透水路面降低城市径流洪涝风险的模拟研究

摘 要：为研究透水路面对城市地表径流系数和洪峰流量的影响，本文采用暴雨水文管理模型SWMM（Storm Water Management Model），对青岛市某双向六车道公路进行模拟研究，分析排水型和半透水型路面结构在不同降雨条件下对城市地表径流和雨水的影响。研究结果表明，虽然排水面能够减轻一部分地表径流，但是其对抑制洪峰及其延迟效果却无显著作用。半透水路面能减少部分地表径流和洪峰，并能延迟洪峰时间。全透型路面基本不会形成地表径流，对径流系数和洪峰流量的削减有更好的效果。综上所述，透水路面对洪峰流量和径流系数的降低效果很好，对城市排水有很大的帮助，并且可以降低暴雨洪水带来的风险。

关键词：道路工程；SWMM；透水路面；洪峰流量；径流系数

中图分类号：" U 416 文献标志码：A

传统混凝土路面的不透水特性会导致城市在雨季出现“雨季看海”的现象，除此之外，道路积水会增加城市排水系统的负荷，积水区域也可能出现污染物聚集的现象，对环境造成污染[1]。因此有必要加强对此类问题的关注，一些国家已经开发了一系列技术用于控制城市暴雨径流，并相应地出台了相关的暴雨管理指南等。中国也在总结国外城市雨水治理理念的基础上，提出了城镇化发展的“海绵城市”战略[2]。

透水铺装属于低影响开发（LID）措施，已经有国外学者对各种类型的LID如何影响地表径流进行研究。通过分析地表径流可以把透水路面分为排水、半透水和全透水3种类型路面。但是，关于这些不同的路面构造如何影响城市的地表径流的研究却鲜有报道。本文使用SWMM模型，以青岛市某实际道路为研究对象，评估各种类型路面结构在降雨情况不同时对地表径流的降低效果和城市雨水的调控能力。以期为“海绵城市”建设提供理论支持。

1 模型建立

1.1 研究区域

本文研究区域为青岛市内1条双向六车道道路，道路长度为500m，宽度为55m，总面积为2.75×104m2。车道面积为1.2×104m2，占整个研究区域的43.3%；非机动车道面积为5000m2，占18.5%；

由于每个区域具有不同的地表特征，将整个区域划分为9个子集水区，创建了9个节点和1个排水口。

1.2 模型介绍及参数设定

暴雨水文模型（Storm Water Management Model，SWWM）最初由美国环境保护局（EPA）开发，用于模拟城市雨水径流和污水系统设计和规划的计算机软件。可以模拟城市雨水径流的产生、收集、输送和处理过程，包括雨水径流的产生、雨水下渗、地表径流、下水道系统的流动和污水处理等。通过SWMM模拟，可以评估城市雨水系统在不同降雨条件下的运行情况、排水能力等方面的影响。

在SWMM中，一个集水区通常被划分为几个子集水区，每个子集水区都是一个独立的水力单元，并且假设只有一个排水口来收集每个子集水区的地表径流。根据每个子集水区的特点，分别计算径流过程。最后，利用流量演算的方法对整个流量进行叠加。

通过实地调研，确定研究区域不透水区域和透水区域所占百分比、集水区域面积、平均地表坡度等参数，然后输入模型。结果显示，不透水路面面积占比为85%，为机动和非机动车道。平均地表坡度为2%。模型中的其他参数根据SWMM用户手册和文献综述的推荐值输入。

1.3 降雨设计

在SWMM模型中，模拟降雨时的降雨数据输入一般分为2种，一种是实际值，一种是计算值[3]。本文利用公式采用计算值输入，如公式（1）、公式（2）所示。

式中：i为设计暴雨强度，即在连续降雨期间的平均降雨量或单位时间的平均降雨深度；q为单位时间每公顷降雨量；t为降雨持续时间；P为设计频次。

降雨模拟中暴雨持续时间为180min，时间步长为1min，设计降雨重现周期为5a、10a、20a和30a。降雨峰值系数r=0.4。

通过前期模拟在不同降雨重现周期下，最大降雨强度出现在72min。5a、10a、20a和30a降雨重现期的雨峰强度分别为2.88mm/min、3.34mm/min、3.72mm/min和4.17mm/min。对应的累计降雨量分别为81.15mm、94.05mm、107.10mm、114.66mm。

