生物滯留池對石家莊市雨水徑流的水文響應

王超月，李方紅，韓忠民，朱繼東，楊健，劉志寧，曲文靜*

生物滯留池對石家莊市雨水徑流的水文響應

王超月1, 2, 3，李方紅1, 2, 3，韓忠民4，朱繼東5，楊健1, 2, 3，劉志寧1, 2, 3，曲文靜1, 2, 3*

（1.河北地質大學 水資源與環境學院/河北省高校生態環境地質應用技術研發中心，石家莊 050031；2.河北省水資源可持續利用與開發重點實驗室，石家莊 050031；3.河北省水資源可持續利用與產業結構優化協同創新中心，石家莊 050031；4.中國環境保護集團有限公司，北京 100190；5.中國地質工程集團有限公司，北京 100190）

【目的】研究生物滯留池對石家莊市雨水徑流的水文響應，【方法】結合室內試驗和HYDRUS數值模型，對比了恒定降雨模式和芝加哥降雨模式的出流特征，分析了土壤水力特征參數的敏感性，討論了匯水面積、種植土層厚度的作用，預測了不同重現期降雨對出流的影響。【結果】相對于恒定降雨模式，芝加哥降雨模式推遲底部出流時刻，增長積水時間。敏感性水力特征參數主要為土壤飽和滲透系數s、飽和含水率s和經驗參數；s加大，底部排水速率峰值增加，峰值時刻提前；s增大，延遲時間增加，出流量和積水時間減少；增大，出流量加大。匯水面積比增大1倍，底部出流峰值提高13%，削峰率增加33%，積水時間加大3倍而延遲時間縮短16%；種植土層厚度的變化對結果影響不顯著。【結論】該生物滯留池滲透性能優良，90%以上的雨水可以通過種植土層下滲；對于重現期不超過5 a的降雨，不發生溢流，削峰率變化范圍為40.6%～76.5%，延遲時間大于1 h，積水時間不超過2 h。

生物滯留；雨水徑流；HYDRUS；數值模擬；石家莊

0 引言

【研究意義】生物滯留池，作為低影響開發的雨洪調控措施之一，在徑流調控、地下水回補及水質改善等方面功效顯著[1-3]。雖然在國內外已取得了一系列研究進展，但其適用范圍需考慮氣象條件的差異，有一定的地區適用性[4]。因此，如何根據區域降雨特點和城市發展布局，合理設計生物滯留池使其能夠最大程度地發揮工程與環境效益是當前研究中的熱點問題。

【研究進展】目前，對生物滯留池去除徑流污染物（氮、磷、重金屬、微塑料等）的研究比較常見[5-9]，而對徑流水文調控的研究較少。影響生物滯留池水文調控的因素主要有滯留池自身特性（如介質類別、介質高度、植被種類和滯留池結構等）和雨水徑流特性（如雨強、降雨歷時、匯水面積等）兩類[10]。其中，介質類型是近年來的研究熱點[11]，而針對植被類型和雨水徑流特性的研究較少[12-13]。生物滯留池水文調控的研究方法主要有水量均衡法[14]、實驗法[15-16]和數值模擬法等。數值模擬一般采用SWMM[17]、RECARGA[18]或HYDRUS模型。其中，HYDRUS能夠模擬飽和、非飽和帶的水分與溶質運移，近年來，已被國內外學者成功應用到生物滯留池的研究中[19-20]。【切入點】生物滯留池在我國南方城市應用的較多[21-23]，在北方，主要的應用和研究則集中在北京和西安[24-26]，而針對河北省降雨特征進行的水文調控分析則較匱乏。【擬解決的關鍵問題】因此，結合室內試驗和數值模擬手段，研究生物滯留池對石家莊市雨水徑流的水文響應，對比恒定降雨模式和芝加哥降雨模式對出流影響，分析滲透系數、含水率等因素的敏感性，討論匯水面積、種植土層厚度對結果的影響，預測不同重現期降雨條件下的出流過程，對石家莊海綿城市建設、水資源集約利用提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

