海綿城市透水鋪裝對地表徑流控制效果研究

朱潤田，張小明，陳 旺，萬正武，鄭木蓮

(1.珠海鶴港高速公路有限公司，廣東 珠海 519000；2.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引言

隨著城市化的快速發(fā)展，繁重的交通加大了對道路基礎(chǔ)設(shè)施的需求。而城市道路普遍采用不透水路面，使得在暴雨發(fā)生時城市可能因排水不暢產(chǎn)生內(nèi)澇[1]。鑒于此，有關(guān)專家學(xué)者提出建設(shè)“海綿城市”，重點體現(xiàn)“自然”的建設(shè)理念。透水路面作為一種低影響開發(fā)技術(shù)(LID)，已成為實現(xiàn)“海綿城市”的重要手段之一[2]。通常，透水路面結(jié)構(gòu)體系包含表面層和基層，表面層可由孔隙率大、高滲透性的透水瀝青混合料(PAM)或透水水泥混凝土(PCC)組成，采用粗骨料形成的基層結(jié)構(gòu)，具有臨時儲存功能，減少徑流的優(yōu)點[3]。鑒于這些優(yōu)點，透水路面已經(jīng)成為一種用于徑流雨水控制的廣泛使用的技術(shù)，因其不同的結(jié)構(gòu)類型對徑流雨水不同的控制指標作用效果(如徑流深度，徑流峰值，產(chǎn)流時長等)存在差異而受到了廣泛的研究。

通常，主要采用兩種方法開展徑流削減研究，包括徑流模型的建立和現(xiàn)場試驗監(jiān)測[4]。李陽等[5]基于SWMM模型分析了綠化屋頂、透水路面和下凹式綠地共3種措施對城市徑流量的減少效果，結(jié)果表明透水路面對徑流量有顯著的削減效果。Xie等[6]采用SWMM模擬了江蘇一個村落的地表徑流，并分析不同降雨重現(xiàn)期下透水路面的作用效果，結(jié)果表明組合系統(tǒng)(透水路面+植草)在削減徑流方面比單一系統(tǒng)更加有效。Jose等[7]發(fā)現(xiàn)全透型路面對地表徑流以及徑流峰值的減少影響很大，但對補充地下水的作用小。趙沛等[8]在居民區(qū)中鋪設(shè)透水鋪裝后對雨水徑流效果模擬，發(fā)現(xiàn)透水路面對該區(qū)域產(chǎn)流時間、徑流總量削減以及推遲徑流峰值時刻具有重要作用。夏遠芬等[9]對南京某小區(qū)進行透水鋪裝徑流削減效果研究，該小區(qū)為新建小區(qū)，其中路面有25%的面積采用透水鋪裝。通過對其進行長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)采用透水鋪裝后，該小區(qū)在降雨時雨水徑流深度每年減少了108.44 mm。

綜上所述，當(dāng)前研究人員側(cè)重于慢行系統(tǒng)的透水路面，且常把透水路面和各類低影響開發(fā)設(shè)施(如植草溝、生物滯留池、綠色屋頂?shù)?組合，并研究整套低影響開發(fā)設(shè)施對雨水徑流控制效果。單獨針對城市道路車行道典型透水路面結(jié)構(gòu)的徑流控制效果未見系統(tǒng)研究。為此，本研究通過廣泛調(diào)研總結(jié)出我國典型海綿城市的透水鋪裝結(jié)構(gòu)，以西安市為例，采用SWMM建立模型，根據(jù)西安地區(qū)降雨條件，改變降雨重現(xiàn)期，模擬不同典型透水鋪裝結(jié)構(gòu)對道路徑流總量、徑流峰值、峰值時刻、產(chǎn)流時刻、徑流時長以及徑流系數(shù)的控制效果，為海綿城市透水鋪裝的設(shè)計和實施提供依據(jù)。

