基于Hydrus-1D的透水鋪裝對雨水徑流減控模擬研究

應 鵬，姜皓銘

（江蘇長路智造科技有限公司，江蘇 南京 211806）

1 引言

城市的建設發展在擴建人類生活區域的同時也使自然生態環境有了較大變化。隨著城市化的發展，不透水道路面積占據自然土壤面積的比例不斷增加，削弱了自然土壤路面滲透性能，繼而改變了城市的水文環境；與此同時，城市快速發展產生大量建筑拆除廢棄物，既造成了資源的浪費，又污染了自然環境。

透水鋪裝作為一種可有效減控地表徑流典型的低影響開發措施，被眾多學者研究。侯立柱等[1]采用四種透水磚鋪裝形式進行降雨入滲試驗，結果表明雨水入滲大小與墊層填充材料的透水性成正比關系。韋甦等[2]根據透水磚在海綿城市應用中出現的各類問題，提出了幾種應對方案。朱春陽等[3]研究了四種不同結構形式的透水鋪裝，分析發現較厚的碎石基層透水鋪裝結構既能增加雨水的滲透量，又能有效削減地表徑流量。朱曉娟等[4]進行了不同降雨工況下的新型縫隙式透水鋪裝的雨水下滲量的校核試驗，結果表明新型透水鋪裝可有效降低地表徑流。目前“無廢城市”的建設推動了自然資源的再生利用，Ossa A等[5]研究表明，以高達20%的百分比使用建筑等拆除集料鋪設城市道路在力學性能上是可行的。李秋實等[6]研究表明，再生骨料的透水性能顯著優于天然骨料。Cardoso R 等[7]研究發現，再生骨料比天然骨料具有更高的空隙率，更優的滲透性能，均具有良好的排水性能。

總體來說，透水鋪裝體系中對透水混凝土以及原生骨料等材料對徑流削減方面的應用研究較多[8]，而對建筑拆除材料制成的再生骨料在透水鋪裝基層結構中的應用以及不同基層厚度組合下的透水鋪裝的雨水處理效果研究較少?；谝陨蟽牲c，本文擬探究不同基層材料、不同基層厚度組合下的透水鋪裝對雨水徑流的削減效果，對實現雨水資源化利用、建筑拆除材料回收利用以及完善透水鋪裝基層構造形式等有著重要的理論意義和工程實用價值。

2 材料與方法

2.1 模型介紹

Hydrus-1D 軟件是采用Richards 方程來描述土壤水中的水分運移，采用VG-M 公式進行水分運移擬合，Galerkin 有限元法進行土壤剖面空間離散，隱式差分格式進行時間離散。模型有較靈活的邊界條件，上邊界可以選擇大氣和潛在土壤蒸發量作為通量邊界，其中潛在土壤蒸發量可直接輸入，也可以輸入氣象數據由模型計算得到；下邊界條件包括水頭邊界、自由排水、深層排水、通量邊界等。

Hydrus-1D 中將土壤水分運動模擬轉化為一維分布，采用修正的Richards方程描述：

式中，θ為土壤體積含水率，cm3/cm3；

h為土壤壓力水頭，cm；

S 為根系吸水項或其它源匯項，s-1，代表單位時間內作物從單位體積的土壤中吸取水的體積，因本試驗研究透水鋪裝降雨入滲問題，不存在根系吸水問題，此項可忽略；

zi（i=1，2）為空間坐標，cm；

t為時間，s；

KijA為各項異性張量KA在不同方向上的分量；

K為非飽和土壤水力傳導度，cm·s-1，作為壓力水頭函數：

Kr為相對導水率，cm·s-1；

Ks為飽和導水率，cm·s-1。

2.2 邊界與設施

本研究模擬七種不同結構的鋪裝裝置，包括一種不透水鋪裝（作對比），三種不同基層厚度組合的普通級配碎石基層透水鋪裝模型，三種不同基層厚度組合的再生骨料基層透水鋪裝模型。各鋪裝結構參數見表1和表2。普通級配碎石與再生骨料的物理性能指標見表3。

表1 普通級配碎石基層透水鋪裝各層結構組成及材料配置

表2 再生骨料基層透水鋪裝各層結構組成及材料配置

表3 普通級配碎石與再生骨料的物理性能指標

由于透水鋪裝路面為100%覆蓋集水區，Hydrus-1D 需建立參數化數值模型，透水鋪裝概化成的功能模塊在Hydrus-1D 模型中應設置為水分運移模塊。需將透水鋪裝設施中各結構層都概化成水力參數模型來進行數值模擬計算。將課題組已研究完成的人工試驗降雨數據設為Hydrus-1D模型的上邊界條件，再根據實際中測得的底部排水量，與模型模擬的排水量進行對比驗證來率定透水鋪裝模型各層水力參數，最終選取合適的參數值進行數值模擬試驗。

根據紹興市近40 年降雨特征分析，紹興市的瞬時降雨強度呈先增加后減小的單峰型分布，因此選擇芝加哥雨型，降雨歷時分別為1h與2h，峰值系數r=0.4，重現期分別為100a、150a、200a的降雨，時間步長1min的6種大強度降雨。暴雨強度公式見式（3）。

