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针对人工湿地与海绵城市的天作之合 雨水滞蓄容积如何估算?

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-09-05  浏览次数:10

水处理网讯:自然湿地或人工湿地在“海绵城市”建设中的应用已非常广泛。不同于普通的废水处理人工湿地,海绵城市雨水人工湿地在具有水质净化功能的同时,还担负着雨水水量滞蓄任务,因此其设计方法与普通稳定运行的污水处理人工湿地有显著差别,其中最为特别的是其雨水水量滞蓄能力的设计。

作者将海绵城市雨水人工湿地滞蓄容积分为前置调蓄池/塘的有效滞蓄容积和湿地床的有效滞蓄容积两部分进行探讨,给出了详细计算公式和合理选择前置调蓄池/塘出水控制方式的要点,并说明了雨水人工湿地由降雨情况而改变的运行方式。

以重庆市棕榈泉雨水人工湿地为例,利用有效滞蓄容积计算公式,分析了人工湿地对降雨径流的滞蓄效果,表明人工湿地年雨水滞蓄总量达到了汇水区地表径流总量的72%,其中前置调蓄池对地表径流的滞蓄起主导作用,其滞蓄量占总滞蓄量的96.5%。对于规模(面积)较小的湿地,调蓄池通常主导雨水的滞蓄,但湿地床面积越大,设计接纳的暴雨冲击负荷越大湿地床的滞蓄能力就越大。另外,还可采用可渗透基底设计来增加湿地床的滞蓄能力。

作者简介:肖海文(1976-),女,四川名山人,博士,副教授,从事雨水、废水的处理和资源化利用以及人工湿地废水处理技术研究。

1海绵城市雨水人工湿地的滞蓄能力

海绵城市雨水人工湿地属于受降雨事件驱动的运行系统,其雨量滞蓄容积的设计受城市降雨情况、雨水排水系统特征、集水区雨水水质特点、受纳水体情况、人工湿地处理负荷以及水质净化目标等因素影响。一般来说,雨水人工湿地对雨水水量的滞蓄容积可由前置调蓄池(前置塘)的有效滞蓄容积V1和湿地床的有效滞蓄容积V2之和求得。

1.1前置调蓄池的有效滞蓄容积V1设计计算

人工湿地前置调蓄池的有效滞蓄容积指担负雨量贮存和调节功能的这部分池容。根据人工湿地在海绵城市中所发挥的主要功能,有效容积计算可分为按年降水滞蓄率计算和按污染物总量控制计算两种方法。

①按年降水滞蓄率的计算方法

按年降水滞蓄率计算主要考虑人工湿地对汇水区年总降水量的滞蓄效率,设定单场降雨调蓄池能贮存汇水区内小于或等于HK(mm)的雨量,则调蓄池有效容积V1计算如式(1)。

(1)

式中Ab为汇水区面积,m2;φ为汇水区径流系数;0.001为单位转化系数。该式的物理意义表明,汇水区内小于或等于HK的单场降雨将全部被滞蓄处理后排放,对于单场雨量大于HK的降雨则只有其前HK的雨量会被滞蓄处理后再排放。如果多年平均降雨次数(numberoftheevents)、年降雨量以及大于、等于或小于HK的降雨次数已知,则可求出该前置调蓄池对年总降水量的滞蓄率。反之HK也可以根据设计要求的年雨水滞蓄率来进行计算确定。

②按污染物总量控制的计算方法

在初期雨量法理论的原则上,根据人工湿地的污染物总量控制目标,设定需要处理的污染物占总污染物控制量的比率Y%,则可得到初始冲刷雨量H0,以此按式(2)计算调蓄池的有效容积V1。

(2)

式中H0为初始冲刷雨量,mm;其余参数同式(1)。该式的物理意义为该雨水人工湿地处理了径流携带污染物总量的Y%,而调蓄池对雨水的年滞蓄率则可根据降雨量统计数据,按①中的方法计算确定。

1.2湿地床的有效滞蓄容积V2设计计算

降雨事件中,人工湿地属于非稳态运行,湿地床的进水总量通常大于出水总量(见图1),这是由于降雨进水时湿地床水深和淹没面积(wetarea)增加的缘故,另外,对于底部非硬化处理(粘土夯实或素土夯实)的湿地床而言,部分进水还能下渗成为土壤含水量或地下径流。这些水量构成了湿地床对雨水的有效滞蓄容积V2。在很多雨水人工湿地设计中,这部分雨量滞蓄容积常常被忽略,然而当湿地床面积越大,所设计的雨天冲击负荷(进水量)越大,这部分滞蓄容积就越大,甚至会超过调蓄池的滞蓄容积V1,因此在以雨水滞蓄为重要目标的海绵城市雨水人工湿地设计中通常不能忽略湿地床本身的滞蓄容积,尤其对规模大的雨水湿地更是如此。

图1棕榈泉人工湿地单场降雨实测进出水流量过程

实际监测发现,人工湿地水力坡度和进水流量之间具有明显的相关性,例如图2是实测潜流湿地水力坡度和进水流量关系图,两者呈幂函数关系。忽略雨前人工湿地未进水时蒸发和渗透带来的空置容积,如果晴天湿地进水的基流量为Q晴,暴雨冲击负荷的进水量为Q雨,则湿地床有效滞蓄容积V2可按下式计算:

(3)

