透水路面降低城市徑流洪澇風險的模擬研究

摘 要：為研究透水路面對城市地表徑流系數和洪峰流量的影響，本文采用暴雨水文管理模型SWMM（Storm Water Management Model），對青島市某雙向六車道公路進行模擬研究，分析排水型和半透水型路面結構在不同降雨條件下對城市地表徑流和雨水的影響。研究結果表明，雖然排水面能夠減輕一部分地表徑流，但是其對抑制洪峰及其延遲效果卻無顯著作用。半透水路面能減少部分地表徑流和洪峰，并能延遲洪峰時間。全透型路面基本不會形成地表徑流，對徑流系數和洪峰流量的削減有更好的效果。綜上所述，透水路面對洪峰流量和徑流系數的降低效果很好，對城市排水有很大的幫助，并且可以降低暴雨洪水帶來的風險。

關鍵詞：道路工程；SWMM；透水路面；洪峰流量；徑流系數

中圖分類號：" U 416 文獻標志碼：A

傳統混凝土路面的不透水特性會導致城市在雨季出現“雨季看?！钡默F象，除此之外，道路積水會增加城市排水系統的負荷，積水區域也可能出現污染物聚集的現象，對環境造成污染[1]。因此有必要加強對此類問題的關注，一些國家已經開發了一系列技術用于控制城市暴雨徑流，并相應地出臺了相關的暴雨管理指南等。中國也在總結國外城市雨水治理理念的基礎上，提出了城鎮化發展的“海綿城市”戰略[2]。

透水鋪裝屬于低影響開發（LID）措施，已經有國外學者對各種類型的LID如何影響地表徑流進行研究。通過分析地表徑流可以把透水路面分為排水、半透水和全透水3種類型路面。但是，關于這些不同的路面構造如何影響城市的地表徑流的研究卻鮮有報道。本文使用SWMM模型，以青島市某實際道路為研究對象，評估各種類型路面結構在降雨情況不同時對地表徑流的降低效果和城市雨水的調控能力。以期為“海綿城市”建設提供理論支持。

1 模型建立

1.1 研究區域

本文研究區域為青島市內1條雙向六車道道路，道路長度為500m，寬度為55m，總面積為2.75×104m2。車道面積為1.2×104m2，占整個研究區域的43.3%；非機動車道面積為5000m2，占18.5%；

由于每個區域具有不同的地表特征，將整個區域劃分為9個子集水區，創建了9個節點和1個排水口。

1.2 模型介紹及參數設定

暴雨水文模型（Storm Water Management Model，SWWM）最初由美國環境保護局（EPA）開發，用于模擬城市雨水徑流和污水系統設計和規劃的計算機軟件。可以模擬城市雨水徑流的產生、收集、輸送和處理過程，包括雨水徑流的產生、雨水下滲、地表徑流、下水道系統的流動和污水處理等。通過SWMM模擬，可以評估城市雨水系統在不同降雨條件下的運行情況、排水能力等方面的影響。

在SWMM中，一個集水區通常被劃分為幾個子集水區，每個子集水區都是一個獨立的水力單元，并且假設只有一個排水口來收集每個子集水區的地表徑流。根據每個子集水區的特點，分別計算徑流過程。最后，利用流量演算的方法對整個流量進行疊加。

通過實地調研，確定研究區域不透水區域和透水區域所占百分比、集水區域面積、平均地表坡度等參數，然后輸入模型。結果顯示，不透水路面面積占比為85%，為機動和非機動車道。平均地表坡度為2%。模型中的其他參數根據SWMM用戶手冊和文獻綜述的推薦值輸入。

1.3 降雨設計

在SWMM模型中，模擬降雨時的降雨數據輸入一般分為2種，一種是實際值，一種是計算值[3]。本文利用公式采用計算值輸入，如公式（1）、公式（2）所示。

式中：i為設計暴雨強度，即在連續降雨期間的平均降雨量或單位時間的平均降雨深度；q為單位時間每公頃降雨量；t為降雨持續時間；P為設計頻次。

降雨模擬中暴雨持續時間為180min，時間步長為1min，設計降雨重現周期為5a、10a、20a和30a。降雨峰值系數r=0.4。

通過前期模擬在不同降雨重現周期下，最大降雨強度出現在72min。5a、10a、20a和30a降雨重現期的雨峰強度分別為2.88mm/min、3.34mm/min、3.72mm/min和4.17mm/min。對應的累計降雨量分別為81.15mm、94.05mm、107.10mm、114.66mm。

