西安城區(qū)綠地雨水下滲特征與影響分析

張建鋒，董旭輝，劉 茵，張 挺，馬澤龍

(1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710055；3.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；4. 深圳市新城市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)股份有限公司, 廣東 深圳 518172)

按照國(guó)家住建部頒布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，構(gòu)建低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)是海綿城市建設(shè)的重點(diǎn)內(nèi)容，其中高效穩(wěn)定的雨水下滲系統(tǒng)是減少?gòu)搅髁?、降低雨洪峰值和消減城市面源污染的有效技術(shù)手段[1].

在西北干旱半干旱地區(qū)開展城鎮(zhèn)雨水滲蓄的實(shí)踐，應(yīng)考慮西北地區(qū)廣泛存在濕陷性黃土的工程地質(zhì)特征.西安市主城區(qū)濕陷性黃土分布廣泛[2]，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然降水過(guò)程和人工擾動(dòng)，城區(qū)表層黃土的濕陷性已經(jīng)消除，一般降雨條件下極少涉及到黃土地層的濕陷性問(wèn)題[3].強(qiáng)化雨水下滲是目前海綿城市建設(shè)的重要內(nèi)容之一，通過(guò)下凹式綠地、滲井、盲溝以及滲水溝渠等工程措施，可以增大雨水下滲量進(jìn)而達(dá)到消減地表徑流和徑流面源污染的目的，但這一過(guò)程中對(duì)以往已經(jīng)減緩或消失的濕陷性黃土層的擾動(dòng)缺乏精確分析.另外，在開展強(qiáng)化雨水下滲實(shí)踐時(shí)，表層土對(duì)雨水徑流中典型污染物的截留消解性能也亟待探明.

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和計(jì)算模擬討論了西安城區(qū)雨水下滲特征，建立了西安城區(qū)綠地下凹深度與雨水下滲深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合當(dāng)?shù)貥O端降水條件和濕陷性黃土層埋深特征，討論了強(qiáng)化雨水下滲技術(shù)在西安城區(qū)的適用性，并分析了雨水在土壤下滲過(guò)程中污染物濃度在土壤中的遷移消減變化規(guī)律，研究結(jié)果可為濕陷性黃土地區(qū)城市雨水下滲系統(tǒng)和徑流面源污染治理設(shè)施的建設(shè)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 滲水試驗(yàn)

滲水試驗(yàn)在西安南郊一處草坪綠地進(jìn)行，綠地草莖剝除后整平，作為表層入滲場(chǎng)地；，綠地草莖剝除后下挖30 cm整平，作為深層入滲截面.入滲儀采用由馬利奧特容器自動(dòng)供水的單環(huán)滲透儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)滲水試驗(yàn)，入滲試驗(yàn)開始后1.0 min測(cè)定的第一個(gè)數(shù)據(jù)作為初始入滲率，入滲試驗(yàn)結(jié)束前單位時(shí)間內(nèi)連續(xù)3次保持不變的入滲速率作為穩(wěn)定入滲率，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)重復(fù)三次后取平均值.

1.2 城市土壤性能檢測(cè)

地表土壤取樣點(diǎn)包括居民區(qū)綠地、公園綠地、學(xué)校綠地、道路綠化帶，植被類型選擇草坪、樹下草坪、樹下灌木等，土壤歷史包括小于5 a的新土以及大于20 a的老土[4].剝除表層10 cm作物層后利用圓形環(huán)刀采集表層以下10～20 cm的土壤樣品進(jìn)行粒徑、組成、容重等特征參數(shù)檢測(cè)，三組對(duì)照試驗(yàn)求出均值

1.3 城市土壤污染物本底性能檢測(cè)

在滲水試驗(yàn)前使用圓形環(huán)刀自表層10～50 cm埋深、間隔10 cm采集土壤，進(jìn)行土壤中NH3-N、CODCr、TN、TP、含水率等5指標(biāo)檢測(cè).在有關(guān)污染物濃度變化試驗(yàn)中，使用水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的人工配制雨水，代替實(shí)際雨水徑流進(jìn)行污染物降解及機(jī)理的研究[5]，人工配水污染物濃度按照研究區(qū)域內(nèi)典型道路雨水箅子處徑流的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定.將預(yù)制好的鋼圈切入地下30cm使雨水垂直下滲，為模擬下凹式綠地蓄積雨水入滲條件，地表留20 cm高度鋼圈，檢測(cè)不同作用水頭土壤入滲污染物變化.注入雨水達(dá)到設(shè)定水位后開始計(jì)時(shí)，在注水結(jié)束后分別在不同時(shí)間點(diǎn)分別采集表層下每10 cm間隔處深度土壤，檢測(cè)土樣中NH3-N、CODCr、TN、TP、含水率等5項(xiàng)指標(biāo).

