道路地表徑流影響規(guī)律的研究

英戰(zhàn)勇　梁勝堂

前言

隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)施工建設(shè)過程中導(dǎo)致城市硬化面積不斷擴(kuò)大，城市化為人們帶來便利的同時(shí)也引發(fā)了眾多問題。其中，由于地面的雨水滲透性不斷降低，嚴(yán)重改變?cè)械乇韽搅鞯乃到Y(jié)構(gòu)，從而致使城市化區(qū)域的涵水、保水、滲水、滯水能力不斷減弱，城市道路雨水問題日益突出。當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)地表徑流總量、雨水匯流速度與城市化建設(shè)之前相比大幅增長(zhǎng)，從而使雨水迅速在地表聚集形成徑流造成洪災(zāi)，嚴(yán)重影響人們的正常交通和日常出行，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。受臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的影響，東部沿海地區(qū)出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降雨，使城市洪澇現(xiàn)象嚴(yán)重，造成多人遇難直接損失高達(dá)515余億元，城市防澇問題已迫在眉睫。

徑流變化規(guī)律是預(yù)防洪澇災(zāi)害進(jìn)行城市雨水管網(wǎng)和排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，隨著研究手段的進(jìn)步、方法的創(chuàng)新，徑流規(guī)律的研究取得了大量成果，通過對(duì)徑流的控制，從源頭上解決內(nèi)澇問題。本文通過廣泛閱讀相關(guān)課題文獻(xiàn)和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有相關(guān)研究成果，主要從材料滲透性、土壤含水率、植被覆蓋率三個(gè)因素分析，對(duì)徑流規(guī)律進(jìn)行了綜述，為海綿城市道路設(shè)計(jì)規(guī)劃提供參考。

一、徑流的過程概述及意義

徑流是由于降雨或冰雪融化等產(chǎn)生的水流在重力作用下沿地表或地下流動(dòng)的水流，按照水流來源可分為降雨徑流、融水徑流、澆水徑流等;按照水流方式可分為地表徑流和地下水流，本文的水流來源為降水。徑流可分為兩個(gè)階段，即產(chǎn)流階段和匯流階段，產(chǎn)流階段為降雨量扣除植物截留、下滲、填洼與蒸發(fā)等損失后形成水流的過程;匯流階段為流水量在某一區(qū)域范圍內(nèi)集中的過程[1]。影響徑流的因素復(fù)雜多樣，其中主要包括材料滲透性、土壤含水率、道路坡度、植被覆蓋度、雨水花園系統(tǒng)、降雨量、降雨時(shí)間等。

徑流是地貌形成的外營(yíng)力之一，且在日常生活中具有重要的意義。徑流量是地區(qū)構(gòu)成工農(nóng)業(yè)供水的重要條件，也是影響地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素。

城市化建設(shè)改變了道路地表的徑流條件，使徑流總量增大，峰值出現(xiàn)時(shí)間提前等問題[2]。人工控制和調(diào)節(jié)天然徑流的能力，密切關(guān)系到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活環(huán)境是否受洪澇的危害。通過對(duì)雨水產(chǎn)生徑流的研究，合理安排綠地、建筑規(guī)劃及布局[3]，了解徑流的影響因素，從源頭上對(duì)城市積水問題進(jìn)行控制，為海綿城市的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

二、相關(guān)文獻(xiàn)的研究現(xiàn)狀

（一）材料滲透性對(duì)徑流規(guī)律的影響

道路材料的滲透性是影響徑流規(guī)律的主要因素之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)不同材料的下滲能力與徑流的關(guān)系的研究開展較早，且研究成果較多。早在20世紀(jì)50年代，Hewlett和Zaslausk等[4]，[5]發(fā)現(xiàn)在某些土壤下滲能力較強(qiáng)的區(qū)域，雖然降雨強(qiáng)度不大，但仍能產(chǎn)生地表徑流，表明根據(jù)土壤的下滲情況，當(dāng)土壤下滲能力高于降水強(qiáng)度時(shí)，土壤會(huì)吸收所有的降水;而當(dāng)土壤下滲能力低于降水強(qiáng)度時(shí)，初始雨水會(huì)進(jìn)行土壤下滲，之后產(chǎn)生地表徑流。Schaake等[6]研究了徑流系數(shù)和研究區(qū)域內(nèi)下墊面不透水面積之間的影響關(guān)系，說明了徑流系數(shù)隨著研究區(qū)域內(nèi)下墊面不透水面積所占比例的增加而數(shù)值增大，說明了徑流量大小與滲透水性有著密切的關(guān)系。

