濾芯滲井-透水磚在海綿城市中的應用

李 順 群，張 光 明，芮 子 航，劉 小 蘭

(天津城建大學 土木工程學院，天津 300384)

0 引 言

隨著城市化進程的加快和經(jīng)濟的高速發(fā)展，混凝土及瀝青硬化路面急劇增加，環(huán)境和資源受到嚴重的破壞，城市內(nèi)澇與水資源短缺的矛盾不斷加劇[1-2]?；诖吮尘跋拢袊?012年首次提出海綿城市建設理念，指出城市能夠像海綿一樣，在應對自然災害和環(huán)境變化時有良好的“彈性”和“韌性”，最大限度地提高城市蓄水能力，減緩城市內(nèi)澇災害，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展[3-5]。目前，國外海綿城市建設方法主要有：美國的低影響開發(fā)理念(Low Impact Development，LID)、新西蘭的雨洪管理體系(Low Impact Urban Design and Development，LIUDD)、英國的可持續(xù)排水系統(tǒng)(Sustainable Drainage System，SUDS)、澳大利亞的水敏感城市設計理念(Water Sensitive Urban Design，WSUD)等[6]。中國海綿城市起步較晚，建設方法主要包括透水磚、雨水花園、下凹式綠地、植草溝、滲井等蓄水排水措施[7]。透水磚作為海綿城市建設的重要技術(shù)措施之一，只有和依次鋪設的基層、墊層、土基等構(gòu)成一個整體，才能形成良好的滲、滯、蓄、排等通道[8-9]。目前國內(nèi)研究側(cè)重于透水磚產(chǎn)品的水力設計、制備與滲透性能分析，更多的是針對透水磚單一產(chǎn)品的性能研究，而對基層和墊層等下承層缺乏深入研究[10]。由于基層下部土體為滲透性較差的粉土、黏土等土質(zhì)，其滲透能力及滯蓄能力會大打折扣[11]。因此，針對上述問題，采用下置濾芯滲井、上方鋪設透水磚對原有措施進行改良，構(gòu)建“降雨-徑流-下滲-回用”的良性循環(huán)，不僅有效防止城市內(nèi)澇，還能維護城市生態(tài)平衡。

濾芯滲井-透水磚組合作為一種新型海綿滲水裝置，具有加速地表積水入滲、削減徑流、涵養(yǎng)地下水源等特點。目前對此方面的研究主要有：劉燁璇等[12]提出一種以砂石等粗骨料作為滲井內(nèi)置填充料的豎向滲透裝置，研究表明該裝置具有施工簡單、成本低、滲水效果強等特點；馮彥芳等[13]通過向一定深度的滲井孔填入中粗砂，形成加速雨水入滲裝置，發(fā)現(xiàn)該入滲裝置大幅度增加雨水的入滲，入滲效果隨著滲井孔軸心距離和土體深度呈負相關；程學磊等[14]通過原位試驗和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)濾芯滲井技術(shù)能有效提升雨水入滲率和土體飽和率；梁萌等[15]利用試驗與SWMM數(shù)值模擬結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)新型滲井-透水網(wǎng)格滲水效果優(yōu)于單一透水網(wǎng)格。

當前研究大多只針對濾芯滲井中的單一滲水構(gòu)件，且研究應用區(qū)域多為單一下墊面、局限于小面積場地的滲水性能研究，而對于濾芯滲井與透水磚結(jié)合進行徑流削減的研究較少?；诖?，本文以濾芯滲井-透水磚結(jié)合為研究對象，依托實地應用與SWMM模型數(shù)值模擬，全面探討并分析其徑流削減效果和土體滲水蓄水能力，以期為該裝置在海綿城市建設領域進一步推廣提供科學依據(jù)和理論參考。

1 濾芯滲井-透水磚結(jié)構(gòu)和入滲機理

濾芯滲井-透水磚主要利用其材料滲透效率高的特點來提供一個豎向過水通道，從而提高地表徑流削減效率，以低成本、施工簡單、應用范圍廣、布置靈活等特點，在降低城市內(nèi)澇風險、實現(xiàn)雨季下滲、存蓄、滲透、雨水凈化方面發(fā)揮著重要的作用。

1.1 濾芯滲井-透水磚結(jié)構(gòu)

該裝置由滲井孔、濾芯、透水磚和周圍土體4部分組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其中濾芯由碎石、水泥、水等材料按一定配合比混合攪拌，放入濾芯模具中，充分養(yǎng)護后拆模，即形成預制混凝土濾芯。滲透面積可由如下公式計算：

