滤芯渗井-透水砖在海绵城市中的应用

2022-12-05李顺群，张光明，芮子航，刘小兰

人民长江 2022年11期

李顺群，张光明，芮子航，刘小兰

(天津城建大学土木工程学院，天津 300384)

0 引言

随着城市化进程的加快和经济的高速发展，混凝土及沥青硬化路面急剧增加，环境和资源受到严重的破坏，城市内涝与水资源短缺的矛盾不断加剧[1-2]。基于此背景下，中国在2012年首次提出海绵城市建设理念，指出城市能够像海绵一样，在应对自然灾害和环境变化时有良好的“弹性”和“韧性”，最大限度地提高城市蓄水能力，减缓城市内涝灾害，实现城市可持续发展[3-5]。目前，国外海绵城市建设方法主要有：美国的低影响开发理念(Low Impact Development，LID)、新西兰的雨洪管理体系(Low Impact Urban Design and Development，LIUDD)、英国的可持续排水系统(Sustainable Drainage System，SUDS)、澳大利亚的水敏感城市设计理念(Water Sensitive Urban Design，WSUD)等[6]。中国海绵城市起步较晚，建设方法主要包括透水砖、雨水花园、下凹式绿地、植草沟、渗井等蓄水排水措施[7]。透水砖作为海绵城市建设的重要技术措施之一，只有和依次铺设的基层、垫层、土基等构成一个整体，才能形成良好的渗、滞、蓄、排等通道[8-9]。目前国内研究侧重于透水砖产品的水力设计、制备与渗透性能分析，更多的是针对透水砖单一产品的性能研究，而对基层和垫层等下承层缺乏深入研究[10]。由于基层下部土体为渗透性较差的粉土、黏土等土质，其渗透能力及滞蓄能力会大打折扣[11]。因此，针对上述问题，采用下置滤芯渗井、上方铺设透水砖对原有措施进行改良，构建“降雨-径流-下渗-回用”的良性循环，不仅有效防止城市内涝，还能维护城市生态平衡。

滤芯渗井-透水砖组合作为一种新型海绵渗水装置，具有加速地表积水入渗、削减径流、涵养地下水源等特点。目前对此方面的研究主要有：刘烨璇等[12]提出一种以砂石等粗骨料作为渗井内置填充料的竖向渗透装置，研究表明该装置具有施工简单、成本低、渗水效果强等特点；冯彦芳等[13]通过向一定深度的渗井孔填入中粗砂，形成加速雨水入渗装置，发现该入渗装置大幅度增加雨水的入渗，入渗效果随着渗井孔轴心距离和土体深度呈负相关；程学磊等[14]通过原位试验和数值模拟发现滤芯渗井技术能有效提升雨水入渗率和土体饱和率；梁萌等[15]利用试验与SWMM数值模拟结合的方法，发现新型渗井-透水网格渗水效果优于单一透水网格。

当前研究大多只针对滤芯渗井中的单一渗水构件，且研究应用区域多为单一下垫面、局限于小面积场地的渗水性能研究，而对于滤芯渗井与透水砖结合进行径流削减的研究较少。基于此，本文以滤芯渗井-透水砖结合为研究对象，依托实地应用与SWMM模型数值模拟，全面探讨并分析其径流削减效果和土体渗水蓄水能力，以期为该装置在海绵城市建设领域进一步推广提供科学依据和理论参考。

1 滤芯渗井-透水砖结构和入渗机理

滤芯渗井-透水砖主要利用其材料渗透效率高的特点来提供一个竖向过水通道，从而提高地表径流削减效率，以低成本、施工简单、应用范围广、布置灵活等特点，在降低城市内涝风险、实现雨季下渗、存蓄、渗透、雨水净化方面发挥着重要的作用。

1.1 滤芯渗井-透水砖结构

该装置由渗井孔、滤芯、透水砖和周围土体4部分组成，结构示意如图1所示。其中滤芯由碎石、水泥、水等材料按一定配合比混合搅拌，放入滤芯模具中，充分养护后拆模，即形成预制混凝土滤芯。渗透面积可由如下公式计算：

图1 滤芯渗井-透水砖示意

s1=πrw2

(1)

s2=2πrwhw

(2)

式中：s1为渗井口面积，m2；s2为渗井壁有效渗透面积，m2；hw为渗井深度，m；rw为渗井半径，m。可以看出设置滤芯渗井后，有效渗透面积大幅度提高。

1.2 滤芯渗井透水砖入渗机理

该装置主要利用其滤芯渗透系数远远大于土体渗透系数、土层水平渗透系数大于竖向渗透系数的特点，大幅度提高雨水入渗效率，入渗过程可分为自由渗透、非稳态渗透、相对稳态渗透和稳态回升渗透4个阶段。根据土壤水动力学基本理论，滤芯中的水在阻力、重力和毛细管压力的共同作用下达到一个瞬态的平衡[16]。

