生物滯留池對(duì)石家莊市雨水徑流的水文響應(yīng)

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(duì)石家莊市雨水徑流的水文響應(yīng)

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(zhì)大學(xué) 水資源與環(huán)境學(xué)院/河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，石家莊 050031；2.河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050031；3.河北省水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同創(chuàng)新中心，石家莊 050031；4.中國環(huán)境保護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100190；5.中國地質(zhì)工程集團(tuán)有限公司，北京 100190）

【目的】研究生物滯留池對(duì)石家莊市雨水徑流的水文響應(yīng)，【方法】結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和HYDRUS數(shù)值模型，對(duì)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(shù)的敏感性，討論了匯水面積、種植土層厚度的作用，預(yù)測(cè)了不同重現(xiàn)期降雨對(duì)出流的影響。【結(jié)果】相對(duì)于恒定降雨模式，芝加哥降雨模式推遲底部出流時(shí)刻，增長積水時(shí)間。敏感性水力特征參數(shù)主要為土壤飽和滲透系數(shù)s、飽和含水率s和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；s加大，底部排水速率峰值增加，峰值時(shí)刻提前；s增大，延遲時(shí)間增加，出流量和積水時(shí)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(shí)間加大3倍而延遲時(shí)間縮短16%；種植土層厚度的變化對(duì)結(jié)果影響不顯著?！窘Y(jié)論】該生物滯留池滲透性能優(yōu)良，90%以上的雨水可以通過種植土層下滲；對(duì)于重現(xiàn)期不超過5 a的降雨，不發(fā)生溢流，削峰率變化范圍為40.6%～76.5%，延遲時(shí)間大于1 h，積水時(shí)間不超過2 h。

生物滯留；雨水徑流；HYDRUS；數(shù)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(fā)的雨洪調(diào)控措施之一，在徑流調(diào)控、地下水回補(bǔ)及水質(zhì)改善等方面功效顯著[1-3]。雖然在國內(nèi)外已取得了一系列研究進(jìn)展，但其適用范圍需考慮氣象條件的差異，有一定的地區(qū)適用性[4]。因此，如何根據(jù)區(qū)域降雨特點(diǎn)和城市發(fā)展布局，合理設(shè)計(jì)生物滯留池使其能夠最大程度地發(fā)揮工程與環(huán)境效益是當(dāng)前研究中的熱點(diǎn)問題。

【研究進(jìn)展】目前，對(duì)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(duì)徑流水文調(diào)控的研究較少。影響生物滯留池水文調(diào)控的因素主要有滯留池自身特性（如介質(zhì)類別、介質(zhì)高度、植被種類和滯留池結(jié)構(gòu)等）和雨水徑流特性（如雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)、匯水面積等）兩類[10]。其中，介質(zhì)類型是近年來的研究熱點(diǎn)[11]，而針對(duì)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(diào)控的研究方法主要有水量均衡法[14]、實(shí)驗(yàn)法[15-16]和數(shù)值模擬法等。數(shù)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(zhì)運(yùn)移，近年來，已被國內(nèi)外學(xué)者成功應(yīng)用到生物滯留池的研究中[19-20]?！厩腥朦c(diǎn)】生物滯留池在我國南方城市應(yīng)用的較多[21-23]，在北方，主要的應(yīng)用和研究則集中在北京和西安[24-26]，而針對(duì)河北省降雨特征進(jìn)行的水文調(diào)控分析則較匱乏?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段，研究生物滯留池對(duì)石家莊市雨水徑流的水文響應(yīng)，對(duì)比恒定降雨模式和芝加哥降雨模式對(duì)出流影響，分析滲透系數(shù)、含水率等因素的敏感性，討論匯水面積、種植土層厚度對(duì)結(jié)果的影響，預(yù)測(cè)不同重現(xiàn)期降雨條件下的出流過程，對(duì)石家莊海綿城市建設(shè)、水資源集約利用提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

