塑料網(wǎng)格砂基透水磚鋪裝系統(tǒng)的徑流控制試驗(yàn)研究

王俊嶺，秦全城，張玉玉，張雅君，李俊奇

塑料網(wǎng)格砂基透水磚鋪裝系統(tǒng)的徑流控制試驗(yàn)研究

王俊嶺1，秦全城1，張玉玉2，張雅君1，李俊奇1

（1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044；2.北京建工建筑設(shè)計(jì)研究院，北京100044）

塑料網(wǎng)格砂基透水磚鋪裝是一種結(jié)合網(wǎng)格和透水磚特點(diǎn)的創(chuàng)新型透水鋪裝，對(duì)其徑流控制方面的效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路比普通道路產(chǎn)流時(shí)間延長(zhǎng)10～45 min。各重現(xiàn)期下塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路和普通道路的產(chǎn)流時(shí)間分別介于13～53 min和3～8 min。1年重現(xiàn)期下，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路比普通道路的產(chǎn)流時(shí)間延長(zhǎng)約45 min，其對(duì)洪峰流量的削減率是32.9%，峰現(xiàn)時(shí)間比普道路延遲約20 min。當(dāng)重現(xiàn)期從1年增到100年時(shí)，洪峰流量削減率有所降低，同時(shí)峰現(xiàn)延遲時(shí)間從20 min縮短到14 min。

塑料網(wǎng)格砂基透水磚；重現(xiàn)期；徑流控制；洪峰流量削減率；峰現(xiàn)延遲時(shí)間

透水鋪裝作為低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)之一［1］，在城市雨洪管理控制方面具有重要作用，與傳統(tǒng)道路相比，其在減小徑流方面具有顯著的效果［2］，可將降雨滲透量由硬化場(chǎng)地的10%～15%增加到75%以上。不僅可以大為降低地面徑流量，削減洪峰，延長(zhǎng)峰現(xiàn)時(shí)間，也避免了大量雨水污染河流、侵蝕河道［3］。透水網(wǎng)格鋪裝主要包括混凝土透水網(wǎng)格和塑料透水網(wǎng)格2種形式［4］。塑料網(wǎng)格砂基透水磚鋪裝技術(shù)作為傳統(tǒng)透水磚鋪裝的創(chuàng)新，它屬于透水網(wǎng)格鋪裝技術(shù)的范疇［5］，與透水磚等鋪裝方式相比，具有較大的孔隙率和滲透系數(shù)［6］。同時(shí)由于其充足的存儲(chǔ)空間，其表面徑流量遠(yuǎn)小于雨水入滲量［7］，在進(jìn)行徑流量控制、洪峰控制、匯流時(shí)間控制方面均具有顯著作用［8］。塑料網(wǎng)格砂基透水磚不僅具有透水網(wǎng)格和透水磚的優(yōu)點(diǎn)，而且在保證一定滲透效率下實(shí)現(xiàn)了模塊化施工，加快了施工速度［9］。塑料網(wǎng)格砂基透水磚鋪裝作為一種新的透水鋪裝技術(shù)，在延時(shí)產(chǎn)流、削減洪峰流量和延遲峰現(xiàn)等方面具有作用［10］，但尚無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。因此通過(guò)對(duì)塑料網(wǎng)格砂基透水磚鋪裝進(jìn)行徑流控制試驗(yàn)研究，為其應(yīng)用于海綿城市建設(shè)中提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。

1　試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)裝置

1.1.1人工模擬降雨裝置

試驗(yàn)采用人工模擬降雨裝置（如圖1所示），其有效規(guī)格為12 m×18 m。人工模擬降雨裝置降雨高度為15 m，降雨連續(xù)變化范圍為25～250 mm/h，降雨均勻度系數(shù)大于0.9；雨滴大小范圍為1.5～5.0 mm，降雨調(diào)節(jié)精度7 mm/h。試驗(yàn)中，可根據(jù)不同的要求，自行設(shè)計(jì)相應(yīng)的降雨過(guò)程。

1.1.2塑料網(wǎng)格砂基透水磚鋪裝試驗(yàn)裝置

塑料網(wǎng)格砂基透水磚鋪裝實(shí)驗(yàn)裝置由0.78 m×0.7 m× 0.65 m的鋼試驗(yàn)槽組成，采用實(shí)際道路鋪裝方式制作。實(shí)驗(yàn)裝置中采用塑料網(wǎng)格砂基透水磚八網(wǎng)格形式。裝置一側(cè)設(shè)置水位計(jì)，排水口設(shè)置閥門，閥門后安裝軟管。同時(shí)，制作了普通道路裝置，以便進(jìn)行效果比較，如圖2、圖3所示。

