本發(fā)明涉及一種生物滯留設(shè)施排水系統(tǒng)，具體是一種針對濕潤地區(qū)雨水雙效控制的生物滯留設(shè)施內(nèi)部排水系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，屬于雨水處理
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：城市暴雨洪澇減災(zāi)技術(shù)已經(jīng)成為我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中迫切要求解決的關(guān)鍵問題。新形勢下國家大力推進的“海綿城市”建設(shè)，強調(diào)城市地表對雨水在自然循環(huán)過程中尤其是入滲過程中的自然積存、自然滲透和自然凈化能力，突出城市建設(shè)的低影響開發(fā)特點。生物滯留設(shè)施是一種有效的低影響開發(fā)雨洪管理措施，一般由蓄水層、覆蓋層、填料層、礫石調(diào)蓄層組成，主要通過植物(微生物)、填料的共同作用實現(xiàn)對雨水的調(diào)節(jié)、滲透、轉(zhuǎn)輸、儲存和凈化，近年來在國內(nèi)外應(yīng)用非常廣泛。研究表明生物滯留系統(tǒng)對小降雨事件具有更好的調(diào)控效果，但對高重現(xiàn)期降雨的調(diào)控能力非常有限。對于降雨總量、峰值均較大的南方濕潤地區(qū)，生物滯留設(shè)施下滲速率有限，可能會發(fā)生淹沒、沖刷、堵塞等情況，影響其正常運行。技術(shù)實現(xiàn)要素：發(fā)明目的：針對南方濕潤地區(qū)的降雨峰高量大特征，綜合考慮雨水峰值及總量雙效控制目標，本發(fā)明提供一種針對濕潤地區(qū)雨水雙效控制的生物滯留設(shè)施內(nèi)部排水系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，對生物滯留設(shè)施通過增設(shè)排水系統(tǒng)來提高其滲透性能，促進雨水的入滲、截留和排放。以期為國內(nèi)生物滯留系統(tǒng)及其他低影響開發(fā)措施的設(shè)計和施工提供理論指導和技術(shù)支撐。技術(shù)方案：一種針對濕潤地區(qū)雨水雙效控制的生物滯留設(shè)施內(nèi)部排水系統(tǒng)，在生物滯留設(shè)施中增設(shè)底部排水管和溢流堰，分別用于控制雨水總量和峰值，底部排水管主要用于雨水總量調(diào)蓄，溢流堰主要用于雨水峰值的控制；所述底部排水管設(shè)置在生物滯留設(shè)施滲透層的下方，底部排水管上設(shè)有多個開孔，開孔截面分布應(yīng)沿排水管軸中心點對稱均勻分布，底部排水管側(cè)面開孔的分布應(yīng)為平行于排水管軸線的均勻直線分布。排水管位于排水層中部，管上、下留有安全距離，尤其是開縫/孔的下方，墊有集料保證排水暢通。所述溢流堰為正方形溢流堰，溢流堰設(shè)置于生物滯留設(shè)施中部或者根據(jù)實際需要進行適當調(diào)整(如設(shè)置為生物滯留設(shè)施邊緣豁口進行排水，在此種情況下應(yīng)保證與該設(shè)計的溢流堰排水線長度相等)。針對底部排水管和溢流堰不同的工作性質(zhì)(底部排水管側(cè)重雨水總量調(diào)蓄，溢流堰側(cè)重雨水峰值的控制)，采取不同的標準和計算公式對其具體尺寸進行推導。底部排水管采取《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中徑流總量控制標準，根據(jù)colebrook-white公式對其管徑尺寸進行推算，根據(jù)孔口公式對其孔徑進行推算。溢流堰采取《室外排水設(shè)計規(guī)范(2014版)》雨水管道峰值控制標準，采取寬頂堰公式和孔口公式分別對自由出流和淹沒出流條件下的溢流堰邊長進行推算。最終得出底部排水管管徑、孔徑及溢流堰邊長計算公式。