北極星水處理網訊:自然溼地或人工溼地在「海綿城市」建設中的應用已非常廣泛。不同於普通的廢水處理人工溼地，海綿城市雨水人工溼地在具有水質淨化功能的同時，還擔負著雨水水量滯蓄任務，因此其設計方法與普通穩定運行的汙水處理人工溼地有顯著差別，其中最為特別的是其雨水水量滯蓄能力的設計。
作者將海綿城市雨水人工溼地滯蓄容積分為前置調蓄池/塘的有效滯蓄容積和溼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蓄池/塘出水控制方式的要點，並說明了雨水人工溼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溼地為例，利用有效滯蓄容積計算公式，分析了人工溼地對降雨徑流的滯蓄效果，表明人工溼地年雨水滯蓄總量達到了匯水區地表徑流總量的72%，其中前置調蓄池對地表徑流的滯蓄起主導作用，其滯蓄量佔總滯蓄量的96.5%。對於規模（面積）較小的溼地，調蓄池通常主導雨水的滯蓄，但溼地床面積越大，設計接納的暴雨衝擊負荷越大溼地床的滯蓄能力就越大。另外，還可採用可滲透基底設計來增加溼地床的滯蓄能力。
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溼地廢水處理技術研究。
1海綿城市雨水人工溼地的滯蓄能力
海綿城市雨水人工溼地屬於受降雨事件驅動的運行系統，其雨量滯蓄容積的設計受城市降雨情況、雨水排水系統特徵、集水區雨水水質特點、受納水體情況、人工溼地處理負荷以及水質淨化目標等因素影響。一般來說，雨水人工溼地對雨水水量的滯蓄容積可由前置調蓄池（前置塘）的有效滯蓄容積V1和溼地床的有效滯蓄容積V2之和求得。
1.1前置調蓄池的有效滯蓄容積V1設計計算
人工溼地前置調蓄池的有效滯蓄容積指擔負雨量貯存和調節功能的這部分池容。根據人工溼地在海綿城市中所發揮的主要功能，有效容積計算可分為按年降水滯蓄率計算和按汙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溼地對匯水區年總降水量的滯蓄效率，設定單場降雨調蓄池能貯存匯水區內小於或等於HK（mm）的雨量，則調蓄池有效容積V1計算如式（1）。
（1）
式中Ab為匯水區面積，m2；φ為匯水區徑流係數；0.001為單位轉化係數。該式的物理意義表明，匯水區內小於或等於HK的單場降雨將全部被滯蓄處理後排放，對於單場雨量大於HK的降雨則只有其前HK的雨量會被滯蓄處理後再排放。如果多年平均降雨次數（numberoftheevents）、年降雨量以及大於、等於或小於HK的降雨次數已知，則可求出該前置調蓄池對年總降水量的滯蓄率。反之HK也可以根據設計要求的年雨水滯蓄率來進行計算確定。
②按汙染物總量控制的計算方法
在初期雨量法理論的原則上，根據人工溼地的汙染物總量控制目標，設定需要處理的汙染物佔總汙染物控制量的比率Y%，則可得到初始衝刷雨量H0，以此按式（2）計算調蓄池的有效容積V1。
（2）
式中H0為初始衝刷雨量，mm；其餘參數同式（1）。該式的物理意義為該雨水人工溼地處理了徑流攜帶汙染物總量的Y%，而調蓄池對雨水的年滯蓄率則可根據降雨量統計數據，按①中的方法計算確定。
1.2溼地床的有效滯蓄容積V2設計計算
降雨事件中，人工溼地屬於非穩態運行，溼地床的進水總量通常大於出水總量（見圖1），這是由於降雨進水時溼地床水深和淹沒面積（wetarea）增加的緣故，另外，對於底部非硬化處理（粘土夯實或素土夯實）的溼地床而言，部分進水還能下滲成為土壤含水量或地下徑流。這些水量構成了溼地床對雨水的有效滯蓄容積V2。在很多雨水人工溼地設計中，這部分雨量滯蓄容積常常被忽略，然而當溼地床面積越大，所設計的雨天衝擊負荷（進水量）越大，這部分滯蓄容積就越大，甚至會超過調蓄池的滯蓄容積V1，因此在以雨水滯蓄為重要目標的海綿城市雨水人工溼地設計中通常不能忽略溼地床本身的滯蓄容積，尤其對規模大的雨水溼地更是如此。
圖1棕櫚泉人工溼地單場降雨實測進出水流量過程
實際監測發現，人工溼地水力坡度和進水流量之間具有明顯的相關性，例如圖2是實測潛流溼地水力坡度和進水流量關係圖，兩者呈冪函數關係。忽略雨前人工溼地未進水時蒸發和滲透帶來的空置容積，如果晴天溼地進水的基流量為Q晴，暴雨衝擊負荷的進水量為Q雨，則溼地床有效滯蓄容積V2可按下式計算：
（3）
式中AW為人工溼地面積，m2；S為溼地床水損摩阻係數，可根據溼地實測值或類似人工溼地經驗值確定；Q晴和Q雨分別為人工溼地設計的晴天進水流量和暴雨衝擊負荷流量。a為水損冪函數指數，可根據溼地實測值或類似人工溼地經驗值確定，如無實測值則表流溼地可取1.2，水平潛流溼地取1.3；K為溼地底部的滲透係數，m.h-1；AD為人工溼地底部面積，m2；T為平均降雨歷時，h。
