房地產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤入滲及徑流分析

馬建剛，黎建強(qiáng)，趙洋毅

(西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224)

開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失是我國水土流失問題的重要方面，水利部、中國科學(xué)院、中國工程院組織完成的“全國水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察”結(jié)果顯示，“十五”期間，全國開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目擾動地表面積達(dá)到5.53萬km2，大部分分布在丘陵區(qū)和山區(qū)，棄土棄渣量92.1億t，由此增加的水土流失量超過3億t[1]。據(jù)2016年中國水土保持公報，全國當(dāng)年審批開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案達(dá)29 157個，涉及水土流失防治責(zé)任范圍11 592.14 km2，設(shè)計攔擋棄土棄渣量50.43億m3，僅云南省就審批生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案2 142個，涉及防治責(zé)任范圍864.29 km2，設(shè)計攔擋棄土棄渣量4.97億m3。城鎮(zhèn)作為人類最為集中的區(qū)域，每天都有大量的建設(shè)活動，尤其以房地產(chǎn)類型的項(xiàng)目建設(shè)活動居多。根據(jù)2017年昆明市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，昆明市2017年房屋建筑施工面積10 132.03萬m2，其中新開工面積4 131.40萬m2。有關(guān)房地產(chǎn)開發(fā)建設(shè)活動水土流失預(yù)測及防治方面的論述較多[2-4]，但關(guān)于建設(shè)擾動面的土壤入滲性能和徑流特征的研究尚未見報道。

開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域土壤的入滲特征嚴(yán)重影響地表徑流量和對土壤水分的補(bǔ)給，是水土流失預(yù)測、水土保持措施設(shè)計和管理的重要參考指標(biāo)，可以使得以定性為主的參數(shù)確定向定量的科學(xué)取值發(fā)展。因此，研究開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目土壤水分入滲對開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持管理具有重要意義。

1 試驗(yàn)地概況與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

選擇昆明經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)的3處在建房地產(chǎn)項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)，3處項(xiàng)目總開發(fā)面積63.80 hm2，場內(nèi)除堆體外，坡度為0°～4.3°，基本平整，建設(shè)前項(xiàng)目場地的90%區(qū)域都是同一片經(jīng)果林地。3處項(xiàng)目均已全面開工建設(shè)，建筑物區(qū)域已經(jīng)有1層的地上部分雛形，還有部分施工材料、施工機(jī)械及工棚覆蓋，其余地面基本裸露。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計及方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計

將房地產(chǎn)項(xiàng)目建設(shè)現(xiàn)場劃分為裸露松散堆體、裸露壓實(shí)體、裸露場內(nèi)路面、不透水面4個建設(shè)擾動類型面，無擾動地選擇同一片區(qū)的經(jīng)果林地。每個透水類型面均選擇3個樣地進(jìn)行入滲試驗(yàn)，樣地坡度為0°～3°。同時，測定每個建設(shè)擾動類型面的面積，采集20 cm深度內(nèi)的土壤用于測定機(jī)械組成、含水率、容重、孔隙度。對松散堆體試驗(yàn)點(diǎn)先進(jìn)行平整再開始試驗(yàn)，平整時避免產(chǎn)生人為壓實(shí)。

1.2.2 試驗(yàn)方法

土壤含水率采用質(zhì)量含水率，土壤孔隙度、容重采用環(huán)刀法測定，土壤機(jī)械組成采用吸管法測定。

水分入滲參考水文學(xué)原理中的土壤下滲直接測定法[5]，采用雙環(huán)入滲儀進(jìn)行測定。雙環(huán)入滲儀內(nèi)環(huán)直徑28 cm，外環(huán)直徑53 cm，環(huán)高20 cm。試驗(yàn)時將內(nèi)外環(huán)按照同心圓布置，同時打入土壤10 cm深，內(nèi)外環(huán)同時加水，控制入滲水頭為5 cm，用秒表每1 min記錄一次內(nèi)環(huán)水位，記錄的同時向內(nèi)外環(huán)加水至5 cm深，如此重復(fù)，直至連續(xù)5 min水面下滲高度相同時，停止試驗(yàn)。為了便于比較分析，計算入滲速率時將不同水溫情況下的土壤入滲速率值統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成10 ℃標(biāo)準(zhǔn)水溫情況下的土壤入滲速率值，得到不同時刻單位水力梯度下的土壤入滲速率(也稱為滲透系數(shù))，計算公式為

