雨水雙效控制的生物滯留設施內部排水系統及實現方法與流程

本發明涉及一種生物滯留設施排水系統，具體是一種針對濕潤地區雨水雙效控制的生物滯留設施內部排水系統及實現方法，屬于雨水處理
技術領域：
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背景技術：
：城市暴雨洪澇減災技術已經成為我國經濟可持續發展中迫切要求解決的關鍵問題。新形勢下國家大力推進的“海綿城市”建設，強調城市地表對雨水在自然循環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，突出城市建設的低影響開發特點。生物滯留設施是一種有效的低影響開發雨洪管理措施，一般由蓄水層、覆蓋層、填料層、礫石調蓄層組成，主要通過植物(微生物)、填料的共同作用實現對雨水的調節、滲透、轉輸、儲存和凈化，近年來在國內外應用非常廣泛。研究表明生物滯留系統對小降雨事件具有更好的調控效果，但對高重現期降雨的調控能力非常有限。對于降雨總量、峰值均較大的南方濕潤地區，生物滯留設施下滲速率有限，可能會發生淹沒、沖刷、堵塞等情況，影響其正常運行。技術實現要素：發明目的：針對南方濕潤地區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，本發明提供一種針對濕潤地區雨水雙效控制的生物滯留設施內部排水系統及實現方法，對生物滯留設施通過增設排水系統來提高其滲透性能，促進雨水的入滲、截留和排放。以期為國內生物滯留系統及其他低影響開發措施的設計和施工提供理論指導和技術支撐。技術方案：一種針對濕潤地區雨水雙效控制的生物滯留設施內部排水系統，在生物滯留設施中增設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蓄，溢流堰主要用于雨水峰值的控制；所述底部排水管設置在生物滯留設施滲透層的下方，底部排水管上設有多個開孔，開孔截面分布應沿排水管軸中心點對稱均勻分布，底部排水管側面開孔的分布應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，溢流堰設置于生物滯留設施中部或者根據實際需要進行適當調整(如設置為生物滯留設施邊緣豁口進行排水，在此種情況下應保證與該設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(底部排水管側重雨水總量調蓄，溢流堰側重雨水峰值的控制)，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《海綿城市建設技術指南》中徑流總量控制標準，根據colebrook-white公式對其管徑尺寸進行推算，根據孔口公式對其孔徑進行推算。溢流堰采取《室外排水設計規范(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。一種針對濕潤地區雨水雙效控制的生物滯留設施內部排水系統的實現方法，在生物滯留設施中增設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，此過程緩慢持續進行，注重對雨水總量的調節。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，注重對雨水峰值的調節。所述底部排水管設計流量確定即根據《海綿城市建設技術指南》中年徑流總量控制標準，根據不同徑流總量控制率查找相對的設計降雨量，由該部分降雨量計算底部排水管設計流量。《海綿城市建設技術指南》中規定了低影響開發雨水系統年徑流總量控制率與設計降雨量之間的關系，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的設計降雨量。對于本發明中的生物滯留設施，我們也可以查到相對應的設計降雨量，該部分降雨量就是我們生物滯留設施需要下滲調蓄的降雨量。對于底部排水管流量設計，應考慮最不利的情況，當生物滯留設施土壤含水量達到飽和時，則該設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計公式，如公式(7)所述。式中，qp-生物滯留設施底部排水管設計流量(m3/s)；h-生物滯留設施設計降雨量(mm)；φ-生物滯留設施服務區域徑流系數；f-生物滯留設施服務面積(hm2)；t-下滲時間(min)，一般可取120min。所述溢流堰設計流量確定即根據《室外排水設計規范(2014版)》中雨水管道峰值流量控制標準，綜合考慮各因素，根據雨水管道流量設計公式給出以下溢流堰流量設計公式，如式(8)所示。