1 SWMM模型構(gòu)建

1.1 研究區(qū)域概況

采用SWMM建立徑流模型，研究區(qū)域為西安市西咸新區(qū)的一條雙向兩車道的支路，道路長度為146 m，寬為20 m，道路橫坡為1.5%。該區(qū)域由車道、自行車道、綠化帶和人行道組成，總面積為2 920 m2(圖1和圖2)，行車道為本次研究的研究對象，面積為1 752 m2，占總面積的60%。整個研究區(qū)域被劃分為14個匯水區(qū)，包含14個節(jié)點和1個排水管出口。分別在SWMM中設(shè)定表層排水型、基層儲排水型以及全透型等不同鋪裝結(jié)構(gòu)，隨后進行徑流控制效果模擬，并與未進行透水鋪裝改造的道路進行對比。

圖1 研究區(qū)域道路橫斷面圖 (單位：cm)Fig.1 Road cross-section in study area (unit：cm)

1.2 模型參數(shù)的選擇

SWMM中提供了3種模型計算徑流滲入能力，包括霍頓(Horton)模型、格林-安普特(Green-Ampt)模型、徑流曲線數(shù)值(SCS)模型。其中，Horton模型積累了比較多的可靠性參數(shù)，同時適用于地質(zhì)參數(shù)較少及各種地面下滲情況；Green-Ampt模型參數(shù)的物理意義明確，但適用于能夠提供經(jīng)驗性參數(shù)的地區(qū)；SCS模型假設(shè)透水層的總下滲能力可從透水層數(shù)值曲線獲得，適用于土壤入滲計算[11]。上述SWMM的下滲模型用于透水路面徑流模擬已得到眾多學(xué)者的校正和檢驗，模型中使用的各類參數(shù)應(yīng)用較為成熟，且得到了廣泛的應(yīng)用[10-11]?？紤]多種國外模型的適用性，鑒于本研究選取西咸新區(qū)數(shù)據(jù)六路其中一段，屬于新建地區(qū)路段，地質(zhì)資料較少，因此本研究選擇霍頓方程進行下滲水量的計算分析。此外，本研究在計算降雨過程中，考慮到降雨變化規(guī)律，選擇分鐘為時間步長來進行計算，因此選取運動波法進行計算。采用非線性水庫法用于地表徑流的計算，即聯(lián)合求解SWMM中的連續(xù)性方程和曼寧公式。

在SWMM模型的水文模塊中，相應(yīng)的參數(shù)包括雨量計和LID控制設(shè)置。首先，選擇Horton滲透模型，并選擇運動波來描述徑流模型。其次，添加雨量計，時間序列是基于芝加哥降雨模型計所得。最后，在LID設(shè)施子模塊中輸入透水鋪裝各層的參數(shù)。每一種透水鋪裝都需要輸入面層、透水鋪裝、儲存3層參數(shù)。相關(guān)參數(shù)取值范圍見表1[12]。

表1 水文參數(shù)的取值范圍Tab.1 Value ranges of hydrological parameters

1.3 暴雨強度設(shè)計

本研究使用SWMM時，輸入的降雨數(shù)據(jù)是基于西安市最新的暴雨強度公式(公式1)計算產(chǎn)生。

q=16.71(1+1.165 81gP)/(t+16.813)0.930 2,

(1)

式中，q為降雨強度；P為降雨復(fù)發(fā)期；t為降雨時長；這些各項參數(shù)是基于西安暴雨的原始數(shù)據(jù)，通過比較不同頻率分布得到[13-14]。

根據(jù)西安市實際降雨量，選取降雨重現(xiàn)期為1，2，3，5,10，20和50 a。降雨持續(xù)時間為120 min，時間步長為1 min。由于芝加哥降雨模型對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求低，易于模擬降雨強度過程，利用方便，故采用峰值比為0.4。不同重現(xiàn)期降雨強度序列如圖2(a)所示，累積降雨量如圖2(b)所示。

圖2 降雨模擬結(jié)果Fig.2 Rainfall simulation result

由圖2可知，重現(xiàn)期1，2，10，20和50 a 均在48 min達到了最大降雨強度，雨峰強度分別為72.5，97.9,131.6,157,182.4 和216.1 mm/min，總降雨量分別為20.7，28,37.6,44.8,52.1 和61.7 mm。

