生态草沟处理技术设计总结

张 轶

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州730000）

1 项目概述

鄂尔多斯市成吉思汗体育文化园是一项集体育、文化、娱乐功能为一体的新建项目。项目除规划建设相关的体育文化设施之外，为了提升园区形象，规划建设有一座人工湖体。

项目地处毛乌素沙漠东北边缘，所处区域尚未开发，现状为大面积牧场。由于草原地区水资源较为匮乏，因此规划收集园区内的雨水径流作为人工湖的部分水源。为避免雨水径流冲刷的污染物流入湖中，对湖体水质造成影响，参考国内外的经验做法，可采取在道路两侧设计生态草沟，在建筑物附近设计雨水花园，在人工湖边设置生态湿地等多种措施。本文详细阐述了收集道路雨水的生态草沟的设计理论与方法，以期能为今后类似工程提供经验和参考。

2 径流污染

面源污染（No Point Polluted）是指在降水的条件下，雨水径流淋洗与冲刷大气汇水面各种污染物，使其进入受纳水体引起的环境问题[1-2]，它在狭义上即降雨径流污染（Runoff Polluted）。

美国EPA(1993年)把城市降雨径流列为导致全美河流、湖泊污染的第三大污染源[3]。在西方发达国家，面污染源在2000年就已成为主要的水环境问题[3]。

我国滇池、太湖、巢湖等流域的污染治理经验表明，不控制径流污染不可能从根本上解决水体的污染问题[4]。

根据模拟人工湖水体流速，湖体内水流流速较慢，约为0.6 m/s，较慢的流速导致水体自净能力较差，容易引起污染。

3 生态草沟设计

生态草沟是一种类似地表沟渠的排水系统，在沟渠内种植植被，通过植物根系的生物处理，滤层过滤，雨水径流中的多数悬浮颗粒污染物和部分溶解态污染物得以有效去除。

生态草沟的应用范围很广，可应用于居民区、商业区和工业区。现设计的大多数道路雨水排放都是通过汇入道路雨水口或者沟渠收集，排入市政管网。路面的污染物都随雨水的冲刷排入了市政管道。

采用生态草沟的形式收集道路雨水，可以取代雨水口或沟渠以及一部分雨水管网。既收集雨水，也利用植物根系对雨水进行预处理，在源头对径流污染物进行处理。草沟代替传统地下排水系统,能够从根本上解决了传统雨水和污水管道错接和乱接的问题,通过恰当的管理措施,控制其进入后面的雨水传输过程，进入受纳水体[4]。图1为草沟的常用结构形式。

图1 草沟的常用结构形式

4 草沟水力计算

4.1 设计流量

需要确定一个最大设计流量和最小设计流量，一般根据区域的重要性等级来确定重现期。最小流量用来核算最小设计流速，用最大流量校核最大流速，水流深度。

降雨径流量的计算公式如下：

式（1）中：Q1—— 设计降雨径流量，m3/s；

φ——综合径流系数,其数值小于1；

F——汇水面积，104m2；

q—— 设计暴雨强度，L/s·104m2。

设计暴雨强度根据距离鄂尔多斯市较近的包头市的暴雨强度计算公式计算，采用5 a一遇的流量计算设计流速，50 a一遇的流量计算流速作为最大流速校核。保证设计流速在0.5 m/s左右，当采用最大设计重现期校核时，流速不能超过2.0 m/s。

4.2 草沟宽度及边坡坡度

草沟的宽度主要受占地面积的控制，由于体育文化园建于鄂尔多斯原始草原区域，整个鄂尔多斯市都属于人口密度不大的地区，项目总占地面积5 500 hm2,在道路两侧或中央分割带能够修建较宽的生态草沟。

雨水径流从长满植物草沟边坡流入草沟底部，草沟内边坡生长的植物能够降低雨水流速，促进颗粒污染物的沉淀，是对雨水径流的预处理过程。草沟建成之后，也将成为道路的一条景观带。根据景观美化的要求，结合草原砂状土直立性能较差的特点,以及占地面积的限制，最重要的是考虑保证雨水的净化效果，设计采用较缓的边坡。坡度在1∶4～1∶6范围内，草沟顶部宽度5～7 m，主干道侧的草沟宽度为5～8 m，草沟的底部宽设计1～2 m，保证雨水渗入面积及排水层穿孔管的平行敷设。

4.3 草沟长度

草沟是根据集水井分段的，每段草沟的长度是指草沟起点到集水井的距离。根据汇水面积计算出每段草沟的径流量，每段草沟的输水能力必须要大于或等于径流量，根据条件反推计算出草沟的长度。

