基于Hydrus-1D的透水铺装对雨水径流减控模拟研究

应 鹏，姜皓铭

（江苏长路智造科技有限公司，江苏 南京 211806）

1 引言

城市的建设发展在扩建人类生活区域的同时也使自然生态环境有了较大变化。随着城市化的发展，不透水道路面积占据自然土壤面积的比例不断增加，削弱了自然土壤路面渗透性能，继而改变了城市的水文环境；与此同时，城市快速发展产生大量建筑拆除废弃物，既造成了资源的浪费，又污染了自然环境。

透水铺装作为一种可有效减控地表径流典型的低影响开发措施，被众多学者研究。侯立柱等[1]采用四种透水砖铺装形式进行降雨入渗试验，结果表明雨水入渗大小与垫层填充材料的透水性成正比关系。韦甦等[2]根据透水砖在海绵城市应用中出现的各类问题，提出了几种应对方案。朱春阳等[3]研究了四种不同结构形式的透水铺装，分析发现较厚的碎石基层透水铺装结构既能增加雨水的渗透量，又能有效削减地表径流量。朱晓娟等[4]进行了不同降雨工况下的新型缝隙式透水铺装的雨水下渗量的校核试验，结果表明新型透水铺装可有效降低地表径流。目前“无废城市”的建设推动了自然资源的再生利用，Ossa A等[5]研究表明，以高达20%的百分比使用建筑等拆除集料铺设城市道路在力学性能上是可行的。李秋实等[6]研究表明，再生骨料的透水性能显著优于天然骨料。Cardoso R 等[7]研究发现，再生骨料比天然骨料具有更高的空隙率，更优的渗透性能，均具有良好的排水性能。

总体来说，透水铺装体系中对透水混凝土以及原生骨料等材料对径流削减方面的应用研究较多[8]，而对建筑拆除材料制成的再生骨料在透水铺装基层结构中的应用以及不同基层厚度组合下的透水铺装的雨水处理效果研究较少。基于以上两点，本文拟探究不同基层材料、不同基层厚度组合下的透水铺装对雨水径流的削减效果，对实现雨水资源化利用、建筑拆除材料回收利用以及完善透水铺装基层构造形式等有着重要的理论意义和工程实用价值。

2 材料与方法

2.1 模型介绍

Hydrus-1D 软件是采用Richards 方程来描述土壤水中的水分运移，采用VG-M 公式进行水分运移拟合，Galerkin 有限元法进行土壤剖面空间离散，隐式差分格式进行时间离散。模型有较灵活的边界条件，上边界可以选择大气和潜在土壤蒸发量作为通量边界，其中潜在土壤蒸发量可直接输入，也可以输入气象数据由模型计算得到；下边界条件包括水头边界、自由排水、深层排水、通量边界等。

Hydrus-1D 中将土壤水分运动模拟转化为一维分布，采用修正的Richards方程描述：

式中，θ为土壤体积含水率，cm3/cm3；

h为土壤压力水头，cm；

S 为根系吸水项或其它源汇项，s-1，代表单位时间内作物从单位体积的土壤中吸取水的体积，因本试验研究透水铺装降雨入渗问题，不存在根系吸水问题，此项可忽略；

zi（i=1，2）为空间坐标，cm；

t为时间，s；

KijA为各项异性张量KA在不同方向上的分量；

K为非饱和土壤水力传导度，cm·s-1，作为压力水头函数：

Kr为相对导水率，cm·s-1；

Ks为饱和导水率，cm·s-1。

2.2 边界与设施

本研究模拟七种不同结构的铺装装置，包括一种不透水铺装（作对比），三种不同基层厚度组合的普通级配碎石基层透水铺装模型，三种不同基层厚度组合的再生骨料基层透水铺装模型。各铺装结构参数见表1和表2。普通级配碎石与再生骨料的物理性能指标见表3。

表1 普通级配碎石基层透水铺装各层结构组成及材料配置

表2 再生骨料基层透水铺装各层结构组成及材料配置

表3 普通级配碎石与再生骨料的物理性能指标

由于透水铺装路面为100%覆盖集水区，Hydrus-1D 需建立参数化数值模型，透水铺装概化成的功能模块在Hydrus-1D 模型中应设置为水分运移模块。需将透水铺装设施中各结构层都概化成水力参数模型来进行数值模拟计算。将课题组已研究完成的人工试验降雨数据设为Hydrus-1D模型的上边界条件，再根据实际中测得的底部排水量，与模型模拟的排水量进行对比验证来率定透水铺装模型各层水力参数，最终选取合适的参数值进行数值模拟试验。

根据绍兴市近40 年降雨特征分析，绍兴市的瞬时降雨强度呈先增加后减小的单峰型分布，因此选择芝加哥雨型，降雨历时分别为1h与2h，峰值系数r=0.4，重现期分别为100a、150a、200a的降雨，时间步长1min的6种大强度降雨。暴雨强度公式见式（3）。