2 实地应用与数据监测

武清工业园区位于天津市西北部，属温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，年平均气温为11.6 ℃，1月平均气温为-5.1 ℃，7月平均气温为26.1 ℃，年平均降水量为606 mm。园区整体地势低洼，以黏土壤为主。始建于2012年，包含2栋工业厂房、1栋办公楼、1栋宿舍楼，占地面积约2 701 m2，其中建筑物及不透水路面占比60%，绿化率占比约为10%。查阅园区的地质勘测报告，各层土体物理参数如表1所列。

表1 各层土体物理参数

通过滤芯渗井-透水砖对园区部分路面进行改造，同时在改造区域和未改造区域布置观测水位孔对改造效果进行评价。根据改造场地渗水性的不同，采用直径为10 cm的滤芯，每个滤芯渗井孔的高度为2 m，按照间距为1 m的方法进行布置。1号观测水位孔位置距办公楼西侧10 m，2号和3号观测水位孔位置距绿地东侧31 m和6 m，4号和5号观测水位孔距离绿地东侧10 m和57 m。改造区域平面图和观测水位孔位置如图2所示。

图2 改造区域平面和观测水位孔位置(尺寸单位：m)

2.1 实地应用

该装置作为一种低影响、低成本的海绵渗水装置，能够在短时间内将地表积水通过透水砖下渗到滤芯渗井，再由滤芯渗井向周围土体入渗，达到削减径流和储存水资源形成地下水库的目的。布置过程如下：① 在所需布置的区域通过机械成孔；② 向孔内放入预先制作好的滤芯，滤芯和渗井孔之间的孔隙用粒径较大的碎石填充，碎石需高出滤芯顶部5 cm左右，目的是避免周围土体堵住滤芯孔隙，影响其渗透性；③ 在其上方铺设透水砖并进行相应的密实处理，形成滤芯渗井-透水砖结构，见图3。

图3 滤芯渗井-透水砖布置过程

2.2 数据监测

本次监测时间为2021年6月7日至9月20日，共12周，通过观察观测水位孔的监测结果(见图4)可知，5号观测孔水位深度最高，2号观测孔水位深度最低，3号和4号观测孔水位深度变化基本持平。第6～8周为雨季多发期，水位深度变化较其他9周变化明显，布置滤芯渗井-透水砖区域的观测孔水位深度最高为2.93 m，未布置滤芯渗井-透水砖区域的观测孔水位深度最高为3.43 m。原因是该装置为雨水入渗提供竖直通道，增大了雨水与井壁土体的接触面积，减小了因表层土硬化对雨水入渗的弱化作用。其次该装置渗透系数远大于周围土体渗透系数，雨水沿着所在区域快速入渗，而对于未布置滤芯渗井-透水砖的区域，因表层土渗透性差，雨水难以下渗到土体中，多集中在表层土体上。试验表明埋置滤芯渗井-透水砖能够较大提升雨水在土体的入渗速率，监测结果也验证了该装置的合理性与有效性。

图4 观测水位孔监测结果

3 SWMM模型数值模拟

SWMM模型[17-18]是由美国环保局设计，主要用于城市区域多种降雨条件下的水量和水质的动态模拟，中文全称“暴雨径流管理模型”，是一个动态的降水-径流模拟模型。主要包括水文、水力、水质过程模拟。本文研究基于LID措施下对布置滤芯渗井-透水砖装置所在区域不同重现期和不同布设面积下的径流削减效果模拟。

3.1 SWMM模型构建

本次模型构建区域建设年代久远、管道年久失修、路面多以不透水路面为主。根据现场勘测资料和土地利用性质及坡度等情况采用人工划分子汇水区方法，划分为6个子汇水区，6个节点，7条管段，1个排放口，划分结果如图5所示。模型选择较为准确的霍顿渗入模型，流量计算方程选择动力波方程。

图5 试验区域概化示意

3.2 SWMM模型参数选取

SWMM模型中参数包括两类[19-20]，率定参数和非率定参数。非率定参数又称经验参数，包括管道曼宁系数、透水区曼宁系数、不透水区曼宁系数等，可通过SWMM用户手册和国内外文献资料获取[21-22]，率定参数为模型特性参数，主要有不渗透面积百分比、子汇水区面积、地表漫流路径宽度等，通过实地勘察和相关地理信息系统分析工具获取。依据实测降雨径流数据来率定模型参数，保证实际结果与模拟结果吻合。本文利用实测的两场降雨径流数据(编号20200612，20200820)进行模型参数率定，率定结果见表2。