2 透水路面結構

參考規范《透水瀝青路面技術規程》（CJJ/T 190—2012），按照水流路徑的不同將透水路面劃分為以下類型。

排水型路面：透水材料只在表層使用，基層則使用瀝青密封涂層或者防滲瀝青材料[4]。雨水從地面可以滲入，但不可以滲入基層。經過地表的雨水，會先沿著不透水基層的頂面移動至道路的排水設施，然后通過路基直接排出。

半透水型路面：表層采用透水材料，基層采用透水性開級配集料。墊層由瀝青砂等不透水材料組成。防滲土工布必須安裝在路基上方，作為防滲層。雨水通過表面層和基層，然后直接排放到防滲土工布的上表面。

全透水型路面：是一種具有高透水性的路面材料和結構，能夠讓水迅速通過路面進入地下。面層通常由透水材料（例如透水混凝土或透水瀝青）構成，下層結構（包括基層和墊層）也采用高透水性材料，例如級配碎石或砂礫。依靠重力，雨水通過面層和下層的孔隙向下移動。

目前研究表明，為了確保路面設計的實用性和可行性，多選擇具有較高空隙率（20%左右）的多孔瀝青混合料來作為排水面表層。此外，排水面可以選擇4cm厚的單層排水面或者10cm厚的雙層排水面。針對半透和全透水路面的儲水層，通常用厚度不小于15cm的級配礫石或砂石來填充，其最大公稱粒徑分別為37.5mm或31.5mm，空隙率通常為40%。

3 結果與分析

3.1 排水型路面

3.1.1 地表徑流和洪峰流量

4cm和10cm厚的排水型路面在降雨重現期30a時的路面徑流量變化如圖1所示。

由模擬結果可知，當地表排水面厚度為4cm，降雨重現周期為30a時，地表徑流出現在0.48。當厚度變為10cm時，時間點延遲至0.56。這表明，在降雨初期，排水面能夠降低地表徑流。這是因為雨水在降雨初期落在地面上，并滲透進路面結構的內部，從而避免了徑流的形成。但在基層上方有防滲瀝青材料和瀝青密封層。路面結構中積累的雨水隨著持續降雨而增加，當雨水達到最大值時，形成地表徑流。

無論是路面厚度為4cm還是10cm，洪峰都出現在01：04。由于洪峰流量與洪峰時間一致，表明排水面并不能有效地降低洪峰的數量，也就是說，它對洪峰的減小和滯后性沒有任何影響。

3.1.2 徑流系數

4種不同降雨重現期條件下車道徑流系數見表1。

模擬結果顯示，在4個不同降雨重現期條件下，當厚度為4cm和10cm時，排水面的徑流系數為0.723～0.878，不透水路面的徑流系數為0.963～0.966。

排水型路面的徑流量和系數與不透水路面相比都偏小。降雨滲透率隨著排水面厚度的提升而增加。而徑流系數則下降，這表明排水面在減少地表徑流方面更具效果。

3.2 半透水型路面

3.2.1 地表徑流和洪峰流量

在使用半透水路面的非機動車道中，分別選擇厚度為15cm、20cm、25cm和30cm的級配礫石作為儲水層，降雨重現周期設定為30a，模擬結果見表2。

從表2可以看出，半透水路面可以有效地降低和延緩洪峰的發生。在降雨重現期不同的情況下，總徑流量和洪峰均減小，洪峰時間延遲。

隨著儲水層厚度增加，洪峰降低率增大。當儲水層厚度為15cm時，降低率約為50%，當儲水層厚度增至30cm時，降低率增至95%。這是因為級配礫石可以儲存雨水，減少徑流，這些能力取決于空隙比、厚度等特性。

