四种生态护坡材料的径流入渗性能试验研究

胡佳纯，赵璧奎 ，黄本胜，邱 静，洪昌红，陈家豪

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510635；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州 510635)

1 概述

径流总量控制、径流峰值控制、径流污染控制、雨水资源化利用是海绵城市建设规划的4大控制目标[1]。海绵城市建设遵循“渗、滞、蓄、净、用、排”的六字方针，把雨水的渗透、滞留、集蓄、净化、循环使用和排水密切结合，统筹考虑内涝防治、径流污染控制、雨水资源化利用和水生态修复等多个目标[2]。滨水岸坡是维持河湖湿地基流与地下水互相补给的重要通道[3]，是陆地与水域进行物质、能量交换的空间界面，滨水岸坡所采用护岸材料的入渗性能是保障河道的“海绵”功能、维护河道水系统良性循环的重要控制指标[4]。

随着生态治河理念转变，生态护坡材料因其具有固土护坡、透水透气、生态缓冲、生境与景观营造等综合功能，在河道生态修复工程中得到迅速的推广应用。相关学者也从不同的角度对生态护坡材料的应用与对比做了大量研究。刘志等[5]从功能性、安全性、生物性和景观性4个方面进行了内涵分析，提出了灌溉渠道生态护坡建设效果的评价指标体系，并提出了相应的改进建议。林发永等[6]对不同绿化混凝土厚度、不同排列方式、不同水生植物及不同草皮、客土液压喷播植被以及与其他生态护坡结构的优缺点进行了对比与试验，为今后上海河道绿化混凝土生态整治提供了宝贵经验。蔡婧等[7]在上海市进木港生态河道示范区，通过现场模拟径流试验，研究了柴笼、灌丛垫、植草3种不同类型的生态护坡对地表径流的延滞作用和污染控制作用，证明生态护坡在控制地表径流污染方面具有良好的生态效益。王慧子等[8]选取麦冬、香根草、狗牙根3种植物作为护坡植物进行模拟降雨冲刷试验，研究了植物对降雨径流携带的泥沙等悬浮固体污染物的拦截效果。

目前生态护坡新型材料品种多，且结构特征、功能适用性方面各有优势和特点。针对不同护坡材料对径流入渗性能差异大且相关研究成果仍然较为缺乏，给工程应用中的材料选择带来了较大困惑的问题，本文选择了目前较为常用且具有广泛应用前景的4种生态护坡材料，从径流入渗性能评价的视角，开展地表径流模拟试验与监测，定量评估不同生态护坡材料对径流入渗的效果，为生态护坡改造工程的材料选择和海绵城市规划、设计、建设、评估等环节提供科学支撑。

2 材料与方法

2.1 护坡材料选择

本次试验选取当前应用最为广泛的格宾石笼、生态砌块和具有推广应用前景的现浇绿化混凝土、植物蜂巢等材料作为研究对象，其结构形式如图1所示。格宾石笼结构[9]是由格宾网片编制组成网箱，并在网箱内填充石块而形成，具有柔韧、抗冲耐磨、防锈、抗老化、耐腐蚀等特点。生态砌块是一种具有连锁结构的预制混凝土块，连锁结构设计提高了护坡的整体性，可适合坡面轻微的塌陷变形。现浇绿化混凝土[10]是一种内部具有连通孔隙结构的新型无砂混凝土，具有孔隙率高(达到25%～35%)、结构整体性好、抗冲刷及抗压强度高、适合动植物生长等优点。植物蜂巢是由强化的高分子片材经高强力焊接而形成的一种三维网状格室结构，具有施工快捷、方便、省力的特点。普通植草护坡是在普通夯实土表面铺设草皮而成，在本试验中作为参照组。

图1 主要生态护坡材料结构形式示意

2.2 试验装置

试验装置由2 t储水桶、供水管、开关、流量计、分水管组成供水系统，为了区分生态护坡对地表径流和壤中流的水质净化效果，试验装置下边缘设置2个出水管分别收集地表径流和壤中流[11]，试验装置示意及现场照片如图2所示。每个试验段长6 m、宽1.5 m，坡度为1∶2.25，护坡试验段侧面和底部均铺设防渗膜防止水流继续向深层土壤渗漏，尽量保证模拟试验的水量平衡。

图2 试验装置示意及试验段现场照片

2.3 试验边界条件

为了研究不同护坡材料的径流入渗性能，试验段除结构材料不同外，其坡度相同、植被均为马尼拉草[12]、土壤基质均为回填素土。每个试验段上方的径流量计算公式见式(1)：

