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不同降雨条件下城市下垫面表面薄层水流的典型参数试验研究

刘飞 董占地

刘飞, 董占地. 2020: 不同降雨条件下城市下垫面表面薄层水流的典型参数试验研究. 水科学进展, 31(4): 565-574. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.010
引用本文: 刘飞, 董占地. 2020: 不同降雨条件下城市下垫面表面薄层水流的典型参数试验研究. 水科学进展, 31(4): 565-574. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.010
Fei LIU, Zhandi DONG. 2020: Experimental study on typical parameters of thin layer flow of urban underlying surface under different rainfall conditions. Advances in Water Science, 31(4): 565-574. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.010
Citation: Fei LIU, Zhandi DONG. 2020: Experimental study on typical parameters of thin layer flow of urban underlying surface under different rainfall conditions. Advances in Water Science, 31(4): 565-574. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.010

不同降雨条件下城市下垫面表面薄层水流的典型参数试验研究

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.010
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2018YFC0407801

中国水利水电科学研究院重大科研专项资助项目 SE0145B362016

详细信息
    作者简介:

    刘飞(1984—), 男, 安徽灵璧人, 博士, 高级工程师, 主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail:lf512512@163.com

  • 中图分类号: TV121

Experimental study on typical parameters of thin layer flow of urban underlying surface under different rainfall conditions

Funds: 

the National Key R & D Program of China 2018YFC0407801

the China Institute of Water Resources and Hydropower Research Major Scientific Research SE0145B362016

图(7) / 表 (3)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-01
  • 网络出版日期:  2020-05-20
  • 刊出日期:  2020-07-30

不同降雨条件下城市下垫面表面薄层水流的典型参数试验研究

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.010
    基金项目:

    国家重点研发计划资助项目 2018YFC0407801

    中国水利水电科学研究院重大科研专项资助项目 SE0145B362016

    作者简介:

    刘飞(1984—), 男, 安徽灵璧人, 博士, 高级工程师, 主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail:lf512512@163.com

  • 中图分类号: TV121

摘要: 以北京昌平未来科技城试验基地的降雨强度为降雨条件,通过室内降雨试验平台,研究了4种典型不透水下垫面(沥青、砼面、SBS改性沥青和砼方砖)和4种典型透水下垫面(草坪砖A、草坪砖B、风积砂砖A和风积砂砖B)分别在8种恒定雨强条件下形成薄层产流后的糙率系数、沿程阻力系数和径流系数的变化过程。结果显示:平面尺寸、表面光滑度、材质对不透水下垫面的糙率和沿程阻力系数影响较为明显;而结构、材质对透水下垫面的糙率和沿程阻力系数影响较为明显;两类下垫面的糙率值和沿程阻力系数均随雨强增加呈现减小的变化趋势,但变化的幅度较小,之后逐渐趋于稳定;两类下垫面的径流系数在不同雨强下保持相对稳定。

