層滲透系數(shù)不同，其整體滲透系數(shù)（稱為等效滲透系數(shù)）和設施內部蓄水空間是否飽和有關。當生物滯留設施中的種植層和礫石層孔隙內充滿水流時，根據(jù)達西定律，可推導出其等效滲透系數(shù)計算見式（3）： ke=(dp+ds+dg)/(ds/ks+dg/kg)（3） 式中 ke——等效滲透系數(shù)，mm/h； dg——礫石層厚度，mm； kg——礫石層滲透系數(shù)，mm/h。 當生物滯留設施為實現(xiàn)反硝化功能，通過抬高底部穿孔排水管的排放口標高，在生物滯留設施底部建立內部蓄水層（Internal Water Storage，IWS）時，可近似認為生物滯留設施的種植層和礫石層處于飽和狀態(tài)，用式（3）計算其等效滲透系數(shù)，但可用水頭應扣除穿孔排水管的抬升高度。當采用閥門控制底部穿孔排水管排水能力時，為計算閥門開啟度，也可采用式（3）計算生物滯留設施等效滲透系數(shù)。 在一般的生物滯留設施中，由于礫石層滲透系數(shù)遠遠大于種植層，礫石層通常會存在自由水面，此時式（3）轉變?yōu)椋? ke=kf(dp+ds)/ds（4） 由于在排空的過程中表面層蓄水深度不斷降低，因此計算用蓄水深度采用平均值dp/2，此即為式（2）中采用的形式。 4、排空時間的規(guī)定 排空時間的上限值常與蚊蠅控制和植物耐淹程度有關，而下限值則與徑流控制有關。研究顯示，部分種類的蚊蠅從蠅卵孵化到破蛹成蟲僅需不到7 d。目前普遍認為，如果能將排空時間控制在72 h以內，即可抑制蚊蠅的生長。植物的耐淹性和植物種類密切相關，一般來講，應根據(jù)排空時間選擇適宜的植物，生物滯留設施建設中通常應該選擇耐淹性好的鄉(xiāng)土植物。生物滯留設施的雨水停留時間直接影響其對雨水徑流的凈化效果，表1為不同雨水徑流污染物控制所需要的生物滯留設施下滲速率取值。 從表1可知，綜合考慮各種污染物去除效果，生物滯留設施下滲速率宜為25～50 mm/h。如果生物滯留設施的蓄水層深度為30 cm，則對應的排空時間為6～12 h，此時間應作為生物滯留設施排空時間的下限值。 目前，我國僅在下凹式綠地的設計中規(guī)定“綠地排空時間宜為24～48 h”，在生物滯留設施的設計中尚未有明確規(guī)定。結合以上分析，同時考慮和下凹式綠地排空時間的銜接，推薦我國生物滯留設施排空時間上限值為24～48 h，下限值不宜低于6～12 h，具體取值應結合當?shù)亟ㄔO和運行維護水平而定。 5、排空時間的控制