改良型植草沟的蓄滞性能研究

刘雨竹，彭 晶，李心言，何雅晴

（1.中国民航大学交通科学与工程学院，天津 300000；2.中国民航大学空中交通管理学院，天津 300000）

1 引言

城市化的高速发展，不透水面积快速增加，严重影响水文循环，水生态问题日益严重，低影响开发海绵城市建设迫在眉睫。生态植草沟集渗滞蓄净于一体，可用于城市绿地、公园、校园、机场及道路、停车场的周边，具有良好的节水效能和环境生态效益。生态植草沟作为海绵城市中一个较小的构成单元，被大量运用到波特兰的城市建设中。通过对雨水径流进行初步收集过滤处理，大大减缓了城市雨水排放的压力[1]。2019 年印发的《国家节水行动方案》中指出“水是事关国计民生的基础性自然资源和战略性经济资源，是生态环境的控制性要素”[2]，通过试验及模拟手段设计生态植草沟的最佳构型，研究不同重现期不同雨型对植草沟调蓄性能的影响，并针对飞行区驱鸟要求进行针对性设计，将设计的生态植草沟应用于海绵城市、海绵机场的建设中，实现雨水“渗、滞、集、净、排”数据的远程实时采集和可视化展示。其研究成果可用于城市绿地、公园、校园、机场、道路、广场及停车场周边的低影响开发设计，改善城市水生态环境，提升雨水利用效率。Rujner等[3，4]运用MIKE SHE水文模型模拟了植草沟对雨水径流的调控效果，当径流量较大时，植草沟主要起传输作用。侯精明等[5]应用耦合水文和水动力过程数值模型，分析道路植草沟主要设计参数对地表径流调控的影响规律。沈子欣等[6]通过不同结构植草沟的模拟试验，研究植草沟结构参数变化对降雨径流调蓄效应和污染物净化的影响。王龙涛等[7]研究了黑麦草沟和天堂草沟2类植草沟对植草沟径流净化影响，以探索植草沟最佳运行条件。

2 材料和方法

2.1 植草沟结构设计

植草沟结构包括种植层和滤料层，现拟定种植层为种植土和植被，种植土厚度为20 cm；滤料层为砌块砖和砾石；植草沟的结构为1 m×50 cm×70 cm（长×宽×深）。植草沟汇水面积为2 m2。装置分为种植槽、进水管和穿孔渗水管。以长1 m、宽50 cm、深70 cm 的PE 板种植槽作为模拟植草沟的试验装置，在装置上部的一侧设置进水管和花洒用以模拟降雨径流，装置内底部设置一根PVC 渗排水管。该构型中，从上到下依次为珍珠岩、黑麦草植被、种植土层、沸石层、细砂层、尿砂层、活性炭层、砾石层、土基质层。并在种植土层安装土壤湿度传感器，排水管口安装显流计，以更好测定流量。

植草沟试验装置，如图1所示。

图1 试验装置

经计算，在此构型条件下，不同雨型不同重现期下的径流削减率可高达70%左右，径流削减效果可观。

但是，结合实际情况加以考虑，该种构型具有一定的局限性：构型中所使用的吸水性较强的尿砂不易在天然生态系统中找到，成本较高，且尿砂为一次性产品，遇水一次即需更换，在现实生活中仅一次降水便需要挖出并更换新的尿砂，极不实用。再加上天津地区暴雨频率小的原因，为了生态植草沟的实用性与经济性达到最高，原设计的植草沟构型仍需完善。

2.2 试验设计

（1）模拟地表径流情况下考察不同重现期对改良植草沟产流效果的影响，以重现期及雨型分别作为自变量，分别研究其对出水量及土壤湿度的影响。

（2）在模拟实际降雨情况中，分别比较相同长度、坡度的原始土基质植草沟和改良后的植草沟对下渗速度及下渗量的影响。

在第一次试验构型的基础上，我们撤销了经济性、实用性低下的尿砂，以植草沟内部结构、层级为变量，研究构型对土壤湿度、流量与入渗率的影响，为设计并探究更具有经济效应的植草沟构型进行了第二次试验。

