道路地表径流影响规律的研究

英战勇　梁胜堂

前言

随着我国城市基础设施建设的快速发展，设计施工建设过程中导致城市硬化面积不断扩大，城市化为人们带来便利的同时也引发了众多问题。其中，由于地面的雨水滲透性不断降低，严重改变原有地表径流的水系结构，从而致使城市化区域的涵水、保水、渗水、滞水能力不断减弱，城市道路雨水问题日益突出。当降雨发生时地表径流总量、雨水汇流速度与城市化建设之前相比大幅增长，从而使雨水迅速在地表聚集形成径流造成洪灾，严重影响人们的正常交通和日常出行，情况严重时会造成人员伤亡和财产损失。受台风“利奇马”的影响，东部沿海地区出现大范围强降雨，使城市洪涝现象严重，造成多人遇难直接损失高达515余亿元，城市防涝问题已迫在眉睫。

径流变化规律是预防洪涝灾害进行城市雨水管网和排水系统设计的重要依据，随着研究手段的进步、方法的创新，径流规律的研究取得了大量成果，通过对径流的控制，从源头上解决内涝问题。本文通过广泛阅读相关课题文献和国内外现有相关研究成果，主要从材料渗透性、土壤含水率、植被覆盖率三个因素分析，对径流规律进行了综述，为海绵城市道路设计规划提供参考。

一、径流的过程概述及意义

径流是由于降雨或冰雪融化等产生的水流在重力作用下沿地表或地下流动的水流，按照水流来源可分为降雨径流、融水径流、浇水径流等;按照水流方式可分为地表径流和地下水流，本文的水流来源为降水。径流可分为两个阶段，即产流阶段和汇流阶段，产流阶段为降雨量扣除植物截留、下渗、填洼与蒸发等损失后形成水流的过程;汇流阶段为流水量在某一区域范围内集中的过程[1]。影响径流的因素复杂多样，其中主要包括材料渗透性、土壤含水率、道路坡度、植被覆盖度、雨水花园系统、降雨量、降雨时间等。

径流是地貌形成的外营力之一，且在日常生活中具有重要的意义。径流量是地区构成工农业供水的重要条件，也是影响地区社会经济发展的制约因素。

城市化建设改变了道路地表的径流条件，使径流总量增大，峰值出现时间提前等问题[2]。人工控制和调节天然径流的能力，密切关系到工农业生产和人们生活环境是否受洪涝的危害。通过对雨水产生径流的研究，合理安排绿地、建筑规划及布局[3]，了解径流的影响因素，从源头上对城市积水问题进行控制，为海绵城市的设计提供依据。

二、相关文献的研究现状

（一）材料渗透性对径流规律的影响

道路材料的渗透性是影响径流规律的主要因素之一，国内外对不同材料的下渗能力与径流的关系的研究开展较早，且研究成果较多。早在20世纪50年代，Hewlett和Zaslausk等[4]，[5]发现在某些土壤下渗能力较强的区域，虽然降雨强度不大，但仍能产生地表径流，表明根据土壤的下渗情况，当土壤下渗能力高于降水强度时，土壤会吸收所有的降水;而当土壤下渗能力低于降水强度时，初始雨水会进行土壤下渗，之后产生地表径流。Schaake等[6]研究了径流系数和研究区域内下垫面不透水面积之间的影响关系，说明了径流系数随着研究区域内下垫面不透水面积所占比例的增加而数值增大，说明了径流量大小与渗透水性有着密切的关系。

Zhang等[7]对透水混凝土路面孔洞堵塞进行试验，初步揭示了地表径流作用下透水混凝土路面孔隙中泥沙淤塞的机理。Cui[8]结合电导率对其进行进一步的研究，将堵塞过程分为快速堵塞、暂时缓解堵塞和逐步堵塞三个阶段，并且说明了在孔隙率较大的试样中，堵塞更容易发生。

随着材料渗透性研究的深入，不同透水材料的对比探究也逐渐开展。透水材料对雨水的高渗透功能使得路面具有较强的控制地表径流的能力，与传统的被动排水不同，透水路面可以通过渗透主动地降低地面径流系数。秦健等[9]介绍了透水砖、透水水泥混凝土、透水沥青混合料3种常见透水性材料的人行道铺装设计方法及适用范围，同时分析了透水性人行道边缘排水设施的必要性，并提出了边缘排水设施的常规形式。李阳等[10]通过室内模拟降雨试验，考察了植草砖、透水混凝土和透水砖等不同类型透水路面，对径流量的削减情况与对径流峰值的降低情况进行研究。曹志先等[11]建立了地表径流与地下渗流耦合水动力数学模型。许道坤、吕伟娅等[12]对透水路面进行了综述，总结了与普通路面相比透水路面的，透水路面的渗透消除径流也要比传统“移走”径流的效果好得多。Fassman等[13]人对渗透性路面不透水路面径流进行了研究，通过使用改进的双坏渗透仪测量表面渗透，发现与沥青路面相比，透水性路面的峰值流量总体比较平缓。

