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        透水路面降低城市徑流洪澇風(fēng)險(xiǎn)的模擬研究

        2024-12-10 00:00:00趙玉興劉朔灃

        摘 要:為研究透水路面對(duì)城市地表徑流系數(shù)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(duì)青島市某雙向六車道公路進(jìn)行模擬研究,分析排水型和半透水型路面結(jié)構(gòu)在不同降雨條件下對(duì)城市地表徑流和雨水的影響。研究結(jié)果表明,雖然排水面能夠減輕一部分地表徑流,但是其對(duì)抑制洪峰及其延遲效果卻無(wú)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(shí)間。全透型路面基本不會(huì)形成地表徑流,對(duì)徑流系數(shù)和洪峰流量的削減有更好的效果。綜上所述,透水路面對(duì)洪峰流量和徑流系數(shù)的降低效果很好,對(duì)城市排水有很大的幫助,并且可以降低暴雨洪水帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

        關(guān)鍵詞:道路工程;SWMM;透水路面;洪峰流量;徑流系數(shù)

        中圖分類號(hào):" U 416 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        傳統(tǒng)混凝土路面的不透水特性會(huì)導(dǎo)致城市在雨季出現(xiàn)“雨季看海”的現(xiàn)象,除此之外,道路積水會(huì)增加城市排水系統(tǒng)的負(fù)荷,積水區(qū)域也可能出現(xiàn)污染物聚集的現(xiàn)象,對(duì)環(huán)境造成污染[1]。因此有必要加強(qiáng)對(duì)此類問(wèn)題的關(guān)注,一些國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列技術(shù)用于控制城市暴雨徑流,并相應(yīng)地出臺(tái)了相關(guān)的暴雨管理指南等。中國(guó)也在總結(jié)國(guó)外城市雨水治理理念的基礎(chǔ)上,提出了城鎮(zhèn)化發(fā)展的“海綿城市”戰(zhàn)略[2]。

        透水鋪裝屬于低影響開(kāi)發(fā)(LID)措施,已經(jīng)有國(guó)外學(xué)者對(duì)各種類型的LID如何影響地表徑流進(jìn)行研究。通過(guò)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(guān)于這些不同的路面構(gòu)造如何影響城市的地表徑流的研究卻鮮有報(bào)道。本文使用SWMM模型,以青島市某實(shí)際道路為研究對(duì)象,評(píng)估各種類型路面結(jié)構(gòu)在降雨情況不同時(shí)對(duì)地表徑流的降低效果和城市雨水的調(diào)控能力。以期為“海綿城市”建設(shè)提供理論支持。

        1 模型建立

        1.1 研究區(qū)域

        本文研究區(qū)域?yàn)榍鄭u市內(nèi)1條雙向六車道道路,道路長(zhǎng)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(gè)研究區(qū)域的43.3%;非機(jī)動(dòng)車道面積為5000m2,占18.5%;

        由于每個(gè)區(qū)域具有不同的地表特征,將整個(gè)區(qū)域劃分為9個(gè)子集水區(qū),創(chuàng)建了9個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)排水口。

        1.2 模型介紹及參數(shù)設(shè)定

        暴雨水文模型(Storm Water Management Model,SWWM)最初由美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(EPA)開(kāi)發(fā),用于模擬城市雨水徑流和污水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和規(guī)劃的計(jì)算機(jī)軟件??梢阅M城市雨水徑流的產(chǎn)生、收集、輸送和處理過(guò)程,包括雨水徑流的產(chǎn)生、雨水下滲、地表徑流、下水道系統(tǒng)的流動(dòng)和污水處理等。通過(guò)SWMM模擬,可以評(píng)估城市雨水系統(tǒng)在不同降雨條件下的運(yùn)行情況、排水能力等方面的影響。

        在SWMM中,一個(gè)集水區(qū)通常被劃分為幾個(gè)子集水區(qū),每個(gè)子集水區(qū)都是一個(gè)獨(dú)立的水力單元,并且假設(shè)只有一個(gè)排水口來(lái)收集每個(gè)子集水區(qū)的地表徑流。根據(jù)每個(gè)子集水區(qū)的特點(diǎn),分別計(jì)算徑流過(guò)程。最后,利用流量演算的方法對(duì)整個(gè)流量進(jìn)行疊加。

