海綿城市透水鋪裝對地表徑流控制效果研究

朱潤田，張小明，陳 旺，萬正武，鄭木蓮

(1.珠海鶴港高速公路有限公司，廣東 珠海 519000；2.長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引言

隨著城市化的快速發展，繁重的交通加大了對道路基礎設施的需求。而城市道路普遍采用不透水路面，使得在暴雨發生時城市可能因排水不暢產生內澇[1]。鑒于此，有關專家學者提出建設“海綿城市”，重點體現“自然”的建設理念。透水路面作為一種低影響開發技術(LID)，已成為實現“海綿城市”的重要手段之一[2]。通常，透水路面結構體系包含表面層和基層，表面層可由孔隙率大、高滲透性的透水瀝青混合料(PAM)或透水水泥混凝土(PCC)組成，采用粗骨料形成的基層結構，具有臨時儲存功能，減少徑流的優點[3]。鑒于這些優點，透水路面已經成為一種用于徑流雨水控制的廣泛使用的技術，因其不同的結構類型對徑流雨水不同的控制指標作用效果(如徑流深度，徑流峰值，產流時長等)存在差異而受到了廣泛的研究。

通常，主要采用兩種方法開展徑流削減研究，包括徑流模型的建立和現場試驗監測[4]。李陽等[5]基于SWMM模型分析了綠化屋頂、透水路面和下凹式綠地共3種措施對城市徑流量的減少效果，結果表明透水路面對徑流量有顯著的削減效果。Xie等[6]采用SWMM模擬了江蘇一個村落的地表徑流，并分析不同降雨重現期下透水路面的作用效果，結果表明組合系統(透水路面+植草)在削減徑流方面比單一系統更加有效。Jose等[7]發現全透型路面對地表徑流以及徑流峰值的減少影響很大，但對補充地下水的作用小。趙沛等[8]在居民區中鋪設透水鋪裝后對雨水徑流效果模擬，發現透水路面對該區域產流時間、徑流總量削減以及推遲徑流峰值時刻具有重要作用。夏遠芬等[9]對南京某小區進行透水鋪裝徑流削減效果研究，該小區為新建小區，其中路面有25%的面積采用透水鋪裝。通過對其進行長期監測，發現采用透水鋪裝后，該小區在降雨時雨水徑流深度每年減少了108.44 mm。

綜上所述，當前研究人員側重于慢行系統的透水路面，且常把透水路面和各類低影響開發設施(如植草溝、生物滯留池、綠色屋頂等)組合，并研究整套低影響開發設施對雨水徑流控制效果。單獨針對城市道路車行道典型透水路面結構的徑流控制效果未見系統研究。為此，本研究通過廣泛調研總結出我國典型海綿城市的透水鋪裝結構，以西安市為例，采用SWMM建立模型，根據西安地區降雨條件，改變降雨重現期，模擬不同典型透水鋪裝結構對道路徑流總量、徑流峰值、峰值時刻、產流時刻、徑流時長以及徑流系數的控制效果，為海綿城市透水鋪裝的設計和實施提供依據。

1 SWMM模型構建

1.1 研究區域概況

采用SWMM建立徑流模型，研究區域為西安市西咸新區的一條雙向兩車道的支路，道路長度為146 m，寬為20 m，道路橫坡為1.5%。該區域由車道、自行車道、綠化帶和人行道組成，總面積為2 920 m2(圖1和圖2)，行車道為本次研究的研究對象，面積為1 752 m2，占總面積的60%。整個研究區域被劃分為14個匯水區，包含14個節點和1個排水管出口。分別在SWMM中設定表層排水型、基層儲排水型以及全透型等不同鋪裝結構，隨后進行徑流控制效果模擬，并與未進行透水鋪裝改造的道路進行對比。

圖1 研究區域道路橫斷面圖 (單位：cm)Fig.1 Road cross-section in study area (unit：cm)

