原位土對道路生物滯留設(shè)施水文效應(yīng)影響研究

劉 燕,潘俊奎

(1. 重慶交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,重慶 400074; 2. 河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院,河南 平頂山 467036)

0 引 言

隨著城市硬化面積急劇增加,雨水入滲量顯著減小,這不僅使得降雨的匯流時間縮短、雨洪峰值增加,還會引起城市水澇災(zāi)害頻發(fā),導(dǎo)致城市區(qū)域的地下水無法得到有效補給,造成城市地下水位逐年下降[1]。另外,城市地表徑流通常含有固體懸浮物、有機(jī)物、重金屬、氮磷營養(yǎng)物等污染物質(zhì),這些污染物隨著城市排水系統(tǒng)流入下游水系,會對區(qū)域的水環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響[2]。

隨著全球水環(huán)境的持續(xù)惡化,解決城市雨水問題的相關(guān)技術(shù)和措施應(yīng)運而生。生物滯留設(shè)施(以下簡稱:設(shè)施)是一種極具應(yīng)用前景和實用性的雨水生態(tài)控制技術(shù)[3],其將景觀、徑流控制及水質(zhì)凈化等功能融合于一體[4-5]。

近年來,學(xué)界通過相關(guān)試驗對設(shè)施的水文表現(xiàn)進(jìn)行了研究。如:PAN Junkui等[6]、R．A．TIRPAK等[7]均證明了設(shè)施能有效減少徑流水量及徑流峰值,延長徑流峰現(xiàn)時間,緩解區(qū)域徑流壓力。設(shè)施的水文效應(yīng)也受降雨特征及設(shè)施設(shè)計參數(shù)等多種因素影響。如:S．GüLBAZ等[8]、高建平等[9]均發(fā)現(xiàn):高強(qiáng)度和長歷時降雨會導(dǎo)致設(shè)施表層積水深度及穿孔管出流峰值顯著增大;GAO Jianping等[10]指出:增大設(shè)施的規(guī)模、蓄水層深度、填料層厚度能提高區(qū)域的年徑流水量消減率,有利于實現(xiàn)LID(low-impact development)的控制目標(biāo);J．P．JOHNSON等[11]指出:通過設(shè)置內(nèi)部儲水區(qū),設(shè)施可更好地減小徑流水量、消減徑流洪峰及延長徑流滯留時間,具有更好的水文表現(xiàn)。

數(shù)值模型可為設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計及研究提供良好輔助。目前,只有RECARGA、HYDRUS-1D、SWMM、SUSTAIN、VADOSE/W等少數(shù)模型可用于模擬設(shè)施的徑流處置過程。RECARGA模型采用Green-Ampt方程來模擬水分滲透過程,但其主要適用于長期的水量平衡分析,不適合模擬設(shè)施在短歷時降雨下的水分運移過程,同時也無法任意指定滲濾材料的水力參數(shù),從而限制了該模型的廣泛應(yīng)用[12]。HYDRUS-1D模型采用Richards方程進(jìn)行水分運移計算,作為一維模型,忽略了土壤水分的側(cè)向擴(kuò)散,也無法模擬存在內(nèi)部儲水區(qū)時的水分運移情況[13]。SWMM和SUSTAIN模型簡化了設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計及水分入滲過程,主要用于整個區(qū)域的LID規(guī)劃及徑流過程模擬,在進(jìn)行單獨的設(shè)施研究時存在明顯不足[14-15]。VADOSE/W模型是二維模型,能有效分析道路生物滯留帶在降雨徑流作用下的積水、產(chǎn)流過程[9],證明了該模型可有效模擬設(shè)施的水文效應(yīng)。

近年來,設(shè)施在許多個國家和地區(qū)被推廣應(yīng)用。但不同地區(qū)的原位土特性存在明顯差異,若不考慮原位土情況盲目設(shè)置設(shè)施,則可能會導(dǎo)致運行效果不佳,達(dá)不到預(yù)期目標(biāo);故原位土對設(shè)施的水文效應(yīng)影響還有待于進(jìn)一步加強(qiáng)研究?；诖?筆者基于VADOSE/W模型,對雨水徑流在設(shè)施和原位土中的飽和-非飽和運移過程進(jìn)行了分析,研究了原位土類型對設(shè)施的表層積水、穿孔管產(chǎn)流、外滲、徑流調(diào)控的影響特性,為設(shè)施在不同區(qū)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 生物滯留設(shè)施的設(shè)置

