植被渗透浅沟对城市暴雨径流的调蓄效应的研究
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论文摘要:建造植被渗透浅沟(GFS),研究其对城市暴雨径流的调蓄效应。结果表明: 植被渗透浅沟能够起到延缓和削减洪峰,加强城市排水安全保障的重要作用。当水力负荷从1.47m /m ·s增至5.88m /m ·s时, 植被渗透浅沟能削减70%以上的洪峰流量。此外,植被渗透浅沟表面雨水的流速在0.016~0.036m/s之间,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水力设计时,可将流行时间t 大大延长,从而减小下游管渠的设计断面,降低城市雨水管网系统的工程造价。
论文关键词:植被渗透浅沟,城市暴雨,径流,调蓄效应
前言
随着城市化进程的加快,道路、房屋等不透水面积迅速增加,降雨在其表面迅速转化为径流,导致雨洪峰值增加,城市雨洪危害加剧,生态环境恶化。因此有必要开展暴雨径流相关的调蓄研究。
植被渗透浅沟(GFS)是在植被浅沟的底部增设砂石过滤床,利用地表植物、土壤和人工滤层的截流和渗透作用,增强地表的渗透能力,在输送、净化雨水的同时能够充分补充涵养地下水资源,从而既能有效地削减城市暴雨径流量并延缓洪峰,又能缓解地面沉降等地质灾害。
项目来源:“十一五”国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07314-004)
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基础。
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.1Flowchartofexperiment
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,一部分雨水自然入渗至地下,另一部分则沿植被渗透浅沟表面流动,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10~20cm,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.2TransversesectionofGrassFilterStrips
2.2试验用水
试验用水由自来水加入化学药品配制而成,模拟雨水水质如表1所示。
表1模拟雨水主要水质参数
Tab.1Main-qualityparametersofsyntheticrainwater
项目
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
2.3.1清水渗透试验
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。该试验主要包括三部分:a.植被渗透浅沟的渗透过程线的测定;b.临界渗透量的确定;c.最大水力负荷的确定。
(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,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)临界渗透量的确定
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部分组成。因浅沟中的水位上下浮动,侧面的水压不同,则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+1/2侧面积。
(3)最大水力负荷的确定
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,以避免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。
2.3.2雨水渗透工况试验
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,测定浅沟的表面出水流量、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
3.1.1植被渗透浅沟的渗透过程线的测定
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6.81×10m/s,即在水分饱和状态下,该植被渗透浅沟的渗透能力为6.81×10m/s。
3.1.2植被渗透浅沟临界渗透量的确定
本试验结果表明: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。