1.4 不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)定

LID的參數(shù)應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的透水鋪裝選擇，所選取的各個結(jié)構(gòu)層厚度均為代表值[15-16]。通過對典型地區(qū)的表層排水型透水鋪裝結(jié)構(gòu)進行調(diào)研和總結(jié)，提出了3種典型結(jié)構(gòu)：表層排水型、基層儲排水型和全透水型鋪裝。

表層排水鋪裝包括4種結(jié)構(gòu)，分別為單層排水型透水瀝青結(jié)構(gòu)(SPAP-I)、雙層排水型透水瀝青結(jié)構(gòu)(SPAP-II)、透水水泥混凝土結(jié)構(gòu)(SPCC)、透水水泥混凝土面層加鋪透水瀝青功能層結(jié)構(gòu)(SPCC-AP)，SWMM中LID參數(shù)見表2[17]，其中部分結(jié)構(gòu)如圖3所示。表層排水鋪裝結(jié)構(gòu)采用邊緣排水系統(tǒng)，滲入面層的雨水通過路拱橫坡排入路邊部的排水系統(tǒng)，最后匯入城市排水管網(wǎng)。在SWMM中，表層排水型透水鋪裝只有上面層或者整個面層采用透水材料，基層采用密實型材料，因此蓄水層在表層排水型透水鋪裝中參數(shù)值為0。此外，為比較透水鋪裝的徑流削減效果，本研究還構(gòu)建了普通瀝青鋪裝模型。

表2 表層排水型透水鋪裝模擬參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of surface drainage permeable pavement

圖3 表層排水型透水鋪裝結(jié)構(gòu)Fig.3 Surface drainage permeable pavement structure

基層儲排水型鋪裝包括兩種透水瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)和3種透水水泥混凝土結(jié)構(gòu)，分別為基層儲排水型瀝青結(jié)構(gòu)(單層BPAP-I，雙層BPAP-II)，基層儲排水型水泥混凝土結(jié)構(gòu)(單層BPCC-I，雙層BPCC-II)，基層儲排水型水泥混凝土面層加鋪透水瀝青面層結(jié)構(gòu)(單層BPCC-PA-I，雙層BPCC-PA-II)，SWMM中LID參數(shù)見表3[17]，部分結(jié)構(gòu)如圖4所示。將圖4(a)中的整個基層用透水材料替換可形成另一種透水瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)，類似于另一種透水水泥混凝土結(jié)構(gòu)。在SWMM中，相比于表層排水型透水鋪裝，基層儲排水型透水鋪裝多了蓄水層(相當(dāng)于透水鋪裝的基層，采用骨架空隙型穩(wěn)定類材料或多孔混凝土B類)，在降雨發(fā)生時有短暫的蓄水作用，用來緩解較大的降雨和排水設(shè)施容積較小的關(guān)系。此外還在基層下方創(chuàng)建了封層。

表3 透水鋪裝模擬參數(shù)Tab.3 Simulation parameters of permeable pavement

圖4 基層儲排水型透水鋪裝結(jié)構(gòu)Fig.4 Base course storage and drainage permeable pavement structure

全透型鋪裝包括一個透水瀝青鋪裝結(jié)構(gòu)和兩個透水水泥混凝土結(jié)構(gòu)，分別為全透型瀝青結(jié)構(gòu)(FPAP)，全透型透水泥混凝土結(jié)構(gòu)(FPCC)，全透型水泥混凝土上鋪瀝青層結(jié)構(gòu)(FPCC-PA)，SWMM中LID參數(shù)見表4[18]，結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。與基層儲排水透水鋪裝相比，全透水鋪裝的路基也具有透水性。因此，水力傳導(dǎo)率的取值不為0。

表4 全透型鋪裝模擬參數(shù)Tab.4 Simulation parameters of full permeable pavement

圖5 全透型鋪裝結(jié)構(gòu)Fig.5 Full permeable permeable pavement structure

2 結(jié)果與討論

2.1 表層排水型透水鋪裝結(jié)構(gòu)對徑流削減效果

本節(jié)從總徑流深度、徑流系數(shù)、峰值時刻、徑流峰值、產(chǎn)流時刻、產(chǎn)流時長共6個方面詳細介紹了表層排水型透水鋪裝結(jié)構(gòu)在徑流削減方面的模擬結(jié)果，如圖6所示。

