編者導讀

自然濕地或人工濕地在“海綿城市”建設(shè)中的應用已非常廣泛。不同于普通的廢水處理人工濕地，海綿城市雨水人工濕地在具有水質(zhì)凈化功能的同時，還擔負著雨水水量滯蓄任務，因此其設(shè)計方法與普通穩(wěn)定運行的污水處理人工濕地有顯著差別，其中最為特別的是其雨水水量滯蓄能力的設(shè)計。

作者將海綿城市雨水人工濕地滯蓄容積分為前置調(diào)蓄池/塘的有效滯蓄容積和濕地床的有效滯蓄容積兩部分進行探討，給出了詳細計算公式和合理選擇前置調(diào)蓄池/塘出水控制方式的要點，并說明了雨水人工濕地由降雨情況而改變的運行方式。

以重慶市棕櫚泉雨水人工濕地為例，利用有效滯蓄容積計算公式，分析了人工濕地對降雨徑流的滯蓄效果，表明人工濕地年雨水滯蓄總量達到了匯水區(qū)地表徑流總量的72%，其中前置調(diào)蓄池對地表徑流的滯蓄起主導作用，其滯蓄量占總滯蓄量的96.5%。對于規(guī)模（面積）較小的濕地，調(diào)蓄池通常主導雨水的滯蓄，但濕地床面積越大，設(shè)計接納的暴雨沖擊負荷越大濕地床的滯蓄能力就越大。另外，還可采用可滲透基底設(shè)計來增加濕地床的滯蓄能力。

作者簡介：肖海文（1976- ），女，四川名山人，博士，副教授，從事雨水、廢水的處理和資源化利用以及人工濕地廢水處理技術(shù)研究。

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海綿城市雨水人工濕地的滯蓄能力

海綿城市雨水人工濕地屬于受降雨事件驅(qū)動的運行系統(tǒng)，其雨量滯蓄容積的設(shè)計受城市降雨情況、雨水排水系統(tǒng)特征、集水區(qū)雨水水質(zhì)特點、受納水體情況、人工濕地處理負荷以及水質(zhì)凈化目標等因素影響。一般來說，雨水人工濕地對雨水水量的滯蓄容積可由前置調(diào)蓄池（前置塘）的有效滯蓄容積V1和濕地床的有效滯蓄容積V2之和求得。

1.1前置調(diào)蓄池的有效滯蓄容積V1設(shè)計計算

人工濕地前置調(diào)蓄池的有效滯蓄容積指擔負雨量貯存和調(diào)節(jié)功能的這部分池容。根據(jù)人工濕地在海綿城市中所發(fā)揮的主要功能，有效容積計算可分為按年降水滯蓄率計算和按污染物總量控制計算兩種方法。

①按年降水滯蓄率的計算方法

按年降水滯蓄率計算主要考慮人工濕地對匯水區(qū)年總降水量的滯蓄效率，設(shè)定單場降雨調(diào)蓄池能貯存匯水區(qū)內(nèi)小于或等于HK（mm）的雨量，則調(diào)蓄池有效容積V1計算如式（1）。

（1）

式中Ab為匯水區(qū)面積，m2；φ為匯水區(qū)徑流系數(shù)；0.001為單位轉(zhuǎn)化系數(shù)。該式的物理意義表明，匯水區(qū)內(nèi)小于或等于HK的單場降雨將全部被滯蓄處理后排放，對于單場雨量大于HK的降雨則只有其前HK的雨量會被滯蓄處理后再排放。如果多年平均降雨次數(shù)（number of the events）、年降雨量以及大于、等于或小于HK的降雨次數(shù)已知，則可求出該前置調(diào)蓄池對年總降水量的滯蓄率。反之HK也可以根據(jù)設(shè)計要求的年雨水滯蓄率來進行計算確定。

②按污染物總量控制的計算方法

在初期雨量法理論的原則上，根據(jù)人工濕地的污染物總量控制目標，設(shè)定需要處理的污染物占總污染物控制量的比率Y %，則可得到初始沖刷雨量H0，以此按式（2）計算調(diào)蓄池的有效容積V1。

（2）

式中H0為初始沖刷雨量，mm；其余參數(shù)同式（1）。該式的物理意義為該雨水人工濕地處理了徑流攜帶污染物總量的Y %，而調(diào)蓄池對雨水的年滯蓄率則可根據(jù)降雨量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，按①中的方法計算確定。

