海绵城市透水铺装对地表径流控制效果研究

朱润田，张小明，陈 旺，万正武，郑木莲

(1.珠海鹤港高速公路有限公司，广东 珠海 519000；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引言

随着城市化的快速发展，繁重的交通加大了对道路基础设施的需求。而城市道路普遍采用不透水路面，使得在暴雨发生时城市可能因排水不畅产生内涝[1]。鉴于此，有关专家学者提出建设“海绵城市”，重点体现“自然”的建设理念。透水路面作为一种低影响开发技术(LID)，已成为实现“海绵城市”的重要手段之一[2]。通常，透水路面结构体系包含表面层和基层，表面层可由孔隙率大、高渗透性的透水沥青混合料(PAM)或透水水泥混凝土(PCC)组成，采用粗骨料形成的基层结构，具有临时储存功能，减少径流的优点[3]。鉴于这些优点，透水路面已经成为一种用于径流雨水控制的广泛使用的技术，因其不同的结构类型对径流雨水不同的控制指标作用效果(如径流深度，径流峰值，产流时长等)存在差异而受到了广泛的研究。

通常，主要采用两种方法开展径流削减研究，包括径流模型的建立和现场试验监测[4]。李阳等[5]基于SWMM模型分析了绿化屋顶、透水路面和下凹式绿地共3种措施对城市径流量的减少效果，结果表明透水路面对径流量有显著的削减效果。Xie等[6]采用SWMM模拟了江苏一个村落的地表径流，并分析不同降雨重现期下透水路面的作用效果，结果表明组合系统(透水路面+植草)在削减径流方面比单一系统更加有效。Jose等[7]发现全透型路面对地表径流以及径流峰值的减少影响很大，但对补充地下水的作用小。赵沛等[8]在居民区中铺设透水铺装后对雨水径流效果模拟，发现透水路面对该区域产流时间、径流总量削减以及推迟径流峰值时刻具有重要作用。夏远芬等[9]对南京某小区进行透水铺装径流削减效果研究，该小区为新建小区，其中路面有25%的面积采用透水铺装。通过对其进行长期监测，发现采用透水铺装后，该小区在降雨时雨水径流深度每年减少了108.44 mm。

综上所述，当前研究人员侧重于慢行系统的透水路面，且常把透水路面和各类低影响开发设施(如植草沟、生物滞留池、绿色屋顶等)组合，并研究整套低影响开发设施对雨水径流控制效果。单独针对城市道路车行道典型透水路面结构的径流控制效果未见系统研究。为此，本研究通过广泛调研总结出我国典型海绵城市的透水铺装结构，以西安市为例，采用SWMM建立模型，根据西安地区降雨条件，改变降雨重现期，模拟不同典型透水铺装结构对道路径流总量、径流峰值、峰值时刻、产流时刻、径流时长以及径流系数的控制效果，为海绵城市透水铺装的设计和实施提供依据。

1 SWMM模型构建

1.1 研究区域概况

采用SWMM建立径流模型，研究区域为西安市西咸新区的一条双向两车道的支路，道路长度为146 m，宽为20 m，道路横坡为1.5%。该区域由车道、自行车道、绿化带和人行道组成，总面积为2 920 m2(图1和图2)，行车道为本次研究的研究对象，面积为1 752 m2，占总面积的60%。整个研究区域被划分为14个汇水区，包含14个节点和1个排水管出口。分别在SWMM中设定表层排水型、基层储排水型以及全透型等不同铺装结构，随后进行径流控制效果模拟，并与未进行透水铺装改造的道路进行对比。

图1 研究区域道路横断面图 (单位：cm)Fig.1 Road cross-section in study area (unit：cm)