1.2 模型參數的選擇

SWMM中提供了3種模型計算徑流滲入能力，包括霍頓(Horton)模型、格林-安普特(Green-Ampt)模型、徑流曲線數值(SCS)模型。其中，Horton模型積累了比較多的可靠性參數，同時適用于地質參數較少及各種地面下滲情況；Green-Ampt模型參數的物理意義明確，但適用于能夠提供經驗性參數的地區；SCS模型假設透水層的總下滲能力可從透水層數值曲線獲得，適用于土壤入滲計算[11]。上述SWMM的下滲模型用于透水路面徑流模擬已得到眾多學者的校正和檢驗，模型中使用的各類參數應用較為成熟，且得到了廣泛的應用[10-11]。考慮多種國外模型的適用性，鑒于本研究選取西咸新區數據六路其中一段，屬于新建地區路段，地質資料較少，因此本研究選擇霍頓方程進行下滲水量的計算分析。此外，本研究在計算降雨過程中，考慮到降雨變化規律，選擇分鐘為時間步長來進行計算，因此選取運動波法進行計算。采用非線性水庫法用于地表徑流的計算，即聯合求解SWMM中的連續性方程和曼寧公式。

在SWMM模型的水文模塊中，相應的參數包括雨量計和LID控制設置。首先，選擇Horton滲透模型，并選擇運動波來描述徑流模型。其次，添加雨量計，時間序列是基于芝加哥降雨模型計所得。最后，在LID設施子模塊中輸入透水鋪裝各層的參數。每一種透水鋪裝都需要輸入面層、透水鋪裝、儲存3層參數。相關參數取值范圍見表1[12]。

表1 水文參數的取值范圍Tab.1 Value ranges of hydrological parameters

1.3 暴雨強度設計

本研究使用SWMM時，輸入的降雨數據是基于西安市最新的暴雨強度公式(公式1)計算產生。

q=16.71(1+1.165 81gP)/(t+16.813)0.930 2,

(1)

式中，q為降雨強度；P為降雨復發期；t為降雨時長；這些各項參數是基于西安暴雨的原始數據，通過比較不同頻率分布得到[13-14]。

根據西安市實際降雨量，選取降雨重現期為1，2，3，5,10，20和50 a。降雨持續時間為120 min，時間步長為1 min。由于芝加哥降雨模型對基礎數據要求低，易于模擬降雨強度過程，利用方便，故采用峰值比為0.4。不同重現期降雨強度序列如圖2(a)所示，累積降雨量如圖2(b)所示。

圖2 降雨模擬結果Fig.2 Rainfall simulation result

由圖2可知，重現期1，2，10，20和50 a 均在48 min達到了最大降雨強度，雨峰強度分別為72.5，97.9,131.6,157,182.4 和216.1 mm/min，總降雨量分別為20.7，28,37.6,44.8,52.1 和61.7 mm。

1.4 不同透水鋪裝結構參數的設定

LID的參數應根據不同結構的透水鋪裝選擇，所選取的各個結構層厚度均為代表值[15-16]。通過對典型地區的表層排水型透水鋪裝結構進行調研和總結，提出了3種典型結構：表層排水型、基層儲排水型和全透水型鋪裝。

表層排水鋪裝包括4種結構，分別為單層排水型透水瀝青結構(SPAP-I)、雙層排水型透水瀝青結構(SPAP-II)、透水水泥混凝土結構(SPCC)、透水水泥混凝土面層加鋪透水瀝青功能層結構(SPCC-AP)，SWMM中LID參數見表2[17]，其中部分結構如圖3所示。表層排水鋪裝結構采用邊緣排水系統，滲入面層的雨水通過路拱橫坡排入路邊部的排水系統，最后匯入城市排水管網。在SWMM中，表層排水型透水鋪裝只有上面層或者整個面層采用透水材料，基層采用密實型材料，因此蓄水層在表層排水型透水鋪裝中參數值為0。此外，為比較透水鋪裝的徑流削減效果，本研究還構建了普通瀝青鋪裝模型。

表2 表層排水型透水鋪裝模擬參數Tab.2 Simulation parameters of surface drainage permeable pavement

