随着城市化的快速发展, 不透水区域面积急剧增加, 结果导致内涝灾害、径流污染等雨水问题日益加剧。城市道路作为内涝和径流污染的主要汇水面之一, 是雨水管理领域的重要研究对象。透水沥青路面与生物滞留带作为低影响开发技术的组成部分, 在雨水控制管理方面起着重要作用^[1]。

　　 目前, 透水沥青路面与生物滞留带已得到广泛应用。Bean等^[2]对卡罗莱纳州的透水路面进行流量监测, 降雨小于88 mm时, 透水路面系统不产生径流;Collins等^[3]通过监测多场降雨, 得出透水路面对径流量削减率平均值为35.7%, 峰值流量削减率为34.7%;Steffen等^[4]研究发现, 生物滞留带的下渗和土壤孔隙持水能力能够削减径流量的95%;许萍等^[5]对深圳光明新区滞留带的研究表明, 小雨事件下可不外排雨水, 中、大雨事件下也有较好的径流控制效果。

　　 虽然透水路面与生物滞留带已较为普及, 但针对两者联合应用开展的定量研究依然较少, 且对大坡度条件下透水路面的径流削减效果仍存疑问。因此, 开展本项研究, 旨在通过模拟真实情况并对比分析结果, 为低影响开发设计提供参考。

　　 试验装置由人工模拟降雨装置与道路-生物滞留带试验平台共同组成。人工模拟降雨系统如图1所示, 通过控制降雨条件, 完成模拟降雨过程。

　　 试验平台分为两部分, 即透水沥青路面和生物滞留带。其中透水沥青路面长18 m, 宽4 m, 路面结构由上至下依次为透水沥青面层、防渗土工布、二灰土和基层, 其中透水沥青面层根据《道路排水性沥青路面技术规程》^[6]铺装而成, 主要材质为OGFC-13型透水沥青, 厚度为50 mm, 试验测定其孔隙率为21.2%, 路面渗透系数为5.16×10^-3 m/s。道路右下角处设有雨水口, 尺寸为750 mm×400 mm, 距道路右缘和下边分别为150 mm和500 mm。透水面层右侧下方埋设有排水盲沟, 尺寸为80 mm×50 mm, 长度为18 m。

　　 生物滞留带位于道路右侧, 长10 m, 宽1 m。滞留带结构由上至下依次为种植土壤层、透水土工布、砾石层和防渗膜。种植土壤层为普通黄土, 厚度200 mm;砾石粒径约为8～10 mm, 厚度300 mm, 砾石层底部埋设有穿孔集水管, 呈“丰”字形布置, 总长度为20 m, 开孔直径8 mm, 开孔率为2%。生物滞留带末端设置溢流管, 溢流高度50 mm。路面及生物滞留带构造图如图2、图3所示。

　　 道路右侧距末端2.5 m处设有宽度为20 cm的道路-生物滞留带连接豁口, 用于模拟生物滞留带入流。道路末端设置集水槽, 用于收集并测量路面径流、排水边沟流量、横向排水沟流量等, 除生物滞留带渗流外, 所有流量测定均使用超声流量计完成, 生物滞留带渗流流量测定采用人工计时体积法完成。

　　 采用纵坡5%、横坡2.5%作为本次试验的坡度条件。本试验设置有普通沥青路面、普通沥青路面-生物滞留带、透水沥青路面以及透水沥青路面-生物滞留带等4种工况。根据降雨重现期变化, 每种工况下分别设置P=1、3、5、10、20年的降雨条件。

　　 试验暴雨强度公式为:

　　 $q=1132\times (1+0.958\times \lg {\rm P})/(t+5.408){}^{0.595}$

　　 式中参数略。

　　 根据暴雨强度公式, 计算得出人工模拟降雨参数, 如表1所示。

　　 在普通沥青路面工况下, 监测流量分别为路面径流、雨水口入流;透水沥青路面工况下, 监测流量分别为路面径流、雨水口入流、排水横沟流量和排水边沟流量;而与两者相对应的道路-生物滞留带联用工况则需增加生物滞留带入流、生物滞留带溢流及渗流等流量监测。此外, 透水沥青路面-生物滞留带工况下由于排水边沟的存在, 路面径流无法直接流至道路豁口, 故采取截流方法, 将排水边沟集水导入滞留带中形成入流。流量测量位置如图4所示。