1.2 模型参数的选择

SWMM中提供了3种模型计算径流渗入能力，包括霍顿(Horton)模型、格林-安普特(Green-Ampt)模型、径流曲线数值(SCS)模型。其中，Horton模型积累了比较多的可靠性参数，同时适用于地质参数较少及各种地面下渗情况；Green-Ampt模型参数的物理意义明确，但适用于能够提供经验性参数的地区；SCS模型假设透水层的总下渗能力可从透水层数值曲线获得，适用于土壤入渗计算[11]。上述SWMM的下渗模型用于透水路面径流模拟已得到众多学者的校正和检验，模型中使用的各类参数应用较为成熟，且得到了广泛的应用[10-11]。考虑多种国外模型的适用性，鉴于本研究选取西咸新区数据六路其中一段，属于新建地区路段，地质资料较少，因此本研究选择霍顿方程进行下渗水量的计算分析。此外，本研究在计算降雨过程中，考虑到降雨变化规律，选择分钟为时间步长来进行计算，因此选取运动波法进行计算。采用非线性水库法用于地表径流的计算，即联合求解SWMM中的连续性方程和曼宁公式。

在SWMM模型的水文模块中，相应的参数包括雨量计和LID控制设置。首先，选择Horton渗透模型，并选择运动波来描述径流模型。其次，添加雨量计，时间序列是基于芝加哥降雨模型计所得。最后，在LID设施子模块中输入透水铺装各层的参数。每一种透水铺装都需要输入面层、透水铺装、储存3层参数。相关参数取值范围见表1[12]。

表1 水文参数的取值范围Tab.1 Value ranges of hydrological parameters

1.3 暴雨强度设计

本研究使用SWMM时，输入的降雨数据是基于西安市最新的暴雨强度公式(公式1)计算产生。

q=16.71(1+1.165 81gP)/(t+16.813)0.930 2,

(1)

式中，q为降雨强度；P为降雨复发期；t为降雨时长；这些各项参数是基于西安暴雨的原始数据，通过比较不同频率分布得到[13-14]。

根据西安市实际降雨量，选取降雨重现期为1，2，3，5,10，20和50 a。降雨持续时间为120 min，时间步长为1 min。由于芝加哥降雨模型对基础数据要求低，易于模拟降雨强度过程，利用方便，故采用峰值比为0.4。不同重现期降雨强度序列如图2(a)所示，累积降雨量如图2(b)所示。

图2 降雨模拟结果Fig.2 Rainfall simulation result

由图2可知，重现期1，2，10，20和50 a 均在48 min达到了最大降雨强度，雨峰强度分别为72.5，97.9,131.6,157,182.4 和216.1 mm/min，总降雨量分别为20.7，28,37.6,44.8,52.1 和61.7 mm。

1.4 不同透水铺装结构参数的设定

LID的参数应根据不同结构的透水铺装选择，所选取的各个结构层厚度均为代表值[15-16]。通过对典型地区的表层排水型透水铺装结构进行调研和总结，提出了3种典型结构：表层排水型、基层储排水型和全透水型铺装。

表层排水铺装包括4种结构，分别为单层排水型透水沥青结构(SPAP-I)、双层排水型透水沥青结构(SPAP-II)、透水水泥混凝土结构(SPCC)、透水水泥混凝土面层加铺透水沥青功能层结构(SPCC-AP)，SWMM中LID参数见表2[17]，其中部分结构如图3所示。表层排水铺装结构采用边缘排水系统，渗入面层的雨水通过路拱横坡排入路边部的排水系统，最后汇入城市排水管网。在SWMM中，表层排水型透水铺装只有上面层或者整个面层采用透水材料，基层采用密实型材料，因此蓄水层在表层排水型透水铺装中参数值为0。此外，为比较透水铺装的径流削减效果，本研究还构建了普通沥青铺装模型。

表2 表层排水型透水铺装模拟参数Tab.2 Simulation parameters of surface drainage permeable pavement

