生物滞留池的水文效应分析

󰀁2011年4月灌溉排水学报JournalofIrrigationandDrainage󰀁第30卷第2期󰀁

文章编号:1672-3317(2011)02-0098-06

生物滞留池的水文效应分析

孙艳伟,魏晓妹

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100)

摘󰀁要:在分析生物滞留池的结构和功能的基础上,利用生物滞留池模拟设计软件RECARGA对生物滞留池在径流消减、地下水入渗补给、积水时间、总处理水量等方面的水文效应进行了模拟,证实了其显著的水文调控功能;对根区深度、根区土壤、降水类型、天然土壤等影响生物滞留池设计的因素进行了讨论,以期为生物滞留池的合理设计提供理论依据。关󰀁键󰀁词:低影响发展;生物滞留池;RECARGA;水文效应中图分类号:P333.1󰀁󰀁󰀁文献标志码:A

󰀁󰀁城市化进程的显著标志是以区域不透水性面积的急剧增加及土地的密集使用为代表的区域下垫面条件

的变化。这种变化改变了天然状态下的水文循环机制,进而对河道生态环境产生恶劣的影响,如河道生物退化,物种减少,河道侵蚀等[1-3]。自20世纪90年代中期以来,低影响发展的雨洪调控措施(简称LID)开始在

世界各地逐渐发展起来,LID的设计目标是为了最大限度地减少雨洪调控措施对生态环境负面的影响,并促

进一种生态的、新型的雨洪资源调控措施的发展[8]。随着LID的逐渐推广,人们认识到在LID实施之前,对

径流调控性能及入渗性能进行量化分析对于雨洪调控系统的合理设计具有十分重要的作用。生物滞留池是

一种新兴的LID调控措施,由于在径流调控、补给地下水及水质改善方面具有显著的功效,而逐渐在美国及欧洲地区成为研究的热点。利用生物滞留池的模拟设计软件RECARGA,通过改变生物滞留池的各设计要

素,分析生物滞留池在不同降水分布类型下的水文效应,从而为生物滞留池的设计提供理论依据。

1󰀁生物滞留池及其水文效应

生物滞留池通过利用植物、微生物和土壤的化学、生物及物理特性进行污染物的移除,从而达到城市雨水径流量和水质调控目的[4]。生物滞流不仅能控制洪峰流量,还可以通过对径流量及时间的调控模拟区域

发展前的径流形态。生物滞留池一般由草地缓冲带、蓄水层、有机覆盖层、植物生长介质层、植被、排泄层、沙

砾卵石层7部分组成[5-6]。

生物滞留池的水文效应是指由于地理条件或者环境变化引起的水文变化或水文响应,包括水循环以及

水量平衡各要素的变化。城市化进展(即区域发展)典型的水文响应包括区域总径流量的增加、洪峰流量的

增加、较大流量和较小流量的径流在频率和持续时间的变化、洪峰流量发生的时间缩短、径流形态的变化、地下水入渗补给量的减少、地表积蓄水量的减少等。生物滞留池主要是从生态环境的角度出发,通过对区域水

量平衡要素中的地表径流和地下水入渗补给进行调控,使其恢复到该区域天然状态下的水平。生物滞留池

的水文效应可从径流消减幅度、地下水补给幅度、积水时间3个方面来分析,其中,径流消减幅度为经生物滞

留池调控后的地表径流相对区域发展后无调控措施下该值的变化幅度;地下水补给幅度为入渗地下水水量占区域总流量的比例;积水时间是生物滞留池蓄水层蓄水的时间,是反映生物滞留池入渗性能的一个指标。

生物滞留池的结构决定了其在污染物的移除方面具备的功效。根据美国生态环境保护署的研究,生物

滞留对重金属、悬浮物、有机物及细菌的移除可以达到90%以上,是一种非常有效的污染处理措施[7]。生物98*收稿日期:2010-08-25作者简介:孙艳伟(1983-),女,山东聊城人。博士研究生,主要从事水资源模型模拟、低影响发展等方面的研究。滞留池的应用不但可以对径流从水量及水质二方面进行有效地调控,同时,还可以起到美化及绿化环境的作用。将生物滞留纳入城市景观规划,对城市的建设及暴雨调控均可以节约大量的成本,可谓是一举两得。

2󰀁模拟软件

RECARGA是由Wisconsin大学研发的专门针对生物滞留池等入渗措施的水文性能进行分析和设计

的软件,具有界面友好、操作简单等特点,用户还可以通过修改程序中的土壤参数满足自己特定的要求[8]。

选用RECARGA对不同设计要素下生物滞留池的水文性能进行分析,从而为生物滞留池的合理设计提供理

论依据。RECARGA采用TR-55CN程序[9]分别模拟研究区的透水性区域及不透水性区域的径流量;运用Green-Ampt方程模拟蓄水层至介质层土壤的入渗,并通过vanGenuchten非线性方程模拟控制土壤层内

(介质层至沙砾层),沙砾层至天然土壤间的水分运动。其输入参数主要包括研究区的面积及其不透水性区

域的比例及CN,生物滞留池的面积、生物滞留池的土壤参数,如饱和水力传导系数等。其中,CN是用来反

映研究区域土壤特性和土地利用特征的一个无量纲的综合参数[10]。模型的输出包括水量平衡方程的各项要素,如溢出水量、排泄水量、地下水补给等。因此,利用RECARGA可以对生物滞留池的各项要素,如面

积、根区土壤特性等反复进行设计模拟,从而达到特定的性能目标,如降低径流量,增加地下水入渗量等。

RECARGA的计算流程如图1所示。

图1󰀁RECARGA的计算流程(根据RECARGA用户手册改写)

