降雨特征對半透水道路徑流系數的影響

2022-05-31 03:06:36王建龍彭柳葦張敬玉王澤熙

水資源保護 2022年3期

王建龍，彭柳葦，張敬玉,3，李凱，王澤熙

(1.北京建筑大學城市雨水系統與水環境教育部重點實驗室，北京 100044；2.北京建筑大學北京節能減排與城鄉可持續發展省部共建協同創新中心，北京 100044；3.中國城市建設研究院有限公司，北京 100120)

徑流系數是匯水面積上產生的徑流量與降水量的比值，其合理取值對于確定城市防洪排澇設施、排水管網、低影響開發設施規模以及數學模型中參數取值具有重要意義[1-2]。有研究表明，降雨特征對徑流系數有重要影響[3]，降水量和降雨強度與徑流系數呈正相關關系[4-5]；當雨型不變時，徑流系數與坡度、降水量、降雨強度呈線性關系[6]，與降雨歷時呈指數關系[7]。張敬玉等[8]研究發現，低重現期時坡度對徑流系數影響大，高重現期時坡度對徑流系數影響小。Dunkerley[9]研究表明，當總降水量和降雨歷時相同時，后峰型降雨徑流系數大于前峰型降雨徑流系數。Philip等[10-11]研究表明，土壤含水率和平均入滲率呈負相關的線性關系，隨著土壤前期含水率的增加，同一時間非穩滲階段的入滲率迅速降低，且趨于穩定入滲率的時間變短，因此，在場次總降水量不變的條件下，初期降雨強度越大，下滲雨量越多，徑流系數越小。孔花[12]的研究表明徑流系數與降水量呈線性關系，且隨著降水量的增加而增加；徑流系數與降雨歷時呈指數關系，且隨著降雨歷時延長逐漸增大，最后趨于穩定；雨峰系數越大，徑流系數越大。馮玉啟等[13]的研究表明雨型對徑流系數的峰值和均值具有重要影響。許翼等[14]對回填土草坪徑流系數的研究表明徑流系數隨著降水量的增加而增加，在恒定降雨強度下，降雨歷時延長導致徑流系數的增長率降低。下墊面類型對徑流系數也具有重要影響[15-16]，王坤[17]通過人工模擬降雨裝置，研究了不透水瀝青和水泥混凝土路面在不同降雨條件下徑流系數的動態變化規律，結果表明瀝青路面和水泥混凝土路面徑流系數隨降雨歷時、降雨強度和降水量等變化而變化。馮玉啟等[13]研究發現半透水道路徑流系數隨降雨強度的變化存在一個敏感區間，在低降雨強度敏感區間外，徑流系數值很小，而在敏感區間內，徑流系數隨降雨強度迅速增加，其增長率先增后減，最后趨于穩定。張愛江等[18-19]通過研究路面的滲透能力發現，透水路面的徑流系數小于傳統不透水路面，透水路面徑流量平均降低91%以上。武晟[20]采用模擬降雨的方法，對屋面、不透水磚、水泥路面、透水磚及草地的徑流系數進行了實驗研究，結果表明，透水性好的下墊面徑流系數受重現期和降雨歷時影響較小，在相同降雨條件下，徑流系數從小到大的弱透水性下墊面依次為水泥路面、屋面、不透水磚。目前關于徑流系數的研究主要圍繞不透水下墊面和透水瀝青、透水磚、綠地等透水下墊面以及降雨參數對徑流系數的影響，而對半透水道路徑流系數的研究較少。

在雨水排水相關規范中，一般規定徑流系數按照下墊面類型取值，且規范通常只給出不同類型下墊面的取值范圍，工程設計時取值存在一定主觀性，導致計算結果誤差較大。在CJJ/T 190—2012《透水瀝青路面技術規程》中將透水瀝青路面結構分為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3種類型，但關于不同結構類型透水瀝青路面的徑流系數在該標準中并沒有明確給出。JTG/T D33—2012《公路排水設計規范》規定透水瀝青路面徑流系數取0.60～0.80，該標準中雖然給出了透水瀝青路面徑流系數取值范圍，但并未明確不同類型鋪裝結構應該如何取值。針對上述問題，本文選擇實際工程中市政道路透水瀝青路面廣泛采用的半透水路面(Ⅰ型結構)為研究對象，系統研究了降雨參數對徑流系數的影響。

1 研究方法

1.1 試驗裝置

人工模擬降雨裝置凈高為15 m，有效降雨面積為300 m2，雨滴直徑為1.5～5.0 mm，降雨均勻度大于0.9，降雨強度范圍為6～240 mm/h，人工模擬降雨采用自動控制系統，試驗期間降雨強度的誤差不超過5%。

