基于土體儲(chǔ)水能力的降雨入滲調(diào)節(jié)系統(tǒng)

張 宇 朱 雅

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

基于土體儲(chǔ)水能力的降雨入滲調(diào)節(jié)系統(tǒng)

張 宇 朱 雅

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

對(duì)城市中占地面積最大海綿體——土體的儲(chǔ)水能力進(jìn)行了分析，結(jié)合非飽和土力學(xué)與水氣兩相流理論，提出一種通過(guò)調(diào)節(jié)土體孔隙氣壓力以達(dá)到緩解城市內(nèi)澇、促進(jìn)地下水補(bǔ)給的入滲調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)自然途徑與人工措施相結(jié)合的方式，在緩解城市內(nèi)澇、促進(jìn)水資源的綜合利用方面有著重要作用。

土體儲(chǔ)水能力，海綿城市，非飽和土，水氣兩相流，入滲調(diào)節(jié)

近年來(lái)，每逢雨季，總有不少城市遭暴雨的襲擊，造成多處路段、路面漬水，“海景城市”頻現(xiàn)，給城市居民帶來(lái)困擾，并引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。據(jù)國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016年我國(guó)31省(自治區(qū)、直轄市)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)均遭受不同程度洪澇災(zāi)害，受淹城市192個(gè)、受災(zāi)人口1.02億人，造成直接經(jīng)濟(jì)損失3 661億元[2]。城市內(nèi)澇已成為影響我國(guó)城市進(jìn)一步發(fā)展的軟肋。

為增強(qiáng)城市抵御暴雨的能力，促進(jìn)城市水資源的綜合利用以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，我國(guó)正大力推進(jìn)海綿城市建設(shè)。在前期城市化進(jìn)程中，自然湖泊、坑塘、濕地等被填平、縮減或硬化，地表不透水面積不斷增加，致使城市下墊面調(diào)蓄能力降低。地面徑流過(guò)程、匯流時(shí)間、洪峰等產(chǎn)流參數(shù)發(fā)生改變，表現(xiàn)為徑流匯流時(shí)間縮短、峰現(xiàn)時(shí)間提前、洪峰增大。因此，我國(guó)建設(shè)海綿城市的理念就在于不斷增加下沉式綠地、濕地、蓄水池、湖泊等“海綿體”的規(guī)模和質(zhì)量，從而提升城市“吸水”“釋水”的能力，以抵抗降雨時(shí)間上分布不均的問(wèn)題[3]。

建設(shè)這些“海綿體”不僅需要大量資金，還受到空間、地形等因素的影響，導(dǎo)致城市海綿體不能無(wú)限擴(kuò)大。其實(shí)天然土體是城市里占地面積最大的一種海綿體。但當(dāng)前城市中天然土體蓄水主要靠自然滲蓄，其蓄水速率、蓄水容量以及削減洪峰雨水的能力受到限制，土體雨水的調(diào)蓄作用并沒(méi)有被充分發(fā)揮[4]。因此，如何提高土體的儲(chǔ)水能力，對(duì)于海綿城市建設(shè)有著積極的意義。

基于土體儲(chǔ)水能力，利用水氣兩相流原理，對(duì)城市中占地量最大的海綿體——土體進(jìn)行分析研究，提出一種充分發(fā)揮土體對(duì)雨水的調(diào)蓄能力的方法，從而達(dá)到緩解城市內(nèi)澇的目的。

1 土體儲(chǔ)水能力

土體屬于多孔介質(zhì)，天然狀態(tài)下砂土孔隙率為28%～41%，黏性土的孔隙率為28%～52%，其孔隙具有較大的儲(chǔ)水能力[5]。天然狀態(tài)下的土體通常處于非飽和狀態(tài)，土體中除了固體土顆粒外，還存在著孔隙水和孔隙氣體。根據(jù)水氣兩相流原理，土中降雨入滲是一個(gè)水氣相互驅(qū)替、耦合的過(guò)程[6]。孔隙氣壓力與孔隙水壓力的差值稱為基質(zhì)吸力，基質(zhì)吸力與土體含水率成反比，因此，孔隙氣體的存在對(duì)入滲有阻滯作用。根據(jù)毛細(xì)管理論，表層孔隙氣壓力相對(duì)深層孔隙氣壓力要小，在自然入滲條件下，表層土體更容易吸水飽和，由于深層孔隙氣壓力的存在，雨水很難入滲。

