透水路面結構地表徑流及土壤含水量變化規律探究

王睿

（江蘇寧滬高速公路股份有限公司，江蘇 南京 211131）

隨著我國城市化率逐年提升，城市道路中瀝青路面密度顯著增加。雨雪期間，瀝青路面積水對道路的正常使用的影響也越來越大。在強降雨的情況下，會出現較大的地表徑流（surface runoff，簡稱“SR”），增加城市管網的排水負擔。此外，由于缺乏雨水滲透，地下水沒有得到有效供應，許多城市面臨嚴重的缺水乃至干旱問題。自1970年以來，美國、英國和澳大利亞相繼開發了控制城市徑流的技術，并推出了雨水管理計劃和指南。我國在該領域起步較晚，在總結國外雨水控制理念的基礎上，提出了“海綿城市”城市化戰略。目前，研究人員正在關注SR控制對滲透性路面結構（排水路面、半透性路面和透水道路）的影響。然而，3種透水鋪裝結構對城市雨水引起的SR影響的對比研究還不夠，SR和路基土壤含水量隨時間變化的相關性有待進一步研究。為了研究3種透水路面結構對城市雨水SR的影響，試驗將采用4種人工降雨水平（2.5mm/min、3.4mm/min、4.6mm/min和5.5mm/min）展開研究。此外，本文還分析了土壤含水量與時間的關系，以及初始土壤含水量對雨水入滲速率的影響，目的是為透水路面結構的應用提供更多的理論依據，并為“海綿城市”提供理論支持。

一、試驗基本條件設定

（一）降雨設計

圖1 該研究選用的降雨量設計

筆者走訪查閱江蘇省近幾年的降雨數據，并通過等價計算得到4種類型的降雨水平，分別為2.5mm/min、3.4mm/min、4.6mm/min和5.5mm/min，降雨時間均為120分鐘，如圖1所示。

（二）路面結構形式

研究包括排水路面、半透性路面和透水路面的結構。在排水路面結構中，較高空隙率瀝青混合料僅用于面層；基層采用不透水瀝青材料或瀝青封層，雨水從封層表面直接排出，不滲透到基層下面。在半透性路面結構中，面層采用較高空隙率的瀝青混合料；基層采用透水級配碎石。在透水路面結構中，面層采用較高空隙率的瀝青混合料；采用透水級配碎石作為基層的填筑材料，而對于墊層一般采用中砂填筑，路基材料為透水性良好的砂。

表1 室內模型中所用材料參數

表2 3種路面結構SR系數

（三）室內模型建立

試驗箱的長度、寬度和高度分別為90cm、90cm和100cm。試驗箱的一側安裝透明可觀察的玻璃，其他3個側面設有一定數量的排水孔，以收集表面徑流和不透水密封涂層表面排出的水，底部排水孔則用來收集路基滲出的雨水。為了精準觀察降雨過程中和降雨后土壤含水量的實時情況，試驗在路基結構層中預埋了4臺土壤水分測定儀，每隔10cm深度埋設1臺，以測量不同位置的土壤水分變化。選用路面材料參數如表1所示。

二、試驗結果與分析

（一）SR 試驗結果

試驗通過室內模擬裝置以4種降雨水平對3種路面結構進行試驗，降雨時間持續120min。SR系數的計算如式（1）所示，試驗結果如表2所示。

由表2數據可知，在降雨水平較大時（5.5mm/min），路面結構無法及時有效地將雨水排出，SR占總雨水量的95.5%；當降雨水平較低時，SR為總雨水量的41.3%～61.8%。對于半透性路面，降雨水平達到5.5mm/min時，SR系數僅為26%，相較于排水路面降低了約69.5%；并且當降雨水平較低時，半透性路面具有較好的排水效果，可以降低SR的形成。對于透水路面，只有在降雨水平較大時（5.5mm/min），路面才會形成SR，但僅為總雨水量的5%；并且在4.6mm/min、3.4mm/min、2.5mm/min條件下SR幾乎不存在，說明透水路面結構在降雨時可以快速有效地排出雨水，避免SR的出現。綜上可知，透水路面結構具有較強的降低SR的特點，在城市道路中可以實現快速排水，降低道路積水的可能性。