（二）土壤含水率对径流规律的影响

土壤的含水率是指土壤中水的重量与烘干后土的重量的比值，也是影响径流规律的因素之一。当土壤的含水率较高时，会影响雨水的渗透速度从而间接的影响径流规律。Philip研究了土壤含水率对土壤入渗速度的影响，当土壤的含水率较高时，土壤的入渗速率较低，但是随着入渗时间的增加和入渗量的增多，土壤前期含水率对土壤入渗速率的影响程度变小，最后可以达到忽略不计的情况。Bodman等[14]通过研究表明土壤含水率和降雨初损值呈幂函数关系，降雨初损值随着土壤含水率的升高而降低;土壤含水率和土壤入渗速率呈负相关线性关系，土壤入渗速率随着土壤含水率的升高而降低，并且土壤达到稳定入渗的时间随着土壤含水率的增加而迅速缩短。

国内学者对土壤含水率与径流规律的关系研究较少。陈洪松、邵明安等[15]人利用室内人工降雨，研究土壤初始含水率对坡面降雨入渗的影响，实验表明初始含水量越高，产流越快，平均入渗率越小，达到稳定入渗率的时间也越短。李树立、彭培好等[16]发现雨前土壤含水量对地表产流过程的影响主要体现在降雨初期。

（三）植被覆盖率对径流规律的影响

植被具有涵养水源的能力，随着城市化建设原始土地逐渐被取代绿化面积减少，随着植被的破坏，其蓄水能力就会降低，导致的直接后果就是地表径流增加。Janke、Finlay等研究了树木对城市径流的潜在影响以及给城市带来的好处。Živković、Dragićević等人利用数学模型来表达植被类型对径流的真实影响，结果证明植被在径流调节方面具有重要作用。

国内学者对此也做了大量的研究，Zhang等人通过同位素的比较，评估了不同植被调节地表径流的能力，结果表明不同植被类型具有不同的保水能力，其中森林植被类型最能调节地表径流。王超[17]以天老池流域為研究背景，利用遥感技术进行区域精确划分，并以SWAT软件为工具研究了不同植被覆盖情况对降雨条件下径流的影响，研究表明不同的植被覆盖情况，对径流的产流量情况及产流方式有很大影响。肖登攀等[18]人选取河北元氏县中国科学院太行山山地生态试验站中的六个试验小区为研究对象，模拟开展植被类型对产汇流规律的影响研究，试验表明与裸地相比有植被的地表径流量减少明显、产汇流形成时间也越长。赵殿红[19]提出了分层次城市绿地系统规划研究，对道路绿带的低影响开发、公共空间的规划提出建议。

三、结语

海绵城市作为未来主要发展方向，城市不仅要改善道路积水问题，还要做到雨水的循环利用，在维持原有的条件基础上做到低冲击开发。

在材料渗透方面，孔隙砖的具有较强的下渗能力，其空隙可种植植被，起到涵养水源、抗滑等作用，可用于人行道的铺设;在非机动车道，可采用大孔隙沥青，由于大孔隙沥青易发生堵塞，需定期对路面进行清理;在机动车道，需考虑承载力与渗透性的关系，加快新型透水材料的研发。透水砖的铺设，可以加速雨水的下渗速度从而影响径流的形成，从源头解决城市积水问题。

在土壤方面，土壤的初始含水率仅在降雨前期起一定影响，随着降雨土壤的含水率不断提高，导致入渗速度降低后期可忽略不计，故不做过多考虑。

在植被覆盖方面，保留原有植被基础上，采用分层次多种植被相结合的种植方式，因地制宜处理好空间及时间上的搭配关系。沿人行道设立植草沟，对径流进行吸收净化。同时采用高渗透下沉式绿地，在保证原有绿地面积的情况下，更好的调控路面径流。注意雨水的收集储存，采用地面沟池与地下蓄水模块相联结的方式，保证在旱季时有充足的水源，做到雨水的循环利用。

最后，随着“海绵城市”的概念逐渐被人们认可，相信在不久的将来“海绵城市”理念将会普及成真。

参考文献：

[1] 赵剑强. 城市地表径流污染与控制[M]. 中国环境科学出版社， 2002.

[2] 李树平，黄廷林.城市化对城市降雨径流的影响及城市雨洪控制[J].中国市政工程，2002，（3）：35-37，67.

[3] 金牧青，田国行，白天， 等.不同空间布局对城市降雨径流的影响[J].水土保持通报，2018，38（2）：33-39.

[4] Hewlett J D， Hibbert A R. Moisture and energy conditions within a sloping soil mass during drainage [J]. Journal of Geophysical Research， 1963， 68（4）： 1081-1087.

[5] Zaslausky D， Sinai G. Surface hydrology [J]. Journal of the Hydraulics Division， 1981， 107： 1-93.

[6] Schaake J C， Geryer J C， Knapp J W. Experimental examination of the rational method[J]. J Hydraul Div Am Soc Civ Eng， 1967， 93（6）： 353370.

[7] Zhang， J.， Cui， X.， Li， L.， & Huang， D. （2017）. Sediment transport and pore clogging of a porous pavement under surface runoff. Road Materials and Pavement Design，， 240-248.

[8] Cui， X.， Zhang， J.， Huang， D.， Tang， W.， Wang， L.， & Hou， F. （2019）. Experimental simulation of rapid clogging process of pervious concrete pavement caused by storm water runoff. International Journal of Pavement Engineering， 20（1）， 1-9.

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[11] 曹志先，张灿亨，王鑫.地表径流与地下渗流耦合的水动力数学模型[J].武汉大学学报（工学版），2010，43（5）：545-548.

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