生物滯留池由蓄水層、覆蓋層、種植土層、細粒砂層和礫石層組成（圖1），裝置柱體為PVC管，直徑40 cm。裝置底部隔水，距底部10 cm處設有直徑2 cm的滲排管作為出水口。覆蓋層選用松樹枝皮，當蓄水深度超過15 cm時，可通過上部的溢流口排出。細粒砂層（粒徑1～5 mm）與礫石層（粒徑20～60 mm）、種植土層和細粒砂層之間均設有透水土工布，以防細粒物質進入底部的滲排管。試驗所用的種植土取自石家莊市滹沱河下游河漫灘沉積物，室內土壤篩分試驗及粒徑分析表明砂樣屬中砂。柱體PVC管內壁打磨粗糙，以避免壁面優勢流的產生。充填土柱時，每10 cm進行壓實。工程實際施工中應栽種植被，本試驗重點研究種植土對不同降雨類型的響應，因此沒有栽種植被。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 設計降水量與徑流量

石家莊市重現期為2 a的暴雨強度計算式為：

式中：為設計暴雨強度（L/（s·hm2））；為重現期（a）；為降雨歷時（min）。

根據式（1），設置生物滯留池周圍面積與其自身的面積比（匯水面積比）為10的雨水徑流條件，計算出設計徑流量（m3/s）：

=??， （2）

式中：為徑流系數，取0.9；為匯水面積（m2）。

試驗采用的降雨重現期為2 a，總降雨歷時為1 h，設計2種降雨模式（圖2）：一種為恒定降雨模式，一種為芝加哥降雨模式，2種降雨的平均降雨量均為44 L/h。

1.3 試驗過程

試驗供水系統主要由水箱、水泵、閥門、流量計、噴頭等配件構成。水泵采用電動隔膜泵（JR-9328，12V100W），結合閥門控制水的回流量，進而控制進水量。進水流量采用雙通道控制，對于小于50 L/h的流量采用小量程LZS-15流量計（量程10～100 L/h），對于大于50 L/h的流量采用大量程LZS-15流量計（量程25～250 L/h）。噴頭采用全銅微型離心噴頭或霧化噴頭，使得進水盡量均勻噴到土柱內。對于芝加哥降雨模式，試驗時將理論進水負荷概化為階梯狀進水負荷（圖2）。種植土中埋有3個EM50探頭，探頭埋深分別為5、10、20 cm，土壤含水率監測頻率為1次/min。待底部出水口開始排水后，連續測定排水流速，直到排水速率很小，記錄底部排水總量。同時，觀測上部溢流及積水情況。

圖2 重現期2 a的1 h恒定降雨模式和芝加哥降雨模式進水負荷

1.4 評價指標

本文涉及的各指標定義如下：

1）出流量（cm）：

式中：為裝置底部的排水量（cm）；為溢流量（cm）。

2）延遲時間：裝置底部開始出流的時刻與降雨起始時刻的差值，用來表征生物滯留池延緩產流時間的效果。

3）積水時間：蓄水深度超過0 cm的時長。

4）削峰率（%）：

式中：Tmax和Pmax分別表示出流和入流的流速峰值（cm/min）。

式中：B和U分別表示底部排水速率和溢流速率（cm/min）。

2 數值模擬

2.1 控制方程與邊界條件

將生物滯留池中的水流運移概化為一維垂向流，用Richards方程來描述：

式中：為體積含水率（cm3/cm3）；為壓力水頭（cm）；為非飽和滲透系數（cm/min）；為時間（min）；為垂向坐標（cm）（向上為正）。

土壤含水率()及非飽和滲透系數()采用van Genuchten-Mualem[27-28]模型描述：

式中：r為土壤殘余含水率（cm3/cm3）；s為土壤飽和含水率（cm3/cm3）；s為土壤飽和滲透系數（cm/min），=0.5，、、為經驗參數，=1-1/。

對60 cm厚的種植土層建立模型，網格剖分設置每0.5 cm設1個節點，共121個結點。初始含水率根據探頭監測結果插值得到，上邊界條件為大氣邊界，不考慮蒸發，積水最大深度設置為22.5 cm，下邊界條件為滲出面邊界。

