生物滯留帶對(duì)高速公路徑流滯蓄效應(yīng)影響研究

吳洪亮，潘俊奎，胡紅昌

(1.中交一局第五工程有限公司,北京 100000; 2.河南城建學(xué)院 土木與交通學(xué)院，河南 平頂山 467000；3.中交一局海威工程建設(shè)有限公司,北京 100000)

近年來，我國(guó)高速公路里程的不斷增加極大促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。然而，以傳統(tǒng)硬化邊溝為基礎(chǔ)的高速公路排水方式不僅易引起下游溝渠的洪澇災(zāi)害[2]，同時(shí)，雨水徑流中的大量污染物也會(huì)對(duì)沿線水環(huán)境產(chǎn)生一定負(fù)面影響[3-4]。為應(yīng)對(duì)當(dāng)前世界面臨的水環(huán)境惡化問題，國(guó)際上提出了一種低影響開發(fā)理念(LID-Low Impact Development)，即在進(jìn)行區(qū)域開發(fā)時(shí)，采用生態(tài)景觀單元從源頭控制雨水，實(shí)現(xiàn)雨水的就地分散化管理[5-6]。生物滯留設(shè)施是一項(xiàng)重要的低影響技術(shù)措施，可作為排水系統(tǒng)設(shè)置在公路兩側(cè)，在美化公路景觀的同時(shí)，也可對(duì)雨水徑流進(jìn)行有效的滯蓄和凈化[7-9]。

目前，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)生物滯留技術(shù)的徑流控制效果進(jìn)行了研究。李海燕等[10]從徑流消減方面考察了生物滯留帶的運(yùn)行效果，結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)小降雨事件能發(fā)揮較好的徑流消減效果，其徑流消減百分比隨進(jìn)水流量的增加而減??；Davis等[11]研究了馬里蘭大學(xué)A和B兩個(gè)生物滯留帶對(duì)停車場(chǎng)徑流的調(diào)控能力，結(jié)果表明，A生物滯留帶達(dá)到區(qū)域開發(fā)前總徑流量、峰值流量、峰值延時(shí)的概率分別為55%、30%、38%，而B生物滯留帶則分別為62%、42%、31%。然而，生物滯留設(shè)施作為一種雨水滯留的工程措施，應(yīng)考慮降雨對(duì)其運(yùn)行效果的影響，而目前不同降雨特征對(duì)滯留設(shè)施運(yùn)行效應(yīng)的影響特性有待進(jìn)一步研究。

為優(yōu)化對(duì)生物滯留設(shè)施的設(shè)計(jì)，一些學(xué)者采用SWMM[12-13]、RECARGA[14-15]、MUSIC[16]等軟件研究生物滯留設(shè)施的徑流處理過程。目前的大多數(shù)研究模型都簡(jiǎn)化了土壤入滲過程，但研究滯留設(shè)施滲濾層蓄滲特性卻需要精確考慮土壤水分的入滲過程[17]。Hydrus-1D是基于土壤水動(dòng)力學(xué)原理的一維滲流模型，可模擬多孔介質(zhì)在變飽和情況下(飽和-非飽和)的水分運(yùn)移過程[18]，是研究滯留帶雨水滯蓄效應(yīng)的有效途徑。

1 Hydrus-1D模型滲流理論

1.1 非飽和土滲流控制方程

高速公路生物滯留帶填料屬于非飽和土，其水分運(yùn)移過程可采用Richards方程描述。滯留帶水分入滲可看成一維方向的入滲，其表達(dá)式為

(1)

式中:h為土壤負(fù)壓水頭，cm；k(θ)為土壤滲透系數(shù)，cm/min；θ為土體體積含水量，cm3/cm3；S(z,t)為源匯項(xiàng)，如蒸騰、蒸發(fā)水量，當(dāng)歷時(shí)較短時(shí)，S(z,t)取0；t為歷時(shí)，min。