式中，q-生物滯留設施溢流堰設計流量(m3/s)；φ-生物滯留設施服務區域徑流系數，其數值小于1；a1、c、b、n-地方參數，反映降雨特征。p-設計重現期(a)；t2-降水時間(min)；f-生物滯留設施服務面積(hm2)。所述底部排水管尺寸設計公式確定即根據colebrook-white公式及相關經驗參數，給出以下排水管管徑迭代計算公式，如式(9)所示。式中，qp-生物滯留設施底部排水管設計流量(m3/s)；dpipe-底部排水管設計管徑(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。所述孔徑設計公式即根據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-生物滯留設施排水管設計流量(m3/s)；n為全管開孔數；h為管上水頭(生物滯留設施過濾層總深度、生物滯留設施最大積水深度之和)。所述正方形溢流堰邊長設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計值，如式(11)、(12)所示。其中，l1-溢流堰設計邊長(mm)；qw-生物滯留設施溢流堰設計流量(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：相對于現有方法，本發明提供的一種針對濕潤地區雨水雙效控制的生物滯留設施內部排水系統及實現方法，可實現對雨水總量及峰值的雙效控制，計算步驟簡單，原理清楚，對于南方濕潤地區生物滯留設施排水系統構建提供簡單有效的判斷依據。具體效果如下：1、本發明簡化計算步驟，化繁為簡，可在缺乏相關參數的情況下，作為生物滯留設施排水系統尺寸設計的初步判斷依據。2、本發明排水管尺寸設計符合《海綿城市建設技術指南》年徑流總量控制標準，可對雨水總量進行有效調控，及時將下滲水量排出，保證生物滯留設施正常運行。3、本發明溢流堰尺寸設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，防止發生堵塞等情況，保證生物滯留設施正常運行。4、本發明系統地提出生物滯留設施排水系統設計方法，位南方濕潤地區生物滯留設施排水系統設計提供參考，具有一定的實際意義與工程應用價值，可達到對特大雨水的總量及峰值的雙效控制，保證生物滯留設施的正常運行，對減輕洪澇災害具有一定的實際價值。附圖說明圖1為生物滯留設施排水系統構型示意圖；圖2為生物滯留設施排水系統實現流程圖。具體實施方式下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。針對濕潤地區雨水雙效控制的生物滯留設施內部排水系統，在生物滯留設施中增設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蓄，溢流堰主要用于雨水峰值的控制；底部排水管設置在生物滯留設施滲透層的下方，開孔截面分布應沿排水管軸中心點對稱均勻分布，開孔側面分布應為平行于軸線的均勻直線分布。排水管應位于排水層中部，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，溢流堰應設置于生物滯留設施中部或者根據實際需要進行適當調整(如設置為生物滯留設施邊緣豁口進行排水，在此種情況下應保證與該設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(底部排水管側重雨水總量調蓄，溢流堰側重雨水峰值的控制)，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《海綿城市建設技術指南》中徑流總量控制標準，根據colebrook-white公式對其管徑尺寸進行推算，根據孔口公式對其孔徑進行推算。溢流堰采取《室外排水設計規范(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。針對濕潤地區雨水雙效控制的生物滯留設施內部排水系統的實現方法，在生物滯留設施中增設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，此過程緩慢持續進行，注重對雨水總量的調節。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，注重對雨水峰值的調節，具體結構如圖1所示。底部排水管設計流量確定即根據《海綿城市建設技術指南》中年徑流總量控制標準，根據不同徑流總量控制率查找相對的設計降雨量，由該部分降雨量計算底部排水管設計流量。《海綿城市建設技術指南》中規定了低影響開發雨水系統年徑流總量控制率與設計降雨量之間的關系，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的設計降雨量。