　　 流量计数据记录设定为1 s一次, 根据数据记录结果, 将路面径流每秒的流量与雨水口入流每秒的流量按照总产流时间进行积分, 两者之和即为1 h内的路面径流总体积, 并计算不同重现期下的路面径流总量削减率, 结果如图5所示。

　　 由图5可知, 随重现期增加, 路面径流总量变大, 而在相同重现期下, 路面径流总量大小基本遵循普通沥青路面>普通沥青路面+生物滞留带>透水沥青路面>透水沥青路面+生物滞留带的变化规律。在普通沥青路面的两种工况下, 路面径流的削减作用主要通过生物滞留带入流来完成;在透水沥青路面的两种工况下, 对应的削减作用则是通过生物滞留带入流与路面渗透完成。当P≤3年时, 透水沥青路面径流总量接近于0, 仅相当于普通路面径流的1/10, 说明小重现期降雨量有很大一部分通过路面渗透排出;当P≥5年时, 生物滞留带的径流削减作用开始逐渐体现, 路面径流分别是无滞留带路面的69.1%、61.7%和65.6%, 即随着重现期增加, 滞留带的削减作用在不断增加。由此说明, 对于重现期较小的降雨, 透水沥青路面有着比较好的径流削减作用;随着重现期逐渐增加, 径流削减则需要透水路面与生物滞留带共同完成。

　　 路面径流削减率呈现逐渐降低的趋势, 小重现期下, 径流削减率可保持在0.9左右, P>3年时, 削减率开始下降, 分析原因, 随着降雨强度增加, 透水路面产流模式发生改变, 即由蓄满产流变为超渗产流 (降雨强度大于渗透速率) , 形成径流速率变快, 径流总量上升;另一方面, 试验平台透水沥青路面渗透容积有限, 降雨强度越大, 路面孔隙持水饱和越快, 导致提前产生路面径流, 使得径流削减率变低。在P<3年时, 联用滞留带前后的总量削减率较为接近;随着重现期增加, 联用滞留带之后的下降趋势明显较缓。

　　 根据数据记录结果, 分析不同条件下路面径流流量的最大值并计算峰值削减率, 结果如图6所示。

　　 路面径流峰值与雨强峰值密切相关, 是降雨峰值在试验系统中的直接体现。由于试验中的降雨过程全部由人工调节, 不能保证每次降雨峰值完全契合于预期峰值, 且系统降雨峰值存在上限值约为220 mm/h, 以上因素均对路面径流峰值造成了一定影响, 但试验结果仍可反映出峰值流量的变化规律。随着重现期增加, 各径流峰值流量都呈增加的趋势, 且增加趋势逐渐变缓。由于在该试验中不存在客水, 故当P≥10年时, 峰值流量已趋向稳定。可以看出, 在大重现期条件下, 透水沥青路面径流峰值则相当于普通路面径流峰值的50%, 证明在削弱径流峰值时, 透水路面起着主要作用, 而生物滞留带的削峰作用取决于雨水进入滞留带的方式。

　　 由图6可知, 无生物滞留带情况下, 透水沥青路面径流峰值削减率呈现逐渐下降的趋势, 在小重现期时 (P=1年) , 透水路面有着良好的径流削减效果, 重现期为1、3、5时, 削减率分别为95%、94%和88%, 当P≥5年时, 路面径流峰值削减率稳定于71%左右, 联用滞留带之后, 峰值削减率略优于未联用工况。分析原因, 即在大雨强条件下, 瞬时降雨强度大于渗透速率, 形成超渗产流, 导致削减率下降;由于试验条件限制, 最大雨强无法继续增加, 不能模拟更高的降雨峰值, 故透水路面峰值削减率仍需要进一步的实验分析。若试验雨强继续增加, 则径流峰值削减率曲线仍将保持下降趋势。

