基于Hydrus-1D的透水鋪裝對(duì)雨水徑流減控模擬研究

應(yīng) 鵬，姜皓銘

（江蘇長(zhǎng)路智造科技有限公司，江蘇 南京 211806）

1 引言

城市的建設(shè)發(fā)展在擴(kuò)建人類生活區(qū)域的同時(shí)也使自然生態(tài)環(huán)境有了較大變化。隨著城市化的發(fā)展，不透水道路面積占據(jù)自然土壤面積的比例不斷增加，削弱了自然土壤路面滲透性能，繼而改變了城市的水文環(huán)境；與此同時(shí)，城市快速發(fā)展產(chǎn)生大量建筑拆除廢棄物，既造成了資源的浪費(fèi)，又污染了自然環(huán)境。

透水鋪裝作為一種可有效減控地表徑流典型的低影響開發(fā)措施，被眾多學(xué)者研究。侯立柱等[1]采用四種透水磚鋪裝形式進(jìn)行降雨入滲試驗(yàn)，結(jié)果表明雨水入滲大小與墊層填充材料的透水性成正比關(guān)系。韋甦等[2]根據(jù)透水磚在海綿城市應(yīng)用中出現(xiàn)的各類問(wèn)題，提出了幾種應(yīng)對(duì)方案。朱春陽(yáng)等[3]研究了四種不同結(jié)構(gòu)形式的透水鋪裝，分析發(fā)現(xiàn)較厚的碎石基層透水鋪裝結(jié)構(gòu)既能增加雨水的滲透量，又能有效削減地表徑流量。朱曉娟等[4]進(jìn)行了不同降雨工況下的新型縫隙式透水鋪裝的雨水下滲量的校核試驗(yàn)，結(jié)果表明新型透水鋪裝可有效降低地表徑流。目前“無(wú)廢城市”的建設(shè)推動(dòng)了自然資源的再生利用，Ossa A等[5]研究表明，以高達(dá)20%的百分比使用建筑等拆除集料鋪設(shè)城市道路在力學(xué)性能上是可行的。李秋實(shí)等[6]研究表明，再生骨料的透水性能顯著優(yōu)于天然骨料。Cardoso R 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料比天然骨料具有更高的空隙率，更優(yōu)的滲透性能，均具有良好的排水性能。

總體來(lái)說(shuō)，透水鋪裝體系中對(duì)透水混凝土以及原生骨料等材料對(duì)徑流削減方面的應(yīng)用研究較多[8]，而對(duì)建筑拆除材料制成的再生骨料在透水鋪裝基層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用以及不同基層厚度組合下的透水鋪裝的雨水處理效果研究較少?；谝陨蟽牲c(diǎn)，本文擬探究不同基層材料、不同基層厚度組合下的透水鋪裝對(duì)雨水徑流的削減效果，對(duì)實(shí)現(xiàn)雨水資源化利用、建筑拆除材料回收利用以及完善透水鋪裝基層構(gòu)造形式等有著重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

2 材料與方法

2.1 模型介紹

Hydrus-1D 軟件是采用Richards 方程來(lái)描述土壤水中的水分運(yùn)移，采用VG-M 公式進(jìn)行水分運(yùn)移擬合，Galerkin 有限元法進(jìn)行土壤剖面空間離散，隱式差分格式進(jìn)行時(shí)間離散。模型有較靈活的邊界條件，上邊界可以選擇大氣和潛在土壤蒸發(fā)量作為通量邊界，其中潛在土壤蒸發(fā)量可直接輸入，也可以輸入氣象數(shù)據(jù)由模型計(jì)算得到；下邊界條件包括水頭邊界、自由排水、深層排水、通量邊界等。

Hydrus-1D 中將土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬轉(zhuǎn)化為一維分布，采用修正的Richards方程描述：