典型的設(shè)施橫斷面如圖1。

設(shè)施通常由15～30 cm蓄水層、5～8 cm覆蓋層、30～70 cm種植填料層、15～30 cm砂礫排水層、溢流裝置及植物等組成,設(shè)計規(guī)模一般為匯水面積的5%～10%。當(dāng)原位土滲透系數(shù)低于1.27 cm/h或設(shè)施防滲時,砂礫層中通常會埋設(shè)直徑5～10 cm的穿孔排水管,以加強(qiáng)設(shè)施排水[16]。降雨期間,當(dāng)雨水徑流流經(jīng)設(shè)施時,設(shè)施填料層會對雨水徑流起到截留、儲存作用,一部分徑流可緩慢滲入周圍土壤以補充地下水,另一部分則在降雨結(jié)束后通過蒸發(fā)和植物蒸騰作用向大氣擴(kuò)散。

1.2 VADOSE/W模型

VADOSE/W是模擬土壤在飽和-非飽和狀態(tài)下蒸發(fā)、滲流、地下水變化及植物蒸騰作用的二維數(shù)值模型。包含了土壤蒸發(fā)、徑流入滲、水的凍融、氣體傳輸?shù)饶K,可模擬多種因素共同作用下對土壤環(huán)境的影響。VADOSE/W模型采用Richards控制方程進(jìn)行復(fù)雜的土壤水分運移計算,同時考慮了多種源匯項及邊界條件影響,如大氣積水邊界條件可用于模擬水分在設(shè)施表層的累積過程。

1.3 飽和-非飽和土滲流方程

設(shè)施的土壤填料長期處于干濕循環(huán)狀態(tài),為飽和-非飽和土,其水分運移通常包括向下入滲及側(cè)向擴(kuò)散,可看成二維滲流。因此用二維Richards控制方程來描述設(shè)施的水分運移過程,如式(1)。

S(x,z,t)

(1)

式中:h為土壤負(fù)壓水頭,mm;k(θ)為土壤滲透系數(shù),mm/min;θ為土壤體積含水量,mm3/mm3;S(x,z,t)為源匯項(如蒸騰、蒸發(fā)),mm,當(dāng)歷時較短時,S(x,z,t)=0;t為時間,min。

式(1)中,當(dāng)h≥0時,土壤為飽和狀態(tài),此時,θ為土壤飽和含水量,k(θ)為土壤飽和滲透系數(shù);當(dāng)h<0時,土壤為非飽和狀態(tài),θ、k(θ)均為變值,θ由土壤水分特征曲線計算,如式(2),k(θ)由水力傳導(dǎo)曲線計算,如式(3)。

(2)

(3)

式中:θr為殘余含水量,mm3/mm3;θs為飽和含水量,mm3/mm3;a,n,m均為擬合參數(shù),m=1-1/n;Se為有效飽和度,Se=(θ-θr)/(θs-θr);ks為飽和滲透系數(shù),mm/min。

1.4 設(shè)計降雨

在進(jìn)行設(shè)施的水文效應(yīng)研究時,應(yīng)首先確定設(shè)計降雨這一指標(biāo)。為保證雨水徑流有充足時間及水量可穿透設(shè)施的填料層,筆者采用暴雨強(qiáng)度公式對一年一遇6 h的設(shè)計降雨進(jìn)行計算,如式(4)。計算中:降雨歷時為6 h,降雨強(qiáng)度為0.174 mm/min,降雨總量為62.59 mm,為均勻雨型。

(4)

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

進(jìn)入設(shè)施的水量包括匯水區(qū)徑流和直接作用在設(shè)施上的降雨,其等效降雨強(qiáng)度計算如式(5)。

(5)

式中:q0為等效降雨強(qiáng)度,mm/min;Ψ為徑流系數(shù),Ψ=0.9;F0為匯水區(qū)面積,m2;F1為設(shè)施面積,m2。

1.5 參數(shù)確定

1.5.1 設(shè)施的設(shè)計參數(shù)

為研究原位土類型對設(shè)施的水文效應(yīng)影響,筆者采用VADOSE/W模型對設(shè)施在4種原位土下的水分運移過程進(jìn)行了模擬。

4種原位土類型分別為淤泥質(zhì)壤土(SL)、壤土(L)、砂質(zhì)黏壤土(SCL)、砂壤土(SaL)。設(shè)施設(shè)計均取為匯水區(qū)面積的10%,蓄水層深度為20 cm,覆蓋層厚度均為5 cm,種植土層厚度均為70 cm,砂礫層厚度均為30 cm;當(dāng)原位土為SL、L時,其滲透系數(shù)低于1.27 cm/h,因此在砂礫層中部設(shè)置直徑為5 cm的穿孔排水管,以形成高度15 cm的內(nèi)部儲水區(qū);當(dāng)原位土為SCL、SaL時,則不設(shè)置內(nèi)部儲水區(qū)。

