透水路面結(jié)構(gòu)地表徑流及土壤含水量變化規(guī)律探究

王睿

（江蘇寧滬高速公路股份有限公司，江蘇 南京 211131）

隨著我國城市化率逐年提升，城市道路中瀝青路面密度顯著增加。雨雪期間，瀝青路面積水對(duì)道路的正常使用的影響也越來越大。在強(qiáng)降雨的情況下，會(huì)出現(xiàn)較大的地表徑流（surface runoff，簡(jiǎn)稱“SR”），增加城市管網(wǎng)的排水負(fù)擔(dān)。此外，由于缺乏雨水滲透，地下水沒有得到有效供應(yīng)，許多城市面臨嚴(yán)重的缺水乃至干旱問題。自1970年以來，美國、英國和澳大利亞相繼開發(fā)了控制城市徑流的技術(shù)，并推出了雨水管理計(jì)劃和指南。我國在該領(lǐng)域起步較晚，在總結(jié)國外雨水控制理念的基礎(chǔ)上，提出了“海綿城市”城市化戰(zhàn)略。目前，研究人員正在關(guān)注SR控制對(duì)滲透性路面結(jié)構(gòu)（排水路面、半透性路面和透水道路）的影響。然而，3種透水鋪裝結(jié)構(gòu)對(duì)城市雨水引起的SR影響的對(duì)比研究還不夠，SR和路基土壤含水量隨時(shí)間變化的相關(guān)性有待進(jìn)一步研究。為了研究3種透水路面結(jié)構(gòu)對(duì)城市雨水SR的影響，試驗(yàn)將采用4種人工降雨水平（2.5mm/min、3.4mm/min、4.6mm/min和5.5mm/min）展開研究。此外，本文還分析了土壤含水量與時(shí)間的關(guān)系，以及初始土壤含水量對(duì)雨水入滲速率的影響，目的是為透水路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供更多的理論依據(jù)，并為“海綿城市”提供理論支持。

一、試驗(yàn)基本條件設(shè)定

（一）降雨設(shè)計(jì)

圖1 該研究選用的降雨量設(shè)計(jì)

筆者走訪查閱江蘇省近幾年的降雨數(shù)據(jù)，并通過等價(jià)計(jì)算得到4種類型的降雨水平，分別為2.5mm/min、3.4mm/min、4.6mm/min和5.5mm/min，降雨時(shí)間均為120分鐘，如圖1所示。

（二）路面結(jié)構(gòu)形式

研究包括排水路面、半透性路面和透水路面的結(jié)構(gòu)。在排水路面結(jié)構(gòu)中，較高空隙率瀝青混合料僅用于面層；基層采用不透水瀝青材料或?yàn)r青封層，雨水從封層表面直接排出，不滲透到基層下面。在半透性路面結(jié)構(gòu)中，面層采用較高空隙率的瀝青混合料；基層采用透水級(jí)配碎石。在透水路面結(jié)構(gòu)中，面層采用較高空隙率的瀝青混合料；采用透水級(jí)配碎石作為基層的填筑材料，而對(duì)于墊層一般采用中砂填筑，路基材料為透水性良好的砂。

表1 室內(nèi)模型中所用材料參數(shù)

表2 3種路面結(jié)構(gòu)SR系數(shù)

（三）室內(nèi)模型建立

試驗(yàn)箱的長度、寬度和高度分別為90cm、90cm和100cm。試驗(yàn)箱的一側(cè)安裝透明可觀察的玻璃，其他3個(gè)側(cè)面設(shè)有一定數(shù)量的排水孔，以收集表面徑流和不透水密封涂層表面排出的水，底部排水孔則用來收集路基滲出的雨水。為了精準(zhǔn)觀察降雨過程中和降雨后土壤含水量的實(shí)時(shí)情況，試驗(yàn)在路基結(jié)構(gòu)層中預(yù)埋了4臺(tái)土壤水分測(cè)定儀，每隔10cm深度埋設(shè)1臺(tái)，以測(cè)量不同位置的土壤水分變化。選用路面材料參數(shù)如表1所示。

二、試驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）SR 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)通過室內(nèi)模擬裝置以4種降雨水平對(duì)3種路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，降雨時(shí)間持續(xù)120min。SR系數(shù)的計(jì)算如式（1）所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可知，在降雨水平較大時(shí)（5.5mm/min），路面結(jié)構(gòu)無法及時(shí)有效地將雨水排出，SR占總雨水量的95.5%；當(dāng)降雨水平較低時(shí)，SR為總雨水量的41.3%～61.8%。對(duì)于半透性路面，降雨水平達(dá)到5.5mm/min時(shí)，SR系數(shù)僅為26%，相較于排水路面降低了約69.5%；并且當(dāng)降雨水平較低時(shí)，半透性路面具有較好的排水效果，可以降低SR的形成。對(duì)于透水路面，只有在降雨水平較大時(shí)（5.5mm/min），路面才會(huì)形成SR，但僅為總雨水量的5%；并且在4.6mm/min、3.4mm/min、2.5mm/min條件下SR幾乎不存在，說明透水路面結(jié)構(gòu)在降雨時(shí)可以快速有效地排出雨水，避免SR的出現(xiàn)。綜上可知，透水路面結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的降低SR的特點(diǎn)，在城市道路中可以實(shí)現(xiàn)快速排水，降低道路積水的可能性。

