針對(duì)LID 型道路綠化帶土壤滲透性能的改良

朱木蘭，廖 杰，陳國元，王吉蘋，佘 年

(1.廈門理工學(xué)院水資源環(huán)境研究所，福建廈門 361024;2.美國西雅圖市政府公共事業(yè)局，西雅圖 98104)

伴隨著城市化發(fā)展，城市3 大水危機(jī)即“水多、水少、水臟”問題也日益加劇?！八唷敝饕侵赣杀┯暌鸬膬?nèi)澇。由于城市建成區(qū)不透水面積的大幅增加，原有的植物截留和蒸發(fā)、地面下滲作用大大降低，在相同降雨條件下，徑流系數(shù)增大、雨洪量增加，加重了城市排水和河道行洪負(fù)擔(dān)，造成汛期地面積水和局部洪災(zāi)［1］?！八佟敝饕侵杆Y源的缺乏。城市化所伴隨的不透水路面的劇增導(dǎo)致雨水難于通過地面下滲補(bǔ)給地下水，寶貴的雨水形成徑流直接流入江河湖海，這不僅加劇了雨季時(shí)的洪澇災(zāi)害，而且使河流因在旱季難于得到地下水補(bǔ)給而出現(xiàn)干枯。“水臟”主要是指水環(huán)境遭受污染。除了工業(yè)污染和生活污水造成的點(diǎn)源污染外，城市地表徑流所造成的面源污染也是主要污染源。上海中心城區(qū)道路路面徑流水質(zhì)測試結(jié)果表明，路面徑流中TP 超出國家地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)2 倍以上［2］?？梢哉f，在城市化進(jìn)程日益加快的今天，如何控制城市內(nèi)澇、地下水補(bǔ)給不足以及雨水面源污染問題，已成了當(dāng)務(wù)之急，它關(guān)系到我國城市今后的可持續(xù)發(fā)展。

1990 年代末期，歐美等國家開始發(fā)展起一種新型的城市雨水與面源污染控制策略——低影響開發(fā)(LID)策略［3］;即在開發(fā)中盡量減少對(duì)環(huán)境的破壞和影響。其基本思路是通過綜合采用滲透、過濾、蓄流和蒸發(fā)等方式來減少徑流排水量和截污，使開發(fā)地區(qū)盡量接近于開發(fā)前的自然水文循環(huán)。目前，基于LID 策略的技術(shù)措施各種各樣，主要有透水路面、綠色屋頂、生物滯留設(shè)施等。其中，生物滯留措施又具有各種各樣的形式，如雨水花園、植草洼地、植被過濾帶、生態(tài)草溝等。眾多研究成果表明這些LID技術(shù)措施在削減暴雨徑流量與面源污染上成效顯著［4-9］。

筆者提出了建設(shè)具有生物滯留設(shè)施功能的LID型城市道路綠化帶，以控制城市內(nèi)澇、地下水補(bǔ)給不足及雨水面源污染問題的新理念，并以廈門市天然紅壤土為典型代表，針對(duì)LID 型道路綠化帶中至關(guān)重要的土壤滲透性能開展改良研究。

廈門地處南亞熱帶季風(fēng)氣候帶，屬亞熱帶海洋性氣候，四季溫和，全年平均氣溫為21℃左右［10］，其多年平均降雨量為1 388 mm，年季分布極不均勻［11］，雨水豐富卻又十分缺水，被水利部列為全國重點(diǎn)缺水城市之一，因此具有采用LID 技術(shù)措施充分利用雨水資源的可行性與必要性。其本地天然土壤為紅壤土，是福建省主要的土壤類型。紅壤對(duì)磷素的吸附性能很好，可達(dá)到0.73 mg/g［12］，最高能達(dá)到1.61 mg/g［13］，適宜用來控制雨水面源污染物質(zhì)。因此，本研究選取廈門本地天然紅壤土作為LID 型道路綠化帶土壤的典型代表開展?jié)B透性能的改良研究，并結(jié)合粒徑分析和相關(guān)文獻(xiàn)資料，提出人工改良土壤其主要成分砂粒的含量以供土壤滲透性能改良時(shí)參考。