式中AW为人工湿地面积,m2;S为湿地床水损摩阻系数,可根据湿地实测值或类似人工湿地经验值确定;Q晴和Q雨分别为人工湿地设计的晴天进水流量和暴雨冲击负荷流量。a为水损幂函数指数,可根据湿地实测值或类似人工湿地经验值确定,如无实测值则表流湿地可取1.2,水平潜流湿地取1.3;K为湿地底部的渗透系数,m.h-1;AD为人工湿地底部面积,m2;T为平均降雨历时,h。

图2实测水平潜流人工湿地水力坡度和进水流量相关图

2设计要点

2.1调蓄池水位设计和容积分区

前置调蓄池或前置塘(forbay)的功能除了雨量贮存调节外,通常还担负着预处理、湿地冲击负荷调节以及暴雨溢流等任务。根据出水方式,前置调蓄池/塘出水流量通常分为泵控制和管径控制两种类型。当人工湿地建设用地地势较平坦,雨水管接入埋深较大,可将前置调蓄池设计为地埋式以节省人工湿地占地面积,出水流量采用泵控制方式,如图3(a),这时人工湿地的日常负荷进水量Q晴由水泵从调蓄池中泵入;当人工湿地建设用地落差较大,雨水管接入标高足够,则优先选用无能耗的管径控制进水负荷方式,由前置调蓄池的日常出水管重力自流出水接入人工湿地,进水水量由出水管管径的过水能力以及调节池内剩余有效水位确定,如图3(b),此时的前置调蓄池通常设置为与湿地景观相协调的地面开敞式前置塘。以上无论哪种进水方式,雨水人工湿地前置调蓄池的容积分区由上而下一般由四部分构成:沉淀集泥区、有效调蓄容积区、暴雨冲击控制区和溢流区。各容积的分区水位分别为停泵水位/自流出水水位、冲击负荷进水水位和溢流水位,如图3所示。

(a)泵控制出水(地埋式)

(b)管径控制自流出水(开敞景观塘式)

图3前置调蓄池/塘示意图

2.2人工湿地进水流量的变化和控制

人工湿地进水流量由降雨情况根据前置调蓄池/塘的水位自动调节。

晴天或降雨事件中,当调蓄池/塘内水位高于停泵水位或自流出水水位且低于冲击负荷进水水位时,人工湿地进水量Q晴由泵出水量或自流出水管管径坡度控制,这一水量虽然一定程度受调蓄池内水位影响(降雨时调蓄池内水位增高,泵出水量或自流管出水水量均会相应有所增大;不降雨时,泵出水量和自流管出水水量会有所下降),但流量变化不大,相对稳定。

降雨中当调蓄池/塘内水位高于冲击负荷进水水位时,人工湿地开始承受暴雨冲击负荷,此时的人工湿地进水水量等于(1+r)倍Q晴,其中r为人工湿地设计能承受的冲击负荷倍数。而冲击负荷出水孔大小按水头h和流量值rQ晴按堰出流公式计算。人工湿地处理雨水径流的优势之一是既可多天停止进水闲置运行,也可以承受3~8倍日常流量的高冲击负荷。海绵城市雨水人工湿地通常应充分利用人工湿地抗冲击负荷的优势,设置冲击负荷进水孔。

当降雨继续增大,调蓄池内水位达到溢流水位时,人工湿地进水流量仍为(1+r)倍Q晴,但多于雨量开始溢流,溢流管管径设计应大于或等于前置调蓄池接入的雨水管管径。溢流管一般可设置在调蓄池雨水进水管前的检查井上,以避免溢流水量对调蓄池的冲击。

3案例分析

3.1棕榈泉雨水人工湿地概况

棕榈泉雨水人工湿地位于重庆市北部新区高新园,于2005年建成运行。人工湿地面积及汇水区下垫面性质见表1。该工程对棕榈泉住宅区汇水区的雨水进行集中处理,长期以来运行稳定,无冲击负荷下运行时出水水质满足地表水V类水质标准,见表2。

表1人工湿地面积及汇水区特征

表2无冲击负荷时人工湿地进、出水水质

棕榈泉人工湿地具体流程见图4,采用湿地塘床组合工艺,主要包括沉砂池、前置调蓄池、景观池、潜流(HSSF)床、多级跌水小溪、表流(SWF床)等。

图4人工湿地系统处理流程示意图

3.2年雨水滞蓄效果分析

2012年对棕榈泉雨水人工湿地汇水区降雨情况进行了全年监测。该年总降雨量1054.7mm,降雨天数150d,年地表径流总量为40590m3。其中各月降雨情况及人工湿地系统的雨水滞蓄量计算见表3。

表3各月降雨情况及雨水滞蓄量

由表3可看出,人工湿地系统对汇水区内雨水有良好的滞蓄能力,年雨水滞蓄总量达到了汇水区地表径流总产量的72%,其中绝大部分滞蓄量为前置调蓄池承担,为28106m3,占滞蓄总量的96.5%,若没有前置调蓄池,湿地系统能滞蓄的雨量就只有1009m3,由湿地床承担,可见前置调蓄池在雨水人工湿地中作用很大,尤其对规模小的人工湿地更是如此。值得注意的是,如果将棕榈泉雨水人工湿地底部由硬化(混凝土)处理改为可渗透性基底处理,如有一定渗透性能的粘土基底,按式(3)则可增加湿地床对雨水的滞蓄比例。

本文详细内容参见即将出版的2018年9月《中国给水排水》第18期《海绵城市雨水湿地的滞蓄容积设计与工程实例》,作者:肖海文,代蕾,任莉蓉,翟俊,谭军莲重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室

 
关键词: 湿地 人工 雨水



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