陳朋銘 曹長(zhǎng)春 唐一夫

(桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541006)

城市化中，改變了下墊面原來(lái)的自然形態(tài)，原來(lái)的綠地、林地和水域等透水的下墊面漸漸被瀝青、水泥等不透水的下墊面所取代。隨著城市下墊面硬化率的增加，下墊面蓄滲性能減弱，雨水徑流問(wèn)題也越來(lái)越不容忽視。下墊面硬化導(dǎo)致原有的水生態(tài)系統(tǒng)被破壞，自然滯蓄雨水能力降低，加之城市排水設(shè)施不夠完善，在雨季雨水徑流量增大，隨之而來(lái)的是城市內(nèi)澇現(xiàn)象的產(chǎn)生。針對(duì)上述問(wèn)題，我國(guó)提出建設(shè)海綿城市，海綿城市比喻城市像海綿一樣，其核心是下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用[1]。透水型下墊面作為與雨水直接接觸的表面，是海綿城市建設(shè)中重要的海綿體，在海綿城市建設(shè)中扮演著重要的角色[2]。因此，研究下墊面蓄滲性能對(duì)海綿城市的建設(shè)具有重大意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)城市下墊面的蓄滲性能進(jìn)行研究的文獻(xiàn)資料均比較豐富。郭雪蓮等[3]進(jìn)行了模擬降雨實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變不透水斑塊的重要值、形狀、均勻度、分離度，下墊面的蓄滲率也隨之發(fā)生相應(yīng)變化；華亞等[4]采用人工降雨-下墊面系統(tǒng)，研究了水泥、道路磚、透水磚和草地4種典型下墊面上的降雨產(chǎn)匯流過(guò)程，結(jié)果表明產(chǎn)匯流過(guò)程隨著下墊面透水性能增加而逐漸加長(zhǎng)；王玲[5]對(duì)城市下墊面的各種條件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，研究了不同坡度條件下城市下墊面景觀結(jié)構(gòu)與降雨蓄滲之間的關(guān)系；姚艷娟[6]采用實(shí)驗(yàn)室模擬降雨實(shí)驗(yàn)，研究了不同降雨歷時(shí)條件下城市下墊面景觀結(jié)構(gòu)與降雨蓄滲之間的關(guān)系；黃良軍等[7]通過(guò)對(duì)下墊面進(jìn)行模擬徑流實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)透水下墊面與不透水下墊面比例為4 ∶1時(shí)，蓄滲效果最好；Fassman et al.[8]通過(guò)對(duì)透水路面和不透水路面進(jìn)行降雨監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)透水性路面能夠有效滯后地表徑流開始時(shí)間，削減地表峰值流量；Bean et al.[9]在北卡羅來(lái)納州、馬里蘭州、弗吉尼亞州和特拉華州測(cè)試了40個(gè)可滲透路面站點(diǎn)的表面滲透率，發(fā)現(xiàn)透水路面的位置和維護(hù)對(duì)于保持高表面滲透率至關(guān)重要。

然而，國(guó)內(nèi)外鮮有研究采用不同砂土配比去表征不同類型的地表土層在不同暴雨條件下的蓄滲性能參數(shù)，進(jìn)而對(duì)不同類型下墊面的滲蓄性能進(jìn)行量化評(píng)估。為此，在本次下墊面蓄滲性能研究中，通過(guò)構(gòu)建4個(gè)模型模擬城市不同的下墊面來(lái)進(jìn)行模擬降雨實(shí)驗(yàn)，測(cè)量下墊面的雨水徑流量，進(jìn)而得出不同條件下的下墊面雨水蓄滲率，為桂林市新城區(qū)臨桂新區(qū)海綿城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)運(yùn)營(yíng)等提供了技術(shù)支撐[10]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 模擬裝置構(gòu)建

