改良型植草溝的蓄滯性能研究

劉雨竹，彭 晶，李心言，何雅晴

（1.中國民航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300000；2.中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300000）

1 引言

城市化的高速發(fā)展，不透水面積快速增加，嚴重影響水文循環(huán)，水生態(tài)問題日益嚴重，低影響開發(fā)海綿城市建設(shè)迫在眉睫。生態(tài)植草溝集滲滯蓄凈于一體，可用于城市綠地、公園、校園、機場及道路、停車場的周邊，具有良好的節(jié)水效能和環(huán)境生態(tài)效益。生態(tài)植草溝作為海綿城市中一個較小的構(gòu)成單元，被大量運用到波特蘭的城市建設(shè)中。通過對雨水徑流進行初步收集過濾處理，大大減緩了城市雨水排放的壓力[1]。2019 年印發(fā)的《國家節(jié)水行動方案》中指出“水是事關(guān)國計民生的基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素”[2]，通過試驗及模擬手段設(shè)計生態(tài)植草溝的最佳構(gòu)型，研究不同重現(xiàn)期不同雨型對植草溝調(diào)蓄性能的影響，并針對飛行區(qū)驅(qū)鳥要求進行針對性設(shè)計，將設(shè)計的生態(tài)植草溝應(yīng)用于海綿城市、海綿機場的建設(shè)中，實現(xiàn)雨水“滲、滯、集、凈、排”數(shù)據(jù)的遠程實時采集和可視化展示。其研究成果可用于城市綠地、公園、校園、機場、道路、廣場及停車場周邊的低影響開發(fā)設(shè)計，改善城市水生態(tài)環(huán)境，提升雨水利用效率。Rujner等[3，4]運用MIKE SHE水文模型模擬了植草溝對雨水徑流的調(diào)控效果，當(dāng)徑流量較大時，植草溝主要起傳輸作用。侯精明等[5]應(yīng)用耦合水文和水動力過程數(shù)值模型，分析道路植草溝主要設(shè)計參數(shù)對地表徑流調(diào)控的影響規(guī)律。沈子欣等[6]通過不同結(jié)構(gòu)植草溝的模擬試驗，研究植草溝結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對降雨徑流調(diào)蓄效應(yīng)和污染物凈化的影響。王龍濤等[7]研究了黑麥草溝和天堂草溝2類植草溝對植草溝徑流凈化影響，以探索植草溝最佳運行條件。

2 材料和方法

2.1 植草溝結(jié)構(gòu)設(shè)計

植草溝結(jié)構(gòu)包括種植層和濾料層，現(xiàn)擬定種植層為種植土和植被，種植土厚度為20 cm；濾料層為砌塊磚和礫石；植草溝的結(jié)構(gòu)為1 m×50 cm×70 cm（長×寬×深）。植草溝匯水面積為2 m2。裝置分為種植槽、進水管和穿孔滲水管。以長1 m、寬50 cm、深70 cm 的PE 板種植槽作為模擬植草溝的試驗裝置，在裝置上部的一側(cè)設(shè)置進水管和花灑用以模擬降雨徑流，裝置內(nèi)底部設(shè)置一根PVC 滲排水管。該構(gòu)型中，從上到下依次為珍珠巖、黑麥草植被、種植土層、沸石層、細砂層、尿砂層、活性炭層、礫石層、土基質(zhì)層。并在種植土層安裝土壤濕度傳感器，排水管口安裝顯流計，以更好測定流量。

植草溝試驗裝置，如圖1所示。

圖1 試驗裝置

經(jīng)計算，在此構(gòu)型條件下，不同雨型不同重現(xiàn)期下的徑流削減率可高達70%左右，徑流削減效果可觀。

但是，結(jié)合實際情況加以考慮，該種構(gòu)型具有一定的局限性：構(gòu)型中所使用的吸水性較強的尿砂不易在天然生態(tài)系統(tǒng)中找到，成本較高，且尿砂為一次性產(chǎn)品，遇水一次即需更換，在現(xiàn)實生活中僅一次降水便需要挖出并更換新的尿砂，極不實用。再加上天津地區(qū)暴雨頻率小的原因，為了生態(tài)植草溝的實用性與經(jīng)濟性達到最高，原設(shè)計的植草溝構(gòu)型仍需完善。

2.2 試驗設(shè)計

（1）模擬地表徑流情況下考察不同重現(xiàn)期對改良植草溝產(chǎn)流效果的影響，以重現(xiàn)期及雨型分別作為自變量，分別研究其對出水量及土壤濕度的影響。

（2）在模擬實際降雨情況中，分別比較相同長度、坡度的原始土基質(zhì)植草溝和改良后的植草溝對下滲速度及下滲量的影響。

在第一次試驗構(gòu)型的基礎(chǔ)上，我們撤銷了經(jīng)濟性、實用性低下的尿砂，以植草溝內(nèi)部結(jié)構(gòu)、層級為變量，研究構(gòu)型對土壤濕度、流量與入滲率的影響，為設(shè)計并探究更具有經(jīng)濟效應(yīng)的植草溝構(gòu)型進行了第二次試驗。