1.2 水土特征曲線及水力傳導(dǎo)曲線

當(dāng)土壤處于非飽和狀態(tài)時(shí)，式(1)中的含水量θ和滲透系數(shù)k(θ)通常為變值，其方程可根據(jù)Van Genuchten提出的經(jīng)驗(yàn)公式來定義，分別為土壤水分特征曲線和水力傳導(dǎo)曲線

(2)

式中:θr為殘留含水量，cm3/cm3；θs為飽和含水量，cm3/cm3；a，n，m為待定參數(shù)，m=1-1/n。

(3)

Se=(θ-θr)/(θs-θm)

(4)

式中:Ks為飽和滲透系數(shù)，cm/min；Se為有效飽和度。

1.3 邊界條件及初始條件

生物滯留帶主要用于接收雨水徑流并進(jìn)行入滲，當(dāng)雨水徑流強(qiáng)度小于生物滯留帶表層的入滲能力時(shí)，雨水徑流可全部入滲，而當(dāng)徑流強(qiáng)度大于其表層入滲能力時(shí)，雨水則累積于設(shè)施表層，形成積水，因此生物滯留帶的表層邊界條件可采用Hydrus-1D的大氣積水邊界條件表示

(5)

生物滯留帶底部邊界可采用自由排水邊界條件，表示為

(6)

生物滯留帶初始條件可表示為

θ(z,t)=θ0(z) (t=0)

(7)

式中:θ0(z)為土體初始含水量，cm3/cm3。

2 高速公路滯留帶數(shù)值模型建立

2.1 高速公路滯留帶結(jié)構(gòu)參數(shù)

文中基于Hydrus-1D模擬高速公路生物滯留帶橫斷面，如圖1所示。該生物滯留帶寬度為1 m，滲濾層總高度為1 m，蓄水層深度為30cm。其中，滲濾材料的上層為60 cm種植土層，其次為10 cm砂濾層，下層為30cm礫石層。11.5 m的單幅道路(0.75 m路緣帶+2×3.75 m行車道+3.25 m路肩)產(chǎn)生的雨水徑流通過路面橫坡匯入路側(cè)滯留帶，滲入滯留帶內(nèi)部的水分通過設(shè)置在礫石層底部的透水管排出，當(dāng)滯留帶表層積水深度超過30 cm時(shí)，雨水可通過設(shè)置在設(shè)施表層的溢流裝置排出。為防止雨水滲入路基危害路基安全，應(yīng)在設(shè)施填料與路基接觸面之間安裝混凝土池體。

圖1 高速公路生物滯留帶橫斷面

2.2 設(shè)計(jì)降雨工況

為分析高速公路滯留帶在不同降雨作用下的徑流滯蓄效應(yīng)，根據(jù)研究區(qū)暴雨強(qiáng)度公式，共設(shè)計(jì)7種降雨工況，如表1所示。其中降雨工況1為基準(zhǔn)降雨工況，降雨工況1、2、3主要用于分析降雨重現(xiàn)期對(duì)滯留帶徑流滯蓄效應(yīng)的影響，降雨工況1、4、5主要用于分析降雨歷時(shí)的影響，降雨工況1、6、7用于分析前期降雨間隔期的影響，其中短期、中期、長(zhǎng)期分別表示滲濾填料的含水量為田間持水量的1倍、0.8倍、0.6倍。

表1 設(shè)計(jì)降雨工況

岑國(guó)平等[19]通過對(duì)大量降雨數(shù)據(jù)的分析，在短歷時(shí)降雨中，一般以單峰雨型為主，且大多數(shù)降雨峰值出現(xiàn)在降雨過程的中部或前部，因此，均勻雨型與實(shí)際降雨過程不符，而芝加哥雨型不僅可較好體現(xiàn)暴雨的時(shí)空變化，且易確定雨強(qiáng)過程，對(duì)研究徑流洪峰調(diào)蓄具有重要意義[20]。因此，將7種設(shè)計(jì)降雨概化為芝加哥雨型，雨峰位置取0.5td(td為降雨總時(shí)長(zhǎng))，7種設(shè)計(jì)降雨的芝加哥降雨過程線如圖2所示。

