针对LID 型道路绿化带土壤渗透性能的改良

朱木兰，廖 杰，陈国元，王吉苹，佘 年

(1.厦门理工学院水资源环境研究所，福建厦门 361024;2.美国西雅图市政府公共事业局，西雅图 98104)

伴随着城市化发展，城市3 大水危机即“水多、水少、水脏”问题也日益加剧。“水多”主要是指由暴雨引起的内涝。由于城市建成区不透水面积的大幅增加，原有的植物截留和蒸发、地面下渗作用大大降低，在相同降雨条件下，径流系数增大、雨洪量增加，加重了城市排水和河道行洪负担，造成汛期地面积水和局部洪灾［1］。“水少”主要是指水资源的缺乏。城市化所伴随的不透水路面的剧增导致雨水难于通过地面下渗补给地下水，宝贵的雨水形成径流直接流入江河湖海，这不仅加剧了雨季时的洪涝灾害，而且使河流因在旱季难于得到地下水补给而出现干枯。“水脏”主要是指水环境遭受污染。除了工业污染和生活污水造成的点源污染外，城市地表径流所造成的面源污染也是主要污染源。上海中心城区道路路面径流水质测试结果表明，路面径流中TP 超出国家地表水Ⅴ类水质标准2 倍以上［2］。可以说，在城市化进程日益加快的今天，如何控制城市内涝、地下水补给不足以及雨水面源污染问题，已成了当务之急，它关系到我国城市今后的可持续发展。

1990 年代末期，欧美等国家开始发展起一种新型的城市雨水与面源污染控制策略——低影响开发(LID)策略［3］;即在开发中尽量减少对环境的破坏和影响。其基本思路是通过综合采用渗透、过滤、蓄流和蒸发等方式来减少径流排水量和截污，使开发地区尽量接近于开发前的自然水文循环。目前，基于LID 策略的技术措施各种各样，主要有透水路面、绿色屋顶、生物滞留设施等。其中，生物滞留措施又具有各种各样的形式，如雨水花园、植草洼地、植被过滤带、生态草沟等。众多研究成果表明这些LID技术措施在削减暴雨径流量与面源污染上成效显著［4-9］。

笔者提出了建设具有生物滞留设施功能的LID型城市道路绿化带，以控制城市内涝、地下水补给不足及雨水面源污染问题的新理念，并以厦门市天然红壤土为典型代表，针对LID 型道路绿化带中至关重要的土壤渗透性能开展改良研究。

厦门地处南亚热带季风气候带，属亚热带海洋性气候，四季温和，全年平均气温为21℃左右［10］，其多年平均降雨量为1 388 mm，年季分布极不均匀［11］，雨水丰富却又十分缺水，被水利部列为全国重点缺水城市之一，因此具有采用LID 技术措施充分利用雨水资源的可行性与必要性。其本地天然土壤为红壤土，是福建省主要的土壤类型。红壤对磷素的吸附性能很好，可达到0.73 mg/g［12］，最高能达到1.61 mg/g［13］，适宜用来控制雨水面源污染物质。因此，本研究选取厦门本地天然红壤土作为LID 型道路绿化带土壤的典型代表开展渗透性能的改良研究，并结合粒径分析和相关文献资料，提出人工改良土壤其主要成分砂粒的含量以供土壤渗透性能改良时参考。

