西安城區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 環境與市政工程學院，陜西 西安 710055；2. 西安建筑科技大學 建筑設計研究院，陜西 西安 710055；3.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；4. 深圳市新城市規劃建筑設計股份有限公司, 廣東 深圳 518172)

按照國家住建部頒布的《海綿城市建設技術指南》，構建低影響開發雨水系統是海綿城市建設的重點內容，其中高效穩定的雨水下滲系統是減少徑流量、降低雨洪峰值和消減城市面源污染的有效技術手段[1].

在西北干旱半干旱地區開展城鎮雨水滲蓄的實踐，應考慮西北地區廣泛存在濕陷性黃土的工程地質特征.西安市主城區濕陷性黃土分布廣泛[2]，經過長期的自然降水過程和人工擾動，城區表層黃土的濕陷性已經消除，一般降雨條件下極少涉及到黃土地層的濕陷性問題[3].強化雨水下滲是目前海綿城市建設的重要內容之一，通過下凹式綠地、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而達到消減地表徑流和徑流面源污染的目的，但這一過程中對以往已經減緩或消失的濕陷性黃土層的擾動缺乏精確分析.另外，在開展強化雨水下滲實踐時，表層土對雨水徑流中典型污染物的截留消解性能也亟待探明.

本文通過現場實測和計算模擬討論了西安城區雨水下滲特征，建立了西安城區綠地下凹深度與雨水下滲深度的對應關系，結合當地極端降水條件和濕陷性黃土層埋深特征，討論了強化雨水下滲技術在西安城區的適用性，并分析了雨水在土壤下滲過程中污染物濃度在土壤中的遷移消減變化規律，研究結果可為濕陷性黃土地區城市雨水下滲系統和徑流面源污染治理設施的建設提供依據.

1 材料與方法

1.1 滲水試驗

滲水試驗在西安南郊一處草坪綠地進行，綠地草莖剝除后整平，作為表層入滲場地；，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供水的單環滲透儀進行現場滲水試驗，入滲試驗開始后1.0 min測定的第一個數據作為初始入滲率，入滲試驗結束前單位時間內連續3次保持不變的入滲速率作為穩定入滲率，每個試驗點重復三次后取平均值.

1.2 城市土壤性能檢測

地表土壤取樣點包括居民區綠地、公園綠地、學校綠地、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刀采集表層以下10～20 cm的土壤樣品進行粒徑、組成、容重等特征參數檢測，三組對照試驗求出均值

1.3 城市土壤污染物本底性能檢測

在滲水試驗前使用圓形環刀自表層10～50 cm埋深、間隔10 cm采集土壤，進行土壤中NH3-N、CODCr、TN、TP、含水率等5指標檢測.在有關污染物濃度變化試驗中，使用水質相對穩定的人工配制雨水，代替實際雨水徑流進行污染物降解及機理的研究[5]，人工配水污染物濃度按照研究區域內典型道路雨水箅子處徑流的實際監測數據確定.將預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，檢測不同作用水頭土壤入滲污染物變化.注入雨水達到設定水位后開始計時，在注水結束后分別在不同時間點分別采集表層下每10 cm間隔處深度土壤，檢測土樣中NH3-N、CODCr、TN、TP、含水率等5項指標.

1.4 模擬分析

采用HYDRUS軟件平臺進行雨水下滲過程的模擬分析.軟件中所需的土壤水力參數主要通過三種方法獲得，即實測、參考文獻數據和軟件所提供的預測數據，模型土壤為單層，假設土壤顆粒為均勻分布.

2 研究結果與分析

2.1 西安城區工程地質特征

西安主城區內工程地質性質沿地表向下分別為雜填土、素填土、新黃土、古土壤、粉質黏土和中砂，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 西安城區綠地表層土壤的特征參數

剝除表面作物層后取埋深1.0 m以內土壤風干、碾碎、混合均勻后篩分.結果顯示，土壤顆粒粒徑范圍為0.002～2.0 mm，d50=0.04 mm.依據土壤質地的分類，西安城區綠地基層土壤屬于砂壤土[6]，不同區域的表層土構成見表1.

表1 西安城區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鍵性因素[7].表1中，與小區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.多個采樣點土壤容重檢測結果表明，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及景觀等封閉綠地.土壤容重及孔隙度(34%～50%)結果顯示，除市區主要公園開放綠地外，其他綠地內基層土壤屬于輕度～中度壓實級別.

2.3 雨水的入滲性能

4種不同類型土壤水分入滲過程曲線顯示，不同類型綠地土壤入滲速率呈現初始下降快后趨于平緩的規律(圖1).入滲開始的40 min內，單位時間內入滲速率變化幅度較大，呈不穩定狀態.40 min后變化曲線逐漸平緩，90 min后均趨于穩定.造成土壤入滲速率前后變化差異大的原因很多，入滲初始階段沒有降雨侵潤的土壤表層相對干燥，一方面為土壤提供了較大的基質勢度，此時基質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.隨著入滲進程加快，表層土壤水分逐漸進入深層土壤，土壤中含水量增加，濕潤帶層加厚，土壤基質吸力梯度逐漸下降，通氣孔隙逐漸被充滿，入滲率隨之降低.當土壤基質吸力梯度隨入滲過程的進行趨于零時，土壤入滲率在重力作用下維持在一個相對比較穩定的水平[9].