生物滯留池由蓄水層、覆蓋層、種植土層、細(xì)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(shè)有直徑2 cm的滲排管作為出水口。覆蓋層選用松樹枝皮，當(dāng)蓄水深度超過15 cm時(shí)，可通過上部的溢流口排出。細(xì)粒砂層（粒徑1～5 mm）與礫石層（粒徑20～60 mm）、種植土層和細(xì)粒砂層之間均設(shè)有透水土工布，以防細(xì)粒物質(zhì)進(jìn)入底部的滲排管。試驗(yàn)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(nèi)土壤篩分試驗(yàn)及粒徑分析表明砂樣屬中砂。柱體PVC管內(nèi)壁打磨粗糙，以避免壁面優(yōu)勢(shì)流的產(chǎn)生。充填土柱時(shí)，每10 cm進(jìn)行壓實(shí)。工程實(shí)際施工中應(yīng)栽種植被，本試驗(yàn)重點(diǎn)研究種植土對(duì)不同降雨類型的響應(yīng)，因此沒有栽種植被。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 設(shè)計(jì)降水量與徑流量

石家莊市重現(xiàn)期為2 a的暴雨強(qiáng)度計(jì)算式為：

式中：為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度（L/（s·hm2））；為重現(xiàn)期（a）；為降雨歷時(shí)（min）。

根據(jù)式（1），設(shè)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(jì)算出設(shè)計(jì)徑流量（m3/s）：

=??， （2）

式中：為徑流系數(shù)，取0.9；為匯水面積（m2）。

試驗(yàn)采用的降雨重現(xiàn)期為2 a，總降雨歷時(shí)為1 h，設(shè)計(jì)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(yàn)過程

試驗(yàn)供水系統(tǒng)主要由水箱、水泵、閥門、流量計(jì)、噴頭等配件構(gòu)成。水泵采用電動(dòng)隔膜泵（JR-9328，12V100W），結(jié)合閥門控制水的回流量，進(jìn)而控制進(jìn)水量。進(jìn)水流量采用雙通道控制，對(duì)于小于50 L/h的流量采用小量程LZS-15流量計(jì)（量程10～100 L/h），對(duì)于大于50 L/h的流量采用大量程LZS-15流量計(jì)（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(jìn)水盡量均勻噴到土柱內(nèi)。對(duì)于芝加哥降雨模式，試驗(yàn)時(shí)將理論進(jìn)水負(fù)荷概化為階梯狀進(jìn)水負(fù)荷（圖2）。種植土中埋有3個(gè)EM50探頭，探頭埋深分別為5、10、20 cm，土壤含水率監(jiān)測(cè)頻率為1次/min。待底部出水口開始排水后，連續(xù)測(cè)定排水流速，直到排水速率很小，記錄底部排水總量。同時(shí)，觀測(cè)上部溢流及積水情況。

圖2 重現(xiàn)期2 a的1 h恒定降雨模式和芝加哥降雨模式進(jìn)水負(fù)荷

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文涉及的各指標(biāo)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(shí)間：裝置底部開始出流的時(shí)刻與降雨起始時(shí)刻的差值，用來表征生物滯留池延緩產(chǎn)流時(shí)間的效果。

3）積水時(shí)間：蓄水深度超過0 cm的時(shí)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(shù)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(yùn)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(shù)（cm/min）；為時(shí)間（min）；為垂向坐標(biāo)（cm）（向上為正）。

土壤含水率()及非飽和滲透系數(shù)()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(shù)（cm/min），=0.5，、、為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，=1-1/。

對(duì)60 cm厚的種植土層建立模型，網(wǎng)格剖分設(shè)置每0.5 cm設(shè)1個(gè)節(jié)點(diǎn)，共121個(gè)結(jié)點(diǎn)。初始含水率根據(jù)探頭監(jiān)測(cè)結(jié)果插值得到，上邊界條件為大氣邊界，不考慮蒸發(fā)，積水最大深度設(shè)置為22.5 cm，下邊界條件為滲出面邊界。

2.2 參數(shù)率定與驗(yàn)證

根據(jù)土壤粒徑分析結(jié)果，利用HYDRUS-1D內(nèi)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模塊Rosetta Lite擬合的土壤參數(shù)如表1所示，將其設(shè)為初始參數(shù)，利用HYDRUS-1D求解逆問題，設(shè)定土壤主要參數(shù)srs的取值范圍。采用重現(xiàn)期2 a的1 h恒定降雨模式下監(jiān)測(cè)的土壤含水率進(jìn)行率定，率定后的參數(shù)見表1。

