侯立柱，劉江濤，呂建華

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，100083，北京;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京)

城市硬化下墊面的不斷增加導(dǎo)致城市地表徑流激增，引發(fā)洪澇等諸多危害。例如，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，昆明城區(qū)邊緣以農(nóng)田為主的地區(qū)，轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘行徒ǔ蓞^(qū)，導(dǎo)致不透水面積擴(kuò)大，降水基本排入市政管道，隨之而來(lái)出現(xiàn)水體污染、城市洪澇災(zāi)害等問(wèn)題［1］。同時(shí)，人們也逐漸意識(shí)到這些淡水資源的利用價(jià)值，城市徑流不能再一排了之。通常透水性鋪裝系統(tǒng)是由一系列的混凝土塊和塑料網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，填以沙子、礫石及土壤組成，具有孔隙通透性。這些孔隙使雨水能夠快速滲入到地面以下，對(duì)減少因城鎮(zhèn)發(fā)展帶來(lái)的雨水徑流能起到很大的作用［2-3］。侯立柱等［3］在2006年就透水磚鋪裝地面墊層結(jié)構(gòu)對(duì)城市雨水入滲過(guò)程的影響進(jìn)行了研究，指出土壤質(zhì)地有明顯分層且上層土壤質(zhì)地較粗時(shí)，易滿足壤中流形成的條件，壤中流主要發(fā)生在不同層次土壤的不連續(xù)界面上，界面以下土層是透水性較差的相對(duì)不透水層，下滲水流在不連續(xù)界面上受阻積蓄，形成臨時(shí)飽和帶，從而產(chǎn)生壤中流。壤中流是徑流的重要組成部分，對(duì)流域徑流產(chǎn)生、泥沙遷移、養(yǎng)分流失具有非常重要的作用［4］。壤中流受地形、土層厚度、土壤質(zhì)地、土地利用等多種因素的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了自然坡地壤中流的產(chǎn)生機(jī)制、優(yōu)先流路徑［5］、非線性和臨界性［6-8］，以及其影響因子［9-10］;但是，多數(shù)研究集中于山區(qū)坡地、巖土二元介質(zhì)坡地等，有關(guān)透水性鋪裝地面壤中流過(guò)程的研究不多。為了探討下墊面變化條件下的城市水文循環(huán)要素、過(guò)程及強(qiáng)度，筆者在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，利用人工模擬降雨，研究透水性鋪裝地面的壤中流特征，以期為城市水文研究及水資源保護(hù)提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

下墊面采用土柱裝置，高為100 cm，外徑均為30 cm，由1 cm厚有機(jī)玻璃管制成，內(nèi)部鋪設(shè)不同厚度透水性鋪裝材料［11-14］，地面坡度為0.5%。裝置下部距底板5 cm處設(shè)置一透水底板，透水底板下部鉆有直徑為2 cm的排水孔。另外，側(cè)壁鉆有排水孔(位于地面以下60 cm)，使?jié)B透至粗細(xì)土壤界面的水分得以橫向排出裝置體外，以研究降雨條件下透水性鋪裝地面壤中流的流出情況。

表1為透水性鋪裝地面填充結(jié)構(gòu)及滲濾介質(zhì)參數(shù)，其中透水性鋪裝的級(jí)配、粒徑、密實(shí)度等物理參數(shù)來(lái)源于昆明市區(qū)工程施工規(guī)范，抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)源于透水性鋪裝地面的檢測(cè)報(bào)告。透水性鋪裝地面所使用土壤采自昆明，利用英國(guó)產(chǎn)馬爾文MS2000粒度分析儀器進(jìn)行土壤顆粒粒徑分析，按照國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行命名，見表2。

表1 透水性鋪裝地面介質(zhì)參數(shù)Tab.1 Parameters of porous pavement

表2 土壤基本物理指標(biāo)Tab.2 Basic physical indicators of experiment soils

1.2 人工模擬降雨試驗(yàn)

