黄土地区一种储水-绿化带的开发研究

张少英 陶虎 石喜

摘 要：黄土地区海绵城市建设面临着地表雨水集中入渗过程中可能诱发深层黄土湿陷变形的问题，地表不均匀沉降威胁周边建筑的安全。基于对黄土湿陷问题和海绵城市建设雨洪转换关系的认识，实现城市雨水资源的高效利用，避免城市雨洪诱发的地质灾害，应用海绵城市建设理念，设计出一种适合黄土地区的雨水收集利用系统，利用砂砾石强导水特性进行雨水蓄存和疏导，采用三七灰土和土工膜的低透水特性减少下渗量，实现地表雨水的收集、蓄存、过滤和综合利用，减少汇入城市管网的水量。利用Geo-Studio SEEP/W模块验证其可靠性，模拟一次强降雨后12 h和24 h总水头等势线的变化规律，得出雨水可经种植土下渗至储水砂砾石层，在12 h开始积聚，直至24 h雨水依然被三七灰土层和土工膜有效阻隔，表明开发的雨水收集结构能有效实现雨水浅层收集和利用，避免集中入渗引起深层黄土湿陷变形的问题。

关键词：海绵城市;黄土;种植土;渗透特性;数值模拟

中图分类号：TV213.9   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.011

Abstract： The construction of sponge city in loess area faces with the issue of collapsible deformation which may be induced by the infiltration of rainwater. Based on the loess collapsibility and the conversion between rain and flood， the efficient utilization of urban rainwater was realized as far as possible to avoid the geological disasters induced by urban rain-flood. The idea of sponge city was applied to design a system which suitable for loess area to collect and utilize rainwater. Sand and gravel with strong water conductivity could store and infiltrate rainwater， lime soil and geomembrane could prevent rainwater from seeping deeper， so as to realize the collection， storage， filtration and comprehensive utilization of surface rainwater， and reduce the amount of water flowing into the urban drainage network. The change rule of the total head contour at 12 h and 24 h after a heavy rainfall was simulated by the GeoStudio SEEP/W module. The results show that rainwater can infiltrate into the gravel layer through planting soil， and begin to accumulate at 12 h. Until 24 h， rainwater is still effectively blocked by lime soil and geomembrane， indicating that the developed rainwater collection structure can effectively realize the shallow collection and avoid the collapsible deformation of deep loess caused by infiltration.

Key words： sponge city; loess; planting soil; permeability characteristic; numerical simulation

隨着城镇化建设快速发展，城市内涝问题日益突出。目前城市主要依靠管渠、泵站等“灰色设施”排水，受排导能力所限，往往造成逢雨必涝的问题[1-3]。大面积硬化路面破坏了自然水循环，地表径流无法顺畅地渗入地下，且下渗不均匀，极易因湿陷变形而诱发地质灾害。如2018年8月，甘肃省庆阳市西峰区在降雨后，解放东路多处路面出现塌陷，并伴有不均匀沉降。

为解决此类“城市病”，早在20世纪90年代，国外针对城市建设提出了“低影响开发”（Low Impact Development，LID）概念;2014年我国住房和城乡建设部出台了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》[4]，2015年10月国务院办公厅印发了《关于推进海绵城市建设的指导意见》[5]，随后全国掀起了海绵城市建设的热潮。谢定义等[6]指出，黄土对水表现出特殊的敏感性，湿陷量显著，会对建筑物造成不同程度的危害。张建云等[7]指出，海绵城市建设的关键是解决水的治理问题，是一项系统性工程，应突出“一城一策”原则。李萍等[8]通过陇东地区降雨入渗规律的试验研究，发现降雨可引起黄土地区地面以下1.2 m范围内土壤水分的变化，而在集中入渗的过程中，其下渗深度远远大于降雨时的下渗深度，容易引起深层黄土的湿陷变形。程树斌等[9]利用非饱和渗流理论，视雨水入渗为一维问题，应用于石家庄道路设计中的植被-土-碎石透水绿化带结构，进行雨水入渗能力分析。陈文立等[10]依据LID技术理念，选取黄土地区一居民小区，对其雨水控制，做出设计探讨，并针对黄土湿陷性问题，提出相应技术措施。