圖6 不同表層排水型透水鋪裝結(jié)構(gòu)對徑流削減的影響結(jié)果Fig.6 Result of different surface drainage type permeable pavement structures on runoff reduction

2.1.1 總徑流深度

不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)徑流總深度隨重現(xiàn)期的變化如圖6(a)所示。結(jié)果表明無論在任何降雨強度下，透水鋪裝的總徑流深度均小于普通瀝青鋪裝的總徑流深度，其中總徑流深度的削減效果由小到大依次為：SPAP-Ⅰ

總體上，從不同表層排水型透水鋪裝結(jié)構(gòu)對總徑流深度的影響而言，雙層透水鋪裝從厚度和容水能力方面都優(yōu)于單層透水鋪裝，因此在表層透水鋪裝中建議選擇雙層透水鋪裝結(jié)構(gòu)。

2.1.2 徑流系數(shù)

以傳統(tǒng)瀝青鋪裝為對照組，設(shè)其徑流系數(shù)為0，徑流系數(shù)削減率定義為對照組與各類透水鋪裝結(jié)構(gòu)徑流系數(shù)絕對差值，分別計算不同表層排水型鋪裝結(jié)構(gòu)的徑流系數(shù)削減率，見表5。結(jié)果表明普通鋪裝徑流系數(shù)最大且穩(wěn)定于某常數(shù)，而透水鋪裝在重現(xiàn)期變大時，徑流系數(shù)呈現(xiàn)遞增趨勢。SPAP-I增勢較緩，其余3種透水鋪裝在低重現(xiàn)期下增速較快，隨著重現(xiàn)期的增大，增速也變緩；SPCC-AP從P=2～5 a 時增速最快，說明SPCC-AP鋪裝結(jié)構(gòu)在重現(xiàn)期P=2～5 a之間比較敏感，但徑流系數(shù)仍小于其余透水鋪裝。

表5 不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)的徑流系數(shù)削減率(單位:%)Tab.5 Reduction rate of runoff coefficient for different permeable pavement structures (unit:%)

2.1.3 峰值時刻

不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)徑流總深度隨重現(xiàn)期的變化如圖6(b)所示。發(fā)現(xiàn)SPAP-I只有在重現(xiàn)期P=1 a時能延遲峰值時刻，延遲效果近乎于傳統(tǒng)瀝青鋪裝重合。總體上，SPCC可將峰值時刻延遲55 min，而SPAP-II和SPCC-PA分別在重現(xiàn)期P=2 a，5 a時產(chǎn)生徑流峰值。SPAP-II，SPCC在P=50 a時與普通瀝青鋪裝上出現(xiàn)的徑流量峰值時刻相同，表明在P=50 a 時，SPAP-II，SPCC對于滯后徑流峰值時刻沒有作用。而當(dāng)重現(xiàn)期為P=5 a或更高時，隨著降雨強度的增加，這兩種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)流時間越來越接近。而SPCC-AP在P=1～50 a的降雨均有延遲徑流峰值的作用，表明SPCC-AP鋪裝結(jié)構(gòu)有著很好的延遲徑流峰值效果，延遲能力遠高于其他表層透水結(jié)構(gòu)。

2.1.4 徑流峰值

路面徑流峰值指在一場降雨中，路面徑流所能達到的最大值，反映了路面上所能產(chǎn)生徑流的一個上限，不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)徑流峰值隨重現(xiàn)期的變化如圖6(c)所示。結(jié)果表明隨著降雨強度的增強，同一種鋪裝結(jié)構(gòu)洪峰流量隨之增大。在P=1 a時，透水鋪裝的徑流峰值均小于普通鋪裝，SPAP-I，SPAP-II，SPCC和SPCC-PA徑流峰值削減率分別為33.82%，100%，96.08%和100%。當(dāng)P≥2 a時，SPAP-I徑流峰值與普通瀝青鋪裝相當(dāng)。當(dāng)P=2～20 a 時，SPAP-II，SPCC和SPCC-PA均能起到較好地削減峰值的作用，這3種結(jié)構(gòu)對峰值徑流量的最大減少率分別達到了85.97%，73.38%和79.26%。而當(dāng)P=50 a時，只有SPCC-PA能降低峰值徑流量，降低率為27.81%，而其他透水鋪裝在此降雨強度下均不能削減徑流峰值。