圖3 表層排水型透水鋪裝結構Fig.3 Surface drainage permeable pavement structure

基層儲排水型鋪裝包括兩種透水瀝青鋪裝結構和3種透水水泥混凝土結構，分別為基層儲排水型瀝青結構(單層BPAP-I，雙層BPAP-II)，基層儲排水型水泥混凝土結構(單層BPCC-I，雙層BPCC-II)，基層儲排水型水泥混凝土面層加鋪透水瀝青面層結構(單層BPCC-PA-I，雙層BPCC-PA-II)，SWMM中LID參數見表3[17]，部分結構如圖4所示。將圖4(a)中的整個基層用透水材料替換可形成另一種透水瀝青鋪裝結構，類似于另一種透水水泥混凝土結構。在SWMM中，相比于表層排水型透水鋪裝，基層儲排水型透水鋪裝多了蓄水層(相當于透水鋪裝的基層，采用骨架空隙型穩定類材料或多孔混凝土B類)，在降雨發生時有短暫的蓄水作用，用來緩解較大的降雨和排水設施容積較小的關系。此外還在基層下方創建了封層。

表3 透水鋪裝模擬參數Tab.3 Simulation parameters of permeable pavement

圖4 基層儲排水型透水鋪裝結構Fig.4 Base course storage and drainage permeable pavement structure

全透型鋪裝包括一個透水瀝青鋪裝結構和兩個透水水泥混凝土結構，分別為全透型瀝青結構(FPAP)，全透型透水泥混凝土結構(FPCC)，全透型水泥混凝土上鋪瀝青層結構(FPCC-PA)，SWMM中LID參數見表4[18]，結構形式如圖5所示。與基層儲排水透水鋪裝相比，全透水鋪裝的路基也具有透水性。因此，水力傳導率的取值不為0。

表4 全透型鋪裝模擬參數Tab.4 Simulation parameters of full permeable pavement

圖5 全透型鋪裝結構Fig.5 Full permeable permeable pavement structure

2 結果與討論

2.1 表層排水型透水鋪裝結構對徑流削減效果

本節從總徑流深度、徑流系數、峰值時刻、徑流峰值、產流時刻、產流時長共6個方面詳細介紹了表層排水型透水鋪裝結構在徑流削減方面的模擬結果，如圖6所示。

圖6 不同表層排水型透水鋪裝結構對徑流削減的影響結果Fig.6 Result of different surface drainage type permeable pavement structures on runoff reduction

2.1.1 總徑流深度

不同透水鋪裝結構徑流總深度隨重現期的變化如圖6(a)所示。結果表明無論在任何降雨強度下，透水鋪裝的總徑流深度均小于普通瀝青鋪裝的總徑流深度，其中總徑流深度的削減效果由小到大依次為：SPAP-Ⅰ

總體上，從不同表層排水型透水鋪裝結構對總徑流深度的影響而言，雙層透水鋪裝從厚度和容水能力方面都優于單層透水鋪裝，因此在表層透水鋪裝中建議選擇雙層透水鋪裝結構。

2.1.2 徑流系數

以傳統瀝青鋪裝為對照組，設其徑流系數為0，徑流系數削減率定義為對照組與各類透水鋪裝結構徑流系數絕對差值，分別計算不同表層排水型鋪裝結構的徑流系數削減率，見表5。結果表明普通鋪裝徑流系數最大且穩定于某常數，而透水鋪裝在重現期變大時，徑流系數呈現遞增趨勢。SPAP-I增勢較緩，其余3種透水鋪裝在低重現期下增速較快，隨著重現期的增大，增速也變緩；SPCC-AP從P=2～5 a 時增速最快，說明SPCC-AP鋪裝結構在重現期P=2～5 a之間比較敏感，但徑流系數仍小于其余透水鋪裝。

表5 不同透水鋪裝結構的徑流系數削減率(單位:%)Tab.5 Reduction rate of runoff coefficient for different permeable pavement structures (unit:%)

