梁春娣 孫艷偉

（1.太原理工大學山西太原 030024；2.山西省水利水電科學研究院 山西太原030002；3.華北水利水電學院河南鄭州 450011）

隨著城市化進程的加速，伴隨而來的一系列問題也給現(xiàn)代人的生活帶來了困擾。其中最主要的是對城市水系及其所屬的流域水源造成了一定程度的破壞。對天然水體的水循環(huán)造成一定程度的干擾。尤其近年來不斷出現(xiàn)的淡水資源供需矛盾、洪澇災害頻繁發(fā)生以及河流生態(tài)環(huán)境惡化等問題。傳統(tǒng)混凝土路面在暴雨季節(jié)，路面積水嚴重，而采用透水性較好的多孔性混凝土等鋪設的透水性路面，能使暴雨徑流在很短的時間內(nèi)入滲到更深層的土壤中，對城市中的人行道或者停車場等交通量不大的路面來說，能有效地避免雨天積水。LID（Low Impact Development）是以維持或者復制區(qū)域天然狀態(tài)下的水文機制為目標，通過采取一系列措施創(chuàng)造與天然狀態(tài)下效果相當?shù)乃臈l件及土體情況，取得對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生最低負面影響的設計策略。其中，透水性路面是一種典型的LID措施，并在西方國家得到了廣泛和深入的研究，因此，探討透水性路面的水文調(diào)控性能，對于解決城市的雨洪問題具有重要的理論和實踐指導意義。

1 透水性路面及其調(diào)控機理

從調(diào)控機理的角度來講，透水性路面是一種典型的通過降低城市產(chǎn)流面積進而實現(xiàn)徑流調(diào)控的LID雨洪調(diào)控措施。具備適宜面積的透水性路面，在快速入滲自身降水的同時，也可入滲來自鄰近區(qū)域的降水徑流，從而降低產(chǎn)流區(qū)域的面積。此外，對排水不便的道路或者區(qū)域來說，透水性路面是最為理想的雨洪調(diào)控方式。

2 模型的建立

2.1 SWMM模型

SWMM是美國環(huán)境保護署（EPA）開發(fā)的一個基于單個降水事件或者長期降水序列的降水—徑流模擬軟件，主要用于對城市發(fā)展區(qū)域的水量或水質(zhì)進行動態(tài)模擬。SWMM通過一系列能夠接收降水的子區(qū)域作為徑流或者污染物的來源，并通過傳輸系統(tǒng)，如管道、渠道、儲存/處理設施、泵及調(diào)節(jié)器等來實現(xiàn)水文、水力以及水質(zhì)方面的模擬，并能以多種形式對結果進行輸出。在一次模擬過程中，SWMM可以實時記錄每個子區(qū)域以及管道系統(tǒng)的徑流流量、徑流速度、徑流深度和污染物產(chǎn)量?，F(xiàn)在，SWMM已在世界范圍內(nèi)被廣泛用于城市暴雨徑流、流域規(guī)劃、排水管道系統(tǒng)等的模擬、分析和設計中，并逐漸在非城市區(qū)域得到應用。本文利用SWMM，通過一個城市小區(qū)的停車場所修建的不透水性路面，分析其水文效應。

2.2 應用區(qū)域

該停車場面積為0.017 km2，由于該區(qū)面積不大，且所處位置地形較低，可認為該小區(qū)徑流均流向停車場，并經(jīng)透水性路面調(diào)控。該區(qū)城市化發(fā)展前（即天然狀態(tài)下）不透水性面積比例為5%，城市化后（普通混凝土路面條件）利用地理信息系統(tǒng)軟件—ArcGIS的統(tǒng)計功能獲得其不透水性面積比例為86%。利用重現(xiàn)期分別為2年、10年以及100年的設計暴雨分析透水性路面的洪峰消減效應，如圖1所示。

