海綿城市下沉式綠地滲透參數計算方法淺析

潘國泉

[上海浦發綜合養護（集團）有限公司，上海市 201399]

0 引言

近年來，全球極端天氣和暴雨頻發，迫切需要不斷提升和加強城市抗風險能力。城市如何在洪澇災害中迅速恢復，如何合理利用雨洪資源，如何控制面源污染等問題是海綿城市建設需要解決的關鍵問題。海綿城市建設不但是城市進行低影響開發的重要措施，而且是韌性城市理念的核心要素之一[1]。我國海綿城市建設理念自2012年在《低碳城市與區域發展科技論壇》中首次提出后，國家相繼出臺一系列指導性文件，并逐步開展試點工作。

海綿城市建設技術主要包括源頭減排、過程控制和系統治理，通過采取屋頂綠化、下凹式綠地、雨水收集利用等措施，使得建筑、小區、廣場、道路、公園及綠地等具有對雨水的吸納、蓄滯和緩釋作用。

由于下沉式綠地建設費用以及維護費用均較低，該技術被廣泛地應用于城市建筑、小區、道路和廣場等場合。

下沉式綠地也叫下凹式綠地，是指低于周邊鋪裝地面或道路一定深度的綠地，是一種生物滯留設施技術，具有蓄水、滯水、滲水、凈水等功能。下沉式綠地不僅對雨水有吸收、滯留作用，而且對雨水中的污染物有去除能力。下沉式綠地主要依靠草坪豐富的根部同化吸附作用，去除雨水徑流中的COD、N、P，依靠土壤基質的吸附、過濾和離子交換等作用來實現去污功能。土壤中的微生物可以通過吸附、絡合等作用去除徑流雨水中的重金屬和有毒有害成分。下沉式綠地設計技術要點如下：

（1）低于周邊硬質路面100～200mm；

（2）下沉式綠地應設置溢流口，溢流口頂部應高于綠地50mm以上；

（3）下沉式綠地種植土的厚度應該高于250mm；

（4）如果下沉式綠地滲透能力不足，應設置人工滲透裝置。

下沉式綠地土壤滲透性參數是該綠地設計的重要指標，本文結合現有研究成果，分析總結下沉式綠地的土壤滲透特性和規律，給出土壤在不同飽和狀態下的滲透參數計算公式，以期為不同條件下的下沉式綠地設計提供技術參考。

1 下沉式綠地土壤結構特性參數

土壤以土壤顆粒結構為骨架，土壤有機質、鐵鋁氧化物、質地是影響土壤結構特性的三大重要因素。由于下沉式綠地土壤內栽滿草坪和灌木等植物，土壤孔隙被水與空氣填充，經常處于非飽和狀體。非飽和土壤滲透理論體系是建立在廣義達西定律與質量守恒定律基礎之上的，而在非飽和土壤中存在三相系統，其中氣相系統對液相起到阻礙或推動作用。水的運動要比飽和土壤復雜得多，因為它的運動不僅與土壤空隙的幾何特征有關，而且還與土壤含水率、氣液飽和度、顆粒粒徑大小、溶質濃度以及溫度有關。

同濟大學衛熹等[2]試驗證明，土壤質地對土壤滲透性能的影響顯著，隨著土壤質地由輕變重，土壤滲透性能減小。土壤黏粒含量對土壤滲透能力有較大影響，隨黏粒含量增多滲透能力遞減。

影響土壤的滲透因數有土壤容重、空隙率、有機質以及土壤團聚體的穩定性。團聚體分形維數D根據團聚體顆粒的質量分布描述顆粒組成狀況，有利于定量描述土壤結構特征的復雜性。團聚體分維值小，表明具有較大粒級的水穩性（水穩定性指土壤在水的浸泡下不會立即散開的性質）團聚體的土壤具有良好的結構和穩定性。團聚體分形維數計算公式[3]如下：

式中：wi為直徑小于di累積質量，g；w0為土壤樣本質量，g；dmax為最大粒級團聚體平均直徑，mm；di為團聚體土壤粒徑，mm。

其中土壤團聚體結構特性采用沙維諾夫法（干篩法和濕篩法）測定。1945年，VanBavel提出土壤顆粒平均質量直徑（meanweightdiameter，MWD）為各級團聚體的綜合指標[4]：