圖2 芝加哥降雨過程線

進(jìn)入生物滯留帶的雨水通常由2部分組成，即道路匯集的雨水和直接作用在滯留帶上的雨水，其等效雨強(qiáng)可表示為

(8)

式中:q0為作用在滯留帶上的等效降雨強(qiáng)度；q為實(shí)際降雨強(qiáng)度；Ψ為徑流系數(shù)，瀝青混凝土路面取0.9；F0為匯水面積；F1為滯留帶面積。

2.3 滯留帶土壤水力參數(shù)

采用Hydrus-1D進(jìn)行非飽和土壤滲流計(jì)算時(shí)，需要輸入土壤的水力參數(shù)，即式(2)和式(3)中的Van Genuchten參數(shù)，文中結(jié)合滯留帶土性物理指標(biāo)和滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)成果及不同類型土的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值[21-22]，確定各填料類型的Van Genuchten參數(shù)如表2所示。

表2 Van Genuchten參數(shù)

3 數(shù)據(jù)分析

采用Hydrus-1D進(jìn)行高速公路滯留帶的水分運(yùn)移計(jì)算，可得到滯留帶在不同降雨過程下的產(chǎn)流過程曲線及表面積水和溢流過程曲線，進(jìn)而可采用水量消減率、徑流峰值消減率及產(chǎn)流峰值延遲時(shí)間3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)滯留帶的徑流調(diào)控效果[23]，3個(gè)指標(biāo)算式分別為

(9)

(10)

Rdelay=tpeak-out-tpeak-in

(11)

式中:RV為徑流總量消減率，%；Vin為雨水徑流總量，cm3；Vout為模擬時(shí)間內(nèi)生物滯留帶排出水總量，包括溢流水量及穿孔管出流量，cm3；Rpeak為徑流洪峰消減率，%；qpeak-in，qpeak-out分別為進(jìn)流、總產(chǎn)流峰值流量，cm3/min；Rdelay為產(chǎn)流延時(shí)，min；tpeak-outtpeak-in為設(shè)施出流、進(jìn)流峰值時(shí)刻，min。

4 結(jié)果與討論

4.1 降雨重現(xiàn)期對(duì)生物滯留帶徑流滯蓄效應(yīng)的影響

由圖3(a)可知，當(dāng)降雨歷時(shí)為1 h，前期降雨間隔期為中期，降雨重現(xiàn)期分別為1年、2年、5年一遇時(shí)，地面徑流在滯留帶單位面積產(chǎn)生的進(jìn)流水量分別為40.1 cm、50.70 cm、64.28 cm，滯留帶的產(chǎn)流水量分別為36.91 cm、47.08 cm、60.58 cm，徑流量消減率分別為8.66%、7.13%、5.76%?？梢?，生物滯留帶對(duì)高速公路徑流水量起到一定控制效果，且隨著降雨重現(xiàn)期增大，地面產(chǎn)生的徑流量增多，生物滯留帶的產(chǎn)流量也隨之增大，從而導(dǎo)致其徑流量消減率相對(duì)減小。

由圖3(b)可知，當(dāng)降雨歷時(shí)為1 h，前期降雨間隔期為中期，降雨重現(xiàn)期分別為1年、2年、5年一遇時(shí)，地面徑流在滯留帶單位面積產(chǎn)生的進(jìn)流峰值分別為2.33 cm/min、2.92 cm/min、3.71 cm/min，滯留帶的產(chǎn)流峰值分別為0.31 cm/min、0.35 cm/min、1.48 cm/min，徑流峰值消減率分別為86.70%、87.89%、59.93%。當(dāng)降雨重現(xiàn)期較小，如1年、2年一遇時(shí)，滯留帶表層未發(fā)生溢流，滯留帶對(duì)路面徑流峰值的消減率較好，可達(dá)到85%以上，而當(dāng)重現(xiàn)期為5年一遇時(shí)，滯留帶發(fā)生了溢流，對(duì)徑流峰值的控制效應(yīng)顯著降低。

