1、植被滲透淺溝對城市暴雨徑流的調蓄效應研究論文摘要：建造植被滲透淺溝植被滲透淺溝的末端可與市政雨水管道相接，實現系統的排水功能。該系統適宜較長距離傳輸雨水徑流，在坡度、土質、景觀等滿足要求的區域可以替代雨水管，適宜建造在居住區、商業區、公園和道路邊等。對于我國北方降雨量相對少而集中，蒸發量大、地下水利用比例較大的地區，該系統有較好的應用前景。本研究設計并建造了一個植被滲透淺溝系統，采用模擬雨水探索了植被滲透淺溝對城市暴雨徑流的調蓄效應，為今后該系統在雨水滲透領域的推廣應用奠定根底。2材料與方法2.1試驗裝置及流程試驗在學校內綠地上進行，流程如圖1所示。 圖1試驗流程圖Fig.1Flowchart

2、ofexperiment模擬雨水由提升泵至高位水箱，經轉子流量計后通過布水裝置進入植被滲透淺溝，一局部雨水自然入滲至地下，另一局部那么沿植被滲透淺溝外表流動，進入設置在淺溝另一端的出水井，最后由潛水泵將出水抽至就近雨水井。本試驗中植被滲透淺溝長10m，縱坡2%，采用梯形橫斷面，上口寬1.8m，下口寬0.6m，深0.4m，溝底下伏礫石層厚0.4m，粒徑1020cm，具體尺寸詳見圖2。所采用的植被為高羊茅，平均草高10cm。圖2植被滲透淺橫斷面圖Fig.2TransversesectionofGrassFilterStrips2.2試驗用水試驗用水由自來水參加化學藥品配制而成，模擬雨水水質如表1所

3、示。表1模擬雨水主要水質參數Tab.1Main-qualityparametersofsyntheticrainwater 工程 COD /(mg-L ) NH -N /(mg-L ) TN /(mg-L ) TP /(mg-L ) 濁度 /NTU 水溫 / 數值 200 18.00 25.00 1.40 51 25 2.3試驗方法植被滲透淺溝的清水滲透試驗的主要目的是掌握淺溝的滲透系數、滲透規律以及系統所能承受的最大水力負荷。該試驗主要包括三局部：a.植被滲透淺溝的滲透過程線的測定；b.臨界滲透量確實定；c.最大水力負荷確實定。1植被滲透淺溝的滲透過程線的測定首先將溢流管閥關閉，向淺溝中進水

4、，待水滿后停水，觀測溝中水位隨時間的變化，以橫軸為時間，縱軸為溝內水深，作滲透過程線。此試驗過程中為了減少底面和側面的滲透作用，應盡量加大進水流量以縮短進水時間。2臨界滲透量確實定觀測植被滲透淺溝內水位維持在一定高度至少5min時單位時間的注水量即為臨界滲透量。測得臨界滲透量后，用其除以淺溝的有效滲透面面積即得滲透系數。如圖2所示，該淺溝為梯形斷面，其滲透規律較復雜，滲透面由底面滲透和側面滲透兩局部組成。因淺溝中的水位上下浮動，側面的水壓不同，那么側面的滲透量也沿水位高度而變化。滲透系數隨時間發生動態變化，為簡化計算，側面積僅按其1/2計算，取1/2高度作為其平均水位。所以有效滲透面積=底面積

5、+1/2側面積。3最大水力負荷確實定植被滲透淺溝的最大水力負荷是指在暴雨情況下能夠保證雨水在傳輸過程中盡量下滲而不溢流的最大水力負荷。當進入淺溝的雨水量超過該負荷進，多余的流量通過溢流管道進行排除，以防止排水不暢引發的道路積水問題。最大水力負荷取決于淺溝滲透能力的大小，因此可由滲透系統進行確定。雨水滲透工況試驗是將不同水力負荷條件下的模擬雨水進入植被滲透淺溝，測定淺溝的外表出水流量、溝內平均水深及溝內雨水流速。該試驗主要考察植被滲透淺溝對暴雨徑流的延時調蓄功能以及水力負荷、降雨歷時等因素對調蓄效果的影響。根據系統的最大水力負荷q，確定出工況試驗的水力負荷取q、q/2、q/3三個等級；降雨歷時取

