城镇化人为扰动下垫面类型影响水源涵养功能的评价

史东梅，蒋光毅，彭旭东，李叶鑫，金慧芳，林 姿



城镇化人为扰动下垫面类型影响水源涵养功能的评价

史东梅1，蒋光毅2，彭旭东3，李叶鑫4，金慧芳1，林 姿1

（1. 西南大学资源环境学院，重庆 400715；2. 重庆市水土保持生态环境监测总站，重庆 401147； 3. 贵州大学林学院，贵阳 550025；4. 辽宁工程技术大学环境科学与工程学院，阜新 123000）

城镇化引起的各种人为扰动地貌单元的水源涵养功能较原地貌明显降低是造成城市水土流失的主要原因，在降雨和排水管网设计能力一定条件下，也是加剧城市内涝的主要原因。该文采用野外调查、室内物理分析及AHP（analytic hierarchy process）层次分析综合评价法，系统地分析了各种人为地貌单元的物质组成和持水性能变化并综合评价了其对原地貌水源涵养功能的影响特征结果表明：1）各种扰动地貌单元>2 mm土体颗粒质量分数在45%以上，原地貌<2 mm土壤颗粒质量分数在92%以上；扰动地貌不均匀系数和曲率系数分别在11.05～41.30和0.32～3.15之间变化，其中不均匀系数较原地貌减小了4.51%～80.27%；各种扰动地貌单元土壤容重为施工便道（1.74 g/cm3）>边坡绿化带（1.54 g/cm3）>1 a弃渣堆积体（1.48 g/cm3）>2 a弃渣堆积体（1.34 g/cm3）>3 a弃渣堆积体（1.31 g/cm3），比坡耕地依次增加33.85%、18.46%、13.85%、3.08%和0.77%；扰动地貌的土壤总孔隙度、土壤田间持水量和饱和含水量则表现出相反趋势。2）人为扰动地貌单元土壤入渗性能总体小于原地貌单元，而原地貌土壤稳定入渗率则在2.83～6.22 mm/min之间变化；当项目区林地转化为新弃渣堆积体时对降雨和城市洪水动态调节功能影响最大，转化为施工便道时影响最小；人为扰动地貌单元土壤水库总库容、兴利库容和滞洪库容总体低于原地貌，当项目区草地转化为施工便道时对土壤持水能力及调蓄地表径流能力危害最大。3）各种扰动地貌单元水源涵养能力明显小于原地貌单元，以施工便道（0.421）最差，林地最好（0.651）；在城镇化过程中应重视城镇水面、林草地的空间分布及占地面积，对短期松散堆积体也最好进行临时绿化措施。4）加强对扰动地貌物质组成、大孔隙结构和降雨-径流-入渗连续性定位研究，同时关注各扰动地貌在不同压实条件下土壤水库蓄水性能对项目区雨洪过程线和排水系统的影响。研究结果可为城市水土保持生态服务功能恢复、城市绿化带建设和洪水内涝缓解提供科学依据。

土壤；水；入渗；水源涵养功能；下垫面；城镇化；三峡库区

0 引 言

2015年中国的城镇化率已达到56.1%，根据发达国家的城镇化经验，城镇化率为30%～70%期间是城市加速发展时期，这说明中国将在较长时间内处于快速城镇化阶段[1]。城市地表具有不透水面积大、汇流时间短、排水问题复杂、产汇排相互影响等特征，使得城市地区水循环与自然区域迥异，易发内涝灾害。随着城镇化进程中城镇建设工程规模和分布范围不断扩大，大规模土地开挖、弃土堆积、微地形改变等人为活动一方面使得具有重要生态水文功能的水田、林草地、耕地等原地貌不断消失，同时又形成物质组成迥异的扰动地貌类型，使得区域下垫面条件和降雨-径流过程发生显著变化[2-3]。三峡库区作为中国水土流失最为严重的地区之一，库区移民、房屋建设及道路建设等不仅造成大量地表植被及土地资源破坏，同时还形成了许多特殊的人为地貌单元，包括不同堆积年限的弃渣堆积体、城市绿地、施工便道、不透水面等[4-6]。城镇化发展使得城区暴雨所形成的径流水文过程线出现峰高、量大的现象[7]，从而引发大量城市水土流失并加重城市内涝灾害威胁。城镇化在全球、区域及地方尺度上都对生态环境造成巨大影响[8]。土壤作为植被涵养水源的主要载体，不仅可为植物正常生长提供必需的水分条件，还对滞蓄降雨、防洪减灾有重要调节作用[9]。城镇化后部分土壤利用方式发生改变，大面积土地被不透水建筑物、水泥、沥青路面等人为地貌单元覆盖[10]，同时大量原地貌的土壤结构和剖面层次被彻底破坏，这些变化使得土壤对降雨的短期缓冲功能消失或减弱，地表径流系数大幅度增加，从而引发城市内涝。