一種針對濕潤地區(qū)雨水雙效控制的生物滯留設(shè)施內(nèi)部排水系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，在生物滯留設(shè)施中增設(shè)底部排水管和溢流堰，分別用于控制雨水總量和峰值，底部排水管主要用于雨水總量調(diào)蓄，溢流堰主要用于雨水峰值的控制；底部排水管的作用是將下滲雨水量及時排出，此過程緩慢持續(xù)進行，注重對雨水總量的調(diào)節(jié)。溢流堰的作用是將多余雨水尤其是峰值雨水及時溢流進入雨水管道，避免對下滲層的淹沒、沖刷進而造成堵塞等情況，此過程只在雨水量較大時出現(xiàn)，注重對雨水峰值的調(diào)節(jié)。所述底部排水管設(shè)計流量確定即根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中年徑流總量控制標準，根據(jù)不同徑流總量控制率查找相對的設(shè)計降雨量，由該部分降雨量計算底部排水管設(shè)計流量?！逗＞d城市建設(shè)技術(shù)指南》中規(guī)定了低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)年徑流總量控制率與設(shè)計降雨量之間的關(guān)系，對于不同的城市不同的年徑流總量控制率，都能查到與之相對應(yīng)的設(shè)計降雨量。對于本發(fā)明中的生物滯留設(shè)施，我們也可以查到相對應(yīng)的設(shè)計降雨量，該部分降雨量就是我們生物滯留設(shè)施需要下滲調(diào)蓄的降雨量。對于底部排水管流量設(shè)計，應(yīng)考慮最不利的情況，當生物滯留設(shè)施土壤含水量達到飽和時，則該設(shè)計降雨量就是底部排水管需要排出的雨水量。綜合考慮各因素，給出以下底部排水管流量設(shè)計公式，如公式(7)所述。式中，qp-生物滯留設(shè)施底部排水管設(shè)計流量(m3/s)；h-生物滯留設(shè)施設(shè)計降雨量(mm)；φ-生物滯留設(shè)施服務(wù)區(qū)域徑流系數(shù)；f-生物滯留設(shè)施服務(wù)面積(hm2)；t-下滲時間(min)，一般可取120min。所述溢流堰設(shè)計流量確定即根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范(2014版)》中雨水管道峰值流量控制標準，綜合考慮各因素，根據(jù)雨水管道流量設(shè)計公式給出以下溢流堰流量設(shè)計公式，如式(8)所示。式中，q-生物滯留設(shè)施溢流堰設(shè)計流量(m3/s)；φ-生物滯留設(shè)施服務(wù)區(qū)域徑流系數(shù)，其數(shù)值小于1；a1、c、b、n-地方參數(shù)，反映降雨特征。p-設(shè)計重現(xiàn)期(a)；t2-降水時間(min)；f-生物滯留設(shè)施服務(wù)面積(hm2)。所述底部排水管尺寸設(shè)計公式確定即根據(jù)colebrook-white公式及相關(guān)經(jīng)驗參數(shù)，給出以下排水管管徑迭代計算公式，如式(9)所示。式中，qp-生物滯留設(shè)施底部排水管設(shè)計流量(m3/s)；dpipe-底部排水管設(shè)計管徑(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。所述孔徑設(shè)計公式即根據(jù)孔口公式反推計算排水管孔徑，如式(10)所示。其中，dperf-排水管開孔孔徑(mm)；qp-生物滯留設(shè)施排水管設(shè)計流量(m3/s)；n為全管開孔數(shù)；h為管上水頭(生物滯留設(shè)施過濾層總深度、生物滯留設(shè)施最大積水深度之和)。所述正方形溢流堰邊長設(shè)計公式確定即考慮自由出流和淹沒出流兩種情況，自由出流情況根據(jù)寬頂堰公式導出正方形堰邊長如式(11)所示，淹沒出流采用孔口公式導出正方形堰邊長如式(12)所示，l1、l2取較大值作為溢流堰邊長設(shè)計值，如式(11)、(12)所示。