長(zhǎng)三角地區(qū)典型海綿設(shè)施水文效益試驗(yàn)研究

虞美秀，付 婷，張建云，王國(guó)慶，董吳欣

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心，江蘇 南京 210029；3.河海大學(xué)長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098)

自中國(guó)提出海綿城市雨洪管理理念以來(lái)，不同城市雨水管理措施已被廣泛運(yùn)用于緩解日益嚴(yán)重的城市水污染和內(nèi)澇問(wèn)題[1-3]。中國(guó)海綿城市計(jì)劃旨在通過(guò)科學(xué)整合綠色低影響開發(fā)措施、灰色管道系統(tǒng)和藍(lán)色河網(wǎng)，增強(qiáng)其減輕自然水災(zāi)害的能力，提高城市對(duì)變化環(huán)境的適應(yīng)性。近年來(lái)，中國(guó)一半以上的城市面臨城市洪水問(wèn)題和各種洪水風(fēng)險(xiǎn)[4-5]，然而，由于海綿城市建設(shè)需要大量投資，因此海綿城市的徑流控制性能需要充分研究。目前，對(duì)海綿城市徑流控制性能的研究可以分為宏觀尺度和微觀尺度[6]，宏觀尺度研究主要表現(xiàn)在不同海綿設(shè)施布局方案和設(shè)計(jì)暴雨情景下對(duì)暴雨洪水的模擬[7-8]；微觀尺度相關(guān)研究主要基于實(shí)驗(yàn)室尺度[9-10]或現(xiàn)場(chǎng)尺度的海綿設(shè)施實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行。雖然海綿設(shè)施在已建海綿城市的徑流控制中起著重要作用，但從文獻(xiàn)的成果來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)尺度試驗(yàn)研究不多且主要集中在單一或2個(gè)海綿設(shè)施上。廖江[11]在昆明城區(qū)開展了下凹式綠地雨水下滲系統(tǒng)的試驗(yàn);樊綠葉等[12]在昆山開展了生物滯留設(shè)施過(guò)濾層填料配比試驗(yàn);郭超[13]在咸陽(yáng)城區(qū)開展了雨水花園集中入滲對(duì)土壤和地下水影響研究;唐小軍等[14]在江蘇句容開展了海綿設(shè)施中不同配合比介質(zhì)土滲透速率研究;郭慧慧[15]評(píng)估了北京某住宅區(qū)雨水花園和植草溝對(duì)降雨徑流削減效果。以上研究表明現(xiàn)場(chǎng)尺度缺少多個(gè)典型海綿設(shè)施的同時(shí)空試驗(yàn)，且缺少透水鋪裝類和綠植類海綿設(shè)施在長(zhǎng)三角地區(qū)的相關(guān)系統(tǒng)研究。

為揭示典型海綿設(shè)施在中國(guó)長(zhǎng)三角區(qū)氣候模式下的水文效益，本文依托長(zhǎng)三角區(qū)國(guó)家首批海綿試點(diǎn)城市鎮(zhèn)江海綿基地進(jìn)行了人行透水磚、車行透水磚、生態(tài)草溝及雨水花園4種典型海綿設(shè)施的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，評(píng)估場(chǎng)次降雨與海綿設(shè)施出流相關(guān)性，分析海綿設(shè)施在不同降水量級(jí)及降雨雨型下的水文性能，以及運(yùn)行時(shí)間對(duì)海綿設(shè)施水文效益的影響。研究成果對(duì)評(píng)價(jià)海綿城市建設(shè)成效與優(yōu)化運(yùn)行、加強(qiáng)城市內(nèi)澇治理實(shí)施、系統(tǒng)化全域推進(jìn)海綿城市建設(shè)具有重要參考價(jià)值。

