不同類型透水鋪磚對海綿城市降雨-徑流效應的觀測試驗研究

白海霞

(阜蒙縣水利局水利事務服務中心，遼寧 阜蒙 123100)

當前，海綿城市建設成為社會廣泛關注的熱點問題[1]，海綿城市最為主要的建設內容為加大城市的蓄水能力，使雨水得到充分利用和吸收[2]。為建設好海綿城市，需要對城市的蓄水能力進行研究。早期，城市建設道路大都以混凝土或者柏油馬路為主，城市降水得不到有效下滲，造成嚴重的積水和內澇現象[3]。近些年來，具有一定孔隙的透水鋪磚逐步在城市排水系統中得到應用，應用效果表明這種透水鋪磚可以在很大程度上加大降雨入滲[4]。但是透水鋪磚類型較多，不同透水鋪磚的降雨入滲效果不同，如何結合區域實際情況選取較優類型的城市透水鋪磚，對于海綿城市規劃設計十分重要。當前，國內學者對于城市排水鋪磚的透水性能進行了一些研究，并取得一定研究成果[5- 9]，但是這些研究大都基于1種或2種透水鋪磚，且主要采用室內試驗的方式進行研究，為綜合考慮當前國內外常用普通類型的透水鋪磚在不同降水條件下的水文效應，本文結合室外試驗以模型計算的方式對國內外常用的6種透水鋪磚進行試驗分析，推求不同透水鋪磚的透水和下滲規律。成果可為海綿城市建設提供重要的參考價值。

1 試驗方案

選取遼寧省試驗基地小區進行不同透水鋪磚的滲透試驗，試驗小區的地形情況如圖1(a)所示。本次試驗選取的透水鋪磚分別為生態砂基透水鋪磚、彩石環氧通體透水鋪磚、聚合物纖維混凝土透水鋪磚、彩石復合混凝土透水鋪磚、普通透水鋪磚以及混凝土透水鋪磚。各透水鋪磚的面層厚度設定為80mm，其透水鋪磚基層和底層的厚度設定為20mm。本次結合天然降水的方式，對4種試驗降水條件下的小區降水入滲試驗進行觀測，該試驗歷經5a，主要觀測的降水條件分別為5、10、20、25a一遇，在進行下滲試驗分析時，主要結合區域不同土壤類型條件(如圖1(b)所示)埋入土壤，進行下滲量的觀測分析，而對于試驗小區徑流深觀測主要采用三角堰的方式進行量測。

2 試驗結果

2.1 透水試驗結果

結合2種下滲方程Kostiakov和Horton透水規律進行試驗分析，并結合小區試驗觀測值對比不同下滲方程在不同透水鋪磚下滲計算中的適用性，試驗分析結果見表1，如圖2所示。

圖1 試驗小區基本信息

從表1中可看出，Horton下滲方程下的擬合系數最高，各透水鋪磚下的擬合系數均高于Kostiakov下滲方程，可見Horton下滲方程在城市海綿建設透水鋪磚下滲計算精度上好于Kostiakov下滲方程。從表1中還可看出，2種方程計算的下滲規律較為相似，生態砂基的透水率最高，按照透水率排序，其結果為生態砂基透水鋪磚>彩石環氧通體透水鋪磚>聚合物纖維混凝土透水鋪磚>彩石復合混凝土透水鋪磚>普通透水鋪磚>混凝土透水鋪磚。圖2為不同透水鋪磚的下滲規律試驗結果，從圖2中可看出，和實測值相比，Horton下滲方程擬合度要好于Kostiakov下滲方程，此外生態砂基透水鋪磚的規律較為穩定，混凝土透水鋪磚的點據較為散亂，這主要和其下滲能力有關，下滲能力較好的透水鋪磚，其穩定要好于下滲能力較弱的透水鋪磚。

表1 各透水鋪磚下的不同下滲方程的試驗結果

圖2 不同透水鋪磚的下滲規律試驗結果

圖3 不同透水鋪磚的積水試驗結果

2.2 積水試驗結果

在透水試驗分析的基礎上，對不同透水鋪磚的積水試驗進行分析，試驗結果如圖3所示。

從積水試驗結果可看出，下滲能力越高，積水點越低，從圖中可明顯看出，生態砂基透水鋪磚的積水點下滲率為0.015cm/s，彩石環氧通體透水鋪磚積水點的下滲率為0.013cm/s，聚合物纖維混凝土透水鋪磚積水點的下滲率為0.011cm/s，彩石復合混凝土透水鋪磚積水點的下滲率為0.009cm/s，普通透水鋪磚積水點的下滲率為0.006cm/s，混凝土透水鋪磚積水點最低為0.004，極易發生積水現象。

2.3 降雨入滲規律分析

結合天然降水觀測的方式對不同透水鋪磚的降雨入滲規律進行試驗分析，分析結果見表2，如圖4所示。

從表2中可看出，在各降雨編號中，生態砂基透水鋪磚的累積下滲量最大，而混凝土透水鋪磚的累積下滲量最小，按照累積下滲量排序，其結果為生態砂基透水鋪磚>彩石環氧通體透水鋪磚>聚合物纖維混凝土透水鋪磚>彩石復合混凝土透水鋪磚>普通透水鋪磚>混凝土透水鋪磚，和前面不同下滲方程較為類似。從圖4中可看出，隨著降雨開始，區域下滲率逐步減小，這主要是隨著下滲量的增加，土壤下滲水量增多，使得下滲率減小，當土壤蓄滿后，其降水不再下滲，各透水鋪磚下滲率趨于穩定變化。

2.4 降雨徑流關系分析

在降雨入滲規律分析的基礎上，對不同降水條件(5、10、20、25a一遇)下的降雨徑流關系進行試驗分析，分析結果見表3。

表3為不同降水條件下的降雨徑流試驗結果，從表3中可看出，相比于不鋪透水磚的情況下，生態砂基透水鋪磚、彩石環氧通體透水鋪磚、聚合物纖維混凝土透水鋪磚、彩石復合混凝土透水鋪磚徑流系數都有所減小。這是由于這4種類型透水鋪磚具有較好的下滲能力，相比于不鋪磚的情況下，各類型透水鋪磚加大了降雨入滲的能力，使得徑流系數減小，相比于不鋪磚的情況下，除混凝土透水鋪磚外，各透水鋪磚對區域現狀產流區徑流量的削減率在28%～57%之間。生態砂基透水鋪磚在透水性能及徑流量削減率上好于其他類型透水鋪磚，且具有較好的生態功能。混凝土透水鋪磚由于路面固化，且透水性能較差，從而徑流系數也較大，極易出現積水現象。徑流系數除受降雨條件影響外，還與土壤前期影響雨量有關，因此不同降水條件下的徑流系數不同。

表3 不同降水條件下的降雨徑流試驗結果

3 試驗結論

在各類型透水鋪磚下滲計算中，Horton下滲方程擬合度要好于Kostiakov下滲方程，可在排水工程規劃計算中采用；生態砂基透水鋪磚在透水性能、徑流量削減率上都最佳，且具有較好的生態功能，可在海綿城市建設中推廣和應用；除混凝土透水鋪磚外，其他類型透水鋪磚都在一定程度上增加城市透水性能，但也一定程度地削減了洪量，如何做到既增加透水性能又不減少洪水總量，是以后還需進行研究的課題。

圖4 不同透水鋪磚的降雨入滲試驗結果