基于Hydrus-1D的透水铺装对降雨径流控制模拟研究

卢巧慧，景瑞瑛，杜朋辉，黄奕龙

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东深圳518008)

随着极端降雨事件多发及城市快速发展带来的下垫面径流特性改变，城市内涝现象频繁发生。相关统计数据显示，2010年以来，中国平均每年有185座城市受到城市内涝的威胁[1]。自2015年起，住建部等多次出台有关海绵城市建设的相关政策文件和规范标准，积极推进全国海绵城市的建设，增强城市防涝能力[2]。

透水铺装是海绵城市建设中常用的一种低影响开发(LID)技术，这种雨水控制设施可以有效利用大空隙结构层，使其在保持原有功能的前提下，提高雨水的下渗能力，减小下垫面径流系数[3]。透水铺装主要类型包括透水砖、透水水泥混凝土和透水沥青混凝土、嵌草砖等[4]。透水铺装结构应至少包含透水面层、透水找平层和透水基层[5]。

长期监测透水铺装等海绵设施的降雨径流控制效果较为困难，因此在海绵城市建设过程中，往往需要结合数学模型进行模拟分析以验证方案或评估建设效果。常用的LID模型有SWC[6]、SWMM[7-9]、Hydrus-1D[10-13]、Drainmod[14-15]、Recarga[16]等，其中Hydrus-1D模型实用性强、模拟精度高，具有同时模拟水量及水质[17]等优点，得到广泛应用。

本项研究针对南方丰水区海绵城市建设效果研究的不足，以典型海绵设施——透水铺装为例，选择Hydrus-1D模型研究不同结构透水铺装对降雨径流的控制效果，获得影响降雨径流的构造因子及关键参数，为本地及其他类似区域海绵城市建设提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 模型介绍

Hydrus-1D是由美国盐碱实验室于20世纪90年代研发的用来计算饱和-非饱和土壤等多孔介质中水分、盐分运移规律的软件，包括水流、溶质运移和热传递等七大基本模块，能对土壤水、盐运移规律和时空变化等较好地进行模拟[18]。Hydrus软件在修改过的Richards方程基础上，进行土壤水力函数构建，可计算不同边界条件和初始条件下的数学模型。若将坐标原点选在地面，取z轴向下为正，则变为饱和区一维方向上的土壤水分运动过程[19]：

(1)

式中θ——含水率，%；z——垂直方向的空间坐标，cm；h——负压水头，cm；S——源汇项，主要考虑根系吸水，cm3/(cm3·d)；t——时间，d。

Hydrus-1D软件可通过设置不同土层的参数来模拟非均质土壤的水分运动，水分运移可能发生在垂直面，也可能在水平面。土壤表面可选择恒定或者随时间变化的流量、压力水头及由气象条件控制的边界，反之亦然。它还可以通过水域饱和部分的剩余水量和不排水边界条件处理自由面边界[20]。

1.2 边界与设施

本研究模拟4种不同结构的铺装装置，包括1种不透水铺装(作为对比)及3种透水铺装。各装置的结构参数见表1。

表1 铺装结构

为了更好地得到不同透水铺装结构、材料对径流的控制效果，通过设定装置的水流下边界条件概化不同的入渗排水条件，见图1，包括：①设置水流下边界条件为恒定水分通量为零(Constant Flux=0)，表示无排水无下渗条件，即模拟透水铺装基层用防渗膜与土基隔开、不考虑下渗作用，同时透水铺装底部不设置雨水口与市政管网连接；②设置水流下边界条件为自由下泄边界(Free Drainage)，表示无排水仅下渗条件，即模拟透水铺装基层直接连接土基、允许下渗，但底部不设置雨水口与市政管网连接；③设置水流下边界条件为水平排水沟边界(Horizontal Drain)，位置在基层底部，代表无下渗仅排水条件，即模拟透水铺装基层用防渗膜与土基隔开、不考虑下渗，透水铺装底部设置雨水口与市政管网连接。

通过比较2014年8月13日实测的径流数据与模型模拟的径流过程，发现两者的拟合程度达到83.7%，拟合效果见图2，表明模型结果合理可靠。最终设定不同装置的结构参数见表2。

表2 各装置从上至下各层参数设定

2 结果与分析

2.1 无排水无下渗径流分析

在无排水无下渗条件下，模拟降雨重现期分别为1、5、10 a条件下的产流特征(图3、表3—5)。总体来看不同降雨重现期下各装置的径流特征表现一致：①降雨强度越大，各装置对降雨径流的控制率越小，说明透水铺装消纳雨水能力有限，相对来说小强度降雨径流控制率较高；②降雨强度越大，各装置的产流时间越早，峰值削减率越小，说明大强度降雨更容易发生积水；③在降雨过程中，4号装置(面层加厚)对径流量削减作用最强，2号装置(找平层为粗砂)、3号装置(找平层为瓜米石)其次，1号不透水铺装对降雨产生的径流量几乎没有削减。2、3、4号在1 a降雨重现期下径流总量控制率分别为73.3%、76.3%、78.2%，峰现延迟时间分别为30、34、37 min，径流峰值削减率分别为77.7%、79.4%、80.4%；在5 a降雨重现期下径流总量控制率分别为51.2%、53.6%、55.0%，峰现延迟时间分别为8、10、12 min，径流峰值削减率分别为53.1%、58.1%、60.2%；在10 a降雨重现期下径流总量控制率分别为46.0%、47.8%、48.5%，峰现延迟时间分别为5、6、7 min，径流峰值削减率分别为42.2%、46.5%、50.1%。说明当存在防渗膜时，雨水无法自由下泄至土基，面层对降雨径流影响最大；另外，和不透水面层相比，透水面层可有效蓄积雨水，延后峰现时间，削减径流峰值。