試驗裝置采用1∶1單車道物理模型，系統圖和剖面圖如圖1所示，橫坡和縱坡坡度均為1%，路面尺寸為18 m×4 m，雨水口尺寸為750 mm×450 mm，圖中Q1、Q2、Q3和Q4分別為路面徑流量、縱向滲流量、橫向滲流量和雨水口入流量。試驗道路按照CJJ/T 190—2012《透水瀝青路面技術規程》鋪設，道路面層材質為OGFC-12型，鋪裝結構采用透水瀝青Ⅰ型排水方式。通過循環泵將路面徑流和縱向滲流輸送到道路上游的配水箱(尺寸為0.3 m×4 m×0.3 m)，然后通過V型堰均勻排入道路，模擬上游來水(客水)。

(a)系統圖

(b)剖面圖

試驗儀器設備和參數：人工模擬降雨系統(1套)降雨強度范圍為6～240 mm/h；超聲波流量計(4臺)流量測量范圍為0.2～16 m3/h；翻斗式雨量計(4臺)降雨強度測量范圍為6～240 mm/h；數據采集器(4臺)采集時間間隔為1 s；激光水準儀(2臺)安平精度為±0.3°，往返誤差為1 mm/km；水泵(1臺)最大流量Qmax為60 L/min，最高揚程H為4 m。

1.2 試驗方法

1.2.1流量監測

流量監測包括路面徑流量、縱向滲流量、橫向滲流量、雨水口入流量，其中，縱向滲流量和橫向滲流量之和為路面總滲透量。在道路面層末端設有雙層集水槽，分別收集路面徑流和縱向滲流；在道路雨水口一側透水面層下面埋設鋼槽，鋼槽上方為鐵絲網，防止瀝青材料進入鋼槽內，鋼槽末端連接管道，收集面層橫向滲流；在雨水口最低處安裝管道，收集進入雨水口的徑流。在降雨初期和末期，路面產流較小，流量計誤差較大，采用人工取樣測量流量，其余時刻采用超聲波流量計(型號為DCT1158)測量流量。

1.2.2降雨參數

試驗期間選擇的降雨重現期為0.5 a、1 a、3 a、5 a、10 a和20 a, 降雨歷時為30 min、60 min和120 min，北京市根據降雨時空分布特征劃分為2個降雨分區，試驗采用北京市Ⅱ區的暴雨強度公式(式(1))計算暴雨強度，雨型采用芝加哥雨型。

(1)

式中：q為暴雨強度，L/(shm2)；P為設計降雨重現期，a；t為降雨歷時，min。

根據芝加哥雨型過程線對降雨進行分配，得到不同重現期、不同歷時、不同雨峰系數r的設計降雨過程線，如圖2所示。

1.2.3徑流系數

徑流系數計算公式為

(2)

式中：φ為徑流系數；R為徑流深度，mm；k為降雨深度，mm；kl為場次總降水量，m3。

1.3 試驗工況

為驗證試驗過程中測量設備監測精度和運行的穩定性以及試驗平臺運行的穩定性，對不同工況試驗結果進行了水量平衡誤差分析。水量平衡誤差為場次總降水量和監測流量的差值與場次總降水量的比值。不同試驗工況下水量平衡誤差分析的最小值、最大值和平均值見表1。從表中可知，試驗期間誤差變化范圍為1.73%～12.67%，表明降雨裝置、監測設備和道路平臺運行較穩定，可以滿足試驗要求。

(a)不同重現期(t=60 min,r=0.4)

(b)不同歷時(P=3 a,r=0.4)

(c)不同雨峰系數(P=3 a,t=60 min)

