杜新龍,劉佩貴,馬 宗,高渤謙,姚 梅

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009;2.安徽省水文局,安徽 合肥 230033)

0 引言

隨著城市化水平的不斷提高,道路、住宅等不透水表面面積持續(xù)擴大,地表徑流數(shù)量和強度的增加給城市防洪排澇工作帶來了極大的壓力。而下凹式綠地作為海綿城市重要的雨水收集手段,具有提升城市綠地匯聚雨水、蓄洪排澇、補充地下水、凈化生態(tài)等能力的功能,對城市綠地的水文調(diào)蓄功能具有重要意義[1]。眾多學者從徑流削減、污染凈化等角度探究影響下凹式綠地設(shè)計的關(guān)鍵因素,并從綠地結(jié)構(gòu)、群落配置等方面優(yōu)化其減峰增透性能,并嘗試克服下凹式綠地的本土性[2]難點,擴展其適用性,應用到更廣泛的地區(qū)。已有物理模型和試驗研究表明,砂土層與卵石層相對比例較高的層級結(jié)構(gòu)有助于提高暴雨時期雨水蓄存率和污染物去除率[3-4];部分成果在濱海鹽堿區(qū)域建設(shè)海綿城市下凹式綠地中進行了應用分析和工程驗證,提出了排蓄物理沖突、養(yǎng)分缺失、水澇爛根、滲透性差、景觀效果不佳五方面技術(shù)問題的解決方案[5-7]。

下凹式綠地在削減峰值和凈化雨水方面發(fā)揮著重要作用,從地下水補給角度,下凹式綠地在儲蓄雨水和削減峰值的同時,可以增加周邊地區(qū)地下水的補給量,影響地下水動態(tài)變化特征。為此,本文通過構(gòu)建下凹式綠地室內(nèi)槽試驗模型,探討下凹深度、土壤含水量及包氣帶介質(zhì)對周邊地下水動態(tài)變化特征的影響程度與范圍,以期為科學收集雨水和。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

本次試驗采用槽試驗裝置如圖1所示,試驗槽材料為亞克力板,長、寬、高分別為150 cm、50 cm、50 cm,兩側(cè)各設(shè)置一個長15 cm的出水槽,出水槽底部開有直徑約5 cm的圓孔,接有軟管與試驗室排水渠相連。出水槽與主槽之間的隔板上均勻地打有小孔用于排水,滲出水量將進入出水槽,通過底部出水口與水管流出。隔板內(nèi)側(cè)平鋪有雙層紗網(wǎng),用以防止砂粒進入小孔導致堵塞。

圖1 實驗裝置

1.2 試驗材料與方法

本次試驗選取了顆粒大小不同的三種均質(zhì)砂樣,分別為細砂、中細砂、粗砂,采用分層裝填的方法裝填入試驗槽,裝填時每裝填10 cm厚時進行一次壓實,裝填深度共計30 cm,為保證壓實相對均勻,裝填結(jié)束后靜置12 h。試驗槽中部共分別設(shè)計了5 cm、7 cm和10 cm三種下凹深度,并鋪上雙層紗網(wǎng)。相同砂樣、相同下凹深度條件下,設(shè)計了兩組土壤含水量,用以探究土壤含水量對下凹式綠地周邊地下水動態(tài)的影響,本次試驗設(shè)計的方案如表1所示。

為保證下凹深度的水頭基本穩(wěn)定,上部布設(shè)有與水龍頭相連的軟管作為供水裝置,用閥門調(diào)控補給水量的大小,形成穩(wěn)定下滲過程。通水前在凹槽兩側(cè)約5 cm處置入含量為90%的高錳酸鉀片,利用高錳酸鉀遇水溶解變紅的原理直觀顯示地下水水位變化情況。

表1 試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 下凹深度對地下水動態(tài)的影響分析

基于不同試驗方案的觀測數(shù)據(jù),分別得到了細砂、中細砂、粗砂不同下凹深度下周邊地下水位的響應情況,如圖2所示。

由圖2可以看出,下凹深度為5 cm時,經(jīng)過25 min,水位埋深從15.4 cm下降至15.2 cm,水位變化為0.2 cm,過程中有輕微波動,25 min后基本穩(wěn)定,埋深保持在15.2 cm。這表明下凹深度為5 cm時,地下水位呈緩慢上升的態(tài)勢,且變化幅度較小,表明下凹式綠地中的水分下滲補給量較小,單位時間內(nèi)補給量與側(cè)向滲出排泄量基本持平。下凹深度增大至7 cm時,經(jīng)過15 min,水位埋深從15.4 cm降至14.6 cm,水位變化為0.8 cm,15 min后基本穩(wěn)定,水位埋深保持在14.6 cm。地下水水位呈現(xiàn)較為明顯的上升趨勢,下滲補給量大于側(cè)向排泄量,儲存量增加,待水位上升至一定值后,側(cè)向排泄面積的增大或者排泄速度的增加使補給與排泄二者最終趨于平衡,水位達到穩(wěn)定狀態(tài)。下凹深度繼續(xù)增加至10 cm時,經(jīng)過35 min,水位埋深從15.4 cm降至11.9 cm,水位變化為3.5 cm,35 min后基本穩(wěn)定,埋深保持在11.9 cm。表明隨著下凹深度增加,地下水位上升趨勢越明顯,且變化幅度逐漸增大。

