房地產建設項目土壤入滲及徑流分析

馬建剛，黎建強，趙洋毅

(西南林業大學，云南 昆明 650224)

開發建設項目水土流失是我國水土流失問題的重要方面，水利部、中國科學院、中國工程院組織完成的“全國水土流失與生態安全綜合科學考察”結果顯示，“十五”期間，全國開發建設項目擾動地表面積達到5.53萬km2，大部分分布在丘陵區和山區，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2016年中國水土保持公報，全國當年審批開發建設項目水土保持方案達29 157個，涉及水土流失防治責任范圍11 592.14 km2，設計攔擋棄土棄渣量50.43億m3，僅云南省就審批生產建設項目水土保持方案2 142個，涉及防治責任范圍864.29 km2，設計攔擋棄土棄渣量4.97億m3。城鎮作為人類最為集中的區域，每天都有大量的建設活動，尤其以房地產類型的項目建設活動居多。根據2017年昆明市國民經濟和社會發展統計公報，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。有關房地產開發建設活動水土流失預測及防治方面的論述較多[2-4]，但關于建設擾動面的土壤入滲性能和徑流特征的研究尚未見報道。

開發建設項目區域土壤的入滲特征嚴重影響地表徑流量和對土壤水分的補給，是水土流失預測、水土保持措施設計和管理的重要參考指標，可以使得以定性為主的參數確定向定量的科學取值發展。因此，研究開發建設項目土壤水分入滲對開發建設項目水土保持管理具有重要意義。

1 試驗地概況與方法

1.1 試驗地概況

選擇昆明經濟技術開發區內的3處在建房地產項目進行試驗，3處項目總開發面積63.80 hm2，場內除堆體外，坡度為0°～4.3°，基本平整，建設前項目場地的90%區域都是同一片經果林地。3處項目均已全面開工建設，建筑物區域已經有1層的地上部分雛形，還有部分施工材料、施工機械及工棚覆蓋，其余地面基本裸露。

1.2 試驗設計及方法

1.2.1 試驗設計

將房地產項目建設現場劃分為裸露松散堆體、裸露壓實體、裸露場內路面、不透水面4個建設擾動類型面，無擾動地選擇同一片區的經果林地。每個透水類型面均選擇3個樣地進行入滲試驗，樣地坡度為0°～3°。同時，測定每個建設擾動類型面的面積，采集20 cm深度內的土壤用于測定機械組成、含水率、容重、孔隙度。對松散堆體試驗點先進行平整再開始試驗，平整時避免產生人為壓實。

1.2.2 試驗方法

土壤含水率采用質量含水率，土壤孔隙度、容重采用環刀法測定，土壤機械組成采用吸管法測定。

水分入滲參考水文學原理中的土壤下滲直接測定法[5]，采用雙環入滲儀進行測定。雙環入滲儀內環直徑28 cm，外環直徑53 cm，環高20 cm。試驗時將內外環按照同心圓布置，同時打入土壤10 cm深，內外環同時加水，控制入滲水頭為5 cm，用秒表每1 min記錄一次內環水位，記錄的同時向內外環加水至5 cm深，如此重復，直至連續5 min水面下滲高度相同時，停止試驗。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一轉化成10 ℃標準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)，計算公式為

(1)

(2)

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

2 結果與分析

2.1 土壤基本狀況

建設擾動類型面的土壤水分、容重、孔隙度等均與對照經果林地有一定差異，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，而被強烈碾壓的路面和壓實平整的壓實體則容重大、孔隙小，尤其是路面最為明顯。其中施工場地內土壤只有松散堆體的容重比經果林小，孔隙狀況更優。由于是在旱季進行的試驗，因而各類型土壤含水率均較低，其中：壓實體含水率較高，為15.99%；松散堆體最低，為7.40%。施工場地內土壤均為輕壤土，經果林地為砂壤土。

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，最大持水量經果林地為58.49 cm，松散堆體為57.11 cm，壓實體和場內路面分別為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)、經果林地(13.02 cm)、壓實體(12.39 cm)、場內路面(3.83 cm)。最大持水量減去現場自然含水量即為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)、經果林地(41.88 cm)、壓實體(29.77 cm)、場內路面(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，同時松散堆體排空土壤水分、持續滯存水分的能力也是最強。3類透水類型面中除場內路面的重力水含量為3.83 cm外，其余各類型面水分參數計算值均大于昆明市20 a一遇1 h最大降雨量(約60.0 mm)。但靜態計算的土壤容持水分的能力轉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現。

2.2 土壤入滲特征

房地產項目在建設初期要進行場地清理和初步平整，然后要進行開挖等施工，這些施工活動勢必影響土壤的孔隙狀況和緊實性，進而影響其水分下滲能力，下滲弱則容易產生地表徑流，更容易引起土壤侵蝕。

