透水路面降低城市徑流洪澇風(fēng)險(xiǎn)的模擬研究

摘 要：為研究透水路面對(duì)城市地表徑流系數(shù)和洪峰流量的影響，本文采用暴雨水文管理模型SWMM（Storm Water Management Model），對(duì)青島市某雙向六車道公路進(jìn)行模擬研究，分析排水型和半透水型路面結(jié)構(gòu)在不同降雨條件下對(duì)城市地表徑流和雨水的影響。研究結(jié)果表明，雖然排水面能夠減輕一部分地表徑流，但是其對(duì)抑制洪峰及其延遲效果卻無(wú)顯著作用。半透水路面能減少部分地表徑流和洪峰，并能延遲洪峰時(shí)間。全透型路面基本不會(huì)形成地表徑流，對(duì)徑流系數(shù)和洪峰流量的削減有更好的效果。綜上所述，透水路面對(duì)洪峰流量和徑流系數(shù)的降低效果很好，對(duì)城市排水有很大的幫助，并且可以降低暴雨洪水帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：道路工程；SWMM；透水路面；洪峰流量；徑流系數(shù)

中圖分類號(hào)：" U 416 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

傳統(tǒng)混凝土路面的不透水特性會(huì)導(dǎo)致城市在雨季出現(xiàn)“雨季看?！钡默F(xiàn)象，除此之外，道路積水會(huì)增加城市排水系統(tǒng)的負(fù)荷，積水區(qū)域也可能出現(xiàn)污染物聚集的現(xiàn)象，對(duì)環(huán)境造成污染[1]。因此有必要加強(qiáng)對(duì)此類問(wèn)題的關(guān)注，一些國(guó)家已經(jīng)開發(fā)了一系列技術(shù)用于控制城市暴雨徑流，并相應(yīng)地出臺(tái)了相關(guān)的暴雨管理指南等。中國(guó)也在總結(jié)國(guó)外城市雨水治理理念的基礎(chǔ)上，提出了城鎮(zhèn)化發(fā)展的“海綿城市”戰(zhàn)略[2]。

透水鋪裝屬于低影響開發(fā)（LID）措施，已經(jīng)有國(guó)外學(xué)者對(duì)各種類型的LID如何影響地表徑流進(jìn)行研究。通過(guò)分析地表徑流可以把透水路面分為排水、半透水和全透水3種類型路面。但是，關(guān)于這些不同的路面構(gòu)造如何影響城市的地表徑流的研究卻鮮有報(bào)道。本文使用SWMM模型，以青島市某實(shí)際道路為研究對(duì)象，評(píng)估各種類型路面結(jié)構(gòu)在降雨情況不同時(shí)對(duì)地表徑流的降低效果和城市雨水的調(diào)控能力。以期為“海綿城市”建設(shè)提供理論支持。

1 模型建立

1.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域?yàn)榍鄭u市內(nèi)1條雙向六車道道路，道路長(zhǎng)度為500m，寬度為55m，總面積為2.75×104m2。車道面積為1.2×104m2，占整個(gè)研究區(qū)域的43.3%；非機(jī)動(dòng)車道面積為5000m2，占18.5%；

由于每個(gè)區(qū)域具有不同的地表特征，將整個(gè)區(qū)域劃分為9個(gè)子集水區(qū)，創(chuàng)建了9個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)排水口。

1.2 模型介紹及參數(shù)設(shè)定

暴雨水文模型（Storm Water Management Model，SWWM）最初由美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）開發(fā)，用于模擬城市雨水徑流和污水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和規(guī)劃的計(jì)算機(jī)軟件?？梢阅M城市雨水徑流的產(chǎn)生、收集、輸送和處理過(guò)程，包括雨水徑流的產(chǎn)生、雨水下滲、地表徑流、下水道系統(tǒng)的流動(dòng)和污水處理等。通過(guò)SWMM模擬，可以評(píng)估城市雨水系統(tǒng)在不同降雨條件下的運(yùn)行情況、排水能力等方面的影響。

在SWMM中，一個(gè)集水區(qū)通常被劃分為幾個(gè)子集水區(qū)，每個(gè)子集水區(qū)都是一個(gè)獨(dú)立的水力單元，并且假設(shè)只有一個(gè)排水口來(lái)收集每個(gè)子集水區(qū)的地表徑流。根據(jù)每個(gè)子集水區(qū)的特點(diǎn)，分別計(jì)算徑流過(guò)程。最后，利用流量演算的方法對(duì)整個(gè)流量進(jìn)行疊加。

通過(guò)實(shí)地調(diào)研，確定研究區(qū)域不透水區(qū)域和透水區(qū)域所占百分比、集水區(qū)域面積、平均地表坡度等參數(shù)，然后輸入模型。結(jié)果顯示，不透水路面面積占比為85%，為機(jī)動(dòng)和非機(jī)動(dòng)車道。平均地表坡度為2%。模型中的其他參數(shù)根據(jù)SWMM用戶手冊(cè)和文獻(xiàn)綜述的推薦值輸入。

1.3 降雨設(shè)計(jì)