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M下墊面的裝置采用500mm×500mm徑流面，裝置材料采用8mm厚的定制亞克力板，裝置坡度可調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)范圍為0°～15°)；裝置主要由供水水箱、真空泵、流量計(jì)、噴頭4部分組成，在噴頭周圍設(shè)計(jì)擋風(fēng)板來(lái)減小風(fēng)力對(duì)模擬降雨的影響。由供水水箱提供一次實(shí)驗(yàn)所需全部用水，經(jīng)由真空泵、流量計(jì)調(diào)節(jié)流量到噴頭，通過(guò)調(diào)整噴頭高度，實(shí)現(xiàn)均勻模擬降雨。裝置底部對(duì)稱地設(shè)有25(5×5)個(gè)排水口，單個(gè)排水口內(nèi)徑為1cm。裝置側(cè)邊設(shè)有溢流口，長(zhǎng)50cm，寬10cm，溢流口兩側(cè)設(shè)有擋板，用于收集徑流雨水。模擬降雨裝置見(jiàn)圖1。

圖1 模擬降雨裝置示意圖

1.2 下墊面構(gòu)建

城市下墊面包括城市范圍內(nèi)的水域、草地、林地、農(nóng)田和硬地面，不同城市下墊面的滲透性能也不同。根據(jù)考斯加可夫滲透等級(jí)[11]劃分，分為弱滲透、中滲透、強(qiáng)滲透、極強(qiáng)滲透4個(gè)等級(jí)。按土壤中砂粒百分比為0、10%、20%、30%分別模擬不同的下墊面，分別對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)瀝青、水泥路面、傳統(tǒng)建筑屋頂、不透水鋪裝等透水性極差下墊面；透水鋪裝等透水一般的下墊面；林木、草地等透水強(qiáng)的下墊面；灌木等透水極強(qiáng)的下墊面[12]。本次模擬實(shí)驗(yàn)主要采用不同比例的石英砂和黏土，類比實(shí)際城市不同滲透性能的下墊面，模型的參數(shù)見(jiàn)表1。模擬下墊層分為兩層，上層為30cm的模型填充層，下層為20cm的黏土層，砂粒粒徑約為2.5～3mm，黏土粒徑不大于0.6mm。如此構(gòu)建既可以模擬城市不同類型的下墊面，又方便在實(shí)驗(yàn)室條件下研究不同條件下下墊面蓄滲性能影響研究。

表1 下墊面模擬參數(shù)

1.3 降雨資料選取

根據(jù)桂林國(guó)家氣象站1957—2014年的自記雨量記錄，暴雨強(qiáng)度公式采用年最大值選樣法、指數(shù)分布曲線擬合，選擇芝加哥雨型，降雨歷時(shí)采用60min，降雨重現(xiàn)期采用2年、10年、30年、100年，其對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度為0.88mm/min、1.18mm/min、1.39mm/min、1.61mm/min[13]。該暴雨強(qiáng)度公式適用范圍為降雨歷時(shí)不大于120 min，重現(xiàn)期不超過(guò)100年[14]。具體暴雨強(qiáng)度公式為

(1)

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度,L/(s·hm2)；t為降雨歷時(shí),min；P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期,年。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

將實(shí)驗(yàn)所用土壤和石英砂進(jìn)行風(fēng)干處理，使用土壤篩和砂篩篩選粒徑不大于0.6mm的黏土及粒徑約為2.5～3mm的石英砂，將處理好的供試土壤及石英砂按表1所示進(jìn)行均勻混合，混合過(guò)程中應(yīng)避免雜質(zhì)進(jìn)入其中，均勻混合后制作出4個(gè)模型。模型制作完成后，使用超純水淋濕浸透，確保下墊面各部分浸水，待下墊面形成穩(wěn)定下滲后，使用模擬降雨裝置進(jìn)行降雨模擬。影響下墊面蓄滲性能的因素很多，如降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、下墊面坡度、土壤前期含水量及下墊面類型等[15-16]，考慮到降雨強(qiáng)度、下墊面坡度和下墊面類型是影響產(chǎn)匯流的3個(gè)主要因素，實(shí)驗(yàn)主要研究上述3個(gè)因素對(duì)下墊面蓄滲性能的影響。本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，控制其中兩個(gè)變量保持不變，通過(guò)改變另外一個(gè)變量，研究下墊面蓄滲性能的影響因素。通過(guò)進(jìn)行降雨模擬，在下墊面上形成雨水徑流，收集徑流雨水，待下墊面上無(wú)明顯徑流時(shí)，測(cè)量地表的雨水徑流量。每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，可測(cè)量出36組數(shù)據(jù)。每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，需先用超純水將實(shí)驗(yàn)下墊面淋濕浸透，保證同組實(shí)驗(yàn)下墊面初始條件相同。