水分的入滲強(qiáng)度主要受水驅(qū)動(dòng)力影響。在抽氣減壓階段，土體內(nèi)部孔隙氣壓力迅速減小，在土體上層大氣壓力的作用下，形成了與入滲方向相同的孔隙氣壓力梯度，在水氣耦合作用下，形成相同的水壓力梯度，驅(qū)動(dòng)水分的入滲體，故入滲強(qiáng)度比在自然入滲條件下要大很多，如圖1所示。而且水分入滲是一個(gè)非均勻入滲過(guò)程，一般條件下水分沿著連通性較好的孔隙入滲，表層土體仍存在大量封閉孔隙氣體，這些孔隙氣體對(duì)雨水入滲的阻滯作用有限，雨水下滲的擠壓作用也難以排除這些孔隙氣體，故入滲時(shí)所能達(dá)到的含水率相對(duì)較低的。而抽氣條件時(shí)，土體形成了氣壓力梯度首先驅(qū)動(dòng)氣體向下流動(dòng)，而后氣壓力的降低則驅(qū)動(dòng)雨水的入滲，故抽氣條件下土體所能達(dá)到的含水率相對(duì)較大的，更有利于加速土體降雨入滲。

基于此理論，提出通過(guò)調(diào)節(jié)土體內(nèi)部孔隙氣壓力的方式，來(lái)控制雨水的入滲速率，進(jìn)而達(dá)到進(jìn)行土體入滲調(diào)節(jié)的功效。同時(shí)，借用城市開(kāi)敞式海綿體與土體儲(chǔ)水容量，通過(guò)人工與自然相結(jié)合方式，調(diào)節(jié)城市容水能力，充分發(fā)揮其對(duì)雨水的調(diào)蓄能力，達(dá)到緩解城市內(nèi)澇，補(bǔ)給地下水的雙重目的。

2 城市降雨入滲調(diào)節(jié)系統(tǒng)

入滲調(diào)節(jié)系統(tǒng)由滲透淺溝、實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)、決策分析系統(tǒng)以及土體孔壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)四部分組成。

為提高土體的滲透性和對(duì)雨水的調(diào)蓄能力，滲透淺溝采用強(qiáng)滲透性的人工混合土和礫石組合。由于徑流中的懸浮顆粒可能會(huì)堵塞土顆粒間的空隙，在滲透淺溝上面覆蓋良好的植被，通過(guò)植物根系和土壤中的昆蟲(chóng)，有利于土壤滲透能力的保持與恢復(fù)。考慮到目前的道路、建筑大多是不透水材料，不具備下滲雨水的能力，因此滲透淺溝直接與城市排水管道相連，如圖2所示。

實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)主要是指埋藏在土體里的濕度傳感器。實(shí)時(shí)將采集到的土體濕度信息傳給決策分析系統(tǒng)，決策分析系統(tǒng)則根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)以及天氣預(yù)報(bào)信息，從而控制土體孔壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。土體孔壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由埋在土體中的管道以及抽氣、通氣泵站構(gòu)成，用來(lái)執(zhí)行決策分析系統(tǒng)的指令，調(diào)節(jié)土體孔隙氣壓力。

根據(jù)我國(guó)降雨時(shí)間上分布特點(diǎn)，可將降雨分為旱季和雨季兩大類。雨季則根據(jù)降雨的大小和未來(lái)降雨情況分為雨季小雨型、雨季大雨型、雨季連續(xù)降雨型三種情況。結(jié)合土體入滲調(diào)節(jié)理論，可建立如圖3所示的土體入滲調(diào)節(jié)系統(tǒng)方案。

