下凹式綠地穩(wěn)定入滲率的試驗(yàn)研究

冀雅珍（山西省水利水電科學(xué)研究院　山西　太原　030002）

下凹式綠地穩(wěn)定入滲率的試驗(yàn)研究

冀雅珍
（山西省水利水電科學(xué)研究院山西太原030002）

本文通過下凹式綠地進(jìn)行的雙套環(huán)以及圓桶土體下滲試驗(yàn)，分析探討了試驗(yàn)區(qū)下凹式綠地的土壤穩(wěn)定入滲率與土壤質(zhì)地、土壤含水率的關(guān)系。研究表明：下凹式綠地在雨天的下滲可為試驗(yàn)區(qū)的雨水利用、涵養(yǎng)地下水資源、清除地表積水、減少農(nóng)作物的灌溉次數(shù)、節(jié)約綠地用水量等方面提供一定的技術(shù)支撐。

下凹式綠地；穩(wěn)定入滲率；土壤質(zhì)地；土壤含水率；窗體頂端

下凹式綠地的雨水利用技術(shù)是城市雨水滲透應(yīng)用的一種較成熟、簡(jiǎn)便的方法。在國(guó)外研究中，美國(guó)的雨水利用一般以提高天然入滲能力為目的，德國(guó)開發(fā)雨水利用MR系統(tǒng)［1］，日本在全國(guó)推廣寸水滲透計(jì)劃。在我國(guó)也有不少專家學(xué)者對(duì)下凹式綠地進(jìn)行滲透雨水、積蓄雨水利用研究。有專家研究表明：滲透性能良好的綠地土壤就像一個(gè)天然的過濾層，充分利用土壤的自凈能力，徑流下滲后可以去除大部分污染物，不但不會(huì)污染地下水而且還可以補(bǔ)充地下水，彌補(bǔ)水資源的不足［2］。為了試驗(yàn)區(qū)內(nèi)綠化環(huán)境、小范圍氣候、區(qū)內(nèi)及周邊生態(tài)環(huán)境的改善，建設(shè)下凹式綠地來補(bǔ)充和涵養(yǎng)地下水資源、凈化土壤、防止水土流失。因此有必要對(duì)綠地的入滲進(jìn)行探討。

1　試驗(yàn)區(qū)概況

山西省水利水電科學(xué)研究院高效節(jié)水基地是山西省唯一的省級(jí)節(jié)水示范基地，曾為我省水利事業(yè)的發(fā)展作出突出的貢獻(xiàn)。節(jié)水基地占地7.6hm2，位于太原市小店區(qū)西溫莊鄉(xiāng)，屬溫帶大陸性半干旱氣候，四季分明，多年平均降雨量約為430mm，時(shí)空分布極不均勻，7月份降水量較大，約占全年總降水量的62%；12月份至次年2月份降水量最小，約占全年降水量的2%。年平均氣溫9.5℃，最高氣溫是7月份，平均氣溫23.5℃；最低氣溫是1月份，平均為 -6.8℃。多年平均蒸發(fā)量1812.7mm，5～6月份最大，為280mm，1月及12月最小，為40mm，蒸發(fā)量為降水量的4倍左右。受氣候、地形條件影響，大范圍的特大暴雨發(fā)生的幾率極少，局部暴雨比較常見。

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地形平坦，起伏不大，主要土壤類型為重壤土。土壤耕作層深度一般為20cm～25cm，田間持水量大，保水抗旱力強(qiáng)。

2　試驗(yàn)研究

2.1下凹式綠地設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)以現(xiàn)有綠地為載體，面積為310m2，降雨匯流面積約675m2，整體布局為：路面高于綠地，滲流雨水井臺(tái)設(shè)置于綠地中，井口高于綠地但低于區(qū)內(nèi)路面。四周路面比現(xiàn)有綠地高5cm，用于蓄滯、消納屋頂、柏油路面的雨水。下凹式綠地下凹深度的設(shè)置目的就是對(duì)天然降雨的攔蓄，使路面、屋頂形成的徑流第一時(shí)間匯進(jìn)綠地，把超滲雨水長(zhǎng)時(shí)間攔蓄起來，保證盡可能多的滲入綠地，使之轉(zhuǎn)變?yōu)橹亓λa(bǔ)給地下水。而多余的水量從預(yù)設(shè)好的排水口通過地下雨水管道排走。

2.2綠地的下凹滲透試驗(yàn)裝置及方法

2.2.1圓桶試驗(yàn)