其中，l1-溢流堰設(shè)計邊長(mm)；qw-生物滯留設(shè)施溢流堰設(shè)計流量(m3/s)；h-堰上水頭(m)(溢流堰頂部距最高水位的距離)；其中，l2-溢流堰設(shè)計邊長(mm)；h-堰上水頭(m)(溢流堰頂部距最高水位的距離)。有益效果：相對于現(xiàn)有方法，本發(fā)明提供的一種針對濕潤地區(qū)雨水雙效控制的生物滯留設(shè)施內(nèi)部排水系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，可實現(xiàn)對雨水總量及峰值的雙效控制，計算步驟簡單，原理清楚，對于南方濕潤地區(qū)生物滯留設(shè)施排水系統(tǒng)構(gòu)建提供簡單有效的判斷依據(jù)。具體效果如下：1、本發(fā)明簡化計算步驟，化繁為簡，可在缺乏相關(guān)參數(shù)的情況下，作為生物滯留設(shè)施排水系統(tǒng)尺寸設(shè)計的初步判斷依據(jù)。2、本發(fā)明排水管尺寸設(shè)計符合《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》年徑流總量控制標準，可對雨水總量進行有效調(diào)控，及時將下滲水量排出，保證生物滯留設(shè)施正常運行。3、本發(fā)明溢流堰尺寸設(shè)計符合排水管道峰值控制標準，可及時將多余雨水及峰值雨水溢流進入雨水管道，避免對生物滯留下滲層的過度沖刷、淹沒，防止發(fā)生堵塞等情況，保證生物滯留設(shè)施正常運行。4、本發(fā)明系統(tǒng)地提出生物滯留設(shè)施排水系統(tǒng)設(shè)計方法，位南方濕潤地區(qū)生物滯留設(shè)施排水系統(tǒng)設(shè)計提供參考，具有一定的實際意義與工程應(yīng)用價值，可達到對特大雨水的總量及峰值的雙效控制，保證生物滯留設(shè)施的正常運行，對減輕洪澇災(zāi)害具有一定的實際價值。附圖說明圖1為生物滯留設(shè)施排水系統(tǒng)構(gòu)型示意圖；圖2為生物滯留設(shè)施排水系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖。具體實施方式下面結(jié)合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。針對濕潤地區(qū)雨水雙效控制的生物滯留設(shè)施內(nèi)部排水系統(tǒng)，在生物滯留設(shè)施中增設(shè)底部排水管和溢流堰，分別用于控制雨水總量和峰值，底部排水管主要用于雨水總量調(diào)蓄，溢流堰主要用于雨水峰值的控制；底部排水管設(shè)置在生物滯留設(shè)施滲透層的下方，開孔截面分布應(yīng)沿排水管軸中心點對稱均勻分布，開孔側(cè)面分布應(yīng)為平行于軸線的均勻直線分布。排水管應(yīng)位于排水層中部，管上、下留有一定的安全距離，尤其是開縫/孔的下部，應(yīng)墊有一定厚度的集料保證排水暢通。溢流堰為正方形溢流堰，溢流堰應(yīng)設(shè)置于生物滯留設(shè)施中部或者根據(jù)實際需要進行適當調(diào)整(如設(shè)置為生物滯留設(shè)施邊緣豁口進行排水，在此種情況下應(yīng)保證與該設(shè)計的溢流堰排水線長度相等)。針對底部排水管和溢流堰不同的工作性質(zhì)(底部排水管側(cè)重雨水總量調(diào)蓄，溢流堰側(cè)重雨水峰值的控制)，采取不同的標準和計算公式對其具體尺寸進行推導。底部排水管采取《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中徑流總量控制標準，根據(jù)colebrook-white公式對其管徑尺寸進行推算，根據(jù)孔口公式對其孔徑進行推算。溢流堰采取《室外排水設(shè)計規(guī)范(2014版)》雨水管道峰值控制標準，采取寬頂堰公式和孔口公式分別對自由出流和淹沒出流條件下的溢流堰邊長進行推算。