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    科學技術論文

    生物滯留設施排空時間影響因素研究

    時間:2021年06月25日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要生物滯留設施是我國海綿城市建設中應用較為廣泛的技術措施之一,在其設計和運行維護過程中,排空時間對雨水徑流總量的控制效果、植物生長狀況等具有重要影響,但目前尚缺乏排空時間影響因素的系統研究。通過實驗室試驗,研究了調蓄層高度、降雨間隔、淹

      摘要生物滯留設施是我國海綿城市建設中應用較為廣泛的技術措施之一,在其設計和運行維護過程中,排空時間對雨水徑流總量的控制效果、植物生長狀況等具有重要影響,但目前尚缺乏排空時間影響因素的系統研究。通過實驗室試驗,研究了調蓄層高度、降雨間隔、淹沒區高度及構造類型對排空時間的影響。結果表明:試驗條件下,不同構造類型生物滯留設施調蓄層排空時間為10~140min,完全排空時間為6~47h。調蓄層排空時間隨調蓄層高度和淹沒高度的增加而增加,隨降雨間隔的增加而降低,調蓄高度對調蓄層排空時間影響最大;完全排空時間隨調蓄水深和降雨間隔的增加而增加,隨淹沒高度的增加而降低,降雨間隔對完全排空時間影響最大。研究結果可為海綿城市建設過程中生物滯留設施優化設計提供技術支撐。

      關鍵詞生物滯留;排空時間;設計參數;降雨間隔;模擬試驗

    給水排水

      近年來,隨著海綿城市建設推廣應用,生物滯留設施由于具有良好的水量削減和水質凈化效果[1],逐漸得到廣泛應用,而排空時間對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、設施運行狀況等方面具有重要影響。針對上述問題,國內外已開展了部分研究,如梁小光等[2]分析了歐美國家有關生物滯留設施排空時間的規定及控制方式,提出了生物滯留設施底部穿孔排水管開孔面積計算方法。馬越等[3]推導了濕陷性黃土地區典型生物滯留設施調蓄容積與排空時間的關系式,該公式僅適用于種植土層、礫石層孔隙水飽和狀態。

      楊慶華等[4]分析了低影響開發雨水調蓄設施蓄水深度與降雨量、硬化率以及滲透系數之間的相關性,推導了調蓄設施的調蓄容積理論計算公式。唐雪芹[5]通過生物滯留帶產流延時、蓄水層蓄水時間等5個指標,評價了生物滯留帶的蓄滲效果,提出了最優蓄滲效果的構造組合。在生物滯留設施工程應用中,常常由于排空時間選擇不當,而導致蚊蠅滋生、植物受淹等問題,因此,合理選擇生物滯留設施排空時間對于其設計和運行維護至關重要。目前我國GB51222—2017《城鎮內澇防治技術規范》中規定下凹式綠地“排空時間宜為24~28h”[6],對于生物滯留設施的設計尚未明確規定。國外對生物滯留設施排空時間的規定差異較大。

      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施排空時間上限值為24~28h,下限值不宜低于6~12h。綜上可見,生物滯留設施設計參數對排空時間的量化影響還缺乏系統研究,此外,對于調蓄層排空時間的研究也尚未見報道。 生物滯留設施排空時間一般指設施蓄水量全部排出所需時間,本文根據生物滯留設施滲透過程及其對雨水徑流控制效果、植物健康生長的影響,將排空時間分為調蓄層排空時間與完全排空時間。

      調蓄層排空時間為生物滯留蓄水層最大蓄水體積排空所需時間,主要受設計調蓄水深和生物滯留設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;完全排空時間為生物滯留設施開始進水至排水管停止出流所需時間,主要受生物滯留設施滲透性能、設計滯蓄容積、生物滯留介質吸水率等參數影響,是影響植物耐淹性能的主要因素。通過實驗室柱狀模擬試驗,系統研究了不同影響因素條件下,生物滯留設施調蓄層排空時間和完全排空時間的變化特征,以期為生物滯留設施的精細化設計、施工與維護管理提供依據。