2 透水路面结构

参考规范《透水沥青路面技术规程》（CJJ/T 190—2012），按照水流路径的不同将透水路面划分为以下类型。

排水型路面：透水材料只在表层使用，基层则使用沥青密封涂层或者防渗沥青材料[4]。雨水从地面可以渗入，但不可以渗入基层。经过地表的雨水，会先沿着不透水基层的顶面移动至道路的排水设施，然后通过路基直接排出。

半透水型路面：表层采用透水材料，基层采用透水性开级配集料。垫层由沥青砂等不透水材料组成。防渗土工布必须安装在路基上方，作为防渗层。雨水通过表面层和基层，然后直接排放到防渗土工布的上表面。

全透水型路面：是一种具有高透水性的路面材料和结构，能够让水迅速通过路面进入地下。面层通常由透水材料（例如透水混凝土或透水沥青）构成，下层结构（包括基层和垫层）也采用高透水性材料，例如级配碎石或砂砾。依靠重力，雨水通过面层和下层的孔隙向下移动。

目前研究表明，为了确保路面设计的实用性和可行性，多选择具有较高空隙率（20%左右）的多孔沥青混合料来作为排水面表层。此外，排水面可以选择4cm厚的单层排水面或者10cm厚的双层排水面。针对半透和全透水路面的储水层，通常用厚度不小于15cm的级配砾石或砂石来填充，其最大公称粒径分别为37.5mm或31.5mm，空隙率通常为40%。

3 结果与分析

3.1 排水型路面

3.1.1 地表径流和洪峰流量

4cm和10cm厚的排水型路面在降雨重现期30a时的路面径流量变化如图1所示。

由模拟结果可知，当地表排水面厚度为4cm，降雨重现周期为30a时，地表径流出现在0.48。当厚度变为10cm时，时间点延迟至0.56。这表明，在降雨初期，排水面能够降低地表径流。这是因为雨水在降雨初期落在地面上，并渗透进路面结构的内部，从而避免了径流的形成。但在基层上方有防渗沥青材料和沥青密封层。路面结构中积累的雨水随着持续降雨而增加，当雨水达到最大值时，形成地表径流。

无论是路面厚度为4cm还是10cm，洪峰都出现在01：04。由于洪峰流量与洪峰时间一致，表明排水面并不能有效地降低洪峰的数量，也就是说，它对洪峰的减小和滞后性没有任何影响。

3.1.2 径流系数

4种不同降雨重现期条件下车道径流系数见表1。

模拟结果显示，在4个不同降雨重现期条件下，当厚度为4cm和10cm时，排水面的径流系数为0.723～0.878，不透水路面的径流系数为0.963～0.966。

排水型路面的径流量和系数与不透水路面相比都偏小。降雨渗透率随着排水面厚度的提升而增加。而径流系数则下降，这表明排水面在减少地表径流方面更具效果。

3.2 半透水型路面

3.2.1 地表径流和洪峰流量

在使用半透水路面的非机动车道中，分别选择厚度为15cm、20cm、25cm和30cm的级配砾石作为储水层，降雨重现周期设定为30a，模拟结果见表2。

从表2可以看出，半透水路面可以有效地降低和延缓洪峰的发生。在降雨重现期不同的情况下，总径流量和洪峰均减小，洪峰时间延迟。

随着储水层厚度增加，洪峰降低率增大。当储水层厚度为15cm时，降低率约为50%，当储水层厚度增至30cm时，降低率增至95%。这是因为级配砾石可以储存雨水，减少径流，这些能力取决于空隙比、厚度等特性。

