地下水位和土壤類型對海綿城市建設的影響

馮 帆，馬 陽，馬 悅

(1. 艾奕康設計與咨詢有限公司，北京 100025；2.艾奕康設計與咨詢有限公司，香港 999077)

為貫徹落實習近平總書記講話及中央城鎮化工作會議精神，大力推進建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，2014年10月，中華人民共和國住房和城鄉建設部組織發布了《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建》(試行)[1]。

海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用。海綿城市建設的基本原則之一為“因地制宜”，即各地應根據本地自然地理條件和水文地質特點，科學規劃布局和選用下沉式綠地、植草溝、雨水濕地、透水鋪裝、多功能調蓄等低影響開發設施(low impact development, LID)及其組合系統。

通常，影響LID選型和設計的場地限制性因素包括土壤類型和滲透性、地下水位、匯水面積、地表坡度、場地高差、空間限制等。《海綿城市建設技術指南》中提出，LID組合系統的優化應遵循“組合系統中各設施的適用性應符合場地土壤滲透性、地下水位、地形等特點。在土壤滲透性能差、地下水位高、地形較陡的地區，選用滲透設施時應進行必要的技術處理，防止塌陷、地下水污染等次生災害的發生”的原則。本文對土壤下滲的概念、城市地下水位和土壤下滲率對LID選型和應用影響的美國相關經驗進行介紹，并在此基礎上提出我國海綿城市建設過程中對于LID選型和設施組合應用時應考慮的因素。

1 土壤下滲和對地表徑流形成的影響

下滲(infiltration)是指雨水降落在土壤表面，從地表進入土壤孔隙，被土壤吸收的自然過程，是降水、土壤水、地下水和地表水之間轉化及降雨產流過程的重要環節。土壤下滲率用于衡量土壤下滲速率或土壤滲透強度，是指單位時間內地表單位面積土壤的下滲水量。影響土壤下滲率的因素通常包括降雨強度、地面植被覆蓋程度和植被種類、土壤物理特性、溫度和水質等。土壤下滲率(f)與下滲過程有關，在初始下滲時為最大(f0)，隨時間而遞減，最終趨于穩定，達到穩定下滲率(fc)?；纛D公式[2]是最早用于描述下滲過程的一個經驗公式，如式(1)。

fp=fc+(f0-fc)e-kt

(1)

其中：fp——下滲開始后t時刻的下滲率，mm/h；

f0——初始下滲率，mm/h；

fc——穩定下滲率，mm/h；

k——反映地表情況及土壤特性的經驗系數；

t——下滲時間,h。

降雨時，土壤下滲率始于f0，亦為該土壤最大的下滲率，隨著時間的推移，下滲率呈指數趨勢逐漸降低直到穩定在fc(圖1)。

圖1 霍頓下滲曲線[2]Fig.1 Horton Infiltration Curve[2]

實際降雨情況下，當降雨強度(i)小于土壤下滲率(f)時，降至地表的雨水將全部被土壤吸收，從而不產生地表徑流,通過補充地下水、使地下水水位升高、增加地下水徑流量等形式對降雨進行消納。當i大于f時，地表將會形成由降雨強度超過土壤下滲率部分雨量(i-f)所產生的徑流。如果降雨歷時較長，致使地下水水位升高甚至接近地表，滲入地下的降雨形成了地下水徑流，其流速遠低于地表徑流，以體現土壤滲透性能的飽和導水率為控制的達西流(Darcy’s flow)形式流動。在平原、河網三角洲地區，由于地下水位普遍較高，水力梯度一般較小，當降雨使地下水水位升高甚至接近地表時，土壤既沒有空間接受降雨，又不能以地下水徑流的形式將降雨由地下排走，此時，降雨將直接轉化成地表徑流。由此可見，土壤滲透性能及地下水位等對以土壤植被滲透為基礎的LID，在其對雨水管理應用中的效率有著控制性的重大影響，如何考慮土壤滲透性能及地下水位是利用LID建設海綿城市的一個重要問題。下文將就美國一些大城市在應用LID時，針對不同土壤類型及地下水位在LID設計中的具體定量規范要求做簡單介紹。

2 美國大城市LID選型

美國農業部基于土壤的滲透性等水文特征，將土壤劃分為A、B、C、D 4個下滲能力依次減弱的水文土壤類型(HSGs)[3]，用于指導LID的規劃建設，劃分的依據是體現土壤下滲能力的飽和導水率(K)。表1為4種土壤類型及其組成性質、飽和導水率和產流潛力的比較。