      1裝置與方法

      1.1材料與裝置生物滯留結構類型對其水量水質控制效果具有重要影響,冉陽等[22]研究提出生物滯留池經結構優化、有效蓄水深度、入滲率和水力流動方向等方面改良后,可提升雨水入滲速率及對氮、磷污染物的去除效果。設計了包括傳統型、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裝置。

      各裝置尺寸均為

      1.2試驗方法

      試驗進水采用瞬時進水方式,進水量為設計調蓄高度最大蓄水量,出流流量記錄間隔為1min,流速較大時采用量筒測量,當出流流速降低至1mL/s時,使用翻斗式雨量計(型號HOBORG3-M)測量。試驗中通過安裝在淹沒出流管不同高度的閥門控制淹沒區高度。

      不同類型生物滯留設施介質層總高度均為80cm。測量滲透系數時,每10cm設置一個監測點,以傳統型為例,滲透系數采用常水頭法測量,不同類型生物滯留設施的種植層各深度滲透速率。傳統型、無植物型、混合型、覆蓋層型的1均較小,說明其表層滲透性能較差。與相關研究試驗結果一致,謝瑤[23]研究發現生物滯留表層20cm由于堵塞等原因,滲透性能最差。因此,實際應用中為提高生物滯留蓄水的下滲速率,種植土表層0~20cm建議使用滲透系數較高的介質,林宏軍等[24]研究發現通過將部分填料倒置于表層,倒置生物滯留的徑流總量控制率、峰值削減率和污染物去除效果均優于傳統生物滯留。

      2結果與討論

      2.1調蓄高度對排空時間的影響

      生物滯留設施調蓄層調蓄高度對其滲透過程具有重要影響,不同調蓄高度條件下,傳統生物滯留設施2h出流過程線。不同試驗工況的出流流速均為先增加后降低變化趨勢,且隨著調蓄高度的增加,出流的峰值流速增加,出流速率均在第10分鐘左右達到峰值,調蓄高度為5、10、15、20cm時,出流峰值速率分別為0.04、0.14、0.24、0.31L/min。因此,適當增加生物滯留調蓄高度可以增加雨水徑流的下滲速率。生物滯留設施調蓄高度可直接影響排空時間,傳統型在不同調蓄高度條件下排空時間。

      隨著調蓄高度的增加,生物滯留設施調蓄層排空時間和完全排空時間均增加,調蓄高度由5cm增至20cm時,調蓄層排空時間由35min增加到100min,完全排空時間由25h增加到37h。同時,隨著調蓄高度的增加,生物滯留設施開始出流時間提前,出流總量增加,調蓄高度由5cm增至20cm時,底部排水口開始出流時間由第55分鐘提前至第26分鐘,出流總量增加20.93L,水量削減率由39.6%降至19.5%。因此,通過增加調蓄高度可以增加生物滯留調蓄層和完全排空時間,但出流時間提前,水量削減率降低。

      2.2結構類型對排空時間的影響

      2.2.1結構類型對調蓄層排空時間的影響

      不同類型生物滯留設施在試驗條件下調蓄層排空時間。調蓄層排空時間為10~140min,各影響因素變化條件下調蓄層排空時間由低到高順序均為倒置型<混合型<傳統型<無植物型<覆蓋層型,與各裝置equ由高到低順序基本相同,可見在相同試驗條件下,滲透系數越高,調蓄層排空時間越快。

      調蓄高度由10cm增至20cm時,倒置型的調蓄層排空時間由20min增至90min,增長幅度超過其他4種類型,原因為倒置結構使用滲透系數較高的填料倒置在種植土層上,在增加表層滲透系數的同時可充分發揮填料層空隙的滯蓄作用,相當于增加了調蓄層的容積。蓄水較少時由于填料滲透系數較大,下滲速度快,當蓄水深度超過填料層厚度時,下滲速度減慢,調蓄層排空時間變長?梢娬{蓄層排空時間主要由生物滯留表層滲透系數決定。

