CN109386045B - 一种生物滞留池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种生物滞留池系统，包括碎石消能区(3)和生物过滤区(4)，所述生物滞留池系统位于硬化路面(9)和人行道(10)之间，硬化路面(9)与所述生物滞留池系统之间设有路缘石(8)，生物过滤区(4)内含有从上向下依次设置的表面植被和砂滤层，生物过滤区(4)的下方设有排水层(11)，排水层(11)内设有穿孔排水管(6)。该生物滞留池系统生物滞留池系统中雨水通过冲刷岩石及扩散的流动路径来减缓流速，避免对植被和砂滤介质的冲刷。通过精细过滤，吸附，生物吸收等作用，有效去除初雨中的污染物，灵活应用于各种规模的景观中，如住宅，校园，停车场，郊区公园，道路等。
Description
技术领域
本发明涉及城市排水防涝和面源污染治理技术领域，具体的是一种基于海绵城市的生物滞留池系统。
背景技术
海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。海绵城市遵循的是顺应自然、与自然和谐共处的低影响发展模式:传统城市利用土地进行高强度开发，海绵城市实现人与自然、土地利用、水环境、水循环的和谐共处；传统城市开发方式改变了原有的水生态，海绵城市则保护原有的水生态；传统城市的建设模式是粗放式的，海绵城市对周边水生态环境则是低影响的；传统城市建成后，地表径流量大幅增加，海绵城市建成后地表径流量能保持不变。
生物滞留池是在海绵城市建设中一种应用广泛的低影响开发设施。生物滞留池一般收纳市政道路雨水，通过植物的吸收和渗滤，减少雨水外排流量，净化雨水水质。现有生物滞留池系统，没有有效措施避免降雨高峰时，进水对生长植物的冲刷，道路雨水中的泥沙易落入生物滞留池系统，阻塞植物的呼吸作用，造成植物对污染物的代谢吸收效率降低。
发明内容
为了克服现有生物滞留池植被易被降雨冲刷造的成雨水处理效果不佳的缺点。本发明提供了一种生物滞留池系统，该生物滞留池系统中雨水通过冲刷岩石及扩散的流动路径来减缓流速，避免对植被和砂滤介质的冲刷；路缘石有效截留重质污染物，防止阻塞植物呼吸；生物过滤层持水性既能满足植物的生长需求，又适应过滤雨水水质的要求，为生物膜的形成提供基质。通过精细过滤，吸附，生物吸收等作用，有效去除初雨中的污染物，灵活应用于各种规模的景观中，如住宅，校园，停车场，郊区公园，道路等。
本发明解决其技术问题所采用的技术发明是：一种生物滞留池系统，包括碎石消能区和生物过滤区，所述生物滞留池系统位于硬化路面和人行道之间，硬化路面与所述生物滞留池系统之间设有路缘石，路缘石的路缘石开口与碎石消能区对应连接，碎石消能区与生物过滤区相邻，生物过滤区内含有从上向下依次设置的表面植被和砂滤层，生物过滤区的下方设有排水层，排水层内设有穿孔排水管，生物过滤区内还含有溢流井，穿孔排水管的端部与溢流井连通。
溢流井的上端高出所述砂滤层0.3m以上，溢流井的底部设有雨水出水管，路缘石的上表面内设有排水凹槽，该排水凹槽的断面呈V型，路缘石的边缘以不大于1:4 的坡度坡向生物过滤区，人行道的边缘以不大于1:4的坡度坡向生物过滤区，硬化路面以一定坡度坡向路缘石。
路缘石开口内设有雨水进水管，碎石消能区内分布有大岩石和小岩石，大岩石的粒径与雨水进水管的直径相同，大岩石的底部比雨水进水管的下端低雨水进水管的直径的0.3倍，末排的小岩石的顶部与所述砂滤层的顶部齐平；碎石消能区沿水流方向的排列长度为雨水进水管的直径的4倍，大岩石的间隙填充有碎石，碎石消能区以 1:4坡度坡向生物过滤区。
在碎石消能区内，大岩石呈排排列，首排中仅有一个大岩石，首排中的大岩石正对雨水进水管的管口；后排中大岩石的数量依次递增，后排中的大岩石与前排中的大岩石交错排列，末排中大岩石的粒径为雨水进水管直径的0.75倍。
所述砂滤层的厚度为0.3m～1.0m，排水层的厚度为0.15m～0.2m。
穿孔排水管的管径为100mm，穿孔排水管以0.5％的坡度坡向溢流井。
当雨水达到最大流量时，雨水在生物过滤区内的设计流速在1.5m/s以内。
所述砂滤层的饱和导水性在50mm/hr～200mm/hr，所述砂滤层的pH在5.5～7.5。
