廈門海綿化改造區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.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點試驗室，北京 100038；2.河北工程大學水利水電學院，河北 邯鄲 056021； 3.中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300300)

快速城鎮化和雨島效應導致城市內澇日益嚴峻，傳統的雨水“快排式”模式很難從根本上解決我國城市內澇問題。自2014年中華人民共和國住房和城鄉建設部(以下簡稱住建部)發布《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》以來，海綿城市已成為專家學者熱議的話題[1-2]。Wang等[3]對海綿城市的內涵、目標和特點進行了總結，討論了海綿城市的挑戰、研究需求及發展方向，并提出了海綿城市構建的系統模式；張建云等[4]從城市水文過程的角度，系統解析了海綿城市的概念，并探討了海綿城市建設的目標與指標、建設功能與發展方向、城市地下排蓄系統、建設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系以及流域控制的基本措施。

隨著海綿城市試點的推進，其建成后的效果逐漸成為當前研究的熱點[6-7]。海綿城市建設的“六字箴言”為“滲、滯、蓄、凈、用、排”，其中“滲”是海綿城市建設六大要素之首，但目前關于海綿化改造區入滲性能效果的研究相當匱乏。眾所周知，土壤飽和導水率是表征土壤入滲能力的關鍵參數[8]，影響著水文循環過程中入滲、徑流及蒸發三者間的水量分配關系[9]，且當土壤達到穩定入滲之后，飽和導水率在數值上又與穩定入滲率相接近[10]。因此土壤飽和導水率可作為判斷海綿城市入滲效果的重要參數。目前，土壤飽和導水率的測定方法眾多，包括定水頭法、單/雙環法、Guelph入滲儀法等。姚毓菲等[11]利用定水頭法探究了測定時間對土壤飽和導水率的影響；呂剛等[12]利用室內定水頭法探究了不同復墾方式排土場礫石對土壤飽和導水率的影響；何錦等[13]利用雙環入滲儀測定了土壤的入滲曲線，發現土壤入滲參數服從正態分布，且具有空間變異性；姜順龍等[14]利用單、雙環法及室內變水頭法測定了土石壩防滲心墻料滲透系數，并進行了分析對比；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水率，并對比分析了單水頭法和雙水頭法所測得的飽和導水率的差異；翟子寧等[16]驗證了Guelph 入滲儀法進行室內模擬的可行性，并研究了松華壩水源區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入滲儀法具有在現場直接測定的優勢，且儀器設計和造型輕巧，實際操作簡單省力，在國內外得到了廣泛的應用[19]。本研究選擇Guelph入滲儀法探究廈門市海綿化改造區土壤入滲性能，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水率，分析廈門市海綿化改造區土壤入滲特性，并對傳統城市建設單元的土壤進行對比試驗，以對比分析海綿化改造和傳統開發單元土壤入滲特性的差異，旨在為評估海綿城市建設的入滲效果提供數據支撐。

1 研究區概況

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，遠低于國際公認的人均水資源1 700 m3的警戒線[20]，屬極度缺水地區，并且常受臺風等極端天氣的影響，易出現短時強降雨，產生城市洪澇災害。基于這一情況，廈門入選我國首批海綿城市試點，自2015年起，廈門市政府在海滄馬鑾灣片區和翔安新城片區兩個試點區大力推行海綿城市建設，目前已基本建設完成。

本文選取位于廈門市海滄區的新順路、新景路兩條海綿化改造的道路和翔安區洋塘居住區的B13地塊(以下簡稱“洋塘小區”)作為試驗地點。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多孔纖維棉進行海綿化改造。新景路海綿化改造工程南起陽光路，終點至翁角路，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。洋塘小區位于翔安新城片區核心區，是以海綿小區的標準建設而成，總面積為4.2 hm2。試驗測點分別位于兩條道路旁的綠化帶及小區內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城市建設區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進行對比分析。這兩處試驗地點都屬于傳統城市開發模式下的常規道路和居住區，均無海綿化改造措施。

2 試驗儀器及方法

2.1 試驗儀器

試驗采用Eijkelkamp Agrisearch Equipment 公司生產的2800型號Guelph入滲儀測定土壤飽和導水率。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)，供水部件可根據土壤入滲性能選擇內部供水或內外部同時供水，由調節閥門控制，入滲部件可以直接放入土壤用來測定入滲參數。該儀器能快速準確測定土壤飽和導水率，易于搬運、操作，適合于野外試驗。

圖1 Guelph入滲儀

2.2 土壤飽和導水率計算方法

土壤飽和導水率是土壤中的空隙全部被水充滿、土壤水分連續性最好、基質勢為0時的導水率。Guelph入滲儀法可采用單水頭法[23]或雙水頭法[24]計算公式求解土壤飽和導水率。

2.2.1單水頭法

單水頭法的土壤飽和導水率Kfs的計算公式為

(1)

式中：H為水頭，cm；a為入滲孔半徑，cm；Q為穩定流量，cm3/s(本次試驗取Q=R×35.22 cm2，R為蓄水管水位穩定下降速率，cm/s)；C為形狀因子，是根據微觀毛管因子α*確定的，α*為關于土壤質地結構等的一個綜合參數。形狀因子C的求解方法根據土壤質地的不同可分別采用公式(2)～(4)計算：

(2)

(3)

(4)

式(2)適用于壓實或非結構化的黏土或淤泥，α*=0.01；式(3)適用于細質地(黏土或粉砂質)和非結構化的土壤，α*=0.04；式(4)適用于大多數結構土壤，還包括非結構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水率Kfs的計算公式為

Kfs=G2Q2-G1Q1

(5)

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

(6)

(7)

