降雨特征對(duì)半透水道路徑流系數(shù)的影響

王建龍，彭柳葦，張敬玉,3，李 凱，王澤熙

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.北京建筑大學(xué)北京節(jié)能減排與城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100044；3.中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120)

徑流系數(shù)是匯水面積上產(chǎn)生的徑流量與降水量的比值，其合理取值對(duì)于確定城市防洪排澇設(shè)施、排水管網(wǎng)、低影響開發(fā)設(shè)施規(guī)模以及數(shù)學(xué)模型中參數(shù)取值具有重要意義[1-2]。有研究表明，降雨特征對(duì)徑流系數(shù)有重要影響[3]，降水量和降雨強(qiáng)度與徑流系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系[4-5]；當(dāng)雨型不變時(shí)，徑流系數(shù)與坡度、降水量、降雨強(qiáng)度呈線性關(guān)系[6]，與降雨歷時(shí)呈指數(shù)關(guān)系[7]。張敬玉等[8]研究發(fā)現(xiàn)，低重現(xiàn)期時(shí)坡度對(duì)徑流系數(shù)影響大，高重現(xiàn)期時(shí)坡度對(duì)徑流系數(shù)影響小。Dunkerley[9]研究表明，當(dāng)總降水量和降雨歷時(shí)相同時(shí)，后峰型降雨徑流系數(shù)大于前峰型降雨徑流系數(shù)。Philip等[10-11]研究表明，土壤含水率和平均入滲率呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，隨著土壤前期含水率的增加，同一時(shí)間非穩(wěn)滲階段的入滲率迅速降低，且趨于穩(wěn)定入滲率的時(shí)間變短，因此，在場(chǎng)次總降水量不變的條件下，初期降雨強(qiáng)度越大，下滲雨量越多，徑流系數(shù)越小。孔花[12]的研究表明徑流系數(shù)與降水量呈線性關(guān)系，且隨著降水量的增加而增加；徑流系數(shù)與降雨歷時(shí)呈指數(shù)關(guān)系，且隨著降雨歷時(shí)延長逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定；雨峰系數(shù)越大，徑流系數(shù)越大。馮玉啟等[13]的研究表明雨型對(duì)徑流系數(shù)的峰值和均值具有重要影響。許翼等[14]對(duì)回填土草坪徑流系數(shù)的研究表明徑流系數(shù)隨著降水量的增加而增加，在恒定降雨強(qiáng)度下，降雨歷時(shí)延長導(dǎo)致徑流系數(shù)的增長率降低。下墊面類型對(duì)徑流系數(shù)也具有重要影響[15-16]，王坤[17]通過人工模擬降雨裝置，研究了不透水瀝青和水泥混凝土路面在不同降雨條件下徑流系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，結(jié)果表明瀝青路面和水泥混凝土路面徑流系數(shù)隨降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度和降水量等變化而變化。馮玉啟等[13]研究發(fā)現(xiàn)半透水道路徑流系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的變化存在一個(gè)敏感區(qū)間，在低降雨強(qiáng)度敏感區(qū)間外，徑流系數(shù)值很小，而在敏感區(qū)間內(nèi)，徑流系數(shù)隨降雨強(qiáng)度迅速增加，其增長率先增后減，最后趨于穩(wěn)定。張愛江等[18-19]通過研究路面的滲透能力發(fā)現(xiàn)，透水路面的徑流系數(shù)小于傳統(tǒng)不透水路面，透水路面徑流量平均降低91%以上。武晟[20]采用模擬降雨的方法，對(duì)屋面、不透水磚、水泥路面、透水磚及草地的徑流系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，透水性好的下墊面徑流系數(shù)受重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)影響較小，在相同降雨條件下，徑流系數(shù)從小到大的弱透水性下墊面依次為水泥路面、屋面、不透水磚。目前關(guān)于徑流系數(shù)的研究主要圍繞不透水下墊面和透水瀝青、透水磚、綠地等透水下墊面以及降雨參數(shù)對(duì)徑流系數(shù)的影響，而對(duì)半透水道路徑流系數(shù)的研究較少。