（二）土壤含水量試驗(yàn)結(jié)果

1.降雨初期

根據(jù)土壤表層層流的研究數(shù)據(jù)可知，當(dāng)土壤質(zhì)地有明顯的分層時(shí)，很容易滿足表層層流形成的條件。圖2為降雨水平為5.5mm/min情況，各層土壤含水量隨試驗(yàn)的變化情況如圖2所示。

圖2 降雨初期不同位置含水量時(shí)變情況

圖3 降雨結(jié)束后不同位置含水量時(shí)變情況

圖4 不同的初始含水量路基土壤水分時(shí)變情況

由圖2可知，土壤位置設(shè)置為10cm、20cm、30cm和40cm處的含水量在初始時(shí)分別為5.2%、4.6%、5%和5.6%。當(dāng)降雨持續(xù)10分鐘時(shí)，快速攀升至20%、6.5%、5.2%和5.7%，表明有少量雨水開始滲入土壤至10cm深度。然而，土壤含水量在試驗(yàn)開始后的小段時(shí)間內(nèi)并沒有達(dá)到飽和狀態(tài)，試驗(yàn)繼續(xù)后雨水進(jìn)一步往較深位置滲透。40分鐘后，土壤深度為10cm、20cm、30cm和40cm處的含水量分別為32.6%、32.2%、29.5%和29.1%。由圖2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，整個(gè)路基的土壤含水量趨于飽和，土層進(jìn)入穩(wěn)定入滲階段。

2.降雨結(jié)束后

當(dāng)雨水停止，位于路面表層的水分因?yàn)槿照?、風(fēng)吹等因素快速蒸發(fā)，而路基較深處的水分仍然需要較長時(shí)間下滲。在雨水逐漸滲入路基后，水分在路基土壤剖面中因?yàn)槎喾N因素發(fā)生遷徙運(yùn)動(dòng)。較淺的路基層中水分飽和，但仍有水分在往更深位置的土壤層移動(dòng)。

由圖3可知，土壤在10cm位置處，含水量隨著降雨結(jié)束后的演變趨勢(shì)將逐漸緩慢下降。土壤含水量在1天～2天內(nèi)出現(xiàn)大幅變動(dòng)情況，降幅達(dá)39.9%。同樣，20cm、30cm和40cm位置的土壤含水量隨時(shí)間依次降低，土體中水分時(shí)變逐漸趨于穩(wěn)定。此外，通過側(cè)面有機(jī)玻璃觀察發(fā)現(xiàn)濕潤界面往更深位置的移動(dòng)逐漸變緩。一個(gè)原因是水分含量由原先的較大差距逐步向相近的水平靠近，導(dǎo)致區(qū)域之間的吸力梯度相應(yīng)減小；另一個(gè)原因是入滲后土壤水分的動(dòng)態(tài)過程變得非常復(fù)雜。

3.初始含水量對(duì)入滲的影響

不同的初始含水量會(huì)影響雨水在進(jìn)入路基內(nèi)部時(shí)的滲透、徑流過程。因此，用4種不同的初始土壤含水量（5.3%、9.1%、12.8%和16.1%）研究了5.5mm/min降雨水平的影響規(guī)律，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)土壤初始含水量為5.3%時(shí)初始入滲速率最大，并且需要最長的持續(xù)降雨時(shí)間使土壤中水分達(dá)到飽和度。主要原因是由于初始含水量低，導(dǎo)致不同水分分布的土體之間，出現(xiàn)總重力梯度越大水分差越強(qiáng)的現(xiàn)象。由于給定條件的提升，不同土層之間的水分相對(duì)作用變小，水分的流動(dòng)現(xiàn)象逐漸減弱，持續(xù)時(shí)間也相應(yīng)變短。結(jié)合試驗(yàn)，可以將遷移土壤水分分為兩個(gè)階段。首先是水分增加階段，上層土壤中水分由于含量差發(fā)生遷移但未達(dá)到飽和，水分會(huì)保持增加的狀態(tài)；其次是水分穩(wěn)定階段，當(dāng)水分接近飽和時(shí)，土體內(nèi)部穩(wěn)定互通，水分在不同位置均保持均衡。

三、結(jié)語

透水路面結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的降低SR的特點(diǎn)，在城市道路中可以實(shí)現(xiàn)快速排水，降低道路積水的可能性。

土壤中含水量受降雨水平和初始含水量影響較大。較高的降雨水平會(huì)導(dǎo)致路基中的水分積累，較淺位置的土壤中水分出現(xiàn)急速積聚現(xiàn)象；不同土層之間的相對(duì)作用變小，水分的流動(dòng)現(xiàn)象逐漸減弱，持續(xù)時(shí)間也隨之變短。