張 軼

（中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅蘭州730000）

1 項目概述

鄂爾多斯市成吉思汗體育文化園是一項集體育、文化、娛樂功能為一體的新建項目。項目除規(guī)劃建設(shè)相關(guān)的體育文化設(shè)施之外，為了提升園區(qū)形象，規(guī)劃建設(shè)有一座人工湖體。

項目地處毛烏素沙漠東北邊緣，所處區(qū)域尚未開發(fā)，現(xiàn)狀為大面積牧場。由于草原地區(qū)水資源較為匱乏，因此規(guī)劃收集園區(qū)內(nèi)的雨水徑流作為人工湖的部分水源。為避免雨水徑流沖刷的污染物流入湖中，對湖體水質(zhì)造成影響，參考國內(nèi)外的經(jīng)驗做法，可采取在道路兩側(cè)設(shè)計生態(tài)草溝，在建筑物附近設(shè)計雨水花園，在人工湖邊設(shè)置生態(tài)濕地等多種措施。本文詳細(xì)闡述了收集道路雨水的生態(tài)草溝的設(shè)計理論與方法，以期能為今后類似工程提供經(jīng)驗和參考。

2 徑流污染

面源污染（No Point Polluted）是指在降水的條件下，雨水徑流淋洗與沖刷大氣匯水面各種污染物，使其進(jìn)入受納水體引起的環(huán)境問題[1-2]，它在狹義上即降雨徑流污染（Runoff Polluted）。

美國EPA(1993年)把城市降雨徑流列為導(dǎo)致全美河流、湖泊污染的第三大污染源[3]。在西方發(fā)達(dá)國家，面污染源在2000年就已成為主要的水環(huán)境問題[3]。

我國滇池、太湖、巢湖等流域的污染治理經(jīng)驗表明，不控制徑流污染不可能從根本上解決水體的污染問題[4]。

根據(jù)模擬人工湖水體流速，湖體內(nèi)水流流速較慢，約為0.6 m/s，較慢的流速導(dǎo)致水體自凈能力較差，容易引起污染。

3 生態(tài)草溝設(shè)計

生態(tài)草溝是一種類似地表溝渠的排水系統(tǒng)，在溝渠內(nèi)種植植被，通過植物根系的生物處理，濾層過濾，雨水徑流中的多數(shù)懸浮顆粒污染物和部分溶解態(tài)污染物得以有效去除。

生態(tài)草溝的應(yīng)用范圍很廣，可應(yīng)用于居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)。現(xiàn)設(shè)計的大多數(shù)道路雨水排放都是通過匯入道路雨水口或者溝渠收集，排入市政管網(wǎng)。路面的污染物都隨雨水的沖刷排入了市政管道。

采用生態(tài)草溝的形式收集道路雨水，可以取代雨水口或溝渠以及一部分雨水管網(wǎng)。既收集雨水，也利用植物根系對雨水進(jìn)行預(yù)處理，在源頭對徑流污染物進(jìn)行處理。草溝代替?zhèn)鹘y(tǒng)地下排水系統(tǒng),能夠從根本上解決了傳統(tǒng)雨水和污水管道錯接和亂接的問題,通過恰當(dāng)?shù)墓芾泶胧?控制其進(jìn)入后面的雨水傳輸過程，進(jìn)入受納水體[4]。圖1為草溝的常用結(jié)構(gòu)形式。

圖1 草溝的常用結(jié)構(gòu)形式

4 草溝水力計算

4.1 設(shè)計流量

需要確定一個最大設(shè)計流量和最小設(shè)計流量，一般根據(jù)區(qū)域的重要性等級來確定重現(xiàn)期。最小流量用來核算最小設(shè)計流速，用最大流量校核最大流速，水流深度。

降雨徑流量的計算公式如下：

式（1）中：Q1—— 設(shè)計降雨徑流量，m3/s；

φ——綜合徑流系數(shù),其數(shù)值小于1；

F——匯水面積，104m2；

q—— 設(shè)計暴雨強度，L/s·104m2。

設(shè)計暴雨強度根據(jù)距離鄂爾多斯市較近的包頭市的暴雨強度計算公式計算，采用5 a一遇的流量計算設(shè)計流速，50 a一遇的流量計算流速作為最大流速校核。保證設(shè)計流速在0.5 m/s左右，當(dāng)采用最大設(shè)計重現(xiàn)期校核時，流速不能超過2.0 m/s。