近年来已有不少学者关注城镇化过程中的人为水土流失[11]，如甘枝茂等[12]将城镇建设侵蚀环境组成要素分为侵蚀营力系统、侵蚀物源系统和侵蚀界面系统，并系统分析了侵蚀环境作用特征；孙虎等[13]通过野外人工模拟降雨试验，分析了人为弃土坡、人为弃土堆及自然荒坡等地貌单元侵蚀产沙量及产沙过程；Brun等[14-15]使用HSPF模型估算土地利用变化对城镇化流域径流过程的影响；葛怡等[16]、史培军等[17]采用SCS模型对城镇化引起地表径流、洪峰流量及径流系数的变化进行了研究；周翠宁等[18]采用SCS究了城镇化进程中降雨-径流关系变化；秦莉莉等[19]用L-THIA模型定量分析了城镇化对径流的长期影响；权瑞松等[20]分析了不同阶段土地利用导致的地表径流深变化，并模拟分析了城区建筑物内涝灾害暴露性；胡蓓蓓等[21]以土地利用规划为基础进行了暴雨内涝风险评估。然而有关城镇化人为扰动地貌单元对原地貌水源涵养功能影响的研究很少或没有。因此本文以三峡库区城镇建设引起的各种人为地貌单元及原地貌单元为研究对象，重点研究：1）城镇建设工程造成的各种人为地貌单元与原地貌单元土壤物理性质差异；2）分析城镇建设工程对原地貌土壤渗透性能的影响；3）分析城镇建设工程对土壤持水性能的影响，进而揭示城镇化中形成的各种人为地貌单元对项目区原地貌水源涵养功能的影响。研究结果可为城市水土保持生态服务功能恢复、城市绿化带建设和洪水内涝缓解提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

北碚区十里温泉城位于重庆缙云山国家级自然保护区，其地理坐标为29°47′42″N，106°23′50″E，海拔456 m，该区属于亚热带季风湿润性气候，其年均降水量为1611 mm，年均气温13.6 ℃，年均蒸发量为1 181.1 mm，年均相对湿度87%以上。缙云山地带性土壤酸性黄壤（pH值为4.0～4.5）分布面积1 382.2 hm2，地带性植被类型为亚热带常绿阔叶林、针阔混交林、竹林、常绿阔叶灌丛，主要土地利用类型有林地、草地和耕地等。试验于2013年4－10月，在北碚区十里温泉城选择的代表性房地产建设工程项目区进行。该房地产建设工程造成的扰动地貌单元包括不同堆积年限弃土弃渣堆积体（弃土弃渣堆积体为物质组成极不均匀、离散程度很大的土石混合物）、施工便道（为施工提供便利、便捷之道，属临时工程）、边坡绿化带等；项目区存在的原地貌单元有坡耕地、荒草地、天然林地等。各种地貌单元的基本情况见表1。

表1 不同下垫面类型基本情况

各种地貌单元均采用多点采样法进行采样。边坡绿化带和施工便道直接布设多个代表性点进行采样，每个样点采集5个容重环刀试样及1个混合样（1～2 kg）；弃渣堆积体则在弃渣平台及边坡上、中、下部位采集，每个部位也采集5个环刀试验及1个混合样。各种原地貌则先在各样地内布设多个代表性点，每个样点以10 cm为一个土层分3层采集土壤样品（包括环刀试样及混合样），以测定土壤物理性质、蓄水性能。

1.2 土壤物质组成特征测定

各种地貌单元物质组成采用土工仪器标准筛振筛机进行测定，其圆孔筛径包括60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.1、0.075 mm。这种筛析法适宜于粒径大于0.075 mm的土，当粒径小于0.075 mm的土质量大于总质量的10%时，需结合密度计法或吸管法测定小于0.075 mm的颗粒组成。各种扰动地貌单元和原地貌单元休止角采用坡度仪测定，土壤容重、土壤孔隙度采用环刀法测定，土壤饱和含水量采用环刀法测定，田间持水量采用威尔科克斯法，萎焉含水量采用生物法测定[22]。

1.3 土壤渗透性能测定

土壤入渗过程采用双环法测定[23]，其双环规格为外环30 cm，内环15 cm，高度20 cm（图1）。入渗过程测定时需将双环打入土层10～15 cm，然后同时向内外环加水，外环保持5cm水位高度，内环每隔一定时间加水并记录加水量，试验时间90 min。土壤入渗速率计算公式为

=10Q/ST（1）

式中为土壤渗透速率，mm/min；Q为某间隔时间内土壤入渗量，mL；T为相应的间隔时间，min；为内环横断面积，cm2。其中，初始入渗率为最初2 min入渗量与入渗时间的比值（mm/min）；稳定入渗率为特定时间间隔趋于稳定的入渗量/特定时间间隔（mm/min）；30 min入渗率为第30分钟入渗速率（mm/min）；平均入渗率为达稳渗时的渗透总量/达稳渗时的时间（mm/min）。

图1 扰动地貌单元入渗测量试验点

1.4 土壤持水性能测定

土壤是布满大大小小孔隙的疏松多孔体，土层深厚的土壤具有显著的存蓄、调节水分的功能，称之为土壤水库[24-25]。土壤水库对调蓄径流、削减洪峰、补充枯水径流等方面具有重要作用，在本文中土壤蓄水性能采用各种土壤水库库容指标反映，其计算公式及工程价值如表2所示。

1.5 水源涵养功能综合评价方法

本文采用层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）对项目区不同地貌单元的水源涵养功能进行综合评价[26]。层次分析法的基本步骤是：首先对综合评价指标进行无量纲化，正指标和负指标分别采用式（2）和（3）计算；采用AHP计算水源涵养功能综合指数，其计算模型如式（4）所示：