English Abstract

刘飞, 董占地. 2020: 不同降雨条件下城市下垫面表面薄层水流的典型参数试验研究. 水科学进展, 31(4): 565-574. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.010
引用本文: 刘飞, 董占地. 2020: 不同降雨条件下城市下垫面表面薄层水流的典型参数试验研究. 水科学进展, 31(4): 565-574. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.010
Fei LIU, Zhandi DONG. 2020: Experimental study on typical parameters of thin layer flow of urban underlying surface under different rainfall conditions. Advances in Water Science, 31(4): 565-574. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.010
Citation: Fei LIU, Zhandi DONG. 2020: Experimental study on typical parameters of thin layer flow of urban underlying surface under different rainfall conditions. Advances in Water Science, 31(4): 565-574. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.010
  • 城市化的快速发展使原天然透水下垫面变为楼房的屋顶、混凝土街道、高速公路、机场和停车场等不透水下垫面[1-2]。一方面, 受不透水下垫面入渗量减小影响, 同样的雨强条件下, 城市不透水下垫面的地表径流大于透水下垫面, 易引起城市地表径流增加, 洪峰流量增大[3];另一方面, 受不同类型下垫面结构差异的影响, 其糙率系数、沿程阻力系数和径流系数等参数均有所不同, 反向影响地表径流变化[4]。径流系数是反映降雨和径流之间关系的参数, 在景观道路和机动车道路的设计中十分重要。现有资料对于径流系数取值主要基于2016年上海市政工程设计研究总院设计的《室外排水设计规范》[5], 该规范中径流系数是一个动态变量, 在降雨过程中受土壤含水量、降雨强度、降雨历时、地表坡降、硬地面类型(沿程阻力系数)、粗糙系数等多种因素影响较为显著。王坤[6]以沥青路面和水泥混凝土路面为典型不透水下垫面, 研究其在一个降雨周期下的动态径流系数变化, 研究注重一个动态降雨过程的径流系数, 研究的下垫面类型既没有考虑透水下垫面且也没有考虑坡降、汇水等因素影响。杨擎柱[7]以大孔隙透水沥青路面为典型下垫面分析了其在降雨条件下的产汇流计算方法。朱永杰[8]和魏小燕[9]对草坪绿地等典型透水下垫面在不同模拟降雨强度、不同坡度、不同植被覆盖率、水流长度等影响因子作用下对地表产流过程的影响规律进行了研究, 尤其是对径流系数的消减作用显著, 表明植被类型、空间分布及植被组成对径流的影响是多方面的[10]。考虑到降雨条件下的下垫面表面易形成薄层水流的特征, 张宽地等[11-12]分别通过人工放水试验和室内降雨试验对人工植被表面的薄层水流的阻力系数、雷诺数进行了研究, 虽缺少不同类型下垫面的参数研究, 但其研究思路为本文的相关研究提供了参考。考虑到西北黄土高原坡面在降雨后的水沙侵蚀现象, 部分学者通过室内试验[13]和野外勘测[14]等手段对坡面的水沙动力变化进行研究, 除了研究常见的阻力系数、径流系数等参数的变化, 产流率是其重点研究的参数。

    综上可知, 城市坡面产流变化是近年来研究的热点[15], 城市地表径流的实质问题就是径流系数的问题, 而径流系数又受城市下垫面类型、透水材质和非透水材质的粗糙度、铺设使用后的阻力程度等影响。相比国内外学者较多对单一类型下垫面的径流系数进行研究[16-19], 本文在坡面流水动力学特性的理论基础之上, 重点对城市降雨引起的地表径流的糙率系数、沿程阻力系数和径流系数进行研究, 以期为城市雨水资源有效利用、减少城市内涝灾害提供参考。

    • 人工模拟降雨试验装置, 可人为控制降雨特性, 不受时间和空间的限制, 大大缩短实验周期。

    • 人工降雨试验平台位于中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点试验室延庆试验基地, 该平台由变坡水槽和室内降雨控制系统组成。

      (1) 变坡水槽   试验在图 1(a)所示的变坡水槽平台进行。平台由3个宽1 m×长8 m×深1 m的水槽并排组成;坡度变化范围0~30°;最大载重负荷大于55 t。

      图  1  室内变坡水槽、降雨控制系统及降雨均匀度率定

      Figure 1.  Variable slope flume, rainfall control system and calibration of rainfall uniformityp

      (2) 室内降雨控制系统及降雨装置  图 1(b)的降雨喷头和图 1(c)的控制系统组成室内降雨控制平台。降雨喷头位于变坡水槽的正上方, 有效降雨面积为5 m×10 m, 有效降雨高度为12 m, 恒定降雨雨强连续变化在13~200 mm/h范围, 不同恒定雨强的降雨均匀度在80% ~95%之间(图 1(d)为降雨均匀度率定试验图), 单个雨强下的最大降雨时长为2.5 h。该系统模拟降雨与自然降雨物理性能相似, 采用下喷式单喷头模拟降雨装置喷水降雨, 下垫面内各点降雨分布基本均匀, 其雨滴直径、下落速度等与天然降雨较为接近, 整个降雨过程由控制系统调节。

    • 图 2(a)图 2(d)分别为4种不透水下垫面的试验材料, 图 2(e)图 2(h)分别为4种透水下垫面的试验材料。表 1为8种下垫面实验材料的参数统计表。

      图  2  不同类型的下垫面试验材料

      Figure 2.  Different type underlying surfaces

      表 1  不同下垫面铺装材料概况

      Table 1.  Different type underlying surfaces

      类型 厂家及品牌 尺寸
      不透水下垫面 地面 沥青 北京市政北厂 50 cm×50 cm×8 cm
      砼方砖 北京中景橙石建筑科技有限公司 20 cm×10 cm×6 cm
      屋顶 SBS改性沥青 北京嘉润建海防水工程有限公司 8 m×1 m
      砼面 水泥和沙子1:3配比人工抹面 8 m×1 m
      透水下垫面 草坪透水砖-A-中间实体 北京亚泰雨洪技术开发有限公司 30 cm×30 cm×7 cm
      草坪透水砖-B-中间空体 25 cm×25 cm×7 cm
      风积透水砂-A-小砖 北京元景蓝格科技有限公司 30 cm×15 cm×6 cm
      风积透水砂-B-大砖 50 cm×25 cm×8 cm
    • (1) 试验内容  分别研究小尺度范围内4种典型不透水下垫面和4种透水下垫面在不同降雨条件下的糙率和沿程阻力系数等相关典型参数;对比分析雨强变化对不同类型下垫面的糙率、沿程阻力系数的影响。