本研究模擬的歷時較短,蒸發(fā)和植物蒸騰水量可忽略,因此未考慮植物影響。此外,設(shè)施的覆蓋層通常采用碎樹皮或礫石,其滲透系數(shù)較大,可視為種植土層上的蓄水層,因此在模擬中未設(shè)置覆蓋層,但其有效孔隙可疊加至原蓄水層,覆蓋層有效孔隙率取0.76,故在模擬時蓄水層高度可設(shè)置為23.8 cm。

1.5.2 土壤水力特征參數(shù)

在模擬設(shè)施的原位土非飽和水分運移過程時,應(yīng)確定填料和原位土的土壤水力特征參數(shù),如表1。本研究中,設(shè)施的種植土、砂礫層土壤水力特征參數(shù)采用文獻(xiàn)[9]的數(shù)據(jù),原位土水力特征參數(shù)采用文獻(xiàn)[17]的數(shù)據(jù)。設(shè)施填料和原位土初始含水量為介質(zhì)在飽和狀態(tài)下自由排水達(dá)到穩(wěn)定后的含水率分布狀況。

表1 設(shè)施及原位土的土壤水力特征參數(shù)

1.6 數(shù)據(jù)分析

設(shè)施對單次降雨徑流的調(diào)控效果可采用徑流量消減率、 徑流峰值消減率、 產(chǎn)流延遲時間等3個指標(biāo)來描述,如式(6)～式(8)。

(6)

(7)

Rdelay=tout-tin

(8)

式中:RV為徑流水量消減率,%;Vin為徑流水量,mm;Vout為設(shè)施總產(chǎn)流量,包括溢流水量及穿孔管產(chǎn)流量,mm;Rpeak為徑流峰值消減率,%;qpeak-in、qpeak-out分別為設(shè)施進(jìn)流、出流(包括溢流及穿孔管產(chǎn)流)峰值流量,mm/min;Rdelay為產(chǎn)流延遲時間,min;tout、tin分別為進(jìn)流和出流(包括溢流及穿孔管產(chǎn)流)的開始時間,min。

2 結(jié)果和討論

2.1 原位土對設(shè)施表層積水的影響

在一年一遇6 h降雨作用下,4種原位土類型設(shè)施的表層積水情況如表2。由表2可知:表層最大積水時長為547～605 min,最大溢流水量為23.85～38.49 mm。對于SL、L,原位土滲透系數(shù)較小,設(shè)施底部設(shè)置了穿孔排水管,在底部匯集的雨水可從排水管排出,因此這兩類原位土類型對表面積水的影響相對較小;對于SCL、SaL,原位土滲透性能對表層積水影響比較明顯,且滲透系數(shù)越小,表層積水時長越長,溢流水量也越大,這主要由于SCL的滲透系數(shù)雖大于SL和L,但相較于種植土而言要小很多(約為種植土的0.25倍),且未配置穿孔排水管,滲入設(shè)施的水分易在設(shè)施內(nèi)部累積,進(jìn)而影響雨水入滲,延長積水時間,增加溢流水量。SaL滲透系數(shù)與種植土相差不大,水分更容易擴(kuò)散至原位土中,導(dǎo)致最大積水時長相對更短,溢流水量也明顯減小。由此可見,當(dāng)原位土滲透系數(shù)相比種植土層小很多時,適當(dāng)配置穿孔排水管可在一定程度上預(yù)防設(shè)施發(fā)生冒頂,降低設(shè)施溢流風(fēng)險。

2.2 原位土對設(shè)施穿孔管產(chǎn)流的影響

在一年一遇6 h降雨作用下,SL、L這兩種原位土類型(SCL、SaL未設(shè)置穿孔排水管)的設(shè)施穿孔管產(chǎn)流情況如圖2。

圖2 設(shè)施穿孔管產(chǎn)流曲線

由圖2可看出:相比于降雨徑流,這兩種原位土設(shè)施的穿孔管產(chǎn)流開始時刻延長了295～300 min,產(chǎn)流結(jié)束時刻延長了320～445 min,產(chǎn)流峰值消減了53.72%～66.94%。由此可見,當(dāng)雨水徑流通過設(shè)施填料的滲透過程,可將雨水徑流暫時儲存后再緩慢釋放,具有顯著的延時、消峰作用。設(shè)施產(chǎn)流開始時刻為L>SL,產(chǎn)流峰值和產(chǎn)流結(jié)束時刻為SL>L。由此可見,原位土類型對穿管產(chǎn)流影響顯著,即隨著原位土滲透系數(shù)增加,穿孔管開始產(chǎn)流時刻延長,產(chǎn)流峰值降低,產(chǎn)流結(jié)束時刻提前。

