杜新龍,劉佩貴,馬 宗,高渤謙,姚 梅

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)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(kuò)大,地表徑流數(shù)量和強(qiáng)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(bǔ)充地下水、凈化生態(tài)等能力的功能,對(duì)城市綠地的水文調(diào)蓄功能具有重要意義[1]。眾多學(xué)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(jì)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(diǎn),擴(kuò)展其適用性,應(yīng)用到更廣泛的地區(qū)。已有物理模型和試驗(yàn)研究表明,砂土層與卵石層相對(duì)比例較高的層級(jí)結(jié)構(gòu)有助于提高暴雨時(shí)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(jìn)行了應(yīng)用分析和工程驗(yàn)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(bǔ)給角度,下凹式綠地在儲(chǔ)蓄雨水和削減峰值的同時(shí),可以增加周邊地區(qū)地下水的補(bǔ)給量,影響地下水動(dòng)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(yàn)?zāi)Ｐ?探討下凹深度、土壤含水量及包氣帶介質(zhì)對(duì)周邊地下水動(dòng)態(tài)變化特征的影響程度與范圍,以期為科學(xué)收集雨水和。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)采用槽試驗(yàn)裝置如圖1所示,試驗(yàn)槽材料為亞克力板,長(zhǎng)、寬、高分別為150 cm、50 cm、50 cm,兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)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(yàn)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(jìn)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(jìn)入小孔導(dǎo)致堵塞。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)材料與方法

本次試驗(yàn)選取了顆粒大小不同的三種均質(zhì)砂樣,分別為細(xì)砂、中細(xì)砂、粗砂,采用分層裝填的方法裝填入試驗(yàn)槽,裝填時(shí)每裝填10 cm厚時(shí)進(jìn)行一次壓實(shí),裝填深度共計(jì)30 cm,為保證壓實(shí)相對(duì)均勻,裝填結(jié)束后靜置12 h。試驗(yàn)槽中部共分別設(shè)計(jì)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(jì)了兩組土壤含水量,用以探究土壤含水量對(duì)下凹式綠地周邊地下水動(dòng)態(tài)的影響,本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(bǔ)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(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 下凹深度對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響分析

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

由圖2可以看出,下凹深度為5 cm時(shí),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(dòng),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(shí),地下水位呈緩慢上升的態(tài)勢(shì),且變化幅度較小,表明下凹式綠地中的水分下滲補(bǔ)給量較小,單位時(shí)間內(nèi)補(bǔ)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(shí),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(shì),下滲補(bǔ)給量大于側(cè)向排泄量,儲(chǔ)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(bǔ)給與排泄二者最終趨于平衡,水位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。下凹深度繼續(xù)增加至10 cm時(shí),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(shì)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(dòng)態(tài)特征值統(tǒng)計(jì)

水位穩(wěn)定后,以下凹深度為7 cm為例,試驗(yàn)槽內(nèi)細(xì)砂、中細(xì)砂和粗砂達(dá)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(shí),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(shí)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(shí),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(shí),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(duì)地下水動(dòng)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(xì)砂時(shí),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(bǔ)給量多于側(cè)向流出排泄量,此時(shí)地下水位呈短暫的抬升趨勢(shì),直至補(bǔ)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(shí),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(dá)23.3%,大于細(xì)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(bǔ)給量較多,地下水位較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)抬升,試驗(yàn)期間水位抬升速度在逐漸減緩,最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。含水介質(zhì)為中細(xì)砂時(shí),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(dá)13.6%,小于粗砂,大于細(xì)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(xì)砂和細(xì)砂,周邊地下水的動(dòng)態(tài)影響也較顯著。

表3 不同介質(zhì)滲性地下水位動(dòng)態(tài)特征值統(tǒng)計(jì)

2.3 土壤含水量對(duì)周邊地下水動(dòng)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(dòng)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(xì)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(dá)23%,利用二項(xiàng)式擬合曲線,對(duì)其求一階導(dǎo)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(shí),地下水位呈明顯的抬升趨勢(shì),隨著介質(zhì)含水量的上升,補(bǔ)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(shí),地下水同樣呈抬升趨勢(shì),但抬升幅度較低介質(zhì)含水量情況更小,且達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所耗時(shí)間更少,表明隨著介質(zhì)含水量上升,下滲補(bǔ)給量很快達(dá)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(duì)周邊地下水動(dòng)態(tài)影響較明顯。

綜合以上分析可以得出,試驗(yàn)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(zhǎng)度相同。由達(dá)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(yàn)觀測(cè)結(jié)果,下凹式綠地深度增大使過水?dāng)嗝婷娣e增大,粗砂滲透性能強(qiáng)于細(xì)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(shí)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(yǔ)

(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(dòng)態(tài)變化特征,得出10 cm下凹深度、滲透性能較強(qiáng)的粗砂和較低的土壤含水量對(duì)地下水動(dòng)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(dòng)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(yīng)速度均呈現(xiàn)出由快到慢的變化趨勢(shì),水位趨于穩(wěn)定狀態(tài)所耗費(fèi)時(shí)間也存在差異,表明地下水動(dòng)態(tài)對(duì)下凹式綠地的響應(yīng)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。