      (2) 试验方案  8种下垫面分别进行8种恒定雨强试验, 其中每种雨强对应的降雨频率分别是: 2年一遇(62 mm/h)、3年一遇(80 mm/h)、5年一遇(92 mm/h)、10年一遇(114 mm/h)、20年一遇(136 mm/h)、30年一遇(150 mm/h)、50年一遇(162 mm/h)、100年一遇(182 mm/h), 上述不同频率的降雨强度以北京昌平未来科技城区域为基础, 按照北京市水文手册暴雨图集及相关规范要求计算。为了确保试验数据准确可靠, 每一种下垫面下的每一组雨强分别进行两组试验, 试验共计128组。

    • (1) 降雨平台坡降确定  由城市居住区规划设计规范[20]要求可知, 平屋顶的坡降在1%~3%之间, 坡屋顶坡度大于3%, 机动车道的坡降在0.3% ~8%之间, 非机动车道的坡降在0.3% ~3%之间, 步行道的坡降在0.5% ~8%之间。综合考虑, 最终确定人工降雨试验的变边坡水槽坡度为3%。

      (2) 试验仪器  接触式水位仪、紫铜管、橡胶软管、量桶、秒表、集流筒和水表、雨量器等, 见图 3

      图  3  试验平台及仪器

      Figure 3.  Test platform and equipment

      (3) 不透水下垫面试验步骤: ①试验前期, 先在3个水槽内填满壤土并夯实平整, 然后在壤土表面铺装下垫面, 使其平面与水槽出口相衔接(见图 3(a))。②分别在每个水槽内以2 m间距自上而下布设3个紫铜管, 用橡胶软管与水位仪下方的测压管相连接, 在降雨试验过程中, 测压管内的水位随着雨强变化而不断变化, 通过水位仪可以精确测量径流水深变化, 该水位仪是珠江水利科学研究院研发的GS-4跟踪式光栅水位仪, 由LM线性轴承导轨、同步电机及同步带传动机构组成, 显示界面由6位高亮度LED数码显示(分辨率为0.001 cm), 三键键盘, 操作灵活, 既可单机独立手动操作使用, 亦可用于连接计算机自动采集参数。水位测针叠加微弱交流电, 减少测针极化, 测针以振动式入水, 可消除水面张力, 每秒可采集5次数据, 精度为0.01 mm;3个水槽共布置9个连通管(见图 3(d))。③在水槽出水口安装集流装置, 集流管中间位置安装水表(有阀门控制水流压力, 确保水管处于满流状态), 下方与集流筒连接, 其中水表读数的前后差值可计算产流量。④集流筒的水量体积除以测量时间也可以计算出产流量, 两者相互验证, 减小测量误差。⑤调节水槽至试验坡降, 之后通过降雨控制系统开始不同强度的降雨试验。⑥试验过程中需要同步测量产流时间、径流深及产流量等参数。

      (4) 透水下垫面的试验步骤同上, 唯一区别是在试验前期将下垫面的土层按照北京雨水控制相关标准[21]进行多层透水铺装, 同时确保处于超渗产流状态。试验前人工在上游进口进行放水, 保证下垫面下方土壤处于饱和状态, 一旦降雨便可全部产生地表径流, 使其在恒定雨强作用下形成稳定产流, 易于测取径流水深。

    • (1) 曼宁糙率系数  曼宁糙率系数是反映水流阻力影响的一个综合性量纲—数, 边界表面越粗糙, 糙率越大。试验发现, 降雨形成的地表产流多为薄层均匀流, 可用明槽均匀流的谢才-曼宁公式和水流连续方程计算糙率。

      谢才公式:

      $$ v=c \sqrt{RJ} $$ (1)

      曼宁公式:

      $$ c= \frac{{1}}{{n}} R^{ \frac{{1}}{{ 6}} } $$ (2)