Zhang等[7]對(duì)透水混凝土路面孔洞堵塞進(jìn)行試驗(yàn)，初步揭示了地表徑流作用下透水混凝土路面孔隙中泥沙淤塞的機(jī)理。Cui[8]結(jié)合電導(dǎo)率對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究，將堵塞過程分為快速堵塞、暫時(shí)緩解堵塞和逐步堵塞三個(gè)階段，并且說明了在孔隙率較大的試樣中，堵塞更容易發(fā)生。

隨著材料滲透性研究的深入，不同透水材料的對(duì)比探究也逐漸開展。透水材料對(duì)雨水的高滲透功能使得路面具有較強(qiáng)的控制地表徑流的能力，與傳統(tǒng)的被動(dòng)排水不同，透水路面可以通過滲透主動(dòng)地降低地面徑流系數(shù)。秦健等[9]介紹了透水磚、透水水泥混凝土、透水瀝青混合料3種常見透水性材料的人行道鋪裝設(shè)計(jì)方法及適用范圍，同時(shí)分析了透水性人行道邊緣排水設(shè)施的必要性，并提出了邊緣排水設(shè)施的常規(guī)形式。李陽等[10]通過室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，考察了植草磚、透水混凝土和透水磚等不同類型透水路面，對(duì)徑流量的削減情況與對(duì)徑流峰值的降低情況進(jìn)行研究。曹志先等[11]建立了地表徑流與地下滲流耦合水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。許道坤、呂偉婭等[12]對(duì)透水路面進(jìn)行了綜述，總結(jié)了與普通路面相比透水路面的，透水路面的滲透消除徑流也要比傳統(tǒng)“移走”徑流的效果好得多。Fassman等[13]人對(duì)滲透性路面不透水路面徑流進(jìn)行了研究，通過使用改進(jìn)的雙壞滲透儀測(cè)量表面滲透，發(fā)現(xiàn)與瀝青路面相比，透水性路面的峰值流量總體比較平緩。

（二）土壤含水率對(duì)徑流規(guī)律的影響

土壤的含水率是指土壤中水的重量與烘干后土的重量的比值，也是影響徑流規(guī)律的因素之一。當(dāng)土壤的含水率較高時(shí)，會(huì)影響雨水的滲透速度從而間接的影響徑流規(guī)律。Philip研究了土壤含水率對(duì)土壤入滲速度的影響，當(dāng)土壤的含水率較高時(shí)，土壤的入滲速率較低，但是隨著入滲時(shí)間的增加和入滲量的增多，土壤前期含水率對(duì)土壤入滲速率的影響程度變小，最后可以達(dá)到忽略不計(jì)的情況。Bodman等[14]通過研究表明土壤含水率和降雨初損值呈冪函數(shù)關(guān)系，降雨初損值隨著土壤含水率的升高而降低;土壤含水率和土壤入滲速率呈負(fù)相關(guān)線性關(guān)系，土壤入滲速率隨著土壤含水率的升高而降低，并且土壤達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間隨著土壤含水率的增加而迅速縮短。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土壤含水率與徑流規(guī)律的關(guān)系研究較少。陳洪松、邵明安等[15]人利用室內(nèi)人工降雨，研究土壤初始含水率對(duì)坡面降雨入滲的影響，實(shí)驗(yàn)表明初始含水量越高，產(chǎn)流越快，平均入滲率越小，達(dá)到穩(wěn)定入滲率的時(shí)間也越短。李樹立、彭培好等[16]發(fā)現(xiàn)雨前土壤含水量對(duì)地表產(chǎn)流過程的影響主要體現(xiàn)在降雨初期。

