城市下墊面滲蓄性能量化模擬試驗研究

陳朋銘 曹長春 唐一夫

(桂林理工大學環(huán)境科學與工程學院，廣西 桂林 541006)

城市化中，改變了下墊面原來的自然形態(tài)，原來的綠地、林地和水域等透水的下墊面漸漸被瀝青、水泥等不透水的下墊面所取代。隨著城市下墊面硬化率的增加，下墊面蓄滲性能減弱，雨水徑流問題也越來越不容忽視。下墊面硬化導致原有的水生態(tài)系統(tǒng)被破壞，自然滯蓄雨水能力降低，加之城市排水設施不夠完善，在雨季雨水徑流量增大，隨之而來的是城市內澇現(xiàn)象的產生。針對上述問題，我國提出建設海綿城市，海綿城市比喻城市像海綿一樣，其核心是下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用[1]。透水型下墊面作為與雨水直接接觸的表面，是海綿城市建設中重要的海綿體，在海綿城市建設中扮演著重要的角色[2]。因此，研究下墊面蓄滲性能對海綿城市的建設具有重大意義。

國內外對城市下墊面的蓄滲性能進行研究的文獻資料均比較豐富。郭雪蓮等[3]進行了模擬降雨實驗，發(fā)現(xiàn)通過改變不透水斑塊的重要值、形狀、均勻度、分離度，下墊面的蓄滲率也隨之發(fā)生相應變化；華亞等[4]采用人工降雨-下墊面系統(tǒng)，研究了水泥、道路磚、透水磚和草地4種典型下墊面上的降雨產匯流過程，結果表明產匯流過程隨著下墊面透水性能增加而逐漸加長；王玲[5]對城市下墊面的各種條件進行模擬實驗，研究了不同坡度條件下城市下墊面景觀結構與降雨蓄滲之間的關系；姚艷娟[6]采用實驗室模擬降雨實驗，研究了不同降雨歷時條件下城市下墊面景觀結構與降雨蓄滲之間的關系；黃良軍等[7]通過對下墊面進行模擬徑流實驗，發(fā)現(xiàn)當透水下墊面與不透水下墊面比例為4 ∶1時，蓄滲效果最好；Fassman et al.[8]通過對透水路面和不透水路面進行降雨監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)透水性路面能夠有效滯后地表徑流開始時間，削減地表峰值流量；Bean et al.[9]在北卡羅來納州、馬里蘭州、弗吉尼亞州和特拉華州測試了40個可滲透路面站點的表面滲透率，發(fā)現(xiàn)透水路面的位置和維護對于保持高表面滲透率至關重要。

然而，國內外鮮有研究采用不同砂土配比去表征不同類型的地表土層在不同暴雨條件下的蓄滲性能參數(shù)，進而對不同類型下墊面的滲蓄性能進行量化評估。為此，在本次下墊面蓄滲性能研究中，通過構建4個模型模擬城市不同的下墊面來進行模擬降雨實驗，測量下墊面的雨水徑流量，進而得出不同條件下的下墊面雨水蓄滲率，為桂林市新城區(qū)臨桂新區(qū)海綿城市的規(guī)劃設計、建設運營等提供了技術支撐[10]。

1 實驗部分

1.1 模擬裝置構建

本實驗模擬下墊面的裝置采用500mm×500mm徑流面，裝置材料采用8mm厚的定制亞克力板，裝置坡度可調節(jié)(調節(jié)范圍為0°～15°)；裝置主要由供水水箱、真空泵、流量計、噴頭4部分組成，在噴頭周圍設計擋風板來減小風力對模擬降雨的影響。由供水水箱提供一次實驗所需全部用水，經由真空泵、流量計調節(jié)流量到噴頭，通過調整噴頭高度，實現(xiàn)均勻模擬降雨。裝置底部對稱地設有25(5×5)個排水口，單個排水口內徑為1cm。裝置側邊設有溢流口，長50cm，寬10cm，溢流口兩側設有擋板，用于收集徑流雨水。模擬降雨裝置見圖1。