在SWMM模型中，模擬降雨時(shí)的降雨數(shù)據(jù)輸入一般分為2種，一種是實(shí)際值，一種是計(jì)算值[3]。本文利用公式采用計(jì)算值輸入，如公式（1）、公式（2）所示。

式中：i為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，即在連續(xù)降雨期間的平均降雨量或單位時(shí)間的平均降雨深度；q為單位時(shí)間每公頃降雨量；t為降雨持續(xù)時(shí)間；P為設(shè)計(jì)頻次。

降雨模擬中暴雨持續(xù)時(shí)間為180min，時(shí)間步長(zhǎng)為1min，設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)周期為5a、10a、20a和30a。降雨峰值系數(shù)r=0.4。

通過(guò)前期模擬在不同降雨重現(xiàn)周期下，最大降雨強(qiáng)度出現(xiàn)在72min。5a、10a、20a和30a降雨重現(xiàn)期的雨峰強(qiáng)度分別為2.88mm/min、3.34mm/min、3.72mm/min和4.17mm/min。對(duì)應(yīng)的累計(jì)降雨量分別為81.15mm、94.05mm、107.10mm、114.66mm。

2 透水路面結(jié)構(gòu)

參考規(guī)范《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 190—2012），按照水流路徑的不同將透水路面劃分為以下類型。

排水型路面：透水材料只在表層使用，基層則使用瀝青密封涂層或者防滲瀝青材料[4]。雨水從地面可以滲入，但不可以滲入基層。經(jīng)過(guò)地表的雨水，會(huì)先沿著不透水基層的頂面移動(dòng)至道路的排水設(shè)施，然后通過(guò)路基直接排出。

半透水型路面：表層采用透水材料，基層采用透水性開級(jí)配集料。墊層由瀝青砂等不透水材料組成。防滲土工布必須安裝在路基上方，作為防滲層。雨水通過(guò)表面層和基層，然后直接排放到防滲土工布的上表面。

全透水型路面：是一種具有高透水性的路面材料和結(jié)構(gòu)，能夠讓水迅速通過(guò)路面進(jìn)入地下。面層通常由透水材料（例如透水混凝土或透水瀝青）構(gòu)成，下層結(jié)構(gòu)（包括基層和墊層）也采用高透水性材料，例如級(jí)配碎石或砂礫。依靠重力，雨水通過(guò)面層和下層的孔隙向下移動(dòng)。

目前研究表明，為了確保路面設(shè)計(jì)的實(shí)用性和可行性，多選擇具有較高空隙率（20%左右）的多孔瀝青混合料來(lái)作為排水面表層。此外，排水面可以選擇4cm厚的單層排水面或者10cm厚的雙層排水面。針對(duì)半透和全透水路面的儲(chǔ)水層，通常用厚度不小于15cm的級(jí)配礫石或砂石來(lái)填充，其最大公稱粒徑分別為37.5mm或31.5mm，空隙率通常為40%。

3 結(jié)果與分析

3.1 排水型路面

3.1.1 地表徑流和洪峰流量

4cm和10cm厚的排水型路面在降雨重現(xiàn)期30a時(shí)的路面徑流量變化如圖1所示。

由模擬結(jié)果可知，當(dāng)?shù)乇砼潘婧穸葹?cm，降雨重現(xiàn)周期為30a時(shí)，地表徑流出現(xiàn)在0.48。當(dāng)厚度變?yōu)?0cm時(shí)，時(shí)間點(diǎn)延遲至0.56。這表明，在降雨初期，排水面能夠降低地表徑流。這是因?yàn)橛晁诮涤瓿跗诼湓诘孛嫔?，并滲透進(jìn)路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，從而避免了徑流的形成。但在基層上方有防滲瀝青材料和瀝青密封層。路面結(jié)構(gòu)中積累的雨水隨著持續(xù)降雨而增加，當(dāng)雨水達(dá)到最大值時(shí)，形成地表徑流。

無(wú)論是路面厚度為4cm還是10cm，洪峰都出現(xiàn)在01：04。由于洪峰流量與洪峰時(shí)間一致，表明排水面并不能有效地降低洪峰的數(shù)量，也就是說(shuō)，它對(duì)洪峰的減小和滯后性沒有任何影響。

3.1.2 徑流系數(shù)

4種不同降雨重現(xiàn)期條件下車道徑流系數(shù)見表1。

模擬結(jié)果顯示，在4個(gè)不同降雨重現(xiàn)期條件下，當(dāng)厚度為4cm和10cm時(shí)，排水面的徑流系數(shù)為0.723～0.878，不透水路面的徑流系數(shù)為0.963～0.966。

排水型路面的徑流量和系數(shù)與不透水路面相比都偏小。降雨滲透率隨著排水面厚度的提升而增加。而徑流系數(shù)則下降，這表明排水面在減少地表徑流方面更具效果。

3.2 半透水型路面

3.2.1 地表徑流和洪峰流量

在使用半透水路面的非機(jī)動(dòng)車道中，分別選擇厚度為15cm、20cm、25cm和30cm的級(jí)配礫石作為儲(chǔ)水層，降雨重現(xiàn)周期設(shè)定為30a，模擬結(jié)果見表2。