各模型滲透系數(shù)的測(cè)定采用室內(nèi)環(huán)刀法，飽和水分土壤中，在單位水壓梯度下，滲透性可按照達(dá)西定律進(jìn)行計(jì)算，求得通過(guò)垂直于水流方向的單位土壤面積的水流速度，稱為土壤的飽和導(dǎo)水率或者滲透系數(shù)。取兩環(huán)刀的接觸面為參照平面，向下為正，O-O水平面的壓力勢(shì)為H，環(huán)刀下口面C-C暴露在大氣中，所以C-C水平面的壓力勢(shì)為0，環(huán)刀內(nèi)土壤垂直剖面土壤水壓力勢(shì)分布見(jiàn)圖2[17-18]。

圖2 環(huán)刀法測(cè)定滲透系數(shù)示意圖[16]

具體計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

式中：i為表土處的入滲強(qiáng)度，m/s；q為土壤水流通量，m/s；φTC為C-C水平面的總水勢(shì)，m；φTO為O-O水平面的總水勢(shì)，m；ZC為C-C水平面的垂直坐標(biāo)，m；ZO為O-O水平面的垂直坐標(biāo)，m。

2 結(jié)果與討論

2.1 含砂量與下墊面蓄滲性能的關(guān)系

在進(jìn)行含砂量對(duì)下墊面蓄滲能力影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制其他影響因素不變，保證下墊面完全淋濕浸透，并能夠形成穩(wěn)定下滲，下墊面坡度為0°，采用降雨強(qiáng)度0.88mm/min來(lái)進(jìn)行降雨徑流分析，降雨歷時(shí)為60min，待下墊面無(wú)明顯徑流時(shí)，測(cè)量溢流口雨水徑流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蓄滲性能呈現(xiàn)模型4>模型3>模型2>模型1，單個(gè)模型的蓄滲率與含砂量呈正相關(guān)，具體數(shù)值見(jiàn)表2，效果見(jiàn)圖3。從滲透系數(shù)上來(lái)看，滲透系數(shù)越大，其對(duì)應(yīng)的徑流流量越小，模擬下墊面對(duì)雨水的蓄滲能力越強(qiáng)，即滲透系數(shù)與下墊面蓄水量呈正相關(guān)。

表2 不同模型蓄滲性能

圖3 模型蓄滲實(shí)驗(yàn)效果

2.2 降雨強(qiáng)度與下墊面蓄滲性能的關(guān)系

在進(jìn)行降雨強(qiáng)度對(duì)下墊面蓄滲能力影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制其他影響因素不變，保證下墊面完全淋濕浸透，并能夠形成穩(wěn)定下滲，采用模型1作為實(shí)驗(yàn)下墊面，下墊面坡度為5°，選取4個(gè)降雨強(qiáng)度(0.88mm/min、1.18mm/min、1.39mm/min、1.61mm/min)分別進(jìn)行降雨徑流分析，降雨歷時(shí)為60min，待下墊面無(wú)明顯徑流時(shí)，測(cè)量溢流口雨水徑流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，效果見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同降雨強(qiáng)度條件下，產(chǎn)流呈現(xiàn)出不同的特性，總體上隨著降雨強(qiáng)度的增加，溢流口的雨水徑流流量隨之增大，模型蓄滲能力隨之減小。當(dāng)下墊面形成穩(wěn)定入滲，即達(dá)到最大入滲能力時(shí)，隨著降雨強(qiáng)度的增加，產(chǎn)流所需的時(shí)間隨之減少，產(chǎn)流流量隨之增大。