下滲裝置分別由兩個(gè)自制鐵桶組成，直徑為60cm、高為100cm。桶內(nèi)上層種植本土綠草，土體表面離桶口深度為5cm，綠草土的厚度為20cm。1號(hào)圓桶中逐層填入55cm項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的重壤土，2號(hào)圓桶中逐層填入55cm的砂壤土，兩圓桶最下層20cm均設(shè)反濾層，桶底設(shè)滲水排水管。試驗(yàn)系統(tǒng)由淋水噴頭、高位水箱組成，所用測(cè)量?jī)x器有量筒、高精度水表和秒表，土體的滲透水量用秒表與量筒來完成測(cè)量。

2.2.2鋁制雙套環(huán)下滲儀

為了試驗(yàn)的方便，自制了鋁金屬雙套環(huán)下滲儀，上下無底，外環(huán)直徑60cm、內(nèi)環(huán)直徑30cm，金屬環(huán)高度20cm。試驗(yàn)開始，在外環(huán)與內(nèi)環(huán)中間要始終保證5cm左右的水深，內(nèi)外環(huán)要同時(shí)加水即可開始測(cè)土壤下滲量。

3　下滲率與下滲曲線的分析

試驗(yàn)中可用下滲率f（mm/min）來表示下凹式綠地下滲量的數(shù)值，下滲率通過綠地試驗(yàn)的下滲來測(cè)定。下滲率曲線采用如下方程［3］:

（1）

式中：

ft——t時(shí)刻的下滲率，mm/min；

f——穩(wěn)定下滲率，mm/min；f0——初始下滲率，mm/min；

β—下滲衰減指數(shù)，L/min。

3.1圓桶土體的下滲率及下滲曲線

3.1.11號(hào)圓桶試驗(yàn)

1號(hào)圓桶的雨水下滲試驗(yàn)于2013年7月12日進(jìn)行，7月9日降雨，當(dāng)路面產(chǎn)生徑流時(shí)進(jìn)行了采樣，試驗(yàn)從當(dāng)日早上10:00開始，在試驗(yàn)的整個(gè)過程中要保持綠地上有2cm～3cm的水深，當(dāng)加水僅有3min時(shí)，下面排水管開始有少量滲透水流出，之后38min滲流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，項(xiàng)目組在10:45分完成了1號(hào)圓桶試驗(yàn)，測(cè)得1號(hào)圓桶的滲透量及該時(shí)段的下滲率ft，其下滲曲線見圖1。

圖1　1號(hào)圓桶下滲曲線

從記錄的數(shù)據(jù)及圖1分析，并利用最小二乘法對(duì)圓桶土體的下滲值進(jìn)行計(jì)算，擬合其方程見下（單位mm/min）：

（2）

1號(hào)圓桶試驗(yàn)得出：試驗(yàn)剛開始，滲水量很大，其原因?yàn)橥寥狼捌诤啃〉木壒?，從試?yàn)數(shù)據(jù)看，最大值2.7L/min，試驗(yàn)?zāi)┢陔S著土壤含水量越來越飽和，滲水量最小值1.162L/min。另外為了證明水深對(duì)滲流量是否有直接關(guān)系，項(xiàng)目組成員把綠地水深由2cm～3cm逐漸加大，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改變水深幾乎對(duì)滲流量的大小影響微乎其微。隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤累積的入滲深度和入滲水量不斷增大，初始時(shí)刻增加較快；時(shí)間越長(zhǎng)，土壤累積的入滲深度和入滲水量增長(zhǎng)速度開始減緩，滲流量也隨之變小，這一點(diǎn)充分證明土壤含水率是影響土體滲流量的重要因素。

3.1.22號(hào)圓桶試驗(yàn)

2013年8月11日，路面徑流產(chǎn)生時(shí)采集了足夠的雨水，2號(hào)圓桶土體滲透試驗(yàn)從當(dāng)天上午9:30分開始，同1號(hào)圓桶試驗(yàn)一樣綠地上要保持2cm～3cm的水深，2min后下面排水管開始有少量滲透水流出，大約40min后滲流達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，10:15分時(shí)2號(hào)圓桶完成試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得2號(hào)圓桶的滲透量及此時(shí)段的下滲率ft，其下滲曲線見圖2。

圖2　2號(hào)圓桶下滲曲線

從測(cè)得的數(shù)據(jù)和圖2可以看出，2號(hào)圓桶土體滲透水量試驗(yàn)初期最大達(dá)7.3L/min，試驗(yàn)?zāi)┢跁r(shí)最小為2.335L/min。利用最小二乘法對(duì)2號(hào)圓桶土體下滲值進(jìn)行擬合，其方程為（單位mm/min）:

