房地产建设项目土壤入渗及径流分析

马建刚，黎建强，赵洋毅

(西南林业大学，云南 昆明 650224)

开发建设项目水土流失是我国水土流失问题的重要方面，水利部、中国科学院、中国工程院组织完成的“全国水土流失与生态安全综合科学考察”结果显示，“十五”期间，全国开发建设项目扰动地表面积达到5.53万km2，大部分分布在丘陵区和山区，弃土弃渣量92.1亿t，由此增加的水土流失量超过3亿t[1]。据2016年中国水土保持公报，全国当年审批开发建设项目水土保持方案达29 157个，涉及水土流失防治责任范围11 592.14 km2，设计拦挡弃土弃渣量50.43亿m3，仅云南省就审批生产建设项目水土保持方案2 142个，涉及防治责任范围864.29 km2，设计拦挡弃土弃渣量4.97亿m3。城镇作为人类最为集中的区域，每天都有大量的建设活动，尤其以房地产类型的项目建设活动居多。根据2017年昆明市国民经济和社会发展统计公报，昆明市2017年房屋建筑施工面积10 132.03万m2，其中新开工面积4 131.40万m2。有关房地产开发建设活动水土流失预测及防治方面的论述较多[2-4]，但关于建设扰动面的土壤入渗性能和径流特征的研究尚未见报道。

开发建设项目区域土壤的入渗特征严重影响地表径流量和对土壤水分的补给，是水土流失预测、水土保持措施设计和管理的重要参考指标，可以使得以定性为主的参数确定向定量的科学取值发展。因此，研究开发建设项目土壤水分入渗对开发建设项目水土保持管理具有重要意义。

1 试验地概况与方法

1.1 试验地概况

选择昆明经济技术开发区内的3处在建房地产项目进行试验，3处项目总开发面积63.80 hm2，场内除堆体外，坡度为0°～4.3°，基本平整，建设前项目场地的90%区域都是同一片经果林地。3处项目均已全面开工建设，建筑物区域已经有1层的地上部分雏形，还有部分施工材料、施工机械及工棚覆盖，其余地面基本裸露。

1.2 试验设计及方法

1.2.1 试验设计

将房地产项目建设现场划分为裸露松散堆体、裸露压实体、裸露场内路面、不透水面4个建设扰动类型面，无扰动地选择同一片区的经果林地。每个透水类型面均选择3个样地进行入渗试验，样地坡度为0°～3°。同时，测定每个建设扰动类型面的面积，采集20 cm深度内的土壤用于测定机械组成、含水率、容重、孔隙度。对松散堆体试验点先进行平整再开始试验，平整时避免产生人为压实。

1.2.2 试验方法

土壤含水率采用质量含水率，土壤孔隙度、容重采用环刀法测定，土壤机械组成采用吸管法测定。

水分入渗参考水文学原理中的土壤下渗直接测定法[5]，采用双环入渗仪进行测定。双环入渗仪内环直径28 cm，外环直径53 cm，环高20 cm。试验时将内外环按照同心圆布置，同时打入土壤10 cm深，内外环同时加水，控制入渗水头为5 cm，用秒表每1 min记录一次内环水位，记录的同时向内外环加水至5 cm深，如此重复，直至连续5 min水面下渗高度相同时，停止试验。为了便于比较分析，计算入渗速率时将不同水温情况下的土壤入渗速率值统一转化成10 ℃标准水温情况下的土壤入渗速率值，得到不同时刻单位水力梯度下的土壤入渗速率(也称为渗透系数)，计算公式为

(1)

(2)

上二式中：K10为温度为10 ℃时的渗透系数，mm/min；t为测定时的温度，℃；Kt为温度为t时的渗透系数，mm/min；Qn为通过土柱的水体积，即第n次测定时内环下渗的水量，mL；S为渗透面积，即双环内环横断面积，615.44 cm2；H为固定水深，5 cm；L为土层厚度，即环刀嵌入土层的厚度，10 cm；tn为第n次测定时所间隔的时间，min。