如表1所示，不同水文土壤組的土壤飽和導水率存在顯著差異，海綿城市建設中采用的大部分設施為滲濾類功能的LID，此類LID適用于土壤滲水性較強的場地(如A、B類型)，不適用于土壤滲水性較弱的場地(如C、D類型)。

表1 美國農業部水文土壤組土壤性質對比Tab.1 Comparison of Soil Characteristics of Hydrological Soil Groups， USDA

美國費城是全美第一批全面推行綠色基礎設施建設(同國內的海綿城市)的大都市之一。費城的綠色基礎設施規劃和設計手冊中將LID的各種形式按其功能歸納為3大類：滲濾類、調蓄/緩慢釋放類和不透水表面不連續類[4]。滲濾類LID的作用是將雨水滲濾到淺層地下，大部分的LID都屬于滲濾類，滲濾類設施的應用取決于場地的地下水位及其f，表2為3種類型的LID的作用和選型考慮因素。

表2 美國費城綠色基礎設施類型和選型考慮[4]Tab.2 Green Infrastructure Types and Considerations for Selection in Philadelphia, US[4]

在美國南卡羅來納州的沿海城市克萊姆森市，發現已實施的滲濾類LID，即具有滲濾功能的雨水花園和生物滯留系統，由于較高的地下水位和雨季頻繁降雨，這些系統在水文和生態屬性上逐漸轉變為濕地，導致其功能與最初預期不同[5]。因此，滲透型LID在高地下水位的場地并不適用。美國馬里蘭州普魯斯喬治縣的一個研究發現，雨水滲濾池在使用兩年之后發生了堵塞，雨水無法繼續滲濾到地下，經核實，可能是場地f小于12.7 mm/h，在采用滲濾池之前未進行場地f測試，或是施工不當導致滲濾池下方的土壤壓實[6]。因此，f是另一個直接影響滲透型LID性能的關鍵因素。

基于此，美國各地出臺的綠色基礎設施規范中均有關于滲濾類綠色基礎設施底部高于地下水位一定距離的要求。如表3所示，美國費城的設計規范中要求滲濾功能的綠色基礎設施的底部都應高于地下水位至少0.61 m。而紐約州的設計規范中則規定透水路面鋪裝(不透水表面不連續類的綠色基礎設施)、滲透型綠色基礎設施的調蓄設施底部距離季節性最高地下水位至少0.92 m，干塘等調蓄類綠色基礎設施底部需距離至少0.61 m[7]。馬里蘭州的設計規范中規定滲濾類綠色基礎設施的底部需距離季節性最高地下水位至少1.22 m，在州內東部海岸地區的規范要求是至少0.61 m[8]。

表3 美國LID地方規范中關于地下水位和土壤滲水率的要求Tab.3 Local Requirements of Groundwater Table and Soil Infiltration Rate on LID Applications in US

在美國費城，滲濾型的綠色基礎設施對土壤滲透性的要求是f不小于6.35 mm/h，而紐約州和馬里蘭州土壤滲透性的要求更高，f需不小于12.7 mm/h。紐約州的《雨水管理設計手冊》[7]指出，不透水表面不連續類的綠色基礎設施只適用于f較高的土壤(美國水文土壤組A和B)。手冊中指出，需要在設計前對地下水位和f進行實測和評估，針對f較低的土壤，在某些情況下，可能需要通過犁地并埋設排水管，解除土壤壓實，進行土壤改良和土壤復墾，改善土壤的下滲能力。

位于美國加州灣區的愛莫利維爾市(Emeryville City)存在地下水位高[9]的問題，城市地下水位距離地表1.52～2.54 m，但在一些位置，雨季地下水位可升高至距離地表0.61～1.22 m。該地區的土壤主要由沉積黏土和海灣泥等細質土壤組成，土壤壓實度高，滲水性較差。加州設計規劃中要求使用滲濾類綠色基礎設施的場地f不小于12.7 mm/h，土壤中黏土含量不可超過30%或黏土和粉砂總含量不可超過40%，最高地下水位距離地表至少1.22 m[9]。愛莫利維爾市較高的地下水位，以及潛在的地下水污染問題，限制了滲濾型綠色基礎設施在全市范圍內的廣泛應用。為防止地下水污染，該城市的雨水設計指南建議所有的綠色基礎設施在底部回填清潔土壤或其他介質，并埋設底部排水管連接到雨水排水系統。圖2是愛莫利維爾市雨水設計指南中推薦采用的一種位于地平面或可被升高至地表之上的雨水花園(生物滯留池)。