2.2 參數率定與驗證

根據土壤粒徑分析結果，利用HYDRUS-1D內置神經網絡預測模塊Rosetta Lite擬合的土壤參數如表1所示，將其設為初始參數，利用HYDRUS-1D求解逆問題，設定土壤主要參數srs的取值范圍。采用重現期2 a的1 h恒定降雨模式下監測的土壤含水率進行率定，率定后的參數見表1。

表1 土壤水力特征參數

為進一步驗證模型，利用表1中的率定參數，擬合重現期為2 a的1 h芝加哥降雨模式的實驗數據。根據式（10）計算得到的模擬與實測含水率之間的誤差1為0.025，根據式（11）計算得到的模擬與實測底部排水速率的誤差2為0.107 cm/min，底部排水速率的擬合如圖3所示，實測值與模擬值基本相符。

式中：sim(t,z)和obs(t,z)分別表示第個探頭在第分鐘的模擬含水率和觀測含水率（cm3/cm3），=1、2、3，=1、2、3，…，150。

式中：Bsim(t)和Bobs(t)分別為第分鐘的底部排水速率的模擬值與觀測值（cm/min），從0到150 min。

圖3 重現期2 a的1 h恒定降雨模式、芝加哥降雨模式下實測與模擬的底部排水速率對比圖

3 結果與分析

3.1 恒定降雨模式和芝加哥降雨模式對出流影響

由表2和圖3可以看出，出流量的實測值和模擬值差別不大，但實測的延遲時間均小于模擬的延遲時間，說明裝置內部存在局部優勢流，而模型中則未考慮到。設施內的種植土滲透性大，排水速率快，不發生溢流，裝置底部的排水量占降雨量比例（/）為88%～99%。

恒定降雨模式與芝加哥降雨模式出流量差別不大，但芝加哥降雨模式會推遲裝置底部出流時刻；且恒定降雨模式下，無積水；芝加哥降雨模式下，積水時間為40 min左右。實際發生的降雨大多為芝加哥降雨模式，故采用恒定降雨模式時，低估了生物滯留池的積水時間，預測的出流時刻可能過早。

表2 重現期為2 a的1 h恒定降雨模式與芝加哥降雨模式實測與模擬結果

3.2 敏感性分析

初始條件相同，基于率定后的參數，不改變其他參數，依次將模型中的某個參數增大或減小25%（表3），分析重現期為2 a的1 h芝加哥降雨模式下s、、s和r的變化對結果的影響。

土壤水分特征曲線對s較敏感（圖4（a）），r次之，對、和s的變化不敏感；土壤滲透性（圖4（b））受s和s的影響顯著，其他參數的影響不顯著。雖然r在取值較低時值相對差異較大，但其絕對差異很小，而s對非飽和滲透系數的影響雖然在圖上顯示不明顯，但其絕對數值差異較大。

表3 敏感性分析參數取值及相應誤差值

注 上標“+”、“-”分別代表在原值的基礎上增大或減小25%。

圖4 參數變化對土壤水分特征曲線、非飽和滲透系數和底部出流速率的影響

對出流過程而言（圖4（c）和圖5），s增大25%，底部排水速率（B）的峰值相應增加21.7%，峰值時間提前14.3%，積水時間減少25%，但對總出流量影響不大；s增大25%，B的峰值減小2.7%，底部出流時間延遲25%，積水時間減少12.5%，這是因為含水率相同條件下，增加s，土壤吸力增加、滲透性變差導致的，同時，增大s可提高土壤的滯留量而減少出流量；增加25%，排水后期的出流速率有所增加，使得出流量增加6.5%；其他參數的影響則不明顯。

圖5 參數變化對出流過程和出流量的影響

3.3 匯水面積比的影響

根據《石家莊市海綿城市規劃設計導則》，生物滯留池的匯水面積比一般在5～15之間。重現期為2 a的1 h芝加哥降雨模式下，設置分別為5、8、10、12和15，模型初始土壤含水率相同，土壤水力參數同表1中的率定參數，模擬結果如圖6所示。對于重現期為2 a的1 h的芝加哥降雨模式，當≤15時，生物滯留池均無溢流發生。從5增大到15，底部出流的峰值從0.61增大到0.78 cm/min，底部排水量占降雨量的比值（/）從73%增大到90%，削峰率從53%增大到77%，積水時間從10 min增大到59 min，延遲時間從25 min減小到18 min。

