北京地區(qū)下凹式綠地土壤滲透能力及蓄水對土壤物理性質(zhì)的影響

朱永杰,畢華興,2?,霍云梅,許華森

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京;2.北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心,100083,北京)

北京地區(qū)下凹式綠地土壤滲透能力及蓄水對土壤物理性質(zhì)的影響

朱永杰1,畢華興1,2?,霍云梅1,許華森1

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京;2.北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心,100083,北京)

采用自制的模擬下凹式綠地,通過模擬不同設(shè)計暴雨強(qiáng)度條件下下凹式綠地的進(jìn)水負(fù)荷,動態(tài)監(jiān)測下凹式綠地在蓄水過程中土壤水分的滲透量和平均入滲速率,研究北京地區(qū)下凹式綠地在蓄積周邊外來雨水徑流過程中土壤水分的滲透規(guī)律以及蓄積雨水徑流后對土壤孔隙及土壤密度的影響。結(jié)果表明:1)在土壤含水率基本相同的條件下,下凹式綠地土壤滲透性能在1、3、5年一遇暴雨情況下會隨著暴雨強(qiáng)度的增加而增大;2)在設(shè)計暴雨強(qiáng)度一致時,土壤水分的滲透量和平均入滲速率沒有明顯差異,土壤密度小、總孔隙度大的滲透量和平均入滲速率更大; 3)隨著綠地蓄水次數(shù)的增多,土壤密度和總孔隙度變化較大,蓄水試驗后,土壤密度由最初的1.33 g/cm3變?yōu)?.65 g/cm3、總孔隙度由原來的50.06%變?yōu)?9.18%。

下凹式綠地;暴雨強(qiáng)度;滲透量;平均入滲速率

北京是世界上嚴(yán)重缺水的大城市之一,水資源 人均占有量不足300 m3[1]。城市不透水面積的增加、洪峰流量的加大引發(fā)的內(nèi)澇災(zāi)害已成為城市發(fā)展的關(guān)鍵問題[2-3],削減暴雨雨水徑流、增加雨水地表入滲是北京市房地產(chǎn)類項目水土流失治理的研究熱點。下凹式綠地是雨水蓄積以及增加地表入滲的有效綠化措施[4]。近年來,越來越多的下凹式綠地在北方城市綠地建設(shè)中被應(yīng)用。下凹式綠地作為一種天然的滲透系統(tǒng),對雨水徑流有滲透、蓄積、利用及污染削減等多重效用[5-6]。下凹式綠地不僅能增加其本身的降雨下滲量,還能匯集地面區(qū)域(水文流向的上方區(qū)域)產(chǎn)生的徑流,并可以通過下滲作用補(bǔ)充地下水[7]。目前,對下凹式綠地的相關(guān)研究主要集中在2個方面,一方面是其蓄滲減洪效果,另一方面是它對雨水及徑流污染物的削減效應(yīng)。任樹梅等[8]對北京城區(qū)不同水平年、匯水面積以及不同下凹深度綠地的雨水蓄滲效果進(jìn)行了分析計算,結(jié)果表明,下凹式綠地在城市雨水利用以及降低洪水危害方面有積極的作用。葉水根等[9]在設(shè)計暴雨條件下對下凹式綠地的降雨攔蓄效率進(jìn)行了研究,在匯水面積與下凹式綠地面積比為2∶1的情況下,對于10、50和100年一遇的暴雨,下凹式綠地的降雨攔蓄率均在50%以上。周豐等[7]對道路下凹式綠地研究發(fā)現(xiàn),下凹式綠地可以有效減少路面雨水徑流和匯流,同時能夠補(bǔ)充地下水。程江等[10]對不同設(shè)計條件下下凹式綠地對雨水的蓄滲效應(yīng)進(jìn)行了研究,認(rèn)為下凹深度、土壤的穩(wěn)滲速率和綠地面積比是影響蓄滲效果的關(guān)鍵因素。程江等[11]根據(jù)降雨實測數(shù)據(jù),研究了下凹式綠地對降雨徑流污染的削減效應(yīng),結(jié)果表明,下凹式綠地對COD,NH4+和TP削減效果明顯。黃民生等[12]研究結(jié)果表明,下凹式綠地對徑流污染物的削減作用較為明顯,對雨水徑流中的有機(jī)物、N、P等污染物經(jīng)過下凹式綠地后,可被削減40%～50%以上。但現(xiàn)階段對下凹式綠地蓄滲機(jī)制的研究較少,尤其是其蓄水過程中的土壤水分入滲過程以及蓄水對土壤密度和總孔隙度的影響。而土壤初始含水率、土壤密度及孔隙度會影響土壤的入滲性能,初始含水率越高土壤入滲能力越小[13],土壤入滲能力對暴雨期間地表徑流量有較大影響[14-15];因此,筆者以下凹式綠地為試驗材料,研究其在不同進(jìn)水負(fù)荷條件下的土壤水分入滲過程,分析蓄水次數(shù)對土壤密度和孔隙度的影響,以期為下凹式綠地的建設(shè)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及供試土壤

