0 引 言
随着城市化的快速发展，城市道路、屋面等不透水区域面积快速增加，结果导致城市内涝风险和雨水径流污染问题日益突出[1,2]。雨水径流污染一方面是由于其中含有SS、重金属、COD、TN、TP和溶解性有机物等污染物[3,4]；另一方面是由于高温雨水径流排入受纳水体引起的水体热污染[5]。在夏季阳光充足的天气条件下，不透水下垫面温度最高可达到55～65 ℃[6]，高温不透水下垫面产生的温度场不仅会加剧城市热岛效应，影响区域微气候[7]，而且降雨时高温下垫面会迅速将热量传输到雨水径流中，使雨水径流温度大幅度升高，排入受纳水体后造成水体热污染[8,9]。水体温度升高将导致溶解氧含量降低[10]，威胁冷水性鱼类正常生存[11]，甚至破坏水生态平衡。
透水砖铺装是海绵城市建设过程中应用较广泛的技术措施之一，其各构造层均具有良好的渗透性，降雨时既可以滞留减排部分雨水径流，也可以去除雨水径流中SS、TP、TOC、Zn等污染物[12，13]。此外，国外一些研究表明，透水砖铺装还可有效控制雨水径流热污染。Wardynski等[14]的研究表明：透水铺装可使雨水径流渗透到温度较低的填料层，从而降低雨水径流温度，渗透出水温度可削减4.4～5.2 ℃，进而降低雨水径流热污染负荷。另外，透水砖铺装还通过减少径流外排量来控制雨水径流热污染。透水砖铺装构造层具有一定的蓄水能力，因此，晴天时透水砖铺装构造层蓄滞雨水可通过蒸发冷却降低其表面温度和周围环境温度[15]，缓解城市热岛效应。Flower等[16]研究表明，夏季透水砖铺装面层温度平均低于沥青路面面层温度10 ℃，透水砖铺装可通过相对较低的面层温度减少其对雨水径流的热污染。目前，国内关于城市雨水径流热污染问题尚未引起足够重视，其中透水砖铺装对雨水径流热污染的削减作用也尚未展开系统研究。因此，采用人工模拟降雨的方法，系统研究了透水砖铺装对外排雨水径流温度的控制效果、结构层对渗透雨水径流温度的削减效果、面层初始温度和降雨强度对雨水径流热污染控制效果的影响，以期为我国城市雨水径流热污染控制提供科学支撑。
1 材料与方法
1.1 实验装置
实验装置由人工模拟降雨系统、透水砖铺装系统、沥青路面铺装系统组成(图1)，其中透水砖铺装和沥青路面铺装实验装置尺寸均为L×B×H=1.2 m×1.2 m×1.0 m，材料均为不锈钢。为降低环境温度对实验结果的影响，实验装置外侧均设计了10 cm厚的保温层，材料为玻璃丝棉，并在装置外壁包裹铝箔气泡隔热膜来反射太阳光辐射。2个实验装置底部均设有出水口，面层设有溢流口。实验装置在不同位置设置了温度传感器：不透水沥青装置在溢流口设置温度传感器来监测其表面径流温度T′1，透水砖铺装在溢流口、各结构层和出水口安装了温度传感器，分别监测透水砖表面径流温度T1、面层温度T2、找平层温度T3、级配碎石层温度T4、土层温度T5以及出水温度T6。T1、T′1以及T6的监测采用UC-21W型温度传感器， T2、T3、T4、T5的监测采用NT78型热敏电阻温度传感器。
图1 实验装置
Figure 1 The experimental apparatus
透水砖铺装结构层由上到下依次为面层、找平层、基层和土层。面层为混凝土透水砖，其尺寸为L×B×H=200 mm×100 mm×60 mm；找平层采用中砂，厚度为5 cm；基层采用级配碎石，厚度为35 cm，碎石的级配组成参照DB11/T 686—2009《透水砖路面施工与验收规程》[17]，具体见表1；土层厚度为40 cm。沥青铺装结构由上到下依次为面层、基层和土层:面层采用不透水沥青，厚度为6 cm；基层为水泥稳定碎石，厚度为45 cm；土层厚度为35 cm。
表1 透水砖铺装基层碎石粒径级配表
Table 1 Gravel grading of permeable paving subsurface layer
筛孔尺寸/mm26.51913.29.54.752.360.075通过率/%10085～9565～8055～718～160～70～3
1.2 实验方法
根据实际道路面层和透水砖面层夏季监测温度，由低到高选取35，42，47 ℃ 3个面层初始温度(用T0表示)，采用人工模拟降雨的方法，分别研究了不同面层初始温度和降雨强度条件下透水砖铺装对雨水径流热污染的控制效果以及透水砖结构层内部的温度变化。降雨的雨型选用芝加哥雨型，雨峰系数为0.5，降雨历时均为1 h，根据北京市Ⅱ区暴雨强度公式，分别模拟重现期P=1，5，10，20 a的降雨过程曲线，如图2所示。
(1)
适用范围：t≤120 min，P≤10 a。
(2)
适用范围：t≤120 min，P≥10 a。
i=0.006q
(3)
式中：q为设计降雨强度，L/(s·ha)；P为设计降雨重现期，a；t为降雨历时，min；i为设计降雨强度，mm/min。
图2 不同重现期的降雨过程
Figure 2 Rainfall process with different return periods
