廈門海綿化改造區(qū)入滲性能測定及特征

劉家宏，王 東,，李澤錦，付瀟然，張 坤,，欒清華，徐 多

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100038；2.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021； 3.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300300)

快速城鎮(zhèn)化和雨島效應(yīng)導(dǎo)致城市內(nèi)澇日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的雨水“快排式”模式很難從根本上解決我國城市內(nèi)澇問題。自2014年中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部(以下簡稱住建部)發(fā)布《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》以來，海綿城市已成為專家學(xué)者熱議的話題[1-2]。Wang等[3]對海綿城市的內(nèi)涵、目標(biāo)和特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，討論了海綿城市的挑戰(zhàn)、研究需求及發(fā)展方向，并提出了海綿城市構(gòu)建的系統(tǒng)模式；張建云等[4]從城市水文過程的角度，系統(tǒng)解析了海綿城市的概念，并探討了海綿城市建設(shè)的目標(biāo)與指標(biāo)、建設(shè)功能與發(fā)展方向、城市地下排蓄系統(tǒng)、建設(shè)管理體制等若干問題；崔廣柏等[5]探討了海綿城市與流域控制的相互關(guān)系以及流域控制的基本措施。

隨著海綿城市試點(diǎn)的推進(jìn)，其建成后的效果逐漸成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[6-7]。海綿城市建設(shè)的“六字箴言”為“滲、滯、蓄、凈、用、排”，其中“滲”是海綿城市建設(shè)六大要素之首，但目前關(guān)于海綿化改造區(qū)入滲性能效果的研究相當(dāng)匱乏。眾所周知，土壤飽和導(dǎo)水率是表征土壤入滲能力的關(guān)鍵參數(shù)[8]，影響著水文循環(huán)過程中入滲、徑流及蒸發(fā)三者間的水量分配關(guān)系[9]，且當(dāng)土壤達(dá)到穩(wěn)定入滲之后，飽和導(dǎo)水率在數(shù)值上又與穩(wěn)定入滲率相接近[10]。因此土壤飽和導(dǎo)水率可作為判斷海綿城市入滲效果的重要參數(shù)。目前，土壤飽和導(dǎo)水率的測定方法眾多，包括定水頭法、單/雙環(huán)法、Guelph入滲儀法等。姚毓菲等[11]利用定水頭法探究了測定時(shí)間對土壤飽和導(dǎo)水率的影響；呂剛等[12]利用室內(nèi)定水頭法探究了不同復(fù)墾方式排土場礫石對土壤飽和導(dǎo)水率的影響；何錦等[13]利用雙環(huán)入滲儀測定了土壤的入滲曲線，發(fā)現(xiàn)土壤入滲參數(shù)服從正態(tài)分布，且具有空間變異性；姜順龍等[14]利用單、雙環(huán)法及室內(nèi)變水頭法測定了土石壩防滲心墻料滲透系數(shù)，并進(jìn)行了分析對比；王紅蘭等[15]采用Guelph入滲儀測量林地和坡耕地土壤的飽和導(dǎo)水率，并對比分析了單水頭法和雙水頭法所測得的飽和導(dǎo)水率的差異；翟子寧等[16]驗(yàn)證了Guelph 入滲儀法進(jìn)行室內(nèi)模擬的可行性，并研究了松華壩水源區(qū)不同土地利用類型對土壤入滲性能的影響。此外，土壤飽和導(dǎo)水率的測定方法還有圓盤滲透儀法[17]、Philip-Dunne入滲儀法[18]等。在眾多方法中，Guelph入滲儀法具有在現(xiàn)場直接測定的優(yōu)勢，且儀器設(shè)計(jì)和造型輕巧，實(shí)際操作簡單省力，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[19]。本研究選擇Guelph入滲儀法探究廈門市海綿化改造區(qū)土壤入滲性能，采用單水頭法和雙水頭法分別測定海綿化改造完成單元的土壤飽和導(dǎo)水率，分析廈門市海綿化改造區(qū)土壤入滲特性，并對傳統(tǒng)城市建設(shè)單元的土壤進(jìn)行對比試驗(yàn)，以對比分析海綿化改造和傳統(tǒng)開發(fā)單元土壤入滲特性的差異，旨在為評估海綿城市建設(shè)的入滲效果提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

廈門地處福建省東南部，多年平均水資源總量12.47億m3，人均水資源量562 m3，僅為全省平均值的1/6，遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)的人均水資源1 700 m3的警戒線[20]，屬極度缺水地區(qū)，并且常受臺風(fēng)等極端天氣的影響，易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降雨，產(chǎn)生城市洪澇災(zāi)害?；谶@一情況，廈門入選我國首批海綿城市試點(diǎn)，自2015年起，廈門市政府在海滄馬鑾灣片區(qū)和翔安新城片區(qū)兩個(gè)試點(diǎn)區(qū)大力推行海綿城市建設(shè)，目前已基本建設(shè)完成。