（3）

3.1.3對(duì)比分析結(jié)果

通過1號(hào)和2號(hào)圓桶土體下滲試驗(yàn)：開始階段下滲率兩者都很大，而后土體滲透率隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸變小，直至接近穩(wěn)定。不同之處，由于砂壤土的透水性較重壤土的透水性強(qiáng)，使得2號(hào)圓桶起初加水到從排水管滲透流出用時(shí)比2號(hào)圓桶用時(shí)短，從下滲曲線圖中可以看出1號(hào)圓桶曲線較2號(hào)曲線要緩，從最終的穩(wěn)定滲透率大小也能證明這一結(jié)論?？梢?，土壤質(zhì)地是影響水量入滲的又一重要因素。

3.2試驗(yàn)區(qū)綠地的下滲率及下滲曲線

3.2.1東綠地現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)

2013年9月23日對(duì)試驗(yàn)區(qū)東下凹綠地進(jìn)行雙套環(huán)下滲儀現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)得的t時(shí)刻的下滲率ft，其下滲曲線見圖3。

圖3東綠地滲透率曲線

依采集到的數(shù)據(jù)，利用最小二乘法對(duì)區(qū)內(nèi)東綠地?cái)M合，其方程為（單位mm/min）:

（4）

3.2.2西綠地現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)

2013年10月25日，對(duì)試驗(yàn)區(qū)西綠地進(jìn)行雙套環(huán)下滲儀現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)得的t時(shí)刻的下滲率ft，其下滲曲線見圖4。

圖4　　西綠地下滲率曲線

依收集到的數(shù)據(jù)，同樣采用最小二乘法對(duì)西綠地進(jìn)行擬合，其方程為 （單位mm/min）:

（5）

3.2.3對(duì)比分析結(jié)果

從上圖3、圖4可以看出：東綠地初始滲 透 率為 53.98mm/min， 西 綠 地 為28.87mm/min，東綠地下滲時(shí)長(zhǎng)共用時(shí)290min達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而西綠地僅用了120min趨于穩(wěn)定；東綠地穩(wěn)定下滲率4.91mm/min，西綠地為4.16mm/min。分析產(chǎn)生東綠地初始滲透率大于西綠地，入滲達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間的不同等性及滲透值的不相同性的原因是：在做西綠地滲透試驗(yàn)時(shí)，草坪當(dāng)天噴過水，其含水量較東綠地要高；試驗(yàn)雖在同一區(qū)內(nèi)，但選擇的地點(diǎn)不同，可能土壤的質(zhì)地也略有差別，因此，土壤質(zhì)地也是影響最終穩(wěn)定下滲率的因素之一。

4　綠地最終穩(wěn)定入滲率的確定

分析以上四組試驗(yàn)最終分析得出：圓桶土體試驗(yàn)的穩(wěn)定滲透率0.421mm/min與現(xiàn)場(chǎng)綠地的4.91mm/min相差很大。主要是由于圓桶中土體周圍是不透水的桶壁，滲透水流基本都是垂直滲透的；而雙套環(huán)下滲儀所測(cè)試的入滲面積很小，水體向四周土壤入滲的因素加大，影響了水量垂直方向的下滲，相比較而言，圓桶試驗(yàn)更接近下凹式綠地在雨天下滲的一個(gè)滲透點(diǎn)。

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)90%以上為重壤土分布，從試驗(yàn)研究來看，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)重壤土的穩(wěn)定滲率0.421mm/min能較合理的代表本區(qū)域的土壤穩(wěn)定入滲率，也能為今后高效節(jié)水的發(fā)展帶來一定幫助。

試驗(yàn)區(qū)綠地滲透取點(diǎn)有限，對(duì)于要精確得出太原地區(qū)具有代表性的穩(wěn)定下滲率，還需要進(jìn)一步細(xì)致深入的開展研究。

5　結(jié)語

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，水資源短缺越來越凸顯，雨水是極有價(jià)值的寶貴資源，在我國(guó)各城市大力提倡建設(shè)下凹式綠地蓄滲雨水示范工程，可為今后儲(chǔ)存雨水、緩解地下水資源、清除地表積水、把汛期徑流出境量轉(zhuǎn)化為雨水資源、減少農(nóng)作物的灌溉次數(shù)、節(jié)約綠地用水量等方面提供一定的技術(shù)支撐。下凹式綠地雨水利用具有良好的滲透效果和廣泛的適用性，對(duì)水資源的良性循環(huán)將會(huì)起到促進(jìn)作用，是一項(xiàng)長(zhǎng)久的、具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)。陜西水利

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（責(zé)任編輯：暢妮）

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