城市下垫面渗蓄性能量化模拟试验研究

陈朋铭 曹长春 唐一夫

(桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541006)

城市化中，改变了下垫面原来的自然形态，原来的绿地、林地和水域等透水的下垫面渐渐被沥青、水泥等不透水的下垫面所取代。随着城市下垫面硬化率的增加，下垫面蓄渗性能减弱，雨水径流问题也越来越不容忽视。下垫面硬化导致原有的水生态系统被破坏，自然滞蓄雨水能力降低，加之城市排水设施不够完善，在雨季雨水径流量增大，随之而来的是城市内涝现象的产生。针对上述问题，我国提出建设海绵城市，海绵城市比喻城市像海绵一样，其核心是下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用[1]。透水型下垫面作为与雨水直接接触的表面，是海绵城市建设中重要的海绵体，在海绵城市建设中扮演着重要的角色[2]。因此，研究下垫面蓄渗性能对海绵城市的建设具有重大意义。

国内外对城市下垫面的蓄渗性能进行研究的文献资料均比较丰富。郭雪莲等[3]进行了模拟降雨实验，发现通过改变不透水斑块的重要值、形状、均匀度、分离度，下垫面的蓄渗率也随之发生相应变化；华亚等[4]采用人工降雨-下垫面系统，研究了水泥、道路砖、透水砖和草地4种典型下垫面上的降雨产汇流过程，结果表明产汇流过程随着下垫面透水性能增加而逐渐加长；王玲[5]对城市下垫面的各种条件进行模拟实验，研究了不同坡度条件下城市下垫面景观结构与降雨蓄渗之间的关系；姚艳娟[6]采用实验室模拟降雨实验，研究了不同降雨历时条件下城市下垫面景观结构与降雨蓄渗之间的关系；黄良军等[7]通过对下垫面进行模拟径流实验，发现当透水下垫面与不透水下垫面比例为4 ∶1时，蓄渗效果最好；Fassman et al.[8]通过对透水路面和不透水路面进行降雨监测，发现透水性路面能够有效滞后地表径流开始时间，削减地表峰值流量；Bean et al.[9]在北卡罗来纳州、马里兰州、弗吉尼亚州和特拉华州测试了40个可渗透路面站点的表面渗透率，发现透水路面的位置和维护对于保持高表面渗透率至关重要。

然而，国内外鲜有研究采用不同砂土配比去表征不同类型的地表土层在不同暴雨条件下的蓄渗性能参数，进而对不同类型下垫面的渗蓄性能进行量化评估。为此，在本次下垫面蓄渗性能研究中，通过构建4个模型模拟城市不同的下垫面来进行模拟降雨实验，测量下垫面的雨水径流量，进而得出不同条件下的下垫面雨水蓄渗率，为桂林市新城区临桂新区海绵城市的规划设计、建设运营等提供了技术支撑[10]。

1 实验部分

1.1 模拟装置构建

本实验模拟下垫面的装置采用500mm×500mm径流面，装置材料采用8mm厚的定制亚克力板，装置坡度可调节(调节范围为0°～15°)；装置主要由供水水箱、真空泵、流量计、喷头4部分组成，在喷头周围设计挡风板来减小风力对模拟降雨的影响。由供水水箱提供一次实验所需全部用水，经由真空泵、流量计调节流量到喷头，通过调整喷头高度，实现均匀模拟降雨。装置底部对称地设有25(5×5)个排水口，单个排水口内径为1cm。装置侧边设有溢流口，长50cm，宽10cm，溢流口两侧设有挡板，用于收集径流雨水。模拟降雨装置见图1。