(1)

(2)

上二式中：K10為溫度為10 ℃時的滲透系數(shù)，mm/min；t為測定時的溫度，℃；Kt為溫度為t時的滲透系數(shù)，mm/min；Qn為通過土柱的水體積，即第n次測定時內(nèi)環(huán)下滲的水量，mL；S為滲透面積，即雙環(huán)內(nèi)環(huán)橫斷面積，615.44 cm2；H為固定水深，5 cm；L為土層厚度，即環(huán)刀嵌入土層的厚度，10 cm；tn為第n次測定時所間隔的時間，min。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本狀況

建設(shè)擾動類型面的土壤水分、容重、孔隙度等均與對照經(jīng)果林地有一定差異，詳見表1。被深挖疏松或是直接堆放的松散堆體容重小、孔隙大，而被強(qiáng)烈碾壓的路面和壓實(shí)平整的壓實(shí)體則容重大、孔隙小，尤其是路面最為明顯。其中施工場地內(nèi)土壤只有松散堆體的容重比經(jīng)果林小，孔隙狀況更優(yōu)。由于是在旱季進(jìn)行的試驗(yàn)，因而各類型土壤含水率均較低，其中：壓實(shí)體含水率較高，為15.99%；松散堆體最低，為7.40%。施工場地內(nèi)土壤均為輕壤土，經(jīng)果林地為砂壤土。

表1 各場地類型土壤物理特征

假定土層厚1 m，由總孔隙度可計算得出，最大持水量經(jīng)果林地為58.49 cm，松散堆體為57.11 cm，壓實(shí)體和場內(nèi)路面分別為50.72和35.34 cm。非毛管孔隙保持的水分稱為重力水含量，重力水含量是在飽和含水情況下重力可以排出的水分，其意義在于使土壤及時獲得再容納滯存水分的能力，根據(jù)非毛管孔隙度可得出，1 m厚土層的重力水含量由大到小依次為松散堆體(22.13 cm)、經(jīng)果林地(13.02 cm)、壓實(shí)體(12.39 cm)、場內(nèi)路面(3.83 cm)。最大持水量減去現(xiàn)場自然含水量即為1 m厚土層在已有自然含水量條件下可再容持的最大水量，由大到小分別為松散堆體(48.67 cm)、經(jīng)果林地(41.88 cm)、壓實(shí)體(29.77 cm)、場內(nèi)路面(11.33 cm)。說明按照1 m厚土層計算，松散堆體容納滯存水分的能力最強(qiáng)，同時松散堆體排空土壤水分、持續(xù)滯存水分的能力也是最強(qiáng)。3類透水類型面中除場內(nèi)路面的重力水含量為3.83 cm外，其余各類型面水分參數(shù)計算值均大于昆明市20 a一遇1 h最大降雨量(約60.0 mm)。但靜態(tài)計算的土壤容持水分的能力轉(zhuǎn)化為減少地表徑流的效果，還必須依靠其獲得或是滲入水分的速率來實(shí)現(xiàn)。

2.2 土壤入滲特征

房地產(chǎn)項(xiàng)目在建設(shè)初期要進(jìn)行場地清理和初步平整，然后要進(jìn)行開挖等施工，這些施工活動勢必影響土壤的孔隙狀況和緊實(shí)性，進(jìn)而影響其水分下滲能力，下滲弱則容易產(chǎn)生地表徑流，更容易引起土壤侵蝕。

