黃土地區(qū)一種儲水-綠化帶的開發(fā)研究

張少英 陶虎 石喜

摘 要：黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)面臨著地表雨水集中入滲過程中可能誘發(fā)深層黃土濕陷變形的問題，地表不均勻沉降威脅周邊建筑的安全?；趯S土濕陷問題和海綿城市建設(shè)雨洪轉(zhuǎn)換關(guān)系的認(rèn)識，實現(xiàn)城市雨水資源的高效利用，避免城市雨洪誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)用海綿城市建設(shè)理念，設(shè)計出一種適合黃土地區(qū)的雨水收集利用系統(tǒng)，利用砂礫石強(qiáng)導(dǎo)水特性進(jìn)行雨水蓄存和疏導(dǎo)，采用三七灰土和土工膜的低透水特性減少下滲量，實現(xiàn)地表雨水的收集、蓄存、過濾和綜合利用，減少匯入城市管網(wǎng)的水量。利用Geo-Studio SEEP/W模塊驗證其可靠性，模擬一次強(qiáng)降雨后12 h和24 h總水頭等勢線的變化規(guī)律，得出雨水可經(jīng)種植土下滲至儲水砂礫石層，在12 h開始積聚，直至24 h雨水依然被三七灰土層和土工膜有效阻隔，表明開發(fā)的雨水收集結(jié)構(gòu)能有效實現(xiàn)雨水淺層收集和利用，避免集中入滲引起深層黃土濕陷變形的問題。

關(guān)鍵詞：海綿城市;黃土;種植土;滲透特性;數(shù)值模擬

中圖分類號：TV213.9 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.011

Abstract： The construction of sponge city in loess area faces with the issue of collapsible deformation which may be induced by the infiltration of rainwater. Based on the loess collapsibility and the conversion between rain and flood， the efficient utilization of urban rainwater was realized as far as possible to avoid the geological disasters induced by urban rain-flood. The idea of sponge city was applied to design a system which suitable for loess area to collect and utilize rainwater. Sand and gravel with strong water conductivity could store and infiltrate rainwater， lime soil and geomembrane could prevent rainwater from seeping deeper， so as to realize the collection， storage， filtration and comprehensive utilization of surface rainwater， and reduce the amount of water flowing into the urban drainage network. The change rule of the total head contour at 12 h and 24 h after a heavy rainfall was simulated by the GeoStudio SEEP/W module. The results show that rainwater can infiltrate into the gravel layer through planting soil， and begin to accumulate at 12 h. Until 24 h， rainwater is still effectively blocked by lime soil and geomembrane， indicating that the developed rainwater collection structure can effectively realize the shallow collection and avoid the collapsible deformation of deep loess caused by infiltration.

Key words： sponge city; loess; planting soil; permeability characteristic; numerical simulation

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)快速發(fā)展，城市內(nèi)澇問題日益突出。目前城市主要依靠管渠、泵站等“灰色設(shè)施”排水，受排導(dǎo)能力所限，往往造成逢雨必澇的問題[1-3]。大面積硬化路面破壞了自然水循環(huán)，地表徑流無法順暢地滲入地下，且下滲不均勻，極易因濕陷變形而誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。如2018年8月，甘肅省慶陽市西峰區(qū)在降雨后，解放東路多處路面出現(xiàn)塌陷，并伴有不均勻沉降。

