不同類型透水鋪磚對(duì)海綿城市降雨-徑流效應(yīng)的觀測(cè)試驗(yàn)研究

白海霞

(阜蒙縣水利局水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 阜蒙 123100)

當(dāng)前，海綿城市建設(shè)成為社會(huì)廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]，海綿城市最為主要的建設(shè)內(nèi)容為加大城市的蓄水能力，使雨水得到充分利用和吸收[2]。為建設(shè)好海綿城市，需要對(duì)城市的蓄水能力進(jìn)行研究。早期，城市建設(shè)道路大都以混凝土或者柏油馬路為主，城市降水得不到有效下滲，造成嚴(yán)重的積水和內(nèi)澇現(xiàn)象[3]。近些年來(lái)，具有一定孔隙的透水鋪磚逐步在城市排水系統(tǒng)中得到應(yīng)用，應(yīng)用效果表明這種透水鋪磚可以在很大程度上加大降雨入滲[4]。但是透水鋪磚類型較多，不同透水鋪磚的降雨入滲效果不同，如何結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況選取較優(yōu)類型的城市透水鋪磚，對(duì)于海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)十分重要。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于城市排水鋪磚的透水性能進(jìn)行了一些研究，并取得一定研究成果[5- 9]，但是這些研究大都基于1種或2種透水鋪磚，且主要采用室內(nèi)試驗(yàn)的方式進(jìn)行研究，為綜合考慮當(dāng)前國(guó)內(nèi)外常用普通類型的透水鋪磚在不同降水條件下的水文效應(yīng)，本文結(jié)合室外試驗(yàn)以模型計(jì)算的方式對(duì)國(guó)內(nèi)外常用的6種透水鋪磚進(jìn)行試驗(yàn)分析，推求不同透水鋪磚的透水和下滲規(guī)律。成果可為海綿城市建設(shè)提供重要的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案

選取遼寧省試驗(yàn)基地小區(qū)進(jìn)行不同透水鋪磚的滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)小區(qū)的地形情況如圖1(a)所示。本次試驗(yàn)選取的透水鋪磚分別為生態(tài)砂基透水鋪磚、彩石環(huán)氧通體透水鋪磚、聚合物纖維混凝土透水鋪磚、彩石復(fù)合混凝土透水鋪磚、普通透水鋪磚以及混凝土透水鋪磚。各透水鋪磚的面層厚度設(shè)定為80mm，其透水鋪磚基層和底層的厚度設(shè)定為20mm。本次結(jié)合天然降水的方式，對(duì)4種試驗(yàn)降水條件下的小區(qū)降水入滲試驗(yàn)進(jìn)行觀測(cè)，該試驗(yàn)歷經(jīng)5a，主要觀測(cè)的降水條件分別為5、10、20、25a一遇，在進(jìn)行下滲試驗(yàn)分析時(shí)，主要結(jié)合區(qū)域不同土壤類型條件(如圖1(b)所示)埋入土壤，進(jìn)行下滲量的觀測(cè)分析，而對(duì)于試驗(yàn)小區(qū)徑流深觀測(cè)主要采用三角堰的方式進(jìn)行量測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 透水試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合2種下滲方程Kostiakov和Horton透水規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)分析，并結(jié)合小區(qū)試驗(yàn)觀測(cè)值對(duì)比不同下滲方程在不同透水鋪磚下滲計(jì)算中的適用性，試驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表1，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)基本信息

從表1中可看出，Horton下滲方程下的擬合系數(shù)最高，各透水鋪磚下的擬合系數(shù)均高于Kostiakov下滲方程，可見(jiàn)Horton下滲方程在城市海綿建設(shè)透水鋪磚下滲計(jì)算精度上好于Kostiakov下滲方程。從表1中還可看出，2種方程計(jì)算的下滲規(guī)律較為相似，生態(tài)砂基的透水率最高，按照透水率排序，其結(jié)果為生態(tài)砂基透水鋪磚>彩石環(huán)氧通體透水鋪磚>聚合物纖維混凝土透水鋪磚>彩石復(fù)合混凝土透水鋪磚>普通透水鋪磚>混凝土透水鋪磚。圖2為不同透水鋪磚的下滲規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果，從圖2中可看出，和實(shí)測(cè)值相比，Horton下滲方程擬合度要好于Kostiakov下滲方程，此外生態(tài)砂基透水鋪磚的規(guī)律較為穩(wěn)定，混凝土透水鋪磚的點(diǎn)據(jù)較為散亂，這主要和其下滲能力有關(guān)，下滲能力較好的透水鋪磚，其穩(wěn)定要好于下滲能力較弱的透水鋪磚。