2.1.3 峰值時刻

不同透水鋪裝結構徑流總深度隨重現期的變化如圖6(b)所示。發現SPAP-I只有在重現期P=1 a時能延遲峰值時刻，延遲效果近乎于傳統瀝青鋪裝重合。總體上，SPCC可將峰值時刻延遲55 min，而SPAP-II和SPCC-PA分別在重現期P=2 a，5 a時產生徑流峰值。SPAP-II，SPCC在P=50 a時與普通瀝青鋪裝上出現的徑流量峰值時刻相同，表明在P=50 a 時，SPAP-II，SPCC對于滯后徑流峰值時刻沒有作用。而當重現期為P=5 a或更高時，隨著降雨強度的增加，這兩種結構的產流時間越來越接近。而SPCC-AP在P=1～50 a的降雨均有延遲徑流峰值的作用，表明SPCC-AP鋪裝結構有著很好的延遲徑流峰值效果，延遲能力遠高于其他表層透水結構。

2.1.4 徑流峰值

路面徑流峰值指在一場降雨中，路面徑流所能達到的最大值，反映了路面上所能產生徑流的一個上限，不同透水鋪裝結構徑流峰值隨重現期的變化如圖6(c)所示。結果表明隨著降雨強度的增強，同一種鋪裝結構洪峰流量隨之增大。在P=1 a時，透水鋪裝的徑流峰值均小于普通鋪裝，SPAP-I，SPAP-II，SPCC和SPCC-PA徑流峰值削減率分別為33.82%，100%，96.08%和100%。當P≥2 a時，SPAP-I徑流峰值與普通瀝青鋪裝相當。當P=2～20 a 時，SPAP-II，SPCC和SPCC-PA均能起到較好地削減峰值的作用，這3種結構對峰值徑流量的最大減少率分別達到了85.97%，73.38%和79.26%。而當P=50 a時，只有SPCC-PA能降低峰值徑流量，降低率為27.81%，而其他透水鋪裝在此降雨強度下均不能削減徑流峰值。

2.1.5 產流時刻

路面產流時刻指在一場降雨中路面產生徑流的時間，反映了路面滲水以及儲存水量的能力，不同透水鋪裝結構產流時刻隨重現期的變化如圖6(d)所示。結果表明徑流產生的時間均與降雨開始時間有間隔，相較于普通瀝青鋪裝，透水鋪裝可將產流時刻延遲40～102 min，原因是降雨剛開始比較小，落到地面會填補構造深度或滲入透水鋪裝內部，而不是立刻產生徑流。隨著降雨時間的增加，普通鋪裝內部空隙被填充滿，從而產生徑流。因此在較小的降雨強度下，SPAP-I和SPCC對于徑流的產生都有很好的滯后作用，但隨著降雨強度的增加，相對滯后時間也越來越小，且4種透水鋪裝的產流時間與其他類型透水鋪裝越來越接近。

相比其余結構，SPCC-AP鋪裝結構在降雨強度較小的情況下對于產流時間的滯后作用更加顯著。隨著降雨強度的增大，由于其具有兩層結構，且上層為滲透性相對較弱的透水瀝青混合料，對產流時間起到了較大的影響，產流時間與其他類型透水鋪裝越來越接近。

2.1.6 產流時長

路面產流時長指在一場降雨中，路面徑流開始產生至徑流消失的時間間隔，反映了路面削弱徑流的能力。不同透水鋪裝結構產流時長隨重現期的變化如圖6(e)所示。結果表明透水鋪裝具有減少產流時長的效果，隨著重現期的增大，產流時長呈現遞增的趨勢；同一降雨強度下，雨水產流時長大小為：SPAP-I>SPCC>SPAP-II>SPCC-PA。且削減總徑流深度大的透水鋪裝，在削減徑流產生時間方面效果也更明顯。隨著降雨強度的增大，各類透水鋪裝產流時間越來越接近，這表明透水鋪裝種類，對于較大的降雨強度影響不大。總體上，SPCC-AP在徑流削減效果最佳。

2.2 基層儲排水透水鋪裝對徑流削減效果

SWMM模擬結果表明對于任一基層儲排水型透水鋪裝結構，只有P=50 a 時，BPAP-I才會產生徑流，不同厚度骨架空隙結構對徑流的削減結果見表6。

表6 不同基層厚度下BPAP-I對徑流削減的模擬結果Tab.6 Simulation result of BPAP-I on runoff reduction with different subgrade thicknesses