在雨水排水相關(guān)規(guī)范中，一般規(guī)定徑流系數(shù)按照下墊面類型取值，且規(guī)范通常只給出不同類型下墊面的取值范圍，工程設(shè)計(jì)時(shí)取值存在一定主觀性，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大。在CJJ/T 190—2012《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》中將透水瀝青路面結(jié)構(gòu)分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3種類型，但關(guān)于不同結(jié)構(gòu)類型透水瀝青路面的徑流系數(shù)在該標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確給出。JTG/T D33—2012《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定透水瀝青路面徑流系數(shù)取0.60～0.80，該標(biāo)準(zhǔn)中雖然給出了透水瀝青路面徑流系數(shù)取值范圍，但并未明確不同類型鋪裝結(jié)構(gòu)應(yīng)該如何取值。針對(duì)上述問題，本文選擇實(shí)際工程中市政道路透水瀝青路面廣泛采用的半透水路面(Ⅰ型結(jié)構(gòu))為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究了降雨參數(shù)對(duì)徑流系數(shù)的影響。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)裝置

人工模擬降雨裝置凈高為15 m，有效降雨面積為300 m2，雨滴直徑為1.5～5.0 mm，降雨均勻度大于0.9，降雨強(qiáng)度范圍為6～240 mm/h，人工模擬降雨采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，試驗(yàn)期間降雨強(qiáng)度的誤差不超過5%。

試驗(yàn)裝置采用1∶1單車道物理模型，系統(tǒng)圖和剖面圖如圖1所示，橫坡和縱坡坡度均為1%，路面尺寸為18 m×4 m，雨水口尺寸為750 mm×450 mm，圖中Q1、Q2、Q3和Q4分別為路面徑流量、縱向滲流量、橫向滲流量和雨水口入流量。試驗(yàn)道路按照CJJ/T 190—2012《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》鋪設(shè)，道路面層材質(zhì)為OGFC-12型，鋪裝結(jié)構(gòu)采用透水瀝青Ⅰ型排水方式。通過循環(huán)泵將路面徑流和縱向滲流輸送到道路上游的配水箱(尺寸為0.3 m×4 m×0.3 m)，然后通過V型堰均勻排入道路，模擬上游來水(客水)。

(a)系統(tǒng)圖

(b)剖面圖

試驗(yàn)儀器設(shè)備和參數(shù)：人工模擬降雨系統(tǒng)(1套)降雨強(qiáng)度范圍為6～240 mm/h；超聲波流量計(jì)(4臺(tái))流量測(cè)量范圍為0.2～16 m3/h；翻斗式雨量計(jì)(4臺(tái))降雨強(qiáng)度測(cè)量范圍為6～240 mm/h；數(shù)據(jù)采集器(4臺(tái))采集時(shí)間間隔為1 s；激光水準(zhǔn)儀(2臺(tái))安平精度為±0.3°，往返誤差為1 mm/km；水泵(1臺(tái))最大流量Qmax為60 L/min，最高揚(yáng)程H為4 m。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1流量監(jiān)測(cè)

流量監(jiān)測(cè)包括路面徑流量、縱向滲流量、橫向滲流量、雨水口入流量，其中，縱向滲流量和橫向滲流量之和為路面總滲透量。在道路面層末端設(shè)有雙層集水槽，分別收集路面徑流和縱向滲流；在道路雨水口一側(cè)透水面層下面埋設(shè)鋼槽，鋼槽上方為鐵絲網(wǎng)，防止瀝青材料進(jìn)入鋼槽內(nèi)，鋼槽末端連接管道，收集面層橫向滲流；在雨水口最低處安裝管道，收集進(jìn)入雨水口的徑流。在降雨初期和末期，路面產(chǎn)流較小，流量計(jì)誤差較大，采用人工取樣測(cè)量流量，其余時(shí)刻采用超聲波流量計(jì)(型號(hào)為DCT1158)測(cè)量流量。

1.2.2降雨參數(shù)

試驗(yàn)期間選擇的降雨重現(xiàn)期為0.5 a、1 a、3 a、5 a、10 a和20 a, 降雨歷時(shí)為30 min、60 min和120 min，北京市根據(jù)降雨時(shí)空分布特征劃分為2個(gè)降雨分區(qū)，試驗(yàn)采用北京市Ⅱ區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式(式(1))計(jì)算暴雨強(qiáng)度，雨型采用芝加哥雨型。

(1)

式中：q為暴雨強(qiáng)度，L/(shm2)；P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。

根據(jù)芝加哥雨型過程線對(duì)降雨進(jìn)行分配，得到不同重現(xiàn)期、不同歷時(shí)、不同雨峰系數(shù)r的設(shè)計(jì)降雨過程線，如圖2所示。

1.2.3徑流系數(shù)

徑流系數(shù)計(jì)算公式為

(2)