甘肃省庆阳市位于董志塬，属陇东黄土地区，黄土覆盖厚度大，浅层黄土在多年降雨影响下湿陷性不明显，而深层黄土湿陷性明显，作为第二批海绵城市建设试点之一，尚缺少相关处理经验。路面雨水常因排导不及时而产生地表径流，形成城市内涝，危及居民出行安全。为此，根据对黄土力学特性的认识[6]，试图设计一种适用于陇东黄土地区的海绵体结构，运用黄土渗流控制方程，揭示不同土质的雨水下渗速率，进而根据非饱和土—水特征曲线和渗透系数函数，分析土体中水分的分布规律，使用GeoStudio SEEP/W模块模拟一次强降雨过程，验证海绵体的排导和下渗效果，以期为陇东黄土地区海绵城市的设计建造提供参考。

1 研究地区地形地貌与降雨特征

1.1 陇东地区湿陷性黄土分布

陇东地区黄土侵蚀切割强烈， 形成深切沟谷与连绵起伏的梁峁和平坦塬台相间的地形特征， 地貌形态较为单一， 将其划分为黄土丘陵残塬区、河谷阶地区和黄土塬台、梁峁区等次一级地貌单元。陇东地区主要发育有第四纪下更新统三门组石质黄土、中更新统离石黄土和上更新统马兰黄土，其中地表层主要为马兰黄土，具有强烈的湿陷性。李国宝[11]指出，地基湿陷变形是陇东地区存在的主要工程地质问题， 应采取消除其湿陷性的地基处理措施和防水措施。庆阳市西峰区座落于陇东最大的黄土塬董志塬腹地，塬面被马莲河、浦河、盖家川及其支沟切割得支离破碎，上覆更新统黄土厚度一般为几十米至百余米。在如此大厚度的湿陷性黄土地区兴建海绵城市，理应慎重考虑这一因素带来的差异性。邵生俊等[12-13]依据土水势原理和薄膜水转移理论提出浅层阻水和深层导渗及散水方案，通过利用黄土低湿度下固有的高强度和低压缩性特性，减小浸水时黄土的湿陷危害性，在黄土地区具有很好的借鉴意义。

1.2 降雨特征

西峰区多年平均降水量为561.5 mm，主要集中在7—9月，降雨径流时空分布极不均衡，雨季排涝防洪形势非常严峻。另一方面，西峰区水资源十分短缺，人均水资源占有量仅为360 m3，是甘肃省人均水资源量的26%、全国人均水资源量的13%，用水矛盾十分突出。因此，实现雨水资源高效利用，对缓解城市洪涝灾害和避免由水引起各类地质灾害的频繁发生意义重大。

2 黄土地区海绵体结构设计

黄土高原地区的降雨径流处理不当可能引发城市內涝灾害，合理利用则可以缓解干旱，海绵城市建设的核心在于如何将这种矛盾转化为有利条件。曾瑞等[14]提出城市水循环的间接措施之一是建设雨水花园，利用生物滞留技术完成雨水资源化利用，达到收集径流、排导利用的目的。它兼具庭院绿化和雨水储集渗透作用，上层采用种植土实现雨水资源化的转换，下层采用砂层和砾石层达到雨水储集的目的。整体结构设计完整而有效，在海绵城市建设中不失为一种简单易行的措施。

在上述理论基础上，为解决城市路面雨水无法及时排导利用的问题，笔者提出一种储水-绿化带结构（见图1）。其工作原理：降雨时，雨水汇聚于道路两边排水沟，经碎石滤水带流入储水井，排往绿化带内。绿化带上层种植土厚度为50～100 cm，可有效利用雨水资源。种植土下层设置碎石层，用于储存种植土未能利用的雨水。碎石层下面铺设三七灰土，并在土层上下分别铺设土工膜。三七灰土具有支撑上部载荷和阻水的功能，为受力的垫层区，具有承载力高、透水性弱的特点。土工膜置于三七灰土层上下，上层可防止碎石层水分向灰土层渗透，下层可阻止地下水上升及毛细水的影响。土工膜与三七灰土构成的阻水层可以防止上部收集的雨水直接渗入黄土层，避免增湿引起的黄土湿陷。为防止雨水侧向渗入路基，该结构两侧使用C20混凝土密封，并在混凝土表面铺设防水土工膜，即结构中雨水仅竖向渗透，可将其视作一维竖向（z方向）渗透问题（z轴竖直向上为正，原点取植被土下边界中心处，见图1）。