1.2濕地床的有效滯蓄容積V2設(shè)計計算

降雨事件中，人工濕地屬于非穩(wěn)態(tài)運行，濕地床的進水總量通常大于出水總量（見圖1），這是由于降雨進水時濕地床水深和淹沒面積（wet area）增加的緣故，另外，對于底部非硬化處理（粘土夯實或素土夯實）的濕地床而言，部分進水還能下滲成為土壤含水量或地下徑流。這些水量構(gòu)成了濕地床對雨水的有效滯蓄容積V2。在很多雨水人工濕地設(shè)計中，這部分雨量滯蓄容積常常被忽略，然而當濕地床面積越大，所設(shè)計的雨天沖擊負荷（進水量）越大，這部分滯蓄容積就越大，甚至會超過調(diào)蓄池的滯蓄容積V1，因此在以雨水滯蓄為重要目標的海綿城市雨水人工濕地設(shè)計中通常不能忽略濕地床本身的滯蓄容積，尤其對規(guī)模大的雨水濕地更是如此。

圖1 棕櫚泉人工濕地單場降雨實測進出水流量過程

實際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，人工濕地水力坡度和進水流量之間具有明顯的相關(guān)性，例如圖2是實測潛流濕地水力坡度和進水流量關(guān)系圖，兩者呈冪函數(shù)關(guān)系。忽略雨前人工濕地未進水時蒸發(fā)和滲透帶來的空置容積，如果晴天濕地進水的基流量為Q晴，暴雨沖擊負荷的進水量為Q雨，則濕地床有效滯蓄容積V2可按下式計算：

（3）

式中AW為人工濕地面積，m2；S為濕地床水損摩阻系數(shù)，可根據(jù)濕地實測值或類似人工濕地經(jīng)驗值確定；Q晴和Q雨分別為人工濕地設(shè)計的晴天進水流量和暴雨沖擊負荷流量。a為水損冪函數(shù)指數(shù)，可根據(jù)濕地實測值或類似人工濕地經(jīng)驗值確定，如無實測值則表流濕地可取1.2，水平潛流濕地取1.3；K為濕地底部的滲透系數(shù)，m.h-1；AD為人工濕地底部面積，m2；T為平均降雨歷時，h。

圖2 實測水平潛流人工濕地水力坡度和進水流量相關(guān)圖

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設(shè)計要點

2.1 調(diào)蓄池水位設(shè)計和容積分區(qū)

前置調(diào)蓄池或前置塘（forbay）的功能除了雨量貯存調(diào)節(jié)外，通常還擔負著預處理、濕地沖擊負荷調(diào)節(jié)以及暴雨溢流等任務。根據(jù)出水方式，前置調(diào)蓄池/塘出水流量通常分為泵控制和管徑控制兩種類型。當人工濕地建設(shè)用地地勢較平坦，雨水管接入埋深較大，可將前置調(diào)蓄池設(shè)計為地埋式以節(jié)省人工濕地占地面積，出水流量采用泵控制方式，如圖3（a），這時人工濕地的日常負荷進水量Q晴由水泵從調(diào)蓄池中泵入；當人工濕地建設(shè)用地落差較大，雨水管接入標高足夠，則優(yōu)先選用無能耗的管徑控制進水負荷方式，由前置調(diào)蓄池的日常出水管重力自流出水接入人工濕地，進水水量由出水管管徑的過水能力以及調(diào)節(jié)池內(nèi)剩余有效水位確定，如圖3（b），此時的前置調(diào)蓄池通常設(shè)置為與濕地景觀相協(xié)調(diào)的地面開敞式前置塘。以上無論哪種進水方式，雨水人工濕地前置調(diào)蓄池的容積分區(qū)由上而下一般由四部分構(gòu)成：沉淀集泥區(qū)、有效調(diào)蓄容積區(qū)、暴雨沖擊控制區(qū)和溢流區(qū)。各容積的分區(qū)水位分別為停泵水位/自流出水水位、沖擊負荷進水水位和溢流水位，如圖3所示。

（a）泵控制出水（地埋式）

（b）管徑控制自流出水（開敞景觀塘式）

圖3 前置調(diào)蓄池/塘示意圖

2.2 人工濕地進水流量的變化和控制

人工濕地進水流量由降雨情況根據(jù)前置調(diào)蓄池/塘的水位自動調(diào)節(jié)。

晴天或降雨事件中，當調(diào)蓄池/塘內(nèi)水位高于停泵水位或自流出水水位且低于沖擊負荷進水水位時，人工濕地進水量Q晴由泵出水量或自流出水管管徑坡度控制，這一水量雖然一定程度受調(diào)蓄池內(nèi)水位影響（降雨時調(diào)蓄池內(nèi)水位增高，泵出水量或自流管出水水量均會相應有所增大；不降雨時，泵出水量和自流管出水水量會有所下降），但流量變化不大，相對穩(wěn)定。