1 研究區(qū)域概況

本文選擇了首批國(guó)家海綿試點(diǎn)城市——鎮(zhèn)江市作為案例研究地點(diǎn)。鎮(zhèn)江市位于長(zhǎng)三角地區(qū)江蘇省西南部，地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)江流域北翼的中心位置。鎮(zhèn)江市屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛，丹徒氣象站1981—2016年的年平均降水量約為1 100 mm，主汛期(6—8月)的降水量占全年總降水量的40%～65%。多年平均年降水量計(jì)算表明，2019年是研究區(qū)域的降雨偏旱年，而2020年是降雨偏豐年。鎮(zhèn)江海綿基地位于鎮(zhèn)江市江州路與江濱路交叉口(32°13′26″ N、119°28′30″ E)?；貫槁短煸囼?yàn)場(chǎng)所，總面積為 2 500 m2。選用人行透水磚、車行透水磚、生態(tài)草溝和雨水花園4種典型海綿設(shè)施研究其徑流控制效果。不同海綿設(shè)施結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 鎮(zhèn)江海綿基地海綿設(shè)施結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Cross sections of monitored sponge facilities in Zhenjiang Sponge Base

2 研究數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

降雨數(shù)據(jù)由型號(hào)為XF-JD-05的翻斗式雨量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)開放區(qū)域自動(dòng)采集，時(shí)間間隔為5 min，精度為0.5 mm。根據(jù)中國(guó)氣象標(biāo)準(zhǔn)，24 h內(nèi)50 mm以上的降雨被定義為暴雨，25～50 mm為大雨，10～25 mm為中雨，10 mm 以下為小雨。在降水量小于10 mm的情況下，幾乎沒有地表徑流產(chǎn)生或者地表徑流量很小。因此，本研究沒有考慮小雨對(duì)海綿設(shè)施水文響應(yīng)的影響。每個(gè)場(chǎng)次降水量累積10 mm以上且降雨前期保證至少有3 h 內(nèi)沒有降雨發(fā)生。對(duì)每個(gè)海綿設(shè)施的地表和地下盲管出流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。地表徑流流進(jìn)海綿設(shè)施下游直徑為20 cm的圓柱形鐵管，流經(jīng)管道末端的90°V形缺口堰。地下徑流匯集到盲管下游一個(gè)長(zhǎng)方體的鋁合金水箱，并從水箱一側(cè)距底部約4 cm處的90°V形缺口堰中排出。水位由型號(hào)為XF-WYZ-1的液壓式液面計(jì)記錄，時(shí)間間隔為5 min、精度為1.0 mm(圖2)。試驗(yàn)時(shí)間為2019年1月至2021年8月。研究提取試驗(yàn)期間每個(gè)海綿設(shè)施對(duì)應(yīng)的有效降雨徑流過(guò)程數(shù)據(jù)用于分析計(jì)算。

圖2 海綿設(shè)施地表地下徑流監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)示意Fig.2 Surface flow and ground flow monitoring of the sponge facilities

2.2 研究方法

本文選用徑流系數(shù)(α)、徑流削減率(rTR)、削峰率(rPC) 和洪峰流量(QP)4個(gè)常用指標(biāo)評(píng)價(jià)不同海綿設(shè)施的降雨徑流控制效果。對(duì)于人行透水磚、車行透水磚和生態(tài)草溝，選用試驗(yàn)區(qū)的水泥路面為參考面，鑒于水泥路面為不透水面，降雨即產(chǎn)流，故認(rèn)為水泥路面的徑流過(guò)程與降雨過(guò)程相同；對(duì)于雨水花園，選用其入流過(guò)程為基準(zhǔn)過(guò)程。不同指標(biāo)計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：P為降水量，mm；Rs為地表徑流深，mm；Rg為地下盲管徑流深，mm；RI、RO分別為雨水花園入流、出流的總徑流深，mm；rTR,g、rPC,g分別為雨水花園的削減率、削峰率，%；ip為5 min雨強(qiáng)，mm/min；A為海綿設(shè)施面積，m2；QPI、QPO分別為雨水花園入流、出流的洪峰流量，m3/h。

三角堰流量和徑流深計(jì)算公式如下：

(1) 對(duì)h≤6 cm，三角堰流量為[16]：

(4)

(5)

(2) 對(duì)h>6 cm，三角堰流量為[17]：

Q=1.174 1×10-5h-0.367 2+1.372 3h2.494 96.0

(6)

(7)