本文選取位于廈門市海滄區(qū)的新順路、新景路兩條海綿化改造的道路和翔安區(qū)洋塘居住區(qū)的B13地塊(以下簡稱“洋塘小區(qū)”)作為試驗(yàn)地點(diǎn)。新順路海綿化改造工程北起翁角路交叉口，南至陽光西路交叉口，全長797 m，其道路綠化帶采用生態(tài)多孔纖維棉進(jìn)行海綿化改造。新景路海綿化改造工程南起陽光路，終點(diǎn)至翁角路，道路呈南北走向，長度為650 m，其道路綠化帶采用普通的土壤改良處理。洋塘小區(qū)位于翔安新城片區(qū)核心區(qū)，是以海綿小區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)而成，總面積為4.2 hm2。試驗(yàn)測點(diǎn)分別位于兩條道路旁的綠化帶及小區(qū)內(nèi)地下停車場的上覆土綠地。此外，為探求海綿化改造的土壤相對于傳統(tǒng)城市建設(shè)區(qū)域的土壤入滲性能的差異，本文選取了同樣位于廈門市的陽光路和金尚小區(qū)進(jìn)行對比分析。這兩處試驗(yàn)地點(diǎn)都屬于傳統(tǒng)城市開發(fā)模式下的常規(guī)道路和居住區(qū)，均無海綿化改造措施。

2 試驗(yàn)儀器及方法

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用Eijkelkamp Agrisearch Equipment 公司生產(chǎn)的2800型號Guelph入滲儀測定土壤飽和導(dǎo)水率。該儀器基于馬里奧特瓶原理及三維流原理[21-22]，由供水部件和入滲部件組成(圖1)，供水部件可根據(jù)土壤入滲性能選擇內(nèi)部供水或內(nèi)外部同時(shí)供水，由調(diào)節(jié)閥門控制，入滲部件可以直接放入土壤用來測定入滲參數(shù)。該儀器能快速準(zhǔn)確測定土壤飽和導(dǎo)水率，易于搬運(yùn)、操作，適合于野外試驗(yàn)。

圖1 Guelph入滲儀

2.2 土壤飽和導(dǎo)水率計(jì)算方法

土壤飽和導(dǎo)水率是土壤中的空隙全部被水充滿、土壤水分連續(xù)性最好、基質(zhì)勢為0時(shí)的導(dǎo)水率。Guelph入滲儀法可采用單水頭法[23]或雙水頭法[24]計(jì)算公式求解土壤飽和導(dǎo)水率。

2.2.1單水頭法

單水頭法的土壤飽和導(dǎo)水率Kfs的計(jì)算公式為

(1)

式中：H為水頭，cm；a為入滲孔半徑，cm；Q為穩(wěn)定流量，cm3/s(本次試驗(yàn)取Q=R×35.22 cm2，R為蓄水管水位穩(wěn)定下降速率，cm/s)；C為形狀因子，是根據(jù)微觀毛管因子α*確定的，α*為關(guān)于土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)等的一個(gè)綜合參數(shù)。形狀因子C的求解方法根據(jù)土壤質(zhì)地的不同可分別采用公式(2)～(4)計(jì)算：

(2)

(3)

(4)

式(2)適用于壓實(shí)或非結(jié)構(gòu)化的黏土或淤泥，α*=0.01；式(3)適用于細(xì)質(zhì)地(黏土或粉砂質(zhì))和非結(jié)構(gòu)化的土壤，α*=0.04；式(4)適用于大多數(shù)結(jié)構(gòu)土壤，還包括非結(jié)構(gòu)化的砂土及含有大量裂隙或空隙的土壤，α*≥0.12。

2.2.2雙水頭法

雙水頭法的土壤飽和導(dǎo)水率Kfs的計(jì)算公式為

Kfs=G2Q2-G1Q1

(5)

式中：Q1、Q2分別為兩次試驗(yàn)的穩(wěn)定流量，cm3/s(本次試驗(yàn)取Q1=R1×35.22 cm2，Q2=R2×35.22 cm2，R1、R2分別為兩次試驗(yàn)的蓄水管水位穩(wěn)定下降速率，cm/s);G1、G2為入滲環(huán)形狀系數(shù)，計(jì)算公式為

(6)

(7)

式中：H1和H2分別為兩次試驗(yàn)的水頭，cm；C1、C2為兩次試驗(yàn)的形狀因子，可以根據(jù)土壤質(zhì)地選擇式(2)(3)或(4)及相應(yīng)的參數(shù)α*進(jìn)行計(jì)算。