排水层的材质为粒径为1mm的粗砂或粒径为2mm～5mm细砾石；当排水层的材质为所述细砾石时，所述砂滤层与排水层之间设有过渡层，该过渡层由沙粒组成，所述过渡层的厚度为0.1m～0.15m。
在该过渡层中，所述沙粒的粒径全部小于1.4mm，粒径小于1.0mm的沙粒的质量为该过渡层总重量的60％～80％，粒径小于0.7mm的沙粒的质量为该过渡层总重量的 40％～50％，粒径小于0.5mm的沙粒的质量为该过渡层总重量的5％～15％。
本发明的有益效果是：入口设置碎石消能区，雨水通过冲刷岩石及扩散的流动路径来减缓流速，避免对植被和砂滤介质的冲刷，避免沉积于植物根部的污染物被搅动，破坏出水水质；硬化路面与生物滞留池之间的路缘石，降雨峰值时，雨水通过路缘石溢流至生物滞留池，较大的沉积物落入排水凹槽内。独特的设计结构，使得道路初雨中携带的重质污染物沉积于排水凹槽内，不易被水流重新搅动带入生物滞留池内；砂滤层的饱和导水性控制在50/hr～200mm/hr，使得土壤的持水性既能满足植物的生长需求，又适应过滤雨水水质的要求，为生物膜的形成提供基质，表面生长的植被可以促进向砂率介质输送氧气，增强生物膜中微生物群落活性，径流携带的氮磷等污染物可以被植物吸收及生物膜上的微生物代谢除去。初期雨水携带较多污染物，通过生物滞留池的植被吸收及砂滤层的过滤，吸附作用等被去除，洁净雨水通过穿孔排水管汇集于溢流井，与后期洁净溢流进入溢流井的雨水一起输送至下游自然水体或进入调蓄池回收利用。生物滞留池可以灵活应用于各种规模的景观中，如住宅，校园，停车场，郊区公园，道路等等，有效处理初期雨水污染，减少地面径流，缓解城市内涝，缓解热岛效应，保护生态环境。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明所述生物滞留池系统的俯视图。
图2是图1的剖视图。
图3是本发明所述碎石消能区的俯视图。
图4是图3的剖视图。
图5是路缘石的断面结构示意图。
1、雨水进水管；2、路缘石开口；3、碎石消能区；4、生物过滤区；5、溢流井； 6、穿孔排水管；7、雨水出水管；8、路缘石；9、硬化路面；10、人行道；11、排水层；12、大岩石；13、小岩石。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种生物滞留池系统，包括碎石消能区3和生物过滤区4，所述生物滞留池系统位于硬化路面9和人行道10之间，硬化路面9与所述生物滞留池系统之间设有路缘石8，路缘石8的路缘石开口2与碎石消能区3对应连接，碎石消能区3与生物过滤区4相邻，生物过滤区4内含有从上向下依次设置的表面植被和砂滤层，生物过滤区 4的下方设有排水层11，排水层11内设有穿孔排水管6，生物过滤区4内还含有溢流井5，穿孔排水管6的端部与溢流井5连通，如图1和图2所示。
在本实施例中，溢流井5的上端高出所述砂滤层0.3m以上，溢流井5的底部设有雨水出水管7，路缘石8的上表面内设有排水凹槽，该排水凹槽的断面呈V型，如图1和图5所示，路缘石8的边缘以不大于1:4的坡度坡向生物过滤区4，人行道10 的边缘以不大于1:4的坡度坡向生物过滤区4，硬化路面9以一定坡度坡向路缘石8，如图1所示。
其中，溢流井5内的雨水可以通过雨水出水管7输送至雨水管网排河或雨水调蓄池回用。该排水凹槽的断面呈V型，降雨峰值时，雨水通过路缘石溢流至生物滞留池，较大的沉积物落入V字形凹槽内。独特的设计结构，使得道路初雨中携带的重质污染物沉积于V字形凹槽内，不易被水流重新搅动带入生物滞留池内。
在本实施例中，路缘石开口2内设有雨水进水管1，碎石消能区3内分布有大岩石12和小岩石13，大岩石12的粒径D与雨水进水管1的直径D大致相同，大岩石 12的底部比雨水进水管1的下端低雨水进水管1直径D的0.3倍，如图4所示，末排的小岩石13的顶部与所述砂滤层的顶部齐平；碎石消能区3沿水流方向的排列长度为雨水进水管1的直径D的4倍，大岩石12的间隙填充有碎石，碎石消能区3以 1:4坡度坡向生物过滤区4。
在本实施例中，在碎石消能区3内，大岩石12呈排排列，例如大岩石12排出了 N排，但图4中仅示出了3排。首排中仅有一个大岩石12为一个，首排中的大岩石 12正对雨水进水管1的管口；后排中大岩石12的数量依次递增，后排中的大岩石12 与前排中的大岩石12交错排列，末排中大岩石12的粒径为雨水进水管1直径D的 0.75倍，如图3和图4所示。