表2為房地產項目建設場地和經果林地的入滲值。可以看出，房地產建設項目只有松散堆體地表土壤入滲性能優于經果林地，1 h累計入滲量多4.89 mm，多13.2%，但是場地加權平均入滲值小于經果林地，不足經果林地的50%。

表2 房地產建設項目場地和經果林地入滲特征值

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，遠小于20 a一遇1 h最大降雨量60.0 mm，而房地產項目其他場地類型及均值入滲值則遠小于上述兩個雨量值。

各場地類型入滲曲線見圖1。場內路面和壓實體由于經過機械碾壓，分別在入滲開始后7和8 min入滲速率變為0，而松散堆體和經果林地分別在入滲開始后15和21 min進入穩滲階段。經果林地的入滲曲線下降得最慢，松散堆體和壓實體下降得最快，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逐漸減小且最終趨于一個穩定值的變化趨勢；而場內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分析結果對比，土壤水分滲透能力較弱，無法充分發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《水土保持工程設計規范》(GB 51018—2014)中推薦使用徑流系數法進行水損失預測，并針對自然界的大多數地表狀況提供了徑流系數參考值[6]。《昆明市城市雨水收集利用的規定》(昆政發〔2009〕60號)針對建成區地表，在日設計降雨25.5 mm條件下給出了綜合徑流系數參考值，其中硬化屋頂和路面的雨量徑流系數取0.8，綠地的雨量徑流系數取0.15[7]。但上述兩個規范并沒有建設項目擾動期間擾動地表的參考值，當前很多開發建設項目擾動期間的地表徑流系數計算仍舊采用經驗值。

開發建設項目引起地表裸露，加之徑流沖刷使得侵蝕加劇，因此截排場內水分是有效減弱場內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。開發建設項目場內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；p為設計暴雨強度，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；p為設計暴雨強度，mm/min。

根據《水土保持工程設計規范》(GB 51018—2014)，降雨標準采用20 a一遇1 h最大降雨量計算，昆明市為60 mm/h，即1 mm/min。根據前述穩定入滲分析，設計降雨強度下，土壤水分飽和時為入滲不利狀況，此時松散堆體、壓實體、場內路面、不透水面、經果林地的穩定入滲速率分別為0.49、0、0、0、0.29 mm/min。在相應的1 h降雨期間，忽略蒸發影響，降雨量減去入滲量即為徑流量，可計算得出徑流系數分別為0.51、1.00、1.00、1.00、0.71，加權計算得出，房地產項目場地平均徑流系數為0.86。按照公式(3)和(4)計算得出，房地產項目場地施工期間20 a一遇1 h最大暴雨條件下的洪峰流量均是9.15 m3/s，相同面積下經果林為7.55 m3/s。

以上計算結果明顯大于按項目水土保持方案計算的洪峰流量。原因主要是該處房地產類項目水土保持方案采用的綜合徑流系數經驗值為0.50，明顯小于本試驗獲得的場內徑流系數加權平均值0.86。

3 結論與討論

(1)房地產項目施工期場地被強烈擾動，除松散堆體外，其余裸露場地土壤被顯著壓實，容重增加，孔隙變小。但是除場內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)根據入滲試驗，房地產項目擾動場地穩定入滲速率平均為0.14 mm/min，無施工擾動的經果林地為0.29 mm/min，場內只有松散堆體入滲效果優于經果林地，其余裸露場地穩滲率均為0。各類型裸露土壤，無論是1 h內入滲量還是穩滲數值均明顯低于昆明市20 a一遇1 h最大降水量和降水強度，說明在遇到類似暴雨時很容易發生地表徑流，無法發揮土壤孔隙的蓄持水分作用，但是經果林入滲功能優于施工場地，相應產流要少。房地產項目場內土體雖有各類孔隙，但是除松散堆體外，其余場地土壤被壓實，沒有良好的表層透水孔隙，也難以發揮土壤的蓄水滲水作用。

(3)在20 a一遇1 h暴雨條件下，本試驗房地產項目場地主要施工期間徑流系數為0.86，對照經果林為0.71，大于場地所屬項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個房地產建設項目的水土保持方案徑流系數采用值(平均值0.62)。水土保持方案采用徑流系數偏小，會導致排水設施過水斷面的設計出現偏小的結果。

(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，因此施工期間進行科學的施工組織，保證較短的壓實裸露期，科學判斷暴雨徑流系數，可有助于更好地做好開發建設項目水土保持工作。至于是減少徑流產生的侵蝕輕，還是通過壓實土壤增強土壤抗蝕性導致的侵蝕輕，還需要進一步試驗分析。