圖1　人工模擬降雨裝置

圖2　塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路和普通道路鋪裝裝置

圖3　塑料網(wǎng)格砂基透水磚鋪裝系統(tǒng)尺寸結(jié)構(gòu)

1.2試驗(yàn)方法

本研究選用深圳地區(qū)不同重現(xiàn)期（1、2、3、5、10、20、50、100年）降雨強(qiáng)度開(kāi)展試驗(yàn)。具體見(jiàn)表1。

表1　深圳市不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度

在不同降雨條件下進(jìn)行徑流水量控制試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟如下：

（1）調(diào)整人工模擬降雨裝置，檢查降雨裝置用水水池水量，并按照深圳市不同重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度進(jìn)行降雨。

（2）從啟動(dòng)人工模擬降雨起，開(kāi)始計(jì)時(shí)，確定產(chǎn)流時(shí)刻。

（3）當(dāng)透水鋪裝路面開(kāi)始產(chǎn)生徑流時(shí)，用800 ml取樣瓶開(kāi)始取樣，當(dāng)取樣瓶裝滿時(shí)，記錄取樣800 ml所需時(shí)間。

（4）每次降雨歷時(shí)2 h左右。

（5）每隔30 min取樣1次，記錄取樣800 ml所需時(shí)間。

（6）對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2　徑流控制試驗(yàn)

2.1產(chǎn)流時(shí)間

利用人工模擬降雨裝置和塑料網(wǎng)格砂基透水磚鋪裝裝置，研究在不同降雨條件下塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路的產(chǎn)流時(shí)間，并將其與普通道路進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路和普通道路產(chǎn)流時(shí)刻曲線

由圖4可知，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路產(chǎn)流時(shí)刻隨著重現(xiàn)期的增大而減小，即重現(xiàn)期越大，越容易快速形成徑流。塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路1年重現(xiàn)期產(chǎn)流時(shí)刻為53 min，100年重現(xiàn)期的為13 min。同時(shí)隨著重現(xiàn)期的增大，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路和普通道路的產(chǎn)流時(shí)差越來(lái)越小，由45 min變成10 min。上述結(jié)果主要原因?yàn)椋海?）塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路孔隙率較大，雨水降落后很快入滲地下，難以形成徑流；而普通道路孔隙率基本為0，雨水降落后迅速形成徑流；（2）采用砂基透水磚，滲透速率是普通透水磚的20倍以上，達(dá)到780 m3/hm2；當(dāng)降雨強(qiáng)度很大時(shí)仍能將雨水入滲地下，有效地延緩了路面徑流形成。

2.2對(duì)削減洪峰流量的影響

2.2.1產(chǎn)流量

試驗(yàn)研究塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路和普通道路的產(chǎn)流效果。選取1年重現(xiàn)期進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5　1年重現(xiàn)期時(shí)塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路和普通道路的產(chǎn)流量曲線

由圖5可知，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路和普通道路的產(chǎn)流趨勢(shì)基本相同，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路最大產(chǎn)流量達(dá)到0.85 L/min，而普通道路產(chǎn)流量最大為1.24 L/min。塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路最大產(chǎn)流量出現(xiàn)時(shí)間晚于普通道路，即塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路比普通道路延緩了洪峰流量到來(lái)的時(shí)間。2、3、5、10、20、30、50、100年重現(xiàn)期的產(chǎn)流規(guī)律與1年重現(xiàn)期規(guī)律基本相似，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路和普通道路相比，可以減小路面產(chǎn)流量，緩解路面積水。

2.2.2洪峰流量削減率

在不同重現(xiàn)期條件下，對(duì)塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路進(jìn)行了洪峰流量削減率分析，設(shè)定普通道路洪峰流量削減率為0，結(jié)果如圖6所示。

圖6　塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路洪峰流量削減率

由圖6可知，不同重現(xiàn)期下，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路相比普通道路，洪峰流量削減率為23.6%～32.9%。隨著重現(xiàn)期的增加，洪峰流量削減率緩慢降低。分析原因可知，雖然砂基透水磚具有較強(qiáng)的雨水入滲能力，但重現(xiàn)期較大時(shí)，一方面透水磚表面會(huì)很快出現(xiàn)水膜現(xiàn)象，阻礙雨水入滲，另一方面鋪裝系統(tǒng)總導(dǎo)水系數(shù)逐漸減小，導(dǎo)致高重現(xiàn)期下洪峰流量會(huì)增大，與普通道路相比削減率降低［11］。Wolfram Schluter和Chris Jefferies［12］在對(duì)透水鋪裝中多孔隙填料對(duì)雨水入滲及洪峰削減效果的研究中發(fā)現(xiàn)，多孔隙填料對(duì)入滲地下的雨水量的影響不大，但其對(duì)地表徑流洪峰流量削減過(guò)程影響較大。所以，塑料網(wǎng)格砂基透水磚鋪裝對(duì)洪峰流量的削減和內(nèi)部的孔隙狀況有關(guān)。