從表2可以看出，半透水路面可以有效地降低和延緩洪峰的發(fā)生。在降雨重現(xiàn)期不同的情況下，總徑流量和洪峰均減小，洪峰時(shí)間延遲。

隨著儲(chǔ)水層厚度增加，洪峰降低率增大。當(dāng)儲(chǔ)水層厚度為15cm時(shí)，降低率約為50%，當(dāng)儲(chǔ)水層厚度增至30cm時(shí)，降低率增至95%。這是因?yàn)榧?jí)配礫石可以儲(chǔ)存雨水，減少?gòu)搅?，這些能力取決于空隙比、厚度等特性。

3.2.2 徑流系數(shù)

4種不同降雨重現(xiàn)期條件下的徑流系數(shù)如圖2所示。

從模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)儲(chǔ)水層厚為30cm、降雨重現(xiàn)周期為5a時(shí)，徑流系數(shù)接近于0。當(dāng)庫(kù)厚為15cm時(shí)，徑流系數(shù)在不同降雨重現(xiàn)期條件下半透水路面的系數(shù)為0.202～0.437。

徑流系數(shù)受儲(chǔ)水層厚和降雨重現(xiàn)期的影響較大。當(dāng)儲(chǔ)水層厚從15cm增至30cm時(shí)，降雨入滲增加，儲(chǔ)水層厚越大，透水路面減少地表徑流的效果越好；針對(duì)半透水路面，建議采用大厚度的級(jí)配礫石。

3.3 全透型路面

3.3.1 路基土滲透系數(shù)的影響

各地土質(zhì)不同，導(dǎo)致路基土的滲透系數(shù)也有較大的差異，但路基土的滲透能力對(duì)整個(gè)透水路面的透水效果起決定性作用。因此，通過(guò)研究路基土的滲透性能對(duì)路面透水效果的影響來(lái)確定最合適的土壤類型。

計(jì)算不同滲透性路基土的排水時(shí)間涉及許多因素，包括土壤類型、孔隙率、滲透系數(shù)、初始水分含量以及降雨量等。本文采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，利用達(dá)西定律來(lái)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

從表3可以看出，隨著路基土滲透系數(shù)減小，路基土排出0.1m3水所需的時(shí)間逐漸增長(zhǎng)，當(dāng)路基土滲透系數(shù)為10-5時(shí)，即低滲透性，排水時(shí)間大約需要2d以上時(shí)間。而當(dāng)滲透系數(shù)小于10-7時(shí)，排出同樣體積的水則需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)月，即為不透水的。通過(guò)結(jié)果來(lái)看，設(shè)計(jì)道路時(shí)需要考慮不同路基土的滲透性，以此來(lái)獲得更好的透水效果。砂土是透水路面的理想材料，可適用于各種場(chǎng)合。但是，粉土和黏土不應(yīng)直接用作透水路面的路基土。必要時(shí)，應(yīng)在一定深度內(nèi)對(duì)土壤進(jìn)行改良。

3.3.2 徑流系數(shù)

4種不同降雨重現(xiàn)期條件下全透水型路面的徑流系數(shù)如圖3所示。

從圖3可以看出，在全透水型路面中，因?yàn)橛晁畷?huì)通過(guò)面層和下部結(jié)構(gòu)（基層、墊層）滲入路基中，所以在地表基本不會(huì)形成徑流，徑流系數(shù)均約為0。此外，從圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著儲(chǔ)水層即級(jí)配碎石層的厚度增加，徑流系數(shù)無(wú)變化，說(shuō)明儲(chǔ)水層厚度對(duì)徑流系數(shù)影響很小。

現(xiàn)有海綿城市的徑流系數(shù)設(shè)計(jì)取值中，尚未有排水、半透水和全透水型路面的徑流系數(shù)推薦范圍。本文對(duì)不同降雨重現(xiàn)期下的地表徑流進(jìn)行模擬并得出初步結(jié)果，根據(jù)模擬結(jié)果推薦排水型路面的徑流系數(shù)取值為0.70～0.85；半透水型路面的徑流系數(shù)取值應(yīng)小于或等于0.45；全透水型路面的徑流系數(shù)取值為0。通過(guò)給出的相應(yīng)的徑流系數(shù)推薦取值范圍，以期為海綿城市設(shè)計(jì)建設(shè)提供一定的技術(shù)支持。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用SWMM模型，以青島市區(qū)某雙向六車道道路為研究區(qū)域，研究不同降雨情況下，各種路面結(jié)構(gòu)對(duì)減少地表徑流和城市雨水的影響。得出的結(jié)論如下。1）排水型路面可以減少10%以上的部分地表徑流，但不能起到降低洪峰的作用，對(duì)洪峰的降低或滯后性沒有影響。2）半透水路面可使地表徑流量減少50%以上，對(duì)洪峰的降低和洪峰的減小和滯后性均有影響。隨著透水級(jí)配礫石厚度增加，洪峰消減率增大。3）半透水路面可使地表徑流量減少50%以上，對(duì)洪峰的降低和洪峰的減小和滯后性均有影響。隨著透水級(jí)配礫石厚度增加，洪峰消減率增大。

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