式中WCI(water conservation index)为水源涵养能力综合指数，为不同地貌单元某一指标的实际观测值；max和min分别为不同地貌单元某一评价指标的最大值和最小值；W为第项指标权重，R为各种地貌单元类型第项指标的无量纲化数据矩阵，为评价指标数。

表2 土壤水库特征指标含义

注：W为凋萎持水量，%；r为土壤密度，g·cm-3；H为土层厚度，cm；为土壤层次；C为毛管持水量，%；S为饱和含水量，%。

Note: Wis the wilting point in theth soil layer, %;ris the soil bulk density in theth soil layer, g·cm-3;His the soil depth in theth soil layer, cm;is the total soil layer;Cis capillary water content in theth soil layer, %;Sis the saturated water content in the ith soil layer, %.

2 结果与分析

2.1 城镇建设中人为扰动下垫面的物质组成特征

人为扰动下垫面物质来源于表土剥离、边坡开挖、基础开挖等过程中产生的由土壤、母质、块石等物质随机组成的土石混合物。土壤物质组成是构成土体结构和功能的主要组分，其与土壤持水、保水和渗水能力直接相关，对减少地表径流、涵养水源具有重要作用。土壤物理性质的好坏直接或间接地影响着土壤持水性、渗透性等，而且反映了土壤抗侵蚀强弱。土壤是项目区各种地貌单元水源涵养功能的主要场所，其蓄水能力大小依赖于土壤质地、土壤密度、土壤孔隙等[3]。由于城镇化建设工程施工工艺的特点，城镇化人为扰动下垫面与原地面相比，物质组成和土壤物理性质特征差异明显（表3）。

1）土壤颗粒组成决定了土壤内部孔隙大小和分布情况，其中土壤黏粒和土壤毛管孔隙是土壤蓄水能力大小的关键，而土壤容重、休止角以及颗粒级配等是反应土壤颗粒组成的重要指标。各种人为地貌单元土体颗粒集中分布在>2 mm范围，其质量分数在45%以上，而原地貌土壤颗粒主要分布在<2 mm范围，其质量分数在92%以上。各种人为地貌单元粗砾（>20 mm）、中砾（5~20 mm）及细砾（2～5 mm）质量分数均高于原地貌单元，其中粗砾以2 a弃渣堆积体（DSA2）最大（13.83%），中砾以施工便道（CR）最大（62.57%），坡耕地（SL）最小（2.34%），而细砾则以1a弃渣堆积体（DSA1）最高（21.26%），天然林地（NF）最低（2.57%）；各种人为地貌单元细粒（<0.075 mm）质量分数均低于原地貌单元，细粒以NF最高（67.55%），而CR最低（0.20%），表明CR持水保水能力最小。各种人为地貌单元土壤休止角大于原地貌，其数值在34°～38°之间。各种扰动地貌单元土壤颗粒不均匀系数和曲率系数分别在11.05～41.30和0.32～3.15之间变化，其中不均匀系数较原地貌减小了4.51%～80.27%。各原地貌土壤颗粒不均匀系数>5%且曲率系数在1～3之间，说明土壤颗粒分布均匀且级配良好。

2）土壤容重表明土壤的松紧程度及孔隙状况，可反映土壤的透水性、通气性和根系生长的阻力状况。各种人为地貌单元土体容重总体上高于原地貌，其大小依次为CR（1.74 g/cm3）>边坡绿化带（SG，1.54 g/cm3）>DSA1（1.48 g/cm3）>DSA2（1.34 g/cm3）>3 a弃渣堆积体（DSA3，1.31 g/cm3），比SL依次增加了33.85%、18.46%、13.85%、3.08%和0.77%，说明工程扰动时间越长则土体容重越小。这表明由于城镇建设工程对原地貌的扰动、侵占和破坏活动使得大面积原生土壤透水性和通气性降低，未来植物根系生长将受到阻碍[27]。

3）土壤孔隙直接决定土壤通气性和透水性，其中毛管孔隙直接影响着土壤蓄水能力，而非毛管孔隙主要影响土壤渗透能力及调节水分功能。假如各种地貌单元面积相等，则扰动地貌单元平均总孔隙度（45.38%）小于原地貌单元平均值（52.13%），平均下降约12.95%。对于人为地貌单元而言，其总孔隙度表现为DSA3>DSA2> DSA1>SG>CR，其大小比NF依次减小8.10%、12.73%、20.84%、24.31%、35.89%；人为地貌单元土壤毛管孔隙度变化趋势与总孔隙度一致，其中以CR最小（14.99%）；对于不同年限弃渣堆积体而言，堆积年限越短则其孔隙度（总孔隙、毛管孔隙和非毛管孔隙）越小。这种变化说明城镇建设工程造成的各种人为地貌单元降低了原地貌土壤蓄水能力及渗透能力，其中CR和DSA1对原地貌土壤调节水分能力的影响程度最大。

