基于Hydrus-1D的透水鋪裝對降雨徑流控制模擬研究

盧巧慧，景瑞瑛，杜朋輝，黃奕龍

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東深圳518008)

隨著極端降雨事件多發(fā)及城市快速發(fā)展帶來的下墊面徑流特性改變，城市內(nèi)澇現(xiàn)象頻繁發(fā)生。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2010年以來，中國平均每年有185座城市受到城市內(nèi)澇的威脅[1]。自2015年起，住建部等多次出臺有關(guān)海綿城市建設(shè)的相關(guān)政策文件和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，積極推進全國海綿城市的建設(shè)，增強城市防澇能力[2]。

透水鋪裝是海綿城市建設(shè)中常用的一種低影響開發(fā)(LID)技術(shù)，這種雨水控制設(shè)施可以有效利用大空隙結(jié)構(gòu)層，使其在保持原有功能的前提下，提高雨水的下滲能力，減小下墊面徑流系數(shù)[3]。透水鋪裝主要類型包括透水磚、透水水泥混凝土和透水瀝青混凝土、嵌草磚等[4]。透水鋪裝結(jié)構(gòu)應(yīng)至少包含透水面層、透水找平層和透水基層[5]。

長期監(jiān)測透水鋪裝等海綿設(shè)施的降雨徑流控制效果較為困難，因此在海綿城市建設(shè)過程中，往往需要結(jié)合數(shù)學(xué)模型進行模擬分析以驗證方案或評估建設(shè)效果。常用的LID模型有SWC[6]、SWMM[7-9]、Hydrus-1D[10-13]、Drainmod[14-15]、Recarga[16]等，其中Hydrus-1D模型實用性強、模擬精度高，具有同時模擬水量及水質(zhì)[17]等優(yōu)點，得到廣泛應(yīng)用。

本項研究針對南方豐水區(qū)海綿城市建設(shè)效果研究的不足，以典型海綿設(shè)施——透水鋪裝為例，選擇Hydrus-1D模型研究不同結(jié)構(gòu)透水鋪裝對降雨徑流的控制效果，獲得影響降雨徑流的構(gòu)造因子及關(guān)鍵參數(shù)，為本地及其他類似區(qū)域海綿城市建設(shè)提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 模型介紹

Hydrus-1D是由美國鹽堿實驗室于20世紀(jì)90年代研發(fā)的用來計算飽和-非飽和土壤等多孔介質(zhì)中水分、鹽分運移規(guī)律的軟件，包括水流、溶質(zhì)運移和熱傳遞等七大基本模塊，能對土壤水、鹽運移規(guī)律和時空變化等較好地進行模擬[18]。Hydrus軟件在修改過的Richards方程基礎(chǔ)上，進行土壤水力函數(shù)構(gòu)建，可計算不同邊界條件和初始條件下的數(shù)學(xué)模型。若將坐標(biāo)原點選在地面，取z軸向下為正，則變?yōu)轱柡蛥^(qū)一維方向上的土壤水分運動過程[19]：

(1)

式中θ——含水率，%；z——垂直方向的空間坐標(biāo)，cm；h——負(fù)壓水頭，cm；S——源匯項，主要考慮根系吸水，cm3/(cm3·d)；t——時間，d。

Hydrus-1D軟件可通過設(shè)置不同土層的參數(shù)來模擬非均質(zhì)土壤的水分運動，水分運移可能發(fā)生在垂直面，也可能在水平面。土壤表面可選擇恒定或者隨時間變化的流量、壓力水頭及由氣象條件控制的邊界，反之亦然。它還可以通過水域飽和部分的剩余水量和不排水邊界條件處理自由面邊界[20]。

1.2 邊界與設(shè)施

本研究模擬4種不同結(jié)構(gòu)的鋪裝裝置，包括1種不透水鋪裝(作為對比)及3種透水鋪裝。各裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 鋪裝結(jié)構(gòu)

