植草沟草种选择对降雨径流调蓄效应的影响

袁丽丽，吴冠仑，樊波，杨国君，刘卓成

(1.深圳市国艺园林建设有限公司，深圳 518000；2.北京林业大学草坪研究所，北京 100083)

随着我国城市化进程的加快，城市中硬化地面面积不断增大，导致降雨时雨水在路面迅速形成径流，城市内涝、水源污染和水资源短缺等问题也随之出现.城市绿地是城市生态系统的重要组成部分[1]，被称为“城市的肺”.植草沟(grass swale)是城市绿地的重要部分之一，也是是低影响开发技术中的一种，在发达国家已被广泛用于海绵城市雨水径流的处理[4]，是目前最常用“边沟-雨水口-连接管-市政管线”排水系统中重要组成部分.植草沟削减径流和蓄渗雨水的能力在很大程度上被植草沟草种影响，通过对不同草种植草沟渗水、蓄水能力的研究能够为生产实践起到指导作用.针对这些问题，美国提出了“最佳管理措施”(best management practices，BMPs)方案[2]，英国提出了“可持续排水系统对策”(sustainable drainage systems，SUDS)[3].以上2种技术措施因其具有调蓄洪峰流量，减少地表径流，净化水质等作用，被广泛的应用于许多发达国家道路排水系统之中.植草沟在BMPs或SUDS措施中可应用在源头、污染物传输途径和就地处理系统,应用区域包括居民区、商业区和工业区.植草沟作为BMPs或SUDS的重要组成部分,在完成雨水输送功能的同时也可以达到雨水的收集和减少地表径流的要求.概括来说，植草沟是一种开放式的、兼具景观效果的表沟渠排水系统[5]，一般适用于城市园区道路两侧、硬化地面周边、大面积绿地内等，可以同雨水管网联合运行，也可代替雨水管网，在完成输送排放功能的同时满足雨水的收集及净化处理的要求[6].

植草沟的主要优势体现在：在费用方面造价低，管理简便，减少对工程项目的经济需求；植草沟简单易行，可以很容易地整合进入规划；与传统技术相比，植草沟为主的LID(low impact development，低影响开发)自然排水系统可以节约近50%的投资；植草沟技术与传统技术相比，会随着时间的推移显示出巨大的经济优势[7-9].而我国尚未有关于植草沟中植物选择的研究，并且我国各地区气候等条件差异较大，植草沟中植物的选择也应该遵循因地制宜的原则.因此本研究选取深圳地区常见的大叶油草(Axonopuscompressus)、百慕大草(Cynodondactylon)、假俭草(Eremochloaophiuroide)3种草坪草作为研究对象，对以上3种植物在深圳市不同降雨条件下对雨水的吸收以及对径流的消减能力进行研究，旨在通过本研究结果为深圳市雨洪管理设施建设提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验装置

1.1.1 植草沟的下垫面设计 植草沟的下垫面选择目前应用较广，较为常见的一种下垫面结构，从下至上分别为60 mm的中沙垫层、50 mm的粒径为25 mm的级配碎石、50 mm的粒径为10 mm的级配碎石以及40 mm的细沙缓冲层，并在土基层与中沙垫层中间铺设一层塑料隔膜，中沙缓冲层下铺设一层100 g/m2的透水无纺布，不同粒径的碎石之间铺设不锈钢隔离网以防止碎石和沙的渗漏.

图1 下垫面结构Figure 1 The underlying surface structure

1.1.2 模拟植草沟装置 为模拟真实植草沟情况本试验建造了9个长1.5 m，宽1.2 m，高0.3 m的试验槽，地底面与表面的坡度均为5%，并用0.8 mm厚度的双层塑料膜包裹试验槽以确保下渗雨水不会漏出.为检测和收集渗透水量，试验槽底部均设有出水口并接有半径50 mm的排水管.在试验槽表面较低一侧的汇水口处，使用JZ-NB1700地表径流仪(购于北京九州空间科贸有限公司)测量径流量.人工降雨设备置于钢架之上，距试验槽表面垂直距离2 m，铺盖面积3 m×3 m，最大流量0.3 m3/h，平均的降水均匀度0.875[4].