1 LID 型道路绿化带

城市道路绿化带是城市中少有的未硬化地面，但传统的道路绿化带高于路面，路面上的雨水径流无法汇入绿化带并下渗补给地下水，只能依靠城市排水管网排入江河湖海，这不仅加剧了雨季时受纳水体的行洪压力，而且使河流在旱季因难于得到地下水补给而出现干枯。LID 型道路绿化带与传统道路绿化带相比所具有的优势是:LID 型道路绿化带通过降低绿化带高程和改良绿化带土壤的渗透性能，使得地表径流容易汇集到绿化带并下渗补给地下水。此外，地表径流经过绿化带中的植物层、土壤层和砂滤层的渗透过滤、植物吸收、土壤吸附、微生物吸收分解等作用，雨水面源污染得到以削减。LID 型道路绿化带其结构可借鉴国外已成功应用的雨水花园的做法［14-15］，其平面示意图如图1 所示，在与道路接壤处开辟路边槽以利于路面雨水径流汇入，设置植被过滤带对雨水进行初步过滤，同时设置溢流口以预防多年一遇的特大暴风雨所造成的蓄水层饱和现象。由于溢流口存在被枯枝落叶等阻塞的问题，因此，溢流口需要进行定期的维护管理。

图1 LID 型道路绿化带平面结构示意图

此外，LID 型道路绿化带的垂向结构见图2，其地面高程比周边路面低10 ～30 cm，自上而下由蓄水层(0.10 ～0.25 m)、覆盖层(0.50 ～0.80 m)、人工改良土壤层(0.50 ～1.20 m)、砂层(0.15 ～0.20 m)和砂砾层(0.20 ～0.50 m)组成［16-17］，并在下端设置排水系统，将来不及下渗的多余水分排泄出去，以保证地基的稳定性。其中，覆盖层可采用稻草、树皮进行覆盖，以保持土壤的湿度，避免表层土壤板结而造成渗透性能降低，并有助于减少径流雨水的侵蚀。

图2 LID 型道路绿化带垂向结构示意图

2 土壤渗透性能的改良

土壤是LID 型道路绿化带的关键组成部分，需同时满足如下要求:①具有较好的过滤与吸附作用从而有利于削减雨水面源污染;②既宜于植物生长，又具有较大的渗透性能，从而有利于雨水下渗，削减暴雨径流量。但本地天然土壤往往难于同时满足这些要求，需进行人工改良。

厦门天然土壤为红壤土，具有对磷素良好的吸附性能，适宜用来控制雨水面源污染物质。因此，本研究选取厦门本地天然红壤土作为LID 型道路绿化带土壤的典型代表开展渗透性能的改良研究。

红壤土虽然对磷素的吸附性能很好，但渗透性能却较差，不利于雨水下渗。为了明确厦门本地天然红壤土的渗透能力，采用实验室测定方法对本地天然红壤土的饱和渗透系数进行测定，测定仪器为日本DIK-4012 型号的饱和土壤入渗仪，测定方法为变水头法。结果表明厦门本地天然红壤土的渗透系数为1.631 ×10-4cm/s。而LID 型城市道路绿化带从削减暴雨径流量的功能需要出发，其人工改良土壤层需有较高的渗透系数;同时由于绿化带种植植物的需要，作为种植土层的人工改良土壤其渗透系数亦不能太大，否则土壤持不住水分，植物无法生长。因此，有必要探讨分析人工改良土壤渗透系数的适宜范围。

调研与试验表明，生物滞留这项LID 技术措施中其土壤渗透系数不能太大，否则保水能力差，浇水频率高，费水，其渗透系数最好在0.001 cm/s 左右。但土壤渗透系数亦不宜太小，否则，蓄水层中的积水不能及时下渗入土，积水时间久了，容易滋生蚊虫。本文作者佘年在美国所参与研发的自然排水系统(获得2004 年哈佛大学商学院金奖)，发现对土壤渗透性能的要求是保证暴雨期间积蓄在蓄水层中的水能在雨后24 h 内下渗完毕，LID 型道路绿化带的设计可参照此设计标准。为了兼顾绿化带的景观性与蓄水功能，蓄水层不宜太深或太浅，一般生物滞留设施比路面下沉10 ～30 cm。为了保证雨后滞留在LID 型道路绿化带蓄水层中30 cm 厚的积水能在24 h 内全部入渗土壤，雨后含水率呈饱和状态的土壤其下渗强度即稳定下渗率不能低于30 cm/d(即3.47 ×10-4cm/s)，而稳定下渗率与土壤饱和渗透系数两者的关系可由达西定律表示为