6、1小時、2小時、3小時三個等級。按照較大負荷降雨歷時相對較短的規律，最終組合出6個工況，具體見表2。系統按工況運行并測定相應的參數。3試驗結果與分析3.1清水滲透試驗根據滲透過程中水位隨時間的變化情況可繪制出滲透過程線，該曲線的斜率表示植被滲透淺溝在單位時間內的滲透量，將曲線進行擬和，并將斜率換算為滲透能力，結果為6.81x10m/s，即在水分飽和狀態下，該植被滲透淺溝的滲透能力為6.81x10m/s。本試驗結果說明：當水位穩定在10cm時的臨界滲透量為0.51L/s，此時參與滲透的有效面積=底面積+1/2側面積=9.60m。那么植被滲透淺溝的滲透系數可表示為：K=Q/A=5.31x10m/s

7、。綜合滲透過程線法和臨界滲透量法，植被滲透淺溝的滲透系數K=5.316.81x10m/s。因此，確定該系統的最大水力負荷5.88m/m-d。現用該系統的最大水力負荷5.88m/m-d，結合天津市降雨強度，估算植被滲透淺溝的效勞面積。植被滲透淺溝的進水包括兩局部，即自身面積上的全部降雨量和設硬質路面的徑流系數為0.9，那么植被滲透淺溝面積負荷F為：式中n植被滲透淺溝匯流面積與其自身面積的比值；q暴雨強度 降雨歷時 流量平均削減量 溝內平均水深 溝內雨水流速 1.47 3 95.99 3.0 0.016 1.47 2 92.24 3.0 0.016 2.94 3 73.69 7.2 0.021 2

8、.94 1 80.1 3.9 0.020 5.88 2 77.62 6.0 0.030 5.88 1 70.87 8.5 0.036 由表2可以看出，通過植被滲透淺溝中植被的截流作用以及土壤的滲透作用，對暴雨徑流起到了較好的削減作用，從而到達減少水土流失、間接補充地下水的目的。植被滲透淺溝對暴雨徑流的削減量在70%96%之間，并隨著水力負荷的增加和降雨歷時的延長，溝內土壤層逐漸到達飽和，對流量的平均削減量不斷降低，同時植被滲透淺溝內水深和溝內流速不斷增加。植被滲透淺溝對暴雨徑流的延時調蓄效應直接反映為下游雨水管渠設計斷面的縮減。由暴雨強度公式可知，暴雨重現期P和降雨歷時t是影響雨水管渠系統設計

9、的重要參數。(1)暴雨重現期P根據雨水滲透試驗結果，當植被滲透淺溝在三種不同的水力負荷條件下，流量的平均削減均到達70%以上，即該系統可將洪峰流量削減30以上。這可以大大降低下游管渠的工程造價。(2)降雨歷時t雨水管道設計中，為防止雨水所挾帶的泥沙等無機物質在管渠內沉淀下來而堵塞管道，室外排水設計標準GB500142006規定，滿流時管道內最小設計流速為0.75m/s。由表2可見，植被滲透淺溝內的雨水流速在0.0160.036m/s之間，約為管道最小設計流速的5%。因此在進行植被滲透淺溝下游管渠水力計算時，可將流行時間t大大延長，從而縮減管渠的設計斷面，降低工程造價。3.3結論1建造的植被滲透

10、淺溝滲透系數K=5.316.81x10m/s，其最大水力負荷為5.88m/m-d，效勞面積為其自身面積的2.16倍。2當水力負荷從q1.47m/m-s增至q5.88m/m-s時，溝內雨水流量的平均削減量由95.99%降至70.87%。植被滲透淺溝能削減70%以上的洪峰流量。3植被滲透淺溝內的雨水流速隨水力負荷增大而增大，穩定在0.0160.036m/s之間，此流速約為管道最小設計流速的5%。在進行植被滲透淺溝下游管道設計時，可加大流行時間t，從而縮減相應管渠的設計斷面，降低工程造價。致謝：本工程得到十一五;國家水體污染控制與治理科技重大專項2021ZX07314-004資金資助，在此表示感謝。參考文獻1 Ana Deletic, TimD. Fletcher. Performance of grass filter used for storm watertreatment a field and modeling study . Jour