1.2 试验材料

本试验选用大叶油草、百慕大草、假俭草3种深圳市常见的草坪草作为植草沟的种植的植物.植草沟采用铺植草皮的方式建植，均选用长势良好，盖度为100%的草皮，铺植后正常养护7 d，使草坪草恢复正常生长状态.模拟降水开始前，将所有植草沟草坪高度统一修剪为8 cm.

1.3 试验处理

本试验根据深圳市历年降雨水平，将模拟降雨强度设定为8，16，25 mm/h 3个水平，分别模拟小雨、大雨以及暴雨的雨强等级.并与大叶油草、百慕大草、假俭草3种草坪草进行组合，以探究3种草坪草构成的植草沟在不同降雨强度下对降雨径流调蓄作用的影响.处理如表1所示.

表1 试验处理方案

1.4 试验过程及观测指标

试验地位于广东省深圳市光明新区某苗木基地(N 22°49′36.66″，E 113°53′46.81)，将50 mm厚的大叶油草、百慕大草、假俭草的草皮分别按照试验槽大小铺设，正常养护2周后进行试验.试验中模拟降水按照表1试验组顺序先后进行，模拟降水持续30 min，在模拟降水期间以及降水后30 min对地表径流深度、地表径流量、砂层渗水量、开始出现径流时间等指标进行测定和计算，为避免户外环境对人工降水均匀度和雨量稳定性的影响，每次模拟降水试验的同时，在试验槽周围设置3组TPJ-32-G雨量检测仪，对实际降水强度进行监测，试验重复多次，每种处理选取实测雨强与设计雨强接近且降水均匀度高的3次重复作为最终数据.

实际降雨强度使用TPJ-32-G雨量检测仪进行测量，其单位为mm/h.

地表径流量由JZ-NB1700地表径流仪测定，每次记录监测时间60 min内总径流量，单位为mL.

下渗雨水由排水管进入集雨装置后由量筒测量，每分记录1次，共60次.

开始渗水时间和达到最大渗水流量时间等时间数据均由秒表测定，单位为min.

径流系数指同一时间段内流域面积上的径流量(mm)与降水量(mm)的比值，用百分数表示.

砂层下渗率指同一时间段内一个植草沟排出的水量(mm)与降水量(mm)的比值，用百分数表示.

蓄水量=降雨量-径流量-砂层下渗量，蓄水率指同一时间段内一个植草沟内蓄集的水量(mm)与降水量(mm)的比值，百分数表示.

1.5 数据处理

本试验数据采用SPSS 13.0、Excel 2016进行处理.

2 结果与分析

2.1 不同植物植草沟对降雨径流的调蓄效应

2.1.1 不同植物植草沟对径流消减 由表2所示，在8 mm/h雨强的“小雨”降雨水平下，由假俭草构成的植草沟并未发生径流，有效地控制了径流的发生.而大叶油草植草沟在地表径流深度和径流系数两个指标上均显著大于百慕大草植草沟，可见在“小雨”降水条件下，3种植草沟当中假俭草对径流的消减作用最为明显，大叶油草植草沟对径流的消减作用最弱.如表2所示，无论在“大雨”降雨条件下还是在“暴雨”降雨条件下，3种植物植草沟的表面产生径流的情况差异显著.无论是地表径流深度还是径流系数，均为大叶油草植草沟>百慕大草植草沟>假俭草植草沟，说明由假俭草构成的植草沟对于地表径流的消减能力最强，且百慕大草对于地表径流的消减能力明显优于由由大叶油草构成的植草沟.

