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        透水性鋪裝地面的壤中流特征

        2014-05-12 03:16:16侯立柱劉江濤呂建華
        中國(guó)水土保持科學(xué) 2014年2期
        關(guān)鍵詞:透水性產(chǎn)流徑流

        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

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