試驗(yàn)的時(shí)間為夏季，氣候炎熱濕潤，并且連續(xù)超過5 d未下雨，土壤處于不飽和狀態(tài)。鉆取土樣觀察到土壤的結(jié)構(gòu)屬于結(jié)構(gòu)化土壤，還包括一些中細(xì)砂，因此采用蓄水管內(nèi)外部同時(shí)供水的方法來進(jìn)行試驗(yàn)，并且微觀毛管因子α*取0.12，利用式(4)計(jì)算形狀因子C。因城市人為干擾因素較多，為精確計(jì)算土壤飽和導(dǎo)水率，本研究綜合采用單、雙水頭公式等多種方法對土壤飽和導(dǎo)水率進(jìn)行測定，其中包括5 cm單水頭法、10 cm單水頭法、單水頭均值法(即兩次單水頭法計(jì)算結(jié)果的均值、雙水頭法)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同方法所得飽和導(dǎo)水率的差異

在經(jīng)過海綿化改造的區(qū)域進(jìn)行了多次試驗(yàn)，排除由于人為因素(如沒有保持鉆孔恒定水深、漏讀、漏記等)所導(dǎo)致的錯(cuò)誤結(jié)果，共得到28組有效數(shù)據(jù)，其中新順路8組、新景路10組、洋塘小區(qū)10組。飽和導(dǎo)水率的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法測得的Kfs值

由圖2可見，無論采用什么方法得到的土壤飽和導(dǎo)水率，新順路最大、新景路次之、洋塘小區(qū)最小，并且不同方法計(jì)算得到的結(jié)果差異較為明顯，其中，在雙水頭法中，新順路飽和導(dǎo)水率是洋塘小區(qū)的21.57倍。究其原因，3處試驗(yàn)測點(diǎn)的海綿化改造工程有所差異。新順路旁的綠化帶地下設(shè)有高透水的生態(tài)多孔纖維棉，該材料透水性極高，空隙率高達(dá)96.1%，其蓄水容量較大，蓄水體積與產(chǎn)品體積接近1∶1；新景路旁的綠化帶為轉(zhuǎn)輸型植草溝，土壤進(jìn)行了置換，主要起快速收集及轉(zhuǎn)輸雨水到旁邊雨水花園的作用，即海綿城市建設(shè)六要素中“排”的效果；而洋塘小區(qū)內(nèi)的綠地為覆土綠地，覆蓋景觀植物的土壤從上到下依次包括礫石層、混合土層及有機(jī)質(zhì)，土壤下設(shè)有隔水頂板，地下建有停車場，上層覆土入滲性能相較于其他海綿化改造措施來說不能太強(qiáng)，蓄水容量不能太大，否則影響地下停車場的正常運(yùn)行。

對同一海綿化改造地點(diǎn)來說，不同方法的計(jì)算結(jié)果也存在較大差異，計(jì)算結(jié)果從大到小依次為雙水頭法、10 cm單水頭法、單水頭均值法、5 cm單水頭法，其中，新順路利用雙水頭法計(jì)算所得的土壤飽和導(dǎo)水率是5 cm單水頭法計(jì)算結(jié)果的15.25倍。對新順路的8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析表明，蓄水管水位穩(wěn)定下降速率差異較大，在雙水頭法的計(jì)算結(jié)果中，土壤飽和導(dǎo)水率最大值是最小值的22.15倍。測量結(jié)果的不確定性較大，反映了土壤的空間異質(zhì)性較大。為了精確評價(jià)每種方法計(jì)算所得土壤飽和導(dǎo)水率的差異性，各試驗(yàn)測點(diǎn)不同方法計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差列于表1。由表1可知，洋塘小區(qū)所有方法計(jì)算所得土壤飽和導(dǎo)水率的標(biāo)準(zhǔn)差最小，新景路次之，新順路最大，其中，新順路雙水頭法計(jì)算所得土壤飽和導(dǎo)水率的標(biāo)準(zhǔn)差最大為0.908，可見新順路入滲過程的隨機(jī)性較大。究其原因，主要是因?yàn)橥寥澜Y(jié)構(gòu)的空間異質(zhì)性，新順路、新景路及洋塘小區(qū)的土壤均進(jìn)行了置換處理，土壤豎向結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每層土壤的理化性質(zhì)存在較大差異；新順路地下埋有生態(tài)多孔纖維棉，使土壤結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，豎向結(jié)構(gòu)更加多變，而洋塘小區(qū)因地下為停車場，土壤厚度不是太大，土層結(jié)構(gòu)相對簡單，因此新順路土壤空間異質(zhì)性最大，而洋塘小區(qū)相對較小。此外，所有方法計(jì)算所得土壤飽和導(dǎo)水率中，5 cm單水頭法計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差最小，雙水頭法計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差最大，說明在所有方法中，利用5 cm單水頭法計(jì)算所得土壤飽和導(dǎo)水率的離散程度較小，誤差較小，在本研究區(qū)域，利用5 cm單水頭法計(jì)算土壤飽和導(dǎo)水率的適應(yīng)性較好，且該種方法綜合考慮了壓力勢、重力勢及毛細(xì)管力對水分流動的影響，因此，在該研究區(qū)域的海綿化改造區(qū)測定土壤入滲性能時(shí)，推薦使用5 cm單水頭法。