沿首排向末排的方向，即图3中的左右方向，相邻两排大岩石12的数量每次递增一个，如第N排含有N个大岩石12，相邻两排之间的大岩石12之间交错排列。首排大岩石12的上端与末排中大岩石12的上端的高度差等于一倍的雨水进水管1的直径D，即碎石消能区以1:4坡度坡向生物滞留池，如图3所示。雨水通过冲刷岩石及扩散的流动路径来减缓流速，避免对植被和砂滤介质的冲刷，避免沉积于植物根部的污染物被搅动，破坏出水水质。
在本实施例中，所述砂滤层的厚度为0.3m～1.0m，当种植树木时，至少为0.8m，以避免植物的根系生长空间不足，对排水层穿孔管造成破坏。所述过渡层的厚度为 0.1m～0.15m，排水层11的厚度为0.15m～0.2m。
在本实施例中，穿孔排水管6的管径为100mm，穿孔排水管6以0.5％的坡度坡向溢流井5。穿孔排水管6以较小的管径设计，可以适应在排水层11中的安装空间，如图2所示。
在本实施例中，雨水在生物过滤区4内的设计流速控制在0.5m/s以内，当雨水达到最大流量时，雨水在生物过滤区4内的设计流速控制在1.5m/s以内，以避免对植被和砂滤介质的冲刷。
在本实施例中，所述砂滤层的饱和导水性在50mm/hr～200mm/hr，所述砂滤层的pH在5.5～7.5。以使得土壤的持水性既能满足植物的生长需求，又适应过滤雨水水质的要求，为生物膜的形成提供基质。
在本实施例中，排水层11的材质为粒径为1mm的粗砂或粒径为2mm～5mm细砾石；当排水层11的材质为所述细砾石时，所述砂滤层与排水层11之间必须设有过渡层。即在使用细砾石时必须在上部安装过渡层，以防止过滤介质冲刷到穿孔管道中。
其中，该过渡层由沙粒组成，所述过渡层的粒度分布(小于等于某粒径颗粒的百分含量)如下：1.4mm 100％；1.0mm 60-80％；0.7mm 40-50％；0.5mm 5-15％。在该过渡层中，所述沙粒的粒径全部小于1.4mm，粒径小于1.0mm的沙粒的质量为该过渡层总重量的60％～80％，粒径小于0.7mm的沙粒的质量为该过渡层总重量的40％～50％，粒径小于0.5mm的沙粒的质量为该过渡层总重量的5％～15％。
在降雨初期，污染物含量较高的雨水通过碎石消能区3进入生物滞留池的生物过滤区4，雨水通过冲刷碎石消能区3内岩石及扩散的流动路径来减缓流速，避免对植被和砂滤介质的冲刷，避免沉积于植物根部的污染物被搅动，破坏出水水质。雨水的中污染物通过表面密集种植的植被以及砂率介质的生物吸收，过滤，吸附等作用而被去除。生物过滤区4的设计处理雨水量对应的降雨重现期通常设计为2年一遇，5年一遇或10年一遇。
路缘石开口2的宽度根据以下公式确定：
其中，Q为进入生物过滤区4的雨水量，单位为m3/s；Cw为系数，取1.7，无单位；L为路缘石开口2的宽度，单位为m；h为水深，单位为m。
处理后干净的雨水通过穿孔排水管6汇集于溢流井5，与后期洁净溢流进入溢流井5的雨水一起输送至下游自然水体或进入调蓄池回收利用。穿孔排水管6的排水能力大于砂滤层最大渗透流量。
最大渗透流量根据以下公式确定：
其中，Q1为最大渗透流量，单位为m3/s；Ksat为渗透系数，单位为m/s，取值为 1.39×10-5m/s～5.56×10-5m/s；L为生物滞留池长度，单位为m；W为砂滤层宽度，单位为m；hmax为砂滤层表面的积水深度，单位为m；d为砂滤层厚度，单位为m。
降雨流量较大时，雨水通过路缘石8溢流至生物过滤区4进行处理，较大的沉积物落入路缘石8的V字形的排水凹槽内。当降雨强度大于生物滞留池处理能力时，雨水将溢流进入溢流井5，排入下游。
生物滞留池种植的植物(所述表面植被)应以本土植物优先，不推荐种植草皮。植物选择应考虑抗旱，耐淹，耐污，抗寒等特性以及观赏性和维护要求。种植的树木应根系较浅，以免破坏底部穿孔排水管；具有相对稀疏的树冠，以保证底部植被的充分光照。
本发明所述生物滞留池的常规维护包括：碎石消能区3的沉积物清理，植被表面沉积物清理，溢流井5的清理，路缘石8的清理，植被的修剪灌溉及病虫害检测，杂草清除等。
下面一个本发明所述生物滞留池系统的具体使用实例：