实验将温度传感器实测数据加以整理分析，通过相同实验条件下横向对比不透水沥青和透水砖铺装的外排径流温度，研究了不同面层初始温度条件下透水砖铺装对外排径流温度的控制效果，通过相同实验条件下纵向对比透水砖铺装外排径流温度和渗透出水温度，研究了不同面层初始温度和不同降雨强度条件下透水砖铺装结构层对下渗雨水径流温度的削减效果，并分析了降雨时以及降雨后1 h透水砖铺装各结构层的温度变化规律。实验中降雨温度均控制为25 ℃。
2 结果与讨论
2.1 面层初始温度对雨水径流热污染控制效果的影响
2.1.1 面层初始温度对外排雨水径流温度的影响
5年一遇重现期降雨条件下，面层不同初始温度对外排雨水径流温度的影响见表2和图3。由表2可知：当初始面层温度由35 ℃上升至47 ℃时，沥青表面径流温度最高值由30.1 ℃上升至33.1 ℃，其平均径流温度由28.2 ℃上升至30.0 ℃，透水砖铺装表面径流温度最高值由28.5 ℃上升至31.1 ℃，其平均径流温度由26.8 ℃上升至28.2 ℃。因此，不透水沥青和透水砖铺装面层初始温度的升高，均会导致径流温度显著升高，即初始面层温度越高，雨水径流热污染越严重。进一步分析表2可得出：透水砖铺装表面平均径流温度相比于不透水沥青铺装降低了1.4～1.7 ℃；由图3也可得出：在相同面层初始温度和降雨强度的条件下，透水砖面层外排径流温度明显低于沥青表面外排径流温度。因此，与不透水沥青铺装相比，透水砖铺装面层对外排雨水径流温度有显著削减效果，且面层初始温度越高，外排雨水径流温度削减效果越显著。
表2 不同面层初始温度下不透水沥青与透水砖外排径流温度对比
Table 2 Comparison of runoff temperature between impervious asphalt and permeable brick at different initial temperature of the surface
面层类型产流时间/min初始面层温度/℃最高径流温度/℃最低径流温度/℃平均径流温度/℃平均径流温度降低值/℃不透水沥青83530.127.428.2—4231.227.529.2—4733.12830.0—透水砖143528.526.126.81.4423026.527.51.74731.127.128.21.8
—沥青径流温度； 
—透水砖径流温度； 
降雨强度。
图3 不同面层初始温度下外排径流温度变化曲线(P=5 a)
Figure 3 Temperature changing of runoff at different initial temperature of the surface(P=5 a)
此外，由图3可看出：透水砖面层和沥青面层在降雨期间径流温度变化趋势相似，在降雨初期径流温度最高，随着降雨历时的增加，径流温度逐渐降低，在30～40 min径流温度达到最低，即温度最低点发生在降雨峰值附近，随后径流量随着降雨量的减小而减小，径流深度随之降低，在太阳辐射的作用下径流温度呈现回升的趋势。由于透水砖的渗水性能使透水砖产流时间相对沥青滞后，透水砖产流时表面温度比沥青产流时表面温度低，所以降雨初期沥青表面雨水径流热污染较为严重。
2.1.2 面层初始温度对渗透出水温度的影响
降雨期间透水砖铺装一部分雨水径流通过下渗过程流经温度较低的各构造层，在热交换作用下，渗透出水温度降低，并随面层初始温度变化而变化。在降雨重现期5年一遇、面层不同初始温度条件下，透水砖铺装渗透出水温度随时间变化见图4。可知：渗透出水时间为降雨开始后第50 min，随着时间增加出水温度逐渐降低，约75 min后出水温度趋于稳定。当透水砖面层初始温度由35 ℃上升到47 ℃时，渗透出水最终温度由22.2 ℃上升到24.7 ℃，与平均径流温度相比降低了3.5～4.7 ℃。因此，透水砖铺装可有效削减下渗雨水径流温度，且透水砖铺装面层初始温度越高，下渗雨水径流就会将更多热量带入各结构层，最终导致出水温度升高。此外，由于初期渗透速率较大，雨水径流渗透过程中与构造层介质接触时间较短，热交换量较少，所以渗透出水初始温度较高，然后随着渗透速率的降低，雨水径流在构造层中停留时间增加，出水温度逐渐降低，最终趋于底层的土层温度。初始面层温度为47 ℃时，与其他2个初始面层温度相比，出水温度下降趋势较小，这是由于初始面层温度较高时，径流温度较高且透水铺装的底层介质温度也相对较高，导致出水温度稳定值明显升高，出水初期温度降低值减小。
—T0=35 ℃； —T0=42 ℃； 
—T0=47 ℃。
图4 透水铺装面层不同初始面层温度下渗透出水温度变化(P=5 a)
Figure 4 Temperature change of permeate water elapse at different initial temperature of the surface of permeable pavement (P=5 a)
2.2 降雨强度对雨水径流热污染控制效果的影响
