下凹式绿地稳定入渗率的试验研究

冀雅珍（山西省水利水电科学研究院　山西　太原　030002）

下凹式绿地稳定入渗率的试验研究

冀雅珍
（山西省水利水电科学研究院山西太原030002）

本文通过下凹式绿地进行的双套环以及圆桶土体下渗试验，分析探讨了试验区下凹式绿地的土壤稳定入渗率与土壤质地、土壤含水率的关系。研究表明：下凹式绿地在雨天的下渗可为试验区的雨水利用、涵养地下水资源、清除地表积水、减少农作物的灌溉次数、节约绿地用水量等方面提供一定的技术支撑。

下凹式绿地；稳定入渗率；土壤质地；土壤含水率；窗体顶端

下凹式绿地的雨水利用技术是城市雨水渗透应用的一种较成熟、简便的方法。在国外研究中，美国的雨水利用一般以提高天然入渗能力为目的，德国开发雨水利用MR系统［1］，日本在全国推广寸水渗透计划。在我国也有不少专家学者对下凹式绿地进行渗透雨水、积蓄雨水利用研究。有专家研究表明：渗透性能良好的绿地土壤就像一个天然的过滤层，充分利用土壤的自净能力，径流下渗后可以去除大部分污染物，不但不会污染地下水而且还可以补充地下水，弥补水资源的不足［2］。为了试验区内绿化环境、小范围气候、区内及周边生态环境的改善，建设下凹式绿地来补充和涵养地下水资源、净化土壤、防止水土流失。因此有必要对绿地的入渗进行探讨。

1　试验区概况

山西省水利水电科学研究院高效节水基地是山西省唯一的省级节水示范基地，曾为我省水利事业的发展作出突出的贡献。节水基地占地7.6hm2，位于太原市小店区西温庄乡，属温带大陆性半干旱气候，四季分明，多年平均降雨量约为430mm，时空分布极不均匀，7月份降水量较大，约占全年总降水量的62%；12月份至次年2月份降水量最小，约占全年降水量的2%。年平均气温9.5℃，最高气温是7月份，平均气温23.5℃；最低气温是1月份，平均为 -6.8℃。多年平均蒸发量1812.7mm，5～6月份最大，为280mm，1月及12月最小，为40mm，蒸发量为降水量的4倍左右。受气候、地形条件影响，大范围的特大暴雨发生的几率极少，局部暴雨比较常见。

试验区内地形平坦，起伏不大，主要土壤类型为重壤土。土壤耕作层深度一般为20cm～25cm，田间持水量大，保水抗旱力强。

2　试验研究

2.1下凹式绿地设计

试验区以现有绿地为载体，面积为310m2，降雨汇流面积约675m2，整体布局为：路面高于绿地，渗流雨水井台设置于绿地中，井口高于绿地但低于区内路面。四周路面比现有绿地高5cm，用于蓄滞、消纳屋顶、柏油路面的雨水。下凹式绿地下凹深度的设置目的就是对天然降雨的拦蓄，使路面、屋顶形成的径流第一时间汇进绿地，把超渗雨水长时间拦蓄起来，保证尽可能多的渗入绿地，使之转变为重力水补给地下水。而多余的水量从预设好的排水口通过地下雨水管道排走。

2.2绿地的下凹渗透试验装置及方法

2.2.1圆桶试验

下渗装置分别由两个自制铁桶组成，直径为60cm、高为100cm。桶内上层种植本土绿草，土体表面离桶口深度为5cm，绿草土的厚度为20cm。1号圆桶中逐层填入55cm项目区内的重壤土，2号圆桶中逐层填入55cm的砂壤土，两圆桶最下层20cm均设反滤层，桶底设渗水排水管。试验系统由淋水喷头、高位水箱组成，所用测量仪器有量筒、高精度水表和秒表，土体的渗透水量用秒表与量筒来完成测量。

2.2.2铝制双套环下渗仪

为了试验的方便，自制了铝金属双套环下渗仪，上下无底，外环直径60cm、内环直径30cm，金属环高度20cm。试验开始，在外环与内环中间要始终保证5cm左右的水深，内外环要同时加水即可开始测土壤下渗量。

3　下渗率与下渗曲线的分析

试验中可用下渗率f（mm/min）来表示下凹式绿地下渗量的数值，下渗率通过绿地试验的下渗来测定。下渗率曲线采用如下方程［3］:

（1）

式中：

ft——t时刻的下渗率，mm/min；

f——稳定下渗率，mm/min；f0——初始下渗率，mm/min；

β—下渗衰减指数，L/min。

3.1圆桶土体的下渗率及下渗曲线

3.1.11号圆桶试验

1号圆桶的雨水下渗试验于2013年7月12日进行，7月9日降雨，当路面产生径流时进行了采样，试验从当日早上10:00开始，在试验的整个过程中要保持绿地上有2cm～3cm的水深，当加水仅有3min时，下面排水管开始有少量渗透水流出，之后38min渗流达到稳定状态，项目组在10:45分完成了1号圆桶试验，测得1号圆桶的渗透量及该时段的下渗率ft，其下渗曲线见图1。