圖6 底部出流速率VB、底部排水量占降雨量的比值（B/P）、削峰率、積水時間及延遲時間隨匯水面積比的變化

3.4 種植土層厚度的影響

為研究種植土層厚度的影響，比較了厚度分別為60、70、80、90 cm及100 cm的模擬結果。圖7表明，種植土層厚度從60 cm增大到100 cm時，生物滯留池均無溢流發生，底部出流的峰值從0.69減小到0.64 cm/min，底部排水量占降雨量的比值（/）從85%增大到95%，削峰率從71%增大至73%，積水時間從40 min減小到37 min，延遲時間從21 min增大到27 min。總的來講，雖然種植土層厚度對結果有影響，但影響幅度不大。

圖7 底部出流速率VB、底部排水量占降雨量的比值（B/P）、削峰率、積水時間及延遲時間隨種植土層厚度的變化

3.5 不同重現期降雨條件下的預測

根據《石家莊暴雨強度公式》設計匯水面積比為10、不同重現期24 h的芝加哥降雨模式降雨量（表4），模型初始土壤含水率相同，從表層0.25均勻變化到底層0.3，其余參數同表1中的率定參數。

表4 不同重現期24 h降雨量

模擬結果顯示，當=1～5 a時，生物滯留池無溢流（圖8（a）），裝置底部的排水量從10.6 cm增大到116.5 cm，且/比值從92.1%增大到99.2%；當從10增大到100，一方面溢流量從1.83 cm增大到24.9 cm，且溢流量占降雨量的比值（/）從1.2%增大到8.9%，另一方面，雖然從151.9 cm增大到254.2 cm，但/卻從98.2%減少到90.7%。總的來說，/值均在90%以上，說明生物滯留池滲透性能優良，絕大部分的雨水可以通過種植土層下滲。圖8（a）還表明，無溢流時（=1～5 a），削峰率從40.6%增大到76.5%，有溢流時（=10～100 a），隨著的增大，削峰率從65.4%減小到0。這是因為無溢流時（=1～5 a），峰值速率Tmax從0.6增大到0.78 cm/min（圖9），Tmax/Pmax從59.4%減小到23.5%；=10～100 a時，隨著降雨量的增大，Bmax保持0.83 cm/min不變，而溢流速率增加，Tmax增大，導致Tmax/Pmax從34.6%增大到100%；重現期為100 a時，降雨與出流同時達到峰值，即Tmax=Pmax，故削峰率為0。

從圖8（b）可以看出，當=1～5 a時，延遲時間從9.4 h迅速減小到1 h，當=10～100 a時，延遲時間從為0.75 h緩慢減小到0.43 h。當從1 a增大到100 a，積水時間變化范圍為0.05～2.05 h。

圖8 底部排水量占降雨量的比值（B/P）、溢流量占降雨量的比值（U/P）、削峰率、積水時間及延遲時間隨重現期的變化

圖9 入流流速峰值VPmax、出流流速峰值VTmax、底部排水流速峰值VBmax、溢流流速峰值VUmax及VTmax/VPmax的比值隨重現期的變化

4 討論

影響生物滯留設施水文效應的因素較多，本文主要研究了降雨類型、土壤水力參數、匯水面積比、種植土層厚度、雨強對生物滯留水文調控的影響。就降雨類型而言，二者出流量差別不大，但芝加哥降雨模式會推遲裝置底部出流時刻，增長積水時間。敏感性分析表明，高估s導致更快地發生底部出流并減少積水時間，證實了前人研究[20]。增大匯流面積比，底部出流峰值增大，削峰率和積水時間增大而延遲時間減小，匯流面積比相同時種植土層厚度越大，/與削峰率有所增加，但影響不顯著，與前人[18]研究結果一致。就降雨強度而言，通常生物滯留池對小流量降雨事件的延遲時間較長，本研究顯示≤5 a的無溢流階段生物滯留系統對出流的延遲效應較好，這與前人[15, 29]研究的結論基本一致。另外，積水超過6 h可能會導致蚊蠅滋生并影響作物生長[30]，本文中的積水時間均不超過6 h，滿足相應的要求。