結果表明BPAP-I只要滿足透水基層厚度不小于18 cm，在P≤50 a的條件下基本不會產生徑流。與普通瀝青鋪裝相比，BPAP-I的徑流系數削減率達89%以上，原因是基層儲排水型BPAP-I的面層全部為透水層，保證了透水結構層的厚度，使得降雨能夠及時被吸收排出，因此在P=1～20 a時BPAP-I能夠完全吸收雨水。而在P=50 a時，15 cm的透水基層厚度無法滿足地表不產生徑流的要求，因此需再加厚一部分透水基層厚度才能夠保證雨水能夠被及時吸收排走。

此外，BPAP-II由于基層和底基層均為透水層，較厚的透水層使得徑流并未產生。BPCC滲透系數大，故透水基層厚度下限值15 cm也滿足不產生徑流的要求。而BPCC-AP兼具上述兩者優勢，因此透水基層厚度下限值15 cm也滿足不產生徑流的要求。

2.3 全透式排水鋪裝對徑流削減效果

SWMM模擬結果表明全透型鋪裝在P=1～50 a均不產生徑流。與基層儲排水型透水鋪裝相比，全透型鋪裝的獨特之處在于路基具有滲透性(滲透系數≥1×10-4cm/s)，滲入鋪裝結構的水不僅可以通過道路邊部排水系統排出，還可通過土基滲入補充地下水，因此對于雨水徑路削減效果更好。在西安地區降雨條件下，重現期不大于50 a，全透型鋪裝均不會產生路表徑流。

2.4 建議

上述SWMM模擬結果表明透水鋪裝對減小徑流深度和徑流系數，延緩徑流時間有顯著作用。目前，我國海綿城市地區不同鋪裝類型主要以《室外排水設計規范》(GB50014—2016)大都基于徑流系數設計。規定了各種屋面、混凝土、瀝青路面的徑流系數為0.85～0.95，大塊石鋪砌鋪裝或瀝青表面各種的碎石鋪裝徑流系數為0.55～0.65，級配碎石鋪裝的徑流系數為0.40～0.50。然而，對于各種類型的透水鋪裝，尤其是表層排水型透水結構，仍缺乏有效的徑流系數推薦值。因此，基于模擬結果，為典型透水鋪裝結構提出了徑流系數參考值。考慮到推薦值的推廣性，分析范圍集中在5～50 a的降水重現期，結果見表7。

表7 典型透水鋪裝結構的徑流系數Tab.7 Runoff coefficients of typical permeable pavement structures

3 結論

本研究選取西安市一條雙向雙車道道路，采用SWMM模擬不同降雨重現期下不同透水鋪裝結構對地表徑流削減效果，得出如下結論：

(1)降雨重現期、透水層結構組合、透水層厚度是影響徑流削減的主要因素。單層透水瀝青鋪裝(SPAP-I)可使總徑流深度降低14%以上，也可使徑流時間和持續時間延遲約40 min，并降低徑流系數降低14%以上，但對徑流峰值的減少及峰值時刻的滯后幾乎沒有影響。

(2)雙層透水瀝青鋪裝(SPAP-II)在降雨重現期為1 a時也能使峰值徑流量減少100%，但隨著降雨重現期增加，其減少能力逐漸減弱。單層透水水泥混凝土鋪裝(SPCC)最大程度上能使徑流深度降低96%，峰值時間和徑流時間延遲50 min以上，徑流系數降低96%。且隨著降水重現期的增加，其削減能力與SPAP-II相似。

(3)同一降雨重現期下，不同表層排水型透水鋪裝對地表徑流的減量效果依次為：SPAP-I

(4)6種基層儲排水型透水鋪裝中僅有BPAP-I在P=50 a的時才能產生徑流，且透水基層厚度≥18 cm 時能實現無徑流產生。然而，全透型鋪裝在P=1～50 a降雨強度下均不產生徑流。

(5)為典型透水鋪裝結構推薦了徑流系數取值范圍，即針對表層排水透水鋪裝，SPAP-I為0.5～0.8，SPAP-II和SPCC為0.35～0.65，SPCC-PA為0.2～0.45；基層儲排水型透水鋪裝≤0.15，全透型透水鋪裝為0，完善了排水設計規范，可為海綿城市透水路面設計提供一定的技術支持。