1.4 模擬分析

采用HYDRUS軟件平臺(tái)進(jìn)行雨水下滲過(guò)程的模擬分析.軟件中所需的土壤水力參數(shù)主要通過(guò)三種方法獲得，即實(shí)測(cè)、參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和軟件所提供的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，模型土壤為單層，假設(shè)土壤顆粒為均勻分布.

2 研究結(jié)果與分析

2.1 西安城區(qū)工程地質(zhì)特征

西安主城區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)性質(zhì)沿地表向下分別為雜填土、素填土、新黃土、古土壤、粉質(zhì)黏土和中砂，其中新黃土層普遍具有濕陷性，其埋深在地表下4.5～15 m，層厚在4.0～9.0 m，呈透鏡體分散分布[6].

2.2 西安城區(qū)綠地表層土壤的特征參數(shù)

剝除表面作物層后取埋深1.0 m以內(nèi)土壤風(fēng)干、碾碎、混合均勻后篩分.結(jié)果顯示，土壤顆粒粒徑范圍為0.002～2.0 mm，d50=0.04 mm.依據(jù)土壤質(zhì)地的分類，西安城區(qū)綠地基層土壤屬于砂壤土[6]，不同區(qū)域的表層土構(gòu)成見(jiàn)表1.

表1 西安城區(qū)不同類型綠地土壤的顆粒特征

土壤顆粒組成及配比情況是影響水分入滲性能關(guān)鍵性因素[7].表1中，與小區(qū)綠地和校園綠地相比較，公園綠地和市政綠地基層土壤中粘粒含量較低.土壤中較高的粘粒含量一般表示其水分的入滲能力較差.多個(gè)采樣點(diǎn)土壤容重檢測(cè)結(jié)果表明，綠地基層土壤的容重為1.40～1.51 g/cm3，其中公園、市政等開放綠地中土壤容重明顯高于小區(qū)及景觀等封閉綠地.土壤容重及孔隙度(34%～50%)結(jié)果顯示，除市區(qū)主要公園開放綠地外，其他綠地內(nèi)基層土壤屬于輕度～中度壓實(shí)級(jí)別.

2.3 雨水的入滲性能

4種不同類型土壤水分入滲過(guò)程曲線顯示，不同類型綠地土壤入滲速率呈現(xiàn)初始下降快后趨于平緩的規(guī)律(圖1).入滲開始的40 min內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)入滲速率變化幅度較大，呈不穩(wěn)定狀態(tài).40 min后變化曲線逐漸平緩，90 min后均趨于穩(wěn)定.造成土壤入滲速率前后變化差異大的原因很多，入滲初始階段沒(méi)有降雨侵潤(rùn)的土壤表層相對(duì)干燥，一方面為土壤提供了較大的基質(zhì)勢(shì)度，此時(shí)基質(zhì)吸力起到了主要作用；另一方面，存在可利用的缺少水分的土壤孔隙較多，故初始入滲率較大.隨著入滲進(jìn)程加快，表層土壤水分逐漸進(jìn)入深層土壤，土壤中含水量增加，濕潤(rùn)帶層加厚，土壤基質(zhì)吸力梯度逐漸下降，通氣孔隙逐漸被充滿，入滲率隨之降低.當(dāng)土壤基質(zhì)吸力梯度隨入滲過(guò)程的進(jìn)行趨于零時(shí)，土壤入滲率在重力作用下維持在一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的水平[9].

圖1 不同類型土壤入滲速率隨時(shí)間變化曲線Fig.1 Infiltration rate of various soil with time

圖2 不同城市土壤入滲率比較Fig.2 Soil infiltration rate in typical city unban

根據(jù)Kohnke的土壤滲透性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)測(cè)和相關(guān)文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù)整理，給出西安、南京和上海城區(qū)綠地基層土壤的滲透情況見(jiàn)圖3.黃土丘陵溝壑區(qū)的農(nóng)地和荒地的土壤入滲率分別為0.19 cm·min-1、0.13 cm·min-1，與圖3中“較快”滲透級(jí)別相當(dāng)，以這一滲透級(jí)別(下限)為基準(zhǔn)，西安城區(qū)較快滲透級(jí)別的區(qū)域比例為78.9%，高于南京(57.1%)低于上海(84.2%)[4,8].另一方面，在西安城區(qū)綠地基層中沒(méi)有出現(xiàn)“較慢”以下級(jí)別的區(qū)域，因此整體優(yōu)良的地層下滲能力和較深的地下水位，是西安城區(qū)推廣雨水下滲措施的優(yōu)勢(shì).

