海绵城市不同用地类型土壤渗透能力——以厦门市海沧马銮湾试点区为例

师晓阳，刘淑坡，李 飞，艾慧颖，饶 拉，周真明，苑宝玲

(华侨大学土木工程学院,市政与环境工程研究所，福建 厦门 361021)

0 引言

我国住房和城乡建设部2015年发布试行的《海绵城市建设技术指南》[1]以及仇保兴[2]发表的《海绵城市(LID)的内涵、途径与展望》均指出海绵城市应遵循“渗、滞、蓄、净、用、排”的六字方针，把雨水的渗透、滞留、集蓄、净化、循环使用和排水密切结合，统筹考虑内涝防治、径流污染控制、雨水资源化利用和水生态修复等多个目标.因此，海绵城市建设规划设计之前，需要对建设区域的不同地块土壤渗透能力进行调查研究，对土壤渗透能力强的区域，优先采用以“渗”为主的低影响开发(low impact development,LID)设施，对于土壤渗透能力弱的区域，可采用以“蓄”为主的LID设施.

土壤的渗透能力与土壤质地、容重和含水率等土壤特性密切相关[3-5]，黄俊达[6]通过研究土壤组成及土壤理化性质与水分调节的相关性，阐明土壤对海绵城市建设的影响.土壤的渗透能力还体现在土壤的下渗率.土壤下渗率的测定方法主要有人工模拟降雨法[7]、双环法[8]和Guelph法[9]等，测定结果可用Horton模型、Kostiakov模型和蒋定生模型等来确定渗透系数，从而评价土壤的渗透能力[10].有研究表明，不同土壤类型试验所得的参数均可应用于Horton模型，且在相对分级的基础上，Horton模型模拟结果优于Kostiakov模型[11].Horton方程对累积入渗量变化规律的验证效果要优于Philip公式[12],发现Horton模型是拟合砂石覆盖与水分入渗关系的最佳模型[13],并且Horton模型较常用的Kostiakov模型更好地描述绿地土壤入渗特性[14].因此本研究采用Horton模型确定土壤的渗透系数.

2015年4月，厦门列入全国16个首批“海绵城市”试点城市,海沧马銮湾片区为厦门试点建设区之一.结合试点区现状，通过研究土壤特性和土壤下渗率，分析不同地块、不同用地类型的土壤渗透能力，建立试点区下垫面下渗量数学模型，确定渗透系数，为指导试点区选择适宜的LID技术措施及其组合技术措施和试点区海绵城市建设预测模型或评估模型提供基础资料.

1 工程概况

1.1 工程研究方案

马銮湾试点区域北到马銮湾，南至翁角路，东至吴冠村，西至东孚北路，总面积约20 km2，其中水域面积4.5 km2，城市建成区6.4 km2，在建区9.1 km2.将试点区根据地形分为18个地块，测定土壤特性和土壤下渗率.根据土壤特性和土壤下渗率综合分析试点区不同用地类型的土壤渗透能力.

图1 试点区检测点分布示意图Fig.1 Schematic diagram of the distribution of detection points in the pilot zone

根据土地利用类型和下垫层土壤类型的不同，2015年9—11月试点区土壤特性测定时，选取25个检测点，检测土壤质地、颗粒粒径分布、容重和含水率；2017年5—8月土壤下渗率测定时，选取19个检测点.两次布点有4个重合检测点，共40个检测点.各检测点在试点区内的分布如图1所示，各检测点的用地类型分布如表1所示.

表1 检测点不同用地类型分布Tab.1 Distribution of different land types for detection points

1.2 土壤特性和土壤下渗率的测定材料、仪器与方法

材料和仪器：61.8 mm×20 mm的环刀；购于奥豪斯仪器(常州)有限公司的AR224CN型电子天平；购于上海森信实验仪器有限公司的DGG-9240A型电热恒温鼓风干燥箱；筛孔孔径分别为20、10、5、3、2、1、0.5、0.25、0.1和0.075 mm的筛网；购于北京渠道科学器材有限公司的QT-IN12-W型双环入渗仪.