圖1 模擬降雨裝置示意圖

1.2 下墊面構建

城市下墊面包括城市范圍內的水域、草地、林地、農田和硬地面，不同城市下墊面的滲透性能也不同。根據(jù)考斯加可夫滲透等級[11]劃分，分為弱滲透、中滲透、強滲透、極強滲透4個等級。按土壤中砂粒百分比為0、10%、20%、30%分別模擬不同的下墊面，分別對應傳統(tǒng)瀝青、水泥路面、傳統(tǒng)建筑屋頂、不透水鋪裝等透水性極差下墊面；透水鋪裝等透水一般的下墊面；林木、草地等透水強的下墊面；灌木等透水極強的下墊面[12]。本次模擬實驗主要采用不同比例的石英砂和黏土，類比實際城市不同滲透性能的下墊面，模型的參數(shù)見表1。模擬下墊層分為兩層，上層為30cm的模型填充層，下層為20cm的黏土層，砂粒粒徑約為2.5～3mm，黏土粒徑不大于0.6mm。如此構建既可以模擬城市不同類型的下墊面，又方便在實驗室條件下研究不同條件下下墊面蓄滲性能影響研究。

表1 下墊面模擬參數(shù)

1.3 降雨資料選取

根據(jù)桂林國家氣象站1957—2014年的自記雨量記錄，暴雨強度公式采用年最大值選樣法、指數(shù)分布曲線擬合，選擇芝加哥雨型，降雨歷時采用60min，降雨重現(xiàn)期采用2年、10年、30年、100年，其對應的降雨強度為0.88mm/min、1.18mm/min、1.39mm/min、1.61mm/min[13]。該暴雨強度公式適用范圍為降雨歷時不大于120 min，重現(xiàn)期不超過100年[14]。具體暴雨強度公式為

(1)

式中：q為設計暴雨強度,L/(s·hm2)；t為降雨歷時,min；P為設計重現(xiàn)期,年。

1.4 實驗方法

將實驗所用土壤和石英砂進行風干處理，使用土壤篩和砂篩篩選粒徑不大于0.6mm的黏土及粒徑約為2.5～3mm的石英砂，將處理好的供試土壤及石英砂按表1所示進行均勻混合，混合過程中應避免雜質進入其中，均勻混合后制作出4個模型。模型制作完成后，使用超純水淋濕浸透，確保下墊面各部分浸水，待下墊面形成穩(wěn)定下滲后，使用模擬降雨裝置進行降雨模擬。影響下墊面蓄滲性能的因素很多，如降雨強度、降雨歷時、下墊面坡度、土壤前期含水量及下墊面類型等[15-16]，考慮到降雨強度、下墊面坡度和下墊面類型是影響產匯流的3個主要因素，實驗主要研究上述3個因素對下墊面蓄滲性能的影響。本實驗采用控制變量法，控制其中兩個變量保持不變，通過改變另外一個變量，研究下墊面蓄滲性能的影響因素。通過進行降雨模擬，在下墊面上形成雨水徑流，收集徑流雨水，待下墊面上無明顯徑流時，測量地表的雨水徑流量。每組實驗進行3次，可測量出36組數(shù)據(jù)。每次實驗進行前，需先用超純水將實驗下墊面淋濕浸透，保證同組實驗下墊面初始條件相同。

各模型滲透系數(shù)的測定采用室內環(huán)刀法，飽和水分土壤中，在單位水壓梯度下，滲透性可按照達西定律進行計算，求得通過垂直于水流方向的單位土壤面積的水流速度，稱為土壤的飽和導水率或者滲透系數(shù)。取兩環(huán)刀的接觸面為參照平面，向下為正，O-O水平面的壓力勢為H，環(huán)刀下口面C-C暴露在大氣中，所以C-C水平面的壓力勢為0，環(huán)刀內土壤垂直剖面土壤水壓力勢分布見圖2[17-18]。

圖2 環(huán)刀法測定滲透系數(shù)示意圖[16]

具體計算公式如下：

(2)

(3)

式中：i為表土處的入滲強度，m/s；q為土壤水流通量，m/s；φTC為C-C水平面的總水勢，m；φTO為O-O水平面的總水勢，m；ZC為C-C水平面的垂直坐標，m；ZO為O-O水平面的垂直坐標，m。

2 結果與討論

2.1 含砂量與下墊面蓄滲性能的關系

在進行含砂量對下墊面蓄滲能力影響實驗時，控制其他影響因素不變，保證下墊面完全淋濕浸透，并能夠形成穩(wěn)定下滲，下墊面坡度為0°，采用降雨強度0.88mm/min來進行降雨徑流分析，降雨歷時為60min，待下墊面無明顯徑流時，測量溢流口雨水徑流量。實驗結果表明，蓄滲性能呈現(xiàn)模型4>模型3>模型2>模型1，單個模型的蓄滲率與含砂量呈正相關，具體數(shù)值見表2，效果見圖3。從滲透系數(shù)上來看，滲透系數(shù)越大，其對應的徑流流量越小，模擬下墊面對雨水的蓄滲能力越強，即滲透系數(shù)與下墊面蓄水量呈正相關。

