改良型植草溝的蓄滯性能研究

劉雨竹，彭 晶，李心言，何雅晴

（1.中國民航大學交通科學與工程學院，天津 300000；2.中國民航大學空中交通管理學院，天津 300000）

1 引言

城市化的高速發展，不透水面積快速增加，嚴重影響水文循環，水生態問題日益嚴重，低影響開發海綿城市建設迫在眉睫。生態植草溝集滲滯蓄凈于一體，可用于城市綠地、公園、校園、機場及道路、停車場的周邊，具有良好的節水效能和環境生態效益。生態植草溝作為海綿城市中一個較小的構成單元，被大量運用到波特蘭的城市建設中。通過對雨水徑流進行初步收集過濾處理，大大減緩了城市雨水排放的壓力[1]。2019 年印發的《國家節水行動方案》中指出“水是事關國計民生的基礎性自然資源和戰略性經濟資源，是生態環境的控制性要素”[2]，通過試驗及模擬手段設計生態植草溝的最佳構型，研究不同重現期不同雨型對植草溝調蓄性能的影響，并針對飛行區驅鳥要求進行針對性設計，將設計的生態植草溝應用于海綿城市、海綿機場的建設中，實現雨水“滲、滯、集、凈、排”數據的遠程實時采集和可視化展示。其研究成果可用于城市綠地、公園、校園、機場、道路、廣場及停車場周邊的低影響開發設計，改善城市水生態環境，提升雨水利用效率。Rujner等[3，4]運用MIKE SHE水文模型模擬了植草溝對雨水徑流的調控效果，當徑流量較大時，植草溝主要起傳輸作用。侯精明等[5]應用耦合水文和水動力過程數值模型，分析道路植草溝主要設計參數對地表徑流調控的影響規律。沈子欣等[6]通過不同結構植草溝的模擬試驗，研究植草溝結構參數變化對降雨徑流調蓄效應和污染物凈化的影響。王龍濤等[7]研究了黑麥草溝和天堂草溝2類植草溝對植草溝徑流凈化影響，以探索植草溝最佳運行條件。

2 材料和方法

2.1 植草溝結構設計

植草溝結構包括種植層和濾料層，現擬定種植層為種植土和植被，種植土厚度為20 cm；濾料層為砌塊磚和礫石；植草溝的結構為1 m×50 cm×70 cm（長×寬×深）。植草溝匯水面積為2 m2。裝置分為種植槽、進水管和穿孔滲水管。以長1 m、寬50 cm、深70 cm 的PE 板種植槽作為模擬植草溝的試驗裝置，在裝置上部的一側設置進水管和花灑用以模擬降雨徑流，裝置內底部設置一根PVC 滲排水管。該構型中，從上到下依次為珍珠巖、黑麥草植被、種植土層、沸石層、細砂層、尿砂層、活性炭層、礫石層、土基質層。并在種植土層安裝土壤濕度傳感器，排水管口安裝顯流計，以更好測定流量。

植草溝試驗裝置，如圖1所示。

圖1 試驗裝置

經計算，在此構型條件下，不同雨型不同重現期下的徑流削減率可高達70%左右，徑流削減效果可觀。

但是，結合實際情況加以考慮，該種構型具有一定的局限性：構型中所使用的吸水性較強的尿砂不易在天然生態系統中找到，成本較高，且尿砂為一次性產品，遇水一次即需更換，在現實生活中僅一次降水便需要挖出并更換新的尿砂，極不實用。再加上天津地區暴雨頻率小的原因，為了生態植草溝的實用性與經濟性達到最高，原設計的植草溝構型仍需完善。

2.2 試驗設計

（1）模擬地表徑流情況下考察不同重現期對改良植草溝產流效果的影響，以重現期及雨型分別作為自變量，分別研究其對出水量及土壤濕度的影響。

（2）在模擬實際降雨情況中，分別比較相同長度、坡度的原始土基質植草溝和改良后的植草溝對下滲速度及下滲量的影響。

在第一次試驗構型的基礎上，我們撤銷了經濟性、實用性低下的尿砂，以植草溝內部結構、層級為變量，研究構型對土壤濕度、流量與入滲率的影響，為設計并探究更具有經濟效應的植草溝構型進行了第二次試驗。