殷瑞雪等[30]研究表明，通過生物滯留池填料層下滲的水量越多，溢流量越少，其效果越明顯，且隨著重現期的增大，/逐漸下降，這與本研究中>5 a時（有溢流階段，圖8（a））的結果相一致。值得注意的是，對于≤5 a的無溢流階段，隨著重現期的增大，/是逐漸增加的。究其原因，=1～5 a時，隨著降雨量的增加，生物滯留池底部排水速率的峰值Bmax從0.6增大到0.78 cm/min（圖9），當=10 a時，Bmax接近最大值0.83 cm/min，此后隨著降雨量的增大，出流速率峰值不再加大，/值就不再增大。同樣，無溢流時削峰率隨的增大而增大，有溢流時削峰率隨的增大而減小。

Liu等[20]研究表明，優勢流可以導致更快的徑流響應和更小的滯留深度。本研究中，試驗觀測的延遲時間均小于模擬值（表2），表明裝置內部存在局部優勢流，未來的模型可以進一步考慮優勢流的影響。此外，生物滯留池的結構也是影響水文響應特征的重要因素[31-33]，下一步將對生物滯留池不斷優化，包括植物的選取、填料的種類、淹沒區的設置等。

5 結論

1）恒定降雨模式與芝加哥降雨模式出流量差別不大，但芝加哥降雨模式下，積水時間與延遲時間變長。

2）影響生物滯留池水文效應的主要參數有s、s和。重現期2 a的1 h芝加哥降雨模式下，s增大25%，底部排水速率的峰值增加21.7%，峰值時間提前14.3%，積水時間減少25%；s增大25%，底部出流時間延遲25%，積水時間減少12.5%；增加25%，出流量增加6.5%。匯水面積比增大1倍，底部排水流速峰值加大13%，削峰率提高33%，積水時間增大3倍，延遲時減少16%。

3）生物滯留池滲透性能優良，90%以上的雨水可以通過種植土層下滲。重現期不超過5 a時，生物滯留池不產生溢流，延遲時間大于1 h，削峰率40.6%～76.5%，積水時間不超過2 h。

[1] 李海燕, 羅艷紅, 馬玲. 生物滯留設施對地表徑流中磷去除效果的研究述評[J]. 中國水土保持, 2014(6): 26-31.

LI Haiyan, LUO Yanhong, MA Ling. Research summary on effect of phosphorus removal of surface runoff by bioretention facilities[J]. Soil and Water Conservation in China, 2014(6): 26-31.

[2] 孟瑩瑩, 殷瑞雪, 張書函, 等. 生物滯留措施排水系統設計方法研究[J]. 中國給水排水, 2015, 31(9): 135-138.

MENG Yingying, YIN Ruixue, ZHANG Shuhan, et al. Study on design of drainage system with bioretention facilities[J]. China Water & Wastewater, 2015, 31(9): 135-138.

[3] 趙軍, 林軍志, 龔華鳳, 等. 海綿城市中生物滯留溝對路基水分場分布的影響[J]. 科學技術與工程, 2018, 18(7): 239-245.

ZHAO Jun, LIN Junzhi, GONG Huafeng, et al. Effect of biological retention ditch on water distribution in subgrade of sponge city[J]. Science Technology and Engineering, 2018, 18(7): 239-245.

[4] VIJAYARAGHAVAN K, BISWAL B K, ADAM M G, et al. Bioretention systems for stormwater management: Recent advances and future prospects[J]. Journal of Environmental Management, 2021, 292(7): 112 766.

[5] LI Liqing, DAVIS A P. Urban stormwater runoff nitrogen composition and fate in bioretention systems[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(6): 3 403-3 410.

[6] 李立青, 龔燕芳, 顏子欽, 等. 生物滯留設施對城市地表徑流低濃度磷吸附基質研究[J]. 環境科學, 2015, 36(7): 2 511-2 517.