最終得出底部排水管管徑、孔徑及溢流堰邊長計算公式。針對濕潤地區(qū)雨水雙效控制的生物滯留設(shè)施內(nèi)部排水系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，在生物滯留設(shè)施中增設(shè)底部排水管和溢流堰，分別用于控制雨水總量和峰值，底部排水管主要用于雨水總量調(diào)蓄，溢流堰主要用于雨水峰值的控制；底部排水管的作用是將下滲雨水量及時排出，此過程緩慢持續(xù)進行，注重對雨水總量的調(diào)節(jié)。溢流堰的作用是將多余雨水尤其是峰值雨水及時溢流進入雨水管道，避免對下滲層的淹沒、沖刷進而造成堵塞等情況，此過程只在雨水量較大時出現(xiàn)，注重對雨水峰值的調(diào)節(jié)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。底部排水管設(shè)計流量確定即根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中年徑流總量控制標準，根據(jù)不同徑流總量控制率查找相對的設(shè)計降雨量，由該部分降雨量計算底部排水管設(shè)計流量?！逗＞d城市建設(shè)技術(shù)指南》中規(guī)定了低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)年徑流總量控制率與設(shè)計降雨量之間的關(guān)系，對于不同的城市不同的年徑流總量控制率，都能查到與之相對應(yīng)的設(shè)計降雨量。對于本發(fā)明中的生物滯留設(shè)施，我們也可以查到相對應(yīng)的設(shè)計降雨量，該部分降雨量就是我們生物滯留設(shè)施需要下滲調(diào)蓄的降雨量。對于底部排水管流量設(shè)計，應(yīng)考慮最不利的情況，當生物滯留設(shè)施土壤含水量達到飽和時，則該設(shè)計降雨量就是底部排水管需要排出的雨水量。綜合考慮各因素，給出以下底部排水管流量設(shè)計公式，如公式(7)所述。式中，qp-生物滯留設(shè)施底部排水管設(shè)計流量(m3/s)；h-生物滯留設(shè)施設(shè)計降雨量(mm)；φ-生物滯留設(shè)施服務(wù)區(qū)域徑流系數(shù)，參考公式及參數(shù)說明；f-生物滯留設(shè)施服務(wù)面積(hm2)；t-下滲時間(min)，一般可取120min。所述溢流堰設(shè)計流量確定即根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范(2014版)》中雨水管道峰值流量控制標準，綜合考慮各因素，根據(jù)雨水管道流量設(shè)計公式給出以下溢流堰流量設(shè)計公式，如式(8)所示。式中，q-生物滯留設(shè)施溢流堰設(shè)計流量(m3/s)；φ-生物滯留設(shè)施服務(wù)區(qū)域徑流系數(shù)，其數(shù)值小于1；a1、c、b、n-地方參數(shù)，反映降雨特征，參考公式及參數(shù)說明。p-設(shè)計重現(xiàn)期(a)；t2-降水時間(min)；f-生物滯留設(shè)施服務(wù)面積(hm2)。所述底部排水管尺寸設(shè)計公式確定即根據(jù)colebrook-white公式及相關(guān)經(jīng)驗參數(shù)，給出以下排水管管徑迭代計算公式，如式(9)所示。式中，qp-生物滯留設(shè)施底部排水管設(shè)計流量(m3/s)；dpipe-底部排水管設(shè)計管徑(mm)；k-管壁粗糙度，參考公式及參數(shù)說明。注：g取9.81m/s2；i取0.5％；ν取20℃下1.007·10-6m2/s；π取3.14。所述孔徑設(shè)計公式即根據(jù)孔口公式反推計算排水管孔徑，如式(10)所示。