关于土壤特性，采用感官测定法测定土壤质地；环刀法测定土壤容重，重量法测定含水率，筛析法测定土壤粒径分布[15].同时采用双环入渗法[8]测定土壤下渗率。

2 结果与讨论

2.1 试点区不同用地类型土壤特性分析

试点区不同用地类型各检测点不同深度(20～25 cm记为A，45～60 cm记为B)土壤样品的容重、含水率、颗粒物粒径分布和级配指标如表2所示.25个检测点中，7-1-A/B为粉壤土，4-1和5-2-A/B为壤土，2-1、3-2、5-1-A/B、6-1、6-2、9-4-B和12-2为砂壤土，其它检测点均为砂土；容重分布在0.86～2.45 g·cm-3之间；含水率分布在4.69%～19.61%之间.

表2 试点区土壤样品特性、颗粒物粒径分布和级配指标分布Tab.2 Distribution of soil sample characteristics,particle size and grain composition index in the pilot zone

注：Cu为不均匀系数；Cc为曲率系数.

研究表明，土壤质地与其入渗能力呈对数递减关系[3]，土壤渗透能力随土壤组成中黏粒含量增多而减弱；累积入渗量与土壤容重呈负相关关系[4]；而含水率仅会影响初始下渗，对稳渗无明显影响[5].检测点7-1-A为粉壤土，容重最大为2.45 g·cm-3，可初步判断其土壤渗透能力较弱；7-1-B为粉壤土，8-2-A容重较大为2.25 g·cm-3，也可初步判断其土壤渗透能力较弱.另外颗粒级配指标不均匀系数Cu和曲率系数Cc可以反映土壤的渗透能力.渗透能力较弱有两种情况：①Cu<5；②Cu>5，但Cc<1或Cc>3.从该角度分析，检测点3-4、7-1-A、8-1-A、8-1-B、8-2-B、8-3、9-3-A、9-4-B、12-1、16-1渗透性能较弱.综合土壤质地、容重和级配，试点区25个检测点中3-4、7-1、8-1、8-2、8-3、9-3、9-4、12-1和16-1渗透能力较弱.

2.2 试点区不同用地类型土壤下渗率分析

用双环入渗法测定试点区内19个检测点的土壤下渗情况，测定结果用Horton模型来分析土壤的渗透能力.研究表明，当降雨使土壤达到饱和时，稳定下渗率接近于土壤的渗透系数[16].不同检测点土壤在不同时刻的下渗率表达式、初始下渗率、稳定下渗率和渗透系数如表3所示.

表3 试点区土壤样品渗透能力参数表Tab.3 Penetration capacity parameter of soil samples in the pilot zone

目前海绵城市建设过程中对于土壤的渗透系数还没有确切要求.依据朱木兰等[17]研究结果，LID绿化带土壤的饱和渗透系数适宜范围为3.47×10-4～1.00×10-3cm·s-1.检测点2-4、6-1、6-4、7-1和18-1的渗透系数均小于1.00×10-4cm·s-1，渗透系数过小，土壤渗透能力较弱.检测点2-5、3-5和11-1的渗透系数虽小于3.47× 10-4cm·s-1，但接近3.47×10-4cm·s-1；检测点2-3、8-1、8-4和9-5的渗透系数虽大于1.00×10-3cm·s-1，但接近1.00×10-3cm·s-1，故其土壤渗透能力较强.

2.3 试点区已建成LID设施效果分析

对试点区两种用地类型(公共设施用和工业区)的两种LID设施(雨水花园和生物滞留设施)效果进行分析.公共设施用地东方高尔夫球场1-1、霞阳小学3-5，工业区台本公司9-5完成雨水花园改造；工业区后祥路8-1已完成生物滞留设施改造.改造后下渗系数分别为1.06×10-3、2.59×10-4、4.29×10-3和2.76×10-3cm·s-1，均接近适宜的渗透系数范围3.47×10-4～ 1.00×10-3cm·s-1，适合下渗，改造效果好.