圖2 美國加州愛莫利維爾市應用于高地下水位地區的一種雨水花園(生物滯留池)[9]Fig.2 A Type of Rain Garden (Bio-Retention) Applied in Emeryville City with High Groundwater Table in California， US[9]

美國紐約市自2010年推出《綠色基礎設施計劃》以來，在全市的雨污合流制范圍內已建成了占地共約2 km2的綠色基礎設施，包括大約4 000個雨水花園。紐約市環保局在人口密度較高的布朗克斯河社區建設了一種雨水花園，用來收集大約4 000 m2范圍硬地地表的雨水徑流，該雨水花園分布于淺層地表，底部鋪設了多孔式的雨水收集管，管道上方鋪設一層砂礫碎石層，碎石層上方鋪設一層滲透性較好的土壤，頂部種植植被。雨季時，雨水滲透過土壤層并滯留在碎石層，植被通過蒸散作用吸收大部分雨水，在大暴雨時，雨水管道排走了多余的雨水。該類型雨水花園受城市地下水位和f的限制較小，按雨水花園匯水面積計算，建成后每收集1英寸(25.4 mm)的降雨量相當于收集了1.4萬m3的雨水。

3 對我國LID選型的建議

在我國，一些城市(如武漢市和上海市)具有較高的地下水位，上海市的地下水位距離地表0.5～1 m。LID為淺層工程，在高地下水位的情況下，底部容易接近甚至低于地下水位，對比美國紐約州和馬里蘭州關于LID底部高于地下水位的規范要求(表3)，這些城市較高的地下水位對海綿城市建設中一些類型的LID在市內的廣泛應用存在影響。建議在這些城市對滲濾類的LID進行試點測試，評估其徑流控制和水質凈化的效果。

在海綿城市建設的規劃和設計中，需借鑒國際經驗，結合場地實測地下水位。在地下水位較高(小于1 m)的場地，應注意避免采用滲濾類LID，如下沉式綠地、生物滯留、濕地、雨水花園等，應選用包括蓄水池、蓄水罐和綠色屋頂等調蓄和滯留功能的LID，或者對選用的滲濾類LID做相應的處理，使用底部隔水層和排水管，將雨水從底部引流入下水道中，即將滲濾類LID改造為調蓄/緩慢釋放類LID。

美國費城的滲濾類LID要求f不小于6.35 mm/h，而紐約州和馬里蘭州要求f需不小于12.7 mm/h。我國的大城市開發密集性強，土壤壓實度高，如上海市主城區的土壤類型是以黏壤土為主，f為5.4～18 mm/h。一些地區f低于國際規范要求，設計海綿設施之前需對場地的土壤類型和f進行分析，結合上海市較高地下水位的特點，選用適用的海綿設施類型。如果場地f較低，可對LID底部進行相應的技術改造增加滲濾、采用引流設施或埋地式雨水調蓄設施，如在雨水花園和透水磚下增加埋地式蓄水池和相應的水質處理設施，同時實現雨水收集回用。

4 結語

在更新版《海綿城市建設技術指南》中，對一些滲濾類海綿設施的底部距離地下水位的間距提出了定量的規范，但并未涵蓋所有滲濾類的海綿設施，對于城市高地下水位地區，也并未提出具體的設計指導，指南中對土壤類型和f尚未提出定量的要求。如表4所示，本文梳理了美國綠色基礎設施設計導則中滲濾類LID對地下水位和f的要求，借鑒美國經驗，提出了我國海綿城市設計導則中可采用的具體建議。

表4 滲濾類LID對地下水位和f的要求及推薦的工程措施Tab.4 Requirements of Groundwater Table and Soil Infiltration Rate on Percolation LID Applications and Recommended Engineering Measures

借鑒美國已實施或正在推行LID的一些大城市已制定出各自適用的規范和設計標準的做法，我國各市和地區應結合各自的土壤特性、地下水情況等特點，避免“一刀切”的模式，編制出臺各自的海綿城市建設技術指南。同時，由相關管理部門會同專業科研設計單位審核，制定出因地制宜的規范標準，幫助各地區、各城市更合理有效地實施海綿城市建設。