2.2 城镇建设工程对原地貌土壤渗透性能影响

土壤渗透性是评价项目区各种地貌单元土壤水源涵养动态调节功能极为重要的特征参数之一。土壤渗透性能影响着土壤减少地表径流能力和水源涵养功能。对于渗透性能良好的土壤，在一定降雨强度条件下，水分可充分进入土壤贮存起来或变成地下径流，对削减洪峰、拦截洪水具有重要作用。由图2可见，不同地貌单元土壤渗透性能差异明显。各种地貌单元土壤入渗过程大致存在3个阶段，即迅速降低（6 min内）、缓慢降低（6～20 min）和稳定变化（20 min后）。对人为地貌单元而言，其稳定入渗率数值变化在0.45～2.89 mm/min之间，大小依次为DSA3（2.89 mm/min）>SG（2.65 mm/min）>DSA2（1.89 mm/min）>DSA1（1.64 mm/min）>CR（0.45 mm/min），表明DSA1径流调控能力最大，而CR最小；对原地貌单元而言，土壤稳定入渗率在2.83～6.22 mm/min之间变化，其中以NF最大，荒草地（WG）最小。这表明较大入渗率的弃渣堆积体会造成水分入渗损失，而较小入渗率的CR则会造成水分径流流失，2种情况都促进城市内涝的发生。

图2 项目区不同地貌单元土壤入渗过程

客观地分析各种人为地貌单元与原地貌单元入渗性能差异性，可为城镇建设工程项目区植被恢复、兼顾景观和生态的城市园林营造提供依据。本文以原地貌中SL、WG和NF作为依据，选择与研究区降雨历时接近的30 min入渗率及稳定性入渗率（持续90 min）进行不同地貌单元土壤水源涵养动态调节功能差异性分析，结果见表4。除CR外，各人为地貌单元初始入渗率高于5 a一遇降雨强度，其差距在3.2～10.27 mm/min之间，说明CR是项目区极易产生地表径流流失及地表侵蚀的地貌单元。

表4 不同扰动下垫面的土壤入渗特征对比

注：表中负号表示入渗率低于其原地貌；降雨强度指当地5a一遇的降雨强度，平均为2.46 mm·min-1。

Note: Negative indication means that the infiltration rate is lower than original landform; rainfall intensity refers to the local rainfall intensity occurred every five years (2.46 mm·min-1).

1）与原地貌SL相比，各种人为地貌单元30 min入渗率及稳定入渗率均较低。各种人为地貌单元30 min入渗率与SL的差距大小依次为CR（3.62 mm/min）>DSA2（1.81 mm/min）>DSA1（1.25 mm/min）>DSA3（0.68 mm/min）> SG（0.40 mm/min），这说明CR对项目区SL入渗性能降低程度最大，不利于水分的保持；各种人为地貌单元稳定入渗率与SL差距则表现为CR>DSA1>DSA2>SG> DSA3，这表明城镇建设过程中CR将造成大量雨水形成地表径流损失。

2）与原地貌WG相比，除DSA3外，各种人为地貌单元30 min入渗率及稳定入渗率均低于WG。各种人为地貌单元30 min入渗率与WG的差距依次为CR>DSA2> DSA1>DSA3>SG，其中CR仅为WG的12.9%；各种人为地貌单元稳定入渗率与WG差距同样以CR最大（2.38 mm/min），而DSA3最小（0.06 mm/min），说明当WG转化为CR时其大量的降水会通过地表径流流失。

3）与原地貌NF相比，各种人为地貌单元30 min入渗率及稳定入渗率均低于NF。各种人为地貌单元30 min入渗率与NF差距大小依次为CR（9.33 mm/min）>DSA2（7.52 mm/min）>DSA1（6.96 mm/min）>DSA3（6.39 mm/min）> SG（6.11 mm/min），而稳定入渗率与NF差距变化则表现为CR>DSA1>DSA2>SG>DSA3，这表明城镇建设工程在很大程度上增大了项目区原地貌土壤入渗性能，其中以CR降低作用最大，表现为施工便道难透水、其土壤入渗率远低于原地貌NF，而SG降低作用较小。

4）对于不同的人为地貌单元而言，30 min入渗率表现为SG>DSA3>DSA1>DSA2>CR，而稳定入渗率均表现为DSA3>SG>DSA2>DSA1>CR。不同人为地貌单元30 min入渗率与原地貌差距最大出现在CR与NF之间（9.33 mm/min），最小值出现在SG与SL之间（0.40 mm/min）；不同人为地貌单元稳定入渗与原地貌差距最大值也出现在CR与NF之间（5.77 mm/min），而最小值出现在DSA3与WG之间（0.06 mm/min），这表明当NF转化为CR时其对项目区水源涵养动态调节功能影响最大，而当其转为SG或DSA3时影响最小。

综合分析表明，城镇建设工程造成的各种人为地貌单元极大地改变了项目区原地貌水源涵养功能，使得项目区对降雨径流调节、水源涵养和水循环调节能力减弱。因此，城镇建设工程在施工过程中应尽量避免大面积破坏林地生态系统并将其作为弃渣占地用途。