為解決此類“城市病”，早在20世紀(jì)90年代，國外針對城市建設(shè)提出了“低影響開發(fā)”（Low Impact Development，LID）概念;2014年我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺了《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）》[4]，2015年10月國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》[5]，隨后全國掀起了海綿城市建設(shè)的熱潮。謝定義等[6]指出，黃土對水表現(xiàn)出特殊的敏感性，濕陷量顯著，會對建筑物造成不同程度的危害。張建云等[7]指出，海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵是解決水的治理問題，是一項系統(tǒng)性工程，應(yīng)突出“一城一策”原則。李萍等[8]通過隴東地區(qū)降雨入滲規(guī)律的試驗研究，發(fā)現(xiàn)降雨可引起黃土地區(qū)地面以下1.2 m范圍內(nèi)土壤水分的變化，而在集中入滲的過程中，其下滲深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨時的下滲深度，容易引起深層黃土的濕陷變形。程樹斌等[9]利用非飽和滲流理論，視雨水入滲為一維問題，應(yīng)用于石家莊道路設(shè)計中的植被-土-碎石透水綠化帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)行雨水入滲能力分析。陳文立等[10]依據(jù)LID技術(shù)理念，選取黃土地區(qū)一居民小區(qū)，對其雨水控制，做出設(shè)計探討，并針對黃土濕陷性問題，提出相應(yīng)技術(shù)措施。

甘肅省慶陽市位于董志塬，屬隴東黃土地區(qū)，黃土覆蓋厚度大，淺層黃土在多年降雨影響下濕陷性不明顯，而深層黃土濕陷性明顯，作為第二批海綿城市建設(shè)試點之一，尚缺少相關(guān)處理經(jīng)驗。路面雨水常因排導(dǎo)不及時而產(chǎn)生地表徑流，形成城市內(nèi)澇，危及居民出行安全。為此，根據(jù)對黃土力學(xué)特性的認(rèn)識[6]，試圖設(shè)計一種適用于隴東黃土地區(qū)的海綿體結(jié)構(gòu)，運(yùn)用黃土滲流控制方程，揭示不同土質(zhì)的雨水下滲速率，進(jìn)而根據(jù)非飽和土—水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)，分析土體中水分的分布規(guī)律，使用GeoStudio SEEP/W模塊模擬一次強(qiáng)降雨過程，驗證海綿體的排導(dǎo)和下滲效果，以期為隴東黃土地區(qū)海綿城市的設(shè)計建造提供參考。

1 研究地區(qū)地形地貌與降雨特征

1.1 隴東地區(qū)濕陷性黃土分布

隴東地區(qū)黃土侵蝕切割強(qiáng)烈， 形成深切溝谷與連綿起伏的梁峁和平坦塬臺相間的地形特征， 地貌形態(tài)較為單一， 將其劃分為黃土丘陵殘塬區(qū)、河谷階地區(qū)和黃土塬臺、梁峁區(qū)等次一級地貌單元。隴東地區(qū)主要發(fā)育有第四紀(jì)下更新統(tǒng)三門組石質(zhì)黃土、中更新統(tǒng)離石黃土和上更新統(tǒng)馬蘭黃土，其中地表層主要為馬蘭黃土，具有強(qiáng)烈的濕陷性。李國寶[11]指出，地基濕陷變形是隴東地區(qū)存在的主要工程地質(zhì)問題， 應(yīng)采取消除其濕陷性的地基處理措施和防水措施。慶陽市西峰區(qū)座落于隴東最大的黃土塬董志塬腹地，塬面被馬蓮河、浦河、蓋家川及其支溝切割得支離破碎，上覆更新統(tǒng)黃土厚度一般為幾十米至百余米。在如此大厚度的濕陷性黃土地區(qū)興建海綿城市，理應(yīng)慎重考慮這一因素帶來的差異性。邵生俊等[12-13]依據(jù)土水勢原理和薄膜水轉(zhuǎn)移理論提出淺層阻水和深層導(dǎo)滲及散水方案，通過利用黃土低濕度下固有的高強(qiáng)度和低壓縮性特性，減小浸水時黃土的濕陷危害性，在黃土地區(qū)具有很好的借鑒意義。

1.2 降雨特征

西峰區(qū)多年平均降水量為561.5 mm，主要集中在7—9月，降雨徑流時空分布極不均衡，雨季排澇防洪形勢非常嚴(yán)峻。另一方面，西峰區(qū)水資源十分短缺，人均水資源占有量僅為360 m3，是甘肅省人均水資源量的26%、全國人均水資源量的13%，用水矛盾十分突出。因此，實現(xiàn)雨水資源高效利用，對緩解城市洪澇災(zāi)害和避免由水引起各類地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生意義重大。