LI Liqing, GONG Yanfang, YAN Ziqin, et al. Bioretention media screening for the removal of phosphorus in urban stormwater[J]. Environmental Science, 2015, 36(7): 2 511-2 517.

[7] 郭娉婷, 王建龍, 楊麗瓊, 等. 生物滯留介質類型對徑流雨水凈化效果的影響[J]. 環境科學與技術, 2016, 39(3): 60-67.

GUO Pingting, WANG Jianlong, YANG Liqiong, et al. Effect of bioretention media on pollutions removal from stormwater runoff[J]. Environmental Science & Technology, 2016, 39(3): 60-67.

[8] 謝春生, 張建民. 生物滯留設施中添加麥飯石對鋅的吸附性能研究[J]. 環境科學與技術, 2018, 41(S2): 153-157.

XIE Chunsheng, ZHANG Jianmin. Study on the adsorption properties of medical stone added to bioretention facilities for zinc solution[J]. Environmental Science & Technology, 2018, 41(S2): 153-157.

[9] SMYTH K, DRAKE J, LI Y, et al. Bioretention cells remove microplastics from urban stormwater[J]. Water Research, 2021, 191(308): 116 785.

[10] 楊麗瓊. 生物滯留技術重金屬凈化機理與風險評估[D]. 北京: 北京建筑大學, 2014.

YANG Liqiong. Heavy metal removal mechanism and risk assessment through bioretention technology[D]. Beijing: Beijing University of Civil Engineering and Architecture, 2014.

[11] LEFEVRE G, ASCE S M, PAUS K H, et al. Review of dissolved pollutants in urban storm water and their removal and fate in bioretention cells[J]. Journal of Environmental Engineering, 2015, 141(1): 04 014 050.

[12] LE COUSTUMER S, FLETCHER T D, DELETIC A, et al. The influence of design parameters on clogging of stormwater biofilters: A large-scale column study[J]. Water Research, 2012, 46(20): 6 743-6 752.

[13] 阮添舜, 李家科. 生物滯留池植物·填料·微生物研究進展[J]. 安徽農業科學, 2017, 45(18): 63-69, 112.

RUAN Tianshun, LI Jiake. Research progress of plant, filler, microorganism in bioretention[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2017, 45(18): 63-69, 112.

[14] 程江, 徐啟新, 楊凱, 等. 下凹式綠地雨水滲蓄效應及其影響因素[J]. 給水排水, 2007, 33(5): 45-49.

CHENG Jiang, XU Qixin, YANG Kai, et al. Rainfall penetration and storage effect and influencing factors of sunken green space[J]. Water & Wastewater Engineering, 2007, 33(5): 45-49.

[15] 潘國艷, 夏軍, 張翔, 等. 生物滯留池水文效應的模擬試驗研究[J]. 水電能源科學, 2012, 30(5): 13-15.

PAN Guoyan, XIA Jun, ZHANG Xiang, et al. Research on simulation test of hydrological effect of bio-retention units[J]. Water Resources and Power, 2012, 30(5): 13-15.

[16] YANG Xiaohua, MEI Ying, HE Jun, et al. Comprehensive assessment for removing multiple pollutants by plants in bioretention systems[J]. Chinese Science Bulletin, 2014, 59(13): 1 446-1 453.

[17] 薛天一, 徐樂中, 李翠梅, 等. 生物滯留池水文水質效應模擬分析[J].水利水電技術, 2018, 49(1): 121-127.

XUE Tianyi, XU Lezhong, LI Cuimei, et al. Simulative analysis on hydrological and water quality effects of bioretention pond[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2018, 49(1): 121-127.

[18] 孫艷偉, 魏曉妹. 生物滯留池的水文效應分析[J]. 灌溉排水學報, 2011, 30(2): 98-103.

SUN Yanwei, WEI Xiaomei. Research on hydrological effect of bioretention cells[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2011, 30(2): 98-103.

[19] LI Jiake, LIU Zhouli, JIANG Chunbo, et al. Optimization design of key parameters for bioretention cells with mixed filter media via HYDRUS-1D model and regression analysis[J]. Ecological Engineering, 2021, 164(9): 106 206.