圖1 重現(xiàn)期為2年、10年及100年設計降水分布圖

2.3 基于SWMM的透水性路面模擬

SWMM通過各分區(qū)域來模擬區(qū)域的匯流、產(chǎn)流及入滲過程，通過雨量站模擬不同的降雨過程。其中，透水性路面在SWMM中可由一個100%透水性的區(qū)域來模擬實現(xiàn)，徑流形成采用非線性水庫模型，入滲采用Horton入滲模型。修建透水性路面所用透水性混凝土的厚度為20.32 cm，其孔隙度為0.18；儲存區(qū)域的厚度為30.48 cm，其孔隙度為0.40，則透水性路面實際的儲水深度為15.8 cm。其中，透水性材料的曼寧系數(shù)為0.03。經(jīng)校核后，透水性路面在SWMM中的主要特征參數(shù)如表1所示。

表1 透水性路面的主要特征參數(shù)

2.4 模型的主要輸入?yún)?shù)

區(qū)域?qū)挾取⑵骄露?、區(qū)域面積、區(qū)域不透水性面積比例等利用地理信息系統(tǒng)軟件—ArcGIS的統(tǒng)計功能獲得，通過實測資料獲得Horton入滲方程的參數(shù)。再根據(jù)實測的流量和降水資料對模型各參數(shù)進行校核。得出SWMM模型區(qū)域的各參數(shù)如表2。

表2 SWMM模型區(qū)域主要輸入?yún)?shù)

3 模型運行結果及透水性路面水文效應分析

本文對如下三種情況進行模擬：（1）城市發(fā)展前（天然狀態(tài)下），（2）城市發(fā)展后無調(diào)控措施（普通混凝土路面條件下），（3）城市發(fā)展后有調(diào)控措施（透水性路面條件下），并分別模擬2年、10年、100年設計降雨下透水性路面的水文效應，并采用洪峰流量和洪量兩個指標分析透水性路面的水文調(diào)控性能，其結果如表3和圖2至圖4所示。

表3 不同設計降水下透水性路面的洪峰流量和洪量消減比例

由表3可以看出，城市化顯著增加了一場降水中的洪峰流量和洪量。對于2年、10年和100年設計降水來講，城市化后的洪峰流量是發(fā)展前的8.7、6.5和5.1倍，同樣地，城市化對洪量的改變也是非常顯著的。而經(jīng)由透水性路面進行調(diào)控后，其洪峰流量和洪量甚至小于區(qū)域發(fā)展前的值，表明透水性路面幾乎能夠吸收區(qū)域產(chǎn)生的絕大部分徑流。

圖2 2年降水時不同情景下的徑流過程線

圖3 10年降水時不同情景下的徑流過程線

圖4 100年降水時不同情景下的徑流過程線

圖2至圖4揭示了不同設計降水條件下無調(diào)控措施和經(jīng)透水性路面調(diào)控后的徑流過程曲線。與表3所對應，其徑流過程曲線同時也反映了透水性路面顯著的調(diào)控性能。透水性路面具備顯著的徑流調(diào)控性能的主要原因除了其本身滲透快的特性外，另外一個主要的原因是透水性路面將原本低透水的區(qū)域轉(zhuǎn)化為高透水性的區(qū)域。在本研究中，透水性路面的修建將原有的區(qū)域不透水性系數(shù)由86%降低為35%，可有效地降低區(qū)域不透水性面積上的產(chǎn)流量。

4 結論

城市化進程對路面造成的最直接影響是路面由透水性向不透水性轉(zhuǎn)化，進而導致了一系列水文環(huán)境的變化和下游河道徑流態(tài)勢的改變。本文利用SWMM模型，采用不同重現(xiàn)期的降水事件模擬了透水性路面的水文效應。模擬結果表明作為典型的低影響發(fā)展的雨洪調(diào)控措施，透水性路面具有顯著的洪峰和洪量消減功能，并能有效地入滲補給地下水。但是，修建透水性路面的成本是比較高的，其透水性混凝土的原材料價格要遠高于修建入滲帶和生物滯留池等。這也是透水性路面沒有普及的原因之一。隨著價格低廉的透水性材料的問世，透水性路面將會越來越普及，這樣就會減輕城市化對水環(huán)境的危害，實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。