生物滞留池服务面积600平方米(径流系数0.4)，收集处理2年一遇的雨水。设计生物滞留池的面积为18平方米，污染物控制目标为：年平均TSS负荷减少80％以上，年平均TP负荷减少60％以上，年平均TN负荷减少45％以上。砂滤层滤料由改良砂壤土组成，饱和导水性为180mm/hr，进水区路缘石开口宽度为1米，穿孔排水管开孔直径为1.5mm，采用粒径为5mm细砾石排水层同时设置过渡层。过渡层的粒度分布如下：1.4mm 100％；1.0mm 80％；0.7mm 44％；0.5mm 8.4％。溢流井尺寸为260mm×260mm。
本发明所述生物滞留池系统可以克服现有生物滞留池植被易被降雨冲刷，雨水中沉积泥沙易窒息植被，造成植被生长不良，造成雨水处理效果不佳的缺点。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术发明之间、技术发明与技术发明之间均可以自由组合使用。
Claims (7)
1.一种生物滞留池系统，其特征在于，所述生物滞留池系统包括碎石消能区(3)和生物过滤区(4)，所述生物滞留池系统位于硬化路面(9)和人行道(10)之间，硬化路面(9)与所述生物滞留池系统之间设有路缘石(8)，路缘石(8)的路缘石开口(2)与碎石消能区(3)对应连接，碎石消能区(3)与生物过滤区(4)相邻，生物过滤区(4)内含有从上向下依次设置的表面植被和砂滤层，生物过滤区(4)的下方设有排水层(11)，排水层(11)内设有穿孔排水管(6)，生物过滤区(4)内还含有溢流井(5)，穿孔排水管(6)的端部与溢流井(5)连通；
溢流井(5)的上端高出所述砂滤层0.3m以上，溢流井(5)的底部设有雨水出水管(7)，路缘石(8)的上表面内设有排水凹槽，该排水凹槽的断面呈V型，路缘石(8)的边缘以不大于1:4的坡度坡向生物过滤区(4)，人行道(10)的边缘以不大于1:4的坡度坡向生物过滤区(4)，硬化路面(9)以一定坡度坡向路缘石(8)；
路缘石开口(2)内设有雨水进水管(1)，碎石消能区(3)内分布有大岩石(12)和小岩石(13)，大岩石(12)的粒径与雨水进水管(1)的直径相同，大岩石(12)的底部比雨水进水管(1)的下端低雨水进水管(1)的直径的0.3倍，末排的小岩石(13)的顶部与所述砂滤层的顶部齐平；碎石消能区(3)沿水流方向的排列长度为雨水进水管(1)的直径的4倍，大岩石(12)的间隙填充有碎石，碎石消能区(3)以1:4坡度坡向生物过滤区(4)；
在碎石消能区(3)内，大岩石(12)呈排排列，首排中仅有一个大岩石(12)，首排中的大岩石(12)正对雨水进水管(1)的管口；后排中大岩石(12)的数量依次递增，后排中的大岩石(12)与前排中的大岩石(12)交错排列，末排中大岩石(12)的粒径为雨水进水管(1)直径的0.75倍。
2.根据权利要求1所述的生物滞留池系统，其特征在于，所述砂滤层的厚度为0.3m～1.0m，排水层(11)的厚度为0.15m～0.2m。
3.根据权利要求1所述的生物滞留池系统，其特征在于，穿孔排水管(6)的管径为100mm，穿孔排水管(6)以0.5％的坡度坡向溢流井(5)。
4.根据权利要求1所述的生物滞留池系统，其特征在于，当雨水达到最大流量时，雨水在生物过滤区(4)内的设计流速在1.5m/s以内。
5.根据权利要求1所述的生物滞留池系统，其特征在于，所述砂滤层的饱和导水性在50mm/hr～200mm/hr，所述砂滤层的pH在5.5～7.5。
6.根据权利要求1所述的生物滞留池系统，其特征在于，排水层(11)的材质为粒径为1mm的粗砂或粒径为2mm～5mm细砾石；当排水层(11)的材质为所述细砾石时，所述砂滤层与排水层(11)之间设有过渡层,该过渡层由沙粒组成，该过渡层的厚度为0.1m～0.15m。
7.根据权利要求6所述的生物滞留池系统，其特征在于，在该过渡层中，所述沙粒的粒径全部小于1.4mm，粒径小于1.0mm的沙粒的质量为该过渡层总重量的60％～80％，粒径小于0.7mm的沙粒的质量为该过渡层总重量的40％～50％，粒径小于0.5mm的沙粒的质量为该过渡层总重量的5％～15％。
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