式中：Qi為流量，m3/s；C為量綱一系數(shù)；h為水位，cm；g為重力加速度，m/s2；R為徑流深，mm；n為流量排放記錄的數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 場(chǎng)次降雨與海綿設(shè)施出流相關(guān)性分析

不同海綿設(shè)施降雨—徑流相關(guān)關(guān)系見圖3，可知，徑流系數(shù)和洪峰流量在所有海綿設(shè)施中均隨著降雨增加而增加，削減率和削峰率隨著降水量的增加而減少，說(shuō)明海綿設(shè)施的產(chǎn)流能力隨著降水量級(jí)的增加而增強(qiáng)、對(duì)洪量消納和洪峰緩解隨著降雨強(qiáng)度增加而減弱。由于不同海綿設(shè)施構(gòu)造不同，其徑流系數(shù)、削減率、削峰率與洪峰流量等指標(biāo)與降水量的相關(guān)性表現(xiàn)存有差異。

(1) 對(duì)于削峰率和削減率，人行透水磚、車行透水磚和雨水花園均隨著場(chǎng)次降水量的增加而減少，其中由于雨水花園的削減率和削峰率始終普遍較高，這2個(gè)指標(biāo)隨降水量的變化沒有透水鋪裝明顯；生態(tài)草溝則先表現(xiàn)為微弱下降趨勢(shì)，在降水量超過(guò)65 mm后發(fā)生突變呈顯著下降，突變后削峰率和削減率分別減少了50.4%和44.6%。在所有海綿設(shè)施中，削峰率下降速率依次為生態(tài)草溝(突變后)?人行透水磚?生態(tài)草溝(突變前)>車行透水磚?雨水花園，削減率下降速率的海綿設(shè)施排序同削峰率。削峰率與場(chǎng)次降水量的相關(guān)性依次為生態(tài)草溝(突變后)?人行透水磚>雨水花園>車行透水磚>生態(tài)草溝(突變前)；削減率與降水量的相關(guān)性為雨水花園>人行透水磚>生態(tài)草溝(突變后)>車行透水磚?生態(tài)草溝(突變前)。需要說(shuō)明的是，生態(tài)草溝在削峰率/削減率與場(chǎng)次降水量的相關(guān)關(guān)系突變前，這2個(gè)指標(biāo)隨降水量的變化幅度很小，二者相關(guān)性很差；突變后，2個(gè)指標(biāo)隨降水量的變化十分敏感，同時(shí)暴雨場(chǎng)次次數(shù)比較有限，故相關(guān)性顯著變好，不過(guò)削峰率與降雨的相關(guān)性明顯好于削減率。

(2) 對(duì)于徑流系數(shù)，人行透水磚、車行透水磚隨著場(chǎng)次降水量呈連續(xù)線性遞增趨勢(shì)，增加速率和相關(guān)性均為人行透水磚>車行透水磚；對(duì)于洪峰流量，人行透水磚和車行透水磚也隨著降雨連續(xù)線性增加，遞增速率為人行透水磚略大于車行透水磚，但相關(guān)性為車行透水磚明顯高于人行透水磚。生態(tài)草溝與雨水花園的徑流系數(shù)和洪峰流量均隨著降雨呈分段式增加：生態(tài)草溝、雨水花園降雨—徑流關(guān)系在降水量分別超過(guò)65 mm、50 mm后發(fā)生改變，突變前指標(biāo)值隨降水量增速緩慢，突變后顯著上升。例如，生態(tài)草溝的平均徑流系數(shù)和平均洪峰流量分別從突變前的0.009 m3/s和0.002 m3/s增加至0.374 m3/s和2.678 m3/s，雨水花園則增加了7.4倍和24.4倍。對(duì)于徑流系數(shù)，生態(tài)草溝突變前后相關(guān)性均較好，不過(guò)突變后的相關(guān)系數(shù)整體高于突變前，雨水花園則由突變前的弱相關(guān)變?yōu)橥蛔兒蟮娘@著相關(guān)；對(duì)于洪峰流量，生態(tài)草溝和雨水花園突變后較突變前相關(guān)性均明顯變好。