2.3 城镇建设工程对原地貌土壤持水性能影响

土壤持水性能表征项目区各种地貌单元涵养水源和调节水循环的能力，常用土壤持水量及土壤水库库容指标来表示，其中土壤水库总库容由死库容、兴利库容和防洪库容3部分组成，其反映了土壤水分贮蓄和水土保持功能的潜在能力，可用来分析土壤涵养水源的能力[27]。土壤水分状况是反映其水源涵养能力大小的关键，由表5可见，人为地貌单元土体饱和含水量和田间持水量低于原地貌单元，而凋萎含水量高于原地貌单元。其中人为地貌单元饱和含水量大小依次为DSA3>DSA2>DSA1>SG >CR，其比SL依次降低了0.78%、7.83%、19.42%、30.58%、43.31%；田间持水量变化趋势与饱和含水量相同，其中以CR最小（17.85%），而DSA3最大（27.25%）。这说明城镇建设工程形成的各种人为地貌单元极大地降低了原地貌土壤水源涵养能力。同时各种人为地貌单元土壤总库容均低于原地貌单元，其中各种人为地貌单元土壤总库容大小依次为DSA3>DSA2>DSA1>SG>CR，其比SL依次减小了1.08%、2.27%、5.63%、15.41%和21.96%。这种变化表明城镇建设工程产生的各种人为地貌单元均对原地貌土壤持水性能造成危害，这既降低了项目区原地貌土壤涵养水源和水土保持功能，也降低了其调节水分循环的能力。

由表5可见，项目区各种人为地貌单元的土壤持水性能具有以下特征：

1）各种人为地貌单元土壤兴利库容均低于原地貌SL。各种人为地貌单元土壤兴利库容大小依次为DSA3>DSA2>DSA1>SG>CR，其比SL依次降低了12.32%、16.78%、22.66%、27.91%和33.31%，这意味着各种人为地貌单元提供植被生长所需水分的能力较SL弱；各种人为地貌单元滞洪库容大小依次为DSA3>DSA2> SG>DSA1>CR，其中CR较SL降低了50.94%，这表明当SL被塑造为CR时其蓄水能力和调蓄地表径流能力都会降低，这将导致大量地表径流的产生。

2）各种人为地貌单元土壤兴利库容和滞洪库容均低于原地貌WG。各种人为地貌单元土壤兴利库容比WG低24.64%～42.69%之间，其中以CR降低程度最大；各种人为地貌单元滞洪库容比WG低12.79%～64.03%之间，其中以CR最低，这种变化表明城镇建设工程形成的各种人为地貌单元大大降低了原地貌土壤蓄水能力及地表径流调蓄能力，且CR的降低作用最大。

3）各种人为地貌单元土壤兴利库容均低于原地貌NF。各种人为地貌单元土壤兴利库容比NF低27.50%～44.86%之间，其降低次序依次为CR>SG>DSA1>DSA2>DSA3；除CR外，各种人为地貌单元滞洪库容总体上低于NF，这说明当NF被塑造为CR时其对原地貌土壤蓄水和地表径流调蓄能力降低程度最大。

4）对于各种人为地貌单元而言，土壤总库容、兴利库容和滞洪库容的最小值出现在CR，分别为354.09、218.20、43.50 t/hm2。不同人为地貌单元土壤总库容与原地貌差距最大出现在CR与WG之间，WG是CR的1.5倍；兴利库容最大差距出现在CR与NF之间，NF是CR的1.8倍；而滞洪库容最大差距出现在CR与WG之间，WG是CR的2. 8倍，这表明当WG被转化为CR时其对原地貌土壤蓄水能力及调蓄地表径流能力危害最大。

表5 项目区不同地貌单元土壤持水特征

综合分析表明，城镇建设工程造成的各种人为地貌单元降低了项目区原地貌土壤涵养水源和调节水循环能力。因此，城镇建设过程中应尽量避免将WG作为CR用途。

2.4 项目区人为地貌单元对水源涵养功能评价

根据上述分析结果以及指标选择依据[3]，本文选择了与不同土地利用类型水源涵养功能关系最为密切的土壤孔隙结构类（1，0.368 4）、土壤持水性能类（2，0.368 4）和土壤渗透性能类（3，0.263 3）指标；依据多指标层次分析法（AHP）原理，构造两两判断矩阵并通过一致性检验，最终确定各项指标权重系数进行综合评价，其中1包括土壤容重1（0.174 5）、<0.075 mm细粒含量2（0.058 2）和总孔隙度3（0.135 7），2包括饱和含水量4（0.135 7）、田间持水量5（0.135 7）和凋萎含水量6（0.097 0），B3包括稳定入渗率7（0.097 0）、饱和导水率8（0.124 7）和初始入渗率9（0.041 6）。利用水源涵养能力综合评价指数计算模型得到不同地貌单元的水源涵养能力综合指数（表6）。

表6 不同下垫面类型水涵养功能综合评价

注：1为土壤容重；2为<0.075mm细粒含量；3为总孔隙度；4为饱和含水量；5为田间持水量；6为凋萎含水量；7为稳定入渗率；8为饱和导水率；9为初始入渗率。

Note:1is soil bulk density;2is <0.075 mm fine particle content; C3is soil total porosity;4is saturated water content;5is field capacity;6is wilting point;7is steady state infiltration rate;8is saturated hydraulic conductivity;9is initial infiltration rate.

