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1 研究背景

生物滞留设施指在地势较低的区域，通过植物、土壤和微生物系统蓄渗、净化径流雨水的设施，宜在土基上铺设，自上而下宜设置蓄水层、覆盖层、种植层、透水土工布和砾石层，如图1所示。

在生物滞留设施的设计和运行维护过程中，排空时间是一个重要的参数，其取值会影响到设施用地面积、植物健康成长、设施运行维护频率、蚊蝇孳生和径流控制效果等多个方面。在欧美国家的相关设计手册中，普遍对生物滞留设施排空时间有明确规定，例如：美国宾夕法尼亚州和华盛顿规定排空时间不得超过72 h，纽约州、明尼苏达州、密歇根州规定排空时间不得超过48 h，乔治亚洲、康涅狄格州规定排空时间不得超过24 h，北卡罗来纳州规定排空时间不得超过12 h，艾奥瓦州推荐排空时间为4～12 h，缅因州规定排空时间不得超过48 h，且不得低于24 h，科罗拉多州丹佛市规定排空时间不得超过12 h，同时最小渗透系数应为按12 h排空时间计算所得渗透系数的2倍，加拿大埃德蒙顿市规定排空时间不得超过48 h，英国生物滞留设施排空时间推荐值为24～48 h。排空时间通常被用来计算生物滞留设施的表面积，和种植层土壤渗透系数密切相关。

为了防止蚊蝇孳生，生物滞留设施应具有及时排空蓄存雨水的能力，这意味着排空时间不宜过大，但为了实现一定的径流控制效果(雨水净化和缓释)，生物滞留设施排空时间又不宜过小，这两种不同的要求对生物滞留设施的建设和运行维护带来了一定的困难和挑战。目前，主流的设计方法只要求种植层土壤的渗透系数不能低于某个规定值，以防蚊蝇孳生，却很少对如何防止生物滞留设施排空速度过快给出可行的控制措施和控制方法。为实现运行过程中排空时间的可控，美国科罗拉多大学丹佛分校的郭纯园教授提出在生物滞留设施底部穿孔排水管末端设置阀门(cap-orifice)来控制排空时间，该方法在丹佛市得到应用。

现阶段我国海绵城市建设中生物滞留设施建设和运行维护过程都比较粗放，个别项目甚至由于生物滞留设施长时间积水而引起居民投诉。因此，明确规定生物滞留设施排空时间，并围绕其建立切实可行的设计方法体系，对促进我国海绵城市建设事业的健康发展具有重要意义。

2 生物滞留设施表面积计算

根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》(GB 51174—2017)4.3.6条规定，生物滞留设施表面积计算见式(1)：

Af=V/[fmt+dbcnr+dp(1-nz)](1)

式中 Af——生物滞留设施表面积，m²;

V——调蓄容积，m³，可按年径流总量控制率对应的单位面积调蓄深度计算;

fm——土壤入渗率，mm/h;

dbc——生物滞留设施种植层和砾石层的总厚度，mm;

nr——种植层和砾石层平均孔隙率;

dp——生物滞留设施表面蓄水层厚度，mm;

nz——植物横截面积占蓄水层表面积的百分比。

式(1)中参数t未明确含义，根据上下文推测应为降雨历时。可以看出，式(1)中生物滞留设施的表面积计算与排空时间无关，它将生物滞留设施设计调蓄容积分为3部分：一是降雨过程中下渗量，二是扣除植物茎秆所占空间后蓄水层蓄水量，三是种植层和砾石层蓄水量。一般来讲，表面蓄水层蓄水量不宜小于生物滞留设施总蓄水量的50%。计算时，种植层平均孔隙率可取25%，砾石层平均孔隙率可取40%。

美国常用的生物滞留设施表面积计算公式为：

Af=Vds/[ks(ds+df)tf](2)

式中 V——水质控制容积WQv，m³，计算方法和式(1)中调蓄容积相同;

ks——种植层土壤渗透系数，mm/h;

ds——生物滞留设施种植层厚度，mm;

df——生物滞留设施表面层平均蓄水厚度，df=dp/2，mm;

tf——排空时间，h。

式(2)基于达西定律，并考虑了生物滞留设施在排空过程中表面蓄水层蓄水深度变化的影响，计算原理和式(1)有本质不同。式(1)是从蓄水的角度计算所需的生物滞留设施表面积，式(2)是从排空的角度计算所需的生物滞留设施表面积，两者相辅相成，并不矛盾。生物滞留设施的表面积应同时满足式(1)和式(2)的要求。

3土壤渗透系数及成层土等效渗透系数

土壤渗透系数是生物滞留设施设计的一个重要参数。当原生土壤渗透性较强时，砾石层中可不设置底部穿孔排水管，雨水全部渗入地下，当原生土壤渗透系数小于12.7 mm/h时，砾石层中可能需要埋设底部穿孔排水管，也可根据土壤渗透系数大小设置部分渗透系统。在美国SCS土壤分类中，渗透性最好的A类土壤稳定渗透系数也仅为7.6～11.4 mm/h。因此，生物滞留设施一般都需要对土壤进行改良，改良后的土壤(可称为种植土)成分各有不同，但普遍表现出沙粒含量高、粘粒含量低和有机质含量适中的特点。改良后的种植土初始渗透系数很高，但在使用过程中渗透系数会快速下降，因此，式(2)中使用的渗透系数通常采用考虑堵塞后的渗透系数，一般取值为12.7 mm/h。在对生物滞留设施排空能力要求高的地区，渗透系数取值会更大，相应的运行维护也将更加频繁，例如：美国北卡罗来纳州在新版《雨水设计手册》中新增规定“种植层土壤最小渗透系数不得低于25.4 mm/h，否则必须进行设施维护”。也有少数情况下，规定值为初始渗透系数，例如：英国《可持续排水系统手册》中规定“种植层土壤渗透系数应为100～300 mm/h”。