表2 不同模型蓄滲性能

圖3 模型蓄滲實驗效果

2.2 降雨強度與下墊面蓄滲性能的關系

在進行降雨強度對下墊面蓄滲能力影響實驗時，控制其他影響因素不變，保證下墊面完全淋濕浸透，并能夠形成穩(wěn)定下滲，采用模型1作為實驗下墊面，下墊面坡度為5°，選取4個降雨強度(0.88mm/min、1.18mm/min、1.39mm/min、1.61mm/min)分別進行降雨徑流分析，降雨歷時為60min，待下墊面無明顯徑流時，測量溢流口雨水徑流量。實驗結果見表3，效果見圖4。實驗結果表明，不同降雨強度條件下，產流呈現(xiàn)出不同的特性，總體上隨著降雨強度的增加，溢流口的雨水徑流流量隨之增大，模型蓄滲能力隨之減小。當下墊面形成穩(wěn)定入滲，即達到最大入滲能力時，隨著降雨強度的增加，產流所需的時間隨之減少，產流流量隨之增大。

表3 不同降雨強度下模型蓄滲性能

圖4 不同降雨強度下模型蓄滲實驗效果

2.3 下墊面坡度與下墊面蓄滲性能的關系

保持下墊面完全淋濕浸透，且能夠形成穩(wěn)定下滲，采用模型1作為實驗下墊面，選取降雨強度為1.18mm/min，降雨歷時為60min，分別在坡度為0°、5°、10°、15°的下墊面條件下進行模擬降雨實驗，通過該實驗分析不同坡度條件下的下墊面表面的雨水徑流特征。實驗結果見表4，效果見圖5。實驗結果表明，隨著下墊面坡度的增大，下墊面表面的雨水徑流流量也隨之增大，下墊面的蓄滲能力隨之減小。下墊面坡度對徑流的影響主要通過改變坡面水流流速、水體的受力情況、承雨面面積和承雨量，影響下墊面的產流匯流。當下墊面坡度增大時，沿坡面水平方向的分力逐漸增大，沿坡面垂直方向的分力逐漸減小，進而導致坡面水流的流速增大，此時坡面上的雨水入滲能力隨之減弱，水流流速增大，導致雨水徑流流量增大。同時，坡度越大，下墊面單位面積上的承雨量越小，土壤入滲水量減少，導致雨水徑流流量增大[19-20]。

表4 不同坡度下模型蓄滲性能

圖5 不同坡度下模型蓄滲實驗效果

3 誤差分析

在實驗室條件下模擬城市下墊面存在一些不足：?由于是在人工操作下混合石英砂與土壤，只能盡量使砂土充分混合均勻，模型的砂土混合均勻程度可能會對實驗結果造成一定影響；?因為是在實驗室條件下進行的模擬實驗，存在一定局限性，即所制作的模型偏小，所造成的誤差相對于室外實驗偏大；?實驗所用由砂土制作而成的下墊面無法完全與實際城市下墊面一致，相比較而言，室外模擬實驗更有說服力。

4 結 語

本文以桂林市新城區(qū)臨桂新區(qū)為目標試驗地，采用人工降雨-模擬下墊面系統(tǒng)，對不同條件下的下墊面蓄滲性能進行了量化評估，通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析，對桂林市新城區(qū)臨桂新區(qū)海綿城市建設及城市下墊面規(guī)劃提出以下建議：

a.下墊面蓄滲能力受下墊面種類、降雨強度及下墊面坡度影響較大，隨著下墊面滲透性能的增大而增大，隨著降雨強度的增大而減小，隨著下墊面坡度的增大而減小。

b.下墊面中的砂粒百分比越高，對應的滲透系數(shù)越大，滲透能力越強。下墊面滲透系數(shù)增大時，其對下墊面徑流雨水的蓄滲性能增強。

c.在桂林市新城區(qū)臨桂新區(qū)海綿城市建設中，適當增加下墊面的滲透性能，如采用滲透性能強的透水鋪裝，在一定程度上可以有效緩解城市內澇現(xiàn)象的發(fā)生。

d.不透水的下墊面影響著整個城市下墊面的蓄滲性能，在海綿城市建設中，應適當提升透水性下墊面的比例，對城市下墊面進行合理規(guī)劃，充分發(fā)揮城市下墊面的蓄滲作用。