　　 对比透水路面工况下降雨峰值时间及路面径流峰值时间, 两者差值即为峰值延迟时间, 结果如表2所示。

　　 结果显示, 透水路面联用生物滞留带之后, 峰值延迟时间有所增加, 增加幅度自30～285 s不等, 但延迟时间与降雨雨强的相关性较差, 未呈现出明显的变化规律。最大峰值延迟时间为290 s, 出现在P=5年时的透水路面+生物滞留带联用工况, 但与国内外透水铺装研究结果相比较, 本试验中峰值延迟时间较短, 分析原因如下:本试验中降雨峰值出现时, 透水路面产流模式基本处于饱和产流状态, 此时大部分降雨直接形成路面径流, 且本试验坡度较大、流速快, 从而导致路面径流流动时间变短, 峰值延迟时间减少, 也说明在大坡度条件下, 透水路面对径流峰值延迟时间影响有限。

　　 根据1 h内降雨强度, 积分计算不同重现期下降雨总体积与雨水口入流总体积, 计算分析四种工况的路面径流系数变化情况, 结果如图7所示。

　　 对比普通沥青路面与透水沥青路面的径流系数。随着重现期增加, 径流系数都呈上升趋势。分析普通沥青路面径流系数变化, 由于普通沥青路面面层铺装较新, 且压实度有限, 含有较多孔隙, 故在小重现期降雨条件下, 大量雨水由孔隙渗入面层中, 未能形成路面径流。据试验观察, 渗透现象在降雨强度小于25 mm/h时候尤为显著, 故在P≤5年时, 普通沥青路面径流系数均未达到预期值, 但该现象也真实反映了小强度降雨条件下新建道路的径流系数, 具有一定的参考价值;当P≥10年时, 路面径流系数与预期值较为接近, 分析原因, 此时路面产流以超渗产流为主, 降雨强度大于渗透速率, 绝大部分降雨均形成路面径流, 故路面径流系数接近于1;分析透水沥青路面径流系数变化, 随着重现期变化, 透水沥青路面径流系数变化幅度为0.07～0.29, 远小于普通路面径流系数, 证明透水沥青路面在控制径流系数方面效果明显。

　　 对比透水沥青路面与透水沥青路面+生物滞留带工况的径流系数, 由图可知, 在小重现期下, 两者径流系数较为接近, 说明该条件下影响径流系数的主要因素为透水面层, 生物滞留带影响较小;当P≥5年时, 前者的径流系数开始高于后者, 且径流系数差值有增加的趋势, 说明在重现期较大的条件下, 生物滞留带在控制径流系数方面具有优势。

　　 比较普通沥青路面+生物滞留带与透水沥青路面+生物滞留带的径流系数。与普通路面单独作用相比, 增加生物滞留带后, 径流系数虽然有所下降, 但是仍远大于透水路面工况, 且随重现期增加的趋势更为明显。当重现期由1年增加为5年时, 普通路面+滞留带的径流系数由0.17增加至0.48, 而透水路面+滞留带的径流系数则由0.07增加至0.09;而重现期由3年增加为5年时, 普通路面+滞留带的径流系数由0.48增加至0.66, 而透水路面+滞留带的径流系数则由0.09增加至0.19, 证明小重现期下, 路面径流系数控制效果较为显著, 且透水路面控制效果更优。

　　 根据流量计数据, 对降雨1 h内普通路面滞留带入流以及透水路面滞留带入流及溢流进行积分, 得到生物滞留带入流及溢流总体积。结果如图8所示。

　　 由图8分析可得, 随着重现期增加, 两者都呈增加的趋势, 且两者增加速率较为接近。普通路面的滞留带入流要高于透水路面的滞留带入流, 分析原因, 两者的形成原因有较大区别, 普通路面的入流源自路面径流;透水路面的入流源自透水沥青面层的侧向渗透, 且由于道路面层存在横纵坡的缘故, 路面渗透流量又分为侧向出流与纵向出流。试验纵向坡度大于横向坡度, 即纵向出流比例大于侧向出流, 因此透水路面工况下, 生物滞留带入流总量进一步下降。按重现期由小到大的顺序, 透水路面与普通路面的入流体积比值分别为0.58、0.72、0.72、0.76、0.78, 依照此趋势, 预计在某一降雨强度下, 透水路面与普通路面滞留带入流将会持平, 若要继续提高滞留带入流能力, 则需对入流方式、入流口位置、规格等进行进一步分析改造, 以达到更好的入流效果。