2 黃土地區(qū)海綿體結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃土高原地區(qū)的降雨徑流處理不當(dāng)可能引發(fā)城市內(nèi)澇災(zāi)害，合理利用則可以緩解干旱，海綿城市建設(shè)的核心在于如何將這種矛盾轉(zhuǎn)化為有利條件。曾瑞等[14]提出城市水循環(huán)的間接措施之一是建設(shè)雨水花園，利用生物滯留技術(shù)完成雨水資源化利用，達(dá)到收集徑流、排導(dǎo)利用的目的。它兼具庭院綠化和雨水儲集滲透作用，上層采用種植土實現(xiàn)雨水資源化的轉(zhuǎn)換，下層采用砂層和礫石層達(dá)到雨水儲集的目的。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計完整而有效，在海綿城市建設(shè)中不失為一種簡單易行的措施。

在上述理論基礎(chǔ)上，為解決城市路面雨水無法及時排導(dǎo)利用的問題，筆者提出一種儲水-綠化帶結(jié)構(gòu)（見圖1）。其工作原理：降雨時，雨水匯聚于道路兩邊排水溝，經(jīng)碎石濾水帶流入儲水井，排往綠化帶內(nèi)。綠化帶上層種植土厚度為50～100 cm，可有效利用雨水資源。種植土下層設(shè)置碎石層，用于儲存種植土未能利用的雨水。碎石層下面鋪設(shè)三七灰土，并在土層上下分別鋪設(shè)土工膜。三七灰土具有支撐上部載荷和阻水的功能，為受力的墊層區(qū)，具有承載力高、透水性弱的特點。土工膜置于三七灰土層上下，上層可防止碎石層水分向灰土層滲透，下層可阻止地下水上升及毛細(xì)水的影響。土工膜與三七灰土構(gòu)成的阻水層可以防止上部收集的雨水直接滲入黃土層，避免增濕引起的黃土濕陷。為防止雨水側(cè)向滲入路基，該結(jié)構(gòu)兩側(cè)使用C20混凝土密封，并在混凝土表面鋪設(shè)防水土工膜，即結(jié)構(gòu)中雨水僅豎向滲透，可將其視作一維豎向（z方向）滲透問題（z軸豎直向上為正，原點取植被土下邊界中心處，見圖1）。

4 降雨入滲分析

4.1 數(shù)值模擬分析

以西峰區(qū)為例，通過在道路兩旁設(shè)置儲水-綠化帶結(jié)構(gòu)，收集路面雨水，雨水經(jīng)碎石濾水帶流入儲水井，排往綠化帶內(nèi)，采用生物滯留技術(shù)，實現(xiàn)雨水資源化。由圖2（a）可以明顯看出種植土的滲透系數(shù)比三七灰土的大，表明種植土能夠達(dá)到有效集蓄雨水的效果。收集的雨水進(jìn)入綠化帶，隨著種植土含水率增大，引起基質(zhì)吸力的變化，是導(dǎo)致滲透系數(shù)變化的主要原因。砂礫石層滲透系數(shù)最大，雨量過大時可儲存雨水。土工膜和三七灰土層的滲透性相對較弱，在降雨入滲過程中，能有效阻止雨水下滲。圖2（b）為黃土與砂礫石層隨著基質(zhì)吸力變化引起滲透系數(shù)變化的對比圖。黃土的滲透系數(shù)在增濕過程中逐漸增大，而砂礫石受滲透系數(shù)的影響相對較小，即黃土的滲透系數(shù)變化受基質(zhì)吸力的影響較大。

4.2 建立數(shù)值模型

選取慶陽市西峰區(qū)海綿城市建設(shè)中的儲水-綠化帶為研究對象，其中：植被土層厚60 cm，砂礫石層厚50 cm，三七灰土層厚3 cm，黃土層厚27 cm。由于研究區(qū)地下水位很深，因此地下水對淺層范圍內(nèi)土體含水率無影響。模型上部邊界為入滲邊界，其余邊界均為不透水邊界。