4.4 草沟的输水能力

通过曼宁公式计算，与断面尺寸、纵坡、植被等条件有关。

式（2）中：A——草沟断面面积，m2；

R——水力半径,m；

I——草沟纵坡；

n——曼宁系数。

4.5 滤层排水管设计

（1）最大渗透量

排水层穿孔管设计时，孔隙的过流能力能够满足最大的渗流量，管道的输水能力能够满足最大降雨量时渗流量，确保排水层的滤料不会冲刷堵塞管道孔隙。

最大渗流量是指草沟最大流量时滤层的渗水量，可以用达西公式计算：

式（3）中：Q——最大渗流量，m3/s；

K——土壤渗透率，m/s；

A——渗透过水断面的面积，m2；

h——积水深度，m；

d——滤层厚度，m。

（2）穿孔管开孔率

穿孔管开孔率必须能够满足最大输水量，可根据小孔出流的公式计算，计算时需要考虑孔口的堵塞率，经验是50%。

式（4）中：Q——穿孔管流量，m3/s；

B——堵塞系数（0.5）；

C——流体动力粘滞系数（穿孔管选用0.61）；

A——穿孔管小孔面积和，m2；

h——穿孔管水头，m。

确定了穿孔管的渗水能力，还需要计算穿孔管的输水能力，根据曼宁公式计算，粗糙系数的取值与管材有关，规范上对取值有规定。

4.6 曼宁系数

曼宁公式计算草沟的输水能力，判断草沟尺寸及坡度能否满足输送径流量的要求。曼宁系数的选取非常关键，它与草沟的物理特征有关，如沟内过水断面的粗糙度，植物的类型、密度，雨水在草沟内的流行方式，草沟曲折变化程度，植草沟纵向坡度雨水对草沟的侵蚀和沉淀因素[5-6]。当植被直立，径流水位没有高于草的高度时，n值随水位增大而变大；当水位上升冲倒植物后，随着水深加大，n值减小。因此，n值在植被被冲到的瞬间最大。图2是关于n值与水深变化的规律实验结果。

图2 植物高度水流深度与曼宁系数关系图

根据经验,计算草沟输水能力时，应按照最不利条件考虑，即取最大的阻力系数。Cowan提出计算曼宁系数的方法，见公式（4）,并应用于大量的工程实例。

式（4）中：n——草沟的曼宁粗糙系数；

n0——与草沟渗透材料有关的系数；

n1——反映草沟不规则程度的系数；

n2——反映草沟断面变化的系数；

n3——与草沟控制堰或污染物拦截设置有关的系数;

n4——与草沟植物种植有关的系数；

m5——反映草沟曲折程度的系数。

公式（4）中计算草沟曼宁系数的各系数取值如表1。

项目建设时，本着就地取材节约造价的原则，草沟材质采用细砂粒现状土，草沟断面变化小，没有设置草沟堰，草沟内的植被结合适应当地气候生长的矮草，植被较低，草沟结合道路设计，每段草沟也基本较直。计算得出草沟的曼宁系数为0.029，参考图2的实验数据，最终设计时，曼宁系数取值为0.03。

表1 草沟曼宁粗糙系数n计算的各系数取值

4.7 最大积水深度

积水深度也与草沟的输水能力有关，根据经验估计草沟的积水深度，从而计算出草沟的湿周，根据曼宁公式计算草沟输水能力。曼宁系数取值是按照水流刚淹没草沟植物瞬间取值，曼宁系数最大，而草沟的输水能力最小。设计的积水深度是依照通常情况下输水时积水的高度取值[7]。当植物过高时,在水流冲击下稳定性较差,根据经验，最大积水水深为草高度的一半。

针对该项目植物的特点，选取最大积水深度为0.1 m。

5 草沟结构形式设计

根据曼宁公式进行计算，本项目设计草沟坡度纵坡均小于5%，以1%纵坡为界，计算草沟的排水能力。利用包头市降雨强度公式：

依照5 a一遇的设计标准，取降雨历时25 min计算暴雨强度，计算结果为153.873 L/s·hm2，每段草沟的长度最大不超过250 m，收集道路的汇水面积为0.5 hm2，计算出排入草沟的雨水径流量为53 L/s。

草沟的底宽1 m，草沟的纵坡1%，为了保持水流在草沟内较小的流速，控制水流速度约0.5 m/s,则草沟的积水深度约为8 cm，积水高度没有淹没草沟植物，可以满足要求。根据条件，计算出草沟的过水能力为56.1 L/s。

上述计算结果显示，当草沟纵坡为1%时，草沟的过水能力与排入该段的雨水径流量基本相等;当草沟的纵坡在1%～5%范围内时，草沟的过水能力大于雨水径流量，草沟仅考虑输送雨水，因此在草沟底部不设计滤层，此为草沟类型I。这种草沟一般用在一段草沟的前半段，传输及预处理雨水进入后段带滤层的草沟；当草沟纵坡小于1%时，草沟的过水能力小于径流量，草沟需要考虑雨水通过滤层的渗透处理，由排水层的穿孔管收集，排入下游集水井后排入湖体，此为草沟类型II；对于园区的主干道，由于其车流量较大，径流污染物的浓度可能会较大，因此在确保草沟纵坡不大于1%的同时，增加了过滤层厚度，此种为草沟类型III。

根据不同的坡度，设计不同的草沟形式，详见图 3～ 图 5。

图3 生态草沟类型I断面图（单位：m）

图4 生态草沟类型II断面图（单位：m）

图5 生态草沟类型III断面图（单位：m）

6 结语

生态草沟作为控制面源污染的重要措施之一，在国外已有广泛的应用。我国也有部分地区已经开始应用了该项技术，但类似体育文化园这种较大范围的应用，在国内并没有相应的工程实例。借鉴国内外草沟的设计经验，针对该项目地形特点，将草沟过滤层设计为以单、多层滤层的不同组合方式，以适应纵坡变化。希望本文提出的方法能为其他工程生态草沟的设计提供参考依据。

[1]宫莹，阮晓红，胡晓东.我国城市地表水环境非点源污染的研究进展[J].中国给水排水，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]倪艳芳.城市面源污染的特征及其控制的研究进展[J].环境科学与管理,2008，21（3）:2.

[5]张炜，车伍，李俊奇,等.植被浅沟在城市雨水利用系统中的应用[J].中国给水排水，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，马克明，赵景柱,等.城市非点源污染控制的景观生态学途径[J].应用生态学报,2005，25（16）:8.