图1 模拟降雨装置示意图

1.2 下垫面构建

城市下垫面包括城市范围内的水域、草地、林地、农田和硬地面，不同城市下垫面的渗透性能也不同。根据考斯加可夫渗透等级[11]划分，分为弱渗透、中渗透、强渗透、极强渗透4个等级。按土壤中砂粒百分比为0、10%、20%、30%分别模拟不同的下垫面，分别对应传统沥青、水泥路面、传统建筑屋顶、不透水铺装等透水性极差下垫面；透水铺装等透水一般的下垫面；林木、草地等透水强的下垫面；灌木等透水极强的下垫面[12]。本次模拟实验主要采用不同比例的石英砂和黏土，类比实际城市不同渗透性能的下垫面，模型的参数见表1。模拟下垫层分为两层，上层为30cm的模型填充层，下层为20cm的黏土层，砂粒粒径约为2.5～3mm，黏土粒径不大于0.6mm。如此构建既可以模拟城市不同类型的下垫面，又方便在实验室条件下研究不同条件下下垫面蓄渗性能影响研究。

表1 下垫面模拟参数

1.3 降雨资料选取

根据桂林国家气象站1957—2014年的自记雨量记录，暴雨强度公式采用年最大值选样法、指数分布曲线拟合，选择芝加哥雨型，降雨历时采用60min，降雨重现期采用2年、10年、30年、100年，其对应的降雨强度为0.88mm/min、1.18mm/min、1.39mm/min、1.61mm/min[13]。该暴雨强度公式适用范围为降雨历时不大于120 min，重现期不超过100年[14]。具体暴雨强度公式为

(1)

式中：q为设计暴雨强度,L/(s·hm2)；t为降雨历时,min；P为设计重现期,年。

1.4 实验方法

将实验所用土壤和石英砂进行风干处理，使用土壤筛和砂筛筛选粒径不大于0.6mm的黏土及粒径约为2.5～3mm的石英砂，将处理好的供试土壤及石英砂按表1所示进行均匀混合，混合过程中应避免杂质进入其中，均匀混合后制作出4个模型。模型制作完成后，使用超纯水淋湿浸透，确保下垫面各部分浸水，待下垫面形成稳定下渗后，使用模拟降雨装置进行降雨模拟。影响下垫面蓄渗性能的因素很多，如降雨强度、降雨历时、下垫面坡度、土壤前期含水量及下垫面类型等[15-16]，考虑到降雨强度、下垫面坡度和下垫面类型是影响产汇流的3个主要因素，实验主要研究上述3个因素对下垫面蓄渗性能的影响。本实验采用控制变量法，控制其中两个变量保持不变，通过改变另外一个变量，研究下垫面蓄渗性能的影响因素。通过进行降雨模拟，在下垫面上形成雨水径流，收集径流雨水，待下垫面上无明显径流时，测量地表的雨水径流量。每组实验进行3次，可测量出36组数据。每次实验进行前，需先用超纯水将实验下垫面淋湿浸透，保证同组实验下垫面初始条件相同。

各模型渗透系数的测定采用室内环刀法，饱和水分土壤中，在单位水压梯度下，渗透性可按照达西定律进行计算，求得通过垂直于水流方向的单位土壤面积的水流速度，称为土壤的饱和导水率或者渗透系数。取两环刀的接触面为参照平面，向下为正，O-O水平面的压力势为H，环刀下口面C-C暴露在大气中，所以C-C水平面的压力势为0，环刀内土壤垂直剖面土壤水压力势分布见图2[17-18]。

图2 环刀法测定渗透系数示意图[16]

具体计算公式如下：

(2)

(3)

式中：i为表土处的入渗强度，m/s；q为土壤水流通量，m/s；φTC为C-C水平面的总水势，m；φTO为O-O水平面的总水势，m；ZC为C-C水平面的垂直坐标，m；ZO为O-O水平面的垂直坐标，m。

2 结果与讨论

2.1 含砂量与下垫面蓄渗性能的关系

在进行含砂量对下垫面蓄渗能力影响实验时，控制其他影响因素不变，保证下垫面完全淋湿浸透，并能够形成稳定下渗，下垫面坡度为0°，采用降雨强度0.88mm/min来进行降雨径流分析，降雨历时为60min，待下垫面无明显径流时，测量溢流口雨水径流量。实验结果表明，蓄渗性能呈现模型4>模型3>模型2>模型1，单个模型的蓄渗率与含砂量呈正相关，具体数值见表2，效果见图3。从渗透系数上来看，渗透系数越大，其对应的径流流量越小，模拟下垫面对雨水的蓄渗能力越强，即渗透系数与下垫面蓄水量呈正相关。