表1 水量平衡誤差分析

2 結果與討論

2.1 降雨重現期對徑流系數的影響

芝加哥雨型條件下,降雨歷時為60 min、雨峰系數為0.4時，不同重現期條件下徑流系數變化特征如圖3所示。由圖3可知，隨著重現期的增加，半透水道路徑流系數逐漸增大，路面徑流量和縱向滲流量增長緩慢，橫向滲流量和雨水口入流量增長較快。重現期從0.5 a增加到20 a，徑流系數從0.093增加到0.377，當0.5 a≤P<1 a時，徑流系數增長速率最快；重現期從0.5 a增加到20 a，雨水口入流量和橫向滲流量分別增加了1.353 m3和1.842 m3，雨水口入流量占場次總降水量的比例從10%增加到38%，橫向滲流量占場次總降水量的比例從80%減小到51%。從試驗結果看，當0.5 a≤P<1 a、1 a≤P<10 a時，半透水道路的徑流系數分別為0.093～0.197、0.197～0.347；當10 a≤P≤20 a時，半透水道路的徑流系數接近0.40。因此，隨著降雨強度的增大，雨水口和側向滲透排水設施的效率都在提高，在透水鋪裝效果評估時，應充分考慮重現期的影響，同時要結合透水鋪裝的結構特點來綜合分析。與JTG/T D33—2012《公路排水設計規范》規定的透水瀝青路面徑流系數(0.60～0.80)相比，徑流系數試驗結果偏低，主要與道路結構相關。本試驗采用CJJ/T 190—2012《透水瀝青路面技術規程》給出的Ⅰ型結構，假設橫向滲流全部通過路緣石底部透水水泥混凝土自然下滲，因此未計入徑流系數的計算。

圖3 芝加哥雨型不同重現期下徑流系數變化

2.2 降雨歷時對徑流系數的影響

芝加哥雨型條件下,重現期為3 a、雨峰系數為0.4時，不同降雨歷時徑流系數變化特征如圖4所示。由圖4可知，隨著降雨歷時的增加，徑流系數逐漸減小，但雨水口入流量、橫向滲流量、路面徑流量和縱向滲流量均逐漸增加，其中，橫向滲流量和道路雨水口入流量增幅較大，當降雨歷時由30 min增加到120 min時，增幅分別為55.8%和59.1%。當降雨歷時為30 min、60 min和120 min時，徑流系數依次為0.234、0.227和0.198；對應于降雨歷時增幅區間30～60 min和60～120 min，徑流系數分別減少了0.007和0.029，即重現期一定時，短歷時降雨的徑流系數大于長歷時降雨的徑流系數，主要是由于隨著降雨歷時增加，降雨強度增長速率減小，滲流量隨之增加，但隨著降雨歷時增加，總降水量也增加，因此，降雨歷時對半透水道路徑流系數總體影響較小。上述研究結果可為實際工程中徑流系數取值提供參考。

圖4 芝加哥雨型不同降雨歷時下徑流系數變化

2.3 雨峰系數對徑流系數的影響

芝加哥雨型條件下,降雨歷時為60 min、重現期為3 a時，不同雨峰系數條件下徑流系數變化特征如圖5所示。由圖5可知，隨著雨峰系數的增大(降雨峰值的延后)，徑流系數逐漸增大，雨水口入流量、橫向滲流量、路面徑流量和縱向滲流量變化不明顯，當雨峰系數從0.4(前峰)增加到0.8(后峰)時，徑流系數由0.227增加到0.253。降雨初期，半透水道路的含水率較低，單位時間內下滲量較大，降雨峰值越早出現，越有利于雨水下滲。如果降雨峰值出現較遲，此時半透水道路的含水率較高，下滲速率降低，單位時間內下滲量減少，徑流系數增加。結果表明，雨峰系數對徑流系數具有一定的影響，雨峰系數越大，徑流系數越大。因此，在實際工程設計時，徑流系數的取值應根據雨峰系數的大小，取徑流系數參考值上限或下限。

圖5 芝加哥雨型不同雨峰系數下徑流系數變化

2.4 雨型對徑流系數的影響

降雨歷時為 60 min時，均勻雨型不同重現期條件下徑流系數變化特征如圖6所示。與圖3相比，芝加哥雨型和均勻雨型相同重現期條件下的半透水道路雨水口入流量、橫向滲流量、路面徑流量和縱向滲流量變化相近，說明雨型對入滲量、徑流量的影響較小。當重現期分別為 0.5 a、1 a、3 a和10 a 時，芝加哥雨型條件下的徑流系數分別為0.093、0.197、0.227和0.347，均勻雨型條件下的徑流系數分別為 0.103、0.215、0.237和0.360，可見兩種雨型的徑流系數均隨重現期的增加而增加，且均勻雨型的徑流系數略大于芝加哥雨型的徑流系數。胡振龍[15]對均勻雨型條件下透水鋪裝的徑流系數進行了研究，結果表明，當坡度為5%、降雨強度為40.8 mm/h、降雨歷時為60 min時，徑流系數為0.208，與本文試驗得到P為1 a時的徑流系數0.215的值相近。由此可見，在降雨強度為 40 mm/h的均勻雨型下，半透水道路的徑流系數約為0.21。由試驗結果可知，雨型對徑流系數有一定的影響，因此，在實際工程設計和模型參數選取時應考慮雨型不同帶來的影響。