植被渗透浅沟对城市暴雨径流的调蓄效应研究

1、植被渗透浅沟对城市暴雨径流的调蓄效应研究论文摘要：建造植被渗透浅沟植被渗透浅沟的末端可与市政雨水管道相接，实现系统的排水功能。该系统适宜较长距离传输雨水径流，在坡度、土质、景观等满足要求的区域可以替代雨水管，适宜建造在居住区、商业区、公园和道路边等。对于我国北方降雨量相对少而集中，蒸发量大、地下水利用比例较大的地区，该系统有较好的应用前景。本研究设计并建造了一个植被渗透浅沟系统，采用模拟雨水探索了植被渗透浅沟对城市暴雨径流的调蓄效应，为今后该系统在雨水渗透领域的推广应用奠定根底。2材料与方法2.1试验装置及流程试验在学校内绿地上进行，流程如图1所示。 图1试验流程图Fig.1Flowchart

2、ofexperiment模拟雨水由提升泵至高位水箱，经转子流量计后通过布水装置进入植被渗透浅沟，一局部雨水自然入渗至地下，另一局部那么沿植被渗透浅沟外表流动，进入设置在浅沟另一端的出水井，最后由潜水泵将出水抽至就近雨水井。本试验中植被渗透浅沟长10m，纵坡2%，采用梯形横断面，上口宽1.8m，下口宽0.6m，深0.4m，沟底下伏砾石层厚0.4m，粒径1020cm，具体尺寸详见图2。所采用的植被为高羊茅，平均草高10cm。图2植被渗透浅横断面图Fig.2TransversesectionofGrassFilterStrips2.2试验用水试验用水由自来水参加化学药品配制而成，模拟雨水水质如表1所

3、示。表1模拟雨水主要水质参数Tab.1Main-qualityparametersofsyntheticrainwater 工程 COD /(mg-L ) NH -N /(mg-L ) TN /(mg-L ) TP /(mg-L ) 浊度 /NTU 水温 / 数值 200 18.00 25.00 1.40 51 25 2.3试验方法植被渗透浅沟的清水渗透试验的主要目的是掌握浅沟的渗透系数、渗透规律以及系统所能承受的最大水力负荷。该试验主要包括三局部：a.植被渗透浅沟的渗透过程线的测定；b.临界渗透量确实定；c.最大水力负荷确实定。1植被渗透浅沟的渗透过程线的测定首先将溢流管阀关闭，向浅沟中进水

4、，待水满后停水，观测沟中水位随时间的变化，以横轴为时间，纵轴为沟内水深，作渗透过程线。此试验过程中为了减少底面和侧面的渗透作用，应尽量加大进水流量以缩短进水时间。2临界渗透量确实定观测植被渗透浅沟内水位维持在一定高度至少5min时单位时间的注水量即为临界渗透量。测得临界渗透量后，用其除以浅沟的有效渗透面面积即得渗透系数。如图2所示，该浅沟为梯形断面，其渗透规律较复杂，渗透面由底面渗透和侧面渗透两局部组成。因浅沟中的水位上下浮动，侧面的水压不同，那么侧面的渗透量也沿水位高度而变化。渗透系数随时间发生动态变化，为简化计算，侧面积仅按其1/2计算，取1/2高度作为其平均水位。所以有效渗透面积=底面积

5、+1/2侧面积。3最大水力负荷确实定植被渗透浅沟的最大水力负荷是指在暴雨情况下能够保证雨水在传输过程中尽量下渗而不溢流的最大水力负荷。当进入浅沟的雨水量超过该负荷进，多余的流量通过溢流管道进行排除，以防止排水不畅引发的道路积水问题。最大水力负荷取决于浅沟渗透能力的大小，因此可由渗透系统进行确定。雨水渗透工况试验是将不同水力负荷条件下的模拟雨水进入植被渗透浅沟，测定浅沟的外表出水流量、沟内平均水深及沟内雨水流速。该试验主要考察植被渗透浅沟对暴雨径流的延时调蓄功能以及水力负荷、降雨历时等因素对调蓄效果的影响。根据系统的最大水力负荷q，确定出工况试验的水力负荷取q、q/2、q/3三个等级；降雨历时取