設(shè)計(jì)安裝人工模擬降雨系統(tǒng)，其中人工降雨器由儲(chǔ)雨箱、增壓柱及降雨面板構(gòu)成，器壁采用10 mm厚的有機(jī)玻璃，如圖1所示。儲(chǔ)雨箱規(guī)格為90 cm×40 cm×5 cm，增壓柱高30 cm，口徑10 cm，在距離儲(chǔ)雨箱頂板3 cm的增壓柱上開進(jìn)水孔，直徑為2 cm，連接3 cm長(zhǎng)進(jìn)水管。儲(chǔ)雨箱下方降雨面板在覆蓋范圍內(nèi)開孔，孔徑1 cm，縱橫相距2 cm開孔，開孔共409個(gè)，降雨面板上所有孔呈棋盤式分布，在橡膠塞的中心倒插入醫(yī)用針頭成為雨滴生成器。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，該人工降雨系統(tǒng)可適用于降雨強(qiáng)度在6～250 mm/h之間的人工降雨試驗(yàn)，依據(jù)噴灑均勻度試驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果，模擬降雨器的降雨均勻度超過(guò)80%，可滿足試驗(yàn)要求［15］。試驗(yàn)用水由上測(cè)水箱供給，經(jīng)馬氏瓶、增壓柱進(jìn)水孔流至儲(chǔ)雨箱。馬氏瓶高50 cm，直徑10 cm，在底部壁上開直徑為2 cm的孔，外接3 cm長(zhǎng)的有機(jī)玻璃管。試驗(yàn)過(guò)程中，模擬降雨滴頭距地面約為200 cm，通過(guò)調(diào)整馬氏瓶的高度，可以控制增壓柱中動(dòng)水位的高度，進(jìn)而控制降雨系統(tǒng)的降雨強(qiáng)度，在每次降雨過(guò)程中設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度值保持恒定。

圖1 供水裝置與人工降雨器連接方式示意圖Fig.1 Diagram of the simulated rainfall experiment

對(duì)人工降雨強(qiáng)度與增壓柱內(nèi)水位高度之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，其二者的關(guān)系如式(1)所示。其中，R2=0.975 7，說(shuō)明使用本套裝置，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的降雨強(qiáng)度。

式中:x為增壓柱內(nèi)水位高度，cm;y為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，mm/h。

根據(jù)昆明市城區(qū)設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式［16］(2)，確定不同重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度。

式中:q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，mm/h;P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a;t為降雨歷時(shí)，min。

為研究在不同重現(xiàn)期降雨條件下透水性鋪裝地面的入滲產(chǎn)流規(guī)律，通過(guò)式(1)和(2)，設(shè)計(jì)了不同降雨強(qiáng)度條件下的人工模擬降雨試驗(yàn)，設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 人工模擬降雨試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Characteristics of the simulated rainfall experiment

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在小尺度透水性鋪裝地面上進(jìn)行。通過(guò)調(diào)控人工模擬降雨系統(tǒng)增壓柱的水位，實(shí)現(xiàn)降雨強(qiáng)度31.38、42.32、50.60、58.88、69.82、78.09 mm/h(分別對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期 2、5、10、20、50、100 年)的降雨，對(duì)比分析在不同降雨強(qiáng)度條件下，透水性鋪裝地面壤中流出流特征。

為簡(jiǎn)便計(jì)，設(shè)包氣帶由2種不同質(zhì)地的鋪裝層疊成［17］。如圖2所示，上層土壤質(zhì)地較粗，用A表示，下層土壤質(zhì)地較細(xì)，用B表示。上層土壤的穩(wěn)定下滲率fcA大于下層土壤的穩(wěn)定下滲率fcB。在降雨過(guò)程中，當(dāng)A層土壤達(dá)到田間持水量后，fcA就成為AB界面上供水強(qiáng)度的上限。此后，如果降雨強(qiáng)度i介于上層土壤的穩(wěn)定下滲率fcA和下層土壤的下滲容量 fpB之間，即 fpB＜i≤fcA時(shí)，則必有(i－fpB)的水分積聚在AB界面上，形成臨時(shí)飽和帶。當(dāng)i＞fcA時(shí)，也有(fcA－fpB)的水分積聚在界面上形成臨時(shí)飽和帶。只有當(dāng)i≤fpB時(shí)，降雨才全部通過(guò)AB界面進(jìn)入B層而無(wú)水分積聚在界面上。積聚在AB界面上的水分，在適當(dāng)?shù)臈l件下可產(chǎn)生側(cè)向流動(dòng)。這種在2種不同透水性土壤的界面上形成的、在上層介質(zhì)的透水性好于下層介質(zhì)透水性的條件下，可以沿界面流動(dòng)的徑流即為壤中流。忽略地表蒸散對(duì)徑流量的影響，一場(chǎng)降雨產(chǎn)生的壤中流總量Rint按下式計(jì)算:

式中:Rint為壤中流總量，mm;i為降雨強(qiáng)度，mm/h;fcA為上層土壤表面的下滲率，mm/h;fpB為2種土壤界面上的下滲容量，mm/h，對(duì)于透水性鋪裝地面fpB≈0。

圖2 透水性鋪裝地面壤中流產(chǎn)流示意圖Fig.2 Schematic diagram of subsurface flow generated in porous pavement