Q=ΨqF

(1)

式中：

Q——径流量，L/min；

Ψ——径流系数，无量纲，取0.85；

q——暴雨强度，L/(s·hm2)；

F——汇水面积，m2。

参照深圳市2015年11月发布的《深圳市暴雨强度公式及查算图表(2015版)》，推求2年一遇设计暴雨强度150.71 L/(s·hm2)。假设护坡外边界道路为3车道，即道路宽度为10.5 m，试验段宽度1.5 m，汇水面积为15.75 m2，推算试验段平均汇水流量约为12.11 L/min，每一组护坡上边界的入流流量大小尽量维持恒定，径流模拟时间长度为60 min。

2.4 水量监测

试验开始时刻打开总开关并快速调节至预设流量对应开度。从试验开始时刻T0起，每隔5 min记录入口处流量计读数。分别记录地表径流、壤中流开始溢流的时刻，并从各自溢流时刻开始按照5 min间隔监测记录流量值，两个出口流量采用量筒计时法计量。当试验进行到第60 min时，关闭供水阀门并加密地表径流和壤中流的监测和采样，直到地表径流、壤中流均结束溢流时，试验结束。

2.5 评价方法

为评价不同护坡材料在试验过程中地表径流、土壤入渗形成壤中流的流量变化规律及其差异，本文选取入渗率以及下边界开始溢流时间作为主要评价指标，研究各生态护坡段的入渗过程和效果。

1)入渗率f

本文采用入渗率作为评价结构材料透水性能指标。入渗率越高则对地表径流入渗、增强河道“海绵”功能、发挥生态护坡的水质净化功能更加有利。

地表径流的入渗率f计算公式见式(2)：

(2)

式中：

f——入渗率，%；

V1——护坡上边界的入流总水量，L；

V2——护坡下边界地表径流的溢流总水量，L。

其中，总水量是根据瞬时流量采用积分法推算得出：

(3)

式中：

Qt——t时刻的瞬时流量，L/min；

T——试验监测的总时长。

2)开始溢流时间

开始溢流时间是指试验开始至下游径流出口处产生径流所经历的时间，采用试验开始时刻T0至地表径流、壤中流出口产生水流的时间间隔表示。

采用该指标评价地表径流、壤中流沿着护坡的纵向汇流传播(渗透)速率。开始溢流时间越长，说明径流在生态护坡纵向汇流时间越长，则径流滞留综合效果越好。

地表径流的滞留效果，主要是受到植物表层根茎密集程度、护坡坡度、坡面平整程度等因素影响。壤中流的滞留效果，主要受到雨水下渗速率、纵向的透水率、护坡材料及其土壤基质孔隙率、坡度等因素影响。

3 结果与分析

3.1 径流过程分析

本次试验记录了不同生态护坡材料试验段地表水、壤中流产流起止时刻，监测入流、地表径流、壤中流的流量过程、总水量等，试验结果如表1所示。各组试验段水量监测结果如图3、图4所示。以试验起始模拟径流开始进入护坡试验段上边界的时刻记为T0=0时刻，所有时间记录均为与T0时刻的时间间隔。

表1 五种护坡材料径流模拟试验结果

图3 不同护坡材料的地表径流流量变化过程示意

图4 不同护坡材料的壤中流流量变化过程示意

3.2 径流入渗与延滞效果评价

1)渗透特性评价分析

根据试验流量监测数据和入渗率计算公式，不同护坡材料入渗率如图5所示。从入渗率对比可以看出不同护坡材料入渗率差异较大，其中现浇绿化混凝土的入渗率最高，达到了64.6%；其次是生态砌块，入渗率为62.87%；而普通植草护坡的入渗率最低，仅有7%。5组护坡材料的平均入渗率为47.81%，除普通植草护坡外，其余4种生态护坡结构材料的平均入渗率为57.8%，说明4种生态护坡的入渗率显著高于普通植草护坡。

图5 不同护坡材料的入渗率比较示意

在试验中间阶段土壤含水量达到饱和状态，地表径流、壤中流产流量保持相对稳定，地表径流与壤中流的流量分配比例可以反映不同护坡材料稳定入渗能力的差异(如图6所示)。从图中可见，在产流相对稳定阶段，植草护坡的地表径流平均产流量占了总产水量的96%，而其余4种生态护坡的地表径流产水流量约为43%～72%，即有27%～57%的径流量渗透到土壤并形成了壤中流，说明其余4种生态护坡材料的平均入渗比例显著高于普通植草护坡，格宾石笼、连锁砖、现浇绿化混凝土的稳定入渗比例均达到40%以上。

