北京地区下凹式绿地土壤渗透能力及蓄水对土壤物理性质的影响

朱永杰,毕华兴,2†,霍云梅,许华森

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.北京林业大学林业生态工程教育部工程研究中心,100083,北京)

北京地区下凹式绿地土壤渗透能力及蓄水对土壤物理性质的影响

朱永杰1,毕华兴1,2†,霍云梅1,许华森1

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.北京林业大学林业生态工程教育部工程研究中心,100083,北京)

采用自制的模拟下凹式绿地,通过模拟不同设计暴雨强度条件下下凹式绿地的进水负荷,动态监测下凹式绿地在蓄水过程中土壤水分的渗透量和平均入渗速率,研究北京地区下凹式绿地在蓄积周边外来雨水径流过程中土壤水分的渗透规律以及蓄积雨水径流后对土壤孔隙及土壤密度的影响。结果表明:1)在土壤含水率基本相同的条件下,下凹式绿地土壤渗透性能在1、3、5年一遇暴雨情况下会随着暴雨强度的增加而增大;2)在设计暴雨强度一致时,土壤水分的渗透量和平均入渗速率没有明显差异,土壤密度小、总孔隙度大的渗透量和平均入渗速率更大; 3)随着绿地蓄水次数的增多,土壤密度和总孔隙度变化较大,蓄水试验后,土壤密度由最初的1.33 g/cm3变为1.65 g/cm3、总孔隙度由原来的50.06%变为39.18%。

下凹式绿地;暴雨强度;渗透量;平均入渗速率

北京是世界上严重缺水的大城市之一,水资源 人均占有量不足300 m3[1]。城市不透水面积的增加、洪峰流量的加大引发的内涝灾害已成为城市发展的关键问题[2-3],削减暴雨雨水径流、增加雨水地表入渗是北京市房地产类项目水土流失治理的研究热点。下凹式绿地是雨水蓄积以及增加地表入渗的有效绿化措施[4]。近年来,越来越多的下凹式绿地在北方城市绿地建设中被应用。下凹式绿地作为一种天然的渗透系统,对雨水径流有渗透、蓄积、利用及污染削减等多重效用[5-6]。下凹式绿地不仅能增加其本身的降雨下渗量,还能汇集地面区域(水文流向的上方区域)产生的径流,并可以通过下渗作用补充地下水[7]。目前,对下凹式绿地的相关研究主要集中在2个方面,一方面是其蓄渗减洪效果,另一方面是它对雨水及径流污染物的削减效应。任树梅等[8]对北京城区不同水平年、汇水面积以及不同下凹深度绿地的雨水蓄渗效果进行了分析计算,结果表明,下凹式绿地在城市雨水利用以及降低洪水危害方面有积极的作用。叶水根等[9]在设计暴雨条件下对下凹式绿地的降雨拦蓄效率进行了研究,在汇水面积与下凹式绿地面积比为2∶1的情况下,对于10、50和100年一遇的暴雨,下凹式绿地的降雨拦蓄率均在50%以上。周丰等[7]对道路下凹式绿地研究发现,下凹式绿地可以有效减少路面雨水径流和汇流,同时能够补充地下水。程江等[10]对不同设计条件下下凹式绿地对雨水的蓄渗效应进行了研究,认为下凹深度、土壤的稳渗速率和绿地面积比是影响蓄渗效果的关键因素。程江等[11]根据降雨实测数据,研究了下凹式绿地对降雨径流污染的削减效应,结果表明,下凹式绿地对COD,NH4+和TP削减效果明显。黄民生等[12]研究结果表明,下凹式绿地对径流污染物的削减作用较为明显,对雨水径流中的有机物、N、P等污染物经过下凹式绿地后,可被削减40%～50%以上。但现阶段对下凹式绿地蓄渗机制的研究较少,尤其是其蓄水过程中的土壤水分入渗过程以及蓄水对土壤密度和总孔隙度的影响。而土壤初始含水率、土壤密度及孔隙度会影响土壤的入渗性能,初始含水率越高土壤入渗能力越小[13],土壤入渗能力对暴雨期间地表径流量有较大影响[14-15];因此,笔者以下凹式绿地为试验材料,研究其在不同进水负荷条件下的土壤水分入渗过程,分析蓄水次数对土壤密度和孔隙度的影响,以期为下凹式绿地的建设提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置及供试土壤