式中，θ為土壤體積含水率，cm3/cm3；

h為土壤壓力水頭，cm；

S 為根系吸水項(xiàng)或其它源匯項(xiàng)，s-1，代表單位時(shí)間內(nèi)作物從單位體積的土壤中吸取水的體積，因本試驗(yàn)研究透水鋪裝降雨入滲問(wèn)題，不存在根系吸水問(wèn)題，此項(xiàng)可忽略；

zi（i=1，2）為空間坐標(biāo)，cm；

t為時(shí)間，s；

KijA為各項(xiàng)異性張量KA在不同方向上的分量；

K為非飽和土壤水力傳導(dǎo)度，cm·s-1，作為壓力水頭函數(shù)：

Kr為相對(duì)導(dǎo)水率，cm·s-1；

Ks為飽和導(dǎo)水率，cm·s-1。

2.2 邊界與設(shè)施

本研究模擬七種不同結(jié)構(gòu)的鋪裝裝置，包括一種不透水鋪裝（作對(duì)比），三種不同基層厚度組合的普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝模型，三種不同基層厚度組合的再生骨料基層透水鋪裝模型。各鋪裝結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1和表2。普通級(jí)配碎石與再生骨料的物理性能指標(biāo)見表3。

表1 普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝各層結(jié)構(gòu)組成及材料配置

表2 再生骨料基層透水鋪裝各層結(jié)構(gòu)組成及材料配置

表3 普通級(jí)配碎石與再生骨料的物理性能指標(biāo)

由于透水鋪裝路面為100%覆蓋集水區(qū)，Hydrus-1D 需建立參數(shù)化數(shù)值模型，透水鋪裝概化成的功能模塊在Hydrus-1D 模型中應(yīng)設(shè)置為水分運(yùn)移模塊。需將透水鋪裝設(shè)施中各結(jié)構(gòu)層都概化成水力參數(shù)模型來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。將課題組已研究完成的人工試驗(yàn)降雨數(shù)據(jù)設(shè)為Hydrus-1D模型的上邊界條件，再根據(jù)實(shí)際中測(cè)得的底部排水量，與模型模擬的排水量進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證來(lái)率定透水鋪裝模型各層水力參數(shù)，最終選取合適的參數(shù)值進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)。

根據(jù)紹興市近40 年降雨特征分析，紹興市的瞬時(shí)降雨強(qiáng)度呈先增加后減小的單峰型分布，因此選擇芝加哥雨型，降雨歷時(shí)分別為1h與2h，峰值系數(shù)r=0.4，重現(xiàn)期分別為100a、150a、200a的降雨，時(shí)間步長(zhǎng)1min的6種大強(qiáng)度降雨。暴雨強(qiáng)度公式見式（3）。

式中，i為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，mm/min；

P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，a；

t為降雨歷時(shí)，min。

根據(jù)前期課題組采用芝加哥雨型開展的普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝與再生骨料基層透水鋪裝徑流減控物理試驗(yàn)研究成果，本文通過(guò)與課題組物理試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，通過(guò)計(jì)算得出第三場(chǎng)降雨（110 mm/h）中的普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝納什系數(shù)為0.88，再生骨料基層透水鋪裝納什系數(shù)為0.86，表明用Hydrys-1D 模擬的透水鋪裝模型雨水下滲量結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。具體結(jié)果如圖1所示。

圖1 5分鐘模擬排水量與5分鐘實(shí)測(cè)排水量過(guò)程擬合效果

3 結(jié)果與分析

3.1 不同層厚組合下普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝徑流減控效果

分析三種不同基層厚度組合下的普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝模型在不同降雨強(qiáng)度條件下的徑流削減效果，比選出最優(yōu)基層厚度組合。

圖2 顯示了模型二（基層厚度組合3：2）、模型三（基層厚度組合1：1）、模型四（基層厚度組合2：3）三種不同基層厚度組合下的普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝在不同降雨強(qiáng)度情況下的徑流變化過(guò)程。