式中：φ為徑流系數(shù)；R為徑流深度，mm；k為降雨深度，mm；kl為場(chǎng)次總降水量，m3。

1.3 試驗(yàn)工況

為驗(yàn)證試驗(yàn)過程中測(cè)量設(shè)備監(jiān)測(cè)精度和運(yùn)行的穩(wěn)定性以及試驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)不同工況試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了水量平衡誤差分析。水量平衡誤差為場(chǎng)次總降水量和監(jiān)測(cè)流量的差值與場(chǎng)次總降水量的比值。不同試驗(yàn)工況下水量平衡誤差分析的最小值、最大值和平均值見表1。從表中可知，試驗(yàn)期間誤差變化范圍為1.73%～12.67%，表明降雨裝置、監(jiān)測(cè)設(shè)備和道路平臺(tái)運(yùn)行較穩(wěn)定，可以滿足試驗(yàn)要求。

(a)不同重現(xiàn)期(t=60 min,r=0.4)

(b)不同歷時(shí)(P=3 a,r=0.4)

(c)不同雨峰系數(shù)(P=3 a,t=60 min)

表1 水量平衡誤差分析

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨重現(xiàn)期對(duì)徑流系數(shù)的影響

芝加哥雨型條件下,降雨歷時(shí)為60 min、雨峰系數(shù)為0.4時(shí)，不同重現(xiàn)期條件下徑流系數(shù)變化特征如圖3所示。由圖3可知，隨著重現(xiàn)期的增加，半透水道路徑流系數(shù)逐漸增大，路面徑流量和縱向滲流量增長緩慢，橫向滲流量和雨水口入流量增長較快。重現(xiàn)期從0.5 a增加到20 a，徑流系數(shù)從0.093增加到0.377，當(dāng)0.5 a≤P<1 a時(shí)，徑流系數(shù)增長速率最快；重現(xiàn)期從0.5 a增加到20 a，雨水口入流量和橫向滲流量分別增加了1.353 m3和1.842 m3，雨水口入流量占場(chǎng)次總降水量的比例從10%增加到38%，橫向滲流量占場(chǎng)次總降水量的比例從80%減小到51%。從試驗(yàn)結(jié)果看，當(dāng)0.5 a≤P<1 a、1 a≤P<10 a時(shí)，半透水道路的徑流系數(shù)分別為0.093～0.197、0.197～0.347；當(dāng)10 a≤P≤20 a時(shí)，半透水道路的徑流系數(shù)接近0.40。因此，隨著降雨強(qiáng)度的增大，雨水口和側(cè)向滲透排水設(shè)施的效率都在提高，在透水鋪裝效果評(píng)估時(shí)，應(yīng)充分考慮重現(xiàn)期的影響，同時(shí)要結(jié)合透水鋪裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來綜合分析。與JTG/T D33—2012《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的透水瀝青路面徑流系數(shù)(0.60～0.80)相比，徑流系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果偏低，主要與道路結(jié)構(gòu)相關(guān)。本試驗(yàn)采用CJJ/T 190—2012《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》給出的Ⅰ型結(jié)構(gòu)，假設(shè)橫向滲流全部通過路緣石底部透水水泥混凝土自然下滲，因此未計(jì)入徑流系數(shù)的計(jì)算。

圖3 芝加哥雨型不同重現(xiàn)期下徑流系數(shù)變化

2.2 降雨歷時(shí)對(duì)徑流系數(shù)的影響

芝加哥雨型條件下,重現(xiàn)期為3 a、雨峰系數(shù)為0.4時(shí)，不同降雨歷時(shí)徑流系數(shù)變化特征如圖4所示。由圖4可知，隨著降雨歷時(shí)的增加，徑流系數(shù)逐漸減小，但雨水口入流量、橫向滲流量、路面徑流量和縱向滲流量均逐漸增加，其中，橫向滲流量和道路雨水口入流量增幅較大，當(dāng)降雨歷時(shí)由30 min增加到120 min時(shí)，增幅分別為55.8%和59.1%。當(dāng)降雨歷時(shí)為30 min、60 min和120 min時(shí)，徑流系數(shù)依次為0.234、0.227和0.198；對(duì)應(yīng)于降雨歷時(shí)增幅區(qū)間30～60 min和60～120 min，徑流系數(shù)分別減少了0.007和0.029，即重現(xiàn)期一定時(shí)，短歷時(shí)降雨的徑流系數(shù)大于長歷時(shí)降雨的徑流系數(shù)，主要是由于隨著降雨歷時(shí)增加，降雨強(qiáng)度增長速率減小，滲流量隨之增加，但隨著降雨歷時(shí)增加，總降水量也增加，因此，降雨歷時(shí)對(duì)半透水道路徑流系數(shù)總體影響較小。上述研究結(jié)果可為實(shí)際工程中徑流系數(shù)取值提供參考。