　　 分析滞留带溢流量变化, 基本与入流量变化规律相同, 随重现期增加且增加趋势变缓, 证明随重现期增加, 固定面积的滞留带调蓄能力逐渐增加, 但有一定上限值。分析不同重现期下溢流量占入流量的比例, 按照重现期由小到大的顺序, 普通路面滞留带分别为0.25、0.57、0.58、0.53、0.56, 而透水路面滞留带对应比例则分别为0.13、0.47、0.55、0.54、0.58。即溢流量与入流量的比值反映了滞留带自身的滞蓄能力, 比值越小则滞蓄能力越强。说明小重现期下透水路面滞留带滞蓄能力较强, 而大重现期下两者滞蓄能力则较为接近, 此时土壤可能已处于饱和吸水状态, 故滞蓄能力受到限制。

　　 在试验中, 设置了生物滞留带渗流这一流量出口, 以观察评估土壤+砾石层渗流在整个系统中所起的作用。由于出口管位置较低, 无法连接流量计进行测量, 故使用体积法, 即每隔一段时间, 取固定时间段的渗流体积进行换算, 以得出该时间段内的渗流流量, 所得透水路面+生物滞留带时间-渗流流量变化曲线如图9所示。

　　 生物滞留带渗流主要来源为豁口入流。当生物滞留带开始有雨水汇入时, 即开始渗流过程。由于进水速度远大于渗流速度, 因此积水会在滞留带土壤层上方形成高度为5 cm的液层直至溢流, 重现期越大, 形成积水的时间越短, 越易形成超渗产流。由于每次试验间隔时间为8～10 h, 故大部分试验条件下的土壤基本达到饱和, 一定程度上影响了渗流流量的变化。

　　 根据图9分析不同重现期的渗流峰值出现时间, 均集中出现于2 500～4 000 s, 且重现期越大, 峰值出现时间越早, P=20年的渗流峰值比P=1年的渗流峰值提前约1 000 s左右。在P=1年时, 滞留带土壤尚有一定的吸水能力, P≥3年时, 土壤趋于吸水饱和, 故此时峰值出现时间仅与雨强大小有关, 积水越快、峰值时间越早。除P=20年工况外, 其余工况渗流峰值基本稳定于0.20～0.25 m³/h左右, 渗流峰值与溢流高度存在一定关系。

　　 计算不同重现期下, 滞留带渗流到达峰值之前的平均流量, 依次为0.012 m³/h、0.015 m³/h、0.015 m³/h、0.015 m³/h、0.015 m³/h, 即除P=1年外, 其余渗流速率均大致相等。可知在土壤达到吸水饱和时, 渗透速率变化仅与土壤上方水头高度有关。当有水头存在时, 土壤中的渗流为有压流, 由于土壤层上方水头高度保持恒定, 故渗透速率变化也基本相同。由此可知, 生物滞留带的雨水滞蓄能力与溢流高度、土壤条件均有密切关系。设置合理的溢流高度、尽量保持土壤吸水持水能力, 将有助于系统径流削减效果的提升。

　　 作为透水路面与生物滞留带的连接纽带, 路面排水系统在系统雨水调蓄中起着重要作用。剖释路面排水系统流量变化, 不仅能够阐述透水沥青路面产汇流规律, 而且能够对路面径流削减进行优化处理。现就试验中排水边沟及排水横篦的流量变化进行简要分析。