图3 表层排水型透水铺装结构Fig.3 Surface drainage permeable pavement structure

基层储排水型铺装包括两种透水沥青铺装结构和3种透水水泥混凝土结构，分别为基层储排水型沥青结构(单层BPAP-I，双层BPAP-II)，基层储排水型水泥混凝土结构(单层BPCC-I，双层BPCC-II)，基层储排水型水泥混凝土面层加铺透水沥青面层结构(单层BPCC-PA-I，双层BPCC-PA-II)，SWMM中LID参数见表3[17]，部分结构如图4所示。将图4(a)中的整个基层用透水材料替换可形成另一种透水沥青铺装结构，类似于另一种透水水泥混凝土结构。在SWMM中，相比于表层排水型透水铺装，基层储排水型透水铺装多了蓄水层(相当于透水铺装的基层，采用骨架空隙型稳定类材料或多孔混凝土B类)，在降雨发生时有短暂的蓄水作用，用来缓解较大的降雨和排水设施容积较小的关系。此外还在基层下方创建了封层。

表3 透水铺装模拟参数Tab.3 Simulation parameters of permeable pavement

图4 基层储排水型透水铺装结构Fig.4 Base course storage and drainage permeable pavement structure

全透型铺装包括一个透水沥青铺装结构和两个透水水泥混凝土结构，分别为全透型沥青结构(FPAP)，全透型透水泥混凝土结构(FPCC)，全透型水泥混凝土上铺沥青层结构(FPCC-PA)，SWMM中LID参数见表4[18]，结构形式如图5所示。与基层储排水透水铺装相比，全透水铺装的路基也具有透水性。因此，水力传导率的取值不为0。

表4 全透型铺装模拟参数Tab.4 Simulation parameters of full permeable pavement

图5 全透型铺装结构Fig.5 Full permeable permeable pavement structure

2 结果与讨论

2.1 表层排水型透水铺装结构对径流削减效果

本节从总径流深度、径流系数、峰值时刻、径流峰值、产流时刻、产流时长共6个方面详细介绍了表层排水型透水铺装结构在径流削减方面的模拟结果，如图6所示。

图6 不同表层排水型透水铺装结构对径流削减的影响结果Fig.6 Result of different surface drainage type permeable pavement structures on runoff reduction

2.1.1 总径流深度

不同透水铺装结构径流总深度随重现期的变化如图6(a)所示。结果表明无论在任何降雨强度下，透水铺装的总径流深度均小于普通沥青铺装的总径流深度，其中总径流深度的削减效果由小到大依次为：SPAP-Ⅰ

总体上，从不同表层排水型透水铺装结构对总径流深度的影响而言，双层透水铺装从厚度和容水能力方面都优于单层透水铺装，因此在表层透水铺装中建议选择双层透水铺装结构。

2.1.2 径流系数

以传统沥青铺装为对照组，设其径流系数为0，径流系数削减率定义为对照组与各类透水铺装结构径流系数绝对差值，分别计算不同表层排水型铺装结构的径流系数削减率，见表5。结果表明普通铺装径流系数最大且稳定于某常数，而透水铺装在重现期变大时，径流系数呈现递增趋势。SPAP-I增势较缓，其余3种透水铺装在低重现期下增速较快，随着重现期的增大，增速也变缓；SPCC-AP从P=2～5 a 时增速最快，说明SPCC-AP铺装结构在重现期P=2～5 a之间比较敏感，但径流系数仍小于其余透水铺装。

表5 不同透水铺装结构的径流系数削减率(单位:%)Tab.5 Reduction rate of runoff coefficient for different permeable pavement structures (unit:%)