2.1.2 不同植物构成的植草沟对延缓降雨径流洪峰 由图2可知，在8 mm/h(小雨)的降雨强度下，3种植物构成的植草沟在前18 min内均未出现径流.大叶油草构成的植草沟径流洪峰出现的最早、径流量最大、径流的时间最长，并且在21～30 min大叶油草构成的植草沟径流量保持在40 ml以上的高水平.百慕大草在23～26 min径流量急剧增加，在27 min达到峰值44.1 mL，同时在此时段超过了大叶油草构成的植草沟的地表径流量，最终在33 min时结束径流.假俭草构成的植草沟自始至终均未出现地表径流.

表2 不同降雨强度下3种植物植草沟的径流指标

由图3可知，在16 mm/h(大雨)的降雨强度下，大叶油草和百慕大草构成的植草沟出现径流的时间均比8 mm/h(小雨)降雨强度下的早，均在14～16 min.2种植草沟的延缓洪峰均为21 min左右，而峰值时2种植草沟的径流量均在112 mL左右，径流在34 min左右同时结束.由此可见由大叶油草和百慕大草构成的植草沟对于降雨径流洪峰的延缓和对峰值时径流量的控制并无太大差异.假俭草构成的植草沟自始至终均未出现地表径流.这与Davis等[12]的结论相符，并说明由假俭草构成的植草沟除在“暴雨”的降雨条件下，均能消纳全部的地表径流，保证了零污染物的排出.

图2 8 mm/h降雨强度下3种植物植草沟的地表径流量曲线Figure 2 Surface runoff curve of ecological vegetation ditch under light rain rainfall intensity

图3 16 mm/h降雨强度下3种植物植草沟的地表径流量曲线Figure 3 Surface runoff curve of ecological vegetation ditch under heavy rain rainfall intensity

图4 25 mm/h降雨强度下3种植物植草沟的地表径流量曲线Figure 4 Surface runoff curve of ecological vegetation ditch under rainstorm rainfall intensity

由图4可知，在25 mm/h(暴雨)的降雨强度下，由假俭草构成的植草沟于13 min首次出现径流，其径流持续时间、径流出现时间以及径流洪峰峰值均明显低于由其他两种植物构成的植草沟.由大叶油草植草沟在8～11 min径流量迅速增大，在13 min达到峰值，并且在11～32 min径流量逐渐稳定在187～235 mL.由大叶油草构成的植草沟径流出现径流的时间最早，且持续时间最长，但与由百慕大草植草沟并无明显差异.

2.2 不同植物构成的植草沟在不同降雨条件下的蓄排水变化

由表3可知，在8 mm/h(小雨)的降雨强度下，

由假俭草构成的植草沟平均蓄水量为2.86 mm、平均蓄水率为36.209%，均显著大于由其余2种植物构成的植草沟.由假俭草构成的植草沟砂层下渗量与由大叶油草构成的植草沟差异不显著，但显著低于由百慕大草构成的植草沟.3种植草沟在砂层下渗率方面的排序为：百慕大草>大叶油草>假俭草，其中砂层下渗率最高的为百慕大草构成的植草沟，平均砂层下渗率为73.197%.

由表3可知，在16 mm/h(大雨)的降雨强度下，3种植物构成的植草沟在砂层下渗量以及砂层下渗率上无显著差异，但由假俭草构成的植草沟的平均蓄水量为2.972 mm以及蓄水率为18.366%，均明显高于其余2种植草沟，说明由假俭草构成的植草沟在蓄水能力上较其余2种植草沟更强，这可能与假俭草发达的匍匐茎和根系有关.

表3 不同降雨强度下3种植物植草沟的蓄排水指标

由表3可知，由假俭草构成的植草沟在砂层下渗率、砂层下渗量、蓄水量以及蓄水率方面够显著高于其余两种植草沟，说明其蓄砂层下渗能力为3种植草沟中最强的.由大叶油草和百慕大草构成的植草沟除后者在砂层下渗率方面显著大于前者外，在砂层下渗量、蓄水量及蓄水率均无明显差异.