以重现期为1、5、10 a 来确定试验所需流量，设立一组对比试验（a）（b）。

试验（a）中，将植草沟构型内置为纯土结构：土层，植被，土基质坡度4%；植被根茎长度13 cm，为对照组。

试验（b）的植草沟构型各成分高度设计为：土层6.5 cm，沸石3 cm，石块10 cm，细砂3 cm，土基质坡度4%，植被；植被根茎长度13 cm。

2 次试验都在种植土层安装土壤湿度传感器，排水管口安装显流计。

2.3 测定指标和试验思路

暴雨强度公式根据《天津市雨水径流量计算标准》采用东丽区暴雨强度公式：

式中：q为设计暴雨强度[L/（s·hm2）]；t为降雨历时（min）；P为设计重现期（a）。

3 分析与讨论

3.1 不同重现期雨型对植草沟产流效果的影响

通过式（1）计算理论降雨值，分别对应重现期为25、50和70 a降雨量的试验进出水量，详见表1。

表1 重现期为25、50和70 a降雨量与试验进出水量

考虑到植被生长较长且操作比较复杂，现决定不将植被类型这一变量纳入所取参数，只采用单一植被类型。同时，将径流量的测定改为实地试验。且试验过程中，试验时间对应理论值，缩短试验时间，提高效率。

从对应的重现期不同时输入水量和输出水量的关系可以得出，当水量输入越多，留存在土壤中的水分就越多。且在相同降水量的情况下，前峰雨型含水率较后峰雨型含水率多。

在前试验基础上对不同的雨型进行动态测量，得到数据，详见表2。

表2 不同雨型动态监测数据

降雨强度越大，土壤含水率增长越快，产流发生的越早，产流的速度越快。不同重现期不同雨型试验前后的土壤含水量对比，如图2—3所示。

图2 不同重现期前峰雨型土壤含水量的对比

图3 不同重现期后峰雨型土壤含水量的对比

3.2 探究改良成分对下渗率的影响

3.2.1 试验数据结果

在试验中，通过花洒控制水流量，观察水在土基质层的下渗过程，利用秒表记录下渗时间，利用米尺记录积水深度。测得结果，详见表3。

表3 对比试验数据记录

3.2.2 分析与结论

综合分析表3的数据，可以得出以下结论。

（1）在1 a重现期下，试验（b）构型的积水深度明显低于试验（a）构型，且试验（b）构型下渗时间整体低于试验（a）构型。说明改良后的植草沟构型对小雨、中雨的下渗量以及下渗速度明显好于天然土质植草沟。

（2）在5 a 重现期下，改良后的植草沟构型的积水深度与下渗时间整体来说与天然土质植草沟相当，但排水量明显优于天然土质植草沟。说明设计植草沟在暴雨中，下渗量以及下渗速度都明显优于天然土质植草沟。

（3）在10 a重现期下，改良后的植草沟构型的积水深度略高于天然土质植草沟，下渗时间与其相当，排水量高于土基质结构。说明设计植草沟在特大暴雨中，下渗量以及下渗速度都明显优于天然土质植草沟。

（4）总体来说，各重现期改良后的植草沟构型的下渗量以及下渗速度都明显优于天然土质植草沟。

4 结语

本文探究了不同重现期及不同雨型对植草沟出口流量的影响，并通过对比试验定性分析构型对流量及入渗率等参数的影响。对现有机场排水系统进行改造时，通过将改良后的植草沟构型与其他低影响开发设施及雨水循环系统相结合的方式可有效减轻排水系统压力，进而也能降低排水系统新建或改造费用。探索海绵机场建设模式，因地制宜选择低影响开发设施，减轻机场排水防涝压力，深入研究低影响开发对建设海绵机场有重要意义。