降雨歷時為24 h，總降雨量為50 mm，平均降雨強(qiáng)度為2.1 mm/h，利用式（8）計算等效降雨強(qiáng)度qe=9.9 mm/h。采用GeoStudio SEEP/W模塊模擬此次強(qiáng)降雨過程中12 h和24 h時儲水-綠化帶結(jié)構(gòu)的滲流總水頭等勢線，結(jié)果見圖3。

由圖3（a）可以看出，雨水沿土層垂直下滲，降雨12 h時種植土層已處于完全飽和狀態(tài)。在砂礫石層下部三七灰土和土工膜的阻水作用下，雨水下滲開始呈現(xiàn)不均勻分布，出現(xiàn)水頭積聚現(xiàn)象，雨水停止向黃土層下滲。降雨24 h時（見圖3（b）），種植土層持續(xù)呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，砂礫石層雨水積聚效果更為顯著，雨水仍未下滲至黃土層，表明三七灰土和土工膜層在此降雨條件下可保證結(jié)構(gòu)的儲水作用，從而避免黃土在雨水作用下發(fā)生濕陷性地質(zhì)災(zāi)害，同時實現(xiàn)雨洪資源的收集利用。

5 結(jié) 語

隨著城市化進(jìn)程加快，城市地面硬化面積逐漸增大，大大改變了原始地表入滲速率，出現(xiàn)城市洪澇災(zāi)害加重的問題。原有的城市管網(wǎng)排導(dǎo)方式已無法滿足現(xiàn)代生活對居住環(huán)境綠化和可持續(xù)發(fā)展的要求，根據(jù)我國海綿城市建設(shè)規(guī)劃，其核心就是利用現(xiàn)有建筑、道路、綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)雨水吸收、蓄存、排放等功能，有效控制地表雨水徑流。筆者針對濕陷性黃土的力學(xué)特性，設(shè)計出一種適合黃土地區(qū)的路面雨水收集系統(tǒng)[16]，根據(jù)種植土、三七灰土和土工膜的滲透差異性，提出用種植土收集雨水，三七灰土和土工膜阻水，利用碎石濾水池短暫存放雨水，同時起到簡單的物理過濾效果。利用GeoStudio SEEP/W建立了該綠化帶雨水下滲有限元模型， 分析了其在降雨條件下的入滲規(guī)律， 得出如下結(jié)論。

（1）根據(jù)非飽和黃土的土—水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)（非飽和滲透系數(shù)與體積含水率的函數(shù)），以及滲流發(fā)生的驅(qū)動力，得到土體中水分的分布規(guī)律。其中：種植土飽和滲透速率為2×10-6～3×10-6 m/s，黃土的飽和滲透速率為1×10-6～5×10-6 m/s，均遠(yuǎn)小于砂礫石的飽和滲透速率1×10-3～2×10-3 m/s，同時又遠(yuǎn)大于三七灰土的飽和滲透速率5×10-10～10×10-10 m/s。通過布置砂礫石層，實現(xiàn)雨水的蓄滯作用。

（2）模擬降雨歷時24 h、總降雨量為50 mm、平均降雨強(qiáng)度為2.1 mm/h，根據(jù)12 h和24 h時水頭等勢線的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)雨水可經(jīng)種植土下滲至儲水砂礫石層，在12 h開始積聚，直至24 h雨水依然被三七灰土層和土工膜有效阻隔，表明該結(jié)構(gòu)能有效實現(xiàn)雨水淺層收集和利用，避免深層黃土濕陷問題。

（3）設(shè)計的儲水-綠化帶結(jié)構(gòu)通過蓄、排的方式減緩了地表徑流，表明該結(jié)構(gòu)有效可行，可用于黃土地區(qū)海綿城市建設(shè)。

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