對于本發明中的生物滯留設施，我們也可以查到相對應的設計降雨量，該部分降雨量就是我們生物滯留設施需要下滲調蓄的降雨量。對于底部排水管流量設計，應考慮最不利的情況，當生物滯留設施土壤含水量達到飽和時，則該設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計公式，如公式(7)所述。式中，qp-生物滯留設施底部排水管設計流量(m3/s)；h-生物滯留設施設計降雨量(mm)；φ-生物滯留設施服務區域徑流系數，參考公式及參數說明；f-生物滯留設施服務面積(hm2)；t-下滲時間(min)，一般可取120min。所述溢流堰設計流量確定即根據《室外排水設計規范(2014版)》中雨水管道峰值流量控制標準，綜合考慮各因素，根據雨水管道流量設計公式給出以下溢流堰流量設計公式，如式(8)所示。式中，q-生物滯留設施溢流堰設計流量(m3/s)；φ-生物滯留設施服務區域徑流系數，其數值小于1；a1、c、b、n-地方參數，反映降雨特征，參考公式及參數說明。p-設計重現期(a)；t2-降水時間(min)；f-生物滯留設施服務面積(hm2)。所述底部排水管尺寸設計公式確定即根據colebrook-white公式及相關經驗參數，給出以下排水管管徑迭代計算公式，如式(9)所示。式中，qp-生物滯留設施底部排水管設計流量(m3/s)；dpipe-底部排水管設計管徑(mm)；k-管壁粗糙度，參考公式及參數說明。注：g取9.81m/s2；i取0.5％；ν取20℃下1.007·10-6m2/s；π取3.14。所述孔徑設計公式即根據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-生物滯留設施排水管設計流量(m3/s)；n為全管開孔數；h為管上水頭(生物滯留設施過濾層總深度、生物滯留設施最大積水深度之和)。所述正方形溢流堰邊長設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計值，如式(11)、(12)所示。其中，l1-溢流堰設計邊長(mm)；qw-生物滯留設施溢流堰設計流量(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施排水系統設計為例，設計將綠化帶改造為生物滯留設施，使道路雨水經過路牙開孔進入生物滯留設施，多余雨水量溢流進入路邊雨水系統。單條機動車道寬度取2.5m，道路雨水口間距取25m，則生物滯留系統匯水面積為250m2生物滯留設施垂向結構:溢流口超高為100mm、蓄水層高150mm、填料層為500mm、礫石排水層為200mm。溢流口設計標準為5年一遇2h降雨，用穿孔pvc管作為設施排水系統，布置于排水層中。具體參數取值見表1所示。表1南京某城區生物滯留設施排水系統尺寸計算參數計算步驟如下：(1)計算底部排水管設計流量。(2)計算溢流堰設計流量。(3)計算底部排水管管徑及孔徑。根據上式迭代計算得dpipe＝75(mm)若采用內徑為100mm的pvc管，開孔孔徑取12mm(約0.5英寸)，孔心距取150mm(約6英寸)，環周均勻開孔3排，則開孔數為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)得出最終取值結果，如表2所示。表2生物滯留設施排水系統尺寸設計最終取值項目計算值底部排水管設計流量1.080×10-3(m3/s)溢流堰設計流量1.862×10-3(m3/s)底部排水管設計管徑75(mm)底部排水管設計孔徑2.5(mm)溢流堰設計邊長50(mm)公式及參數說明：表3涉及推導計算的水力學公式及雨水管道流量設計公式表4徑流系數φ取值參考綜合徑流系數取值參考區域情況φ區域情況φ城鎮建筑密集區0.60-0.85城鎮建筑稀疏區0.20-0.45城鎮建筑較密集區0.45-0.60在實際設計計算過程中，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φav值。計算平均徑流系數φav的常用方法是采用加權平均法，如下所示。地方參數a1、c、b、n常采用年多次法和超定量法進行統計分析確定，反映了一個地方降雨過程特征，本文將南方濕潤地區已通過統計分析得到的地方參數取值范圍總結如下。表5南方地區地方參數取值推薦a1cbn南方地區5.5-630.4-0.750-21.50.11-0.85根據《室外排水設計規范(2014版)》中排水管渠粗糙系數推薦值，底部排水管類別相對應的粗糙系數可采取以下推薦值。表6管壁粗糙度取值推薦管道材質類別粗糙系數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