表3 各装置在无排水无下渗条件下径流控制率

表4 各装置在无排水无下渗条件下峰现延迟时间

表5 各装置在无排水无下渗条件下峰值削减率

2.2 无排水仅下渗径流分析

在无排水仅下渗条件下，模拟降雨重现期分别为1、5、10 a条件下的产流特征(图4、表6—8)。结果发现：①在重现期为1 a时，除1号装置产流外，其他装置均不产流，利用透水铺装及土基本身的下渗作用就能100%就地消纳雨水，说明增大土基的渗透性能明显提升铺装的下渗及蓄积雨水的能力；②在重现期为5、10 a时，1号装置径流控制率接近于0，2、3、4号在5a降雨重现期下控制率分别为76.1%、74.5%、71.0%，峰现延迟时间分别为29、28、24 min，径流峰值削减率分别为81.7%、78.3%、76.0%；在10 a降雨重现期下控制率分别为67.6%、66.1%、63.0%，峰现延迟时间分别为18、18、15 min，径流峰值削减率分别为75.5%、71.1%、67.8%。可以发现，改善土基的渗透性后，4号装置更容易产流，2号装置对降雨径流的控制作用最强。说明当土基渗透性较好时，基层能直接影响整个透水铺装体系的最终透水效果，在其他条件相同的情况下，基层土壤的渗透性能越好，雨水穿过铺装层渗到地下的速率越快，透水地面消纳的雨水量越多[21]。

表6 各装置在无排水仅下渗条件下径流控制率

表7 各装置在无排水仅下渗条件下峰现延迟时间

表8 各装置在无排水仅下渗条件下峰值削减率

2.3 无下渗仅排水径流分析

在无下渗仅排水条件下，模拟降雨重现期分别为1、5、10 a条件下的产流特征(图5)。结果发现，在降雨重现期分别为1、5、10 a条件下，除1号装置产流外，其他装置均不产流，进入铺装的雨水经下渗后通过基层底部的雨水收集管排入到市政管网中。因此，在有施工条件时，相比于不采取收集措施，在透水铺装增设雨水收集管能最大化收集雨水，间接提升透水铺装的蓄水性能，收集到的雨水经处理后可回用，促进雨水资源化利用。

2.4 不同排水条件对比

分析3种排水条件下2、3、4号透水铺装对径流的控制效果(图6)。结果发现，无下渗仅排水条件相较于另外2种排水条件能明显提升透水铺装对降雨径流的控制效果，在重现期为1、5、10 a条件下均能100%就地消纳雨水，完全不产流。在仅下渗无排水条件下，雨水能穿过铺装层自由下泄至土基，相较于无下渗无排水条件，其促进雨水下渗的效果更为显著，可有效蓄积雨水，并充分发挥透水铺装的蓄水性能。

由于无下渗仅排水条件下，2、3、4号透水铺装均不产流，因此只对比无下渗无排水及仅下渗无排水条件下3种透水铺装的径流控制效果(图7、8)。可以发现，当用防渗膜阻隔雨水下渗到土基时，面层对铺装透水效果的影响最大； 当雨水能自由下泄至

渗透性较好的土基时，基层为整个铺装透水体系的主要影响因子。

综上，在海绵建设中，应尽量在透水铺装基层设置雨水收集管，一方面避免路面积水，降低城市内涝风险；另一方面收集的雨水经处理后可进行回用，缓解水资源短缺问题。同时，应根据土基的渗透性选择适宜的透水铺装，当土基渗透性较差时，可选择渗透性大的面层材料，促进雨水蓄积；当土基渗透性较好时，可选择渗透性大的基层材料，如瓜米石，促进雨水下渗。

3 结论

随着海绵城市建设的进程加快，透水铺装作为一种从源头削减降雨径流的低影响开发设施得到广泛的应用。本文应用Hydrus-1D模型模拟分析不透水铺装及不同结构的透水铺装在无排水无下渗、无排水仅下渗及无下渗仅排水3种排水条件下的降雨径流过程，得出以下结论：①透水铺装能有效蓄积雨水，延后峰现时间，削减径流峰值；②透水铺装消纳雨水能力有限，对小强度降雨控制较好；③在透水铺装基层增设雨水收集管，对径流控制效果更好；④当用防渗膜阻隔雨水下渗到土基时，面层对铺装透水效果的影响最大；⑤当雨水能自由下泄至渗透性较好的土基时，基层可直接影响整个透水铺装的透水效果。