式中:i 为表土处的下渗强度，m/s;K(θ)为土壤渗透系数，m/s;θ 为表层土壤水体积分数，m3/m3;J 为水力坡降。

降雨初期，土壤远未饱和，水力坡降J 远大于1，因而下渗强度i 大，随着下渗雨水的增多，土壤含水率θ 逐渐增大，当土壤达到饱和时，θ→θs(土壤饱和含水率)，则水力坡降J≈1，这时下渗强度也就是稳定下渗率接近于土壤的渗透系数［18］。可见，为了保证蓄水层中30 cm 厚的积水能在24 h 内下渗完毕，土壤的渗透系数不能低于3.47 ×10-4cm/s。综上所述，人工改良土壤其饱和渗透系数Ks的适宜范围为:3.47 ×10-4cm/s≤Ks≤0.001 cm/s。而厦门本地天然红壤土的饱和渗透系数比该适宜范围的下限值小了2 倍以上。为了改善厦门本地天然红壤土的渗透性，本研究通过在红壤土中不同程度地加入砂子，配制出6 种不同砂土百分率的人工改良土壤，并采用实验室测定方法测定比较不同组合方案的土壤饱和渗透系数，每种组合方案均准备了2 个样品进行测定并取均值以降低随机误差。由于改良土壤时加入砂子，土壤呈砂质化，为了确保LID 型道路绿化带中植物生长所需的营养物质，在改良土壤时加入了质量分数为5%的腐殖土。

6 种人工改良土壤组合方案其红壤土、砂子、腐殖土各自所占的质量分数，以及不同组合方案所对应的渗透系数如表1 所示。所加入的砂子粒径分析结果表明砂粒粒径范围为0.08 ～2.00 mm。

从表1 可知，具备适宜的渗透系数的人工改良土壤组合方案序号是3、4、5。即，本地天然土壤(红壤土)可通过加入15% ～35%的砂子、5%的腐殖土来改良成LID 城市道路中所需的人工改良土壤。

表1 6 种人工改良土壤组合方案与所对应的渗透系数

由于各地土壤组分各不相同，为了使上述科研成果具有通用的参考与指导作用，笔者进一步对厦门本地天然红壤土进行了粒径分析。采用Mastersizer 2000 激光粒度仪进行3 次分析，并取3次的平均值作为结果。结果表明:该红壤土中黏粒(小于0.002 mm)占2.44%，粉砂(0.002 ～0.050 mm)占41.45%，砂粒(0.05 ～2.00 mm)占56.11%。根据美国制土壤质地分类三角表可知，该天然红壤土属于砂质壤土。而具有适宜渗透系数的人工改良土壤是在厦门本地天然红壤土中加入了质量分数为15% ～35%的砂子，5%的腐殖土。据此，可分析计算出具有适宜渗透系数的人工改良土壤其砂粒质量分数在60%以上，文献［17］指出，雨水花园这项生物滞留设施其土壤应选用渗透系数较大的砂质土壤，其主要成分砂子质量分数为60% ～85%。可见，本研究结果与相关文献均表明，具有适宜渗透系数的人工改良土壤其土壤主要成分砂粒的质量分数在60%以上。

3 结 语

提出了构建高程低于路面的LID 型道路绿化带以控制城市内涝、地下水补给不足和雨水面源污染问题的新策略，并选取对磷素具有良好吸附性能的厦门本地天然红壤土作为代表，开展渗透性能的改良研究。结果表明，厦门本地天然红壤土渗透系数太小，仅为1.631 ×10-4cm/s，不适宜作为LID 型道路绿化带中的土壤，可通过加入质量分数为15% ～35%的砂子及5%的腐殖土进行改良，从而获得具有适宜渗透系数的人工改良土壤。此外，分析计算与相关文献均表明，具有适宜渗透系数的人工改良土壤其土壤主要成分砂粒的质量分数在60%以上，该砂粒质量分数可作为土壤渗透性能改良时的参考依据。

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