试验装置为自行设计加工的下凹式绿地(图1),圆柱形塑料桶直径为100 cm,高70 cm,下凹深度为10 cm,雨水口高出下凹式绿地地面8 cm,最低端设有一个直径5 cm的出水口。在该装置内,按照设定比例5∶9(土壤层厚度不小于20 cm),分层填装细土壤层和小砾石,砾石层在下,土壤层在上。试验土壤取自北京市昌平区科技园建设挖方土,土壤类型为砂质壤土,其机械组成见表1。填装完成后,在土壤表面铺上高羊茅草皮,草种为北方多年生高羊茅(Festuca arundinacea),草皮移植生长约半个月后,按照设定的试验组及每组的试验条件进行试验,每次试验前对土壤含水率(POGO便携式土壤多参数速测仪)和土壤密度(环刀法)进行测定,以保证每次试验前土壤含水率基本一致。

1.2 试验设计

图1 试验装置纵剖面图Fig.1 Longitudinal profile drawing of the device

1)暴雨强度计算。模拟试验在北京林业大学校园内进行,暴雨强度根据北京市暴雨强度公式[16]计算得出。

表1 供试土壤机械组成Tab.1 Mechanical composition of experimental soil

式中:q为设计暴雨强度,L/(s·hm2);t为降雨历时, min;P为设计重现期,a。适用范围为t≤120 min,P在0.25～100 a之间。

按照绿化面积为20%的比例,下凹式绿地收集面积为3.92 m2的周边区域的雨水径流,径流系数取0.85[16],由此计算得出重现期1、3、5年的暴雨水平下对应的进入下凹式绿地的水量分别为152、211、239 L,进水时间为120 min。用进水负荷表示下凹式绿地进水总量与进水时间的比值,单位为L/min,强度分别表示为低(1.27 L/min)、中(1.76 L/min)、高(2.00 L/min)3个层次。

1.2.2 试验设计 试验一共进行5组,每组蓄水入渗试验重复一次,取平均值以减少试验误差。每组编号分别为A1、B1、B2、C1、C2,各组进水负荷的试验次序见表2,各组试验进行的当日气候条件见表3。

表2 各进水负荷的试验次序Tab.2 Test order of each influent load

表3 各组试验的气候条件Tab.3 Climate conditions of each experiment

2)测定项目与测定方法。试验前,采用含水率测定仪(POGO便携式土壤多参数速测仪,Stevens Water,美国)测定土壤含水率。采用环刀法测定土壤密度,小环刀体积为50 cm3,每次取同一直径上对称的2个样进行测定。取样时,先将土壤表面的一小块草皮完整截取出来,然后在平整的土壤表面取样,取完样后,再填入质量相同的同一种土壤,将取过样后的地方填满并压实到与原来位置齐平,将草皮种上,一段时间后进行下次试验,使取样对入渗的影响减到最小,每次尽可能不在同一处取样。试验开始时,底部出水口阀门打开,利用流量可控的抽水泵对下凹式绿地进行灌水,表达不同暴雨强度下的进水负荷;开始进水后,用秒表计时,观测记录底部出水口开始出现渗透水的时间,用烧杯收集渗透水,然后用量筒测定体积;当雨水口开始溢流的时候即关闭底部出水口阀门,停止收集渗透水,并记录下水位到达雨水口的时间。