圖1 濾芯滲井-透水磚示意

s1=πrw2

(1)

s2=2πrwhw

(2)

式中：s1為滲井口面積，m2；s2為滲井壁有效滲透面積，m2；hw為滲井深度，m；rw為滲井半徑，m?？梢钥闯鲈O置濾芯滲井后，有效滲透面積大幅度提高。

1.2 濾芯滲井透水磚入滲機理

該裝置主要利用其濾芯滲透系數(shù)遠遠大于土體滲透系數(shù)、土層水平滲透系數(shù)大于豎向滲透系數(shù)的特點，大幅度提高雨水入滲效率，入滲過程可分為自由滲透、非穩(wěn)態(tài)滲透、相對穩(wěn)態(tài)滲透和穩(wěn)態(tài)回升滲透4個階段。根據(jù)土壤水動力學基本理論，濾芯中的水在阻力、重力和毛細管壓力的共同作用下達到一個瞬態(tài)的平衡[16]。

2 實地應用與數(shù)據(jù)監(jiān)測

武清工業(yè)園區(qū)位于天津市西北部，屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，年平均氣溫為11.6 ℃，1月平均氣溫為-5.1 ℃，7月平均氣溫為26.1 ℃，年平均降水量為606 mm。園區(qū)整體地勢低洼，以黏土壤為主。始建于2012年，包含2棟工業(yè)廠房、1棟辦公樓、1棟宿舍樓，占地面積約2 701 m2，其中建筑物及不透水路面占比60%，綠化率占比約為10%。查閱園區(qū)的地質(zhì)勘測報告，各層土體物理參數(shù)如表1所列。

表1 各層土體物理參數(shù)

通過濾芯滲井-透水磚對園區(qū)部分路面進行改造，同時在改造區(qū)域和未改造區(qū)域布置觀測水位孔對改造效果進行評價。根據(jù)改造場地滲水性的不同，采用直徑為10 cm的濾芯，每個濾芯滲井孔的高度為2 m，按照間距為1 m的方法進行布置。1號觀測水位孔位置距辦公樓西側(cè)10 m，2號和3號觀測水位孔位置距綠地東側(cè)31 m和6 m，4號和5號觀測水位孔距離綠地東側(cè)10 m和57 m。改造區(qū)域平面圖和觀測水位孔位置如圖2所示。

圖2 改造區(qū)域平面和觀測水位孔位置(尺寸單位：m)

2.1 實地應用

該裝置作為一種低影響、低成本的海綿滲水裝置，能夠在短時間內(nèi)將地表積水通過透水磚下滲到濾芯滲井，再由濾芯滲井向周圍土體入滲，達到削減徑流和儲存水資源形成地下水庫的目的。布置過程如下：① 在所需布置的區(qū)域通過機械成孔；② 向孔內(nèi)放入預先制作好的濾芯，濾芯和滲井孔之間的孔隙用粒徑較大的碎石填充，碎石需高出濾芯頂部5 cm左右，目的是避免周圍土體堵住濾芯孔隙，影響其滲透性；③ 在其上方鋪設透水磚并進行相應的密實處理，形成濾芯滲井-透水磚結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 濾芯滲井-透水磚布置過程

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測

本次監(jiān)測時間為2021年6月7日至9月20日，共12周，通過觀察觀測水位孔的監(jiān)測結(jié)果(見圖4)可知，5號觀測孔水位深度最高，2號觀測孔水位深度最低，3號和4號觀測孔水位深度變化基本持平。第6～8周為雨季多發(fā)期，水位深度變化較其他9周變化明顯，布置濾芯滲井-透水磚區(qū)域的觀測孔水位深度最高為2.93 m，未布置濾芯滲井-透水磚區(qū)域的觀測孔水位深度最高為3.43 m。原因是該裝置為雨水入滲提供豎直通道，增大了雨水與井壁土體的接觸面積，減小了因表層土硬化對雨水入滲的弱化作用。其次該裝置滲透系數(shù)遠大于周圍土體滲透系數(shù)，雨水沿著所在區(qū)域快速入滲，而對于未布置濾芯滲井-透水磚的區(qū)域，因表層土滲透性差，雨水難以下滲到土體中，多集中在表層土體上。試驗表明埋置濾芯滲井-透水磚能夠較大提升雨水在土體的入滲速率，監(jiān)測結(jié)果也驗證了該裝置的合理性與有效性。