由圖3(c)可知，當(dāng)降雨歷時(shí)為1 h，前期降雨間隔期為中期，降雨重現(xiàn)期分別為1年、2年、5年一遇時(shí)，地面徑流峰現(xiàn)時(shí)間均為30 min，滯留帶的產(chǎn)流峰現(xiàn)時(shí)間分別為83.46 min、77.08 min、34 min，滯留帶對(duì)徑流峰值的延遲時(shí)間分別為53.46 min、47.08 min、4 min，與徑流峰值消減率相同。當(dāng)降雨重現(xiàn)期較小，滯留帶表層未發(fā)生溢流，滯留帶對(duì)道路徑流峰值的延遲效果較好，而在大降雨重現(xiàn)期作用下，滯留帶發(fā)生溢流時(shí)，其對(duì)徑流峰值的延時(shí)效果顯著降低。

圖3 降雨重現(xiàn)期對(duì)生物滯留帶徑流滯蓄效應(yīng)的影響

4.2 降雨歷時(shí)對(duì)生物滯留帶徑流滯蓄效應(yīng)的影響

由圖4(a)可知，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為2年一遇，前期降雨間隔期為中期，降雨歷時(shí)分別為0.5 h、1 h、2 h時(shí)，地面徑流在滯留帶單位面積產(chǎn)生的進(jìn)流水量分別為37.85 cm、50.70 cm、64.59 cm，滯留帶的產(chǎn)流水量分別為34.05 cm、47.08 cm、61.03 cm，徑流量消減率分別為10.06%、7.13%、5.52%，可見，隨著降雨歷時(shí)增大，地面產(chǎn)生的徑流量增多，生物滯留帶的產(chǎn)流量隨之增大，其徑流量消減率相對(duì)減小。

由圖4(b)可知，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為2年一遇，降雨歷時(shí)分別為0.5 h、1 h、2 h時(shí)，地面徑流在滯留帶單位面積產(chǎn)生的進(jìn)流峰值均為2.92 cm/min，滯留帶的產(chǎn)流峰值分別為0.30 m/min、0.35 m/min、0.38 m/min，徑流峰值消減率分別為89.84%、87.89%、87.14%。由于在3類降雨歷時(shí)作用下，滯留帶表層均未發(fā)生溢流，滯留帶對(duì)道路徑流峰值的消減率普遍較好，且較為穩(wěn)定，主要是由于在未發(fā)生溢流時(shí)，生物滯留帶產(chǎn)流主要通過雨水的下滲作用產(chǎn)生，產(chǎn)流峰值受滯留帶的滲透系數(shù)控制。

由圖4(c)可知，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為2年一遇，降雨歷時(shí)分別為0.5 h、1 h、2 h時(shí)，地面徑流在滯留帶產(chǎn)生的進(jìn)流峰現(xiàn)時(shí)間均為15 min、30 min、60 min，滯留帶的產(chǎn)流峰現(xiàn)時(shí)間分別為74.41 min、77.08 min、96 min，滯留帶對(duì)徑流峰值的延遲時(shí)間分別為59.41 min、47.08 min、36 min。在3種不同降雨作用下，滯留帶對(duì)徑流峰值的延時(shí)效果均較好，且延時(shí)效果隨著降雨歷時(shí)的增大而降低。