以重現(xiàn)期為1、5、10 a 來確定試驗所需流量，設(shè)立一組對比試驗（a）（b）。

試驗（a）中，將植草溝構(gòu)型內(nèi)置為純土結(jié)構(gòu)：土層，植被，土基質(zhì)坡度4%；植被根莖長度13 cm，為對照組。

試驗（b）的植草溝構(gòu)型各成分高度設(shè)計為：土層6.5 cm，沸石3 cm，石塊10 cm，細砂3 cm，土基質(zhì)坡度4%，植被；植被根莖長度13 cm。

2 次試驗都在種植土層安裝土壤濕度傳感器，排水管口安裝顯流計。

2.3 測定指標(biāo)和試驗思路

暴雨強度公式根據(jù)《天津市雨水徑流量計算標(biāo)準》采用東麗區(qū)暴雨強度公式：

式中：q為設(shè)計暴雨強度[L/（s·hm2）]；t為降雨歷時（min）；P為設(shè)計重現(xiàn)期（a）。

3 分析與討論

3.1 不同重現(xiàn)期雨型對植草溝產(chǎn)流效果的影響

通過式（1）計算理論降雨值，分別對應(yīng)重現(xiàn)期為25、50和70 a降雨量的試驗進出水量，詳見表1。

表1 重現(xiàn)期為25、50和70 a降雨量與試驗進出水量

考慮到植被生長較長且操作比較復(fù)雜，現(xiàn)決定不將植被類型這一變量納入所取參數(shù)，只采用單一植被類型。同時，將徑流量的測定改為實地試驗。且試驗過程中，試驗時間對應(yīng)理論值，縮短試驗時間，提高效率。

從對應(yīng)的重現(xiàn)期不同時輸入水量和輸出水量的關(guān)系可以得出，當(dāng)水量輸入越多，留存在土壤中的水分就越多。且在相同降水量的情況下，前峰雨型含水率較后峰雨型含水率多。

在前試驗基礎(chǔ)上對不同的雨型進行動態(tài)測量，得到數(shù)據(jù)，詳見表2。

表2 不同雨型動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)

降雨強度越大，土壤含水率增長越快，產(chǎn)流發(fā)生的越早，產(chǎn)流的速度越快。不同重現(xiàn)期不同雨型試驗前后的土壤含水量對比，如圖2—3所示。

圖2 不同重現(xiàn)期前峰雨型土壤含水量的對比

圖3 不同重現(xiàn)期后峰雨型土壤含水量的對比

3.2 探究改良成分對下滲率的影響

3.2.1 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

在試驗中，通過花灑控制水流量，觀察水在土基質(zhì)層的下滲過程，利用秒表記錄下滲時間，利用米尺記錄積水深度。測得結(jié)果，詳見表3。

表3 對比試驗數(shù)據(jù)記錄

3.2.2 分析與結(jié)論

綜合分析表3的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論。

（1）在1 a重現(xiàn)期下，試驗（b）構(gòu)型的積水深度明顯低于試驗（a）構(gòu)型，且試驗（b）構(gòu)型下滲時間整體低于試驗（a）構(gòu)型。說明改良后的植草溝構(gòu)型對小雨、中雨的下滲量以及下滲速度明顯好于天然土質(zhì)植草溝。

（2）在5 a 重現(xiàn)期下，改良后的植草溝構(gòu)型的積水深度與下滲時間整體來說與天然土質(zhì)植草溝相當(dāng)，但排水量明顯優(yōu)于天然土質(zhì)植草溝。說明設(shè)計植草溝在暴雨中，下滲量以及下滲速度都明顯優(yōu)于天然土質(zhì)植草溝。

（3）在10 a重現(xiàn)期下，改良后的植草溝構(gòu)型的積水深度略高于天然土質(zhì)植草溝，下滲時間與其相當(dāng)，排水量高于土基質(zhì)結(jié)構(gòu)。說明設(shè)計植草溝在特大暴雨中，下滲量以及下滲速度都明顯優(yōu)于天然土質(zhì)植草溝。

（4）總體來說，各重現(xiàn)期改良后的植草溝構(gòu)型的下滲量以及下滲速度都明顯優(yōu)于天然土質(zhì)植草溝。

4 結(jié)語

本文探究了不同重現(xiàn)期及不同雨型對植草溝出口流量的影響，并通過對比試驗定性分析構(gòu)型對流量及入滲率等參數(shù)的影響。對現(xiàn)有機場排水系統(tǒng)進行改造時，通過將改良后的植草溝構(gòu)型與其他低影響開發(fā)設(shè)施及雨水循環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合的方式可有效減輕排水系統(tǒng)壓力，進而也能降低排水系統(tǒng)新建或改造費用。探索海綿機場建設(shè)模式，因地制宜選擇低影響開發(fā)設(shè)施，減輕機場排水防澇壓力，深入研究低影響開發(fā)對建設(shè)海綿機場有重要意義。