降雨中當調(diào)蓄池/塘內(nèi)水位高于沖擊負荷進水水位時，人工濕地開始承受暴雨沖擊負荷，此時的人工濕地進水水量等于(1＋r)倍 Q晴，其中r為人工濕地設(shè)計能承受的沖擊負荷倍數(shù)。而沖擊負荷出水孔大小按水頭h和流量值rQ晴按堰出流公式計算。人工濕地處理雨水徑流的優(yōu)勢之一是既可多天停止進水閑置運行，也可以承受3～8倍日常流量的高沖擊負荷。海綿城市雨水人工濕地通常應充分利用人工濕地抗沖擊負荷的優(yōu)勢，設(shè)置沖擊負荷進水孔。

當降雨繼續(xù)增大，調(diào)蓄池內(nèi)水位達到溢流水位時，人工濕地進水流量仍為(1＋r)倍 Q晴，但多于雨量開始溢流，溢流管管徑設(shè)計應大于或等于前置調(diào)蓄池接入的雨水管管徑。溢流管一般可設(shè)置在調(diào)蓄池雨水進水管前的檢查井上，以避免溢流水量對調(diào)蓄池的沖擊。

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案例分析

3.1棕櫚泉雨水人工濕地概況

棕櫚泉雨水人工濕地位于重慶市北部新區(qū)高新園，于2005年建成運行。人工濕地面積及匯水區(qū)下墊面性質(zhì)見表1。該工程對棕櫚泉住宅區(qū)匯水區(qū)的雨水進行集中處理，長期以來運行穩(wěn)定，無沖擊負荷下運行時出水水質(zhì)滿足地表水V類水質(zhì)標準，見表2。

表1 人工濕地面積及匯水區(qū)特征

表2 無沖擊負荷時人工濕地進、出水水質(zhì)

棕櫚泉人工濕地具體流程見圖4，采用濕地塘床組合工藝，主要包括沉砂池、前置調(diào)蓄池、景觀池、潛流（HSSF）床、多級跌水小溪、表流（SWF床）等。

圖4 人工濕地系統(tǒng)處理流程示意圖

3.2年雨水滯蓄效果分析

2012年對棕櫚泉雨水人工濕地匯水區(qū)降雨情況進行了全年監(jiān)測。該年總降雨量1054.7mm，降雨天數(shù)150d，年地表徑流總量為40590 m3。其中各月降雨情況及人工濕地系統(tǒng)的雨水滯蓄量計算見表3。

表3 各月降雨情況及雨水滯蓄量

由表3可看出，人工濕地系統(tǒng)對匯水區(qū)內(nèi)雨水有良好的滯蓄能力，年雨水滯蓄總量達到了匯水區(qū)地表徑流總產(chǎn)量的72 %，其中絕大部分滯蓄量為前置調(diào)蓄池承擔，為28106 m3，占滯蓄總量的96.5%，若沒有前置調(diào)蓄池，濕地系統(tǒng)能滯蓄的雨量就只有1009 m3，由濕地床承擔，可見前置調(diào)蓄池在雨水人工濕地中作用很大，尤其對規(guī)模小的人工濕地更是如此。值得注意的是，如果將棕櫚泉雨水人工濕地底部由硬化（混凝土）處理改為可滲透性基底處理，如有一定滲透性能的粘土基底，按式（3）則可增加濕地床對雨水的滯蓄比例。

本文詳細內(nèi)容參見即將出版的2018年9月《中國給水排水》第18期 《海綿城市雨水濕地的滯蓄容積設(shè)計與工程實例》，作者：肖海文，代蕾，任莉蓉，翟俊，譚軍蓮 重慶大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室

該文標準引用格式：

肖海文，代蕾，任莉蓉，等. 海綿城市雨水濕地的滯蓄容積設(shè)計與工程實例[J]. 中國給水排水，2018,34（18）：53-57,65.

Xiao Haiwen,Dai Lei,Ren Lirong,et al.Caseand designof retention volume of wetland for stormwater treatment insponge city [J]. China Water & Wastewater, 2018,34（18）：53-57,65(in Chinese).

編輯：孔紅春

制作：文凱