2.4 雨水入滲過(guò)程的數(shù)值模擬

2.4.1 綠地土壤含水率的自然變化

自然條件下，一場(chǎng)降雨過(guò)后雨水在土壤中下滲的同時(shí)也會(huì)存在地表蒸發(fā)，因此土壤含水率是下滲與蒸發(fā)結(jié)果的疊合.圖3為校園內(nèi)一處綠地的土壤含水率變化連續(xù)監(jiān)測(cè)(10月26日降雨結(jié)束至11月2日)結(jié)果，地表土壤含水率最大值為0.207，最小值為0.179；埋深45 cm、75 cm處的最大和最小含水率分別為0.184、0.169及0.174、0.157.表層的含水率的變化幅度大于深層，表層主要受人為因素和降雨的影響，且表層存在水分的蒸發(fā)，小規(guī)模的降雨且地表沒(méi)有積水存在情況下，深層的土壤含水率較為穩(wěn)定.

圖3 不同深度土壤實(shí)測(cè)含水率Fig.3 The measured soil moisture at different depths

圖4 不同作用水頭下埋深5.0米處土壤含水率變化Fig.4 The soil moisture at 5.0 m depth with infiltration timeunder different water head

2.4.2 綠地土壤入滲速率模擬分析

根據(jù)圖3的實(shí)測(cè)結(jié)果，對(duì)HYDRUS軟件中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行回溯分析[11]，確定與實(shí)測(cè)結(jié)果近似的模型參數(shù)取值，采用HYDRUS軟件分析極端條件下雨水下滲深度的變化，建立滲水時(shí)間與入滲深度的關(guān)系.

假設(shè)在極端降雨條件下，下凹式綠地中一直蓄滿水，則相當(dāng)于在固定水頭條件下雨水下滲.根據(jù)西安城區(qū)表層土壤參數(shù)，以表層以下5.0 m處存在濕陷性黃土為約束條件，考察在不同作用水頭下雨水下滲5.0 m所需滲水時(shí)間.模擬土壤5.0 m深度處觀察點(diǎn)的含水量變化與滲水時(shí)間如圖5所示.當(dāng)濕潤(rùn)峰到達(dá)某一深度后，這一深度的含水率在短時(shí)間內(nèi)從初始含水率迅速達(dá)到飽和，對(duì)于濕陷性黃土層，在土壓力存在的情況下，含水量的增加將引起黃土的濕陷變形.在25 cm水頭條件下，雨水下滲到深度5.0 m處的時(shí)間為16.6 d，即此時(shí)雨水下滲到這一深度，并迅速達(dá)到飽和，隨著水頭減小，這一時(shí)間也向后推移，當(dāng)水頭為5.0 cm時(shí)，時(shí)間延長(zhǎng)至18.8 d.根據(jù)西安城區(qū)的歷史氣象資料，最大的持續(xù)降雨時(shí)間為19 d，因此在西安城區(qū)開展雨水下滲的實(shí)踐，在25 cm蓄水深度條件下，地層以下5.0 m范圍內(nèi)不出現(xiàn)濕陷性黃土為必須滿足的條件之一.

3 地表入滲后土壤中污染物遷移變化規(guī)律

3.1 土壤本底污染物及污染物遷移實(shí)測(cè)分析

城市道路邊的下凹式綠地一般比路面低5.0～20.0 cm.道路表面初期雨水進(jìn)入下凹式綠地后即開始下滲，其中攜帶的污染物在下滲過(guò)程中被土壤截留或消解.在持續(xù)降雨條件下，污染物隨雨水下滲深度及濃度變化，是評(píng)判雨水下滲過(guò)程環(huán)境影響的基礎(chǔ).圖5為一次人工模擬降雨后水中污染物濃度在土壤中的遷移變化的實(shí)測(cè)結(jié)果，雨水積蓄(滲水作用水頭)為5.0 cm，定水頭滲水2 h后水位下降直至積蓄雨水完全入滲.

Fig.5 典型污染指標(biāo)(實(shí)測(cè))在雨水下滲過(guò)程中的變化Fig.5 Distribution of pollutant measure concentration insoil with rainwater infiltration process

