透水铺装地面降雨入渗、径流过程及减污效果的试验与模拟

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随着城市化的进程不断加快,内涝成为制约城市发展的一大难题。解决城市内涝问题需从源头进行水量控制或加大外排水量,为了使雨水资源得到充分利用,在解决内涝的同时缓解城市水资源短缺的问题,宜采用源头控制的方法。透水铺装作为雨水源头控制的一种方法,可有效存蓄自身及周边区域汇流,同时有一定净化水质的能力,使得透水铺装在城市地区得到广泛应用。本文以不同类型透水铺装地面为研究对象,通过室内小试实验、人工降雨实验及天然降雨实验研究其降雨入渗、径流规律及减污效果。主要研究结果如下:  (1)对草坪砖(基层)、透水砖(基层)处理各进行了3组积水入渗重复实验,结果表明草坪砖铺装入渗规律可由Kostiakov、Horton公式较好拟合:透水砖铺装入渗为围绕铺装层稳渗率上下浮动的过程。  (2)通过室内人工降雨实验对透水砖、现浇透水砼、草坪砖、不透水砖铺装降雨入渗规律进行了分析,表现为入渗能力以草坪砖最强、现浇透水砼次之、透水砖较弱、不透水砖铺装无入渗能力。各铺装初期入渗速率与降雨强度有关,稳渗率仅与土壤、基层性质及前期含水量有关,与降雨强度大小无关,达到稳渗的时间随降雨强度的增大而变长。  (3)透水砖、现浇透水砼、草坪砖、不透水砖铺装地面在2h定雨强人工降雨条件下产流能力表现为草坪砖<现浇透水砼<透水砖<不透水砖,产流起始时刻表现为草坪砖最晚,现浇透水砼次之,透水砖再次,不透水砖铺装降雨开始时即产流;对于每种铺装地面,降雨强度增大时其产流量也随之增大,同时产流时刻提前;影响透水砖、现浇透水砼、草坪砖铺装地面产流能力的因素主要有使用频次和植被覆盖率两方面,表现为使用频次越高,径流调控能力越弱,植被覆盖率越高,径流调控能力越强。  (4)天然降雨条件下四种类型透水铺装的径流调控能力表现为现浇透水砼最强、透水砖次之、草坪砖再次、不透水砖铺装无调控能力,且透水砖、现浇透水砼在连续降雨或多峰降雨条件下有更好的调蓄作用;在延迟峰现时间方面,草坪砖表现最好,透水砖、现浇透水砼次之,不透水砖铺装无延迟。  (5)透水砖铺装的铺装层对SS削减效果最优,达69.94%,对NH3-N削减效果最差,为-57.40%,其他特征污染物削减系数均在40%~65%,整体削减效果较好。草坪砖铺装对特征污染物中TN削减效果最优,达63.43%,对NH3-N削减效果最差,为-13.40%,对SS、COD、TP削减系数均高于50%,对COD削减系数为44.57%。使用多年后透水砖面层和基层孔隙存在一定程度的堵塞,过滤作用减弱,同时面层及基层内富集了大量的微生物,生物作用大大提高,造成对特征污染物削减效果的不同表现。  (6)利用SWMM模型对天然降雨径流过程进行了模拟,各类型铺装模拟洪峰流量误差为2.13~11.54%,峰现时间无误差,纳氏系数为甲等,符合相关要求,模型模拟结果可行。自建透水铺装水文过程数值模拟模型产流量模拟与实测误差为0.57~4.11%,起始产流时刻误差小于11.11%,符合规范要求,模型可行。通过模拟多年一遇降雨径流情况可以得出:在汛期降雨较多时可保证3年一遇以下降雨不产流;在百年一遇降雨条件下透水铺装仍能将产流时刻推迟50min。模拟结果与实验结果基本一致,对透水铺装降雨产流规律研究具有重要参考作用。
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