2 结果与分析

2.1 不同进水负荷绿地渗透量和平均入渗速率

不同暴雨强度条件下,下凹式绿地蓄水过程中绿地土壤水分渗透量的变化曲线见图2。可以看出,A1、B1、C1的渗透量随时间的变化规律一致,都是呈抛物线型增加,并且最后土壤水分的渗透总量随着进水负荷的增加也是增大的。A1、B1、C1 3种情况下的渗透量差异性显著(P=0.01＜0.05)。C1的渗透总量最高,达到78.66 L,A1的渗透总量最低,为25.49 L。暴雨重现期为1、3、5年一遇情况下,土壤含水率基本一致时,进水负荷越大,下凹式绿地土壤水分下渗越多。说明在一定范围内,暴雨强度越大,下凹式绿地渗水性能越优越,完全可拦蓄5年一遇暴雨条件下的地面径流。

图2 不同进水负荷渗透量Fig.2 Infiltration volume under different influent loads

不同进水负荷下绿地平均入渗速率见图3。可以看出,不同于双环入渗,从开始进水到水位与雨水口持平这段时间,下凹式绿地的平均入渗速率一直是增大的,这是由于随着进水的持续,土壤表面水位不断上涨的结果。在其他条件不变的情况下,影响土壤中水分运动的主导势是压力势,其相对稳定入渗率与供水所产生的压力势是呈梯度相关的[18]。A1、B1、C1的平均入渗速率差异显著(P＜0.05),并且A1、B1、C1两两之间差异均为显著(P＜0.05),由此说明,在1、3、5年设计暴雨强度的进水负荷条件下,土壤平均入渗速率差异明显。这是因为进水负荷不同,土壤表面水位升高快慢也不一样,从而导致入渗过程中平均入渗速率增加的快慢程度不一样。

图3 不同进水负荷绿地平均入渗速率Fig.3 Average infiltrate rate under different influent loads

2.2 相同进水负荷条件下的渗透量及平均入渗速率

B1和B2以及C1和C2降雨条件下渗透性能对比结果见图4和图5。可以看出,在设计暴雨强度相同的情况下,渗透量和平均入渗速率差异均不显著(P＞0.05),渗透量和平均入渗速率的变化规律相似,先是快速增加,约30 min后增加逐渐变缓。B1、B2、以及C1、C2的渗透速率一直没有稳定,而是呈上升趋势,主要是由于在下凹式绿地蓄水过程中,其土壤表面的水位在未溢流之前是不断上升变化的;因此,土壤的渗透速率也在增加,平均入渗速率也在增加。对比B1和B2以及C1和C2发现,B1的渗透量和平均入渗速率都要比B2的大,C1的渗透量和平均入渗速率比C2的大,在雨水口溢流出水口阀门关闭时,B1、B2渗透量相差24.23 L,平均入渗速率相差39%,C1、C2总的渗透量相差19.03 L,平均入渗速率相差25%。说明在设计暴雨强度一致时,土壤密度和总孔隙度对土壤渗透过程存在较大影响,土壤密度小、孔隙度大的渗透量大,平均入渗速率明显更快。

图4 1.76 L/min进水负荷下的渗透量和平均入渗速率Fig.4 Volume and average infiltration rate at the influent load of 1.76 L/min

图5 2.0 L/min进水负荷下渗透量和平均入渗速率Fig.5 Volume and average infiltration rate at the influent load of 2.0 L/min