以上分析說(shuō)明，透水鋪裝類海綿設(shè)施與綠植類海綿設(shè)施降雨—徑流相關(guān)關(guān)系差異顯著。究其原因，海綿設(shè)施降雨—徑流關(guān)系是否發(fā)生突變可能與海綿設(shè)施自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，比如綠植類含很厚的介質(zhì)土層，而人行透水磚、車行透水磚無(wú)介質(zhì)土層，另外綠植類海綿設(shè)施的植被覆蓋對(duì)降雨—徑流關(guān)系也起著重要調(diào)蓄作用。當(dāng)降水量低于暴雨量時(shí)，綠植類可以很大程度消納雨水、削減洪峰，具有良好的徑流控制能力，此時(shí)降雨—徑流相關(guān)性表現(xiàn)為較差或很差；當(dāng)降水量達(dá)到暴雨級(jí)別時(shí)，綠植植被本身及介質(zhì)土層的干擾調(diào)控作用明顯減弱，此時(shí)降雨—徑流相關(guān)性回歸自然水文屬性。人行透水磚、車行透水磚降雨—徑流相關(guān)曲線未出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)可能原因有3個(gè)：一是資料有限，人行透水磚、車行透水磚缺少高值場(chǎng)次暴雨對(duì)應(yīng)的降雨—徑流過(guò)程；二是從生態(tài)草溝和雨水花園突變前削減率和削峰率普遍高值、徑流系數(shù)和洪峰流量持續(xù)維持低值，到突變后削減率和削峰率顯著降低、徑流系數(shù)和洪峰流量顯著增加的規(guī)律來(lái)看，人行透水磚、車行透水磚現(xiàn)在已有低削減率和低削峰率、高徑流系數(shù)和高洪峰流量出現(xiàn)，因此人行透水磚、車行透水磚降雨—徑流關(guān)系發(fā)生突變可能性不大；三是人行透水磚、車行透水磚鋪裝上沒有植被覆蓋，缺少顯著外部調(diào)蓄因子。

3.2 降水量級(jí)對(duì)海綿設(shè)施水文性能的影響

表1為同一量級(jí)場(chǎng)次降雨下不同海綿設(shè)施徑流控制效果統(tǒng)計(jì)特征，其中平均降水量為相應(yīng)海綿設(shè)施分析時(shí)采用的所有場(chǎng)次降雨的平均降水量。暴雨條件下，徑流系數(shù)車行透水磚>雨水花園>生態(tài)草溝，相應(yīng)地，削減率車行透水磚<生態(tài)草溝<雨水花園；削峰率生態(tài)草溝<車行透水磚?雨水花園；洪峰流量生態(tài)草溝?車行透水磚>雨水花園。大雨條件下，徑流系數(shù)人行透水磚>車行透水磚?雨水花園>生態(tài)草溝，相應(yīng)地，削減率人行透水磚?車行透水磚<生態(tài)草溝<雨水花園；削峰率變化規(guī)律同削減率；洪峰流量人行透水磚?車行透水磚>雨水花園=生態(tài)草溝。中雨條件下，徑流系數(shù)人行透水磚>車行透水磚?雨水花園>生態(tài)草溝；相應(yīng)地，削減率隨海綿設(shè)施變化規(guī)律同大雨，也是人行透水磚最小，雨水花園、生態(tài)草溝最大；削峰率均在96%以上，其中雨水花園、生態(tài)草溝最大達(dá)100%，車行透水磚次之為98%，人行透水磚最小?？傮w而言，海綿設(shè)施的徑流控制效果在不同降雨強(qiáng)度下表現(xiàn)出一定的相似性和規(guī)律性。下面對(duì)不同降雨強(qiáng)度下的海綿設(shè)施徑流控制評(píng)估指標(biāo)一一闡述。

對(duì)于徑流系數(shù)，不同海綿設(shè)施對(duì)應(yīng)值基本上是暴雨條件下最大，大雨次之，中雨最小，比如車行透水磚從暴雨的0.298減少至大雨的0.202到中雨的0.166，而人行透水磚降幅更明顯，從大雨的0.714減至中雨的0.290。需要說(shuō)明的是，雨水花園、生態(tài)草溝從暴雨到大雨均呈明顯減少趨勢(shì)，但從大雨到中雨變化幅度沒有暴雨到大雨顯著，這主要與暴雨降雨強(qiáng)度顯著大于大雨的降雨強(qiáng)度有關(guān)，而大雨至中雨的降雨強(qiáng)度減幅沒有暴雨至大雨的明顯。