式中，i為設計降雨強度，mm/min；

P為設計降雨重現期，a；

t為降雨歷時，min。

根據前期課題組采用芝加哥雨型開展的普通級配碎石基層透水鋪裝與再生骨料基層透水鋪裝徑流減控物理試驗研究成果，本文通過與課題組物理試驗研究結果進行驗證對比，通過計算得出第三場降雨（110 mm/h）中的普通級配碎石基層透水鋪裝納什系數為0.88，再生骨料基層透水鋪裝納什系數為0.86，表明用Hydrys-1D 模擬的透水鋪裝模型雨水下滲量結果與物理試驗結果較為吻合。具體結果如圖1所示。

圖1 5分鐘模擬排水量與5分鐘實測排水量過程擬合效果

3 結果與分析

3.1 不同層厚組合下普通級配碎石基層透水鋪裝徑流減控效果

分析三種不同基層厚度組合下的普通級配碎石基層透水鋪裝模型在不同降雨強度條件下的徑流削減效果，比選出最優基層厚度組合。

圖2 顯示了模型二（基層厚度組合3：2）、模型三（基層厚度組合1：1）、模型四（基層厚度組合2：3）三種不同基層厚度組合下的普通級配碎石基層透水鋪裝在不同降雨強度情況下的徑流變化過程。

圖2 不同基層厚度組合下普通級配碎石基層透水鋪裝徑流過程

對比上圖可以發現，不同基層厚度組合對透水鋪裝徑流過程有著顯著影響，且在不同基層厚度組合下的各類普通級配碎石基層透水鋪裝的徑流特征區別均表現出一致性，即隨著基層厚度組合的變化，模型二的地表徑流峰出現時刻最早、峰值流量最大、產流量也最大、徑流系數最大，模型三次之，模型四的地表徑流峰出現時刻最晚、峰值流量最小、產流量也最少、徑流系數最小，以上均表明模型四雨水處理效果最佳。由此可以發現，在基層厚度組合為2：3 的情況下，普通級配碎石基層透水鋪裝的有效孔隙率增加，蓄水體積增加，可以延緩蓄滿產流過程。相對而言，模型二的基層蓄水容量及滲透速率均偏小，在相同降雨強度下雨水量能較快填充滿模型二的容水層，使其更快發生蓄滿產流，造成地表徑流出現時間提前，地表徑流量增加，對雨水的處理效果較差，因此模型二的基層厚度組合較差。綜上所述，模型四（基層厚度組合2：3）對雨水的減控能力優于模型二（基層厚度組合3：2）、模型三（基層厚度組合1：1），表明模型四的基層厚度組合最佳。

3.2 不同層厚組合下再生骨料基層透水鋪裝徑流減控效果

不同基層厚度組合下再生骨料基層透水鋪裝在不同降雨強度下的徑流特征如圖3 所示。從圖3 中可以看出，不同基層組合下再生骨料基層透水鋪裝的徑流特征變化過程與普通級配碎石基層的透水鋪裝的徑流特征變化相似。

圖3 不同基層厚度組合下再生骨料基層透水鋪裝徑流過程

透水鋪裝對雨水的處理主要有三種途徑，通過透水鋪裝下滲至土基層中排出的雨水、透水鋪裝各容水層對雨水的蓄滯、透水鋪裝材料對雨水吸收，其中雨水處理的關鍵因素取決于透水鋪裝整體連通孔隙率，連通孔隙率越大，雨水下滲速率越快，蓄水量越多。而再生骨料本身存在大量微裂縫，因此增加了再生骨料基層透水鋪裝整體的滲透性能及吸水率。所以同一基層厚度組合下的再生骨料基層透水鋪裝的雨水減控能力均優于普通級配碎石基層透水鋪裝。

從圖3 還可以看出，模型五（基層厚度組合3：2）的徑流峰出現時刻最早、產流量最大，模型六（基層厚度組合1：1）次之，模型七（基層厚度組合2：3）的徑流峰出現時刻最晚，產流量也最少。表明模型七的雨水調控能力最好，基層厚度組合最佳。

4 結語

①不同基層厚度組合是影響透水鋪裝徑流減控能力強弱的重要因素，表現為基層厚度組合越差徑流系數越大，基層厚度組合越優化徑流系數越小。從徑流減控能力方面分析，基層厚度組合2：3的透水鋪裝徑流減控能力最強，基層厚度組合1：1 的透水鋪裝次之，基層厚度組合3：2的透水鋪裝徑流減控能力最弱。

②2：3的基層厚度組合為最優基層厚度組合，雨水滲透速率最快、蓄水容量最大，對徑流的減控效果最佳。并且在同一基層厚度組合下，再生骨料基層透水鋪裝的地表徑流減控能力優于普通級配碎石基層透水鋪裝。

③普通級配碎石基層透水鋪裝與再生骨料基層透水鋪裝均能有效削減地表徑流，增加雨水入滲量，補充地下水，但再生骨料基層透水鋪裝的滲透性較優、吸水性較強、雨水的蓄容量較大，對雨水徑流有較好的調控能力，因此再生骨料在透水鋪裝中具有較好的應用前景。