圖2 不同下凹深度水位埋深變化過程

表2 不同下凹深度地下水位動態(tài)特征值統(tǒng)計

水位穩(wěn)定后,以下凹深度為7 cm為例,試驗槽內(nèi)細砂、中細砂和粗砂達到穩(wěn)定狀態(tài)后,斷面地下水水位如圖3所示。圖3的穩(wěn)定埋深過程線直觀的表明了下凹深度相同時,不同介質(zhì)的滲透能力不同,表現(xiàn)在水位上升幅度的差異性。

綜上可以看出,下凹深度為10 cm時綠地的蓄水性能最優(yōu),影響范圍約為周邊58 cm左右,下凹深度為7 cm時,蓄水體積減小,影響范圍減小至50 cm左右,下凹深度為5 cm時,水位變化微弱,影響范圍約為46 cm,影響范圍是7 cm深度方案的92%,僅為10 cm深度方案的79%。

2.2 介質(zhì)滲透性能對地下水動態(tài)影響分析

以土壤含水量45%條件且下凹深度為7 cm方案為代表,由圖4可以看出,含水介質(zhì)為細砂時,經(jīng)過15 min,水位埋深從15.4 cm降至14.1 cm,水位變化1.3 cm,埋深變幅為8.4%,15 min后基本穩(wěn)定,水位埋深保持在14.1 cm。這表明在0～15 min內(nèi),下滲補給量多于側(cè)向流出排泄量,此時地下水位呈短暫的抬升趨勢,直至補給排泄均衡,水位不再有明顯變化。

圖4 不同含水介質(zhì)水位埋深變化過程

含水介質(zhì)為粗砂時,經(jīng)過30 min,水位埋深從15.4 cm降至11.8 cm,水位變化3.6 cm,埋深變幅達23.3%,大于細砂,30 min后基本穩(wěn)定,埋深維持在11.8 cm。這表明0～30 min內(nèi),綠地下滲補給量較多,地下水位較長時間內(nèi)持續(xù)抬升,試驗期間水位抬升速度在逐漸減緩,最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。含水介質(zhì)為中細砂時,經(jīng)過20 min,水位埋深從15.4 cm降至13.3 cm,水位變化2.1 cm,埋深變幅達13.6%,小于粗砂,大于細砂,20 min后基本穩(wěn)定,水位埋深維持在13.3 cm。粗砂因滲透性能明顯優(yōu)于中細砂和細砂,周邊地下水的動態(tài)影響也較顯著。

表3 不同介質(zhì)滲性地下水位動態(tài)特征值統(tǒng)計

2.3 土壤含水量對周邊地下水動態(tài)影響分析

相同下凹深度,不同土壤含水量條件下,周邊地下水的動態(tài)變化情況如圖5所示。

圖5 不同介質(zhì)含水量水位埋深變化過程

以下凹深度為5 cm的細砂為代表,由圖4可以看出,土壤含水量θ=17%條件下,經(jīng)過35 min,水位埋深從15.4 cm降至11.9 cm,水位變化3.5 cm,埋深降幅達23%,利用二項式擬合曲線,對其求一階導數(shù)可發(fā)現(xiàn),在0～35 min內(nèi),埋深降低速率逐漸減小,最后漸趨平穩(wěn)。這表明介質(zhì)含水量較低時,地下水位呈明顯的抬升趨勢,隨著介質(zhì)含水量的上升,補給量逐漸減少。θ=45%條件下,經(jīng)過20 min,水位埋深從11.5 cm降至9.7 cm,水位變化1.8 cm,埋深降幅約15.65%,0～20 min內(nèi),水位埋深降低速率逐漸減小,最后漸趨平穩(wěn)。這表明介質(zhì)含水量較高時,地下水同樣呈抬升趨勢,但抬升幅度較低介質(zhì)含水量情況更小,且達到穩(wěn)定狀態(tài)所耗時間更少,表明隨著介質(zhì)含水量上升,下滲補給量很快達到與側(cè)向流出排泄量持平的狀態(tài),土壤含水量較低的條件下,下凹式綠地的蓄滲性能及對周邊地下水動態(tài)影響較明顯。

綜合以上分析可以得出,試驗中分析所選取數(shù)據(jù)均為距離下凹式綠地凹槽20～30 cm處水位埋深數(shù)據(jù),即它們的滲流長度相同。由達西定律可知,影響滲流量的因素為斷面面積、滲透系數(shù)和水頭差,結(jié)合試驗觀測結(jié)果,下凹式綠地深度增大使過水斷面面積增大,粗砂滲透性能強于細砂,低土壤含水量條件下水頭差值增大都有效增大了滲流量,同時水位抬升過程中水頭差值的減小,水力梯度減小,是致使水位抬升速度逐漸減緩的主要原因。

3 結(jié)語

(1)本文通過構(gòu)建室內(nèi)物理模型,分析了不同下凹深度、介質(zhì)滲透性以及土壤含水量條件影響下周邊地下水動態(tài)變化特征,得出10 cm下凹深度、滲透性能較強的粗砂和較低的土壤含水量對地下水動態(tài)的影響較大,地下水埋深變幅均超過20%,影響范圍約為下凹式綠地周邊50 cm。不同下凹深度影響下的地下水位動態(tài)差異最為顯著,介質(zhì)滲性的影響次之,土壤含水量影響最弱。

(2)下凹式綠地周邊地下水位的響應速度均呈現(xiàn)出由快到慢的變化趨勢,水位趨于穩(wěn)定狀態(tài)所耗費時間也存在差異,表明地下水動態(tài)對下凹式綠地的響應存在一定的閾值,確定該閾值與影響因素的數(shù)值關(guān)系將是下一步繼續(xù)研究的內(nèi)容和方向。