四種生態護坡材料的徑流入滲性能試驗研究

胡佳純，趙璧奎 ，黃本勝，邱 靜，洪昌紅，陳家豪

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635；3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣州 510635)

1 概述

徑流總量控制、徑流峰值控制、徑流污染控制、雨水資源化利用是海綿城市建設規劃的4大控制目標[1]。海綿城市建設遵循“滲、滯、蓄、凈、用、排”的六字方針，把雨水的滲透、滯留、集蓄、凈化、循環使用和排水密切結合，統籌考慮內澇防治、徑流污染控制、雨水資源化利用和水生態修復等多個目標[2]。濱水岸坡是維持河湖濕地基流與地下水互相補給的重要通道[3]，是陸地與水域進行物質、能量交換的空間界面，濱水岸坡所采用護岸材料的入滲性能是保障河道的“海綿”功能、維護河道水系統良性循環的重要控制指標[4]。

隨著生態治河理念轉變，生態護坡材料因其具有固土護坡、透水透氣、生態緩沖、生境與景觀營造等綜合功能，在河道生態修復工程中得到迅速的推廣應用。相關學者也從不同的角度對生態護坡材料的應用與對比做了大量研究。劉志等[5]從功能性、安全性、生物性和景觀性4個方面進行了內涵分析，提出了灌溉渠道生態護坡建設效果的評價指標體系，并提出了相應的改進建議。林發永等[6]對不同綠化混凝土厚度、不同排列方式、不同水生植物及不同草皮、客土液壓噴播植被以及與其他生態護坡結構的優缺點進行了對比與試驗，為今后上海河道綠化混凝土生態整治提供了寶貴經驗。蔡婧等[7]在上海市進木港生態河道示范區，通過現場模擬徑流試驗，研究了柴籠、灌叢墊、植草3種不同類型的生態護坡對地表徑流的延滯作用和污染控制作用，證明生態護坡在控制地表徑流污染方面具有良好的生態效益。王慧子等[8]選取麥冬、香根草、狗牙根3種植物作為護坡植物進行模擬降雨沖刷試驗，研究了植物對降雨徑流攜帶的泥沙等懸浮固體污染物的攔截效果。

目前生態護坡新型材料品種多，且結構特征、功能適用性方面各有優勢和特點。針對不同護坡材料對徑流入滲性能差異大且相關研究成果仍然較為缺乏，給工程應用中的材料選擇帶來了較大困惑的問題，本文選擇了目前較為常用且具有廣泛應用前景的4種生態護坡材料，從徑流入滲性能評價的視角，開展地表徑流模擬試驗與監測，定量評估不同生態護坡材料對徑流入滲的效果，為生態護坡改造工程的材料選擇和海綿城市規劃、設計、建設、評估等環節提供科學支撐。

2 材料與方法

2.1 護坡材料選擇

本次試驗選取當前應用最為廣泛的格賓石籠、生態砌塊和具有推廣應用前景的現澆綠化混凝土、植物蜂巢等材料作為研究對象，其結構形式如圖1所示。格賓石籠結構[9]是由格賓網片編制組成網箱，并在網箱內填充石塊而形成，具有柔韌、抗沖耐磨、防銹、抗老化、耐腐蝕等特點。生態砌塊是一種具有連鎖結構的預制混凝土塊，連鎖結構設計提高了護坡的整體性，可適合坡面輕微的塌陷變形?，F澆綠化混凝土[10]是一種內部具有連通孔隙結構的新型無砂混凝土，具有孔隙率高(達到25%～35%)、結構整體性好、抗沖刷及抗壓強度高、適合動植物生長等優點。植物蜂巢是由強化的高分子片材經高強力焊接而形成的一種三維網狀格室結構，具有施工快捷、方便、省力的特點。普通植草護坡是在普通夯實土表面鋪設草皮而成，在本試驗中作為參照組。

圖1 主要生態護坡材料結構形式示意

2.2 試驗裝置

試驗裝置由2 t儲水桶、供水管、開關、流量計、分水管組成供水系統，為了區分生態護坡對地表徑流和壤中流的水質凈化效果，試驗裝置下邊緣設置2個出水管分別收集地表徑流和壤中流[11]，試驗裝置示意及現場照片如圖2所示。每個試驗段長6 m、寬1.5 m，坡度為1∶2.25，護坡試驗段側面和底部均鋪設防滲膜防止水流繼續向深層土壤滲漏，盡量保證模擬試驗的水量平衡。

圖2 試驗裝置示意及試驗段現場照片

2.3 試驗邊界條件

為了研究不同護坡材料的徑流入滲性能，試驗段除結構材料不同外，其坡度相同、植被均為馬尼拉草[12]、土壤基質均為回填素土。每個試驗段上方的徑流量計算公式見式(1)：

