生態草溝處理技術設計總結

張 軼

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，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。項目除規劃建設相關的體育文化設施之外，為了提升園區形象，規劃建設有一座人工湖體。

項目地處毛烏素沙漠東北邊緣，所處區域尚未開發，現狀為大面積牧場。由于草原地區水資源較為匱乏，因此規劃收集園區內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，對湖體水質造成影響，參考國內外的經驗做法，可采取在道路兩側設計生態草溝，在建筑物附近設計雨水花園，在人工湖邊設置生態濕地等多種措施。本文詳細闡述了收集道路雨水的生態草溝的設計理論與方法，以期能為今后類似工程提供經驗和參考。

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，使其進入受納水體引起的環境問題[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致全美河流、湖泊污染的第三大污染源[3]。在西方發達國家，面污染源在2000年就已成為主要的水環境問題[3]。

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

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

3 生態草溝設計

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

生態草溝的應用范圍很廣，可應用于居民區、商業區和工業區。現設計的大多數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。路面的污染物都隨雨水的沖刷排入了市政管道。

采用生態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。既收集雨水，也利用植物根系對雨水進行預處理，在源頭對徑流污染物進行處理。草溝代替傳統地下排水系統,能夠從根本上解決了傳統雨水和污水管道錯接和亂接的問題,通過恰當的管理措施,控制其進入后面的雨水傳輸過程，進入受納水體[4]。圖1為草溝的常用結構形式。

圖1 草溝的常用結構形式

4 草溝水力計算

4.1 設計流量

需要確定一個最大設計流量和最小設計流量，一般根據區域的重要性等級來確定重現期。最小流量用來核算最小設計流速，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—— 設計降雨徑流量，m3/s；

φ——綜合徑流系數,其數值小于1；

F——匯水面積，104m2；

q—— 設計暴雨強度，L/s·104m2。

設計暴雨強度根據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。保證設計流速在0.5 m/s左右，當采用最大設計重現期校核時，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域，整個鄂爾多斯市都屬于人口密度不大的地區，項目總占地面積5 500 hm2,在道路兩側或中央分割帶能夠修建較寬的生態草溝。

雨水徑流從長滿植物草溝邊坡流入草溝底部，草溝內邊坡生長的植物能夠降低雨水流速，促進顆粒污染物的沉淀，是對雨水徑流的預處理過程。草溝建成之后，也將成為道路的一條景觀帶。根據景觀美化的要求，結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，設計采用較緩的邊坡。坡度在1∶4～1∶6范圍內，草溝頂部寬度5～7 m，主干道側的草溝寬度為5～8 m，草溝的底部寬設計1～2 m，保證雨水滲入面積及排水層穿孔管的平行敷設。

4.3 草溝長度

草溝是根據集水井分段的，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。

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。

4.5 濾層排水管設計

（1）最大滲透量

排水層穿孔管設計時，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——滲透過水斷面的面積，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，可根據小孔出流的公式計算，計算時需要考慮孔口的堵塞率，經驗是50%。

式（4）中：Q——穿孔管流量，m3/s；

B——堵塞系數（0.5）；

C——流體動力粘滯系數（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，根據曼寧公式計算，粗糙系數的取值與管材有關，規范上對取值有規定。

4.6 曼寧系數

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。曼寧系數的選取非常關鍵，它與草溝的物理特征有關，如溝內過水斷面的粗糙度，植物的類型、密度，雨水在草溝內的流行方式，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是關于n值與水深變化的規律實驗結果。

圖2 植物高度水流深度與曼寧系數關系圖

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

式（4）中：n——草溝的曼寧粗糙系數；

n0——與草溝滲透材料有關的系數；

n1——反映草溝不規則程度的系數；

n2——反映草溝斷面變化的系數；

n3——與草溝控制堰或污染物攔截設置有關的系數;

n4——與草溝植物種植有關的系數；

m5——反映草溝曲折程度的系數。

公式（4）中計算草溝曼寧系數的各系數取值如表1。

項目建設時，本著就地取材節約造價的原則，草溝材質采用細砂粒現狀土，草溝斷面變化小，沒有設置草溝堰，草溝內的植被結合適應當地氣候生長的矮草，植被較低，草溝結合道路設計，每段草溝也基本較直。計算得出草溝的曼寧系數為0.029，參考圖2的實驗數據，最終設計時，曼寧系數取值為0.03。

表1 草溝曼寧粗糙系數n計算的各系數取值

4.7 最大積水深度

積水深度也與草溝的輸水能力有關，根據經驗估計草溝的積水深度，從而計算出草溝的濕周，根據曼寧公式計算草溝輸水能力。曼寧系數取值是按照水流剛淹沒草溝植物瞬間取值，曼寧系數最大，而草溝的輸水能力最小。設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]。當植物過高時,在水流沖擊下穩定性較差,根據經驗，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 草溝結構形式設計

根據曼寧公式進行計算，本項目設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一遇的設計標準，取降雨歷時25 min計算暴雨強度，計算結果為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。根據條件，計算出草溝的過水能力為56.1 L/s。

上述計算結果顯示，當草溝縱坡為1%時，草溝的過水能力與排入該段的雨水徑流量基本相等;當草溝的縱坡在1%～5%范圍內時，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，傳輸及預處理雨水進入后段帶濾層的草溝；當草溝縱坡小于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。

根據不同的坡度，設計不同的草溝形式，詳見圖 3～ 圖 5。

圖3 生態草溝類型I斷面圖（單位：m）

圖4 生態草溝類型II斷面圖（單位：m）

圖5 生態草溝類型III斷面圖（單位：m）

6 結語

生態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用。我國也有部分地區已經開始應用了該項技術，但類似體育文化園這種較大范圍的應用，在國內并沒有相應的工程實例。借鑒國內外草溝的設計經驗，針對該項目地形特點，將草溝過濾層設計為以單、多層濾層的不同組合方式，以適應縱坡變化。希望本文提出的方法能為其他工程生態草溝的設計提供參考依據。

[1]宮瑩，阮曉紅，胡曉東.我國城市地表水環境非點源污染的研究進展[J].中國給水排水，2003，15（4）：19.

[2]V Novotny,H Olem.Water quality:prevention,identification,and management of diffuse pollution.Second Edition[M].New York:Van Nostrand Rein hold company,1993:25-26.

[3]Lee JH,Bang KW.Characterization of urban stormwater after runoff[J].Water Research,2000,34(6):1773-1780.

[4]倪艷芳.城市面源污染的特征及其控制的研究進展[J].環境科學與管理,2008，21（3）:2.

[5]張煒，車伍，李俊奇,等.植被淺溝在城市雨水利用系統中的應用[J].中國給水排水，2006，27（16）:18-19.

[6]Deletic A,Fletcher T.D.Performance of grass filters used for stormwater treatment:A field and modeling study[J].Journal of Hydrology,2006,(317):261-275.

[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學途徑[J].應用生態學報,2005，25（16）:8.