[20] LIU Ruifen, FASSMAN-BECK E. Hydrologic response of engineered media in living roofs and bioretention to large rainfalls: experiments and modeling[J]. Hydrological Processes, 2017, 31(3): 556-572.

[21] 紀桂霞, 蒙勇翔, 許春蕾, 等. 濕地植物對城市雨水徑流污染的凈化效能與適應性研究[J]. 水資源與水工程學報, 2014, 25(5): 203-206.

JI Guixia, MENG Yongxiang, XU Chunlei, et al. Study on purification efficiency and adaptability of wetland plants for urban runoff pollution[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2014, 25(5): 203-206.

[22] 任建武, 翟瑋, 王媛媛, 等. 深圳海綿城市建設生物滯留帶植物篩選[J].天津農業科學, 2017, 23(3): 97-102.

REN Jianwu, ZHAI Wei, WANG Yuanyuan, et al. Screening of plants for bioretention areas in Shenzhen during the construction of sponge city[J]. Tianjin Agricultural Sciences, 2017, 23(3): 97-102.

[23] 雷曉玲, 余乙民, 楊程, 等. 典型植物對山地城市雨水徑流凈化效果及其生長適應性[J]. 科學技術與工程, 2019, 19(11): 339-343.

LEI Xiaoling, YU Yimin, YANG Cheng, et al. Purification effect and growth adaptation of typical plants to rainwater runoff in mountain cities[J]. Science Technology and Engineering, 2019, 19(11): 339-343.

[24] 李坤娜, 張書函, 孟瑩瑩, 等. 生物滯留槽的徑流污染削減特性試驗研究[J]. 北京水務, 2017(6): 1-6.

LI Kunna, ZHANG Shuhan, MENG Yingying, et al. Experimental study on the characteristics of runoff pollution reduction in bioretention[J]. Beijing Water, 2017(6): 1-6.

[25] LI Junqi, GONG Yongwei, LI Xiaojing, et al. Urban stormwater runoff thermal characteristics and mitigation effect of low impact development measures[J]. Journal of Water & Climate Change, 2019, 10(1): 53-62.

[26] 李家科, 趙瑞松, 李亞嬌. 基于HYDRUS-1D模型的不同生物滯留池中水分及溶質運移特征模擬[J]. 環境科學學報, 2017, 37(11): 4 150-4 159.

LI Jiake, ZHAO Ruisong, LI Yajiao. Simulation of water and solute transport characteristics in different bioretention tanks using HYDRUS-1D model[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2017, 37(11): 4 150-4 159.

[27] VAN Genuchten M Th. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils [J]. Soil Science Society of America Journal, 1980, 44(5): 892-898.

[28] MUALEM Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media[J]. Water Resources Research, 1976, 12(3): 513-522.

[29] 殷逸虹. 生物滯留池對城市雨水徑流的影響研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2016.

YIN Yihong. Impact of bioretention on urban stormwater runoff[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2016.

[30] 殷瑞雪, 孟瑩瑩, 張書函, 等. 生物滯留池的產流規律模擬研究[J]. 水文, 2015, 35(2): 28-32.

YIN Ruixue, MENG Yingying, ZHANG Shuhan, et al. Study on runoff of bioretention by model simulation[J]. Journal of China Hydrology, 2015, 35(2): 28-32.

[31] 林宏軍, 王建龍, 趙夢圓, 等. 倒置生物滯留技術水量水質控制效果研究[J]. 水利水電技術, 2019, 50(6): 11-17.

LIN Hongjun, WANG Jianlong, ZHAO Mengyuan, et al. Study on water quantity and water quality control effect of inverted bioretention technology[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2019, 50(6): 11-17.

[32] 仇付國, 代一帆, 盧超, 等. 基質改良和結構優化強化雨水生物滯留系統除污[J]. 中國給水排水, 2017, 33(7): 157-162.

QIU Fuguo, DAI Yifan, LU Chao, et al. Media amendment and structure modification to enhance pollutants removal in bioretention system[J]. China Water & Wastewater, 2017, 33(7): 157-162.