在相同初始面层温度，不同重现期条件下，透水砖铺装外排径流温度和渗透出水温度的变化曲线均呈现相似的变化趋势。以面层初始温度T0=35 ℃、P=10 a为例，降雨过程中外排径流温度和渗透出水温度变化过程如图5所示。可知：降雨开始后第12分钟开始产流，且随着历时增加径流温度逐渐降低，由最初的29.4 ℃降低至26.6 ℃，降雨开始第50分钟时开始渗透出水，初始出水温度为24.5 ℃，然后随着历时增加逐渐降低，出水20 min后温度趋于稳定，最终稳定在22.4 ℃左右，透水砖铺装渗透出水温度比径流温度低4.2 ℃，因此，透水砖铺装可有效削减雨水径流热污染。
—透水铺装径流温度； 
—透水铺装出水温度； 降雨强度。
图5 透水砖雨水径流和渗透出水温度变化曲线(P=10 a，T0=35 ℃)
Figure 5 Temperature change of runoff and permeate water elapse of permeable brick pavement(P=10 a，T0=35 ℃)
在初始面层温度35 ℃，不同降雨强度条件下，透水砖铺装对雨水径流热污染控制效果见表3。可知:随着重现期的增大，产流时间逐渐缩短，但出流时间保持不变，面层外排雨水径流平均温度为26.7～27.9 ℃，且随着重现期的增加，外排雨水径流温度逐渐升高。不同重现期条件下，渗透出水温度为22.2～22.7 ℃，与面层外排径流平均温度相比，渗透出水温度削减了4.4～5.2 ℃，且降雨重现期越大，出水温度削减值越大，即削减效果越明显。因此，透水砖铺装对雨水径流热污染的控制效果受降雨强度影响，外排雨水径流温度随降雨强度的增大呈现升高的趋势，渗透出水最终温度变化不大，稳定在22.2～22.7 ℃。
表3 不同降雨强度下实验结果比较
Table 3 Comparison of experimental results with different rainfall return periods
降雨强度产流时间/min出水时间/min平均径流温度/℃出水稳定温度/℃温度削减值/℃P=1a185026.722.34.4P=5a145026.822.24.6P=10a125027.322.44.9P=20a85027.922.75.2
2.3 透水砖铺装各结构层温度变化
为研究透水砖铺装各结构层温度变化，在透水砖铺装面层、找平层、碎石层和土层分别安装了在线温度传感器。不同实验条件下，各结构层温度变化趋势相似，下文以面层初始温度T0=35 ℃、P=10a为例，对透水砖铺装内部温度变化规律进行分析，实验结果如图6所示。可知:在开始降雨之前(图中的0时刻)，面层温度(35 ℃)>找平层温度(31.7 ℃)>碎石层温度(24.2 ℃)>土层温度(21 ℃)，即随着深度的增加，各结构层温度逐渐降低。由于降雨温度(25 ℃)低于面层初始温度(35 ℃)，所以降雨开始后面层温度快速降低(10 min左右降至27.4 ℃)。找平层的初始温度为31.7 ℃，随着降雨历时增加，找平层温度逐渐降低，但降低速度和降雨前后温差(2.5 ℃)均小于面层(8.2 ℃)。降雨结束后，由于太阳辐射变弱，导致面层温度继续降低，此时影响找平层温度的不再是降雨，而是由于面层温度传导作用使找平层温度也继续降低。基层和土层初始温度分别为24.2 ℃和21 ℃，二者实验过程中温度变化趋势相似，均随着降雨历时增加而增加，但降雨结束时增幅均较小，分别为0.6 ℃和0.4 ℃，基层和土层温度的升高，主要是由于雨水径流将面层、找平层以及自身的热量传递到温度较低的基层和土层。渗透出水温度呈现逐渐降低的趋势，且初期降低速度较快，主要与铺装结构的渗透速率相关，最终趋于底层的土层温度。因此，透水砖铺装对雨水径流热污染的削减效果基于各构造层的热交换过程，并且受面层初始温度、结构层温度、降雨强度等因素影响。
—面层温度； —找平层温度； —碎石层温度； 
—土层温度； 
—径流温度； 
—出水温度； 降雨强度。
图6 透水砖结构层温度变化(P=10 a，T0=35 ℃)
Figure 6 Temperature change of permeable brick structural layers(P=10 a，T0=35 ℃)
3 结 论
1)与不透水沥青铺装相比，透水砖铺装可有效降低面层外排雨水径流温度，实验条件下，外排雨水径流温度降低1.4～1.8 ℃。透水砖铺装各结构层可有效降低入渗雨水径流的温度，与面层外排雨水径流相比，渗透雨水径流温度降低3.5～5.2 ℃。
2)面层初始温度对2种铺装的外排径流温度和透水砖铺装的渗透雨水径流温度均具有重要影响，且面层初始温度越高，外排雨水径流温度和渗透出水温度越高。
3)降雨强度对透水砖面层外排雨水径流温度有影响，降雨强度越大，外排雨水径流温度越高，但不同重现期下透水砖铺装出水最终温度较稳定，保持在22.2～22.7 ℃。
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