除了上述指標外，土壤結構參數還有幾何平均直徑（GMD）、團聚體分散度（PAD）、大于0.25mm水穩性團聚體含量（WSA）。MWD為團聚體粒徑分布特征的綜合反映。試驗證明，MWD與游離Al2O3、游離Fe2O3呈正相關關系，其值越大，說明團聚體水穩性越好[5]。GMD是對團聚體主要粒級分布的描述，其值越大，團聚體含量在大粒級上的分布越多，孔隙度越好，滲透性越好[6]。WSA是指大團聚體在土壤中的含量，大團聚體分為水穩性和非水穩性兩種，土壤團聚體穩定性是土壤結構的關鍵性指標。

土壤含水率一定時，綠地進水負荷越大，滲透速度越快。在其他條件不變的情況下，土壤中水分子運動是因為壓力勢能引起的，土壤滲透系數與進水負荷產生的壓力勢能呈梯度相關。土壤的滲透性能隨著蓄水次數增加而衰減。為了減緩滲透性能的下降，在土層下面墊一層礫石、磚瓦塊、煤渣和石灰顆粒，可以提高WSA值以增加土壤的滲透性。

2 下沉式綠地土壤滲透性參數

2.1 土壤透水性概念

土壤滲透性是雨水通過土壤以及植物根系的運動過程。土壤的滲透性決定著土壤對雨水的調節能力，水在土壤中的運動就是土壤的滲透性，所謂土壤滲透性就是“土壤的透水性”。

2.2 土壤中水的運動規律

水在土壤中的運動驅動力主要有含水量梯度、空氣壓力梯度、水力壓頭梯度、位置差梯度、基質吸力梯度等。飽和土壤滲透過程中，土壤水的運動符合達西定律，滲透系數是一個常數。對于非飽和土壤，滲透系數不再是常數而是基質吸力和含水率的函數，它隨著含水率的降低而減小。根據廣義達西定律，非飽和土壤中水流運動方程為：

在非飽和土壤中，基質吸力隨著含水率變化而變化，含水率降低到一定程度時，砂性土的導水率反而比黏性土小。非飽和土的水流速度與水力梯度成線性關系（見圖1）。

圖1 土壤水特征曲線

2.3 滲透系數計算

理查茲（Richards）1931年用試驗證明非飽和土壤中的滲透也符合達西定律，即水流通量與水土勢梯度成正比，如下式：

式中：ν為沿x方向滲透速度，cm/h；ψ為飽和狀態總土水頭，m；k（θ）為飽和水力傳導率，N·m；x為滲流方向上的距離，m。

在非飽和狀態下，擴散率為常數，且水力傳導梯度與土壤含水量成直線關系，如下式：

非直線關系，如下式：

式中：fp為累積下滲容量，cm/h；S為基質吸力，kPa；A為常數；k為土壤滲透系數；θ0為不同時間土壤含水率。

土壤飽和導水率和土壤水穩定性團聚體分形維數（D）呈負相關關系，土壤滲透率與D關系如下式：

水平滲透系數與滲透率關系：

式中：ρ為流體密度；g為重力加速度；μ為流體動力黏滯系數；A、B為經驗常數。

付茂林等[6]試驗測得土壤滲透系數K的另一種計算方法:

式中：C=c·kj·ks·kw；dH=l·sinθ，dH為土壤顆粒的平均有效粒徑；τ為 迂曲度；γ為地下水重度；μ為流體動力黏度；kj·ks·kw分別為土壤級配、飽和度、土壤基質吸力的影響系數。

通過以上計算得出滲透系數K，按Darcy'slaw，計算滲透流量Q：

式中：H1-H2表示上下游水頭差；A為垂直于水流方向的截面積；L為滲透長度；K為滲透系數；I為水力梯度。

通過滲透流量，可以計算出土壤滲透速率υ：

式中：υ為綠地土壤滲透速率，m/s；Q為入滲水量，L；A為垂直于水流方向的截面積，cm2；T為時間，min。

實驗測定，有草皮的土壤滲透率比相同條件下裸露土壤大20%左右，實驗同時證明草坪中栽某些灌木比單純種植草坪的滲透系數大15%左右，滲透速率可達到10-5m/s。為了增加土壤滲透，可以種植草坪、百喜草、金銀木、黃楊和連翹等植物[7]。

3 結語

本文介紹了海綿城市規劃設計中常用的下沉式綠地的設計技術要求，重點闡述了下沉式綠地土壤結構特性的各項參數、下沉式綠地滲透性以及滲透參數的各種計算方法，以期為不同條件下的下沉式綠地設計提供技術參考。