表2為房地產(chǎn)項(xiàng)目建設(shè)場地和經(jīng)果林地的入滲值。可以看出，房地產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目只有松散堆體地表土壤入滲性能優(yōu)于經(jīng)果林地，1 h累計入滲量多4.89 mm，多13.2%，但是場地加權(quán)平均入滲值小于經(jīng)果林地，不足經(jīng)果林地的50%。

表2 房地產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目場地和經(jīng)果林地入滲特征值

注：不透水面入滲值均取0。

松散堆體和經(jīng)果林地1 h累計入滲量大于昆明市1 a一遇1 h最大降雨量36.6 mm，遠(yuǎn)小于20 a一遇1 h最大降雨量60.0 mm，而房地產(chǎn)項(xiàng)目其他場地類型及均值入滲值則遠(yuǎn)小于上述兩個雨量值。

各場地類型入滲曲線見圖1。場內(nèi)路面和壓實(shí)體由于經(jīng)過機(jī)械碾壓，分別在入滲開始后7和8 min入滲速率變?yōu)?，而松散堆體和經(jīng)果林地分別在入滲開始后15和21 min進(jìn)入穩(wěn)滲階段。經(jīng)果林地的入滲曲線下降得最慢，松散堆體和壓實(shí)體下降得最快，這3個場地地表水分入滲均符合Horton模型的過程描述，即土壤水分入滲速率隨時間增加呈現(xiàn)逐漸減小且最終趨于一個穩(wěn)定值的變化趨勢；而場內(nèi)路面在入滲階段一直保持較小的入滲值，且無明顯的遞變趨勢。

圖1 各場地類型土壤水分入滲曲線

與2.1分析結(jié)果對比，土壤水分滲透能力較弱，無法充分發(fā)揮土壤孔隙的蓄持水分作用，說明土壤孔隙的連通性不好，而且表層壓實(shí)也限制了土體獲得水分、減少徑流的能力。

2.3 場地徑流分析

在《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》(GB 51018—2014)中推薦使用徑流系數(shù)法進(jìn)行水損失預(yù)測，并針對自然界的大多數(shù)地表狀況提供了徑流系數(shù)參考值[6]。《昆明市城市雨水收集利用的規(guī)定》(昆政發(fā)〔2009〕60號)針對建成區(qū)地表，在日設(shè)計降雨25.5 mm條件下給出了綜合徑流系數(shù)參考值，其中硬化屋頂和路面的雨量徑流系數(shù)取0.8，綠地的雨量徑流系數(shù)取0.15[7]。但上述兩個規(guī)范并沒有建設(shè)項(xiàng)目擾動期間擾動地表的參考值，當(dāng)前很多開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目擾動期間的地表徑流系數(shù)計算仍舊采用經(jīng)驗(yàn)值。

開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目引起地表裸露，加之徑流沖刷使得侵蝕加劇，因此截排場內(nèi)水分是有效減弱場內(nèi)土壤侵蝕的重要方法，而計算徑流洪峰流量則是保證排水措施有效合理的保證。開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目場內(nèi)排水徑流洪峰流量計算常采用的公式[6]為

(3)

式中：Q為最大清水洪峰流量，m3/s；Fi為不同類型場地面積，km2；fi為不同類型場地徑流系數(shù)；p為設(shè)計暴雨強(qiáng)度，mm/min。

昆明市城市雨水收集利用和市政排水洪峰流量常采用的公式[7]為

(4)

式中：Q為最大清水洪峰流量，m3/s；Ai為不同類型場地面積，m2；fi為不同類型場地徑流系數(shù)；p為設(shè)計暴雨強(qiáng)度，mm/min。