圖2 不同基層厚度組合下普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝徑流過(guò)程

對(duì)比上圖可以發(fā)現(xiàn)，不同基層厚度組合對(duì)透水鋪裝徑流過(guò)程有著顯著影響，且在不同基層厚度組合下的各類普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝的徑流特征區(qū)別均表現(xiàn)出一致性，即隨著基層厚度組合的變化，模型二的地表徑流峰出現(xiàn)時(shí)刻最早、峰值流量最大、產(chǎn)流量也最大、徑流系數(shù)最大，模型三次之，模型四的地表徑流峰出現(xiàn)時(shí)刻最晚、峰值流量最小、產(chǎn)流量也最少、徑流系數(shù)最小，以上均表明模型四雨水處理效果最佳。由此可以發(fā)現(xiàn)，在基層厚度組合為2：3 的情況下，普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝的有效孔隙率增加，蓄水體積增加，可以延緩蓄滿產(chǎn)流過(guò)程。相對(duì)而言，模型二的基層蓄水容量及滲透速率均偏小，在相同降雨強(qiáng)度下雨水量能較快填充滿模型二的容水層，使其更快發(fā)生蓄滿產(chǎn)流，造成地表徑流出現(xiàn)時(shí)間提前，地表徑流量增加，對(duì)雨水的處理效果較差，因此模型二的基層厚度組合較差。綜上所述，模型四（基層厚度組合2：3）對(duì)雨水的減控能力優(yōu)于模型二（基層厚度組合3：2）、模型三（基層厚度組合1：1），表明模型四的基層厚度組合最佳。

3.2 不同層厚組合下再生骨料基層透水鋪裝徑流減控效果

不同基層厚度組合下再生骨料基層透水鋪裝在不同降雨強(qiáng)度下的徑流特征如圖3 所示。從圖3 中可以看出，不同基層組合下再生骨料基層透水鋪裝的徑流特征變化過(guò)程與普通級(jí)配碎石基層的透水鋪裝的徑流特征變化相似。

圖3 不同基層厚度組合下再生骨料基層透水鋪裝徑流過(guò)程

透水鋪裝對(duì)雨水的處理主要有三種途徑，通過(guò)透水鋪裝下滲至土基層中排出的雨水、透水鋪裝各容水層對(duì)雨水的蓄滯、透水鋪裝材料對(duì)雨水吸收，其中雨水處理的關(guān)鍵因素取決于透水鋪裝整體連通孔隙率，連通孔隙率越大，雨水下滲速率越快，蓄水量越多。而再生骨料本身存在大量微裂縫，因此增加了再生骨料基層透水鋪裝整體的滲透性能及吸水率。所以同一基層厚度組合下的再生骨料基層透水鋪裝的雨水減控能力均優(yōu)于普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝。

從圖3 還可以看出，模型五（基層厚度組合3：2）的徑流峰出現(xiàn)時(shí)刻最早、產(chǎn)流量最大，模型六（基層厚度組合1：1）次之，模型七（基層厚度組合2：3）的徑流峰出現(xiàn)時(shí)刻最晚，產(chǎn)流量也最少。表明模型七的雨水調(diào)控能力最好，基層厚度組合最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

①不同基層厚度組合是影響透水鋪裝徑流減控能力強(qiáng)弱的重要因素，表現(xiàn)為基層厚度組合越差徑流系數(shù)越大，基層厚度組合越優(yōu)化徑流系數(shù)越小。從徑流減控能力方面分析，基層厚度組合2：3的透水鋪裝徑流減控能力最強(qiáng)，基層厚度組合1：1 的透水鋪裝次之，基層厚度組合3：2的透水鋪裝徑流減控能力最弱。

②2：3的基層厚度組合為最優(yōu)基層厚度組合，雨水滲透速率最快、蓄水容量最大，對(duì)徑流的減控效果最佳。并且在同一基層厚度組合下，再生骨料基層透水鋪裝的地表徑流減控能力優(yōu)于普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝。

③普通級(jí)配碎石基層透水鋪裝與再生骨料基層透水鋪裝均能有效削減地表徑流，增加雨水入滲量，補(bǔ)充地下水，但再生骨料基層透水鋪裝的滲透性較優(yōu)、吸水性較強(qiáng)、雨水的蓄容量較大，對(duì)雨水徑流有較好的調(diào)控能力，因此再生骨料在透水鋪裝中具有較好的應(yīng)用前景。