只有當(dāng)上下層界面上臨時(shí)飽和帶隨著降雨的持續(xù)不斷向上發(fā)展，最終達(dá)到地面，于是后繼降雨的一部分將積聚在地面，不再是壤中流，而成為飽和地面徑流 Rsat。

式中:Rsat為飽和地面徑流總量，mm;rint為壤中流強(qiáng)度，mm/h。

徑流系數(shù)計(jì)算公式為

式中:ψ為徑流系數(shù);Q為次降雨徑流總量，mm3;Qs為次降雨總量，mm3;R為徑流深，mm;A為下墊面面積，mm2。

試驗(yàn)中對(duì)其他影響因素進(jìn)行了嚴(yán)格控制，以突出單因素對(duì)徑流系數(shù)的影響。在分析降雨強(qiáng)度對(duì)徑流系數(shù)的影響時(shí)，為消除雨型的影響，次降雨采用均勻降雨強(qiáng)度，并將土壤前期含水量控制在一定范圍內(nèi)，盡量消除前期含水量差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨強(qiáng)度透水性鋪裝地面的產(chǎn)流形式

透水性鋪裝地面壤中流特征見表4。降雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)流時(shí)間越早;透水性鋪裝地面壤中流占總降雨量的比例隨降雨強(qiáng)度的增大而稍微增大，在重現(xiàn)期小于100年一遇的情況下(降雨歷時(shí)60 min、降雨量小于78 mm)，徑流系數(shù)在設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為78 mm/h時(shí)達(dá)到最大值。說(shuō)明壤中流是透水性鋪裝地面總徑流的主要組成形式。透水性鋪裝地面產(chǎn)生的壤中流水量明顯小于降落在其上的水量，這是由降水消耗于截留、上層土壤滲蓄及表面蒸發(fā)等引起損失造成的。

表4 透水性鋪裝地面徑流特征Tab.4 Characteristics of runoff generated from porous pavement surface

2.2 透水性鋪裝地面壤中流產(chǎn)流過(guò)程

圖3示出透水性鋪裝地面壤中流產(chǎn)流過(guò)程?？梢钥闯觯斯そ涤杲Y(jié)束初期，壤中流出水速度急劇增大，達(dá)到穩(wěn)定出水后持續(xù)排水，隨著降雨強(qiáng)度的增大，壤中流徑流強(qiáng)度稍微增強(qiáng)。在模擬昆明市50年一遇人工降雨條件下，該鋪裝地面在降雨過(guò)程中無(wú)地表徑流產(chǎn)生，試驗(yàn)開始20 h后，鋪裝結(jié)構(gòu)壤中流出水速度逐漸減小，50 h后，鋪裝結(jié)構(gòu)壤中流逐漸停止排水，整個(gè)排水過(guò)程持續(xù)了53 h左右，壤中流排水量為45.33 mm，占總降雨量的65%。由于受到透水性鋪裝材料的調(diào)蓄作用的影響，使得相對(duì)降水過(guò)程而言，透水性鋪裝地面壤中流出流過(guò)程相對(duì)較平緩光滑;壤中流流量過(guò)程的起始時(shí)刻、洪峰、重心等出現(xiàn)的時(shí)間均明顯滯后于降水過(guò)程，流量過(guò)程的總歷時(shí)比降水歷時(shí)長(zhǎng)很多。對(duì)比付智勇等［18］三峽庫(kù)區(qū)不同厚度紫色土坡耕地壤中流產(chǎn)流數(shù)據(jù)，本研究透水性鋪裝地面壤中流產(chǎn)流峰值明顯減小，洪峰維持時(shí)間更長(zhǎng)，流量過(guò)程的總歷時(shí)增長(zhǎng)。

2.3 透水性鋪裝地面壤中流與城市雨水利用

從表4可以看出:透水性鋪裝地面在重現(xiàn)期小于100年一遇降雨條件下，隨著降雨強(qiáng)度的增加，相應(yīng)降雨場(chǎng)次的壤中流排水量有少量的增加，其占降雨量的比例持續(xù)增加;在重現(xiàn)期小于100年一遇降雨條件下，均無(wú)地表徑流產(chǎn)生，其下滲蓄水，只有在重現(xiàn)期為2年1 h降雨條件下無(wú)壤中流排出外，在其他場(chǎng)次均有壤中流排水。雨水入滲進(jìn)入透水性鋪裝后，一部分貯存于滲濾介質(zhì)，一部分轉(zhuǎn)化為壤中流通過(guò)側(cè)滲流出土壤，還有一部分通過(guò)深層入滲匯入地下水層(由于該部分較小，本試驗(yàn)忽略)。透水性鋪裝地面有助于降雨入滲，隨著入滲速率的提高，土壤含水率很快增加，壤中流產(chǎn)生時(shí)間隨之縮短，壤中流徑流速率也伴隨著入滲速率的增加而提高。透水性鋪裝覆蓋與入滲速率的關(guān)系，決定了降雨分配的結(jié)果。在透水性鋪裝結(jié)構(gòu)下部設(shè)置滲漏雨水的收集管道以及裝置，使透水性鋪裝起到滲濾作用［19］，可以在某種程度上緩解昆明市水資源短缺問(wèn)題。