考慮到旱季降雨量少，故可在下雨時(shí)啟動(dòng)抽氣系統(tǒng)，加速雨水下滲到土壤中，以期緩解城市干旱的問(wèn)題，避免珍貴的雨水白白通過(guò)排水管網(wǎng)流走。

雨季則需要考慮降雨量以及后期降雨情況進(jìn)行調(diào)控處理。當(dāng)預(yù)測(cè)到降雨量小于城市現(xiàn)有排水情況，但預(yù)測(cè)后期將有強(qiáng)降雨或連續(xù)降雨時(shí)，則啟動(dòng)通氣系統(tǒng)，增大土體空隙氣壓力，減少雨水下滲，從而將雨水盡可能通過(guò)排水系統(tǒng)排出城市，以便有更多的空間容納后期降雨；當(dāng)降雨量大于城市排水能力時(shí)，考慮城市海綿體的蓄水能力，當(dāng)排水系統(tǒng)和海綿體共同作用，還不能解決城市積水時(shí)，則提前啟動(dòng)土體抽氣系統(tǒng)，使地表水加速下滲到土體深部，預(yù)先降低表層土體的含水率，增大土體中的儲(chǔ)水空間，降雨開(kāi)始時(shí)，在充分發(fā)揮城市排水系統(tǒng)的排水能力時(shí)，啟動(dòng)抽氣系統(tǒng)，加速雨水下滲，降低路面積水。

3 結(jié)語(yǔ)

建設(shè)“海綿城市”并不是推倒重來(lái)，取代傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)，而是對(duì)傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的一種“減負(fù)”和補(bǔ)充，最大程度地發(fā)揮城市本身的作用。本文主要依據(jù)水氣兩相流原理，對(duì)土體蓄水能力進(jìn)行分析，提出了一種通過(guò)調(diào)節(jié)土體孔隙氣壓力的方式控制入滲強(qiáng)度和入滲量。入滲調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)自然途徑與人工措施相結(jié)合的方式，最大化的利用土體對(duì)雨水的調(diào)控作用，在緩解城市內(nèi)澇、促進(jìn)水資源的綜合利用方面有著重要作用。該方法適應(yīng)能力強(qiáng)，運(yùn)用范圍廣，且新增費(fèi)用相對(duì)較少，可在不同地區(qū)推廣應(yīng)用。

[1] 張 琦.雨水存蓄空間被侵占是城市內(nèi)澇主因[N].科技日?qǐng)?bào)，2016-07-09(03).

[2] 楊衛(wèi)忠,張葆蔚，符日明.2016年洪澇災(zāi)情綜述[J].中國(guó)防汛抗旱,2017(27):26-29.

[3] 吳丹潔.中國(guó)特色海綿城市的新興趨勢(shì)與實(shí)踐研究[J].中國(guó)軟科學(xué)，2016(1)：79-97.

[4] 李正輝,談云志,丁品良,等.一種消減內(nèi)澇的新方法——城市綠地吸納[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,38(4):1014-1020.

[5] 東南大學(xué)，浙江大學(xué)，湖南大學(xué)，等.土力學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2016：10-17.

[6] 朱 偉,陳學(xué)東,鐘小春.降雨入滲規(guī)律的實(shí)測(cè)與分析[J].巖土力學(xué)，2006,27(11):1873-1879.

The rainfall infiltration regulation system based on soil water storage capacity

Zhang Yu Zhu Ya

(WaterConservancyandEnvironmentSchool,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443000,China)

This paper analyzed the water storage capacity of cavernous-soil with largest occupied area of the city, combining with the unsaturated soil mechanics and air water two phase flow theory, proposed a infiltration regulation system through the pore air pressure to alleviate the city water logging, promote the groundwater replenishment. The system through the way combination of natural method and artificial measures, had important role in alleviating urban water logging and promoting the comprehensive utilization of water resources.

soil water storage capacity, sponge city, unsaturated soil, air water two phase flow, infiltration regulation

1009-6825(2017)20-0128-03

2017-04-20

張 宇(1995- )，男，在讀本科生； 朱 雅(1996- )，女，在讀本科生

TU992

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