不同海綿設(shè)施削減率在不同降雨強(qiáng)度下的統(tǒng)計(jì)規(guī)律不同。從暴雨到大雨，車行透水磚和生態(tài)草溝的削減率表現(xiàn)出顯著增加；從大雨到中雨，除了人行透水磚顯著增加外，其他海綿設(shè)施則是輕微增加或不增加，雨水花園則是在暴雨時(shí)期消減率就已經(jīng)接近100%，所以其削減率保持不變。

對(duì)于削峰率，除了人行透水磚從大雨51.4%顯著增加至中雨96.4%、生態(tài)草溝從暴雨83.1%顯著增加至大雨99.9%外，其他海綿設(shè)施的變化規(guī)律不明顯。

對(duì)于洪峰流量，從暴雨到大雨，均表現(xiàn)出明顯的遞減規(guī)律，而從大雨到中雨，除了人行透水磚和車行透水磚顯著減少外，生態(tài)草溝保持不變，雨水花園無(wú)明顯變化規(guī)律。

綜上，不同海綿設(shè)施的產(chǎn)流能力在暴雨條件下最大，并基本上在不同降雨強(qiáng)度下均依次從人行透水磚、車行透水磚、雨水花園、生態(tài)草溝遞減，且從暴雨到大雨遞減規(guī)律比大雨到中雨遞減規(guī)律顯著；不同海綿設(shè)施對(duì)暴雨的消減能力最弱，并基本上在不同降雨強(qiáng)度下均依次從人行透水磚、車行透水磚、生態(tài)草溝、雨水花園遞增，且從暴雨到大雨遞減規(guī)律比大雨到中雨遞減規(guī)律顯著，雨水花園在暴雨、大雨、中雨條件下均能近100%消減徑流總量；不同海綿設(shè)施的洪峰流量在暴雨條件下最大，但此時(shí)對(duì)洪峰削減能力最弱，其中雨水花園對(duì)洪峰的緩解能力最強(qiáng)。

3.3 降雨雨型對(duì)海綿設(shè)施水文性能的影響

根據(jù)有無(wú)雨峰可將試驗(yàn)場(chǎng)次降水過(guò)程分為雨峰型和無(wú)雨峰型。雨峰型根據(jù)雨峰位置差異又可分為雨峰前置、雨峰中間、雨峰后置3種主要類型；無(wú)雨峰型降雨過(guò)程基本無(wú)雨峰出現(xiàn)或雨峰很小，根據(jù)其降雨聚散程度分為集中型和分散型，集中型一般以集中前部為主?？紤]資料可利用性和降水量級(jí)代表性，依據(jù)場(chǎng)次降水量相近原則，分別選擇不同降水量級(jí)降雨徑流過(guò)程深入分析雨型對(duì)海綿設(shè)施水文性能的影響(表2)。需要說(shuō)明的是，4#場(chǎng)次降水量為49.5 mm，接近暴雨量級(jí)，除了被用于分析大雨降雨徑流過(guò)程外，同時(shí)也用于暴雨場(chǎng)次分析，以彌補(bǔ)實(shí)測(cè)暴雨場(chǎng)次不足。

表2 降雨雨型對(duì)海綿設(shè)施水文性能的影響Table 2Impacts of the rainfall patterns on the hydrological functions of sponge facilities

(1) 降水量接近、雨型不同、平均降雨強(qiáng)度差異顯著，洪峰流量顯著不同的降雨徑流過(guò)程。1#和2#場(chǎng)次暴雨降水量十分接近，但降雨時(shí)程分配顯著不同，前者雨峰后置、后者雨峰位于中間，且后者平均降雨強(qiáng)度和最大單位雨強(qiáng)分別是前者的10倍和3倍，歷時(shí)只是前者的1/10，故徑流系數(shù)和洪峰流量顯著高于前者(約3倍)，削減率和削峰率也相應(yīng)減弱，其中削減率更為明顯。這個(gè)說(shuō)明降水量接近時(shí)，降雨時(shí)程分配越集中，產(chǎn)流比例就越高，洪峰流量也越大越尖瘦，而洪量削減和洪峰緩解性能也相應(yīng)減弱。