表1 土壤水力特征參數(shù)

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型，利用表1中的率定參數(shù)，擬合重現(xiàn)期為2 a的1 h芝加哥降雨模式的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)式（10）計(jì)算得到的模擬與實(shí)測(cè)含水率之間的誤差1為0.025，根據(jù)式（11）計(jì)算得到的模擬與實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值與模擬值基本相符。

式中：sim(t,z)和obs(t,z)分別表示第個(gè)探頭在第分鐘的模擬含水率和觀測(cè)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(cè)值（cm/min），從0到150 min。

圖3 重現(xiàn)期2 a的1 h恒定降雨模式、芝加哥降雨模式下實(shí)測(cè)與模擬的底部排水速率對(duì)比圖

3 結(jié)果與分析

3.1 恒定降雨模式和芝加哥降雨模式對(duì)出流影響

由表2和圖3可以看出，出流量的實(shí)測(cè)值和模擬值差別不大，但實(shí)測(cè)的延遲時(shí)間均小于模擬的延遲時(shí)間，說明裝置內(nèi)部存在局部優(yōu)勢(shì)流，而模型中則未考慮到。設(shè)施內(nèi)的種植土滲透性大，排水速率快，不發(fā)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(huì)推遲裝置底部出流時(shí)刻；且恒定降雨模式下，無積水；芝加哥降雨模式下，積水時(shí)間為40 min左右。實(shí)際發(fā)生的降雨大多為芝加哥降雨模式，故采用恒定降雨模式時(shí)，低估了生物滯留池的積水時(shí)間，預(yù)測(cè)的出流時(shí)刻可能過早。

表2 重現(xiàn)期為2 a的1 h恒定降雨模式與芝加哥降雨模式實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果

3.2 敏感性分析

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

土壤水分特征曲線對(duì)s較敏感（圖4（a）），r次之，對(duì)、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(shù)的影響不顯著。雖然r在取值較低時(shí)值相對(duì)差異較大，但其絕對(duì)差異很小，而s對(duì)非飽和滲透系數(shù)的影響雖然在圖上顯示不明顯，但其絕對(duì)數(shù)值差異較大。

表3 敏感性分析參數(shù)取值及相應(yīng)誤差值

注 上標(biāo)“+”、“-”分別代表在原值的基礎(chǔ)上增大或減小25%。

圖4 參數(shù)變化對(duì)土壤水分特征曲線、非飽和滲透系數(shù)和底部出流速率的影響

對(duì)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(yīng)增加21.7%，峰值時(shí)間提前14.3%，積水時(shí)間減少25%，但對(duì)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(shí)間延遲25%，積水時(shí)間減少12.5%，這是因?yàn)楹氏嗤瑮l件下，增加s，土壤吸力增加、滲透性變差導(dǎo)致的，同時(shí)，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(shù)的影響則不明顯。

圖5 參數(shù)變化對(duì)出流過程和出流量的影響

3.3 匯水面積比的影響

根據(jù)《石家莊市海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，生物滯留池的匯水面積比一般在5～15之間。重現(xiàn)期為2 a的1 h芝加哥降雨模式下，設(shè)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(shù)同表1中的率定參數(shù)，模擬結(jié)果如圖6所示。對(duì)于重現(xiàn)期為2 a的1 h的芝加哥降雨模式，當(dāng)≤15時(shí)，生物滯留池均無溢流發(fā)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(shí)間從10 min增大到59 min，延遲時(shí)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(shí)間及延遲時(shí)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(jié)果。圖7表明，種植土層厚度從60 cm增大到100 cm時(shí)，生物滯留池均無溢流發(fā)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(shí)間從40 min減小到37 min，延遲時(shí)間從21 min增大到27 min?？偟膩碇v，雖然種植土層厚度對(duì)結(jié)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(shí)間及延遲時(shí)間隨種植土層厚度的變化

3.5 不同重現(xiàn)期降雨條件下的預(yù)測(cè)

根據(jù)《石家莊暴雨強(qiáng)度公式》設(shè)計(jì)匯水面積比為10、不同重現(xiàn)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(shù)同表1中的率定參數(shù)。