3.2.2 径流系数

4种不同降雨重现期条件下的径流系数如图2所示。

从模拟结果可以看出，当储水层厚为30cm、降雨重现周期为5a时，径流系数接近于0。当库厚为15cm时，径流系数在不同降雨重现期条件下半透水路面的系数为0.202～0.437。

径流系数受储水层厚和降雨重现期的影响较大。当储水层厚从15cm增至30cm时，降雨入渗增加，储水层厚越大，透水路面减少地表径流的效果越好；针对半透水路面，建议采用大厚度的级配砾石。

3.3 全透型路面

3.3.1 路基土渗透系数的影响

各地土质不同，导致路基土的渗透系数也有较大的差异，但路基土的渗透能力对整个透水路面的透水效果起决定性作用。因此，通过研究路基土的渗透性能对路面透水效果的影响来确定最合适的土壤类型。

计算不同渗透性路基土的排水时间涉及许多因素，包括土壤类型、孔隙率、渗透系数、初始水分含量以及降雨量等。本文采用简化的计算方法，利用达西定律来计算，计算结果见表3。

从表3可以看出，随着路基土渗透系数减小，路基土排出0.1m3水所需的时间逐渐增长，当路基土渗透系数为10-5时，即低渗透性，排水时间大约需要2d以上时间。而当渗透系数小于10-7时，排出同样体积的水则需要长达数个月，即为不透水的。通过结果来看，设计道路时需要考虑不同路基土的渗透性，以此来获得更好的透水效果。砂土是透水路面的理想材料，可适用于各种场合。但是，粉土和黏土不应直接用作透水路面的路基土。必要时，应在一定深度内对土壤进行改良。

3.3.2 径流系数

4种不同降雨重现期条件下全透水型路面的径流系数如图3所示。

从图3可以看出，在全透水型路面中，因为雨水会通过面层和下部结构（基层、垫层）渗入路基中，所以在地表基本不会形成径流，径流系数均约为0。此外，从图3中还可以发现，随着储水层即级配碎石层的厚度增加，径流系数无变化，说明储水层厚度对径流系数影响很小。

现有海绵城市的径流系数设计取值中，尚未有排水、半透水和全透水型路面的径流系数推荐范围。本文对不同降雨重现期下的地表径流进行模拟并得出初步结果，根据模拟结果推荐排水型路面的径流系数取值为0.70～0.85；半透水型路面的径流系数取值应小于或等于0.45；全透水型路面的径流系数取值为0。通过给出的相应的径流系数推荐取值范围，以期为海绵城市设计建设提供一定的技术支持。

4 结语

本文采用SWMM模型，以青岛市区某双向六车道道路为研究区域，研究不同降雨情况下，各种路面结构对减少地表径流和城市雨水的影响。得出的结论如下。1）排水型路面可以减少10%以上的部分地表径流，但不能起到降低洪峰的作用，对洪峰的降低或滞后性没有影响。2）半透水路面可使地表径流量减少50%以上，对洪峰的降低和洪峰的减小和滞后性均有影响。随着透水级配砾石厚度增加，洪峰消减率增大。3）半透水路面可使地表径流量减少50%以上，对洪峰的降低和洪峰的减小和滞后性均有影响。随着透水级配砾石厚度增加，洪峰消减率增大。

参考文献

[1]刘洋.透水路面日常维护措施及评价[J].交通科技与管理，2024，5（6）：80-82，79.

[2]王仪良，谭建平，李薇，等.陶瓷透水路面砖渗透系数与孔隙特征的定量关系模型[J].建筑材料学报，2024，27（2）：174-180.

[3]袁巧丽.基于SWMM的海绵城市短时排水工程三维模拟分析[J].中国水运（下半月），2024，24（3）：30-32.

[4]朱浩然，于明明，吴华菓.基于暴雨洪水管理模型的透水铺装结构对城市雨洪的影响模拟研究[J].公路，2019，64（1）：65-72.