1 LID 型道路綠化帶

城市道路綠化帶是城市中少有的未硬化地面，但傳統(tǒng)的道路綠化帶高于路面，路面上的雨水徑流無法匯入綠化帶并下滲補(bǔ)給地下水，只能依靠城市排水管網(wǎng)排入江河湖海，這不僅加劇了雨季時(shí)受納水體的行洪壓力，而且使河流在旱季因難于得到地下水補(bǔ)給而出現(xiàn)干枯。LID 型道路綠化帶與傳統(tǒng)道路綠化帶相比所具有的優(yōu)勢是:LID 型道路綠化帶通過降低綠化帶高程和改良綠化帶土壤的滲透性能，使得地表徑流容易匯集到綠化帶并下滲補(bǔ)給地下水。此外，地表徑流經(jīng)過綠化帶中的植物層、土壤層和砂濾層的滲透過濾、植物吸收、土壤吸附、微生物吸收分解等作用，雨水面源污染得到以削減。LID 型道路綠化帶其結(jié)構(gòu)可借鑒國外已成功應(yīng)用的雨水花園的做法［14-15］，其平面示意圖如圖1 所示，在與道路接壤處開辟路邊槽以利于路面雨水徑流匯入，設(shè)置植被過濾帶對(duì)雨水進(jìn)行初步過濾，同時(shí)設(shè)置溢流口以預(yù)防多年一遇的特大暴風(fēng)雨所造成的蓄水層飽和現(xiàn)象。由于溢流口存在被枯枝落葉等阻塞的問題，因此，溢流口需要進(jìn)行定期的維護(hù)管理。

圖1 LID 型道路綠化帶平面結(jié)構(gòu)示意圖

此外，LID 型道路綠化帶的垂向結(jié)構(gòu)見圖2，其地面高程比周邊路面低10 ～30 cm，自上而下由蓄水層(0.10 ～0.25 m)、覆蓋層(0.50 ～0.80 m)、人工改良土壤層(0.50 ～1.20 m)、砂層(0.15 ～0.20 m)和砂礫層(0.20 ～0.50 m)組成［16-17］，并在下端設(shè)置排水系統(tǒng)，將來不及下滲的多余水分排泄出去，以保證地基的穩(wěn)定性。其中，覆蓋層可采用稻草、樹皮進(jìn)行覆蓋，以保持土壤的濕度，避免表層土壤板結(jié)而造成滲透性能降低，并有助于減少徑流雨水的侵蝕。

圖2 LID 型道路綠化帶垂向結(jié)構(gòu)示意圖

2 土壤滲透性能的改良

土壤是LID 型道路綠化帶的關(guān)鍵組成部分，需同時(shí)滿足如下要求:①具有較好的過濾與吸附作用從而有利于削減雨水面源污染;②既宜于植物生長，又具有較大的滲透性能，從而有利于雨水下滲，削減暴雨徑流量。但本地天然土壤往往難于同時(shí)滿足這些要求，需進(jìn)行人工改良。

廈門天然土壤為紅壤土，具有對(duì)磷素良好的吸附性能，適宜用來控制雨水面源污染物質(zhì)。因此，本研究選取廈門本地天然紅壤土作為LID 型道路綠化帶土壤的典型代表開展?jié)B透性能的改良研究。

紅壤土雖然對(duì)磷素的吸附性能很好，但滲透性能卻較差，不利于雨水下滲。為了明確廈門本地天然紅壤土的滲透能力，采用實(shí)驗(yàn)室測定方法對(duì)本地天然紅壤土的飽和滲透系數(shù)進(jìn)行測定，測定儀器為日本DIK-4012 型號(hào)的飽和土壤入滲儀，測定方法為變水頭法。結(jié)果表明廈門本地天然紅壤土的滲透系數(shù)為1.631 ×10-4cm/s。而LID 型城市道路綠化帶從削減暴雨徑流量的功能需要出發(fā)，其人工改良土壤層需有較高的滲透系數(shù);同時(shí)由于綠化帶種植植物的需要，作為種植土層的人工改良土壤其滲透系數(shù)亦不能太大，否則土壤持不住水分，植物無法生長。因此，有必要探討分析人工改良土壤滲透系數(shù)的適宜范圍。

調(diào)研與試驗(yàn)表明，生物滯留這項(xiàng)LID 技術(shù)措施中其土壤滲透系數(shù)不能太大，否則保水能力差，澆水頻率高，費(fèi)水，其滲透系數(shù)最好在0.001 cm/s 左右。但土壤滲透系數(shù)亦不宜太小，否則，蓄水層中的積水不能及時(shí)下滲入土，積水時(shí)間久了，容易滋生蚊蟲。本文作者佘年在美國所參與研發(fā)的自然排水系統(tǒng)(獲得2004 年哈佛大學(xué)商學(xué)院金獎(jiǎng))，發(fā)現(xiàn)對(duì)土壤滲透性能的要求是保證暴雨期間積蓄在蓄水層中的水能在雨后24 h 內(nèi)下滲完畢，LID 型道路綠化帶的設(shè)計(jì)可參照此設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。為了兼顧綠化帶的景觀性與蓄水功能，蓄水層不宜太深或太淺，一般生物滯留設(shè)施比路面下沉10 ～30 cm。為了保證雨后滯留在LID 型道路綠化帶蓄水層中30 cm 厚的積水能在24 h 內(nèi)全部入滲土壤，雨后含水率呈飽和狀態(tài)的土壤其下滲強(qiáng)度即穩(wěn)定下滲率不能低于30 cm/d(即3.47 ×10-4cm/s)，而穩(wěn)定下滲率與土壤飽和滲透系數(shù)兩者的關(guān)系可由達(dá)西定律表示為