為了更好地得到不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)、材料對徑流的控制效果，通過設(shè)定裝置的水流下邊界條件概化不同的入滲排水條件，見圖1，包括：①設(shè)置水流下邊界條件為恒定水分通量為零(Constant Flux=0)，表示無排水無下滲條件，即模擬透水鋪裝基層用防滲膜與土基隔開、不考慮下滲作用，同時透水鋪裝底部不設(shè)置雨水口與市政管網(wǎng)連接；②設(shè)置水流下邊界條件為自由下泄邊界(Free Drainage)，表示無排水僅下滲條件，即模擬透水鋪裝基層直接連接土基、允許下滲，但底部不設(shè)置雨水口與市政管網(wǎng)連接；③設(shè)置水流下邊界條件為水平排水溝邊界(Horizontal Drain)，位置在基層底部，代表無下滲僅排水條件，即模擬透水鋪裝基層用防滲膜與土基隔開、不考慮下滲，透水鋪裝底部設(shè)置雨水口與市政管網(wǎng)連接。

通過比較2014年8月13日實測的徑流數(shù)據(jù)與模型模擬的徑流過程，發(fā)現(xiàn)兩者的擬合程度達到83.7%，擬合效果見圖2，表明模型結(jié)果合理可靠。最終設(shè)定不同裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 各裝置從上至下各層參數(shù)設(shè)定

2 結(jié)果與分析

2.1 無排水無下滲徑流分析

在無排水無下滲條件下，模擬降雨重現(xiàn)期分別為1、5、10 a條件下的產(chǎn)流特征(圖3、表3—5)?？傮w來看不同降雨重現(xiàn)期下各裝置的徑流特征表現(xiàn)一致：①降雨強度越大，各裝置對降雨徑流的控制率越小，說明透水鋪裝消納雨水能力有限，相對來說小強度降雨徑流控制率較高；②降雨強度越大，各裝置的產(chǎn)流時間越早，峰值削減率越小，說明大強度降雨更容易發(fā)生積水；③在降雨過程中，4號裝置(面層加厚)對徑流量削減作用最強，2號裝置(找平層為粗砂)、3號裝置(找平層為瓜米石)其次，1號不透水鋪裝對降雨產(chǎn)生的徑流量幾乎沒有削減。2、3、4號在1 a降雨重現(xiàn)期下徑流總量控制率分別為73.3%、76.3%、78.2%，峰現(xiàn)延遲時間分別為30、34、37 min，徑流峰值削減率分別為77.7%、79.4%、80.4%；在5 a降雨重現(xiàn)期下徑流總量控制率分別為51.2%、53.6%、55.0%，峰現(xiàn)延遲時間分別為8、10、12 min，徑流峰值削減率分別為53.1%、58.1%、60.2%；在10 a降雨重現(xiàn)期下徑流總量控制率分別為46.0%、47.8%、48.5%，峰現(xiàn)延遲時間分別為5、6、7 min，徑流峰值削減率分別為42.2%、46.5%、50.1%。說明當(dāng)存在防滲膜時，雨水無法自由下泄至土基，面層對降雨徑流影響最大；另外，和不透水面層相比，透水面層可有效蓄積雨水，延后峰現(xiàn)時間，削減徑流峰值。

表3 各裝置在無排水無下滲條件下徑流控制率

表4 各裝置在無排水無下滲條件下峰現(xiàn)延遲時間

表5 各裝置在無排水無下滲條件下峰值削減率

2.2 無排水僅下滲徑流分析

在無排水僅下滲條件下，模擬降雨重現(xiàn)期分別為1、5、10 a條件下的產(chǎn)流特征(圖4、表6—8)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①在重現(xiàn)期為1 a時，除1號裝置產(chǎn)流外，其他裝置均不產(chǎn)流，利用透水鋪裝及土基本身的下滲作用就能100%就地消納雨水，說明增大土基的滲透性能明顯提升鋪裝的下滲及蓄積雨水的能力；②在重現(xiàn)期為5、10 a時，1號裝置徑流控制率接近于0，2、3、4號在5a降雨重現(xiàn)期下控制率分別為76.1%、74.5%、71.0%，峰現(xiàn)延遲時間分別為29、28、24 min，徑流峰值削減率分別為81.7%、78.3%、76.0%；在10 a降雨重現(xiàn)期下控制率分別為67.6%、66.1%、63.0%，峰現(xiàn)延遲時間分別為18、18、15 min，徑流峰值削減率分別為75.5%、71.1%、67.8%?？梢园l(fā)現(xiàn)，改善土基的滲透性后，4號裝置更容易產(chǎn)流，2號裝置對降雨徑流的控制作用最強。說明當(dāng)土基滲透性較好時，基層能直接影響整個透水鋪裝體系的最終透水效果，在其他條件相同的情況下，基層土壤的滲透性能越好，雨水穿過鋪裝層滲到地下的速率越快，透水地面消納的雨水量越多[21]。