表2 模型参数取值范围

尽管SWMM模型中LID模块只给出了生物滞留网格、雨水花园、绿色屋顶、渗渠等8类渗水措施[23]，并未给出海绵城市建设中的所有LID措施，但每类LID措施的内涵是广义的，可以通过调整其模型参数来模拟需要的LID措施。因渗渠和滤芯渗井-透水砖的构造和产流汇流机制基本相同，因此采用渗渠进行概化[24]，概化参数见表3。对于该装置在模型中的不同布设面积，只需改变LID模块下的面积百分比参数即可实现。

表3 滤芯渗井-透水砖参数

3.3 降雨数据生成和模型精度验证

SWMM模型中的雨量计需要定义降雨强度的时间序列，结合天津市暴雨强度公式和芝加哥雨型生成重现期2，5，10，30，50 a一遇下降雨历时120 min的降雨数据，雨峰系数r取0.4(一般范围0.35

图6 不同重现期下的降雨历程曲线

(3)

式中：P为重现期，a；t为降雨历时，min；q为降雨强度，mm/min。

为了进一步验证模型的可靠性和准确性，向当地气象部门选取20200712号和20200730号两场降雨数据(分别对应单峰型中雨和双峰型大雨)，对参数率定后的模型进行验证，并与实测值结果进行对比。同时采用纳什效率系数NSE、统计参数中的均方根误差RMSE、平均绝对误差MAE来验证模型的可靠性。上述3个评价指标的计算公式和含义如下：

(4)

(5)

(6)

图7为模型参数率定后模型模拟结果与实测值对比结果，可以看出，两场降雨的模拟值与实测值基本吻合，NSE均在0.85以上，RMSE和MAE均接近于0，表明构建的SWMM模型模拟结果可靠，可继续使用该模型在该区域进一步模拟评估径流效果。

图7 模型参数率定后模拟值与实测值对比结果

4 模拟结果分析

本文选取峰值流量、径流系数削减率、洪峰削减率作为滤芯渗井-透水砖装置在径流调控方面的评价指标。峰值流量又称一次降雨径流过程中最大的瞬时流量，径流系数削减率Ra和洪峰削减率RQ主要体现在径流峰值削减和径流时间削减上，可以直接反映该研究区域的产流汇流特征，其计算公式如下[25]：

(7)

(8)

式中：ɑo为传统设施方案下的径流系数；ɑLID为LID布置方案下的径流系数；Qo为传统设施方案下的洪峰流量，m3/s；QLID为LID布置方案下的洪峰流量，m3/s。

4.1 不同布设面积对径流调控的影响

根据暴雨公式和芝加哥雨型生成的降雨数据导入构建完成的SWMM模型中，统计分析在降雨重现期为2 a时，有无滤芯渗井-透水砖装置对区域径流调控的影响。从图8可以看出，其渗水效率远远高于文献[26]中所提到的现有透水铺装渗水效率，在布设面积为10%，20%，30%时，峰值削减量分别为2.8%，64.0%，89.0%，即随着研究区域滤芯渗井-透水砖布设面积的增加，对径流削减能力逐渐增强。原因是在雨量不变的情况下，随着布设面积的增加意味着不透水路面面积的减少，从而提高布置区域土体渗水性能，吸收降雨能力变强，地表产生径流量变少，表明滤芯渗井-透水砖装置径流调控效果明显。

图8 滤芯渗井-透水砖不同布设面积下模拟结果

4.2 不同降雨重现期下对径流调控的影响

从图9～11可以看出，滤芯渗井-透水砖的设置对径流系数和洪峰流量具有显著的削弱作用。在降雨重现期为2 a和5 a时，随着研究区域布设比例的增加，研究区域内对径流调控能力明显增强。在降雨重现期为2 a、布设面积为30%时，径流系数削减率和洪峰削减率分别达到61%和65%。当降雨重现期为30 a时，研究区域的径流调控能力随布设比例的增加而增加，但不如降雨重现期小于30 a时变化显著。原因是在土壤密实度、地面坡度、前期含水量等因素相同时，对于不同降雨场次情况下，当降雨强度大于下垫面的下渗率时，造成土体含水量较高，下渗量较少，产生的径流增加，径流调控能力变弱。其次，降雨强度过大时造成地表土壤颗粒发生崩解，崩解形成的小颗粒会堵塞地表空隙，导致地表入渗量减少，随之影响滤芯渗井-透水砖的径流调控能力。综上所述，一方面反映出当降雨重现期小于30 a时，采用滤芯渗井-透水砖装置能够缓解城市内涝、削减地表径流、提高城市防洪能力；另一方面，也反映出该渗水装置在海绵城市建设中的承载能力是有限的。