潘國泉

[上海浦發(fā)綜合養(yǎng)護(hù)（集團(tuán)）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(fā)，迫切需要不斷提升和加強(qiáng)城市抗風(fēng)險(xiǎn)能力。城市如何在洪澇災(zāi)害中迅速恢復(fù)，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(shè)需要解決的關(guān)鍵問題。海綿城市建設(shè)不但是城市進(jìn)行低影響開發(fā)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(shè)理念自2012年在《低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇》中首次提出后，國家相繼出臺(tái)一系列指導(dǎo)性文件，并逐步開展試點(diǎn)工作。

海綿城市建設(shè)技術(shù)主要包括源頭減排、過程控制和系統(tǒng)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(qū)、廣場、道路、公園及綠地等具有對(duì)雨水的吸納、蓄滯和緩釋作用。

由于下沉式綠地建設(shè)費(fèi)用以及維護(hù)費(fèi)用均較低，該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于城市建筑、小區(qū)、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(shè)施技術(shù)，具有蓄水、滯水、滲水、凈水等功能。下沉式綠地不僅對(duì)雨水有吸收、滯留作用，而且對(duì)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(zhì)的吸附、過濾和離子交換等作用來實(shí)現(xiàn)去污功能。土壤中的微生物可以通過吸附、絡(luò)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(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)如下：

（1）低于周邊硬質(zhì)路面100～200mm；

（2）下沉式綠地應(yīng)設(shè)置溢流口，溢流口頂部應(yīng)高于綠地50mm以上；

（3）下沉式綠地種植土的厚度應(yīng)該高于250mm；

（4）如果下沉式綠地滲透能力不足，應(yīng)設(shè)置人工滲透裝置。

下沉式綠地土壤滲透性參數(shù)是該綠地設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，本文結(jié)合現(xiàn)有研究成果，分析總結(jié)下沉式綠地的土壤滲透特性和規(guī)律，給出土壤在不同飽和狀態(tài)下的滲透參數(shù)計(jì)算公式，以期為不同條件下的下沉式綠地設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 下沉式綠地土壤結(jié)構(gòu)特性參數(shù)

土壤以土壤顆粒結(jié)構(gòu)為骨架，土壤有機(jī)質(zhì)、鐵鋁氧化物、質(zhì)地是影響土壤結(jié)構(gòu)特性的三大重要因素。由于下沉式綠地土壤內(nèi)栽滿草坪和灌木等植物，土壤孔隙被水與空氣填充，經(jīng)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(dá)西定律與質(zhì)量守恒定律基礎(chǔ)之上的，而在非飽和土壤中存在三相系統(tǒng)，其中氣相系統(tǒng)對(duì)液相起到阻礙或推動(dòng)作用。水的運(yùn)動(dòng)要比飽和土壤復(fù)雜得多，因?yàn)樗倪\(yùn)動(dòng)不僅與土壤空隙的幾何特征有關(guān)，而且還與土壤含水率、氣液飽和度、顆粒粒徑大小、溶質(zhì)濃度以及溫度有關(guān)。

同濟(jì)大學(xué)衛(wèi)熹等[2]試驗(yàn)證明，土壤質(zhì)地對(duì)土壤滲透性能的影響顯著，隨著土壤質(zhì)地由輕變重，土壤滲透性能減小。土壤黏粒含量對(duì)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(shù)有土壤容重、空隙率、有機(jī)質(zhì)以及土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。團(tuán)聚體分形維數(shù)D根據(jù)團(tuán)聚體顆粒的質(zhì)量分布描述顆粒組成狀況，有利于定量描述土壤結(jié)構(gòu)特征的復(fù)雜性。團(tuán)聚體分維值小，表明具有較大粒級(jí)的水穩(wěn)性（水穩(wěn)定性指土壤在水的浸泡下不會(huì)立即散開的性質(zhì)）團(tuán)聚體的土壤具有良好的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。團(tuán)聚體分形維數(shù)計(jì)算公式[3]如下：