6、1小时、2小时、3小时三个等级。按照较大负荷降雨历时相对较短的规律，最终组合出6个工况，具体见表2。系统按工况运行并测定相应的参数。3试验结果与分析3.1清水渗透试验根据渗透过程中水位随时间的变化情况可绘制出渗透过程线，该曲线的斜率表示植被渗透浅沟在单位时间内的渗透量，将曲线进行拟和，并将斜率换算为渗透能力，结果为6.81x10m/s，即在水分饱和状态下，该植被渗透浅沟的渗透能力为6.81x10m/s。本试验结果说明：当水位稳定在10cm时的临界渗透量为0.51L/s，此时参与渗透的有效面积=底面积+1/2侧面积=9.60m。那么植被渗透浅沟的渗透系数可表示为：K=Q/A=5.31x10m/s

7、。综合渗透过程线法和临界渗透量法，植被渗透浅沟的渗透系数K=5.316.81x10m/s。因此，确定该系统的最大水力负荷5.88m/m-d。现用该系统的最大水力负荷5.88m/m-d，结合天津市降雨强度，估算植被渗透浅沟的效劳面积。植被渗透浅沟的进水包括两局部，即自身面积上的全部降雨量和设硬质路面的径流系数为0.9，那么植被渗透浅沟面积负荷F为：式中n植被渗透浅沟汇流面积与其自身面积的比值；q暴雨强度 降雨历时 流量平均削减量 沟内平均水深 沟内雨水流速 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，通过植被渗透浅沟中植被的截流作用以及土壤的渗透作用，对暴雨径流起到了较好的削减作用，从而到达减少水土流失、间接补充地下水的目的。植被渗透浅沟对暴雨径流的削减量在70%96%之间，并随着水力负荷的增加和降雨历时的延长，沟内土壤层逐渐到达饱和，对流量的平均削减量不断降低，同时植被渗透浅沟内水深和沟内流速不断增加。植被渗透浅沟对暴雨径流的延时调蓄效应直接反映为下游雨水管渠设计断面的缩减。由暴雨强度公式可知，暴雨重现期P和降雨历时t是影响雨水管渠系统设计

9、的重要参数。(1)暴雨重现期P根据雨水渗透试验结果，当植被渗透浅沟在三种不同的水力负荷条件下，流量的平均削减均到达70%以上，即该系统可将洪峰流量削减30以上。这可以大大降低下游管渠的工程造价。(2)降雨历时t雨水管道设计中，为防止雨水所挟带的泥沙等无机物质在管渠内沉淀下来而堵塞管道，室外排水设计标准GB500142006规定，满流时管道内最小设计流速为0.75m/s。由表2可见，植被渗透浅沟内的雨水流速在0.0160.036m/s之间，约为管道最小设计流速的5%。因此在进行植被渗透浅沟下游管渠水力计算时，可将流行时间t大大延长，从而缩减管渠的设计断面，降低工程造价。3.3结论1建造的植被渗透

10、浅沟渗透系数K=5.316.81x10m/s，其最大水力负荷为5.88m/m-d，效劳面积为其自身面积的2.16倍。2当水力负荷从q1.47m/m-s增至q5.88m/m-s时，沟内雨水流量的平均削减量由95.99%降至70.87%。植被渗透浅沟能削减70%以上的洪峰流量。3植被渗透浅沟内的雨水流速随水力负荷增大而增大，稳定在0.0160.036m/s之间，此流速约为管道最小设计流速的5%。在进行植被渗透浅沟下游管道设计时，可加大流行时间t，从而缩减相应管渠的设计断面，降低工程造价。致谢：本工程得到十一五;国家水体污染控制与治理科技重大专项2021ZX07314-004资金资助，在此表示感谢。参考文献1 Ana Deletic, TimD. Fletcher. Performance of grass filter used for storm watertreatment a field and modeling study . Jour