(2) 降水量接近、雨型不同、平均降雨強(qiáng)度相近，洪峰流量顯著不同的降雨徑流過(guò)程。3#和4#為2場(chǎng)暴雨降雨過(guò)程，其中3#降雨持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，平均降雨強(qiáng)度略低于4#，但3#徑流系數(shù)約是4#的3.5倍，洪峰流量是4#的5.8倍，削減率顯著低于4#。這主要是由于3#降雨歷時(shí)雖長(zhǎng)，但約62%降水量均集中在1 h之內(nèi)，大于10 mm的最大5 min單位降水量出現(xiàn)了2次，而4#最大5 min單位降水量?jī)H為9.5 mm，說(shuō)明短歷時(shí)強(qiáng)降雨對(duì)車行透水磚產(chǎn)流能力起非常重要作用。因此，盡管降水總量與平均降雨強(qiáng)度均較為接近，但只要最大單位雨量及其頻次顯著較高則對(duì)應(yīng)的徑流系數(shù)、洪峰流量就越大，相應(yīng)地，海綿設(shè)施對(duì)徑流總量削減和洪峰緩解能力顯著降低。6#和7#為降水量相近、雨型差異很大、平均降雨強(qiáng)度較相近的大雨降雨過(guò)程，8#和9#、10#和11#為同類型中雨降雨過(guò)程，也可以得到上述相似結(jié)論，不過(guò)雨水花園在削減率和削峰率上變化不大。

(3) 降水量接近、雨型相同，洪峰流量相近的降雨徑流過(guò)程。4#和5#均為雨峰中間雨型大雨降雨過(guò)程，但4#整個(gè)降雨過(guò)程較5#更為集中。4#前期以局部產(chǎn)流為主，而5#在最大雨峰之前降雨持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，為后續(xù)降雨的全流域產(chǎn)流提供了很好的條件，因此，盡管4#平均降雨強(qiáng)度和最大單位雨強(qiáng)均較5#略高，但最終二者徑流系數(shù)較為接近，洪峰流量甚至相等；由于4#前期雨強(qiáng)大，所以徑流總量削減能力總體偏弱，而洪峰緩解程度上比較接近。

綜上，降雨雨型、平均降雨強(qiáng)度和最大單位降雨強(qiáng)度綜合影響海綿設(shè)施的水文性能。對(duì)于降水量接近但降雨時(shí)程分配顯著不同的降雨過(guò)程，平均降雨強(qiáng)度越高或降雨越集中，徑流總量、洪峰流量則越大，相應(yīng)地，洪量削減則顯著偏低，洪峰緩解能力也將減弱，內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)因此顯著增強(qiáng)；對(duì)于降水量接近且雨型相同的條件下，海綿設(shè)施受降雨強(qiáng)度影響不明顯，在產(chǎn)流能力、徑流總量控制、洪峰緩解等方面的水文性能差異不大。4項(xiàng)海綿設(shè)施徑流控制評(píng)估指標(biāo)中，除雨水花園外，其他海綿設(shè)施的徑流系數(shù)對(duì)雨型、平均降雨強(qiáng)度和最大單位降雨強(qiáng)度變化最為敏感，洪峰流量次之，削減率第3，削峰率的敏感性顯著低于前面三者；雨水花園的削減率和削峰率受上述影響因子變化不明顯。