2.1.5 產(chǎn)流時刻

路面產(chǎn)流時刻指在一場降雨中路面產(chǎn)生徑流的時間，反映了路面滲水以及儲存水量的能力，不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)流時刻隨重現(xiàn)期的變化如圖6(d)所示。結(jié)果表明徑流產(chǎn)生的時間均與降雨開始時間有間隔，相較于普通瀝青鋪裝，透水鋪裝可將產(chǎn)流時刻延遲40～102 min，原因是降雨剛開始比較小，落到地面會填補構(gòu)造深度或滲入透水鋪裝內(nèi)部，而不是立刻產(chǎn)生徑流。隨著降雨時間的增加，普通鋪裝內(nèi)部空隙被填充滿，從而產(chǎn)生徑流。因此在較小的降雨強度下，SPAP-I和SPCC對于徑流的產(chǎn)生都有很好的滯后作用，但隨著降雨強度的增加，相對滯后時間也越來越小，且4種透水鋪裝的產(chǎn)流時間與其他類型透水鋪裝越來越接近。

相比其余結(jié)構(gòu)，SPCC-AP鋪裝結(jié)構(gòu)在降雨強度較小的情況下對于產(chǎn)流時間的滯后作用更加顯著。隨著降雨強度的增大，由于其具有兩層結(jié)構(gòu)，且上層為滲透性相對較弱的透水瀝青混合料，對產(chǎn)流時間起到了較大的影響，產(chǎn)流時間與其他類型透水鋪裝越來越接近。

2.1.6 產(chǎn)流時長

路面產(chǎn)流時長指在一場降雨中，路面徑流開始產(chǎn)生至徑流消失的時間間隔，反映了路面削弱徑流的能力。不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)產(chǎn)流時長隨重現(xiàn)期的變化如圖6(e)所示。結(jié)果表明透水鋪裝具有減少產(chǎn)流時長的效果，隨著重現(xiàn)期的增大，產(chǎn)流時長呈現(xiàn)遞增的趨勢；同一降雨強度下，雨水產(chǎn)流時長大小為：SPAP-I>SPCC>SPAP-II>SPCC-PA。且削減總徑流深度大的透水鋪裝，在削減徑流產(chǎn)生時間方面效果也更明顯。隨著降雨強度的增大，各類透水鋪裝產(chǎn)流時間越來越接近，這表明透水鋪裝種類，對于較大的降雨強度影響不大?？傮w上，SPCC-AP在徑流削減效果最佳。

2.2 基層儲排水透水鋪裝對徑流削減效果

SWMM模擬結(jié)果表明對于任一基層儲排水型透水鋪裝結(jié)構(gòu)，只有P=50 a 時，BPAP-I才會產(chǎn)生徑流，不同厚度骨架空隙結(jié)構(gòu)對徑流的削減結(jié)果見表6。

表6 不同基層厚度下BPAP-I對徑流削減的模擬結(jié)果Tab.6 Simulation result of BPAP-I on runoff reduction with different subgrade thicknesses

結(jié)果表明BPAP-I只要滿足透水基層厚度不小于18 cm，在P≤50 a的條件下基本不會產(chǎn)生徑流。與普通瀝青鋪裝相比，BPAP-I的徑流系數(shù)削減率達89%以上，原因是基層儲排水型BPAP-I的面層全部為透水層，保證了透水結(jié)構(gòu)層的厚度，使得降雨能夠及時被吸收排出，因此在P=1～20 a時BPAP-I能夠完全吸收雨水。而在P=50 a時，15 cm的透水基層厚度無法滿足地表不產(chǎn)生徑流的要求，因此需再加厚一部分透水基層厚度才能夠保證雨水能夠被及時吸收排走。

此外，BPAP-II由于基層和底基層均為透水層，較厚的透水層使得徑流并未產(chǎn)生。BPCC滲透系數(shù)大，故透水基層厚度下限值15 cm也滿足不產(chǎn)生徑流的要求。而BPCC-AP兼具上述兩者優(yōu)勢，因此透水基層厚度下限值15 cm也滿足不產(chǎn)生徑流的要求。