圖2實測水平潛流人工溼地水力坡度和進水流量相關圖
2設計要點
2.1調蓄池水位設計和容積分區
前置調蓄池或前置塘（forbay）的功能除了雨量貯存調節外，通常還擔負著預處理、溼地衝擊負荷調節以及暴雨溢流等任務。根據出水方式，前置調蓄池/塘出水流量通常分為泵控制和管徑控制兩種類型。當人工溼地建設用地地勢較平坦，雨水管接入埋深較大，可將前置調蓄池設計為地埋式以節省人工溼地佔地面積，出水流量採用泵控制方式，如圖3（a），這時人工溼地的日常負荷進水量Q晴由水泵從調蓄池中泵入；當人工溼地建設用地落差較大，雨水管接入標高足夠，則優先選用無能耗的管徑控制進水負荷方式，由前置調蓄池的日常出水管重力自流出水接入人工溼地，進水水量由出水管管徑的過水能力以及調節池內剩餘有效水位確定，如圖3（b），此時的前置調蓄池通常設置為與溼地景觀相協調的地面開敞式前置塘。以上無論哪種進水方式，雨水人工溼地前置調蓄池的容積分區由上而下一般由四部分構成：沉澱集泥區、有效調蓄容積區、暴雨衝擊控制區和溢流區。各容積的分區水位分別為停泵水位/自流出水水位、衝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前置調蓄池/塘示意圖
2.2人工溼地進水流量的變化和控制
人工溼地進水流量由降雨情況根據前置調蓄池/塘的水位自動調節。
晴天或降雨事件中，當調蓄池/塘內水位高於停泵水位或自流出水水位且低於衝擊負荷進水水位時，人工溼地進水量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蓄池內水位影響（降雨時調蓄池內水位增高，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，相對穩定。
降雨中當調蓄池/塘內水位高於衝擊負荷進水水位時，人工溼地開始承受暴雨衝擊負荷，此時的人工溼地進水水量等於(1＋r)倍Q晴，其中r為人工溼地設計能承受的衝擊負荷倍數。而衝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。人工溼地處理雨水徑流的優勢之一是既可多天停止進水閒置運行，也可以承受3～8倍日常流量的高衝擊負荷。海綿城市雨水人工溼地通常應充分利用人工溼地抗衝擊負荷的優勢，設置衝擊負荷進水孔。
當降雨繼續增大，調蓄池內水位達到溢流水位時，人工溼地進水流量仍為(1＋r)倍Q晴，但多於雨量開始溢流，溢流管管徑設計應大於或等於前置調蓄池接入的雨水管管徑。溢流管一般可設置在調蓄池雨水進水管前的檢查井上，以避免溢流水量對調蓄池的衝擊。
3案例分析
3.1棕櫚泉雨水人工溼地概況
棕櫚泉雨水人工溼地位於重慶市北部新區高新園，於2005年建成運行。人工溼地面積及匯水區下墊面性質見表1。該工程對棕櫚泉住宅區匯水區的雨水進行集中處理，長期以來運行穩定，無衝擊負荷下運行時出水水質滿足地表水V類水質標準，見表2。
表1人工溼地面積及匯水區特徵
表2無衝擊負荷時人工溼地進、出水水質
棕櫚泉人工溼地具體流程見圖4，採用溼地塘床組合工藝，主要包括沉砂池、前置調蓄池、景觀池、潛流（HSSF）床、多級跌水小溪、表流（SWF床）等。
圖4人工溼地系統處理流程示意圖
3.2年雨水滯蓄效果分析
2012年對棕櫚泉雨水人工溼地匯水區降雨情況進行了全年監測。該年總降雨量1054.7mm，降雨天數150d，年地表徑流總量為40590m3。其中各月降雨情況及人工溼地系統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，人工溼地系統對匯水區內雨水有良好的滯蓄能力，年雨水滯蓄總量達到了匯水區地表徑流總產量的72%，其中絕大部分滯蓄量為前置調蓄池承擔，為28106m3，佔滯蓄總量的96.5%，若沒有前置調蓄池，溼地系統能滯蓄的雨量就只有1009m3，由溼地床承擔，可見前置調蓄池在雨水人工溼地中作用很大，尤其對規模小的人工溼地更是如此。值得注意的是，如果將棕櫚泉雨水人工溼地底部由硬化（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）則可增加溼地床對雨水的滯蓄比例。
本文詳細內容參見即將出版的2018年9月《中國給水排水》第18期《海綿城市雨水溼地的滯蓄容積設計與工程實例》，作者：肖海文，代蕾，任莉蓉，翟俊，譚軍蓮重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室
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