3.2.2 徑流系數

4種不同降雨重現期條件下的徑流系數如圖2所示。

從模擬結果可以看出，當儲水層厚為30cm、降雨重現周期為5a時，徑流系數接近于0。當庫厚為15cm時，徑流系數在不同降雨重現期條件下半透水路面的系數為0.202～0.437。

徑流系數受儲水層厚和降雨重現期的影響較大。當儲水層厚從15cm增至30cm時，降雨入滲增加，儲水層厚越大，透水路面減少地表徑流的效果越好；針對半透水路面，建議采用大厚度的級配礫石。

3.3 全透型路面

3.3.1 路基土滲透系數的影響

各地土質不同，導致路基土的滲透系數也有較大的差異，但路基土的滲透能力對整個透水路面的透水效果起決定性作用。因此，通過研究路基土的滲透性能對路面透水效果的影響來確定最合適的土壤類型。

計算不同滲透性路基土的排水時間涉及許多因素，包括土壤類型、孔隙率、滲透系數、初始水分含量以及降雨量等。本文采用簡化的計算方法，利用達西定律來計算，計算結果見表3。

從表3可以看出，隨著路基土滲透系數減小，路基土排出0.1m3水所需的時間逐漸增長，當路基土滲透系數為10-5時，即低滲透性，排水時間大約需要2d以上時間。而當滲透系數小于10-7時，排出同樣體積的水則需要長達數個月，即為不透水的。通過結果來看，設計道路時需要考慮不同路基土的滲透性，以此來獲得更好的透水效果。砂土是透水路面的理想材料，可適用于各種場合。但是，粉土和黏土不應直接用作透水路面的路基土。必要時，應在一定深度內對土壤進行改良。

3.3.2 徑流系數

4種不同降雨重現期條件下全透水型路面的徑流系數如圖3所示。

從圖3可以看出，在全透水型路面中，因為雨水會通過面層和下部結構（基層、墊層）滲入路基中，所以在地表基本不會形成徑流，徑流系數均約為0。此外，從圖3中還可以發現，隨著儲水層即級配碎石層的厚度增加，徑流系數無變化，說明儲水層厚度對徑流系數影響很小。

現有海綿城市的徑流系數設計取值中，尚未有排水、半透水和全透水型路面的徑流系數推薦范圍。本文對不同降雨重現期下的地表徑流進行模擬并得出初步結果，根據模擬結果推薦排水型路面的徑流系數取值為0.70～0.85；半透水型路面的徑流系數取值應小于或等于0.45；全透水型路面的徑流系數取值為0。通過給出的相應的徑流系數推薦取值范圍，以期為海綿城市設計建設提供一定的技術支持。

4 結語

本文采用SWMM模型，以青島市區某雙向六車道道路為研究區域，研究不同降雨情況下，各種路面結構對減少地表徑流和城市雨水的影響。得出的結論如下。1）排水型路面可以減少10%以上的部分地表徑流，但不能起到降低洪峰的作用，對洪峰的降低或滯后性沒有影響。2）半透水路面可使地表徑流量減少50%以上，對洪峰的降低和洪峰的減小和滯后性均有影響。隨著透水級配礫石厚度增加，洪峰消減率增大。3）半透水路面可使地表徑流量減少50%以上，對洪峰的降低和洪峰的減小和滯后性均有影響。隨著透水級配礫石厚度增加，洪峰消減率增大。

參考文獻

[1]劉洋.透水路面日常維護措施及評價[J].交通科技與管理，2024，5（6）：80-82，79.

[2]王儀良，譚建平，李薇，等.陶瓷透水路面磚滲透系數與孔隙特征的定量關系模型[J].建筑材料學報，2024，27（2）：174-180.

[3]袁巧麗.基于SWMM的海綿城市短時排水工程三維模擬分析[J].中國水運（下半月），2024，24（3）：30-32.

[4]朱浩然，于明明，吳華菓.基于暴雨洪水管理模型的透水鋪裝結構對城市雨洪的影響模擬研究[J].公路，2019，64（1）：65-72.