2.3 全透式排水鋪裝對徑流削減效果

SWMM模擬結(jié)果表明全透型鋪裝在P=1～50 a均不產(chǎn)生徑流。與基層儲排水型透水鋪裝相比，全透型鋪裝的獨特之處在于路基具有滲透性(滲透系數(shù)≥1×10-4cm/s)，滲入鋪裝結(jié)構(gòu)的水不僅可以通過道路邊部排水系統(tǒng)排出，還可通過土基滲入補充地下水，因此對于雨水徑路削減效果更好。在西安地區(qū)降雨條件下，重現(xiàn)期不大于50 a，全透型鋪裝均不會產(chǎn)生路表徑流。

2.4 建議

上述SWMM模擬結(jié)果表明透水鋪裝對減小徑流深度和徑流系數(shù)，延緩徑流時間有顯著作用。目前，我國海綿城市地區(qū)不同鋪裝類型主要以《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB50014—2016)大都基于徑流系數(shù)設(shè)計。規(guī)定了各種屋面、混凝土、瀝青路面的徑流系數(shù)為0.85～0.95，大塊石鋪砌鋪裝或瀝青表面各種的碎石鋪裝徑流系數(shù)為0.55～0.65，級配碎石鋪裝的徑流系數(shù)為0.40～0.50。然而，對于各種類型的透水鋪裝，尤其是表層排水型透水結(jié)構(gòu)，仍缺乏有效的徑流系數(shù)推薦值。因此，基于模擬結(jié)果，為典型透水鋪裝結(jié)構(gòu)提出了徑流系數(shù)參考值。考慮到推薦值的推廣性，分析范圍集中在5～50 a的降水重現(xiàn)期，結(jié)果見表7。

表7 典型透水鋪裝結(jié)構(gòu)的徑流系數(shù)Tab.7 Runoff coefficients of typical permeable pavement structures

3 結(jié)論

本研究選取西安市一條雙向雙車道道路，采用SWMM模擬不同降雨重現(xiàn)期下不同透水鋪裝結(jié)構(gòu)對地表徑流削減效果，得出如下結(jié)論：

(1)降雨重現(xiàn)期、透水層結(jié)構(gòu)組合、透水層厚度是影響徑流削減的主要因素。單層透水瀝青鋪裝(SPAP-I)可使總徑流深度降低14%以上，也可使徑流時間和持續(xù)時間延遲約40 min，并降低徑流系數(shù)降低14%以上，但對徑流峰值的減少及峰值時刻的滯后幾乎沒有影響。

(2)雙層透水瀝青鋪裝(SPAP-II)在降雨重現(xiàn)期為1 a時也能使峰值徑流量減少100%，但隨著降雨重現(xiàn)期增加，其減少能力逐漸減弱。單層透水水泥混凝土鋪裝(SPCC)最大程度上能使徑流深度降低96%，峰值時間和徑流時間延遲50 min以上，徑流系數(shù)降低96%。且隨著降水重現(xiàn)期的增加，其削減能力與SPAP-II相似。

(3)同一降雨重現(xiàn)期下，不同表層排水型透水鋪裝對地表徑流的減量效果依次為：SPAP-I

(4)6種基層儲排水型透水鋪裝中僅有BPAP-I在P=50 a的時才能產(chǎn)生徑流，且透水基層厚度≥18 cm 時能實現(xiàn)無徑流產(chǎn)生。然而，全透型鋪裝在P=1～50 a降雨強度下均不產(chǎn)生徑流。

(5)為典型透水鋪裝結(jié)構(gòu)推薦了徑流系數(shù)取值范圍，即針對表層排水透水鋪裝，SPAP-I為0.5～0.8，SPAP-II和SPCC為0.35～0.65，SPCC-PA為0.2～0.45；基層儲排水型透水鋪裝≤0.15，全透型透水鋪裝為0，完善了排水設(shè)計規(guī)范，可為海綿城市透水路面設(shè)計提供一定的技術(shù)支持。