2 结果与分析

2.1 土壤基本状况

建设扰动类型面的土壤水分、容重、孔隙度等均与对照经果林地有一定差异，详见表1。被深挖疏松或是直接堆放的松散堆体容重小、孔隙大，而被强烈碾压的路面和压实平整的压实体则容重大、孔隙小，尤其是路面最为明显。其中施工场地内土壤只有松散堆体的容重比经果林小，孔隙状况更优。由于是在旱季进行的试验，因而各类型土壤含水率均较低，其中：压实体含水率较高，为15.99%；松散堆体最低，为7.40%。施工场地内土壤均为轻壤土，经果林地为砂壤土。

表1 各场地类型土壤物理特征

假定土层厚1 m，由总孔隙度可计算得出，最大持水量经果林地为58.49 cm，松散堆体为57.11 cm，压实体和场内路面分别为50.72和35.34 cm。非毛管孔隙保持的水分称为重力水含量，重力水含量是在饱和含水情况下重力可以排出的水分，其意义在于使土壤及时获得再容纳滞存水分的能力，根据非毛管孔隙度可得出，1 m厚土层的重力水含量由大到小依次为松散堆体(22.13 cm)、经果林地(13.02 cm)、压实体(12.39 cm)、场内路面(3.83 cm)。最大持水量减去现场自然含水量即为1 m厚土层在已有自然含水量条件下可再容持的最大水量，由大到小分别为松散堆体(48.67 cm)、经果林地(41.88 cm)、压实体(29.77 cm)、场内路面(11.33 cm)。说明按照1 m厚土层计算，松散堆体容纳滞存水分的能力最强，同时松散堆体排空土壤水分、持续滞存水分的能力也是最强。3类透水类型面中除场内路面的重力水含量为3.83 cm外，其余各类型面水分参数计算值均大于昆明市20 a一遇1 h最大降雨量(约60.0 mm)。但静态计算的土壤容持水分的能力转化为减少地表径流的效果，还必须依靠其获得或是渗入水分的速率来实现。

2.2 土壤入渗特征

房地产项目在建设初期要进行场地清理和初步平整，然后要进行开挖等施工，这些施工活动势必影响土壤的孔隙状况和紧实性，进而影响其水分下渗能力，下渗弱则容易产生地表径流，更容易引起土壤侵蚀。

表2为房地产项目建设场地和经果林地的入渗值。可以看出，房地产建设项目只有松散堆体地表土壤入渗性能优于经果林地，1 h累计入渗量多4.89 mm，多13.2%，但是场地加权平均入渗值小于经果林地，不足经果林地的50%。

表2 房地产建设项目场地和经果林地入渗特征值

注：不透水面入渗值均取0。

松散堆体和经果林地1 h累计入渗量大于昆明市1 a一遇1 h最大降雨量36.6 mm，远小于20 a一遇1 h最大降雨量60.0 mm，而房地产项目其他场地类型及均值入渗值则远小于上述两个雨量值。

各场地类型入渗曲线见图1。场内路面和压实体由于经过机械碾压，分别在入渗开始后7和8 min入渗速率变为0，而松散堆体和经果林地分别在入渗开始后15和21 min进入稳渗阶段。经果林地的入渗曲线下降得最慢，松散堆体和压实体下降得最快，这3个场地地表水分入渗均符合Horton模型的过程描述，即土壤水分入渗速率随时间增加呈现逐渐减小且最终趋于一个稳定值的变化趋势；而场内路面在入渗阶段一直保持较小的入渗值，且无明显的递变趋势。

图1 各场地类型土壤水分入渗曲线

与2.1分析结果对比，土壤水分渗透能力较弱，无法充分发挥土壤孔隙的蓄持水分作用，说明土壤孔隙的连通性不好，而且表层压实也限制了土体获得水分、减少径流的能力。

2.3 场地径流分析

在《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)中推荐使用径流系数法进行水损失预测，并针对自然界的大多数地表状况提供了径流系数参考值[6]。《昆明市城市雨水收集利用的规定》(昆政发〔2009〕60号)针对建成区地表，在日设计降雨25.5 mm条件下给出了综合径流系数参考值，其中硬化屋顶和路面的雨量径流系数取0.8，绿地的雨量径流系数取0.15[7]。但上述两个规范并没有建设项目扰动期间扰动地表的参考值，当前很多开发建设项目扰动期间的地表径流系数计算仍旧采用经验值。

