不同类型透水铺砖对海绵城市降雨-径流效应的观测试验研究

白海霞

(阜蒙县水利局水利事务服务中心，辽宁 阜蒙 123100)

当前，海绵城市建设成为社会广泛关注的热点问题[1]，海绵城市最为主要的建设内容为加大城市的蓄水能力，使雨水得到充分利用和吸收[2]。为建设好海绵城市，需要对城市的蓄水能力进行研究。早期，城市建设道路大都以混凝土或者柏油马路为主，城市降水得不到有效下渗，造成严重的积水和内涝现象[3]。近些年来，具有一定孔隙的透水铺砖逐步在城市排水系统中得到应用，应用效果表明这种透水铺砖可以在很大程度上加大降雨入渗[4]。但是透水铺砖类型较多，不同透水铺砖的降雨入渗效果不同，如何结合区域实际情况选取较优类型的城市透水铺砖，对于海绵城市规划设计十分重要。当前，国内学者对于城市排水铺砖的透水性能进行了一些研究，并取得一定研究成果[5- 9]，但是这些研究大都基于1种或2种透水铺砖，且主要采用室内试验的方式进行研究，为综合考虑当前国内外常用普通类型的透水铺砖在不同降水条件下的水文效应，本文结合室外试验以模型计算的方式对国内外常用的6种透水铺砖进行试验分析，推求不同透水铺砖的透水和下渗规律。成果可为海绵城市建设提供重要的参考价值。

1 试验方案

选取辽宁省试验基地小区进行不同透水铺砖的渗透试验，试验小区的地形情况如图1(a)所示。本次试验选取的透水铺砖分别为生态砂基透水铺砖、彩石环氧通体透水铺砖、聚合物纤维混凝土透水铺砖、彩石复合混凝土透水铺砖、普通透水铺砖以及混凝土透水铺砖。各透水铺砖的面层厚度设定为80mm，其透水铺砖基层和底层的厚度设定为20mm。本次结合天然降水的方式，对4种试验降水条件下的小区降水入渗试验进行观测，该试验历经5a，主要观测的降水条件分别为5、10、20、25a一遇，在进行下渗试验分析时，主要结合区域不同土壤类型条件(如图1(b)所示)埋入土壤，进行下渗量的观测分析，而对于试验小区径流深观测主要采用三角堰的方式进行量测。

2 试验结果

2.1 透水试验结果

结合2种下渗方程Kostiakov和Horton透水规律进行试验分析，并结合小区试验观测值对比不同下渗方程在不同透水铺砖下渗计算中的适用性，试验分析结果见表1，如图2所示。

图1 试验小区基本信息

从表1中可看出，Horton下渗方程下的拟合系数最高，各透水铺砖下的拟合系数均高于Kostiakov下渗方程，可见Horton下渗方程在城市海绵建设透水铺砖下渗计算精度上好于Kostiakov下渗方程。从表1中还可看出，2种方程计算的下渗规律较为相似，生态砂基的透水率最高，按照透水率排序，其结果为生态砂基透水铺砖>彩石环氧通体透水铺砖>聚合物纤维混凝土透水铺砖>彩石复合混凝土透水铺砖>普通透水铺砖>混凝土透水铺砖。图2为不同透水铺砖的下渗规律试验结果，从图2中可看出，和实测值相比，Horton下渗方程拟合度要好于Kostiakov下渗方程，此外生态砂基透水铺砖的规律较为稳定，混凝土透水铺砖的点据较为散乱，这主要和其下渗能力有关，下渗能力较好的透水铺砖，其稳定要好于下渗能力较弱的透水铺砖。

表1 各透水铺砖下的不同下渗方程的试验结果

图2 不同透水铺砖的下渗规律试验结果

图3 不同透水铺砖的积水试验结果

2.2 积水试验结果

在透水试验分析的基础上，对不同透水铺砖的积水试验进行分析，试验结果如图3所示。

从积水试验结果可看出，下渗能力越高，积水点越低，从图中可明显看出，生态砂基透水铺砖的积水点下渗率为0.015cm/s，彩石环氧通体透水铺砖积水点的下渗率为0.013cm/s，聚合物纤维混凝土透水铺砖积水点的下渗率为0.011cm/s，彩石复合混凝土透水铺砖积水点的下渗率为0.009cm/s，普通透水铺砖积水点的下渗率为0.006cm/s，混凝土透水铺砖积水点最低为0.004，极易发生积水现象。

2.3 降雨入渗规律分析

结合天然降水观测的方式对不同透水铺砖的降雨入渗规律进行试验分析，分析结果见表2，如图4所示。

从表2中可看出，在各降雨编号中，生态砂基透水铺砖的累积下渗量最大，而混凝土透水铺砖的累积下渗量最小，按照累积下渗量排序，其结果为生态砂基透水铺砖>彩石环氧通体透水铺砖>聚合物纤维混凝土透水铺砖>彩石复合混凝土透水铺砖>普通透水铺砖>混凝土透水铺砖，和前面不同下渗方程较为类似。从图4中可看出，随着降雨开始，区域下渗率逐步减小，这主要是随着下渗量的增加，土壤下渗水量增多，使得下渗率减小，当土壤蓄满后，其降水不再下渗，各透水铺砖下渗率趋于稳定变化。

2.4 降雨径流关系分析

在降雨入渗规律分析的基础上，对不同降水条件(5、10、20、25a一遇)下的降雨径流关系进行试验分析，分析结果见表3。

表3为不同降水条件下的降雨径流试验结果，从表3中可看出，相比于不铺透水砖的情况下，生态砂基透水铺砖、彩石环氧通体透水铺砖、聚合物纤维混凝土透水铺砖、彩石复合混凝土透水铺砖径流系数都有所减小。这是由于这4种类型透水铺砖具有较好的下渗能力，相比于不铺砖的情况下，各类型透水铺砖加大了降雨入渗的能力，使得径流系数减小，相比于不铺砖的情况下，除混凝土透水铺砖外，各透水铺砖对区域现状产流区径流量的削减率在28%～57%之间。生态砂基透水铺砖在透水性能及径流量削减率上好于其他类型透水铺砖，且具有较好的生态功能。混凝土透水铺砖由于路面固化，且透水性能较差，从而径流系数也较大，极易出现积水现象。径流系数除受降雨条件影响外，还与土壤前期影响雨量有关，因此不同降水条件下的径流系数不同。

表3 不同降水条件下的降雨径流试验结果

3 试验结论

在各类型透水铺砖下渗计算中，Horton下渗方程拟合度要好于Kostiakov下渗方程，可在排水工程规划计算中采用；生态砂基透水铺砖在透水性能、径流量削减率上都最佳，且具有较好的生态功能，可在海绵城市建设中推广和应用；除混凝土透水铺砖外，其他类型透水铺砖都在一定程度上增加城市透水性能，但也一定程度地削减了洪量，如何做到既增加透水性能又不减少洪水总量，是以后还需进行研究的课题。

图4 不同透水铺砖的降雨入渗试验结果