1）各种扰动地貌单元水源涵养功能均低于原地貌SL（除DSA3外）。各种扰动地貌单元水源涵养综合指数大小依次为DSA3>DSA2>SG>DSA1>CR，除DSA3外，分别比SL降低了5.73%、9.06%、15.71%、22.18%，这意味着城镇建设过程中当SL被转化为DSA1、DSA2、SG及CR时会降低项目区原地貌的水源涵养功能。就SL而言，土壤容重、<0.075 mm细粒含量、田间持水量和凋萎含水量对其水源涵养功能综合指数的贡献均高于各种扰动地貌单元，其数值在9.61%～17.56%之间；当SL转化为CR时其土壤容重和凋萎含水量分别增加33.85%和82.47%，而<0.075 mm细粒含量和田间持水量分别可减低99.67%和36.43%。

2）各种扰动地貌单元水源涵养功能均低于原地貌WG。各种扰动地貌单元水源涵养综合指数在0.421～0.542之间，其中最大为DSA3，最小为CR，其比WG分别降低了14.24%和33.39%，这说明当WG转化为DSA3时其对水源涵养功能危害最小，而转化为CR时危害最大，表明弃渣堆积体植被恢复尤为重要。就WG而言，土壤容重、<0.075 mm细粒含量、饱和含水量、田间持水量和凋萎含水量对其水源涵养功能综合指数的贡献也均高于各种扰动地貌单元，其数值在8.54%～15.03%之间；当WG转化为CR时其土壤容重和凋萎含水量分别增加32.82%和160.29%，而<0.075 mm细粒含量、饱和含水量和田间持水量分别降低99.68%、46.43%、39.36%。

3）各种扰动地貌单元水源涵养功能均低于原地貌NF。各种扰动地貌单元水源涵养综合指数比NF可降低16.74%～35.33%，这表明当NF转化为各种扰动地貌单元时都会对原地貌水源涵养功能造成较大危害。就NF而言，土壤容重、<0.075 mm细粒含量、总孔隙度、饱和含水量、田间持水量和凋萎含水量对其水源涵养功能综合指数的贡献也高于各种扰动地貌单元，其数值在8.91%～16.28%之间；当NF转化为CR时其土壤容重和凋萎含水量分别增加55.36%和305.34%，而<0.075 mm细粒含量、总孔隙度、饱和含水量和田间持水量分别降低99.70%、36.01%、52.67%、51.28%。因此，城镇建设工程在施工过程中应尽量避免大规模地扰动、侵占和破坏NF，以免发生严重水土流失及城市内涝等。

4）对不同人为地貌单元而言（除DSA3外），其水源涵养功能均小于原地貌，其中水源涵养功能最好的是DSA3（0.542），最差为CR（0.421），前者为后者的2倍左右。不同年限弃土弃渣堆积体水源涵养功能差异较大，弃渣堆积体堆积年限越长则水源涵养功能越好，其综合评价指数在0.456～0.542之间变化；弃土弃渣堆积体作为城镇化过程中园林绿化常采用的土壤类型，不仅具有较弱水源涵养功能而且在堆积过程中还会侵占、破坏项目区原有的水文循环系统，这在一定程度上会导致径流系数增大和城市洪峰增强。对原地貌单元而言，其水源涵养能力大小依次为NF（0.651）>WG（0.632）>SL（0.541）；NF对项目区原地貌水源涵养功能作用最大，因此房地产建设工程在施工过程中应尽量避免大面积破坏林地生态系统。如果城镇建设后，NF等原地貌土壤被不透水面替代，这将大大降低项目区雨水调蓄能力，增加城市内涝灾害的危险性。若地面有50%具有排水管渠，不透水地面所占比例也为50%，则该流域河流的流量等于或超过其输送能力的次数，即发生溢岸水流形成洪灾的次数，就会相应增加到原来的4倍[28]。

3 讨 论

1）人为扰动对下垫面条件改变是影响水源涵养功能和城市内涝的主要因素。在城市洪水形成过程中，土地利用方式与强度对产汇流过程的影响是最为基础的问题，亦是当前本领域研究中的热点[17]。城镇建设过程中不仅形成了弃土弃渣堆积体、施工便道、绿化带等特殊人为扰动地貌单元；同时在该过程中清除树木、平整土地、建造房屋、街道以及整治排水河道、新建排水管网等，改变了城市及周围的水源涵养功能及水系生态环境，直接影响当地的雨洪径流形成条件[6]。相关研究表明，土地利用、土壤类型等下垫面因素是影响城市降雨-径流关系的重要因素，其中城镇化过程所带来的用地面积大幅度提高是土地利用变化致使城市径流系数增加的主要原因[17]。本文研究也表明，城镇化过程中原地貌被塑造成扰动地貌单元，项目区水源涵养能力降低，城市内涝危险提高，表现在当项目区NF转化为CR时对降雨和城市洪水动态调节功能影响最大，而WG转化为CR时对土壤持水能力及调蓄地表径流能力危害最大。人为扰动地貌单元大量碎石存在，一方面降低了土壤持水性能，另一方面通过改变土壤水分运动通道和过水断面影响着土壤入渗性能[29-30]。