4.2 草溝寬度及邊坡坡度

草溝的寬度主要受占地面積的控制，由于體育文化園建于鄂爾多斯原始草原區(qū)域，整個鄂爾多斯市都屬于人口密度不大的地區(qū)，項目總占地面積5 500 hm2,在道路兩側(cè)或中央分割帶能夠修建較寬的生態(tài)草溝。

雨水徑流從長滿植物草溝邊坡流入草溝底部，草溝內(nèi)邊坡生長的植物能夠降低雨水流速，促進(jìn)顆粒污染物的沉淀，是對雨水徑流的預(yù)處理過程。草溝建成之后，也將成為道路的一條景觀帶。根據(jù)景觀美化的要求，結(jié)合草原砂狀土直立性能較差的特點,以及占地面積的限制，最重要的是考慮保證雨水的凈化效果，設(shè)計采用較緩的邊坡。坡度在1∶4～1∶6范圍內(nèi)，草溝頂部寬度5～7 m，主干道側(cè)的草溝寬度為5～8 m，草溝的底部寬設(shè)計1～2 m，保證雨水滲入面積及排水層穿孔管的平行敷設(shè)。

4.3 草溝長度

草溝是根據(jù)集水井分段的，每段草溝的長度是指草溝起點到集水井的距離。根據(jù)匯水面積計算出每段草溝的徑流量，每段草溝的輸水能力必須要大于或等于徑流量，根據(jù)條件反推計算出草溝的長度。

4.4 草溝的輸水能力

通過曼寧公式計算，與斷面尺寸、縱坡、植被等條件有關(guān)。

式（2）中：A——草溝斷面面積，m2；

R——水力半徑,m；

I——草溝縱坡；

n——曼寧系數(shù)。

4.5 濾層排水管設(shè)計

（1）最大滲透量

排水層穿孔管設(shè)計時，孔隙的過流能力能夠滿足最大的滲流量，管道的輸水能力能夠滿足最大降雨量時滲流量，確保排水層的濾料不會沖刷堵塞管道孔隙。

最大滲流量是指草溝最大流量時濾層的滲水量，可以用達(dá)西公式計算：

式（3）中：Q——最大滲流量，m3/s；

K——土壤滲透率，m/s；

A——滲透過水?dāng)嗝娴拿娣e，m2；

h——積水深度，m；

d——濾層厚度，m。

（2）穿孔管開孔率

穿孔管開孔率必須能夠滿足最大輸水量，可根據(jù)小孔出流的公式計算，計算時需要考慮孔口的堵塞率，經(jīng)驗是50%。

式（4）中：Q——穿孔管流量，m3/s；

B——堵塞系數(shù)（0.5）；

C——流體動力粘滯系數(shù)（穿孔管選用0.61）；

A——穿孔管小孔面積和，m2；

h——穿孔管水頭，m。

確定了穿孔管的滲水能力，還需要計算穿孔管的輸水能力，根據(jù)曼寧公式計算，粗糙系數(shù)的取值與管材有關(guān)，規(guī)范上對取值有規(guī)定。

4.6 曼寧系數(shù)

曼寧公式計算草溝的輸水能力，判斷草溝尺寸及坡度能否滿足輸送徑流量的要求。曼寧系數(shù)的選取非常關(guān)鍵，它與草溝的物理特征有關(guān)，如溝內(nèi)過水?dāng)嗝娴拇植诙?，植物的類型、密度，雨水在草溝?nèi)的流行方式，草溝曲折變化程度，植草溝縱向坡度雨水對草溝的侵蝕和沉淀因素[5-6]。當(dāng)植被直立，徑流水位沒有高于草的高度時，n值隨水位增大而變大；當(dāng)水位上升沖倒植物后，隨著水深加大，n值減小。因此，n值在植被被沖到的瞬間最大。圖2是關(guān)于n值與水深變化的規(guī)律實驗結(jié)果。

圖2 植物高度水流深度與曼寧系數(shù)關(guān)系圖

根據(jù)經(jīng)驗,計算草溝輸水能力時，應(yīng)按照最不利條件考慮，即取最大的阻力系數(shù)。Cowan提出計算曼寧系數(shù)的方法，見公式（4）,并應(yīng)用于大量的工程實例。