表3 不同降雨強(qiáng)度下模型蓄滲性能

圖4 不同降雨強(qiáng)度下模型蓄滲實(shí)驗(yàn)效果

2.3 下墊面坡度與下墊面蓄滲性能的關(guān)系

保持下墊面完全淋濕浸透，且能夠形成穩(wěn)定下滲，采用模型1作為實(shí)驗(yàn)下墊面，選取降雨強(qiáng)度為1.18mm/min，降雨歷時(shí)為60min，分別在坡度為0°、5°、10°、15°的下墊面條件下進(jìn)行模擬降雨實(shí)驗(yàn)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)分析不同坡度條件下的下墊面表面的雨水徑流特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，效果見(jiàn)圖5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著下墊面坡度的增大，下墊面表面的雨水徑流流量也隨之增大，下墊面的蓄滲能力隨之減小。下墊面坡度對(duì)徑流的影響主要通過(guò)改變坡面水流流速、水體的受力情況、承雨面面積和承雨量，影響下墊面的產(chǎn)流匯流。當(dāng)下墊面坡度增大時(shí)，沿坡面水平方向的分力逐漸增大，沿坡面垂直方向的分力逐漸減小，進(jìn)而導(dǎo)致坡面水流的流速增大，此時(shí)坡面上的雨水入滲能力隨之減弱，水流流速增大，導(dǎo)致雨水徑流流量增大。同時(shí)，坡度越大，下墊面單位面積上的承雨量越小，土壤入滲水量減少，導(dǎo)致雨水徑流流量增大[19-20]。

表4 不同坡度下模型蓄滲性能

圖5 不同坡度下模型蓄滲實(shí)驗(yàn)效果

3 誤差分析

在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬城市下墊面存在一些不足：?由于是在人工操作下混合石英砂與土壤，只能盡量使砂土充分混合均勻，模型的砂土混合均勻程度可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定影響；?因?yàn)槭窃趯?shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的模擬實(shí)驗(yàn)，存在一定局限性，即所制作的模型偏小，所造成的誤差相對(duì)于室外實(shí)驗(yàn)偏大；?實(shí)驗(yàn)所用由砂土制作而成的下墊面無(wú)法完全與實(shí)際城市下墊面一致，相比較而言，室外模擬實(shí)驗(yàn)更有說(shuō)服力。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以桂林市新城區(qū)臨桂新區(qū)為目標(biāo)試驗(yàn)地，采用人工降雨-模擬下墊面系統(tǒng)，對(duì)不同條件下的下墊面蓄滲性能進(jìn)行了量化評(píng)估，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)桂林市新城區(qū)臨桂新區(qū)海綿城市建設(shè)及城市下墊面規(guī)劃提出以下建議：

a.下墊面蓄滲能力受下墊面種類、降雨強(qiáng)度及下墊面坡度影響較大，隨著下墊面滲透性能的增大而增大，隨著降雨強(qiáng)度的增大而減小，隨著下墊面坡度的增大而減小。

b.下墊面中的砂粒百分比越高，對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)越大，滲透能力越強(qiáng)。下墊面滲透系數(shù)增大時(shí)，其對(duì)下墊面徑流雨水的蓄滲性能增強(qiáng)。

c.在桂林市新城區(qū)臨桂新區(qū)海綿城市建設(shè)中，適當(dāng)增加下墊面的滲透性能，如采用滲透性能強(qiáng)的透水鋪裝，在一定程度上可以有效緩解城市內(nèi)澇現(xiàn)象的發(fā)生。

d.不透水的下墊面影響著整個(gè)城市下墊面的蓄滲性能，在海綿城市建設(shè)中，應(yīng)適當(dāng)提升透水性下墊面的比例，對(duì)城市下墊面進(jìn)行合理規(guī)劃，充分發(fā)揮城市下墊面的蓄滲作用。