2.1.3 峰值时刻

不同透水铺装结构径流总深度随重现期的变化如图6(b)所示。发现SPAP-I只有在重现期P=1 a时能延迟峰值时刻，延迟效果近乎于传统沥青铺装重合。总体上，SPCC可将峰值时刻延迟55 min，而SPAP-II和SPCC-PA分别在重现期P=2 a，5 a时产生径流峰值。SPAP-II，SPCC在P=50 a时与普通沥青铺装上出现的径流量峰值时刻相同，表明在P=50 a 时，SPAP-II，SPCC对于滞后径流峰值时刻没有作用。而当重现期为P=5 a或更高时，随着降雨强度的增加，这两种结构的产流时间越来越接近。而SPCC-AP在P=1～50 a的降雨均有延迟径流峰值的作用，表明SPCC-AP铺装结构有着很好的延迟径流峰值效果，延迟能力远高于其他表层透水结构。

2.1.4 径流峰值

路面径流峰值指在一场降雨中，路面径流所能达到的最大值，反映了路面上所能产生径流的一个上限，不同透水铺装结构径流峰值随重现期的变化如图6(c)所示。结果表明随着降雨强度的增强，同一种铺装结构洪峰流量随之增大。在P=1 a时，透水铺装的径流峰值均小于普通铺装，SPAP-I，SPAP-II，SPCC和SPCC-PA径流峰值削减率分别为33.82%，100%，96.08%和100%。当P≥2 a时，SPAP-I径流峰值与普通沥青铺装相当。当P=2～20 a 时，SPAP-II，SPCC和SPCC-PA均能起到较好地削减峰值的作用，这3种结构对峰值径流量的最大减少率分别达到了85.97%，73.38%和79.26%。而当P=50 a时，只有SPCC-PA能降低峰值径流量，降低率为27.81%，而其他透水铺装在此降雨强度下均不能削减径流峰值。

2.1.5 产流时刻

路面产流时刻指在一场降雨中路面产生径流的时间，反映了路面渗水以及储存水量的能力，不同透水铺装结构产流时刻随重现期的变化如图6(d)所示。结果表明径流产生的时间均与降雨开始时间有间隔，相较于普通沥青铺装，透水铺装可将产流时刻延迟40～102 min，原因是降雨刚开始比较小，落到地面会填补构造深度或渗入透水铺装内部，而不是立刻产生径流。随着降雨时间的增加，普通铺装内部空隙被填充满，从而产生径流。因此在较小的降雨强度下，SPAP-I和SPCC对于径流的产生都有很好的滞后作用，但随着降雨强度的增加，相对滞后时间也越来越小，且4种透水铺装的产流时间与其他类型透水铺装越来越接近。

相比其余结构，SPCC-AP铺装结构在降雨强度较小的情况下对于产流时间的滞后作用更加显著。随着降雨强度的增大，由于其具有两层结构，且上层为渗透性相对较弱的透水沥青混合料，对产流时间起到了较大的影响，产流时间与其他类型透水铺装越来越接近。

2.1.6 产流时长

路面产流时长指在一场降雨中，路面径流开始产生至径流消失的时间间隔，反映了路面削弱径流的能力。不同透水铺装结构产流时长随重现期的变化如图6(e)所示。结果表明透水铺装具有减少产流时长的效果，随着重现期的增大，产流时长呈现递增的趋势；同一降雨强度下，雨水产流时长大小为：SPAP-I>SPCC>SPAP-II>SPCC-PA。且削减总径流深度大的透水铺装，在削减径流产生时间方面效果也更明显。随着降雨强度的增大，各类透水铺装产流时间越来越接近，这表明透水铺装种类，对于较大的降雨强度影响不大。总体上，SPCC-AP在径流削减效果最佳。

2.2 基层储排水透水铺装对径流削减效果

SWMM模拟结果表明对于任一基层储排水型透水铺装结构，只有P=50 a 时，BPAP-I才会产生径流，不同厚度骨架空隙结构对径流的削减结果见表6。

表6 不同基层厚度下BPAP-I对径流削减的模拟结果Tab.6 Simulation result of BPAP-I on runoff reduction with different subgrade thicknesses