式中：wi為直徑小于di累積質(zhì)量，g；w0為土壤樣本質(zhì)量，g；dmax為最大粒級(jí)團(tuán)聚體平均直徑，mm；di為團(tuán)聚體土壤粒徑，mm。

其中土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)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(zhì)量直徑（meanweightdiameter，MWD）為各級(jí)團(tuán)聚體的綜合指標(biāo)[4]：

除了上述指標(biāo)外，土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)還有幾何平均直徑（GMD）、團(tuán)聚體分散度（PAD）、大于0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量（WSA）。MWD為團(tuán)聚體粒徑分布特征的綜合反映。試驗(yàn)證明，MWD與游離Al2O3、游離Fe2O3呈正相關(guān)關(guān)系，其值越大，說明團(tuán)聚體水穩(wěn)性越好[5]。GMD是對(duì)團(tuán)聚體主要粒級(jí)分布的描述，其值越大，團(tuán)聚體含量在大粒級(jí)上的分布越多，孔隙度越好，滲透性越好[6]。WSA是指大團(tuán)聚體在土壤中的含量，大團(tuán)聚體分為水穩(wěn)性和非水穩(wěn)性兩種，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性指標(biāo)。

土壤含水率一定時(shí)，綠地進(jìn)水負(fù)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(yùn)動(dòng)是因?yàn)閴毫?shì)能引起的，土壤滲透系數(shù)與進(jìn)水負(fù)荷產(chǎn)生的壓力勢(shì)能呈梯度相關(guān)。土壤的滲透性能隨著蓄水次數(shù)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(shù)

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(yùn)動(dòng)過程。土壤的滲透性決定著土壤對(duì)雨水的調(diào)節(jié)能力，水在土壤中的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律

水在土壤中的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(zhì)吸力梯度等。飽和土壤滲透過程中，土壤水的運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律，滲透系數(shù)是一個(gè)常數(shù)。對(duì)于非飽和土壤，滲透系數(shù)不再是常數(shù)而是基質(zhì)吸力和含水率的函數(shù)，它隨著含水率的降低而減小。根據(jù)廣義達(dá)西定律，非飽和土壤中水流運(yùn)動(dòng)方程為：

在非飽和土壤中，基質(zhì)吸力隨著含水率變化而變化，含水率降低到一定程度時(shí)，砂性土的導(dǎo)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(guān)系（見圖1）。

圖1 土壤水特征曲線

2.3 滲透系數(shù)計(jì)算

理查茲（Richards）1931年用試驗(yàn)證明非飽和土壤中的滲透也符合達(dá)西定律，即水流通量與水土勢(shì)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(tài)總土水頭，m；k（θ）為飽和水力傳導(dǎo)率，N·m；x為滲流方向上的距離，m。

在非飽和狀態(tài)下，擴(kuò)散率為常數(shù)，且水力傳導(dǎo)梯度與土壤含水量成直線關(guān)系，如下式：

非直線關(guān)系，如下式：

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

土壤飽和導(dǎo)水率和土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分形維數(shù)（D）呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤滲透率與D關(guān)系如下式：

水平滲透系數(shù)與滲透率關(guān)系：

式中：ρ為流體密度；g為重力加速度；μ為流體動(dòng)力黏滯系數(shù)；A、B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

付茂林等[6]試驗(yàn)測得土壤滲透系數(shù)K的另一種計(jì)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(dòng)力黏度；kj·ks·kw分別為土壤級(jí)配、飽和度、土壤基質(zhì)吸力的影響系數(shù)。

通過以上計(jì)算得出滲透系數(shù)K，按Darcy'slaw，計(jì)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(shù)；I為水力梯度。

通過滲透流量，可以計(jì)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(shí)間，min。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)同時(shí)證明草坪中栽某些灌木比單純種植草坪的滲透系數(shù)大15%左右，滲透速率可達(dá)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(jié)語

本文介紹了海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中常用的下沉式綠地的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，重點(diǎn)闡述了下沉式綠地土壤結(jié)構(gòu)特性的各項(xiàng)參數(shù)、下沉式綠地滲透性以及滲透參數(shù)的各種計(jì)算方法，以期為不同條件下的下沉式綠地設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。