　　 根据流量计数据, 积分计算不同重现期下透水沥青路面的纵向与侧向出流总量以及其占总降雨量比例, 比较结果如图10所示。

　　 由图10可得, 除P=1年外, 连接生物滞留带后的纵向渗流均小于道路单独作用的纵向渗流, 由此可见, 连接生物滞留带对减轻排水系统负荷具有一定作用, 主要表现为减少面层纵向转输流量 (排水横篦流量) , 减小幅度依次为29%、18%、38%和40%, 后续减小幅度趋向于稳定, 即随着重现期增加, 该坡度条件下生物滞留带最多可减少40%的面层转输流量;分析侧向渗流, 连接生物滞留带对侧向渗流的变化影响较小。由于连接生物滞留带后, 侧向渗流流入滞留带中形成滞留带入流, 且滞留带流量入口靠近道路末端, 故滞留带入口-道路末端的侧向流量未进入滞留带中, 导致大重现期下透水路面单独作用工况的侧向渗流略大于滞留带联用工况。

　　 根据两工况下的侧向渗流/纵向渗流总体积、不同重现期下的降雨总量计算不同工况的渗流比例, 以评估计算5%纵坡、2.5%横坡透水路面排水系统的排水能力, 结果如表3所示。

　　 比较两工况下侧向渗流与纵向渗流占降雨总量的比例, 可得出以下结论:两种工况下, 侧向渗流与纵向渗流均随重现期增加而增加, 也表明路面径流比例与雨水口入流比例在不断减少, 当P≥10年时, 两工况渗流占降雨比例均基本无变化, 说明在当前实验条件下, 面层排水能力达到饱和。计算单独透水路面工况侧向渗流与纵向渗流的比值, 随重现期变化依次为1.08、1.73、1.73、1.56和1.54, 比值变化趋向于稳定;即在此坡度条件下, 当排水横篦布置间距为18 m时, 纵向与侧向渗流比值趋于1.5∶1。若排水横篦间距减小, 则该比值也会随之降低。在连接生物滞留带之后, 可以发现两渗流比例较为接近, 无论重现期如何变化, 均趋近于1∶1。以上数值可为实际排水系统布置提供一定参考。

　　 确定合适的道路渗流比例, 对于缩短路面集水时间, 削减路面径流有着明显的效果, 同时对减轻市政管网负荷, 以及提升滞留带雨水调蓄能力也有一定作用。需要注意的是, 排水系统计算涉及因素众多, 计算复杂, 包括道路面层材质、面层结构、横纵坡比、横篦布置间距、边沟尺寸、滞留带入流方式等。受条件所限, 未能进行更多关于排水系统的试验。故以上试验结论尚存在一定的局限性, 并需要数学计算加以验证。

　　 雨水口是收集地面雨水的重要设施, 也是城市排水体系的瓶颈所在。由于雨水口是普通路面排水的主要途径, 分析不同工况下的雨水口入流情况, 可有效减少路面积水现象的发生。现就四种工况下的雨水口入流流量及其所占降雨量比例进行对比分析:

　　 根据流量计数据, 计算不同工况/不同重现期下雨水口入流总体积, 结果如图11所示。

　　 由图11可得, 普通路面工况下, 未与生物滞留带联用时, 雨水口入流量远高于其他工况;联用滞留带之后, 按重现期变化, 雨水口入流量分别降低了74.1%、64.7%、42.3%、45.4%和42.4%, 即P=1～3年时, 道路豁口对雨水口入流影响比较明显, 而当P≥5年时, 该影响趋向于稳定, 即此时道路豁口/生物滞留带可以减少42%～45%的雨水口入流;透水路面工况下, 道路豁口对雨水口入流的影响相对较小, 按重现期变化, 雨水口入流量分别降低了6.6%、30.0%、33.3%、41.9%和24.7%, 由此可得, 普通路面的道路豁口对雨水口入流影响更大。现对普通路面与透水路面进行横向比较, 在未设滞留带豁口的情况下, 按重现期变化, 透水路面雨水口入流量分别降低了83.9%、84.0%、84.1%、80.4%和76.4%;而在设置滞留带豁口之后, 按重现期变化, 透水路面雨水口入流量分别降低了84.9%、88.8%、89.4%、95.0%和82.2%。由此可得结论, 雨水口入流削减主要靠透水路面进行完成, 在P≤20年条件下, 透水路面可减少76%～84%的雨水口入流, 而在联用生物滞留带之后, 则可减少82%～95%的雨水口入流, 且重现期较大时, 透水路面滞留带对雨水口入流削减效果更为显著。