3.4 運(yùn)行時(shí)間對(duì)海綿設(shè)施水文效益的影響

與雨水花園、生態(tài)草溝最顯著的區(qū)別是人行透水鋪裝和車行透水鋪裝隨著時(shí)間運(yùn)行，其表面的縫隙及孔隙會(huì)隨著水流中攜帶的泥沙或周圍環(huán)境中的泥沙沉積而慢慢變小，如果沒有及時(shí)沖刷，將被完全堵住，從而喪失良好的透水性能。以車行透水磚為例，研究海綿設(shè)施運(yùn)行對(duì)其水文性能的影響。表3為車行透水磚在2019年和2020年的徑流控制特征統(tǒng)計(jì)。由于2019年未監(jiān)測(cè)到暴雨場(chǎng)次降雨，故僅統(tǒng)計(jì)了大雨和中雨條件下車行透水磚的不同徑流控制效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3 2019年和2020年車行透水磚徑流控制效果特征統(tǒng)計(jì)Table 3Statistics on runoff control effect of vehicle permeable brick in 2019 and 2020

對(duì)于徑流系數(shù)，大雨條件下2019年為0.095，2020年顯著上升至0.259，增加了1.7倍；中雨條件下從2019年0.072顯著上升至0.226，增加了2.1倍。對(duì)于洪峰流量，大雨條件下2019年為0.019 m3/h，2020年顯著上升至0.055 m3/h，增加了1.9倍；中雨條件下從2019年的0.004 m3/h顯著增加至0.014 m3/h，增加2.5倍。說(shuō)明隨著設(shè)施運(yùn)行，車行透水磚表面及磚與磚之間的縫隙越來(lái)越小，導(dǎo)致下滲能力變?nèi)酰a(chǎn)流能力越來(lái)越強(qiáng)，洪峰也越來(lái)越尖瘦。對(duì)于削減率，大雨條件下2019年為90.5%，2020年顯著降低至74.1%；中雨條件下從2019年的92.8%顯著降低至77.4%，均減少了近16%。對(duì)于削峰率，大雨條件下2019年為98.8%，2020年降低至91.9%；中雨條件下從2019年的98.7%降低至2020年的96.3%。說(shuō)明隨著設(shè)施的運(yùn)行，車行透水磚下滲能力的變?nèi)跏蛊鋵?duì)徑流的消減能力顯著降低，洪峰緩解能力也明顯減弱，但弱化程度沒有消減能力顯著。

以上分析表明，隨著海綿設(shè)施運(yùn)行，在產(chǎn)流能力、洪峰流量方面顯著增大，而在徑流總量消減及洪峰緩解方面明顯弱化，尤其是在徑流總量消減能力上。研究發(fā)現(xiàn)車行紅磚周圍有較多裸露的土壤，可能是堵塞物質(zhì)的重要來(lái)源?？梢?，在車行透水鋪裝的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行中應(yīng)考慮堵塞問(wèn)題，同時(shí)應(yīng)避免鄰近不透水區(qū)域的側(cè)向含泥沙水流匯入。在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)定期檢查車行鋪裝情況，必要時(shí)應(yīng)采取壓力清洗和真空清掃法清潔其表面。因此，需要在未來(lái)的研究中對(duì)不同維護(hù)方案下的車行透水鋪裝路面進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，以便更好地了解其在特定地區(qū)水文功能的可持續(xù)性。

4 結(jié) 論

依托國(guó)家首批海綿試點(diǎn)城市鎮(zhèn)江海綿基地的人行透水磚、車行透水磚、生態(tài)草溝及雨水花園等4種典型海綿設(shè)施的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了場(chǎng)次降雨與海綿設(shè)施出流相關(guān)性，剖析了海綿設(shè)施對(duì)降水量級(jí)及降雨雨型的水文響應(yīng)，最后初步揭示了海綿設(shè)施水文效益隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：透水鋪裝類與綠植類海綿設(shè)施降雨—徑流相關(guān)關(guān)系差異顯著，分別呈單一式和分段式；暴雨條件下削減率與削峰率最小、產(chǎn)流能力最強(qiáng)、洪峰流量最大，且從暴雨到大雨變化規(guī)律比大雨到中雨顯著；徑流系數(shù)、削減率和洪峰流量受降雨雨型、平均場(chǎng)次降雨強(qiáng)度和最大單位降雨強(qiáng)度變化影響明顯；設(shè)施運(yùn)行1 a后透水鋪裝的徑流控制能力明顯減弱。