表1 海綿化改造區(qū)不同方法所得Kfs的標(biāo)準(zhǔn)差單位：mm/h

3.2 對比試驗(yàn)結(jié)果分析

在傳統(tǒng)城市建設(shè)區(qū)域陽光路和金尚小區(qū)進(jìn)行了同樣的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 陽光路及金尚小區(qū)計(jì)算所得Kfs值

由圖3可知，金尚小區(qū)的土壤飽和導(dǎo)水率大于陽光路，主要原因是金尚小區(qū)作為居民區(qū)，小區(qū)花園綠地土壤較一般道路綠地的土壤入滲性能好。由表2可知，5 cm單水頭法計(jì)算所得的土壤飽和導(dǎo)水率較其他方法標(biāo)準(zhǔn)差要小，說明該種方法所計(jì)算的結(jié)果較為可靠?？梢娫趶B門市傳統(tǒng)城市建設(shè)區(qū)進(jìn)行土壤飽和導(dǎo)水率試驗(yàn)時(shí)，5 cm單水頭法同樣適應(yīng)性較好。

表2 傳統(tǒng)城市建設(shè)區(qū)不同方法所得Kfs的標(biāo)準(zhǔn)差 單位：mm/h

以5 cm單水頭計(jì)算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，新順路土壤飽和導(dǎo)水率是陽光路的19.58倍，新景路是陽光路的8.23倍，洋塘小區(qū)是金尚小區(qū)的1.02倍，可見經(jīng)過海綿化改造的道路比一般市政道路的土壤入滲速率要快，而埋有生態(tài)多孔纖維棉的新順路入滲性能更好。對于經(jīng)過海綿化改造的洋塘小區(qū)來說，其土壤飽和導(dǎo)水率與傳統(tǒng)金尚小區(qū)相差不大，原因主要是洋塘小區(qū)地下為停車場，設(shè)有隔水頂板，其覆土厚度不大，蓄水能力有限，因此產(chǎn)生了與一般小區(qū)的土壤入滲性能差別不大的效果?？梢娧筇列^(qū)B13地塊雖進(jìn)行了海綿化改造，但因海綿化改造目的及措施的局限性，其土壤入滲效果一般，難以起“滲”的作用。

4 結(jié) 論

a. 在不同海綿化改造措施的土壤中，采用生態(tài)多孔纖維棉海綿化改造的新順路土壤入滲能力最大，采用一般轉(zhuǎn)輸型植草溝海綿化改造措施的新景路次之，而設(shè)有隔水頂板、地下為停車場的上覆土綠地入滲效果最差。

b. 海綿化改造單元和傳統(tǒng)開發(fā)單元的對比試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過海綿化改造的道路綠化帶比一般傳統(tǒng)道路的綠化帶土壤入滲性能高，經(jīng)過生態(tài)多孔纖維棉改良的道路綠化帶的土壤飽和導(dǎo)水率比一般道路綠化帶高約20倍；經(jīng)過普通土壤改良的道路綠化帶的土壤飽和導(dǎo)水率比一般道路綠化帶高約8倍，海綿小區(qū)地下停車場的上覆土綠地由于下層存在隔水頂板，其入滲效果不佳，土壤飽和導(dǎo)水率與一般傳統(tǒng)小區(qū)相當(dāng)。

c. 由于土壤結(jié)構(gòu)空間上的異質(zhì)性，每次試驗(yàn)測得的土壤飽和導(dǎo)水率都不一樣，新順路8組數(shù)據(jù)計(jì)算得到的土壤飽和導(dǎo)水率最大相差22.15倍；不同方法測得的土壤飽和導(dǎo)水率結(jié)果差別也很大，5 cm單水頭法計(jì)算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差最小，雙水頭法最大；在廈門市海綿化改造區(qū)進(jìn)行土壤入滲試驗(yàn)時(shí)，建議采用5 cm單水頭法，該方法的可靠性和穩(wěn)定性更高。