Q=ΨqF

(1)

式中：

Q——徑流量，L/min；

Ψ——徑流系數，無量綱，取0.85；

q——暴雨強度，L/(s·hm2)；

F——匯水面積，m2。

參照深圳市2015年11月發布的《深圳市暴雨強度公式及查算圖表(2015版)》，推求2年一遇設計暴雨強度150.71 L/(s·hm2)。假設護坡外邊界道路為3車道，即道路寬度為10.5 m，試驗段寬度1.5 m，匯水面積為15.75 m2，推算試驗段平均匯水流量約為12.11 L/min，每一組護坡上邊界的入流流量大小盡量維持恒定，徑流模擬時間長度為60 min。

2.4 水量監測

試驗開始時刻打開總開關并快速調節至預設流量對應開度。從試驗開始時刻T0起，每隔5 min記錄入口處流量計讀數。分別記錄地表徑流、壤中流開始溢流的時刻，并從各自溢流時刻開始按照5 min間隔監測記錄流量值，兩個出口流量采用量筒計時法計量。當試驗進行到第60 min時，關閉供水閥門并加密地表徑流和壤中流的監測和采樣，直到地表徑流、壤中流均結束溢流時，試驗結束。

2.5 評價方法

為評價不同護坡材料在試驗過程中地表徑流、土壤入滲形成壤中流的流量變化規律及其差異，本文選取入滲率以及下邊界開始溢流時間作為主要評價指標，研究各生態護坡段的入滲過程和效果。

1)入滲率f

本文采用入滲率作為評價結構材料透水性能指標。入滲率越高則對地表徑流入滲、增強河道“海綿”功能、發揮生態護坡的水質凈化功能更加有利。

地表徑流的入滲率f計算公式見式(2)：

(2)

式中：

f——入滲率，%；

V1——護坡上邊界的入流總水量，L；

V2——護坡下邊界地表徑流的溢流總水量，L。

其中，總水量是根據瞬時流量采用積分法推算得出：

(3)

式中：

Qt——t時刻的瞬時流量，L/min；

T——試驗監測的總時長。

2)開始溢流時間

開始溢流時間是指試驗開始至下游徑流出口處產生徑流所經歷的時間，采用試驗開始時刻T0至地表徑流、壤中流出口產生水流的時間間隔表示。

采用該指標評價地表徑流、壤中流沿著護坡的縱向匯流傳播(滲透)速率。開始溢流時間越長，說明徑流在生態護坡縱向匯流時間越長，則徑流滯留綜合效果越好。

地表徑流的滯留效果，主要是受到植物表層根莖密集程度、護坡坡度、坡面平整程度等因素影響。壤中流的滯留效果，主要受到雨水下滲速率、縱向的透水率、護坡材料及其土壤基質孔隙率、坡度等因素影響。

3 結果與分析

3.1 徑流過程分析

本次試驗記錄了不同生態護坡材料試驗段地表水、壤中流產流起止時刻，監測入流、地表徑流、壤中流的流量過程、總水量等，試驗結果如表1所示。各組試驗段水量監測結果如圖3、圖4所示。以試驗起始模擬徑流開始進入護坡試驗段上邊界的時刻記為T0=0時刻，所有時間記錄均為與T0時刻的時間間隔。

表1 五種護坡材料徑流模擬試驗結果

圖3 不同護坡材料的地表徑流流量變化過程示意

圖4 不同護坡材料的壤中流流量變化過程示意

3.2 徑流入滲與延滯效果評價

1)滲透特性評價分析

根據試驗流量監測數據和入滲率計算公式，不同護坡材料入滲率如圖5所示。從入滲率對比可以看出不同護坡材料入滲率差異較大，其中現澆綠化混凝土的入滲率最高，達到了64.6%；其次是生態砌塊，入滲率為62.87%；而普通植草護坡的入滲率最低，僅有7%。5組護坡材料的平均入滲率為47.81%，除普通植草護坡外，其余4種生態護坡結構材料的平均入滲率為57.8%，說明4種生態護坡的入滲率顯著高于普通植草護坡。

圖5 不同護坡材料的入滲率比較示意

在試驗中間階段土壤含水量達到飽和狀態，地表徑流、壤中流產流量保持相對穩定，地表徑流與壤中流的流量分配比例可以反映不同護坡材料穩定入滲能力的差異(如圖6所示)。從圖中可見，在產流相對穩定階段，植草護坡的地表徑流平均產流量占了總產水量的96%，而其余4種生態護坡的地表徑流產水流量約為43%～72%，即有27%～57%的徑流量滲透到土壤并形成了壤中流，說明其余4種生態護坡材料的平均入滲比例顯著高于普通植草護坡，格賓石籠、連鎖磚、現澆綠化混凝土的穩定入滲比例均達到40%以上。