与原地貌下垫面相比，城镇化后人为扰动下垫面具有2个特点：1）硬质化后的人为下垫面层（建筑物顶部及地表）的粗糙率要小得多，造成汇流时间缩短；2）城镇化后大量天然可渗下垫面成为不透水的硬质地表面，造成地表径流系数变大。相关研究表明，城镇建设过程中形成的地表绝对粗糙度表现为杂草地（50 mm）>人工草地（20 mm）>砾石面（5 mm）>混泥土路面（1 mm）>混泥土水管（0.5 mm），这表明原地貌在相同条件下的雨水汇流时间较各种人为地貌单元明显缩短[6]。在本文研究中各种人为地貌单元土壤稳定入渗率大小依次为DSA3>SG>DSA2>DSA1>CR，表明透水型弃渣堆积体在相同降雨条件下的径流系数较弱透水型CR小，这与王国等[10]对房地产项目形成的4种下垫面雨水径流的研究结果一致，即径流系数表现为不透水建筑物屋顶（0.95）＞硬化地面（0.90）＞透水型地面（0.45）＞绿地（0.15）。各种人为地貌单元下垫面特性，特别是物质组成决定着土壤孔隙结构、持水性能及入渗性能，这与原地貌土壤孔隙结构存在较大差异性，今后应加强对扰动地貌单元物质组成、孔隙结构对降雨-入渗-径流连续过程影响的系统行研究。

2）土壤对降雨径流的调节功能主要表现在土壤静态（持水性能）和动态（入渗性能）调蓄2个方面，在城市环境中土壤水库还具有减少城市降雨时瞬时洪涝的重要作用。降水入渗是土壤水库来水途径之一[24]，在一定降雨强度内，渗透性能良好的土壤可将水分贮存起来或变为土内径流，不易形成地表径流流失[31]。研究表明，城镇化后大量天然可渗地面成为不透水的硬质地表面，降雨后原本可被自然地面吸收、渗透的“损失水量”大大减小，最终造成地表径流系数增大；不同地表在降雨1 h内的损失水量大小依次为草地（46.4 mm）>土地面（20.4 mm）>红砖（17.2 mm）>混泥土方砖（9.2 mm）>旧沥青路面（5.4 mm）>新沥青路面（2.8 mm）[6]。从本文研究上看，城镇建设过程中的各种地貌单元的径流系数依次为CR>SL>DSA3>DSA2>WG>SG>NF>DAS1，数值在0.023～0.647之间；不同地貌单元的土壤入渗率与其径流系数呈负相关关系，即入渗率越大则地表径流系数越大（表7）。城镇化过程中，在任意降雨条件下林地向建设用地转化时其径流系数增加0.3以上，水田、旱地向建设用地转化时其径流系数增加0.2～0.3，而林地、旱地、水田之间相互转化时其径流系数增加幅度均在0.1以下[32]。对重庆市而言，当城市化由12.6%增大到100%时，=5%的洪峰流量增大为原来的1.39倍，涨峰历时由382 min缩短到89 min[33]。

表7 不同扰动地貌单元入渗率及径流系数

注：径流系数根据文献资料而来，并结合当地野外调查进行修正。

Note: Runoff coefficients are derived from the literature and amended with local field surveys.

图3 绿地面积-滞洪库容-城市洪水灾害次数关系[34, 36]

土壤水库具有容纳和调节水分的功能，不仅能供给植物生长所需的水分，而且会造成降雨-入渗-径流数量分配差异性，这种特性综合表现为防洪减灾的作用[34]。在本文研究中各种人为地貌单元的土壤兴利库容较原地貌SL、WG和NF依次降低12.32%～33.31%、24.64%～42.69%和27.50%～44.86%，说明土壤供给植物生长的可利用水分也低于原地貌；滞洪库容较原地貌WG降低12.79%～64.03%，说明在相同降水条件下扰动地貌单元径流调蓄能力较原地貌弱，项目区洪水形成过程缩短且洪峰增强，从而增大了城市内涝的危险性。相关研究也表明，当绿地土壤转化为完全封闭的地表，土壤的滞洪库容将会损失7.20万m3/km2（图3），而城镇化每占用1 km2水稻田就会多损失15万 m3的土壤水库的库容[35]。各种地貌单元土壤水库库容及土壤入渗率与其地表径流系数密切相关，今后应加强对城镇建设工程造成的各种人为地貌单元和原地貌单元在不同压实条件下的土壤水库蓄水能力、入渗能力及洪水过程线差异性特征的研究。

4 结 论

1）各种人为扰动地貌单元物质组成特征与原地貌差异明显，岩土混合物休止角（34°～38°）均高于原地貌（33°～34°）。各种扰动地貌单元粗砾（>20 mm）、中砾（5～20 mm）及细砾（2～5 mm）含量高于原地貌，<0.075 mm细粒含量低于原地貌，各扰动地貌不均匀系数在11.05～41.30之间变化；各种扰动地貌单元土壤容重为施工便道CR（1.74 g/cm3）>边城绿化SG（1.54 g/cm3）>1a弃渣堆积体DSA1（1.48 g/cm3）>2a弃渣堆积体DSA2（1.34 g/cm3）>3a弃渣堆积体DSA3（1.31 g/cm3），扰动地貌的土壤总孔隙度、土壤田间持水量和饱和含水量均表现为DSA3>DSA2>DSA1>SG>CR。