      水流连续方程:

      $$ v= \frac{{Q}}{{ At}} = \frac{{Q}}{{ bht}} $$ (3)

      结合式(1)—式(3), 可得出:

      $$ n= \frac{{bht}}{{Q}}(\frac{{ bh}}{{b+2h}}) ^{ \frac{{ 2 }}{{3}} }J^{ \frac{{1}}{{2}} } $$ (4)

      式中: v为断面平均流速;c为谢才系数;R为水力半径;J为典型坡降;n为曼宁糙率系数;Qt时刻内的产流量;b为水槽宽度;h为径流水深;A为断面面积;t为产流时间。

      经分析, 式(4)中b是铺设下垫面所在水槽的宽度, 为已知值, 故只需要测算Qh便可计算出n, 其中J可通过沿程水深计算得出。

      (2) 沿程阻力系数  沿程阻力系数与流体的黏度、雷诺数和管道的壁面相对粗糙度有关, 是一个量纲一量。

      达西-魏斯巴赫公式:

      $$ h_{f}=λ \frac{{L}}{{ 4R}} \frac{{v^{2}}}{{2g}} $$ (5)

      典型坡降:

      $$ J= \frac{{h_{f}}}{{L}} $$ (6)

      结合式(5)和式(6)可得出:

      $$ λ= \frac{{8gJb^{3}h^{3}t^{2}}}{{(b+2h)Q^{2}}} $$ (7)

      式中: hf为沿程水头损失; λ为沿程阻力系数;L为水槽长度;g为重力加速度。

      (3) 径流系数  径流系数α是某一时段内流域的产流量与相应时段内的降雨量的比值, 表示在降水后有多少降雨转化为地面径流, 综合反映流域内自然地理要素对降水—径流关系的影响, 是进行城市内涝控制理论分析的基础, 也是工程设计常用的参数。本次降雨试验采用恒定雨强降雨, 因此, 试验中计算径流系数主要根据产流历时内的产流量与降雨历时内径流量的比值确定。

    • 本次试验平台为宽1 m×长8 m×深1 m的水槽, 斜坡为3%, 8种下垫面分别单独铺设在斜坡水槽上, 每一种下垫面的沿程粗糙程度一样。下垫面沿程铺设过程中无任何阻碍物, 在某恒定雨强降雨实验或恒定均匀流的放水实验下, 每一种下垫面坡面薄层水流的沿程径流水深近乎相同, 坡面薄层水流满足明渠均匀流条件。

      在正式进行降雨试验前, 先分析下垫面的糙率值: ①查询文献得知前人已对常见天然河/渠道的糙率变化范围进行了总结和归纳, 详见表 2中的前4列;②在图 1降雨平台上用水泵循环进行恒定均匀流的放水试验, 坡面水深控制在5~7 mm, 再用公式(4)计算出具有相对稳定水深的糙率值, 详见表 2最后1列。表 2表明, 经过明渠放水试验可知4种不透水下垫面的糙率值在允许的糙率范围之内, 表明试验精度及测量符合要求。

      表 2  不透水下垫面糙率变化

      Table 2.  Variation of roughness of impervious underlying surface

      前人下垫面类型 明渠糙率 本次试验的下垫面类型 放水试验计算的糙率值
      最小值 标准值 最大值
      沥青 0.013 0.016 / 沥青 0.013 9
      砖(水泥灰浆中) 0.012 0.015 0.018 砼方砖 0.016 6
      铺满焦油纸的木材 0.010 0.014 0.017 SBS改性沥青 0.0130
      净水泥表面 0.010 0.011 0.013 砼面 0.012 1
    • 试验过程中8种雨强的降雨历时均控制在600 s, 测取了4种下垫面分别在8种恒定雨强下的径流水深、产流时间、产流量等参数, 并将相关参数分别代入式(4)和式(7)计算出4种下垫面的糙率值和沿程阻力系数, 具体见图 4(a)图 4(b)。呈现如下变化规律:整体上, 糙率和沿程阻力系数均随雨强增加而出现减小的变化趋势;局部上, 在相同雨强下, 糙率和沿程阻力系数均呈现出砼方砖>沥青>SBS改性沥青>砼面的变化规律。其原因是:第一, 砼方砖和沥青在模型中以块状结构铺设, 块状之间在铺设时存在接缝, 而SBS改性沥青和砼面在模型中的结构是整体铺设没有接缝, 砼方砖和沥青的糙率和沿程阻力系数要大于SBS和砼面;第二, 砼方砖的平面尺寸小且表面有纹路, 沥青平面尺寸大且表面较为光滑, 砼方砖铺设后的接缝要比沥青铺设后的接缝多, 增加了坡面的粗糙度, 砼方砖的糙率和沿程阻力系数要大于沥青。对于砼面和SBS改性沥青而言, SBS改性沥青是油面, 对水流的粘结力要大于砼面, SBS改性沥青的糙率和沿程阻力系数要大于砼面。