　　 根据流量计数据及降雨数据, 计算不同工况下雨水口入流占总降雨量比值, 结果如图12所示。

　　 由于普通路面工况下, 雨水口是唯一的雨水收集途径, 故其入流比例远高于其他工况。考虑到新建沥青路面孔隙率较大, 小重现期条件下雨水下渗而不易产流, P≤5年时, 实际普通路面雨水口收水比例应高于试验数值。此外, 相较于透水路面雨水口, 生物滞留带对普通路面雨水口入流收集效果的影响更大, 试验结果显示, 普通路面工况下, 道路豁口可为雨水口分担约30%的降雨径流, 且在不同降雨雨强条件下, 该结果变化较小;而透水沥青路面工况下的分担效率仅为3%。横向比较普通路面与透水路面的雨水口入流比例, 透水路面可为雨水口分担32%～55%的降雨径流, 证明了排水路面中的线型排水系统拥有更高的排水效率。由此可知, 当使用道路豁口收集雨水径流时, 可适当延长雨水口布置间距;而在透水沥青路面条件下, 由于路面排水系统的存在, 雨强较小时可不设置雨水口。

　　 从上述研究中可得到结论如下:

　　 (1) P≤3年时, 透水沥青路面可单独完成90%左右的路面径流总量削减;P由3年增至20年时, 透水沥青路面削减率由0.93降至0.71, 而联用之后的径流总量削减率为0.93～0.81, 证明透水沥青路面与滞留带联用在较大重现期下路面径流削减效果更好。

　　 (2) P≤3年时, 联用前后的峰值削减效果基本相同, P由3年增至20年时, 与滞留带联用工况相比, 透水沥青路面径流峰值削减率下降更快。试验条件下 (雨强峰值220 mm/h) , 两者峰值削减率均稳定于70%左右, 根据曲线趋势, 若雨强继续增加, 则削减率仍会下降。试验坡度条件下, 透水路面对峰值延迟时间影响较小。

　　 (3) 径流系数方面, 按照重现期由小到大的顺序, 透水路面径流系数依次为0.07、0.1、0.15、0.24、0.29, 远低于同条件下普通路面径流系数;与滞留带联用工况比较, P≤3年时, 两者较为接近, 为0.07～0.1, P≥5年时, 滞留带调节作用开始体现, 调节幅度约为0.1。试验条件下评估透水路面+滞留带整体径流系数, 透水路面仍起主要影响作用, 滞留带对系统径流系数作用有限 (减小0.01～0.10) , 分析该结果与滞留带面积有关。

　　 (4) 透水路面滞留带入流普遍低于普通路面滞留带入流, 原因在于透水面层转输对入流的削减作用。计算滞留带溢流与入流的比值, 按重现期由小到大顺序为0.13、0.47、0.55、0.54、0.58, 即P=1年时, 滞留带渗滞效果较好, 其余重现期下滞留带形成超渗产流。

　　 (5) 生物滞留带渗流流量大小与滞留带入流有关, 其变化率则与溢流高度有关。在本试验中, P≥3年时, 峰前平均渗流流量均稳定于0.015 m³/h左 右。由于土壤持水能力有限, 针对不同重现期设计适当的溢流高度, 可加快雨水下渗。

　　 (6) 受坡度条件影响, 当前试验条件下, 纵向渗流流量均大于侧向渗流流量, 未与生物滞留带联用时, 除P=1年外, 纵向渗流与侧向渗流的总体积比稳定于1.5～1.7, 随重现期增加, 两者占总降雨量比例均上升, 当P≥10年时, 比例逐渐稳定, 说明此时面层排水能力达到饱和;与生物滞留带联用时, 纵向渗流与侧向渗流流量均较为接近, 且占总降雨体积比值有所下降。

　　 (7) 在普通路面工况下, 雨水口收集38%～72%的降雨径流, 连接生物滞留带之后, 收集比例下降至10%～41%;透水路面雨水口收水比率远低于普通路面雨水口, 为6%～17%, 原因在于该坡度条件下雨水主要通过面层边沟及横篦排出。故宜采用边沟及横篦联合排水方式, 并可适当延长雨水口布置间距。