图6 相对平稳期地表径流与壤中流平均流量比例示意

2)径流延迟效果分析

根据试验记录的开始溢流时间可以推算地表汇流、壤中渗流的速度，评价生态护坡对地表径流的延滞效果。各试验段的开始溢流时间如表1所示。相对于其他材料生态护坡，普通植草护坡的开始溢流时刻最短，主要是由于植草护坡土壤孔隙率小、渗透较慢，地表汇流速度快，因此植草护坡的地表径流溢流时刻最短，而壤中流的开始溢流时刻较长，且两个溢流开始的时刻差异较大。

现浇绿化混凝土护坡地表径流、壤中流的开始溢流时间均为5种材料中最长。现浇绿化混凝土结构材料孔隙率一般达到30%左右，内部分布着相互贯通、直径约5～10 mm的孔隙，对径流起到很好的滞留、调蓄作用，显著延长了产汇流的时间。从径流开始溢流时间看，现浇绿化混凝土护坡对径流的延迟效果最佳。

生态砌块的壤中流开始溢流时间显著短于地表径流溢流时间。生态砌块是由连锁砌块相互连接而成，在砌块之间存在宽约5 mm的连接缝隙，地表径流沿缝隙竖向渗透到生态砌块底层，并在护坡底端汇集形成壤中流。

3)汇流速度测算与评价

根据试验观测的开始溢流时间，按照试验段坡面长度6 m折算成各种材料的单位长度的汇流时间，即：汇流速度=汇流长度/溢流时间，4种护坡材料以及普通植草的汇流速度如图7所示。从地表径流汇流速度对比发现，普通植草护坡的汇流速度最大达到2.48 m/min，现浇绿化混凝土护坡的汇流速度最小为0.57 m/min，两者相差4.3倍，4种材料平均地表径流汇流速度为1.13 m/min。从护坡壤中流的汇流速度对比发现，生态砌块护坡的汇流速度最大达到1.37 m/min，现浇绿化混凝土护坡的汇流速度最小为0.61 m/min，两者相差2.2倍，4种材料平均壤中流汇流速度为0.93 m/min。

图7 不同护坡材料地表与壤中流汇流速度示意

以上数据表明，不同材料的地表径流差异较大，壤中流的汇流速度相对差异较小，在植被拦截、土壤下渗的综合作用下，生态护坡的总体平均汇流速度在1 m/min左右，相比现场测定同等坡度的混凝土路面汇流速度(47.7 m/min)显著迟缓，说明生态护坡对径流汇流的滞留效应显著。

4 结语

本文通过对4种不同生态护坡材料的径流模拟试验，评估其径流入渗效果，通过对模拟试验的结果分析取得以下研究结论：

1)试验表明新型生态护坡材料的径流入渗率均显著优于普通植草护坡，符合海绵城市关于强化径流入渗的要求。本次试验的4种生态护坡材料入渗率由大到小依次为：现浇绿化混凝土(64.60%)、生态砌块(62.87%)、格宾石笼(53.23%)、植物蜂巢(37.98%)、普通植草(7.89%)。本次测定的入渗率可以为河道生态修复工程的材料选择及海绵城市的建设评估提供参考。

2)试验过程中产汇流维持相对稳定阶段的地表径流与壤中流的流量分配比例表明，植草护坡的地表径流平均产流量占总产水量的96%，而其余4种生态护坡的地表径流产水流量约为43%～75%，说明4种生态护坡对促进径流入渗效果十分显著，该结果可以为海绵城市的水文模型模拟有关参数取值提供借鉴。

3)通过汇流速度测算表明，生态护坡的总体平均汇流速度在1 m/min左右，相比现场测定同等坡度的混凝土路面汇流速度(47.7 m/min)显著迟缓，说明实施生态护坡改造工程，对实现径流延滞、促进径流入渗、削减径流峰值具有重要作用。

本次试验初步测定了不同护坡材料的径流入渗性能，加深了对护坡材料在径流入渗方面的认识。然而，本文研究结论基于有限的试验组次得出，后续还需要开展更加丰富的试验，从不同坡度、不同植被、不同流量等多个角度进一步研究护坡材料对径流污染延滞效果及其规律。