試驗裝置為自行設(shè)計加工的下凹式綠地(圖1),圓柱形塑料桶直徑為100 cm,高70 cm,下凹深度為10 cm,雨水口高出下凹式綠地地面8 cm,最低端設(shè)有一個直徑5 cm的出水口。在該裝置內(nèi),按照設(shè)定比例5∶9(土壤層厚度不小于20 cm),分層填裝細(xì)土壤層和小礫石,礫石層在下,土壤層在上。試驗土壤取自北京市昌平區(qū)科技園建設(shè)挖方土,土壤類型為砂質(zhì)壤土,其機(jī)械組成見表1。填裝完成后,在土壤表面鋪上高羊茅草皮,草種為北方多年生高羊茅(Festuca arundinacea),草皮移植生長約半個月后,按照設(shè)定的試驗組及每組的試驗條件進(jìn)行試驗,每次試驗前對土壤含水率(POGO便攜式土壤多參數(shù)速測儀)和土壤密度(環(huán)刀法)進(jìn)行測定,以保證每次試驗前土壤含水率基本一致。

1.2 試驗設(shè)計

圖1 試驗裝置縱剖面圖Fig.1 Longitudinal profile drawing of the device

1)暴雨強(qiáng)度計算。模擬試驗在北京林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行,暴雨強(qiáng)度根據(jù)北京市暴雨強(qiáng)度公式[16]計算得出。

表1 供試土壤機(jī)械組成Tab.1 Mechanical composition of experimental soil

式中:q為設(shè)計暴雨強(qiáng)度,L/(s·hm2);t為降雨歷時, min;P為設(shè)計重現(xiàn)期,a。適用范圍為t≤120 min,P在0.25～100 a之間。

按照綠化面積為20%的比例,下凹式綠地收集面積為3.92 m2的周邊區(qū)域的雨水徑流,徑流系數(shù)取0.85[16],由此計算得出重現(xiàn)期1、3、5年的暴雨水平下對應(yīng)的進(jìn)入下凹式綠地的水量分別為152、211、239 L,進(jìn)水時間為120 min。用進(jìn)水負(fù)荷表示下凹式綠地進(jìn)水總量與進(jìn)水時間的比值,單位為L/min,強(qiáng)度分別表示為低(1.27 L/min)、中(1.76 L/min)、高(2.00 L/min)3個層次。

1.2.2 試驗設(shè)計 試驗一共進(jìn)行5組,每組蓄水入滲試驗重復(fù)一次,取平均值以減少試驗誤差。每組編號分別為A1、B1、B2、C1、C2,各組進(jìn)水負(fù)荷的試驗次序見表2,各組試驗進(jìn)行的當(dāng)日氣候條件見表3。

表2 各進(jìn)水負(fù)荷的試驗次序Tab.2 Test order of each influent load

表3 各組試驗的氣候條件Tab.3 Climate conditions of each experiment

2)測定項目與測定方法。試驗前,采用含水率測定儀(POGO便攜式土壤多參數(shù)速測儀,Stevens Water,美國)測定土壤含水率。采用環(huán)刀法測定土壤密度,小環(huán)刀體積為50 cm3,每次取同一直徑上對稱的2個樣進(jìn)行測定。取樣時,先將土壤表面的一小塊草皮完整截取出來,然后在平整的土壤表面取樣,取完樣后,再填入質(zhì)量相同的同一種土壤,將取過樣后的地方填滿并壓實到與原來位置齊平,將草皮種上,一段時間后進(jìn)行下次試驗,使取樣對入滲的影響減到最小,每次盡可能不在同一處取樣。試驗開始時,底部出水口閥門打開,利用流量可控的抽水泵對下凹式綠地進(jìn)行灌水,表達(dá)不同暴雨強(qiáng)度下的進(jìn)水負(fù)荷;開始進(jìn)水后,用秒表計時,觀測記錄底部出水口開始出現(xiàn)滲透水的時間,用燒杯收集滲透水,然后用量筒測定體積;當(dāng)雨水口開始溢流的時候即關(guān)閉底部出水口閥門,停止收集滲透水,并記錄下水位到達(dá)雨水口的時間。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同進(jìn)水負(fù)荷綠地滲透量和平均入滲速率

