１４０ 防洪排水 城市道桥与防洪 ２０１１年７月第７期 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） 摘要：随着径流污染日益受到重视，治理径流污染的措施成为现今水处理研究的重要方面。以鄂尔多斯体育文化园为工程 实例，详细阐述了生态草沟处理径流污染的方法，总结了草沟设计的要点以及参数的选取，对推广生态草沟这一径流污染处 理技术有一定的意义。 关键词：径流污染；生态草沟；设计要点；设计参数 中图分类号：Ｘ１４３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００９—７７１６（２０１１）０７－０１４０—０４ 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 染物流人湖中，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。 物，使其进入受纳水体引起的环境问题ｆ ，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【 。 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 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 收稿日期：２０１１—０４—２５ 作者简介：张轶（１９８０一），女，北京人，工程师，从事市政给排 水设计工作。 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 都是通过汇人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人了市 政管道。 续发展模式来对水务进行长效的管理。 参考文献 ４结语 本文从近些年来探讨上海市城市化对农村水 ［１］贾利民，李杰．创新水利投入机制促进农田水利建设［Ｊ］．中国水 利，２００８，（９）． 【２］冯浩，牛文全．中国用水结构发展态势与节水对策分析［Ｊ］． 农业工程学报，２００３，（１）． 【３］周峰，邹松林．农村水利如何为农业结构调整服务初探【Ｊ】． 治淮，２００８，ｆ２１． 【４］王英才，刘永定，等．上海市几条黑臭河道治理效果的比较与 分析［Ｊ］．水生生物学报，２００９，（２）． 利的影响，可以看出城市化随之带来的一些问题， 并且整治工作任重而道远，并可能会造成一定的 废弃工程，但这是经济社会和水利事业发展的客 观要求，人们应当以今年的中央一号文件为指导， 提高并加快对农村水利现代化建设重要性和必要 性的认识，增强紧迫感，树立责任感。 【５】宋进喜，曹明明，等．渭河（陕西段）河道自净需水量研究［Ｊ】．地 理科学，２００５，ｆ３）． 【６］Ｓ．Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｄｉｎｇｍａｎ．Ｆｌｕｖｉａｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ， Ｉｎｃ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ．２００９． ２０１１年７月第７期 城市道桥与防洪 防洪排水 １４１ 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 进人后面的雨水传输过程，进人受纳水体 】。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设计流最 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： Ｑ １＝ ｑＦ×１０ （１） 式（１）中：Ｑ。——设计降雨径流量，ｍ３／ｓ； ——综合径流系数，其数值小于１； Ｆ——汇水面积，ｌ０４ｍ ； 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 ｏ 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 ｈｍｚ，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。 Ｑ＝Ｉ＿＿ＡＲ ３一 （２） ｎ式（２）中：Ａ——草沟断面面积，ｍｚ； Ｒ——水力半径，ｍ； 卜一草沟纵坡； 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： Ｏ＝Ｋ Ｘ Ａ×旦 （３） 一 ｃｌ 式（３）中：ｐ——最大渗流量，ｍ３／８； Ｋ——土壤渗透率，ｍ／ｓ； Ａ——渗透过水断面的面积，ｍ ； 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％。 Ｑ＝Ｂ×Ｃ×Ａ＇Ｖ／２ｇｈ一 （４） 式（４）中：ｐ——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，ｍ ； １４２ 防洪排水 ｈ——穿孔管水头，ｍ。 城市道桥与防洪 ２０１１年７月第７期 表１ 草沟曼宁粗糙系数ｎ计算的各系数取值 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［ 】。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，／／－值减小。因此，／１值在植被被冲到的 瞬间最大。图２是关于／－／值与水深变化的规律实 验结果。 巅 榭５ 田ｃ 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。 ／／－＝（力０＋／＇／１＋ｎ２＋Ｊ】３＋力４）×ｍ ５ （５） 式（４）中：ｎ——草沟的曼宁粗糙系数； ｎ。——与草沟渗透材料有关的系数； ／／－ ——反映草沟不规则程度的系数； ／１－：——反映草沟断面变化的系数； ｎ ——与草沟控制堰或污染物拦截设置 有关的系数； ｎ ——与草沟植物种植有关的系数； ｎ－／ ——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。 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，而革沟的输水能力最小。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Ｉ 。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ｌ％纵坡为界，计算草沟的 排水能力。利用包头市降雨强度公式： ｑ： 一 塑 婴 … （Ｌ／＼ ｓ．ｈｍ２）／ （６）＼ ／ （ｔ＋５．４）ｏ．ｏｏ 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 ２０１１年７月第７期 城市道桥与防洪 防洪排水 １４３ 为０．５ ｈｍ２计算出排人草沟的雨水径流量为５３ Ｕｓ。 —ｏ．ｕ ２．０ ３．０ Ｉ １．Ｏ ２．ｏＩ ２．ｏ一３．ｏ 草沟的底宽１ Ｉｎ，革沟的纵坡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 的过水能力与排人该段的雨水径流量基本相等；当 图５生态草沟类型…断面图【单位：ｍ） 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 ６结语 沟底部不设计滤层，此为草沟类型Ｉ。这种草沟一 生态草沟作为控制面源污染的重要措施之 般用在一段草沟的前半段，传输及预处理雨水进入 一，在国外已有广泛的应用。我国也有部分地区 后段带滤层的草沟；当革沟纵坡小于１％时，草沟 已经开始应用了该项技术，但类似体育文化园这 的过水能力小于径流量，草沟需要考虑雨水通过滤 种较大范围的应用，在国内并没有相应的工程实 层的渗透处理，由排水层的穿孔管收集，排入下游 例。借鉴国内外草沟的设计经验，针对该项目地 集水井后排人湖体，此为草沟类型ＩＩ；对于园区的 形特点，将草沟过滤层设计为以单、多层滤层的不 主干道，由于其车流量较大，径流污染物的浓度可 同组合方式，以适应纵坡变化。希望本文提出的 能会较大，因此在确保草沟纵坡不大于１％的同 方法能为其他工程生态草沟的设计提供参考依 时，增加了过滤层厚度，此种为草沟类型ＩＩＩ。 据。 根据不同的坡度，设计不同的草沟形式，详见 图３～图５。 参考文献 ： ！： 【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 ２．０－３．ｏ 。１．ｏ 究进展『Ｊ］．中国给水排水，２００３，１５（４）：１９． ［２］Ｖ Ｎｏｖｏｔｎｙ，Ｈ Ｏｌｅｍ．Ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ：ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｆｕｓｅ 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 图３生态草沟类型ｌ断面图（单位：ｍ） 【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【Ｊ１．环境 ：Ｑ蔓： 科学与管理，２００８，２１（３）：２． ２．０￣３．０ ． １．０ 【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【Ｊ１．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 图４生态草沟类型ＩＩ断面图（单位：ｍ） 态学途径［Ｊ】．应用生态学报，２００５，２５（１６）：８． （上接第１２８页） ５ 结论 参考文献 虽然我国钢桥防腐蚀技术相对发达国家起步 【１］王文涛．斜拉桥换索工程【ＭＨＥ京：人民交通出版社，１９９６． 较晚，但结合国外相关技术，并通过近年来国内 【２］方震．防腐涂料的发展方向及态势【Ａ】．２０１０中国重庆第七届表 大量的实际钢桥建设，已经总结了一系列的防腐 面工程技术学术论坛暨展览会论文集【Ｃ］．２０１０，３０８—３１３． 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