圖6 相對平穩期地表徑流與壤中流平均流量比例示意

2)徑流延遲效果分析

根據試驗記錄的開始溢流時間可以推算地表匯流、壤中滲流的速度，評價生態護坡對地表徑流的延滯效果。各試驗段的開始溢流時間如表1所示。相對于其他材料生態護坡，普通植草護坡的開始溢流時刻最短，主要是由于植草護坡土壤孔隙率小、滲透較慢，地表匯流速度快，因此植草護坡的地表徑流溢流時刻最短，而壤中流的開始溢流時刻較長，且兩個溢流開始的時刻差異較大。

現澆綠化混凝土護坡地表徑流、壤中流的開始溢流時間均為5種材料中最長?，F澆綠化混凝土結構材料孔隙率一般達到30%左右，內部分布著相互貫通、直徑約5～10 mm的孔隙，對徑流起到很好的滯留、調蓄作用，顯著延長了產匯流的時間。從徑流開始溢流時間看，現澆綠化混凝土護坡對徑流的延遲效果最佳。

生態砌塊的壤中流開始溢流時間顯著短于地表徑流溢流時間。生態砌塊是由連鎖砌塊相互連接而成，在砌塊之間存在寬約5 mm的連接縫隙，地表徑流沿縫隙豎向滲透到生態砌塊底層，并在護坡底端匯集形成壤中流。

3)匯流速度測算與評價

根據試驗觀測的開始溢流時間，按照試驗段坡面長度6 m折算成各種材料的單位長度的匯流時間，即：匯流速度=匯流長度/溢流時間，4種護坡材料以及普通植草的匯流速度如圖7所示。從地表徑流匯流速度對比發現，普通植草護坡的匯流速度最大達到2.48 m/min，現澆綠化混凝土護坡的匯流速度最小為0.57 m/min，兩者相差4.3倍，4種材料平均地表徑流匯流速度為1.13 m/min。從護坡壤中流的匯流速度對比發現，生態砌塊護坡的匯流速度最大達到1.37 m/min，現澆綠化混凝土護坡的匯流速度最小為0.61 m/min，兩者相差2.2倍，4種材料平均壤中流匯流速度為0.93 m/min。

圖7 不同護坡材料地表與壤中流匯流速度示意

以上數據表明，不同材料的地表徑流差異較大，壤中流的匯流速度相對差異較小，在植被攔截、土壤下滲的綜合作用下，生態護坡的總體平均匯流速度在1 m/min左右，相比現場測定同等坡度的混凝土路面匯流速度(47.7 m/min)顯著遲緩，說明生態護坡對徑流匯流的滯留效應顯著。

4 結語

本文通過對4種不同生態護坡材料的徑流模擬試驗，評估其徑流入滲效果，通過對模擬試驗的結果分析取得以下研究結論：

1)試驗表明新型生態護坡材料的徑流入滲率均顯著優于普通植草護坡，符合海綿城市關于強化徑流入滲的要求。本次試驗的4種生態護坡材料入滲率由大到小依次為：現澆綠化混凝土(64.60%)、生態砌塊(62.87%)、格賓石籠(53.23%)、植物蜂巢(37.98%)、普通植草(7.89%)。本次測定的入滲率可以為河道生態修復工程的材料選擇及海綿城市的建設評估提供參考。

2)試驗過程中產匯流維持相對穩定階段的地表徑流與壤中流的流量分配比例表明，植草護坡的地表徑流平均產流量占總產水量的96%，而其余4種生態護坡的地表徑流產水流量約為43%～75%，說明4種生態護坡對促進徑流入滲效果十分顯著，該結果可以為海綿城市的水文模型模擬有關參數取值提供借鑒。

3)通過匯流速度測算表明，生態護坡的總體平均匯流速度在1 m/min左右，相比現場測定同等坡度的混凝土路面匯流速度(47.7 m/min)顯著遲緩，說明實施生態護坡改造工程，對實現徑流延滯、促進徑流入滲、削減徑流峰值具有重要作用。

本次試驗初步測定了不同護坡材料的徑流入滲性能，加深了對護坡材料在徑流入滲方面的認識。然而，本文研究結論基于有限的試驗組次得出，后續還需要開展更加豐富的試驗，從不同坡度、不同植被、不同流量等多個角度進一步研究護坡材料對徑流污染延滯效果及其規律。