2.3 下凹式绿地蓄水对土壤密度、孔隙度的影响

各次试验前的土壤密度、含水率、总孔隙度见表4。可以看出,试验前,在装置中填装好的土壤密度为1.33 g/cm3,根据土壤密度计算的土壤总孔隙度为50.06%,属于物理性状较好的北方砂壤土。下凹式绿地第1次低负荷蓄水试验结束后,测定土壤的密度变化很小,总孔隙度减小到47.73%,较之前没有大的变化;随着蓄水次数的增多,2组试验之间土壤的密度和总孔隙度变化有增大的趋势。其中, C1较B1土壤密度增加了0.09,总孔隙度减少了0.97%;B2较C2土壤密度增加了0.17,总孔隙度也减少了5.93%,说明在这组试验中,随着蓄水次数的增加,对下凹式绿地土壤密度及总孔隙度的影响越明显。与试验前土壤密度和总孔隙度相比较发现,随着下凹式绿地蓄水次数的增加,在没有人为扰动的情况下,其土壤物理性质发生了较大的变化,土壤密度会逐步加大,而土壤中的总孔隙度会越来越小,从而使下凹式绿地蓄水过程的平均入渗速率较之前会有所减小,从土壤层渗透到砾石层的渗透总量也会明显减少。

表4 各次试验前后的相关土壤物理特性Tab.4 Related physical parameters before and after each experiment

3 结论与讨论

1)在土壤含水率基本一致的情况下,对于1、3、5年一遇的暴雨,下凹式绿地在蓄水时的土壤渗透性能是随着设计暴雨强度的增加而增强的,不同设计暴雨强度下的土壤渗透性能由低到高依次为1.27 L/min＜1.76 L/min＜2.0 L/min。

2)设计暴雨强度相同时的渗透量和平均入渗速率没有明显差异。在设计暴雨强度一致的情况下,下凹式绿地土壤密度小、总孔隙度大的渗透总量和平均入渗速率也更大。

3)下凹式绿地的土壤渗透性能会随着蓄水次数的增加而变差,土壤密度逐渐增大,土壤总孔隙度逐渐变小,绿地渗透性能下降。

试验中需要用环刀进行取土样分析,会对土壤入渗造成一定的影响,导致试验误差。同时,所设计的暴雨强度也只限于1、3、5年。利用实际建成的下凹式绿地,进行更多梯度暴雨等级蓄水入渗及溢流试验是下凹式绿地以后相关研究中应该深入研究的内容。

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(责任编辑:宋如华)

Soil infiltration capacity of sunken green space and the effects of water storage on soil physical properties in Beijing

Zhu Yongjie1,Bi Huaxing1,2,Huo Yunmei1,Xu Huasen1
(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China; 2.Beijing Forestry University,Forestry Ecological Engineering Research Center,Ministry of Education,100083,Beijing,China)

In order to analyze the law of soil water infiltration in the sunken green space,we monitored dynamically the permeation amount of soil moisture in the sunken green space and the average infiltration rate during the water storage process through simulating the influent water load of sunken green space at different rainfall intensities.The effect of collected rainwater runoff in the sunken green space on the soil porosity and bulk density during the process of collecting surrounding rainwater was explored.The results showed that:1)Soil permeability in the sunken green space would increase with the increased rainstorm intensity at the heaviest rainfall once in 1,3 and 5 years provided that the soil water contents are under essentially the same condition.2)At the same intensity of rainstorm,there was no obvious difference in the permeation amount as well as average infiltration rate;the average infiltration rate tended to be larger for the soil with lower bulk density and larger total porosity.3)With the times of water storage increasing,soil bulk density and total porosity changed greatly:the bulk density increased from 1.33 to 1.65 g/cm3,while the total porosity dropped from the original 50.06%to 39.18%after the water storage experiment.

sunken green space;rainstorm intensity;permeation amount;average infiltration rate

S157.5

A

1672-3007(2015)01-0106-05

2014- 08- 02

2014- 12- 24

项目名称:国家水体污染控制与治理重大专项“城市地表径流减控与面源污染削减技术研究”(2013ZX07304 -001)

朱永杰(1990—),男,硕士研究生。主要研究方向:林业生态工程。E-mail:455710351@qq.com

†通信作者简介:毕华兴(1969—),男,教授,博士生导师。主要研究方向:水土保持与林业生态工程。E-mail:bhx@bjfu.edu.cn