3󰀁生物滞留池的水文效应模拟

为了模拟不同根区深度、不同介质层土壤、不同天然土壤、不同降水类型以及出流设施对生物滞留池的水文效应的影响,对一面积为1000m2的居民小区的滞留池的水文效应进行分析。模型模拟情景基于以下

假设:介质层土壤的孔隙度为0.40;蓄水深度为15cm,沙砾层深度为61cm,饱和水力传导系数为

11.8cm/h,孔隙度为0.42;生物滞留池的纵切面为矩形;模拟研究区的面积为1000m2,不透水比例为50%,透水性面积的CN为75;模拟一系列不同的生物滞留池表面面积;2个不同的根系区的深度分别为

30.5cm和61cm;2种不同的介质层(亦根区土壤)的饱和水力传导系数分别为2.5cm/h和5cm/h;2种不

同天然土壤的饱和水力传导系数分别为:一种是介于沙质壤与粉质壤土之间的土壤其饱和水力传导系数为0.86cm/h,另外一种土壤选取壤土,其饱和水力传导系数为0.34cm/h。3种不同类型的降水,降水深度为

5cm,降水分布如图2所示。由于生物滞留池主要用以对小降水事件进行调控,因此采用2年设计降水

事件。3.1󰀁不同根区深度对生物滞留池的水文效应

由于根区深度一般介于30.5~100cm之间,因此,模拟2种不同的根区深度(dr)分别为30.5cm及

61cm。模拟根区深度土壤的饱和水力传导系数为2.5cm/h,天然土壤选为壤土,其饱和水力传导系数为

0.86cm/h,模拟降水类型为T1型曲线。由于降水时间较短,模拟时不考虑蒸腾蒸发量。模拟结果如图3所示。99

图2󰀁降水曲线

图3󰀁不同根区深度对生物滞留池的水文效应

󰀁󰀁由图3可以看出,生物滞留池的面积愈大,其径流消减幅度及地下水补给增加幅度越大,积水时间越短。

当生物滞留池的面积相同时,介质层深度越大,径流消减幅度及地下水补给幅度越大,积水时间越短。总体

而言,当生物滞留池主要用以补给地下水时,介质层深度并不能显著影响生物滞留池的径流消减幅度及地下

水补给幅度。

3.2󰀁不同介质层土壤对生物滞留池的水文效应介质层,即根区土壤由生物滞留池所在区域的入渗要求所决定,一般不小于2.5cm/h,模拟了2种根区

土壤饱和水力传导系数(K)分别为2.5和5cm/h。介质层深度为30.5cm,天然土壤选为壤土,模拟降水类

型为T1型曲线。模拟结果如图4所示。

图4󰀁不同根区土壤对生物滞留池的水文效应100󰀁󰀁由图4可以看出,生物滞留池的面积愈大,其径流消减幅度及地下水补给幅度越大,积水时间越短。但

是,当介质层土壤的饱和水力传导系数相差不大时,生物滞留池的径流消减幅度以及地下水补给幅度均没有

显著变化。因此,当生物滞留池用以补给地下水时,改变介质层土壤,即改变根区土壤的饱和水力传导系数

可以小幅度地改变表面积水深度,但不能明显改变径流消减幅度及地下水补给幅度。3.3󰀁不同天然土壤对生物滞留池的水文效应

为了模拟不同天然土壤对生物滞留池的水文效应,模拟了2种研究区天然土壤:一种是介于沙质壤与粉

质壤土之间的土壤,其饱和水力传导系(Kn)数为0.86cm/h,另外一种土壤选取壤土,其饱和水力传导系数

为0.34cm/h,其中介质层深度选取为30.5cm,根区土壤饱和水力传导系数选为2.5cm/h,降水类型选取T1型降水曲线。模拟结果见图5。

图5󰀁不同根区土壤对生物滞留池的水文效应

󰀁󰀁由图5可以看出,生物滞留池的面积愈大,其径流消减幅度及地下水补给幅度越大,积水时间越短。对

于2种不同的天然土壤,生物滞留池的水文调控性能有显著的区别。天然土壤的饱和水力传导系数越大,其

径流消减幅度及地下水补给幅度越大,积水时间越短。当生物滞留池的面积为研究区面积不透水性面积的

20%时,天然壤土,即饱和水力传导系数为0.34cm/h时,其表面积水时间约为60h,已经超出了生物滞留

池所允许的最大积水时间48h。因此,当生物滞留池用以补给地下水时,研究区的天然土壤对生物滞留池的性能有较大影响。

3.4󰀁不同降水类型对生物滞留池水文效应

为了模拟不同的降水类型对生物滞留池水文性能的影响,利用RECARGA自带的3种降水类型进行模

拟。其中,根区土壤的深度选为30.5cm,饱和水力传导系数选取2.5cm/h,天然土壤的饱和水力传导系数选为0.86cm/h。模拟结果如表1所示。表1󰀁不同降水类型对生物滞留池的影响

生物滞留池占研究区面积比/%径流消减幅度/%T1型降水曲线T2型降水曲线T3型降水曲线地下水补给幅度/%T1型降水曲线T2型降水曲线T3型降水曲线积水时间/hT1型降水曲线T2型降水曲线T3型降

水曲线17.16.86.87.57.57.137.535.7535.25213.913.513.515.314.614.637.2535.535427.226.126.129.328.328.336.7534.7534.25639.437.737.743.041.241.235.7533.533.25851.449.049.055.953.553.134.531.7532.751062.559.759.468.164.964.633.53131.51273.069.268.979.975.875.433.530.7531.251483.278.077.791.185.285.2333029.751693.286.385.7100.094.594.232.7529.2529.518100.093.993.2100.0100.0100.031.2528.7528.2820100.0100.0100.0100.0100.0100.02825.7527.75101