图1　1号圆桶下渗曲线

从记录的数据及图1分析，并利用最小二乘法对圆桶土体的下渗值进行计算，拟合其方程见下（单位mm/min）：

（2）

1号圆桶试验得出：试验刚开始，渗水量很大，其原因为土壤前期含水量小的缘故，从试验数据看，最大值2.7L/min，试验末期随着土壤含水量越来越饱和，渗水量最小值1.162L/min。另外为了证明水深对渗流量是否有直接关系，项目组成员把绿地水深由2cm～3cm逐渐加大，结果发现改变水深几乎对渗流量的大小影响微乎其微。随着入渗时间的延长，土壤累积的入渗深度和入渗水量不断增大，初始时刻增加较快；时间越长，土壤累积的入渗深度和入渗水量增长速度开始减缓，渗流量也随之变小，这一点充分证明土壤含水率是影响土体渗流量的重要因素。

3.1.22号圆桶试验

2013年8月11日，路面径流产生时采集了足够的雨水，2号圆桶土体渗透试验从当天上午9:30分开始，同1号圆桶试验一样绿地上要保持2cm～3cm的水深，2min后下面排水管开始有少量渗透水流出，大约40min后渗流达到了稳定状态，10:15分时2号圆桶完成试验。试验测得2号圆桶的渗透量及此时段的下渗率ft，其下渗曲线见图2。

图2　2号圆桶下渗曲线

从测得的数据和图2可以看出，2号圆桶土体渗透水量试验初期最大达7.3L/min，试验末期时最小为2.335L/min。利用最小二乘法对2号圆桶土体下渗值进行拟合，其方程为（单位mm/min）:

（3）

3.1.3对比分析结果

通过1号和2号圆桶土体下渗试验：开始阶段下渗率两者都很大，而后土体渗透率随时间的延长逐渐变小，直至接近稳定。不同之处，由于砂壤土的透水性较重壤土的透水性强，使得2号圆桶起初加水到从排水管渗透流出用时比2号圆桶用时短，从下渗曲线图中可以看出1号圆桶曲线较2号曲线要缓，从最终的稳定渗透率大小也能证明这一结论。可见，土壤质地是影响水量入渗的又一重要因素。

3.2试验区绿地的下渗率及下渗曲线

3.2.1东绿地现场渗透试验

2013年9月23日对试验区东下凹绿地进行双套环下渗仪现场试验，测得的t时刻的下渗率ft，其下渗曲线见图3。

图3东绿地渗透率曲线

依采集到的数据，利用最小二乘法对区内东绿地拟合，其方程为（单位mm/min）:

（4）

3.2.2西绿地现场渗透试验

2013年10月25日，对试验区西绿地进行双套环下渗仪现场试验，测得的t时刻的下渗率ft，其下渗曲线见图4。

图4　　西绿地下渗率曲线

依收集到的数据，同样采用最小二乘法对西绿地进行拟合，其方程为 （单位mm/min）:

（5）

3.2.3对比分析结果

从上图3、图4可以看出：东绿地初始渗 透 率为 53.98mm/min， 西 绿 地 为28.87mm/min，东绿地下渗时长共用时290min达到稳定状态，而西绿地仅用了120min趋于稳定；东绿地稳定下渗率4.91mm/min，西绿地为4.16mm/min。分析产生东绿地初始渗透率大于西绿地，入渗达到稳定状态时间的不同等性及渗透值的不相同性的原因是：在做西绿地渗透试验时，草坪当天喷过水，其含水量较东绿地要高；试验虽在同一区内，但选择的地点不同，可能土壤的质地也略有差别，因此，土壤质地也是影响最终稳定下渗率的因素之一。

4　绿地最终稳定入渗率的确定

分析以上四组试验最终分析得出：圆桶土体试验的稳定渗透率0.421mm/min与现场绿地的4.91mm/min相差很大。主要是由于圆桶中土体周围是不透水的桶壁，渗透水流基本都是垂直渗透的；而双套环下渗仪所测试的入渗面积很小，水体向四周土壤入渗的因素加大，影响了水量垂直方向的下渗，相比较而言，圆桶试验更接近下凹式绿地在雨天下渗的一个渗透点。

试验区内90%以上为重壤土分布，从试验研究来看，试验区内重壤土的稳定渗率0.421mm/min能较合理的代表本区域的土壤稳定入渗率，也能为今后高效节水的发展带来一定帮助。

试验区绿地渗透取点有限，对于要精确得出太原地区具有代表性的稳定下渗率，还需要进一步细致深入的开展研究。

5　结语

随着城市化进程的快速发展，水资源短缺越来越凸显，雨水是极有价值的宝贵资源，在我国各城市大力提倡建设下凹式绿地蓄渗雨水示范工程，可为今后储存雨水、缓解地下水资源、清除地表积水、把汛期径流出境量转化为雨水资源、减少农作物的灌溉次数、节约绿地用水量等方面提供一定的技术支撑。下凹式绿地雨水利用具有良好的渗透效果和广泛的适用性，对水资源的良性循环将会起到促进作用，是一项长久的、具有广阔发展前景的技术。陕西水利

［1］王紫雯，张赂荣.新型雨水排放系统—健全城市水文生态系统的新领域［J］.给排水2003（5）

［2］张传雷，汪志荣，孙常磊.城市雨水补给地下水的相关问题研究［J］.沈阳农业大学学报2004.10

［3］黄膺翰，周青.基于霍顿下渗能力曲线的流域产流计算研究［J］.人民长江2014（5）

（责任编辑：畅妮）

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