        通過(guò)實(shí)地調(diào)研,確定研究區(qū)域不透水區(qū)域和透水區(qū)域所占百分比、集水區(qū)域面積、平均地表坡度等參數(shù),然后輸入模型。結(jié)果顯示,不透水路面面積占比為85%,為機(jī)動(dòng)和非機(jī)動(dòng)車道。平均地表坡度為2%。模型中的其他參數(shù)根據(jù)SWMM用戶手冊(cè)和文獻(xiàn)綜述的推薦值輸入。

        1.3 降雨設(shè)計(jì)

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

        式中:i為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度,即在連續(xù)降雨期間的平均降雨量或單位時(shí)間的平均降雨深度;q為單位時(shí)間每公頃降雨量;t為降雨持續(xù)時(shí)間;P為設(shè)計(jì)頻次。

        降雨模擬中暴雨持續(xù)時(shí)間為180min,時(shí)間步長(zhǎng)為1min,設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)周期為5a、10a、20a和30a。降雨峰值系數(shù)r=0.4。

        通過(guò)前期模擬在不同降雨重現(xiàn)周期下,最大降雨強(qiáng)度出現(xiàn)在72min。5a、10a、20a和30a降雨重現(xiàn)期的雨峰強(qiáng)度分別為2.88mm/min、3.34mm/min、3.72mm/min和4.17mm/min。對(duì)應(yīng)的累計(jì)降雨量分別為81.15mm、94.05mm、107.10mm、114.66mm。

        2 透水路面結(jié)構(gòu)

        參考規(guī)范《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)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(jīng)過(guò)地表的雨水,會(huì)先沿著不透水基層的頂面移動(dòng)至道路的排水設(shè)施,然后通過(guò)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(kāi)級(jí)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(guò)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(jié)構(gòu),能夠讓水迅速通過(guò)路面進(jìn)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(gòu)成,下層結(jié)構(gòu)(包括基層和墊層)也采用高透水性材料,例如級(jí)配碎石或砂礫。依靠重力,雨水通過(guò)面層和下層的孔隙向下移動(dòng)。

        目前研究表明,為了確保路面設(shè)計(jì)的實(shí)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(lái)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(duì)半透和全透水路面的儲(chǔ)水層,通常用厚度不小于15cm的級(jí)配礫石或砂石來(lái)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(jié)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(xiàn)期30a時(shí)的路面徑流量變化如圖1所示。

        由模擬結(jié)果可知,當(dāng)?shù)乇砼潘婧穸葹?cm,降雨重現(xiàn)周期為30a時(shí),地表徑流出現(xiàn)在0.48。當(dāng)厚度變?yōu)?0cm時(shí),時(shí)間點(diǎn)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?yàn)橛晁诮涤瓿跗诼湓诘孛嫔?,并滲透進(jìn)路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(jié)構(gòu)中積累的雨水隨著持續(xù)降雨而增加,當(dāng)雨水達(dá)到最大值時(shí),形成地表徑流。

        無(wú)論是路面厚度為4cm還是10cm,洪峰都出現(xiàn)在01:04。由于洪峰流量與洪峰時(shí)間一致,表明排水面并不能有效地降低洪峰的數(shù)量,也就是說(shuō),它對(duì)洪峰的減小和滯后性沒(méi)有任何影響。

        3.1.2 徑流系數(shù)

        4種不同降雨重現(xiàn)期條件下車道徑流系數(shù)見(jiàn)表1。

        模擬結(jié)果顯示,在4個(gè)不同降雨重現(xiàn)期條件下,當(dāng)厚度為4cm和10cm時(shí),排水面的徑流系數(shù)為0.723~0.878,不透水路面的徑流系數(shù)為0.963~0.966。

        排水型路面的徑流量和系數(shù)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(shù)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(jī)動(dòng)車道中,分別選擇厚度為15cm、20cm、25cm和30cm的級(jí)配礫石作為儲(chǔ)水層,降雨重現(xiàn)周期設(shè)定為30a,模擬結(jié)果見(jiàn)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(fā)生。在降雨重現(xiàn)期不同的情況下,總徑流量和洪峰均減小,洪峰時(shí)間延遲。

        隨著儲(chǔ)水層厚度增加,洪峰降低率增大。當(dāng)儲(chǔ)水層厚度為15cm時(shí),降低率約為50%,當(dāng)儲(chǔ)水層厚度增至30cm時(shí),降低率增至95%。這是因?yàn)榧?jí)配礫石可以儲(chǔ)存雨水,減少?gòu)搅鳎@些能力取決于空隙比、厚度等特性。