式中，i为设计降雨强度，mm/min；

P为设计降雨重现期，a；

t为降雨历时，min。

根据前期课题组采用芝加哥雨型开展的普通级配碎石基层透水铺装与再生骨料基层透水铺装径流减控物理试验研究成果，本文通过与课题组物理试验研究结果进行验证对比，通过计算得出第三场降雨（110 mm/h）中的普通级配碎石基层透水铺装纳什系数为0.88，再生骨料基层透水铺装纳什系数为0.86，表明用Hydrys-1D 模拟的透水铺装模型雨水下渗量结果与物理试验结果较为吻合。具体结果如图1所示。

图1 5分钟模拟排水量与5分钟实测排水量过程拟合效果

3 结果与分析

3.1 不同层厚组合下普通级配碎石基层透水铺装径流减控效果

分析三种不同基层厚度组合下的普通级配碎石基层透水铺装模型在不同降雨强度条件下的径流削减效果，比选出最优基层厚度组合。

图2 显示了模型二（基层厚度组合3：2）、模型三（基层厚度组合1：1）、模型四（基层厚度组合2：3）三种不同基层厚度组合下的普通级配碎石基层透水铺装在不同降雨强度情况下的径流变化过程。

图2 不同基层厚度组合下普通级配碎石基层透水铺装径流过程

对比上图可以发现，不同基层厚度组合对透水铺装径流过程有着显著影响，且在不同基层厚度组合下的各类普通级配碎石基层透水铺装的径流特征区别均表现出一致性，即随着基层厚度组合的变化，模型二的地表径流峰出现时刻最早、峰值流量最大、产流量也最大、径流系数最大，模型三次之，模型四的地表径流峰出现时刻最晚、峰值流量最小、产流量也最少、径流系数最小，以上均表明模型四雨水处理效果最佳。由此可以发现，在基层厚度组合为2：3 的情况下，普通级配碎石基层透水铺装的有效孔隙率增加，蓄水体积增加，可以延缓蓄满产流过程。相对而言，模型二的基层蓄水容量及渗透速率均偏小，在相同降雨强度下雨水量能较快填充满模型二的容水层，使其更快发生蓄满产流，造成地表径流出现时间提前，地表径流量增加，对雨水的处理效果较差，因此模型二的基层厚度组合较差。综上所述，模型四（基层厚度组合2：3）对雨水的减控能力优于模型二（基层厚度组合3：2）、模型三（基层厚度组合1：1），表明模型四的基层厚度组合最佳。

3.2 不同层厚组合下再生骨料基层透水铺装径流减控效果

不同基层厚度组合下再生骨料基层透水铺装在不同降雨强度下的径流特征如图3 所示。从图3 中可以看出，不同基层组合下再生骨料基层透水铺装的径流特征变化过程与普通级配碎石基层的透水铺装的径流特征变化相似。

图3 不同基层厚度组合下再生骨料基层透水铺装径流过程

透水铺装对雨水的处理主要有三种途径，通过透水铺装下渗至土基层中排出的雨水、透水铺装各容水层对雨水的蓄滞、透水铺装材料对雨水吸收，其中雨水处理的关键因素取决于透水铺装整体连通孔隙率，连通孔隙率越大，雨水下渗速率越快，蓄水量越多。而再生骨料本身存在大量微裂缝，因此增加了再生骨料基层透水铺装整体的渗透性能及吸水率。所以同一基层厚度组合下的再生骨料基层透水铺装的雨水减控能力均优于普通级配碎石基层透水铺装。

从图3 还可以看出，模型五（基层厚度组合3：2）的径流峰出现时刻最早、产流量最大，模型六（基层厚度组合1：1）次之，模型七（基层厚度组合2：3）的径流峰出现时刻最晚，产流量也最少。表明模型七的雨水调控能力最好，基层厚度组合最佳。

4 结语

①不同基层厚度组合是影响透水铺装径流减控能力强弱的重要因素，表现为基层厚度组合越差径流系数越大，基层厚度组合越优化径流系数越小。从径流减控能力方面分析，基层厚度组合2：3的透水铺装径流减控能力最强，基层厚度组合1：1 的透水铺装次之，基层厚度组合3：2的透水铺装径流减控能力最弱。

②2：3的基层厚度组合为最优基层厚度组合，雨水渗透速率最快、蓄水容量最大，对径流的减控效果最佳。并且在同一基层厚度组合下，再生骨料基层透水铺装的地表径流减控能力优于普通级配碎石基层透水铺装。

③普通级配碎石基层透水铺装与再生骨料基层透水铺装均能有效削减地表径流，增加雨水入渗量，补充地下水，但再生骨料基层透水铺装的渗透性较优、吸水性较强、雨水的蓄容量较大，对雨水径流有较好的调控能力，因此再生骨料在透水铺装中具有较好的应用前景。