圖4 芝加哥雨型不同降雨歷時(shí)下徑流系數(shù)變化

2.3 雨峰系數(shù)對(duì)徑流系數(shù)的影響

芝加哥雨型條件下,降雨歷時(shí)為60 min、重現(xiàn)期為3 a時(shí)，不同雨峰系數(shù)條件下徑流系數(shù)變化特征如圖5所示。由圖5可知，隨著雨峰系數(shù)的增大(降雨峰值的延后)，徑流系數(shù)逐漸增大，雨水口入流量、橫向滲流量、路面徑流量和縱向滲流量變化不明顯，當(dāng)雨峰系數(shù)從0.4(前峰)增加到0.8(后峰)時(shí)，徑流系數(shù)由0.227增加到0.253。降雨初期，半透水道路的含水率較低，單位時(shí)間內(nèi)下滲量較大，降雨峰值越早出現(xiàn)，越有利于雨水下滲。如果降雨峰值出現(xiàn)較遲，此時(shí)半透水道路的含水率較高，下滲速率降低，單位時(shí)間內(nèi)下滲量減少，徑流系數(shù)增加。結(jié)果表明，雨峰系數(shù)對(duì)徑流系數(shù)具有一定的影響，雨峰系數(shù)越大，徑流系數(shù)越大。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，徑流系數(shù)的取值應(yīng)根據(jù)雨峰系數(shù)的大小，取徑流系數(shù)參考值上限或下限。

圖5 芝加哥雨型不同雨峰系數(shù)下徑流系數(shù)變化

2.4 雨型對(duì)徑流系數(shù)的影響

降雨歷時(shí)為 60 min時(shí)，均勻雨型不同重現(xiàn)期條件下徑流系數(shù)變化特征如圖6所示。與圖3相比，芝加哥雨型和均勻雨型相同重現(xiàn)期條件下的半透水道路雨水口入流量、橫向滲流量、路面徑流量和縱向滲流量變化相近，說明雨型對(duì)入滲量、徑流量的影響較小。當(dāng)重現(xiàn)期分別為 0.5 a、1 a、3 a和10 a 時(shí)，芝加哥雨型條件下的徑流系數(shù)分別為0.093、0.197、0.227和0.347，均勻雨型條件下的徑流系數(shù)分別為 0.103、0.215、0.237和0.360，可見兩種雨型的徑流系數(shù)均隨重現(xiàn)期的增加而增加，且均勻雨型的徑流系數(shù)略大于芝加哥雨型的徑流系數(shù)。胡振龍[15]對(duì)均勻雨型條件下透水鋪裝的徑流系數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)坡度為5%、降雨強(qiáng)度為40.8 mm/h、降雨歷時(shí)為60 min時(shí)，徑流系數(shù)為0.208，與本文試驗(yàn)得到P為1 a時(shí)的徑流系數(shù)0.215的值相近。由此可見，在降雨強(qiáng)度為 40 mm/h的均勻雨型下，半透水道路的徑流系數(shù)約為0.21。由試驗(yàn)結(jié)果可知，雨型對(duì)徑流系數(shù)有一定的影響，因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)和模型參數(shù)選取時(shí)應(yīng)考慮雨型不同帶來的影響。

圖6 均勻雨型不同重現(xiàn)期下徑流系數(shù)變化

3 結(jié) 論

a.半透水道路徑流系數(shù)隨著重現(xiàn)期的增大而增大，當(dāng)重現(xiàn)期為0.5～20 a、降雨歷時(shí)為60 min、雨峰系數(shù)為0.4時(shí)，徑流系數(shù)為0.093～0.377，因此，徑流系數(shù)取值時(shí)，應(yīng)充分考慮重現(xiàn)期的影響和不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

b.半透水道路徑流系數(shù)隨著降雨歷時(shí)的增大而減小，當(dāng)重現(xiàn)期為3 a、雨峰系數(shù)為0.4、降雨歷時(shí)為30～120 min時(shí)，徑流系數(shù)為0.234～0.198;徑流系數(shù)隨著雨峰系數(shù)的增大而增大。

c.為提高實(shí)際工程設(shè)計(jì)計(jì)算和模型模擬精度，徑流系數(shù)的取值應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，考慮雨峰系數(shù)和雨型的影響。當(dāng)雨峰系數(shù)較小或在均勻雨型條件下，徑流系數(shù)應(yīng)取參考值變化范圍的下限，當(dāng)雨峰系數(shù)較大或在芝加哥雨型條件下，徑流系數(shù)應(yīng)取參考值變化范圍的上限。