3 結(jié)論

1)壤中流是透水性鋪裝地面產(chǎn)流的重要組成部分。由于上層鋪裝介質(zhì)的透水性好于下層介質(zhì)的透水性，上層鋪裝介質(zhì)可起到滲蓄作用，并沿界面形成壤中流。

2)壤中流匯流過(guò)程控制著徑流的退水過(guò)程，在重現(xiàn)期小于100年1 h降雨條件下，透水性鋪裝地面無(wú)表面徑流產(chǎn)生，壤中流徑流系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而增大。

圖3 不同降雨強(qiáng)度條件下透水性鋪裝地面壤中流產(chǎn)流過(guò)程Fig.3 Runoff process of interflow generated from porous pavement under different simulated rainfall intensities

［1］華立敏，楊紹瓊.昆明市主城區(qū)降水特征及變化趨勢(shì)分析［J］.人民珠江，2010，31(3):6-8

［2］Pratt C J.Use of permeable，reservoir pavement constructions for stormwater treatment and storage for reuse［J］.Water Science and Technology，1999，39(5):145-155

［3］侯立柱，馮紹元，韓志文，等.透水磚鋪裝地面墊層結(jié)構(gòu)對(duì)城市雨水入滲過(guò)程的影響［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，11(4):83-88

［4］Anderson M G，Mcdonnell J J.Encyclopedia of hydrological sciences［M］.Chichester:John Wiley and Sons，2005:1719-1732

［5］張洪江，程金花，史玉虎，等.三峽庫(kù)區(qū)花崗巖林地坡面優(yōu)先流對(duì)降雨的響應(yīng)［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(5):6-9

［6］Uchida T，Tromp-Van M J，Jeffrey J M.The role of lateral pipe flow in hillslope runoff response:An intercomparison of non-linear hillslope response［J］.Journal of Hydrology，2005，311(1/2/3/4):117-133

［7］Graham C B，Woods R A，McDonnell J J.Hillslope threshold response to rainfall:(1)A field based forensic approach［J］.Journal of Hydrology，2010，393(1/2):65-76

［8］Spence C，Guan X J，Phillips R，et al.Storage dynamics and streamflow in a catchment with a variable contributing area［J］.Hydrological Processes，2010，24(16):2209-2221

［9］Hopp L，McDonnell J J.Examining the role of throughfall patterns on subsurface stormflow generation［J］.Journal of Hydrology，2011，409(1/2):460-471

［10］徐勤學(xué)，王天巍，李朝霞，等.紫色土坡地壤中流特征［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2010，21(2):229-234

［11］中國(guó)建筑材料工業(yè)協(xié)會(huì).JC/T 945－2005透水磚［S］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2005:1-9

［12］中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院.GB 50400—2006建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006:24-29

［13］Hou Lizhu，F(xiàn)eng Shaoyuan，Ding Yueyuan，et al.Experimental study on rainfall-runoff relation for porous pavements［J］.Hydrology Research，2008，39(3):181-190

［14］張艷娟，張洪濤，徐向舟，等.一種靜壓成型混凝土透水磚的制備與物理性能試驗(yàn)［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2010，8(5):104-108

［15］徐向舟，劉大慶，張紅武，等.室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(5):52-58

［16］昆明市人民政府.昆政發(fā)［2009］60號(hào) 關(guān)于印發(fā)昆明市城市雨水收集利用規(guī)定的通知［S］.昆明:昆明市人民政府，2009:1-8

［17］芮孝芳.水文學(xué)原理［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2004:131-152

［18］付智勇，李朝霞，蔡崇法，等.不同起始條件下坡面薄層紫色土水分和壤中流響應(yīng)［J］.水利學(xué)報(bào)，2011，42(8):899-907

［19］侯立柱，馮紹元，丁躍元，等.多層滲濾介質(zhì)系統(tǒng)對(duì)城市雨水徑流氮磷污染物的凈化作用［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29(5):960-967