结果表明BPAP-I只要满足透水基层厚度不小于18 cm，在P≤50 a的条件下基本不会产生径流。与普通沥青铺装相比，BPAP-I的径流系数削减率达89%以上，原因是基层储排水型BPAP-I的面层全部为透水层，保证了透水结构层的厚度，使得降雨能够及时被吸收排出，因此在P=1～20 a时BPAP-I能够完全吸收雨水。而在P=50 a时，15 cm的透水基层厚度无法满足地表不产生径流的要求，因此需再加厚一部分透水基层厚度才能够保证雨水能够被及时吸收排走。

此外，BPAP-II由于基层和底基层均为透水层，较厚的透水层使得径流并未产生。BPCC渗透系数大，故透水基层厚度下限值15 cm也满足不产生径流的要求。而BPCC-AP兼具上述两者优势，因此透水基层厚度下限值15 cm也满足不产生径流的要求。

2.3 全透式排水铺装对径流削减效果

SWMM模拟结果表明全透型铺装在P=1～50 a均不产生径流。与基层储排水型透水铺装相比，全透型铺装的独特之处在于路基具有渗透性(渗透系数≥1×10-4cm/s)，渗入铺装结构的水不仅可以通过道路边部排水系统排出，还可通过土基渗入补充地下水，因此对于雨水径路削减效果更好。在西安地区降雨条件下，重现期不大于50 a，全透型铺装均不会产生路表径流。

2.4 建议

上述SWMM模拟结果表明透水铺装对减小径流深度和径流系数，延缓径流时间有显著作用。目前，我国海绵城市地区不同铺装类型主要以《室外排水设计规范》(GB50014—2016)大都基于径流系数设计。规定了各种屋面、混凝土、沥青路面的径流系数为0.85～0.95，大块石铺砌铺装或沥青表面各种的碎石铺装径流系数为0.55～0.65，级配碎石铺装的径流系数为0.40～0.50。然而，对于各种类型的透水铺装，尤其是表层排水型透水结构，仍缺乏有效的径流系数推荐值。因此，基于模拟结果，为典型透水铺装结构提出了径流系数参考值。考虑到推荐值的推广性，分析范围集中在5～50 a的降水重现期，结果见表7。

表7 典型透水铺装结构的径流系数Tab.7 Runoff coefficients of typical permeable pavement structures

3 结论

本研究选取西安市一条双向双车道道路，采用SWMM模拟不同降雨重现期下不同透水铺装结构对地表径流削减效果，得出如下结论：

(1)降雨重现期、透水层结构组合、透水层厚度是影响径流削减的主要因素。单层透水沥青铺装(SPAP-I)可使总径流深度降低14%以上，也可使径流时间和持续时间延迟约40 min，并降低径流系数降低14%以上，但对径流峰值的减少及峰值时刻的滞后几乎没有影响。

(2)双层透水沥青铺装(SPAP-II)在降雨重现期为1 a时也能使峰值径流量减少100%，但随着降雨重现期增加，其减少能力逐渐减弱。单层透水水泥混凝土铺装(SPCC)最大程度上能使径流深度降低96%，峰值时间和径流时间延迟50 min以上，径流系数降低96%。且随着降水重现期的增加，其削减能力与SPAP-II相似。

(3)同一降雨重现期下，不同表层排水型透水铺装对地表径流的减量效果依次为：SPAP-I

(4)6种基层储排水型透水铺装中仅有BPAP-I在P=50 a的时才能产生径流，且透水基层厚度≥18 cm 时能实现无径流产生。然而，全透型铺装在P=1～50 a降雨强度下均不产生径流。

(5)为典型透水铺装结构推荐了径流系数取值范围，即针对表层排水透水铺装，SPAP-I为0.5～0.8，SPAP-II和SPCC为0.35～0.65，SPCC-PA为0.2～0.45；基层储排水型透水铺装≤0.15，全透型透水铺装为0，完善了排水设计规范，可为海绵城市透水路面设计提供一定的技术支持。