式中:i 為表土處的下滲強(qiáng)度，m/s;K(θ)為土壤滲透系數(shù)，m/s;θ 為表層土壤水體積分?jǐn)?shù)，m3/m3;J 為水力坡降。

降雨初期，土壤遠(yuǎn)未飽和，水力坡降J 遠(yuǎn)大于1，因而下滲強(qiáng)度i 大，隨著下滲雨水的增多，土壤含水率θ 逐漸增大，當(dāng)土壤達(dá)到飽和時(shí)，θ→θs(土壤飽和含水率)，則水力坡降J≈1，這時(shí)下滲強(qiáng)度也就是穩(wěn)定下滲率接近于土壤的滲透系數(shù)［18］?？梢?，為了保證蓄水層中30 cm 厚的積水能在24 h 內(nèi)下滲完畢，土壤的滲透系數(shù)不能低于3.47 ×10-4cm/s。綜上所述，人工改良土壤其飽和滲透系數(shù)Ks的適宜范圍為:3.47 ×10-4cm/s≤Ks≤0.001 cm/s。而廈門本地天然紅壤土的飽和滲透系數(shù)比該適宜范圍的下限值小了2 倍以上。為了改善廈門本地天然紅壤土的滲透性，本研究通過在紅壤土中不同程度地加入砂子，配制出6 種不同砂土百分率的人工改良土壤，并采用實(shí)驗(yàn)室測定方法測定比較不同組合方案的土壤飽和滲透系數(shù)，每種組合方案均準(zhǔn)備了2 個(gè)樣品進(jìn)行測定并取均值以降低隨機(jī)誤差。由于改良土壤時(shí)加入砂子，土壤呈砂質(zhì)化，為了確保LID 型道路綠化帶中植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，在改良土壤時(shí)加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的腐殖土。

6 種人工改良土壤組合方案其紅壤土、砂子、腐殖土各自所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以及不同組合方案所對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)如表1 所示。所加入的砂子粒徑分析結(jié)果表明砂粒粒徑范圍為0.08 ～2.00 mm。

從表1 可知，具備適宜的滲透系數(shù)的人工改良土壤組合方案序號(hào)是3、4、5。即，本地天然土壤(紅壤土)可通過加入15% ～35%的砂子、5%的腐殖土來改良成LID 城市道路中所需的人工改良土壤。

表1 6 種人工改良土壤組合方案與所對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)

由于各地土壤組分各不相同，為了使上述科研成果具有通用的參考與指導(dǎo)作用，筆者進(jìn)一步對(duì)廈門本地天然紅壤土進(jìn)行了粒徑分析。采用Mastersizer 2000 激光粒度儀進(jìn)行3 次分析，并取3次的平均值作為結(jié)果。結(jié)果表明:該紅壤土中黏粒(小于0.002 mm)占2.44%，粉砂(0.002 ～0.050 mm)占41.45%，砂粒(0.05 ～2.00 mm)占56.11%。根據(jù)美國制土壤質(zhì)地分類三角表可知，該天然紅壤土屬于砂質(zhì)壤土。而具有適宜滲透系數(shù)的人工改良土壤是在廈門本地天然紅壤土中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15% ～35%的砂子，5%的腐殖土。據(jù)此，可分析計(jì)算出具有適宜滲透系數(shù)的人工改良土壤其砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%以上，文獻(xiàn)［17］指出，雨水花園這項(xiàng)生物滯留設(shè)施其土壤應(yīng)選用滲透系數(shù)較大的砂質(zhì)土壤，其主要成分砂子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60% ～85%。可見，本研究結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)均表明，具有適宜滲透系數(shù)的人工改良土壤其土壤主要成分砂粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%以上。

3 結(jié) 語

提出了構(gòu)建高程低于路面的LID 型道路綠化帶以控制城市內(nèi)澇、地下水補(bǔ)給不足和雨水面源污染問題的新策略，并選取對(duì)磷素具有良好吸附性能的廈門本地天然紅壤土作為代表，開展?jié)B透性能的改良研究。結(jié)果表明，廈門本地天然紅壤土滲透系數(shù)太小，僅為1.631 ×10-4cm/s，不適宜作為LID 型道路綠化帶中的土壤，可通過加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15% ～35%的砂子及5%的腐殖土進(jìn)行改良，從而獲得具有適宜滲透系數(shù)的人工改良土壤。此外，分析計(jì)算與相關(guān)文獻(xiàn)均表明，具有適宜滲透系數(shù)的人工改良土壤其土壤主要成分砂粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%以上，該砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)可作為土壤滲透性能改良時(shí)的參考依據(jù)。

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