开发建设项目引起地表裸露，加之径流冲刷使得侵蚀加剧，因此截排场内水分是有效减弱场内土壤侵蚀的重要方法，而计算径流洪峰流量则是保证排水措施有效合理的保证。开发建设项目场内排水径流洪峰流量计算常采用的公式[6]为

(3)

式中：Q为最大清水洪峰流量，m3/s；Fi为不同类型场地面积，km2；fi为不同类型场地径流系数；p为设计暴雨强度，mm/min。

昆明市城市雨水收集利用和市政排水洪峰流量常采用的公式[7]为

(4)

式中：Q为最大清水洪峰流量，m3/s；Ai为不同类型场地面积，m2；fi为不同类型场地径流系数；p为设计暴雨强度，mm/min。

根据《水土保持工程设计规范》(GB 51018—2014)，降雨标准采用20 a一遇1 h最大降雨量计算，昆明市为60 mm/h，即1 mm/min。根据前述稳定入渗分析，设计降雨强度下，土壤水分饱和时为入渗不利状况，此时松散堆体、压实体、场内路面、不透水面、经果林地的稳定入渗速率分别为0.49、0、0、0、0.29 mm/min。在相应的1 h降雨期间，忽略蒸发影响，降雨量减去入渗量即为径流量，可计算得出径流系数分别为0.51、1.00、1.00、1.00、0.71，加权计算得出，房地产项目场地平均径流系数为0.86。按照公式(3)和(4)计算得出，房地产项目场地施工期间20 a一遇1 h最大暴雨条件下的洪峰流量均是9.15 m3/s，相同面积下经果林为7.55 m3/s。

以上计算结果明显大于按项目水土保持方案计算的洪峰流量。原因主要是该处房地产类项目水土保持方案采用的综合径流系数经验值为0.50，明显小于本试验获得的场内径流系数加权平均值0.86。

3 结论与讨论

(1)房地产项目施工期场地被强烈扰动，除松散堆体外，其余裸露场地土壤被显著压实，容重增加，孔隙变小。但是除场内路面饱和含水时重力排水引起的蓄水能力为3.83 cm外，其他裸露场地根据土壤非毛管孔隙度计算的水分蓄持能力均超过了昆明市20 a一遇1 h最大降水量。

(2)根据入渗试验，房地产项目扰动场地稳定入渗速率平均为0.14 mm/min，无施工扰动的经果林地为0.29 mm/min，场内只有松散堆体入渗效果优于经果林地，其余裸露场地稳渗率均为0。各类型裸露土壤，无论是1 h内入渗量还是稳渗数值均明显低于昆明市20 a一遇1 h最大降水量和降水强度，说明在遇到类似暴雨时很容易发生地表径流，无法发挥土壤孔隙的蓄持水分作用，但是经果林入渗功能优于施工场地，相应产流要少。房地产项目场内土体虽有各类孔隙，但是除松散堆体外，其余场地土壤被压实，没有良好的表层透水孔隙，也难以发挥土壤的蓄水渗水作用。

(3)在20 a一遇1 h暴雨条件下，本试验房地产项目场地主要施工期间径流系数为0.86，对照经果林为0.71，大于场地所属项目已通过评审的水土保持方案采用值0.50，也大于笔者整理的昆明市近20个房地产建设项目的水土保持方案径流系数采用值(平均值0.62)。水土保持方案采用径流系数偏小，会导致排水设施过水断面的设计出现偏小的结果。

(4)松散堆体有助于增加施工场地水分入渗，减少径流、减弱侵蚀，因此施工期间进行科学的施工组织，保证较短的压实裸露期，科学判断暴雨径流系数，可有助于更好地做好开发建设项目水土保持工作。至于是减少径流产生的侵蚀轻，还是通过压实土壤增强土壤抗蚀性导致的侵蚀轻，还需要进一步试验分析。