（三）植被覆蓋率對(duì)徑流規(guī)律的影響

植被具有涵養(yǎng)水源的能力，隨著城市化建設(shè)原始土地逐漸被取代綠化面積減少，隨著植被的破壞，其蓄水能力就會(huì)降低，導(dǎo)致的直接后果就是地表徑流增加。Janke、Finlay等研究了樹木對(duì)城市徑流的潛在影響以及給城市帶來的好處。?ivkovi?、Dragi?evi?等人利用數(shù)學(xué)模型來表達(dá)植被類型對(duì)徑流的真實(shí)影響，結(jié)果證明植被在徑流調(diào)節(jié)方面具有重要作用。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此也做了大量的研究，Zhang等人通過同位素的比較，評(píng)估了不同植被調(diào)節(jié)地表徑流的能力，結(jié)果表明不同植被類型具有不同的保水能力，其中森林植被類型最能調(diào)節(jié)地表徑流。王超[17]以天老池流域?yàn)檠芯勘尘?，利用遙感技術(shù)進(jìn)行區(qū)域精確劃分，并以SWAT軟件為工具研究了不同植被覆蓋情況對(duì)降雨條件下徑流的影響，研究表明不同的植被覆蓋情況，對(duì)徑流的產(chǎn)流量情況及產(chǎn)流方式有很大影響。肖登攀等[18]人選取河北元氏縣中國(guó)科學(xué)院太行山山地生態(tài)試驗(yàn)站中的六個(gè)試驗(yàn)小區(qū)為研究對(duì)象，模擬開展植被類型對(duì)產(chǎn)匯流規(guī)律的影響研究，試驗(yàn)表明與裸地相比有植被的地表徑流量減少明顯、產(chǎn)匯流形成時(shí)間也越長(zhǎng)。趙殿紅[19]提出了分層次城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃研究，對(duì)道路綠帶的低影響開發(fā)、公共空間的規(guī)劃提出建議。

三、結(jié)語

海綿城市作為未來主要發(fā)展方向，城市不僅要改善道路積水問題，還要做到雨水的循環(huán)利用，在維持原有的條件基礎(chǔ)上做到低沖擊開發(fā)。

在材料滲透方面，孔隙磚的具有較強(qiáng)的下滲能力，其空隙可種植植被，起到涵養(yǎng)水源、抗滑等作用，可用于人行道的鋪設(shè);在非機(jī)動(dòng)車道，可采用大孔隙瀝青，由于大孔隙瀝青易發(fā)生堵塞，需定期對(duì)路面進(jìn)行清理;在機(jī)動(dòng)車道，需考慮承載力與滲透性的關(guān)系，加快新型透水材料的研發(fā)。透水磚的鋪設(shè)，可以加速雨水的下滲速度從而影響徑流的形成，從源頭解決城市積水問題。

在土壤方面，土壤的初始含水率僅在降雨前期起一定影響，隨著降雨土壤的含水率不斷提高，導(dǎo)致入滲速度降低后期可忽略不計(jì)，故不做過多考慮。

在植被覆蓋方面，保留原有植被基礎(chǔ)上，采用分層次多種植被相結(jié)合的種植方式，因地制宜處理好空間及時(shí)間上的搭配關(guān)系。沿人行道設(shè)立植草溝，對(duì)徑流進(jìn)行吸收凈化。同時(shí)采用高滲透下沉式綠地，在保證原有綠地面積的情況下，更好的調(diào)控路面徑流。注意雨水的收集儲(chǔ)存，采用地面溝池與地下蓄水模塊相聯(lián)結(jié)的方式，保證在旱季時(shí)有充足的水源，做到雨水的循環(huán)利用。

最后，隨著“海綿城市”的概念逐漸被人們認(rèn)可，相信在不久的將來“海綿城市”理念將會(huì)普及成真。

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