圖4 觀測水位孔監(jiān)測結(jié)果

3 SWMM模型數(shù)值模擬

SWMM模型[17-18]是由美國環(huán)保局設計，主要用于城市區(qū)域多種降雨條件下的水量和水質(zhì)的動態(tài)模擬，中文全稱“暴雨徑流管理模型”，是一個動態(tài)的降水-徑流模擬模型。主要包括水文、水力、水質(zhì)過程模擬。本文研究基于LID措施下對布置濾芯滲井-透水磚裝置所在區(qū)域不同重現(xiàn)期和不同布設面積下的徑流削減效果模擬。

3.1 SWMM模型構(gòu)建

本次模型構(gòu)建區(qū)域建設年代久遠、管道年久失修、路面多以不透水路面為主。根據(jù)現(xiàn)場勘測資料和土地利用性質(zhì)及坡度等情況采用人工劃分子匯水區(qū)方法，劃分為6個子匯水區(qū)，6個節(jié)點，7條管段，1個排放口，劃分結(jié)果如圖5所示。模型選擇較為準確的霍頓滲入模型，流量計算方程選擇動力波方程。

圖5 試驗區(qū)域概化示意

3.2 SWMM模型參數(shù)選取

SWMM模型中參數(shù)包括兩類[19-20]，率定參數(shù)和非率定參數(shù)。非率定參數(shù)又稱經(jīng)驗參數(shù)，包括管道曼寧系數(shù)、透水區(qū)曼寧系數(shù)、不透水區(qū)曼寧系數(shù)等，可通過SWMM用戶手冊和國內(nèi)外文獻資料獲取[21-22]，率定參數(shù)為模型特性參數(shù)，主要有不滲透面積百分比、子匯水區(qū)面積、地表漫流路徑寬度等，通過實地勘察和相關地理信息系統(tǒng)分析工具獲取。依據(jù)實測降雨徑流數(shù)據(jù)來率定模型參數(shù)，保證實際結(jié)果與模擬結(jié)果吻合。本文利用實測的兩場降雨徑流數(shù)據(jù)(編號20200612，20200820)進行模型參數(shù)率定，率定結(jié)果見表2。

表2 模型參數(shù)取值范圍

盡管SWMM模型中LID模塊只給出了生物滯留網(wǎng)格、雨水花園、綠色屋頂、滲渠等8類滲水措施[23]，并未給出海綿城市建設中的所有LID措施，但每類LID措施的內(nèi)涵是廣義的，可以通過調(diào)整其模型參數(shù)來模擬需要的LID措施。因滲渠和濾芯滲井-透水磚的構(gòu)造和產(chǎn)流匯流機制基本相同，因此采用滲渠進行概化[24]，概化參數(shù)見表3。對于該裝置在模型中的不同布設面積，只需改變LID模塊下的面積百分比參數(shù)即可實現(xiàn)。

表3 濾芯滲井-透水磚參數(shù)

3.3 降雨數(shù)據(jù)生成和模型精度驗證

SWMM模型中的雨量計需要定義降雨強度的時間序列，結(jié)合天津市暴雨強度公式和芝加哥雨型生成重現(xiàn)期2，5，10，30，50 a一遇下降雨歷時120 min的降雨數(shù)據(jù)，雨峰系數(shù)r取0.4(一般范圍0.35

圖6 不同重現(xiàn)期下的降雨歷程曲線

(3)

式中：P為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min；q為降雨強度，mm/min。

為了進一步驗證模型的可靠性和準確性，向當?shù)貧庀蟛块T選取20200712號和20200730號兩場降雨數(shù)據(jù)(分別對應單峰型中雨和雙峰型大雨)，對參數(shù)率定后的模型進行驗證，并與實測值結(jié)果進行對比。同時采用納什效率系數(shù)NSE、統(tǒng)計參數(shù)中的均方根誤差RMSE、平均絕對誤差MAE來驗證模型的可靠性。上述3個評價指標的計算公式和含義如下：

(4)

(5)

(6)

圖7為模型參數(shù)率定后模型模擬結(jié)果與實測值對比結(jié)果，可以看出，兩場降雨的模擬值與實測值基本吻合，NSE均在0.85以上，RMSE和MAE均接近于0，表明構(gòu)建的SWMM模型模擬結(jié)果可靠，可繼續(xù)使用該模型在該區(qū)域進一步模擬評估徑流效果。

圖7 模型參數(shù)率定后模擬值與實測值對比結(jié)果

4 模擬結(jié)果分析

本文選取峰值流量、徑流系數(shù)削減率、洪峰削減率作為濾芯滲井-透水磚裝置在徑流調(diào)控方面的評價指標。峰值流量又稱一次降雨徑流過程中最大的瞬時流量，徑流系數(shù)削減率Ra和洪峰削減率RQ主要體現(xiàn)在徑流峰值削減和徑流時間削減上，可以直接反映該研究區(qū)域的產(chǎn)流匯流特征，其計算公式如下[25]：