2）各种人为扰动地貌单元土壤稳定入渗率依次为DSA3（2.89 mm/min）>SG（2.65 mm/min）>DSA2（1.89 mm/min）>DSA1（1.64 mm/min）>CR（0.45 mm/min），原地貌土壤稳定入渗率则在2.83～6.22 mm/min之间变化；各种人为扰动地貌单元明显降低原地貌土壤持水性能，各种扰动地貌土壤总库容依次为DSA3>DSA2>DSA1> SG>CR，兴利库容也表现出相同趋势。当项目区天然林地NF转化为CR时对降雨和城市洪水动态调节功能影响最大，而荒草地WG转化为CR时对土壤持水能力及调蓄地表径流能力危害最大。

3）不同地貌单元的水源涵养功能依次为NF（0.651）>WG（0.632）>SL（0.541）>DSA3（0.542）>DSA2（0.510）>SG（0.492）>DSA1（0.456）>CR（0.421），水源涵养功能主要受土壤层厚度、土壤粒径组成、土壤孔隙、有机质含量、土壤容重及土壤渗透性能等因素影响。在城镇化过程中应重视城镇水面、林草地的空间分布及占地面积，对短期松散堆积体最好进行临时绿化措施。

4）城镇化建设工程造成的各种扰动地貌单元物质组成和下垫面条件与原地貌存在明显差异，应加强对扰动地貌物质组成、大孔隙结构和降雨-径流-入渗连续性定位研究；同时关注各扰动地貌在不同压实条件下土壤水库蓄水性能对项目区雨洪过程线和排水系统的影响。

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Evaluation on impact of artificial disturbed underlying surfaces on water retention function during urbanization process

Shi Dongmei1, Jiang Guangyi2, Peng Xudong3, Li Yexin4, Jin Huifang1, Lin Zi1

(1.400715;2.401147,;3.550025; 4.,,123000,)

Great decrease in water retention function of various artificial disturbed landform units (DLU) caused by urbanization activities, when compared with original landform units (OLU), is the main reason and factor that not only cause urban water and soil loss but also aggravate urban waterlogging under the certain rainfall and special designed drainage network capability. Field investigations, physical laboratory analyses and analytic hierarchy process composite method were performed comprehensively to analyze the impacts of various DLUs on water retention function of OLU. Results indicated that: 1) >2mm particle content for various DLU was over 45%, and <2 mm particle content of OLU was more than 92%; natural repose angle of soil-sock mixture (34°-38°) in DLU were all higher than OLU; uniformity coefficient and curvature coefficient changed between 11.05-41.30 and 0.32-3.15, in which uniformity coefficient decreased by 4.51%-80.27% than OLU. 2) The soil bulk density of various DLU showed the order as construction road (CR, 1.74 g/cm3) >slope greening belt (SGB, 1.54 g/cm3) > 1 year disturbed soil accumulation (DSA1, 1.48g/cm3) > 2 year disturbed soil accumulation (DSA2, 1.34 g/cm3) >3 year disturbed soil accumulation (DSA3, 1.31 g/cm3), which increased by 33.85%, 18.46%, 13.85%, 3.08%, 0.77%, respectively, compared with sloping land; and the soil total porosity, field capacity and saturated water content presented the contrary trends. 3) Soil infiltration capacity of various DLU were lower than that of OLU, the soil stable infiltration rate presenting the order as DSA3(2.89 mm/min) > SGB (2.65 mm/min) > DSA2(1.89 mm/min) > DSA1(1.64 mm/min) > CR (0.45 mm/min), at same time, the soil stable infiltration rate of OLU ranged between 2.83 and 6.22 mm/min; the conversion from forest to new-DSA had greatest impact on regulating function for rainfall and urban flood, while conversion to CR was the lowest. 4) The soil total reservoir storage, usable storage and flood control storage in various DLU were lower than that in OLU, soil total reservoir storage showing the order as DSA3> DSA2> DSA1> SGB > CR, which presented decreases of 1.08%, 2.27%, 5.63%, 15.41% and 21.96%, respectively, compared with sloping land (453.70 t/hm2); the conversion process from grass to CR caused the greatest damage to storing water and regulating the overland flow. 5)The water retention functions in DLU were all obviously weaker than that in OLU, and CR was weakest (0.421) while NF was strongest (0.651), the water retention function was influenced by factors such as soil depth,particle-size distribution, soil porosity, soil organic matter content, soil bulk density, and soil permeability, so more attentions should be paid to urban surface water, forest and grassland occupied area and its spatial distribution, short-term disturbed soil accumulation should also be conducted by temporary greening measures at the same time during urbanization process. These results could provide scientific basis for the function recovering of urban soil and water conservation ecological services, which also help for constructing urban green belts and alleviating flood waterlogging during the urbanization construction process.

soils; water; infiltration; water retention function; underlying surface; urbanization process; Three Gorges Reservoir Area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.012

S157.1; X523

A

1002-6819(2017)-22-0092-11

2017-05-24

2017-09-07

重庆市水利局科技项目“都市功能区水土保持措施体系研究”，“生产建设项目水土流失危害研究”。

史东梅，女，甘肃灵台人，博士，教授，博士生导师，主要从事水土生态工程、流域管理、生产建设项目土壤侵蚀与水土保持研究。重庆 西南大学资源环境学院，400715。Email：shidm_1970@126.com