      图  4  降雨径流典型参数变化

      Figure 4.  Variation of hydraulic parameters of rainfall runoff

      图 4(c)为下垫面的沿程阻力系数变化, 也呈现两个变化特点:整体上, 降雨落入下垫面后很快坡面形成产流, 除去雨滴溅落在下垫面上的损失外, 产流量与降雨量差别不大, 不同雨强下的下垫面径流系数变化相对稳定;局部上, 因砼面是水泥和沙子按照1: 3比例配制进行抹面, 降雨过程中会存在雨水下渗的可能, 砼方砖和沥青的接缝也会出现下渗现象, 而SBS改性沥青不会出现下渗, 径流系数呈现出SBS改性沥青>砼面>沥青>砖的变化现象。

    • 与不透水下垫面分析方法一样, 透水下垫面也采用相同方法对糙率值变化进行比较, 实测数据结果见表 3。在图 1降雨平台上用水泵循环进行恒定均匀流的放水试验, 坡面水深控制在5~7 mm, 再用公式(4)计算出具有相对稳定水深的糙率值, 详见表 3最后1列。表 3表明, 经过明渠放水试验, 4种透水下垫面的糙率值在允许的糙率范围之内。

      表 3  透水下垫面糙率变化

      Table 3.  Variation of roughness of permeable underlying surface

      前人下垫面类型 明渠糙率 本次试验的下垫面类型 放水试验计算的糙率值
      最小值 标准值 最大值
      加釉的砖 0.011 0.013 0.015 草坪透水砖A-中间实体 0.014 7
      草坪透水砖B-中间空体 0.013 1
      风积透水砂A-小砖 0.012 0
      风积透水砂B-大砖 0.011 3
    • 试验过程中8种雨强下的降雨历时均控制在600 s, 测取了草坪砖A、B型下垫面分别在8种恒定雨强下的径流水深、产流时间、产流量等参数, 并将这些参数分别代入式(4)和式(7)计算出两种下垫面糙率值和沿程阻力系数, 具体见图 5(a)图 5(b), 从图中可以看出两个变化规律:整体上, 糙率和沿程阻力系数均随雨强增加而出现减小的变化趋势;局部上, 相同雨强下, 糙率和沿程阻力系数均呈现出草坪砖A>草坪砖B。其原因是:在平面形态上, 两种草坪砖的四周轮廓形状相同, A型砖的中间部分为实体, 且表面具有纹路, 增大了表面的粗糙度, 而B型砖的中间部分为空心体, 表面较为光滑, 减小了表面的粗糙度;平面尺寸上, A型砖比B型砖略小, 两者分别铺设在8 m×1 m的水槽内时, A型砖之间的缝隙要比B型砖多, 增加了坡面的粗糙度, A型砖对水流的阻力要大于B型砖;与天然铺设砖块一样, 试验中将B型砖的空心部分用壤土压实填满, 减少了水流阻力。综上分析, 草坪A型砖的糙率和沿程阻力系数要比草坪B型砖略大。图 5(c)为两种下垫面的径流系数变化, 受降雨前已将下垫面的土壤控制成蓄满产流的影响, 两种下垫面在降雨试验中均能很快产生薄层产流, 因此, 通过试验中测取不同雨强下的产流量可计算出径流系数变化范围为0.6~0.7。