        3.2.2 徑流系數(shù)

        4種不同降雨重現(xiàn)期條件下的徑流系數(shù)如圖2所示。

        從模擬結(jié)果可以看出,當(dāng)儲(chǔ)水層厚為30cm、降雨重現(xiàn)周期為5a時(shí),徑流系數(shù)接近于0。當(dāng)庫(kù)厚為15cm時(shí),徑流系數(shù)在不同降雨重現(xiàn)期條件下半透水路面的系數(shù)為0.202~0.437。

        徑流系數(shù)受儲(chǔ)水層厚和降雨重現(xiàn)期的影響較大。當(dāng)儲(chǔ)水層厚從15cm增至30cm時(shí),降雨入滲增加,儲(chǔ)水層厚越大,透水路面減少地表徑流的效果越好;針對(duì)半透水路面,建議采用大厚度的級(jí)配礫石。

        3.3 全透型路面

        3.3.1 路基土滲透系數(shù)的影響

        各地土質(zhì)不同,導(dǎo)致路基土的滲透系數(shù)也有較大的差異,但路基土的滲透能力對(duì)整個(gè)透水路面的透水效果起決定性作用。因此,通過(guò)研究路基土的滲透性能對(duì)路面透水效果的影響來(lái)確定最合適的土壤類型。

        計(jì)算不同滲透性路基土的排水時(shí)間涉及許多因素,包括土壤類型、孔隙率、滲透系數(shù)、初始水分含量以及降雨量等。本文采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法,利用達(dá)西定律來(lái)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

        從表3可以看出,隨著路基土滲透系數(shù)減小,路基土排出0.1m3水所需的時(shí)間逐漸增長(zhǎng),當(dāng)路基土滲透系數(shù)為10-5時(shí),即低滲透性,排水時(shí)間大約需要2d以上時(shí)間。而當(dāng)滲透系數(shù)小于10-7時(shí),排出同樣體積的水則需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)月,即為不透水的。通過(guò)結(jié)果來(lái)看,設(shè)計(jì)道路時(shí)需要考慮不同路基土的滲透性,以此來(lái)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(chǎng)合。但是,粉土和黏土不應(yīng)直接用作透水路面的路基土。必要時(shí),應(yīng)在一定深度內(nèi)對(duì)土壤進(jìn)行改良。

        3.3.2 徑流系數(shù)

        4種不同降雨重現(xiàn)期條件下全透水型路面的徑流系數(shù)如圖3所示。

        從圖3可以看出,在全透水型路面中,因?yàn)橛晁畷?huì)通過(guò)面層和下部結(jié)構(gòu)(基層、墊層)滲入路基中,所以在地表基本不會(huì)形成徑流,徑流系數(shù)均約為0。此外,從圖3中還可以發(fā)現(xiàn),隨著儲(chǔ)水層即級(jí)配碎石層的厚度增加,徑流系數(shù)無(wú)變化,說(shuō)明儲(chǔ)水層厚度對(duì)徑流系數(shù)影響很小。

        現(xiàn)有海綿城市的徑流系數(shù)設(shè)計(jì)取值中,尚未有排水、半透水和全透水型路面的徑流系數(shù)推薦范圍。本文對(duì)不同降雨重現(xiàn)期下的地表徑流進(jìn)行模擬并得出初步結(jié)果,根據(jù)模擬結(jié)果推薦排水型路面的徑流系數(shù)取值為0.70~0.85;半透水型路面的徑流系數(shù)取值應(yīng)小于或等于0.45;全透水型路面的徑流系數(shù)取值為0。通過(guò)給出的相應(yīng)的徑流系數(shù)推薦取值范圍,以期為海綿城市設(shè)計(jì)建設(shè)提供一定的技術(shù)支持。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文采用SWMM模型,以青島市區(qū)某雙向六車道道路為研究區(qū)域,研究不同降雨情況下,各種路面結(jié)構(gòu)對(duì)減少地表徑流和城市雨水的影響。得出的結(jié)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(duì)洪峰的降低或滯后性沒(méi)有影響。2)半透水路面可使地表徑流量減少50%以上,對(duì)洪峰的降低和洪峰的減小和滯后性均有影響。隨著透水級(jí)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(duì)洪峰的降低和洪峰的減小和滯后性均有影響。隨著透水級(jí)配礫石厚度增加,洪峰消減率增大。

        參考文獻(xiàn)

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