表4 不同重現(xiàn)期24 h降雨量

模擬結(jié)果顯示，當(dāng)=1～5 a時(shí)，生物滯留池?zé)o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(dāng)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%?？偟膩碚f，/值均在90%以上，說明生物滯留池滲透性能優(yōu)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(shí)（=1～5 a），削峰率從40.6%增大到76.5%，有溢流時(shí)（=10～100 a），隨著的增大，削峰率從65.4%減小到0。這是因?yàn)闊o溢流時(shí)（=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(shí)，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(dǎo)致Tmax/Pmax從34.6%增大到100%；重現(xiàn)期為100 a時(shí)，降雨與出流同時(shí)達(dá)到峰值，即Tmax=Pmax，故削峰率為0。

從圖8（b）可以看出，當(dāng)=1～5 a時(shí)，延遲時(shí)間從9.4 h迅速減小到1 h，當(dāng)=10～100 a時(shí)，延遲時(shí)間從為0.75 h緩慢減小到0.43 h。當(dāng)從1 a增大到100 a，積水時(shí)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(shí)間及延遲時(shí)間隨重現(xiàn)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(xiàn)期的變化

4 討論

影響生物滯留設(shè)施水文效應(yīng)的因素較多，本文主要研究了降雨類型、土壤水力參數(shù)、匯水面積比、種植土層厚度、雨強(qiáng)對(duì)生物滯留水文調(diào)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(huì)推遲裝置底部出流時(shí)刻，增長積水時(shí)間。敏感性分析表明，高估s導(dǎo)致更快地發(fā)生底部出流并減少積水時(shí)間，證實(shí)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(shí)間增大而延遲時(shí)間減小，匯流面積比相同時(shí)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(jié)果一致。就降雨強(qiáng)度而言，通常生物滯留池對(duì)小流量降雨事件的延遲時(shí)間較長，本研究顯示≤5 a的無溢流階段生物滯留系統(tǒng)對(duì)出流的延遲效應(yīng)較好，這與前人[15, 29]研究的結(jié)論基本一致。另外，積水超過6 h可能會(huì)導(dǎo)致蚊蠅滋生并影響作物生長[30]，本文中的積水時(shí)間均不超過6 h，滿足相應(yīng)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(xiàn)期的增大，/逐漸下降，這與本研究中>5 a時(shí)（有溢流階段，圖8（a））的結(jié)果相一致。值得注意的是，對(duì)于≤5 a的無溢流階段，隨著重現(xiàn)期的增大，/是逐漸增加的。究其原因，=1～5 a時(shí)，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(dāng)=10 a時(shí)，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(shí)削峰率隨的增大而增大，有溢流時(shí)削峰率隨的增大而減小。

Liu等[20]研究表明，優(yōu)勢(shì)流可以導(dǎo)致更快的徑流響應(yīng)和更小的滯留深度。本研究中，試驗(yàn)觀測(cè)的延遲時(shí)間均小于模擬值（表2），表明裝置內(nèi)部存在局部優(yōu)勢(shì)流，未來的模型可以進(jìn)一步考慮優(yōu)勢(shì)流的影響。此外，生物滯留池的結(jié)構(gòu)也是影響水文響應(yīng)特征的重要因素[31-33]，下一步將對(duì)生物滯留池不斷優(yōu)化，包括植物的選取、填料的種類、淹沒區(qū)的設(shè)置等。

5 結(jié)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(shí)間與延遲時(shí)間變長。

2）影響生物滯留池水文效應(yīng)的主要參數(shù)有s、s和。重現(xiàn)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(shí)間提前14.3%，積水時(shí)間減少25%；s增大25%，底部出流時(shí)間延遲25%，積水時(shí)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(shí)間增大3倍，延遲時(shí)減少16%。

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

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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

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2022-02-10

河北省水利科研與推廣計(jì)劃項(xiàng)目（2018-66，2021-38，2021-39）；河北省水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金項(xiàng)目（XTZX202111）；河北省高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（QN202118，QN202141）；河北地質(zhì)大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)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(zhuǎn)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(zé)任編輯：白芳芳