表2 不同模型蓄渗性能

图3 模型蓄渗实验效果

2.2 降雨强度与下垫面蓄渗性能的关系

在进行降雨强度对下垫面蓄渗能力影响实验时，控制其他影响因素不变，保证下垫面完全淋湿浸透，并能够形成稳定下渗，采用模型1作为实验下垫面，下垫面坡度为5°，选取4个降雨强度(0.88mm/min、1.18mm/min、1.39mm/min、1.61mm/min)分别进行降雨径流分析，降雨历时为60min，待下垫面无明显径流时，测量溢流口雨水径流量。实验结果见表3，效果见图4。实验结果表明，不同降雨强度条件下，产流呈现出不同的特性，总体上随着降雨强度的增加，溢流口的雨水径流流量随之增大，模型蓄渗能力随之减小。当下垫面形成稳定入渗，即达到最大入渗能力时，随着降雨强度的增加，产流所需的时间随之减少，产流流量随之增大。

表3 不同降雨强度下模型蓄渗性能

图4 不同降雨强度下模型蓄渗实验效果

2.3 下垫面坡度与下垫面蓄渗性能的关系

保持下垫面完全淋湿浸透，且能够形成稳定下渗，采用模型1作为实验下垫面，选取降雨强度为1.18mm/min，降雨历时为60min，分别在坡度为0°、5°、10°、15°的下垫面条件下进行模拟降雨实验，通过该实验分析不同坡度条件下的下垫面表面的雨水径流特征。实验结果见表4，效果见图5。实验结果表明，随着下垫面坡度的增大，下垫面表面的雨水径流流量也随之增大，下垫面的蓄渗能力随之减小。下垫面坡度对径流的影响主要通过改变坡面水流流速、水体的受力情况、承雨面面积和承雨量，影响下垫面的产流汇流。当下垫面坡度增大时，沿坡面水平方向的分力逐渐增大，沿坡面垂直方向的分力逐渐减小，进而导致坡面水流的流速增大，此时坡面上的雨水入渗能力随之减弱，水流流速增大，导致雨水径流流量增大。同时，坡度越大，下垫面单位面积上的承雨量越小，土壤入渗水量减少，导致雨水径流流量增大[19-20]。

表4 不同坡度下模型蓄渗性能

图5 不同坡度下模型蓄渗实验效果

3 误差分析

在实验室条件下模拟城市下垫面存在一些不足：ⓐ由于是在人工操作下混合石英砂与土壤，只能尽量使砂土充分混合均匀，模型的砂土混合均匀程度可能会对实验结果造成一定影响；ⓑ因为是在实验室条件下进行的模拟实验，存在一定局限性，即所制作的模型偏小，所造成的误差相对于室外实验偏大；ⓒ实验所用由砂土制作而成的下垫面无法完全与实际城市下垫面一致，相比较而言，室外模拟实验更有说服力。

4 结 语

本文以桂林市新城区临桂新区为目标试验地，采用人工降雨-模拟下垫面系统，对不同条件下的下垫面蓄渗性能进行了量化评估，通过对实验数据进行分析，对桂林市新城区临桂新区海绵城市建设及城市下垫面规划提出以下建议：

a.下垫面蓄渗能力受下垫面种类、降雨强度及下垫面坡度影响较大，随着下垫面渗透性能的增大而增大，随着降雨强度的增大而减小，随着下垫面坡度的增大而减小。

b.下垫面中的砂粒百分比越高，对应的渗透系数越大，渗透能力越强。下垫面渗透系数增大时，其对下垫面径流雨水的蓄渗性能增强。

c.在桂林市新城区临桂新区海绵城市建设中，适当增加下垫面的渗透性能，如采用渗透性能强的透水铺装，在一定程度上可以有效缓解城市内涝现象的发生。

d.不透水的下垫面影响着整个城市下垫面的蓄渗性能，在海绵城市建设中，应适当提升透水性下垫面的比例，对城市下垫面进行合理规划，充分发挥城市下垫面的蓄渗作用。