式（4）中：n——草溝的曼寧粗糙系數(shù)；

n0——與草溝滲透材料有關(guān)的系數(shù)；

n1——反映草溝不規(guī)則程度的系數(shù)；

n2——反映草溝斷面變化的系數(shù)；

n3——與草溝控制堰或污染物攔截設(shè)置有關(guān)的系數(shù);

n4——與草溝植物種植有關(guān)的系數(shù)；

m5——反映草溝曲折程度的系數(shù)。

公式（4）中計算草溝曼寧系數(shù)的各系數(shù)取值如表1。

項目建設(shè)時，本著就地取材節(jié)約造價的原則，草溝材質(zhì)采用細(xì)砂?，F(xiàn)狀土，草溝斷面變化小，沒有設(shè)置草溝堰，草溝內(nèi)的植被結(jié)合適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蛏L的矮草，植被較低，草溝結(jié)合道路設(shè)計，每段草溝也基本較直。計算得出草溝的曼寧系數(shù)為0.029，參考圖2的實驗數(shù)據(jù)，最終設(shè)計時，曼寧系數(shù)取值為0.03。

表1 草溝曼寧粗糙系數(shù)n計算的各系數(shù)取值

4.7 最大積水深度

積水深度也與草溝的輸水能力有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗估計草溝的積水深度，從而計算出草溝的濕周，根據(jù)曼寧公式計算草溝輸水能力。曼寧系數(shù)取值是按照水流剛淹沒草溝植物瞬間取值，曼寧系數(shù)最大，而草溝的輸水能力最小。設(shè)計的積水深度是依照通常情況下輸水時積水的高度取值[7]。當(dāng)植物過高時,在水流沖擊下穩(wěn)定性較差,根據(jù)經(jīng)驗，最大積水水深為草高度的一半。

針對該項目植物的特點，選取最大積水深度為0.1 m。

5 草溝結(jié)構(gòu)形式設(shè)計

根據(jù)曼寧公式進(jìn)行計算，本項目設(shè)計草溝坡度縱坡均小于5%，以1%縱坡為界，計算草溝的排水能力。利用包頭市降雨強度公式：

依照5 a一遇的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，取降雨歷時25 min計算暴雨強度，計算結(jié)果為153.873 L/s·hm2，每段草溝的長度最大不超過250 m，收集道路的匯水面積為0.5 hm2，計算出排入草溝的雨水徑流量為53 L/s。

草溝的底寬1 m，草溝的縱坡1%，為了保持水流在草溝內(nèi)較小的流速，控制水流速度約0.5 m/s,則草溝的積水深度約為8 cm，積水高度沒有淹沒草溝植物，可以滿足要求。根據(jù)條件，計算出草溝的過水能力為56.1 L/s。

上述計算結(jié)果顯示，當(dāng)草溝縱坡為1%時，草溝的過水能力與排入該段的雨水徑流量基本相等;當(dāng)草溝的縱坡在1%～5%范圍內(nèi)時，草溝的過水能力大于雨水徑流量，草溝僅考慮輸送雨水，因此在草溝底部不設(shè)計濾層，此為草溝類型I。這種草溝一般用在一段草溝的前半段，傳輸及預(yù)處理雨水進(jìn)入后段帶濾層的草溝；當(dāng)草溝縱坡小于1%時，草溝的過水能力小于徑流量，草溝需要考慮雨水通過濾層的滲透處理，由排水層的穿孔管收集，排入下游集水井后排入湖體，此為草溝類型II；對于園區(qū)的主干道，由于其車流量較大，徑流污染物的濃度可能會較大，因此在確保草溝縱坡不大于1%的同時，增加了過濾層厚度，此種為草溝類型III。

根據(jù)不同的坡度，設(shè)計不同的草溝形式，詳見圖 3～ 圖 5。

圖3 生態(tài)草溝類型I斷面圖（單位：m）

圖4 生態(tài)草溝類型II斷面圖（單位：m）

圖5 生態(tài)草溝類型III斷面圖（單位：m）

6 結(jié)語

生態(tài)草溝作為控制面源污染的重要措施之一，在國外已有廣泛的應(yīng)用。我國也有部分地區(qū)已經(jīng)開始應(yīng)用了該項技術(shù)，但類似體育文化園這種較大范圍的應(yīng)用，在國內(nèi)并沒有相應(yīng)的工程實例。借鑒國內(nèi)外草溝的設(shè)計經(jīng)驗，針對該項目地形特點，將草溝過濾層設(shè)計為以單、多層濾層的不同組合方式，以適應(yīng)縱坡變化。希望本文提出的方法能為其他工程生態(tài)草溝的設(shè)計提供參考依據(jù)。

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[7]郭青海，馬克明，趙景柱,等.城市非點源污染控制的景觀生態(tài)學(xué)途徑[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2005，25（16）:8.