不同暴雨強(qiáng)度條件下,下凹式綠地蓄水過程中綠地土壤水分滲透量的變化曲線見圖2。可以看出,A1、B1、C1的滲透量隨時間的變化規(guī)律一致,都是呈拋物線型增加,并且最后土壤水分的滲透總量隨著進(jìn)水負(fù)荷的增加也是增大的。A1、B1、C1 3種情況下的滲透量差異性顯著(P=0.01＜0.05)。C1的滲透總量最高,達(dá)到78.66 L,A1的滲透總量最低,為25.49 L。暴雨重現(xiàn)期為1、3、5年一遇情況下,土壤含水率基本一致時,進(jìn)水負(fù)荷越大,下凹式綠地土壤水分下滲越多。說明在一定范圍內(nèi),暴雨強(qiáng)度越大,下凹式綠地滲水性能越優(yōu)越,完全可攔蓄5年一遇暴雨條件下的地面徑流。

圖2 不同進(jìn)水負(fù)荷滲透量Fig.2 Infiltration volume under different influent loads

不同進(jìn)水負(fù)荷下綠地平均入滲速率見圖3?？梢钥闯?不同于雙環(huán)入滲,從開始進(jìn)水到水位與雨水口持平這段時間,下凹式綠地的平均入滲速率一直是增大的,這是由于隨著進(jìn)水的持續(xù),土壤表面水位不斷上漲的結(jié)果。在其他條件不變的情況下,影響土壤中水分運動的主導(dǎo)勢是壓力勢,其相對穩(wěn)定入滲率與供水所產(chǎn)生的壓力勢是呈梯度相關(guān)的[18]。A1、B1、C1的平均入滲速率差異顯著(P＜0.05),并且A1、B1、C1兩兩之間差異均為顯著(P＜0.05),由此說明,在1、3、5年設(shè)計暴雨強(qiáng)度的進(jìn)水負(fù)荷條件下,土壤平均入滲速率差異明顯。這是因為進(jìn)水負(fù)荷不同,土壤表面水位升高快慢也不一樣,從而導(dǎo)致入滲過程中平均入滲速率增加的快慢程度不一樣。

圖3 不同進(jìn)水負(fù)荷綠地平均入滲速率Fig.3 Average infiltrate rate under different influent loads

2.2 相同進(jìn)水負(fù)荷條件下的滲透量及平均入滲速率

B1和B2以及C1和C2降雨條件下滲透性能對比結(jié)果見圖4和圖5?？梢钥闯?在設(shè)計暴雨強(qiáng)度相同的情況下,滲透量和平均入滲速率差異均不顯著(P＞0.05),滲透量和平均入滲速率的變化規(guī)律相似,先是快速增加,約30 min后增加逐漸變緩。B1、B2、以及C1、C2的滲透速率一直沒有穩(wěn)定,而是呈上升趨勢,主要是由于在下凹式綠地蓄水過程中,其土壤表面的水位在未溢流之前是不斷上升變化的;因此,土壤的滲透速率也在增加,平均入滲速率也在增加。對比B1和B2以及C1和C2發(fā)現(xiàn),B1的滲透量和平均入滲速率都要比B2的大,C1的滲透量和平均入滲速率比C2的大,在雨水口溢流出水口閥門關(guān)閉時,B1、B2滲透量相差24.23 L,平均入滲速率相差39%,C1、C2總的滲透量相差19.03 L,平均入滲速率相差25%。說明在設(shè)計暴雨強(qiáng)度一致時,土壤密度和總孔隙度對土壤滲透過程存在較大影響,土壤密度小、孔隙度大的滲透量大,平均入滲速率明顯更快。

圖4 1.76 L/min進(jìn)水負(fù)荷下的滲透量和平均入滲速率Fig.4 Volume and average infiltration rate at the influent load of 1.76 L/min

圖5 2.0 L/min進(jìn)水負(fù)荷下滲透量和平均入滲速率Fig.5 Volume and average infiltration rate at the influent load of 2.0 L/min