圖1 不同類型土壤入滲速率隨時間變化曲線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Kohnke的土壤滲透性能分級標準，結合實測和相關文獻資料數據整理，給出西安、南京和上海城區綠地基層土壤的滲透情況見圖3.黃土丘陵溝壑區的農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”滲透級別相當，以這一滲透級別(下限)為基準，西安城區較快滲透級別的區域比例為78.9%，高于南京(57.1%)低于上海(84.2%)[4,8].另一方面，在西安城區綠地基層中沒有出現“較慢”以下級別的區域，因此整體優良的地層下滲能力和較深的地下水位，是西安城區推廣雨水下滲措施的優勢.

2.4 雨水入滲過程的數值模擬

2.4.1 綠地土壤含水率的自然變化

自然條件下，一場降雨過后雨水在土壤中下滲的同時也會存在地表蒸發，因此土壤含水率是下滲與蒸發結果的疊合.圖3為校園內一處綠地的土壤含水率變化連續監測(10月26日降雨結束至11月2日)結果，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，小規模的降雨且地表沒有積水存在情況下，深層的土壤含水率較為穩定.

圖3 不同深度土壤實測含水率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

根據圖3的實測結果，對HYDRUS軟件中的相關參數進行回溯分析[11]，確定與實測結果近似的模型參數取值，采用HYDRUS軟件分析極端條件下雨水下滲深度的變化，建立滲水時間與入滲深度的關系.

假設在極端降雨條件下，下凹式綠地中一直蓄滿水，則相當于在固定水頭條件下雨水下滲.根據西安城區表層土壤參數，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所需滲水時間.模擬土壤5.0 m深度處觀察點的含水量變化與滲水時間如圖5所示.當濕潤峰到達某一深度后，這一深度的含水率在短時間內從初始含水率迅速達到飽和，對于濕陷性黃土層，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處的時間為16.6 d，即此時雨水下滲到這一深度，并迅速達到飽和，隨著水頭減小，這一時間也向后推移，當水頭為5.0 cm時，時間延長至18.8 d.根據西安城區的歷史氣象資料，最大的持續降雨時間為19 d，因此在西安城區開展雨水下滲的實踐，在25 cm蓄水深度條件下，地層以下5.0 m范圍內不出現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律

3.1 土壤本底污染物及污染物遷移實測分析

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入下凹式綠地后即開始下滲，其中攜帶的污染物在下滲過程中被土壤截留或消解.在持續降雨條件下，污染物隨雨水下滲深度及濃度變化，是評判雨水下滲過程環境影響的基礎.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測結果，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(實測)在雨水下滲過程中的變化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，滲水結束后逐漸降低，其中CODCr、TP、NH3-N在滲水結束10 d后均回落至土壤本底值附近，但TN在10 d后依然高過本底值約2倍，表明下凹式綠地對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，隨入滲時間延長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定值，隨后在入滲結束后時間逐漸向本底值回落.與CODCr、TP和TN相比較，NH3-N指標歷經10天在表層以下50 cm處最先恢復到土壤本底值，表明這一污染指標的環境消解效率最高，這與地表環境富含硝酸鹽菌和亞硝酸鹽菌的特征相一致，而同一點TN的濃度在第10天穩定在2.7 mg/L，表明NH3-N沒有完全實現脫氮，硝態氮和亞硝氮的分解可能需要更長的時間.CODCr、TP濃度的變化與含水率變化趨勢一致，表明CODCr、TP污染物隨雨水下滲遷移過程主要受水分遷移控制.另一方面，從TN、NH3-N的變化情況來看，在表層以下并沒有出現“濃度鋒面橫向擴張”的特征，表層以下各取樣點的濃度一直處于持續降低的過程，表明TN、NH3-N的消解速率快于CODCr和TP.

雨水下滲過程中污染指標變化規律的分析表明，與TN、NH3-N相比較，CODCr、TN在土壤層中的消解速率及效率較低，應該是評價雨水下滲環境影響效果的主要控制指標，在徑流污染濃度高的區域開展雨水下滲，必須對污染負荷較高的初期雨水進行必要的前期處理.

3.2 雨水入滲土壤污染物模擬

根據對雨水下滲過程中污染指標的實測數據，確定研究區域內污染物在地層中的消解效率和速率常數，在HYDRUS軟件中將含水率變化與污染物消解過程耦合，可以開展相應的模擬計算分析.模擬結果與實測結果(圖5)較為接近，如圖6所示.

Fig.6 典型污染指標(模擬)在雨水下滲過程中的變化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2年一遇2小時降雨的模擬結果如圖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，在降雨結束時污染遷移深度基本達到10～15 cm埋深，降雨后第4 d污染物都已達到50 cm深度處土壤.氨氮和實測結果基本一致，氨氮到達40 cm深度處后不再向下遷移.模擬西安地區連續降雨歷史極限降雨(19 d)情況下污染物土壤中的變化，結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內完全消解，因此應加強地表土壤和植物根系對總磷的去除或者對雨水中磷在進入下凹式綠地前進行預處理.

4 結論

通過實測與模型分析，關于西安城區綠地雨水下滲過程獲得以下結論：

(1)監測表明西安地區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，小于西安城區連續降雨的極限值19 d，因此在極端天氣條件下，下凹式綠地中的雨水可能會對濕陷性黃土層造成影響，在西安城區開展雨水下滲應結合地勘確定技術方案.

(2)雨水水質在下滲過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，因此需要強化土壤表層去除污染物的效果，降低雨水下滲對深層土壤和地下水的污染風險.