3 讨论

在所有降雨强度条件下，以消减径流能力来排序，均为大叶油草植草沟<百慕大草植草沟<假俭草植草沟，由假俭草构成的植草沟在消减径流能力上均优于其余两种植草沟，并在“小雨”降雨条件下不产生径流.这与汪艳宁等[10]的研究中植被渗透浅沟能消减70%～96%的地表径流相符.其中，由大叶油草构成的植草沟无论在那种降雨条件下对径流消减的效果都是最差的，这有可能是因为大叶油草叶片较稀疏，植被盖度不如其余2种植物有关.除此之外，3种植草沟在对降雨消减效果均随着降雨强度的增大而减弱，这与李海燕等[11]的试验结果相吻合.

无论在哪种降雨条件下，由假俭草构成的植草沟对降雨径流洪峰的延缓作用显著高于由其余2种植物构成的植草沟.这与Wu等[13]植草沟能减少径流峰值的结论一致.在8 mm/h(小雨)的降雨强度下，由百慕大草构成的植草沟对降雨径流洪峰的延缓作用明显高于由大叶油草构成的植草沟，但在在16 mm/h(大雨)以及25 mm/h(暴雨)的降雨强度下，两者并无明显差异.而由大叶油草构成的植草沟无论在哪种降雨条件下，对降雨径流洪峰的延缓作用均不如其余两种植物构成的植草沟.除此之外，3种植草沟出现径流的时间均会随着雨强的增大而提前，这与郭凤等[14]的降雨强度越大，出流时间越快的结论一致.综合来看，3种植草沟对于延缓径流洪峰的效果均十分明显，其中以由假俭草构成的植草沟效果最为突出.

研究表明，无论哪种降雨条件下，由假俭草构成的植草沟在蓄水能力方面均优于其余2种植草沟，这可能是由于假俭草具有更大的密度[15]，故保水性较好.而在“大雨”和“暴雨”降雨条件下，由假俭草构成的植草沟在渗排水能力的表现上同样比其他2种植草沟优秀.而在“小雨”降雨条件下由百慕大草构成的植草沟排水能力最强，这可能是由于百慕大草的叶片短而细，导水性能较好，且根系发达，可以大大增加土壤的渗透能力[16].3种植草沟的排水率随着雨强的增大而减小，这一特点与孟莹莹等的研究中雨水入渗情况的实测和拟合值均一致[17].这可能与随着降雨量的增加，下垫面的的渗透速率逐渐接近其饱有关.而3种植草沟的蓄水量在不同降雨量条件下差别不大，是因为在小雨条件下，植草沟的含水量就已经达到饱和，因此随着降雨强度的增大，蓄水率逐渐减小.

4 结论

1) 假俭草植草沟在消减径流方面最为出色，3种降水强度条件下其地表径流率均未超过10%，并且在小雨(8 mm/h)的降雨强度下不产生径流.由百慕大草构成的植草沟在3种降雨强度下消减径流方面也要明显强于由大叶油草构成的植草沟.

2) 在延缓降雨径流洪峰的能力上，由假俭草构成的植草沟最为出色，暴雨(25 mm/h)条件下其洪峰出现时间、径流出现时间以及径流持续时间均小于其余两种植草沟.百慕大草植草沟在小雨(8 mm/h)条件下对径流洪峰的延缓上显著强于大叶油草植草沟.

3) 植草沟砂层蓄水和渗水性能研究表明，小雨(8 mm/h)条件下百慕大草植草沟能够排渗最大比例的雨水；16 mm/h的降雨条件下，3种植草沟砂层下渗率并无显著差异；在暴雨(25 mm/h)的降水条件下，由假俭草构成的植草沟的砂层渗水及蓄水能力都为最优.

4) 总的来说在深圳这种亚热带季风气候的地区，夏季多暴雨，针对这一情况，由假俭草构成的植草沟能够更好地降低道路径流系数、增加砂层蓄积和排渗的水量，从而减少道路积水、内涝的发生，可以更好的缓解道路径流、积水等问题.