(7)

(8)

式中：ɑo為傳統(tǒng)設施方案下的徑流系數(shù)；ɑLID為LID布置方案下的徑流系數(shù)；Qo為傳統(tǒng)設施方案下的洪峰流量，m3/s；QLID為LID布置方案下的洪峰流量，m3/s。

4.1 不同布設面積對徑流調(diào)控的影響

根據(jù)暴雨公式和芝加哥雨型生成的降雨數(shù)據(jù)導入構(gòu)建完成的SWMM模型中，統(tǒng)計分析在降雨重現(xiàn)期為2 a時，有無濾芯滲井-透水磚裝置對區(qū)域徑流調(diào)控的影響。從圖8可以看出，其滲水效率遠遠高于文獻[26]中所提到的現(xiàn)有透水鋪裝滲水效率，在布設面積為10%，20%，30%時，峰值削減量分別為2.8%，64.0%，89.0%，即隨著研究區(qū)域濾芯滲井-透水磚布設面積的增加，對徑流削減能力逐漸增強。原因是在雨量不變的情況下，隨著布設面積的增加意味著不透水路面面積的減少，從而提高布置區(qū)域土體滲水性能，吸收降雨能力變強，地表產(chǎn)生徑流量變少，表明濾芯滲井-透水磚裝置徑流調(diào)控效果明顯。

圖8 濾芯滲井-透水磚不同布設面積下模擬結(jié)果

4.2 不同降雨重現(xiàn)期下對徑流調(diào)控的影響

從圖9～11可以看出，濾芯滲井-透水磚的設置對徑流系數(shù)和洪峰流量具有顯著的削弱作用。在降雨重現(xiàn)期為2 a和5 a時，隨著研究區(qū)域布設比例的增加，研究區(qū)域內(nèi)對徑流調(diào)控能力明顯增強。在降雨重現(xiàn)期為2 a、布設面積為30%時，徑流系數(shù)削減率和洪峰削減率分別達到61%和65%。當降雨重現(xiàn)期為30 a時，研究區(qū)域的徑流調(diào)控能力隨布設比例的增加而增加，但不如降雨重現(xiàn)期小于30 a時變化顯著。原因是在土壤密實度、地面坡度、前期含水量等因素相同時，對于不同降雨場次情況下，當降雨強度大于下墊面的下滲率時，造成土體含水量較高，下滲量較少，產(chǎn)生的徑流增加，徑流調(diào)控能力變?nèi)酢Ｆ浯?，降雨強度過大時造成地表土壤顆粒發(fā)生崩解，崩解形成的小顆粒會堵塞地表空隙，導致地表入滲量減少，隨之影響濾芯滲井-透水磚的徑流調(diào)控能力。綜上所述，一方面反映出當降雨重現(xiàn)期小于30 a時，采用濾芯滲井-透水磚裝置能夠緩解城市內(nèi)澇、削減地表徑流、提高城市防洪能力；另一方面，也反映出該滲水裝置在海綿城市建設中的承載能力是有限的。

圖9 濾芯滲井-透水磚布設面積10%時對徑流削減效果

圖10 濾芯滲井-透水磚布設面積20%對徑流削減效果

圖11 濾芯滲井-透水磚布設面積30%對徑流削減效果

5 結(jié) 論

本文提出一種新型濾芯滲井-滲水磚裝置，分別從結(jié)構(gòu)、入滲機理、布置過程等方面進行詳細介紹。以武清工業(yè)園區(qū)改造工程為依托，進行實地應用和SWMM模型分析，得到結(jié)論如下：

(1) 通過布置濾芯滲井-透水磚，增大了雨水與土體的接觸面積，且濾芯滲透系數(shù)遠大于土體滲透系數(shù)，能夠在降雨期間為雨水提供一個豎向過水通道，大幅度提升雨水入滲效率。在降雨重現(xiàn)期為2 a，布設面積為30%時，徑流系數(shù)削減率和洪峰削減率分別達到61%和65%。

(2) 在土壤密實度、地面坡度、土壤前期含水量等因素相同時，通過布置濾芯滲井-透水磚改變下墊面來提高雨水的入滲能力。同一降雨重現(xiàn)期下，隨著布設面積的增加，對徑流的削減能力大幅度提高；同一布設面積下，當降雨重現(xiàn)期小于30 a一遇時，其徑流系數(shù)削減率和洪峰削減效果更顯著。