2.2.3峰現(xiàn)延遲

塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路和普通道路峰現(xiàn)時(shí)刻隨重現(xiàn)期變化曲線如圖7所示。

圖7　塑料網(wǎng)格砂基透水磚和普通道路峰現(xiàn)時(shí)刻曲線

由圖7可知，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路峰現(xiàn)時(shí)間比普通道路最長(zhǎng)延遲26 min，最短延遲9 min左右，隨著重現(xiàn)期的增加，峰現(xiàn)延遲時(shí)間逐漸減少。另外，在不同重現(xiàn)期時(shí)，普通道路和塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路峰現(xiàn)時(shí)刻分別是10～70 min、24～90 min。分析認(rèn)為，塑料網(wǎng)格砂基透水磚因孔隙率較大，容水能力強(qiáng)，比普通道路延遲飽和，表面徑流量峰值也會(huì)出現(xiàn)得較晚。隨著重現(xiàn)期的增大，降雨強(qiáng)度也隨之增大，此時(shí)塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路飽和時(shí)間縮短，表面徑流量峰值出現(xiàn)時(shí)間提前［13］，在圖7中表現(xiàn)為2種鋪裝峰現(xiàn)時(shí)間差縮小的趨勢(shì)。

3　結(jié)語(yǔ)

（1）在不同重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度條件下，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路產(chǎn)流時(shí)間均晚于普通道路的產(chǎn)流時(shí)間，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路的產(chǎn)流時(shí)間在13～53 min，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路比普通道路的產(chǎn)流時(shí)間延遲10～45 min。

（2）塑料網(wǎng)格砂基透水磚和普通道路的產(chǎn)流量曲線趨勢(shì)基本相同，塑料網(wǎng)格砂基透水磚最大徑流量出現(xiàn)時(shí)間晚于普通道路。不同重現(xiàn)期下，塑料網(wǎng)格砂基透水磚道路的洪峰流量削減率為23.6%～32.9%。隨著重現(xiàn)期的增加，洪峰流量削減率有所降低。

（3）塑料網(wǎng)格砂基透水磚和普通道路相比，峰現(xiàn)延遲時(shí)間為9～26 min，隨著重現(xiàn)期的增加，峰現(xiàn)延遲時(shí)間逐漸減少。

（4）塑料網(wǎng)格砂基透水磚是在傳統(tǒng)透水磚鋪裝基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，采用模塊化施工，施工周期縮短。同時(shí)，在延遲地表徑流產(chǎn)流時(shí)間、削減徑流洪峰流量和延遲峰現(xiàn)時(shí)刻等方面有很好的作用，可以應(yīng)用于海綿城市建設(shè)中。

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Experiment on the permeable sand-based brick with plastic grid pavement for the runoff control

WANG Junling1，QIN Quancheng1，ZHANG Yuyu2，ZHANG Yajun1，LI Junqi1
（1.Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment，Ministry of Education，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China；2.Beijing Jiangong Architectural Design&Research Institute Co.Ltd.，Beijing 100044，China）

The permeable sand-based brick with plastic grid pavement system is one of the innovative permeable pavements，which combines the advantage of grid pavement with the benefit of permeable brick pavement.In this study，the efficiency for run off control by the permeable sand-based brick with plastic grid pavement was tested.And the result showed that the runoff-producing time of the permeable sand-based brick with plastic grid pavement can lengthen 10～45 minutes compared with traditional pavement at the same time.The run off-producing time of the permeable sand-based brick with plastic grid pavement and traditional pervious pavement were at 13～53 minutes and 3～8 minutes respectively under the different rainfall return period.When the rainfall return period was 1 year，the runoff-producing time of the permeable sand-based brick with plastic grid pavement could be prolonged to 45 minutes compared with traditional pavement.And the reduction rate of peak flow reached 32.9%at the same time. It could delay the emerging time of flood peak to 20 minutes later than traditional pavement's under the rainfall return period of 1 year.When the rainfall return period was from 1 to 100 years，the reduction rate of peak flow declined，and the delay time of flood peak was shortened from 20 minutes to 14 minutes.

the permeable sand-based brick with plastic grid，rainfall return period，runoff control，reduction rate of peak flow，delay of emerging-time of flood peak

TU522.3+4

A

1001-702X（2015）12-0013-04

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2010ZX07320-002）

2015-09-10

王俊嶺，男，1973年生，河南長(zhǎng)葛人，副教授，博士，主要從事透水鋪裝研究。