      图  5  降雨径流参数变化

      Figure 5.  Variation of parameters of rainfall runoff

    • 试验过程中, 测取了风积砂砖A、B型下垫面分别在8种恒定雨强下的径流水深、产流时间、产流量等参数, 并将这些参数分别代入式(4)和式(7)计算出两种下垫面糙率值和沿程阻力系数, 具体见图 6(a)图 6(b), 从图中可以看出两个变化规律:整体上, 糙率和沿程阻力系数均随雨强增加而出现减小的变化趋势;局部上, 相同雨强下, 糙率和沿程阻力系数均呈现出风积砂砖A>风积砂砖B。经分析, 两种风积砂砖是相同的材质, 最大的区别是风积砂砖A型的平面尺寸为20 cm×10 cm, 风积砂B型的平面尺寸为40 cm×20 cm, 两者分别铺设在8 m×1 m的水槽内时, 风积砂A型砖之间的缝隙要比风积砂B型砖较多, 相同雨强条件下, 风积砂A型砖对水流的阻力要大于风积砂B型砖, 风积砂A型砖的糙率和沿程阻力系数要比风积砂B型砖略大, 具体见图 6(a)图 6(b)图 6(c)为两种下垫面的径流系数变化, 受降雨前已将下垫面的壤土控制成蓄满产流的影响, 两种下垫面在降雨试验中均能很快产生薄层产流, 通过试验中测取不同雨强下的产流量可计算出径流系数为0.6~0.7。

      图  6  降雨径流参数变化

      Figure 6.  Variation of parameters of rainfall runoff

    • 结合上述分析可知, 在相同雨强作用下, 下垫面糙率和沿程阻力系数变化受材质、透水率、平面尺寸、表面光滑度影响较为显著。考虑到下垫面由不同材质组成, 现重点对比分析由同一材质(混凝土材料)制成的不透水下垫面中的砼方砖和砼面屋顶与透水下垫面中的风积砂砖A、B的参数变化。

      从透水因素角度考虑,风积砂砖A、B在天然降雨应用中存在下渗现象, 室内试验中已经将其下层铺设壤土按饱和产流进行初始试验条件布设, 透水角度对参数的影响可以忽略。从平面尺寸角度看,砼面屋顶是一个整体(长8 m×宽1 m), 从上至下铺满整个水槽, 砼方砖和风积砂砖A平面尺寸相同(长20 cm×宽10 cm), 比风积砂砖B(长40 cm×宽20 cm)要小, 相对于整个试验水槽(长8 m×宽1 m)面来讲, 砼方砖和风积砂砖A型砖在各自铺满水槽后的砖与砖之间的缝隙要多于风积砂砖B, 4种下垫面铺好后的粗糙程度为砼方砖=风积砂砖A>风积砂砖B型砖>砼面屋顶。从表面光滑度角度看,砼方砖表面是用水泥灰浆制成的糙面, 有凹凸感,砼面是光滑表面,风积砂砖A和风积砂砖B表面则是加釉层, 表面较为光滑, 强于砼方砖但弱于砼面, 4种下垫面铺好后的光滑程度呈现出砼面屋顶>风积砂砖A=风积砂砖B>砼方砖。

      经降雨试验分析, 4种下垫面的糙率和沿程阻力系数变化趋势呈现出如下变化特点: ①随雨强增加, 4种下垫面的糙率值和沿程阻力系数均呈现出减小的变化趋势;②对砼不透水砖和风积砂砖A,相同材质和相同平面尺寸的下垫面, 其糙率和沿程阻力系数受下垫面的表面光滑度影响较大;对风积砂砖A和风积砂砖B,相同材质的下垫面, 其糙率和沿程阻力系数受下垫面的平面尺寸影响较大;对风积砂砖A、B和砼面, 在光滑度接近的情况下, 其糙率和沿程阻力系数受下垫面的表面材质和平面尺寸影响较大。具体见图 7(a)图 7(b)

      图  7  不透水下垫面和透水下垫面参数对比分析

      Figure 7.  Comparative changes of hydraulic parameters of rainfall runoff

      对比其他学者[12-13]有关对降雨坡面流的糙率、沿程阻力系数和径流系数研究, 本文的成果体现在两个方面:一方面是通过室内降雨试验平台精确测出不同恒定雨强下坡面薄层水流的沿程径流水深和产流量等参数, 并结合理论计算得出该条件下下垫面的糙率、沿程阻力系数和径流系数等参数值;另一方面是同时选取城市多种典型下垫面(透水和不透水两大类)进行对比分析研究降雨后的地表参数变化, 该参数可为城市规划设计和工程应用提供参考。

    • (1) 8种典型下垫面的糙率和沿程阻力系数变化规律:糙率值均在标准值变化范围内, 且随雨强增加, 糙率值呈现减小趋势, 并逐渐接近各自放水试验计算出的糙率标准值;沿程阻力系数随雨强增加逐渐减小变化。

      (2) 下垫面的平面尺寸、表面光滑度、材质对糙率和沿程阻力系数影响较为明显。

参考文献 (21)

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