其中，dperf-排水管開孔孔徑(mm)；qp-生物滯留設(shè)施排水管設(shè)計流量(m3/s)；n為全管開孔數(shù)；h為管上水頭(生物滯留設(shè)施過濾層總深度、生物滯留設(shè)施最大積水深度之和)。所述正方形溢流堰邊長設(shè)計公式確定即考慮自由出流和淹沒出流兩種情況，自由出流情況根據(jù)寬頂堰公式導出正方形堰邊長如式(11)所示，淹沒出流采用孔口公式導出正方形堰邊長如式(12)所示，l1、l2取較大值作為溢流堰邊長設(shè)計值，如式(11)、(12)所示。其中，l1-溢流堰設(shè)計邊長(mm)；qw-生物滯留設(shè)施溢流堰設(shè)計流量(m3/s)；h-堰上水頭(m)(溢流堰頂部距最高水位的距離)；其中，l2-溢流堰設(shè)計邊長(mm)；h-堰上水頭(m)(溢流堰頂部距最高水位的距離)。以南京某四車道道路生物滯留設(shè)施排水系統(tǒng)設(shè)計為例，設(shè)計將綠化帶改造為生物滯留設(shè)施，使道路雨水經(jīng)過路牙開孔進入生物滯留設(shè)施，多余雨水量溢流進入路邊雨水系統(tǒng)。單條機動車道寬度取2.5m，道路雨水口間距取25m，則生物滯留系統(tǒng)匯水面積為250m2生物滯留設(shè)施垂向結(jié)構(gòu):溢流口超高為100mm、蓄水層高150mm、填料層為500mm、礫石排水層為200mm。溢流口設(shè)計標準為5年一遇2h降雨，用穿孔pvc管作為設(shè)施排水系統(tǒng)，布置于排水層中。具體參數(shù)取值見表1所示。表1南京某城區(qū)生物滯留設(shè)施排水系統(tǒng)尺寸計算參數(shù)計算步驟如下：(1)計算底部排水管設(shè)計流量。(2)計算溢流堰設(shè)計流量。(3)計算底部排水管管徑及孔徑。根據(jù)上式迭代計算得dpipe＝75(mm)若采用內(nèi)徑為100mm的pvc管，開孔孔徑取12mm(約0.5英寸)，孔心距取150mm(約6英寸)，環(huán)周均勻開孔3排，則開孔數(shù)為334個(4)計算自由出流及淹沒出流條件下溢流堰邊長l1、l2。(5)得出最終取值結(jié)果，如表2所示。表2生物滯留設(shè)施排水系統(tǒng)尺寸設(shè)計最終取值項目計算值底部排水管設(shè)計流量1.080×10-3(m3/s)溢流堰設(shè)計流量1.862×10-3(m3/s)底部排水管設(shè)計管徑75(mm)底部排水管設(shè)計孔徑2.5(mm)溢流堰設(shè)計邊長50(mm)公式及參數(shù)說明：表3涉及推導計算的水力學公式及雨水管道流量設(shè)計公式表4徑流系數(shù)φ取值參考綜合徑流系數(shù)取值參考區(qū)域情況φ區(qū)域情況φ城鎮(zhèn)建筑密集區(qū)0.60-0.85城鎮(zhèn)建筑稀疏區(qū)0.20-0.45城鎮(zhèn)建筑較密集區(qū)0.45-0.60在實際設(shè)計計算過程中，同一塊匯水面積兼有多種地面覆蓋情況，需要計算整個匯水面積上的平均徑流系數(shù)φav值。計算平均徑流系數(shù)φav的常用方法是采用加權(quán)平均法，如下所示。地方參數(shù)a1、c、b、n常采用年多次法和超定量法進行統(tǒng)計分析確定，反映了一個地方降雨過程特征，本文將南方濕潤地區(qū)已通過統(tǒng)計分析得到的地方參數(shù)取值范圍總結(jié)如下。表5南方地區(qū)地方參數(shù)取值推薦a1cbn南方地區(qū)5.5-630.4-0.750-21.50.11-0.85根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范(2014版)》中排水管渠粗糙系數(shù)推薦值，底部排水管類別相對應(yīng)的粗糙系數(shù)可采取以下推薦值。表6管壁粗糙度取值推薦管道材質(zhì)類別粗糙系數(shù)k推薦值upvc管、pe管、玻璃鋼管0.009-0.011石棉水泥管、鋼管0.012陶土管、鑄鐵管0.013混凝土管、鋼筋混凝土管0.013-0.014當前第1頁12