4 降雨入渗分析

4.1 数值模拟分析

以西峰区为例，通过在道路两旁设置储水-绿化带结构，收集路面雨水，雨水经碎石滤水带流入储水井，排往绿化带内，采用生物滞留技术，实现雨水资源化。由图2（a）可以明显看出种植土的渗透系数比三七灰土的大，表明种植土能够达到有效集蓄雨水的效果。收集的雨水进入绿化带，随着种植土含水率增大，引起基质吸力的变化，是导致渗透系数变化的主要原因。砂砾石层渗透系数最大，雨量过大时可储存雨水。土工膜和三七灰土层的渗透性相对较弱，在降雨入渗过程中，能有效阻止雨水下渗。图2（b）为黄土与砂砾石层随着基质吸力变化引起渗透系数变化的对比图。黄土的渗透系数在增湿过程中逐渐增大，而砂砾石受渗透系数的影响相对较小，即黄土的渗透系数变化受基质吸力的影响较大。

4.2 建立数值模型

选取庆阳市西峰区海绵城市建设中的储水-绿化带为研究对象，其中：植被土层厚60 cm，砂砾石层厚50 cm，三七灰土层厚3 cm，黄土层厚27 cm。由于研究区地下水位很深，因此地下水对浅层范围内土体含水率无影响。模型上部边界为入渗边界，其余边界均为不透水边界。

降雨历时为24 h，总降雨量为50 mm，平均降雨强度为2.1 mm/h，利用式（8）计算等效降雨强度qe=9.9 mm/h。采用GeoStudio SEEP/W模块模拟此次强降雨过程中12 h和24 h时储水-绿化带结构的渗流总水头等势线，结果见图3。

由图3（a）可以看出，雨水沿土层垂直下渗，降雨12 h时种植土层已处于完全饱和状态。在砂砾石层下部三七灰土和土工膜的阻水作用下，雨水下渗开始呈现不均匀分布，出现水头积聚现象，雨水停止向黄土层下渗。降雨24 h时（见图3（b）），种植土层持续呈现饱和状态，砂砾石层雨水积聚效果更为显著，雨水仍未下渗至黄土层，表明三七灰土和土工膜层在此降雨条件下可保证结构的储水作用，从而避免黄土在雨水作用下发生湿陷性地质灾害，同时实现雨洪资源的收集利用。

5 结 语

随着城市化进程加快，城市地面硬化面积逐渐增大，大大改变了原始地表入渗速率，出现城市洪涝灾害加重的问题。原有的城市管网排导方式已无法满足现代生活对居住环境绿化和可持续发展的要求，根据我国海绵城市建设规划，其核心就是利用现有建筑、道路、绿地、水系等生态系统，实现雨水吸收、蓄存、排放等功能，有效控制地表雨水径流。笔者针对湿陷性黄土的力学特性，设计出一种适合黄土地区的路面雨水收集系统[16]，根据种植土、三七灰土和土工膜的渗透差异性，提出用种植土收集雨水，三七灰土和土工膜阻水，利用碎石滤水池短暂存放雨水，同时起到简单的物理过滤效果。利用GeoStudio SEEP/W建立了该绿化带雨水下渗有限元模型， 分析了其在降雨条件下的入渗规律， 得出如下结论。

（1）根据非饱和黄土的土—水特征曲线和渗透系数函数（非饱和渗透系数与体积含水率的函数），以及渗流发生的驱动力，得到土体中水分的分布规律。其中：种植土饱和渗透速率为2×10-6～3×10-6 m/s，黄土的饱和渗透速率为1×10-6～5×10-6 m/s，均远小于砂砾石的饱和渗透速率1×10-3～2×10-3 m/s，同时又远大于三七灰土的饱和渗透速率5×10-10～10×10-10 m/s。通过布置砂砾石层，实现雨水的蓄滞作用。

（2）模拟降雨历时24 h、总降雨量为50 mm、平均降雨强度为2.1 mm/h，根据12 h和24 h时水头等势线的变化规律，发现雨水可经种植土下渗至储水砂砾石层，在12 h开始积聚，直至24 h雨水依然被三七灰土层和土工膜有效阻隔，表明该结构能有效实现雨水浅层收集和利用，避免深层黄土湿陷问题。

（3）设计的储水-绿化带结构通过蓄、排的方式减缓了地表径流，表明该结构有效可行，可用于黄土地区海绵城市建设。

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【责任编辑 张华兴】