2.3 原位土對設(shè)施外滲的影響

在一年一遇6 h降雨作用下,4種原位土類型設(shè)施的側(cè)向和底部單位面積累計外滲水量如圖3。

圖3 4種原位土類型設(shè)施單位面積累計外滲水量

由圖3可知:隨著時間增加,設(shè)施的外滲水量逐漸增加并趨于穩(wěn)定,隨著原位土滲透系數(shù)增加,外滲達(dá)到穩(wěn)定的時間相應(yīng)提前。降雨結(jié)束后的24 h,這4種原位土類型設(shè)施的底部和側(cè)向單位面積外滲水量分別為168.11～396.10、 50.60～110.31 mm/m2,底部外滲水量是側(cè)向的2.78～7.82倍,這說明設(shè)施的水分外滲基本以底部為主。對于底部外滲而言,這4種原位土類型設(shè)施累積外滲水量為SaL>SCL>L>SL,即隨著原位土滲透系數(shù)增大,設(shè)施的底部外滲水量也隨之增大。對于側(cè)向外滲而言,這4種原位土類型設(shè)施的累積外滲水量為SCL>L>SL>SaL。整體而言,原位土類型對設(shè)施的側(cè)向外滲影響較弱,當(dāng)原位土為SCL時,設(shè)施的側(cè)向外滲水量相對較大,約為另外3種的2倍,這主要是SCL的滲透系數(shù)相比種植土小很多,且設(shè)施未設(shè)置穿孔排水管,水分易在設(shè)施底部累積,從而增加了側(cè)向外滲水量。

2.4 原位土對設(shè)施徑流調(diào)控效應(yīng)的影響

在一年一遇6 h降雨作用下,這4種原位土類型設(shè)施的徑流調(diào)控效果如圖4。

圖4 4種原位土情況下生物滯留設(shè)施徑流調(diào)控效應(yīng)

由圖4可知:4種原位土類型設(shè)施的產(chǎn)流量和徑流量消減率范圍分別為23.85～254.90、 59.27%～ 96.19%,產(chǎn)流峰值和徑流峰值消減率范圍分別為0.55～1.42 mm/(m2·min)和18.43%～68.08%,產(chǎn)流延遲時間為291～318 min。這4種原位土類型設(shè)施的徑流量消減率、徑流峰值消減率、產(chǎn)流延時為SaL>SCL>L>SL,即隨著原位土滲透系數(shù)增大,設(shè)施的徑流量消減率、徑流峰值消減、產(chǎn)流延時均隨之增大,設(shè)施對降雨的徑流調(diào)控效果增強(qiáng)。此外,與徑流峰值消減率及產(chǎn)流延時相比,穿孔排水管設(shè)置對徑流量消減率的影響更為顯著,當(dāng)設(shè)施未設(shè)置穿孔排水管時(如SaL、SCL),大部分雨水徑流可滲入地下,導(dǎo)致設(shè)施的產(chǎn)流量顯著減小。

3 結(jié) 論

筆者采用VADOSE/W模型對生物滯留設(shè)施及原位土在單一降雨事件下的水分運移過程進(jìn)行了模擬,分析了原位土類型對設(shè)施的表層積水、穿孔管產(chǎn)流、水分外滲及徑流調(diào)控效應(yīng)的影響特性,得出如下結(jié)論:

1)當(dāng)配置了穿孔排水管,原位土類型對設(shè)施的表層積水過程影響甚微;當(dāng)未配置,且原位土滲透系數(shù)相比設(shè)施填料層小許多時,易加劇設(shè)施溢流風(fēng)險;

2)隨著原位土滲透系數(shù)增加,設(shè)施的穿孔排水管產(chǎn)流時刻延長,產(chǎn)流峰值降低,產(chǎn)流結(jié)束時刻提前;

3)設(shè)施的水分外滲以底部為主,且隨著原位土滲透系數(shù)增大,設(shè)施的底部外滲水量也隨之增大,而側(cè)向外滲受到的影響較小;

4)設(shè)施的徑流調(diào)控效果受原位土影響顯著,隨著原位土滲透系數(shù)增大,設(shè)施的徑流量消減率、徑流峰值消減和產(chǎn)流延遲時間均隨之增大。

在進(jìn)行生物滯留設(shè)施設(shè)計及布局時,應(yīng)充分考慮不同地區(qū)原位土的差異,以保證設(shè)施滿足相應(yīng)的徑流控制目標(biāo)。特別是當(dāng)原位土滲透系數(shù)相比設(shè)施的填料層較小時,在連續(xù)降雨作用下,設(shè)施可能發(fā)生冒頂,影響其正常功能,此時應(yīng)考慮設(shè)置穿孔排水管。