圖4 降雨歷時(shí)對(duì)生物滯留帶徑流滯蓄效應(yīng)的影響

4.3 前期降雨間隔期對(duì)生物滯留帶徑流滯蓄效應(yīng)的影響

由圖5(a)可知，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為2年一遇，降雨歷時(shí)為1 h，降雨間隔期分別為長(zhǎng)期、中期、短期時(shí)，路面徑流在滯留帶單位面積產(chǎn)生的進(jìn)流水量均為50.70 cm，滯留帶的產(chǎn)流水量分別為45.31 cm、47.08 cm、48.84 cm，徑流量消減率分別為10.63%、7.13%、3.65%。隨著降雨間隔時(shí)間的縮短，生物滯留帶的產(chǎn)流量隨之增大，其徑流量消減率相對(duì)減小，這主要由于當(dāng)初始含水率較低時(shí)，滲濾材料內(nèi)有較大的蓄水空間，使得徑流入滲量較大，出流量較小。

圖5 降雨間隔期對(duì)生物滯留帶徑流滯蓄效應(yīng)的影響

由圖5(b)可知，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為2年一遇，降雨歷時(shí)為1 h，降雨間隔期分別為長(zhǎng)期、中期、短期時(shí)，地面徑流在滯留帶單位面積產(chǎn)生的進(jìn)流峰值均為2.92 cm/min，滯留帶的產(chǎn)流峰值均為0.349 cm/min、0.354 cm/min、0.365 cm/min，徑流峰值消減率分別為88.05%、87.89%、87.51%?？梢?，隨著前期降雨間隔時(shí)間的縮短，滯留帶對(duì)高速公路徑流峰值的消減效果有所降低，但整體變化量不大。

由圖5(c)可知，當(dāng)降雨重現(xiàn)期為2年一遇，降雨歷時(shí)為1h，降雨的間隔期分別為長(zhǎng)期、中期、短期時(shí)，路面徑流在滯留帶產(chǎn)生的進(jìn)流峰現(xiàn)時(shí)間均為30 min，滯留帶的產(chǎn)流峰現(xiàn)時(shí)間分別為78.44 min、77.08 min、70.76 min，滯留帶對(duì)徑流峰值的延遲時(shí)間分別為48.44 min、47.08 min、40.76 min，可見，與前期降雨間隔期對(duì)徑流峰值消減率的影響相同。隨著降雨間隔時(shí)間的縮短，滯留帶對(duì)徑流峰值的延時(shí)效果相對(duì)減小，但減小的效果較弱。

5 結(jié) 論

1)當(dāng)降雨重現(xiàn)期從1年一遇增加到5年一遇時(shí)，滯留帶對(duì)高速公路徑流量的消減率也降低了2.90%，對(duì)徑流峰值的消減率降低了26.77%，對(duì)徑流峰值的延遲時(shí)間縮短了49.46 min，滯留帶的徑流量消減率以及徑流峰值消減率、徑流峰值延時(shí)均隨降雨重現(xiàn)期增大而減小，且滯留帶發(fā)生溢流時(shí)，可導(dǎo)致其徑流峰值消減率和峰值延時(shí)顯著降低。

2)當(dāng)降雨歷時(shí)由0.5 h增大到2 h時(shí)，滯留帶對(duì)路面徑流量的消減率降低了4.54%，對(duì)徑流峰值的消減率降低了2.70%，對(duì)徑流峰值的延遲時(shí)間縮短了23.41 min。隨著降雨歷時(shí)的增大，滯留帶的徑流量消減率、徑流峰值消減率及峰值延時(shí)都隨之減小，降雨歷時(shí)對(duì)徑流峰值延遲的影響較大，但對(duì)徑流量消減率和徑流峰值消減率的影響較弱。

3)隨著降雨間隔期由長(zhǎng)期縮短到短期，滯留帶對(duì)路面徑流量的消減率降低了6.98%，對(duì)徑流峰值的消減率降低了0.54%，對(duì)徑流峰值的延遲時(shí)間降低了7.68 min。隨著降雨間隔期的縮短，滯留帶徑流量消減率、徑流峰值消減率、峰值延時(shí)隨之減小，且徑流峰值消減率和徑流峰值延遲的變化趨勢(shì)相對(duì)較弱。