[33] 李立青, 胡楠, 劉雨情, 等. 3種生物滯留設計對城市地表徑流溶解性氮的去除作用[J]. 環境科學, 2017, 38(5): 1 881-1 888.

LI Liqing, HU Nan, LIU Yuqing, et al. Effects of three bioretention configurations on dissolved nitrogen removal from urban stormwater[J].Environmental Science, 2017, 38(5): 1 881-1 888.

The Effect of Bioretention Systems on Stormwater Runoff of Shijiazhuang

WANG Chaoyue1,2,3, LI Fanghong1,2,3, HAN Zhongmin4, ZHU Jidong5,YANG Jian1,2,3, LIU Zhining1,2,3, QU Wenjing1,2,3*

(1.School of Water Resources and Environment, Hebei GEO University/Hebei Center for Ecological and Environmental Geology Research, Shijiazhuang 050031, China; 2. Hebei Province Key Laboratory of Sustained Utilization and Development of Water Resources, Shijiazhuang 050031, China; 3. Hebei Province Collaborative Innovation Center for Sustainable Utilization of Water Resources and Optimization of Industrial Structure, Shijiazhuang 050031, China; 4. China National Environmental Protection Group, Beijing 100190, China; 5. China GEO-Engineering Corporation, Beijing 100190, China)

【Objective】Bioretention is a method to purify water, and the aim of this paper is to study its effect on stormwater runoff. 【Method】We took stormwater runoff in Shijiazhuang city as an example, investigating the outflow characteristics of the bioretention system in response to two rainfall patterns, constant pattern and Chicago pattern using column experiment and HYDRUS model. From the simulated results, we analyzed and discussed the sensitivities of the runoff to soil hydraulic parameters, catchment area and thickness of the planting soil layer. We also developed a model to predict the influence of rainfalls with different return periods () on outflow.【Result】Compared to constant rainfall, the Chicago rainfall pattern delayed the emergence of outlet-outflow and prolonged the ponding duration on the soil surface. The hydraulic parameters to which the runoff was sensitive include saturated soil permeabilitys, saturated soil water contents, and the empirical parameterin the van Genuchten formula. An increase insincreased the maximum outlet-drainage rate and brought forward its arrival time. Increasingsprolonged the latent time and reduced the outflow rate and ponding duration. Increasing the parameterresulted in an increase in outflow. Doubling the catchment area ratio increased the maximum drainage rate, the peak-reduction rate and ponding duration by 13%, 33% and 300%, respectively, whereas reducing the latent time by 16%. Change in thickness of the planting soil layer did not show a significant effect on the outflow pattern. 【Conclusion】The bioretention system is more permeable with more than 90% of rainwater flowing through the planting soil layer. When the return period of the rainfall is no more than 5 years, there is no overflow with the peak reduction rate being 40.6%～76.5%, the latent time > 1 h and ponding time < 2 h.

bioretention; stormwater runoff; HYDRUS; numerical simulations; Shijiazhuang

王超月, 李方紅, 韓忠民, 等. 生物滯留池對石家莊市雨水徑流的水文響應[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(8): 87-94, 105.

WANG Chaoyue, LI Fanghong, HAN Zhongmin, et al. The Effect of Bioretention Systems on Stormwater Runoff of Shijiazhuang[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(8): 87-94, 105.

2022-02-10

河北省水利科研與推廣計劃項目（2018-66，2021-38，2021-39）；河北省水資源可持續利用與產業結構優化協同創新中心開放基金項目（XTZX202111）；河北省高校基本科研業務費資助項目（QN202118，QN202141）；河北地質大學科技創新團隊項目（KJCXTD-2021-14）

王超月（1988-），男，河北保定人。講師，主要從事地表水地下水相互轉換的研究。E-mail: wangchaoyue08@163.com

曲文靜（1990-），女，山東榮成人。講師，主要從事水文與水資源工程等方面的研究。E-mail: quwenjing90@163.com

1672 - 3317（2022）08 - 0087 - 09

P333.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022070

責任編輯：白芳芳