通过改造可实现雨水花园的汇聚、吸收和净化来自屋顶或地面的雨水，并使之逐渐渗入土壤，涵养地下水和生物滞留设施通过可渗透植被渗透进入地下或靠重力流输、收集送雨水的作用.

2.4 试点区土壤特性和下渗率的测定结果对比

结合先后两次对3种用地类型4个检测点(绿化区：长庚医院6-1；工业区：新阳路(烟厂外)7-1和后祥露8-1；居住小区：厦门院子7-3)的土壤特性和土壤下渗率的测定，综合分析这4个检测点的渗透能力.

绿化区检测点6-1的渗透能力由土壤特性测定结果为较强，而由土壤下渗率测定结果为较弱，这是因为该处土壤表面铺设的草皮影响了下渗，使下渗变难.绿化区检测点8-1的渗透能力由土壤特性测定结果为较弱，而由土壤下渗率测定结果为较强.这是因为8-1在土壤特性和土壤下渗率两次测定时间间隔内建设了LID设施-生物滞留设施，改善土壤渗透能力.

工业区检测点7-1两次测定结果均显示土壤下渗率较弱；居住小区检测点7-3两次测定结果均显示土壤下渗率较强；这说明除去特殊情况外，土壤特性和土壤下渗率的测定结果具有共性，均可单独作为土壤渗透能力的评判依据.

2.5 试点区不同用地类型的土壤渗透能力综合分析

结合试点区检测点实际情况分析，试点区不同用地类型级配和渗透系数占比如图2所示.根据土壤组成中黏粒含量的多少、容重的大小、土壤粒径分布及其级配指标和土壤下渗率综合分析试点区不同用地类型的土壤渗透能力.按照不同用地类型，居住区3个监测点渗透能力均较强；工业区9个监测点中，8强1弱；城中村6个监测点中，5强1弱；故该三类用地类型渗透能力较强.农林用地7个监测点中，3强4弱.公共设施用地15个监测点中，9强6弱，然而在9个渗透能力较强的监测点中，2个已完成雨水花园改造，2个铺设透水设施，还有3个在绿化区，故该用地类型土壤渗透能力有待考察.

整体来说，居住小区、工业区和城中村各检测点土壤下渗率普遍较强，农林用地次之，公共设施用地最差.而实际上城中村是洪涝灾害的易发点，这是因为虽然城中村土壤适宜下渗，但人口较多，土壤硬化面积较大，可供下渗的土壤面积较少.

图2 试点区不同用地类型级配和渗透系数占比示意图Fig.2 Schematic diagram of particle-size distribution and permeability coefficient of different land types in the pilot area

3 结语

1)综合土壤特性和土壤下渗率的测定结果分析不同用地类型下的40个检测点发现：整体来说，居住小区、工业区和城中村各检测点土壤渗透能力普遍较强，农林用地次之，公共设施用地最差.但不同用地类型整体渗透能力分析还需结合实际汇水量、汇水面积和可渗透土壤面积综合分析.

2)对试点区4个点位2种用地类型(公共设施用地和工业区)的2种LID设施(雨水花园和生物滞留设施)效果进行分析显示，公共设施用地东方高尔夫球场1-1、霞阳小学3-5，工业区台本公司9-5完成雨水花园改造；工业区后祥路8-1完成生物滞留设施改造，改造效果好.故雨水花园适合修建于学校、停车场等面积较大地区；生物滞留设施适合应用在道路和居住小区绿化带等面积较小、坡度较小的地区.

3)对比土壤特性和土壤下渗率的测定结果发现，土壤特性和土壤下渗率的测定结果具有共性，均可单独作为土壤渗透能力的评判依据.土壤特性测定时，土壤黏粒含量较多、容重较大、土壤级配不良，均导致土壤渗透能力较弱；土壤下渗率测定时，渗透系数过小，远小于适宜的渗透系数范围3.47×10-4～ 1.00×10-3cm·s-1的土壤渗透能力较弱.