表1 各透水鋪磚下的不同下滲方程的試驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同透水鋪磚的下滲規(guī)律試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同透水鋪磚的積水試驗(yàn)結(jié)果

2.2 積水試驗(yàn)結(jié)果

在透水試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同透水鋪磚的積水試驗(yàn)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從積水試驗(yàn)結(jié)果可看出，下滲能力越高，積水點(diǎn)越低，從圖中可明顯看出，生態(tài)砂基透水鋪磚的積水點(diǎn)下滲率為0.015cm/s，彩石環(huán)氧通體透水鋪磚積水點(diǎn)的下滲率為0.013cm/s，聚合物纖維混凝土透水鋪磚積水點(diǎn)的下滲率為0.011cm/s，彩石復(fù)合混凝土透水鋪磚積水點(diǎn)的下滲率為0.009cm/s，普通透水鋪磚積水點(diǎn)的下滲率為0.006cm/s，混凝土透水鋪磚積水點(diǎn)最低為0.004，極易發(fā)生積水現(xiàn)象。

2.3 降雨入滲規(guī)律分析

結(jié)合天然降水觀測(cè)的方式對(duì)不同透水鋪磚的降雨入滲規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2，如圖4所示。

從表2中可看出，在各降雨編號(hào)中，生態(tài)砂基透水鋪磚的累積下滲量最大，而混凝土透水鋪磚的累積下滲量最小，按照累積下滲量排序，其結(jié)果為生態(tài)砂基透水鋪磚>彩石環(huán)氧通體透水鋪磚>聚合物纖維混凝土透水鋪磚>彩石復(fù)合混凝土透水鋪磚>普通透水鋪磚>混凝土透水鋪磚，和前面不同下滲方程較為類似。從圖4中可看出，隨著降雨開(kāi)始，區(qū)域下滲率逐步減小，這主要是隨著下滲量的增加，土壤下滲水量增多，使得下滲率減小，當(dāng)土壤蓄滿后，其降水不再下滲，各透水鋪磚下滲率趨于穩(wěn)定變化。

2.4 降雨徑流關(guān)系分析

在降雨入滲規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同降水條件(5、10、20、25a一遇)下的降雨徑流關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3為不同降水條件下的降雨徑流試驗(yàn)結(jié)果，從表3中可看出，相比于不鋪透水磚的情況下，生態(tài)砂基透水鋪磚、彩石環(huán)氧通體透水鋪磚、聚合物纖維混凝土透水鋪磚、彩石復(fù)合混凝土透水鋪磚徑流系數(shù)都有所減小。這是由于這4種類型透水鋪磚具有較好的下滲能力，相比于不鋪磚的情況下，各類型透水鋪磚加大了降雨入滲的能力，使得徑流系數(shù)減小，相比于不鋪磚的情況下，除混凝土透水鋪磚外，各透水鋪磚對(duì)區(qū)域現(xiàn)狀產(chǎn)流區(qū)徑流量的削減率在28%～57%之間。生態(tài)砂基透水鋪磚在透水性能及徑流量削減率上好于其他類型透水鋪磚，且具有較好的生態(tài)功能。混凝土透水鋪磚由于路面固化，且透水性能較差，從而徑流系數(shù)也較大，極易出現(xiàn)積水現(xiàn)象。徑流系數(shù)除受降雨條件影響外，還與土壤前期影響雨量有關(guān)，因此不同降水條件下的徑流系數(shù)不同。

表3 不同降水條件下的降雨徑流試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)論

在各類型透水鋪磚下滲計(jì)算中，Horton下滲方程擬合度要好于Kostiakov下滲方程，可在排水工程規(guī)劃計(jì)算中采用；生態(tài)砂基透水鋪磚在透水性能、徑流量削減率上都最佳，且具有較好的生態(tài)功能，可在海綿城市建設(shè)中推廣和應(yīng)用；除混凝土透水鋪磚外，其他類型透水鋪磚都在一定程度上增加城市透水性能，但也一定程度地削減了洪量，如何做到既增加透水性能又不減少洪水總量，是以后還需進(jìn)行研究的課題。

圖4 不同透水鋪磚的降雨入滲試驗(yàn)結(jié)果