      不同類型生物滯留設施的調蓄層排空時間均隨調蓄高度的增加而增加,變化范圍為15~140min,隨降雨間隔時間的增加而降低,變化范圍為20~100min;隨淹沒高度的增加,調蓄層排空時間整體呈增加趨勢,變化范圍為10~80min,但在淹沒高度由10cm增至20cm時,不同類型生物滯留的調蓄層排空時間變化不一致,覆蓋層型和倒置型分別縮短3和5min,傳統型不變,無植物和倒置型均增加5min,說明淹沒高度對其調蓄層排空時間影響較低。對3種影響因素與調蓄層排空時間進行SPSS相關性分析,結果顯著性水平均小于0.05,說明3種影響因素均與調蓄層排空時間顯著相關,其相關系數絕對值由高到低排序與時間變化范圍由大到小排序一致,因此,調蓄層排空時間的影響大小為調蓄高度>降雨間隔>淹沒高度。

      3結論

      (1)隨著調蓄高度的增加,生物滯留設施調蓄層排空時間和完全排空時間均增加;隨著內部淹沒高度的增加,生物滯留設施調蓄層排空時間增加,完全排空時間減少;隨著降雨間隔時間的增加,生物滯留設施調蓄層排空時間減少,有植物生物滯留設施完全排空時間增加,無植物生物滯留設施完全排空時間減少。

      (2)調蓄高度、淹沒高度、降雨間隔3種影響因素與生物滯留設施調蓄層排空時間、完全排空時間均顯著相關,且對調蓄層排空時間的影響程度由高到低為:調蓄高度>降雨間隔>淹沒高度;對完全排空時間的影響程度由高到低為:降雨間隔>調蓄高度>淹沒高度。

      水利論文投稿刊物:《給水排水》(月刊)曾用刊名:(建筑技術通訊)創刊于1964年,是中國建筑科學類中文核心期刊,中國科技論文統計源期刊。設有城市給排水,工業給排水,建筑給排水,施工、材料與設備,策略研討,科技信息綜述,標準規范交流園地,計算機技術,研究生論文摘要,信息市場等欄目。

      (3)不同結構的生物滯留設施滲透和貯水能力不同,排空時間差異較大,調蓄層排空時間范圍為10~140min,完全排空時間范圍為6~47h。在實際工程應用中,應根據當地降雨特征和設計目標要求,合理確定調蓄層排空時間和完全排空時間,并應注意二者的區別。

      參考文獻:

      [1]北京市規劃和自然資源委員會.海綿城市建設設計標準:DB11/T1743—2020[S].北京:中國標準出版社,2020.

      [2]梁小光,魏忠慶,上官海東,等.海綿城市建設中生物滯留設施排空時間研究[J].給水排水,2018,54(11):26-30.LIANGXG,WEIZQ,SHANGGUANHD,etal.Researchontheemptyingtimeofbiologicaldetentionfacilityinspongecityconstruction[J].Water&WastewaterEngineering,2018,54(11):26-30.

      [3]馬越,胡志平,姬國強,等.濕陷性黃土地區海綿城市建設雨水滲蓄風險防控若干問題探討[J].給水排水,2020,56(9):70-77.MAY,HUZP,JIGQ,etal.Discussiononriskcontrolofstormwaterinfiltrationanddetentionforspongecityconstructionincollapsibleloessarea[J].Water&WastewaterEngineering,2020,56(9):70-77.

      [4]楊慶華,楊乾,唐雪芹.基于低影響開發策略的雨水調蓄容積取值計算[C]//《環境工程》2018年全國學術年會論文集(下冊)北京:《環境工程》編輯部,2018:264-268.

      作者:李凱1,王建龍1,2*,林宏軍3,王澤熙1,彭柳葦1,張長鶴1

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