圖5顯示，表層土壤中污染物濃度在雨水下滲開始后迅速增大，滲水結(jié)束后逐漸降低，其中CODCr、TP、NH3-N在滲水結(jié)束10 d后均回落至土壤本底值附近，但TN在10 d后依然高過(guò)本底值約2倍，表明下凹式綠地對(duì)于不同污染物的截留消解效率存在差異.在表層以下，污染物隨雨水下滲逐漸向下遷移，隨入滲時(shí)間延長(zhǎng)表層以下某一深度處土壤中污染物濃度從本底值開始不斷增大至一穩(wěn)定值，隨后在入滲結(jié)束后時(shí)間逐漸向本底值回落.與CODCr、TP和TN相比較，NH3-N指標(biāo)歷經(jīng)10天在表層以下50 cm處最先恢復(fù)到土壤本底值，表明這一污染指標(biāo)的環(huán)境消解效率最高，這與地表環(huán)境富含硝酸鹽菌和亞硝酸鹽菌的特征相一致，而同一點(diǎn)TN的濃度在第10天穩(wěn)定在2.7 mg/L，表明NH3-N沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)脫氮，硝態(tài)氮和亞硝氮的分解可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間.CODCr、TP濃度的變化與含水率變化趨勢(shì)一致，表明CODCr、TP污染物隨雨水下滲遷移過(guò)程主要受水分遷移控制.另一方面，從TN、NH3-N的變化情況來(lái)看，在表層以下并沒(méi)有出現(xiàn)“濃度鋒面橫向擴(kuò)張”的特征，表層以下各取樣點(diǎn)的濃度一直處于持續(xù)降低的過(guò)程，表明TN、NH3-N的消解速率快于CODCr和TP.

雨水下滲過(guò)程中污染指標(biāo)變化規(guī)律的分析表明，與TN、NH3-N相比較，CODCr、TN在土壤層中的消解速率及效率較低，應(yīng)該是評(píng)價(jià)雨水下滲環(huán)境影響效果的主要控制指標(biāo)，在徑流污染濃度高的區(qū)域開展雨水下滲，必須對(duì)污染負(fù)荷較高的初期雨水進(jìn)行必要的前期處理.

3.2 雨水入滲土壤污染物模擬

根據(jù)對(duì)雨水下滲過(guò)程中污染指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定研究區(qū)域內(nèi)污染物在地層中的消解效率和速率常數(shù)，在HYDRUS軟件中將含水率變化與污染物消解過(guò)程耦合，可以開展相應(yīng)的模擬計(jì)算分析.模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果(圖5)較為接近，如圖6所示.

Fig.6 典型污染指標(biāo)(模擬)在雨水下滲過(guò)程中的變化Fig.6 Distribution of calculated pollutant concentration in soil with rainwater infiltration process by HYDURS

下凹式綠地下蓄積水深為5.0 cm，在模擬土壤污染物含量初始值和土壤本底值相同情況下，西安城區(qū)2年一遇2小時(shí)降雨的模擬結(jié)果如圖6所示.降雨后第十天降雨徑流挾帶的CODCr、氨氮、總磷污染物在地表層基本完全消解，在20 cm以下深度的土壤CODCr和總氮富集高過(guò)本底值，污染物中除氨氮外其它三種污染均向更深土壤層遷移.總體上看，在降雨結(jié)束時(shí)污染遷移深度基本達(dá)到10～15 cm埋深，降雨后第4 d污染物都已達(dá)到50 cm深度處土壤.氨氮和實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，氨氮到達(dá)40 cm深度處后不再向下遷移.模擬西安地區(qū)連續(xù)降雨歷史極限降雨(19 d)情況下污染物土壤中的變化，結(jié)果顯示總磷向下遷移到距地表5.8 m的深土壤層中，總氮和CODcr在距地表4.5 m內(nèi)完全消解，因此應(yīng)加強(qiáng)地表土壤和植物根系對(duì)總磷的去除或者對(duì)雨水中磷在進(jìn)入下凹式綠地前進(jìn)行預(yù)處理.

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)測(cè)與模型分析，關(guān)于西安城區(qū)綠地雨水下滲過(guò)程獲得以下結(jié)論：

(1)監(jiān)測(cè)表明西安地區(qū)黃土的下滲性能良好.模擬分析表明，在下凹式綠地中25 cm蓄水深度條件下雨水下滲到5.0 m深度需要16.6 d，小于西安城區(qū)連續(xù)降雨的極限值19 d，因此在極端天氣條件下，下凹式綠地中的雨水可能會(huì)對(duì)濕陷性黃土層造成影響，在西安城區(qū)開展雨水下滲應(yīng)結(jié)合地勘確定技術(shù)方案.

(2)雨水水質(zhì)在下滲過(guò)程中的遷移變化表明，氨氮污染在土壤和植物的作用下在表層基本得到去除，而CODCr、TP和TN在40～50 cm深度處污染物濃度均高過(guò)土壤本底值，在降雨入滲后第10天污染物不能完全去除，因此需要強(qiáng)化土壤表層去除污染物的效果，降低雨水下滲對(duì)深層土壤和地下水的污染風(fēng)險(xiǎn).