（二）土壤含水量試驗結果

1.降雨初期

根據土壤表層層流的研究數據可知，當土壤質地有明顯的分層時，很容易滿足表層層流形成的條件。圖2為降雨水平為5.5mm/min情況，各層土壤含水量隨試驗的變化情況如圖2所示。

圖2 降雨初期不同位置含水量時變情況

圖3 降雨結束后不同位置含水量時變情況

圖4 不同的初始含水量路基土壤水分時變情況

由圖2可知，土壤位置設置為10cm、20cm、30cm和40cm處的含水量在初始時分別為5.2%、4.6%、5%和5.6%。當降雨持續10分鐘時，快速攀升至20%、6.5%、5.2%和5.7%，表明有少量雨水開始滲入土壤至10cm深度。然而，土壤含水量在試驗開始后的小段時間內并沒有達到飽和狀態，試驗繼續后雨水進一步往較深位置滲透。40分鐘后，土壤深度為10cm、20cm、30cm和40cm處的含水量分別為32.6%、32.2%、29.5%和29.1%。由圖2試驗數據可知，整個路基的土壤含水量趨于飽和，土層進入穩定入滲階段。

2.降雨結束后

當雨水停止，位于路面表層的水分因為日照、風吹等因素快速蒸發，而路基較深處的水分仍然需要較長時間下滲。在雨水逐漸滲入路基后，水分在路基土壤剖面中因為多種因素發生遷徙運動。較淺的路基層中水分飽和，但仍有水分在往更深位置的土壤層移動。

由圖3可知，土壤在10cm位置處，含水量隨著降雨結束后的演變趨勢將逐漸緩慢下降。土壤含水量在1天～2天內出現大幅變動情況，降幅達39.9%。同樣，20cm、30cm和40cm位置的土壤含水量隨時間依次降低，土體中水分時變逐漸趨于穩定。此外，通過側面有機玻璃觀察發現濕潤界面往更深位置的移動逐漸變緩。一個原因是水分含量由原先的較大差距逐步向相近的水平靠近，導致區域之間的吸力梯度相應減小；另一個原因是入滲后土壤水分的動態過程變得非常復雜。

3.初始含水量對入滲的影響

不同的初始含水量會影響雨水在進入路基內部時的滲透、徑流過程。因此，用4種不同的初始土壤含水量（5.3%、9.1%、12.8%和16.1%）研究了5.5mm/min降雨水平的影響規律，測試結果如圖4所示。

由圖4可知，當土壤初始含水量為5.3%時初始入滲速率最大，并且需要最長的持續降雨時間使土壤中水分達到飽和度。主要原因是由于初始含水量低，導致不同水分分布的土體之間，出現總重力梯度越大水分差越強的現象。由于給定條件的提升，不同土層之間的水分相對作用變小，水分的流動現象逐漸減弱，持續時間也相應變短。結合試驗，可以將遷移土壤水分分為兩個階段。首先是水分增加階段，上層土壤中水分由于含量差發生遷移但未達到飽和，水分會保持增加的狀態；其次是水分穩定階段，當水分接近飽和時，土體內部穩定互通，水分在不同位置均保持均衡。

三、結語

透水路面結構具有較強的降低SR的特點，在城市道路中可以實現快速排水，降低道路積水的可能性。

土壤中含水量受降雨水平和初始含水量影響較大。較高的降雨水平會導致路基中的水分積累，較淺位置的土壤中水分出現急速積聚現象；不同土層之間的相對作用變小，水分的流動現象逐漸減弱，持續時間也隨之變短。