2.3 下凹式綠地蓄水對土壤密度、孔隙度的影響

各次試驗前的土壤密度、含水率、總孔隙度見表4?？梢钥闯?試驗前,在裝置中填裝好的土壤密度為1.33 g/cm3,根據(jù)土壤密度計算的土壤總孔隙度為50.06%,屬于物理性狀較好的北方砂壤土。下凹式綠地第1次低負(fù)荷蓄水試驗結(jié)束后,測定土壤的密度變化很小,總孔隙度減小到47.73%,較之前沒有大的變化;隨著蓄水次數(shù)的增多,2組試驗之間土壤的密度和總孔隙度變化有增大的趨勢。其中, C1較B1土壤密度增加了0.09,總孔隙度減少了0.97%;B2較C2土壤密度增加了0.17,總孔隙度也減少了5.93%,說明在這組試驗中,隨著蓄水次數(shù)的增加,對下凹式綠地土壤密度及總孔隙度的影響越明顯。與試驗前土壤密度和總孔隙度相比較發(fā)現(xiàn),隨著下凹式綠地蓄水次數(shù)的增加,在沒有人為擾動的情況下,其土壤物理性質(zhì)發(fā)生了較大的變化,土壤密度會逐步加大,而土壤中的總孔隙度會越來越小,從而使下凹式綠地蓄水過程的平均入滲速率較之前會有所減小,從土壤層滲透到礫石層的滲透總量也會明顯減少。

表4 各次試驗前后的相關(guān)土壤物理特性Tab.4 Related physical parameters before and after each experiment

3 結(jié)論與討論

1)在土壤含水率基本一致的情況下,對于1、3、5年一遇的暴雨,下凹式綠地在蓄水時的土壤滲透性能是隨著設(shè)計暴雨強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)的,不同設(shè)計暴雨強(qiáng)度下的土壤滲透性能由低到高依次為1.27 L/min＜1.76 L/min＜2.0 L/min。

2)設(shè)計暴雨強(qiáng)度相同時的滲透量和平均入滲速率沒有明顯差異。在設(shè)計暴雨強(qiáng)度一致的情況下,下凹式綠地土壤密度小、總孔隙度大的滲透總量和平均入滲速率也更大。

3)下凹式綠地的土壤滲透性能會隨著蓄水次數(shù)的增加而變差,土壤密度逐漸增大,土壤總孔隙度逐漸變小,綠地滲透性能下降。

試驗中需要用環(huán)刀進(jìn)行取土樣分析,會對土壤入滲造成一定的影響,導(dǎo)致試驗誤差。同時,所設(shè)計的暴雨強(qiáng)度也只限于1、3、5年。利用實際建成的下凹式綠地,進(jìn)行更多梯度暴雨等級蓄水入滲及溢流試驗是下凹式綠地以后相關(guān)研究中應(yīng)該深入研究的內(nèi)容。

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(責(zé)任編輯:宋如華)

Soil infiltration capacity of sunken green space and the effects of water storage on soil physical properties in Beijing

Zhu Yongjie1,Bi Huaxing1,2,Huo Yunmei1,Xu Huasen1
(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China; 2.Beijing Forestry University,Forestry Ecological Engineering Research Center,Ministry of Education,100083,Beijing,China)

In order to analyze the law of soil water infiltration in the sunken green space,we monitored dynamically the permeation amount of soil moisture in the sunken green space and the average infiltration rate during the water storage process through simulating the influent water load of sunken green space at different rainfall intensities.The effect of collected rainwater runoff in the sunken green space on the soil porosity and bulk density during the process of collecting surrounding rainwater was explored.The results showed that:1)Soil permeability in the sunken green space would increase with the increased rainstorm intensity at the heaviest rainfall once in 1,3 and 5 years provided that the soil water contents are under essentially the same condition.2)At the same intensity of rainstorm,there was no obvious difference in the permeation amount as well as average infiltration rate;the average infiltration rate tended to be larger for the soil with lower bulk density and larger total porosity.3)With the times of water storage increasing,soil bulk density and total porosity changed greatly:the bulk density increased from 1.33 to 1.65 g/cm3,while the total porosity dropped from the original 50.06%to 39.18%after the water storage experiment.

sunken green space;rainstorm intensity;permeation amount;average infiltration rate

S157.5

A

1672-3007(2015)01-0106-05

2014- 08- 02

2014- 12- 24

項目名稱:國家水體污染控制與治理重大專項“城市地表徑流減控與面源污染削減技術(shù)研究”(2013ZX07304 -001)

朱永杰(1990—),男,碩士研究生。主要研究方向:林業(yè)生態(tài)工程。E-mail:455710351@qq.com

?通信作者簡介:畢華興(1969—),男,教授,博士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持與林業(yè)生態(tài)工程。E-mail:bhx@bjfu.edu.cn