以重現期為1、5、10 a 來確定試驗所需流量，設立一組對比試驗（a）（b）。

試驗（a）中，將植草溝構型內置為純土結構：土層，植被，土基質坡度4%；植被根莖長度13 cm，為對照組。

試驗（b）的植草溝構型各成分高度設計為：土層6.5 cm，沸石3 cm，石塊10 cm，細砂3 cm，土基質坡度4%，植被；植被根莖長度13 cm。

2 次試驗都在種植土層安裝土壤濕度傳感器，排水管口安裝顯流計。

2.3 測定指標和試驗思路

暴雨強度公式根據《天津市雨水徑流量計算標準》采用東麗區暴雨強度公式：

式中：q為設計暴雨強度[L/（s·hm2）]；t為降雨歷時（min）；P為設計重現期（a）。

3 分析與討論

3.1 不同重現期雨型對植草溝產流效果的影響

通過式（1）計算理論降雨值，分別對應重現期為25、50和70 a降雨量的試驗進出水量，詳見表1。

表1 重現期為25、50和70 a降雨量與試驗進出水量

考慮到植被生長較長且操作比較復雜，現決定不將植被類型這一變量納入所取參數，只采用單一植被類型。同時，將徑流量的測定改為實地試驗。且試驗過程中，試驗時間對應理論值，縮短試驗時間，提高效率。

從對應的重現期不同時輸入水量和輸出水量的關系可以得出，當水量輸入越多，留存在土壤中的水分就越多。且在相同降水量的情況下，前峰雨型含水率較后峰雨型含水率多。

在前試驗基礎上對不同的雨型進行動態測量，得到數據，詳見表2。

表2 不同雨型動態監測數據

降雨強度越大，土壤含水率增長越快，產流發生的越早，產流的速度越快。不同重現期不同雨型試驗前后的土壤含水量對比，如圖2—3所示。

圖2 不同重現期前峰雨型土壤含水量的對比

圖3 不同重現期后峰雨型土壤含水量的對比

3.2 探究改良成分對下滲率的影響

3.2.1 試驗數據結果

在試驗中，通過花灑控制水流量，觀察水在土基質層的下滲過程，利用秒表記錄下滲時間，利用米尺記錄積水深度。測得結果，詳見表3。

表3 對比試驗數據記錄

3.2.2 分析與結論

綜合分析表3的數據，可以得出以下結論。

（1）在1 a重現期下，試驗（b）構型的積水深度明顯低于試驗（a）構型，且試驗（b）構型下滲時間整體低于試驗（a）構型。說明改良后的植草溝構型對小雨、中雨的下滲量以及下滲速度明顯好于天然土質植草溝。

（2）在5 a 重現期下，改良后的植草溝構型的積水深度與下滲時間整體來說與天然土質植草溝相當，但排水量明顯優于天然土質植草溝。說明設計植草溝在暴雨中，下滲量以及下滲速度都明顯優于天然土質植草溝。

（3）在10 a重現期下，改良后的植草溝構型的積水深度略高于天然土質植草溝，下滲時間與其相當，排水量高于土基質結構。說明設計植草溝在特大暴雨中，下滲量以及下滲速度都明顯優于天然土質植草溝。

（4）總體來說，各重現期改良后的植草溝構型的下滲量以及下滲速度都明顯優于天然土質植草溝。

4 結語

本文探究了不同重現期及不同雨型對植草溝出口流量的影響，并通過對比試驗定性分析構型對流量及入滲率等參數的影響。對現有機場排水系統進行改造時，通過將改良后的植草溝構型與其他低影響開發設施及雨水循環系統相結合的方式可有效減輕排水系統壓力，進而也能降低排水系統新建或改造費用。探索海綿機場建設模式，因地制宜選擇低影響開發設施，減輕機場排水防澇壓力，深入研究低影響開發對建設海綿機場有重要意義。