表6 各裝置在無排水僅下滲條件下徑流控制率

表7 各裝置在無排水僅下滲條件下峰現(xiàn)延遲時間

表8 各裝置在無排水僅下滲條件下峰值削減率

2.3 無下滲僅排水徑流分析

在無下滲僅排水條件下，模擬降雨重現(xiàn)期分別為1、5、10 a條件下的產(chǎn)流特征(圖5)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在降雨重現(xiàn)期分別為1、5、10 a條件下，除1號裝置產(chǎn)流外，其他裝置均不產(chǎn)流，進入鋪裝的雨水經(jīng)下滲后通過基層底部的雨水收集管排入到市政管網(wǎng)中。因此，在有施工條件時，相比于不采取收集措施，在透水鋪裝增設(shè)雨水收集管能最大化收集雨水，間接提升透水鋪裝的蓄水性能，收集到的雨水經(jīng)處理后可回用，促進雨水資源化利用。

2.4 不同排水條件對比

分析3種排水條件下2、3、4號透水鋪裝對徑流的控制效果(圖6)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無下滲僅排水條件相較于另外2種排水條件能明顯提升透水鋪裝對降雨徑流的控制效果，在重現(xiàn)期為1、5、10 a條件下均能100%就地消納雨水，完全不產(chǎn)流。在僅下滲無排水條件下，雨水能穿過鋪裝層自由下泄至土基，相較于無下滲無排水條件，其促進雨水下滲的效果更為顯著，可有效蓄積雨水，并充分發(fā)揮透水鋪裝的蓄水性能。

由于無下滲僅排水條件下，2、3、4號透水鋪裝均不產(chǎn)流，因此只對比無下滲無排水及僅下滲無排水條件下3種透水鋪裝的徑流控制效果(圖7、8)?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)用防滲膜阻隔雨水下滲到土基時，面層對鋪裝透水效果的影響最大； 當(dāng)雨水能自由下泄至

滲透性較好的土基時，基層為整個鋪裝透水體系的主要影響因子。

綜上，在海綿建設(shè)中，應(yīng)盡量在透水鋪裝基層設(shè)置雨水收集管，一方面避免路面積水，降低城市內(nèi)澇風(fēng)險；另一方面收集的雨水經(jīng)處理后可進行回用，緩解水資源短缺問題。同時，應(yīng)根據(jù)土基的滲透性選擇適宜的透水鋪裝，當(dāng)土基滲透性較差時，可選擇滲透性大的面層材料，促進雨水蓄積；當(dāng)土基滲透性較好時，可選擇滲透性大的基層材料，如瓜米石，促進雨水下滲。

3 結(jié)論

隨著海綿城市建設(shè)的進程加快，透水鋪裝作為一種從源頭削減降雨徑流的低影響開發(fā)設(shè)施得到廣泛的應(yīng)用。本文應(yīng)用Hydrus-1D模型模擬分析不透水鋪裝及不同結(jié)構(gòu)的透水鋪裝在無排水無下滲、無排水僅下滲及無下滲僅排水3種排水條件下的降雨徑流過程，得出以下結(jié)論：①透水鋪裝能有效蓄積雨水，延后峰現(xiàn)時間，削減徑流峰值；②透水鋪裝消納雨水能力有限，對小強度降雨控制較好；③在透水鋪裝基層增設(shè)雨水收集管，對徑流控制效果更好；④當(dāng)用防滲膜阻隔雨水下滲到土基時，面層對鋪裝透水效果的影響最大；⑤當(dāng)雨水能自由下泄至滲透性較好的土基時，基層可直接影響整個透水鋪裝的透水效果。