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》(GB 51018—2014)，降雨標(biāo)準(zhǔn)采用20 a一遇1 h最大降雨量計算，昆明市為60 mm/h，即1 mm/min。根據(jù)前述穩(wěn)定入滲分析，設(shè)計降雨強(qiáng)度下，土壤水分飽和時為入滲不利狀況，此時松散堆體、壓實(shí)體、場內(nèi)路面、不透水面、經(jīng)果林地的穩(wěn)定入滲速率分別為0.49、0、0、0、0.29 mm/min。在相應(yīng)的1 h降雨期間，忽略蒸發(fā)影響，降雨量減去入滲量即為徑流量，可計算得出徑流系數(shù)分別為0.51、1.00、1.00、1.00、0.71，加權(quán)計算得出，房地產(chǎn)項(xiàng)目場地平均徑流系數(shù)為0.86。按照公式(3)和(4)計算得出，房地產(chǎn)項(xiàng)目場地施工期間20 a一遇1 h最大暴雨條件下的洪峰流量均是9.15 m3/s，相同面積下經(jīng)果林為7.55 m3/s。

以上計算結(jié)果明顯大于按項(xiàng)目水土保持方案計算的洪峰流量。原因主要是該處房地產(chǎn)類項(xiàng)目水土保持方案采用的綜合徑流系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為0.50，明顯小于本試驗(yàn)獲得的場內(nèi)徑流系數(shù)加權(quán)平均值0.86。

3 結(jié)論與討論

(1)房地產(chǎn)項(xiàng)目施工期場地被強(qiáng)烈擾動，除松散堆體外，其余裸露場地土壤被顯著壓實(shí)，容重增加，孔隙變小。但是除場內(nèi)路面飽和含水時重力排水引起的蓄水能力為3.83 cm外，其他裸露場地根據(jù)土壤非毛管孔隙度計算的水分蓄持能力均超過了昆明市20 a一遇1 h最大降水量。

(2)根據(jù)入滲試驗(yàn)，房地產(chǎn)項(xiàng)目擾動場地穩(wěn)定入滲速率平均為0.14 mm/min，無施工擾動的經(jīng)果林地為0.29 mm/min，場內(nèi)只有松散堆體入滲效果優(yōu)于經(jīng)果林地，其余裸露場地穩(wěn)滲率均為0。各類型裸露土壤，無論是1 h內(nèi)入滲量還是穩(wěn)滲數(shù)值均明顯低于昆明市20 a一遇1 h最大降水量和降水強(qiáng)度，說明在遇到類似暴雨時很容易發(fā)生地表徑流，無法發(fā)揮土壤孔隙的蓄持水分作用，但是經(jīng)果林入滲功能優(yōu)于施工場地，相應(yīng)產(chǎn)流要少。房地產(chǎn)項(xiàng)目場內(nèi)土體雖有各類孔隙，但是除松散堆體外，其余場地土壤被壓實(shí)，沒有良好的表層透水孔隙，也難以發(fā)揮土壤的蓄水滲水作用。

(3)在20 a一遇1 h暴雨條件下，本試驗(yàn)房地產(chǎn)項(xiàng)目場地主要施工期間徑流系數(shù)為0.86，對照經(jīng)果林為0.71，大于場地所屬項(xiàng)目已通過評審的水土保持方案采用值0.50，也大于筆者整理的昆明市近20個房地產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持方案徑流系數(shù)采用值(平均值0.62)。水土保持方案采用徑流系數(shù)偏小，會導(dǎo)致排水設(shè)施過水?dāng)嗝娴脑O(shè)計出現(xiàn)偏小的結(jié)果。

(4)松散堆體有助于增加施工場地水分入滲，減少徑流、減弱侵蝕，因此施工期間進(jìn)行科學(xué)的施工組織，保證較短的壓實(shí)裸露期，科學(xué)判斷暴雨徑流系數(shù)，可有助于更好地做好開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持工作。至于是減少徑流產(chǎn)生的侵蝕輕，還是通過壓實(shí)土壤增強(qiáng)土壤抗蝕性導(dǎo)致的侵蝕輕，還需要進(jìn)一步試驗(yàn)分析。