式中：H1和H2分別為兩次試驗的水頭，cm；C1、C2為兩次試驗的形狀因子，可以根據土壤質地選擇式(2)(3)或(4)及相應的參數α*進行計算。

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

3 試驗結果與分析

3.1 不同方法所得飽和導水率的差異

在經過海綿化改造的區域進行了多次試驗，排除由于人為因素(如沒有保持鉆孔恒定水深、漏讀、漏記等)所導致的錯誤結果，共得到28組有效數據，其中新順路8組、新景路10組、洋塘小區10組。飽和導水率的計算結果如圖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水率，新順路最大、新景路次之、洋塘小區最小，并且不同方法計算得到的結果差異較為明顯，其中，在雙水頭法中，新順路飽和導水率是洋塘小區的21.57倍。究其原因，3處試驗測點的海綿化改造工程有所差異。新順路旁的綠化帶地下設有高透水的生態多孔纖維棉，該材料透水性極高，空隙率高達96.1%，其蓄水容量較大，蓄水體積與產品體積接近1∶1；新景路旁的綠化帶為轉輸型植草溝，土壤進行了置換，主要起快速收集及轉輸雨水到旁邊雨水花園的作用，即海綿城市建設六要素中“排”的效果；而洋塘小區內的綠地為覆土綠地，覆蓋景觀植物的土壤從上到下依次包括礫石層、混合土層及有機質，土壤下設有隔水頂板，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，蓄水容量不能太大，否則影響地下停車場的正常運行。

對同一海綿化改造地點來說，不同方法的計算結果也存在較大差異，計算結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算所得的土壤飽和導水率是5 cm單水頭法計算結果的15.25倍。對新順路的8組試驗數據的進一步分析表明，蓄水管水位穩定下降速率差異較大，在雙水頭法的計算結果中，土壤飽和導水率最大值是最小值的22.15倍。測量結果的不確定性較大，反映了土壤的空間異質性較大。為了精確評價每種方法計算所得土壤飽和導水率的差異性，各試驗測點不同方法計算結果的標準差列于表1。由表1可知，洋塘小區所有方法計算所得土壤飽和導水率的標準差最小，新景路次之，新順路最大，其中，新順路雙水頭法計算所得土壤飽和導水率的標準差最大為0.908，可見新順路入滲過程的隨機性較大。究其原因，主要是因為土壤結構的空間異質性，新順路、新景路及洋塘小區的土壤均進行了置換處理，土壤豎向結構復雜，每層土壤的理化性質存在較大差異；新順路地下埋有生態多孔纖維棉，使土壤結構更加復雜，豎向結構更加多變，而洋塘小區因地下為停車場，土壤厚度不是太大，土層結構相對簡單，因此新順路土壤空間異質性最大，而洋塘小區相對較小。此外，所有方法計算所得土壤飽和導水率中，5 cm單水頭法計算結果的標準差最小，雙水頭法計算結果的標準差最大，說明在所有方法中，利用5 cm單水頭法計算所得土壤飽和導水率的離散程度較小，誤差較小，在本研究區域，利用5 cm單水頭法計算土壤飽和導水率的適應性較好，且該種方法綜合考慮了壓力勢、重力勢及毛細管力對水分流動的影響，因此，在該研究區域的海綿化改造區測定土壤入滲性能時，推薦使用5 cm單水頭法。

表1 海綿化改造區不同方法所得Kfs的標準差單位：mm/h

3.2 對比試驗結果分析

在傳統城市建設區域陽光路和金尚小區進行了同樣的試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 陽光路及金尚小區計算所得Kfs值

由圖3可知，金尚小區的土壤飽和導水率大于陽光路，主要原因是金尚小區作為居民區，小區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單水頭法計算所得的土壤飽和導水率較其他方法標準差要小，說明該種方法所計算的結果較為可靠。可見在廈門市傳統城市建設區進行土壤飽和導水率試驗時，5 cm單水頭法同樣適應性較好。

表2 傳統城市建設區不同方法所得Kfs的標準差 單位：mm/h

以5 cm單水頭計算結果為標準，新順路土壤飽和導水率是陽光路的19.58倍，新景路是陽光路的8.23倍，洋塘小區是金尚小區的1.02倍，可見經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，而埋有生態多孔纖維棉的新順路入滲性能更好。對于經過海綿化改造的洋塘小區來說，其土壤飽和導水率與傳統金尚小區相差不大，原因主要是洋塘小區地下為停車場，設有隔水頂板，其覆土厚度不大，蓄水能力有限，因此產生了與一般小區的土壤入滲性能差別不大的效果。可見洋塘小區B13地塊雖進行了海綿化改造，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 論

a. 在不同海綿化改造措施的土壤中，采用生態多孔纖維棉海綿化改造的新順路土壤入滲能力最大，采用一般轉輸型植草溝海綿化改造措施的新景路次之，而設有隔水頂板、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開發單元的對比試驗結果顯示，經過海綿化改造的道路綠化帶比一般傳統道路的綠化帶土壤入滲性能高，經過生態多孔纖維棉改良的道路綠化帶的土壤飽和導水率比一般道路綠化帶高約20倍；經過普通土壤改良的道路綠化帶的土壤飽和導水率比一般道路綠化帶高約8倍，海綿小區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，土壤飽和導水率與一般傳統小區相當。

c. 由于土壤結構空間上的異質性，每次試驗測得的土壤飽和導水率都不一樣，新順路8組數據計算得到的土壤飽和導水率最大相差22.15倍；不同方法測得的土壤飽和導水率結果差別也很大，5 cm單水頭法計算結果標準差最小，雙水頭法最大；在廈門市海綿化改造區進行土壤入滲試驗時，建議采用5 cm單水頭法，該方法的可靠性和穩定性更高。