海绵城市下沉式绿地渗透参数计算方法浅析

潘国泉

[上海浦发综合养护（集团）有限公司，上海市 201399]

0 引言

近年来，全球极端天气和暴雨频发，迫切需要不断提升和加强城市抗风险能力。城市如何在洪涝灾害中迅速恢复，如何合理利用雨洪资源，如何控制面源污染等问题是海绵城市建设需要解决的关键问题。海绵城市建设不但是城市进行低影响开发的重要措施，而且是韧性城市理念的核心要素之一[1]。我国海绵城市建设理念自2012年在《低碳城市与区域发展科技论坛》中首次提出后，国家相继出台一系列指导性文件，并逐步开展试点工作。

海绵城市建设技术主要包括源头减排、过程控制和系统治理，通过采取屋顶绿化、下凹式绿地、雨水收集利用等措施，使得建筑、小区、广场、道路、公园及绿地等具有对雨水的吸纳、蓄滞和缓释作用。

由于下沉式绿地建设费用以及维护费用均较低，该技术被广泛地应用于城市建筑、小区、道路和广场等场合。

下沉式绿地也叫下凹式绿地，是指低于周边铺装地面或道路一定深度的绿地，是一种生物滞留设施技术，具有蓄水、滞水、渗水、净水等功能。下沉式绿地不仅对雨水有吸收、滞留作用，而且对雨水中的污染物有去除能力。下沉式绿地主要依靠草坪丰富的根部同化吸附作用，去除雨水径流中的COD、N、P，依靠土壤基质的吸附、过滤和离子交换等作用来实现去污功能。土壤中的微生物可以通过吸附、络合等作用去除径流雨水中的重金属和有毒有害成分。下沉式绿地设计技术要点如下：

（1）低于周边硬质路面100～200mm；

（2）下沉式绿地应设置溢流口，溢流口顶部应高于绿地50mm以上；

（3）下沉式绿地种植土的厚度应该高于250mm；

（4）如果下沉式绿地渗透能力不足，应设置人工渗透装置。

下沉式绿地土壤渗透性参数是该绿地设计的重要指标，本文结合现有研究成果，分析总结下沉式绿地的土壤渗透特性和规律，给出土壤在不同饱和状态下的渗透参数计算公式，以期为不同条件下的下沉式绿地设计提供技术参考。

1 下沉式绿地土壤结构特性参数

土壤以土壤颗粒结构为骨架，土壤有机质、铁铝氧化物、质地是影响土壤结构特性的三大重要因素。由于下沉式绿地土壤内栽满草坪和灌木等植物，土壤孔隙被水与空气填充，经常处于非饱和状体。非饱和土壤渗透理论体系是建立在广义达西定律与质量守恒定律基础之上的，而在非饱和土壤中存在三相系统，其中气相系统对液相起到阻碍或推动作用。水的运动要比饱和土壤复杂得多，因为它的运动不仅与土壤空隙的几何特征有关，而且还与土壤含水率、气液饱和度、颗粒粒径大小、溶质浓度以及温度有关。

同济大学卫熹等[2]试验证明，土壤质地对土壤渗透性能的影响显著，随着土壤质地由轻变重，土壤渗透性能减小。土壤黏粒含量对土壤渗透能力有较大影响，随黏粒含量增多渗透能力递减。

影响土壤的渗透因数有土壤容重、空隙率、有机质以及土壤团聚体的稳定性。团聚体分形维数D根据团聚体颗粒的质量分布描述颗粒组成状况，有利于定量描述土壤结构特征的复杂性。团聚体分维值小，表明具有较大粒级的水稳性（水稳定性指土壤在水的浸泡下不会立即散开的性质）团聚体的土壤具有良好的结构和稳定性。团聚体分形维数计算公式[3]如下：

式中：wi为直径小于di累积质量，g；w0为土壤样本质量，g；dmax为最大粒级团聚体平均直径，mm；di为团聚体土壤粒径，mm。

其中土壤团聚体结构特性采用沙维诺夫法（干筛法和湿筛法）测定。1945年，VanBavel提出土壤颗粒平均质量直径（meanweightdiameter，MWD）为各级团聚体的综合指标[4]：

除了上述指标外，土壤结构参数还有几何平均直径（GMD）、团聚体分散度（PAD）、大于0.25mm水稳性团聚体含量（WSA）。MWD为团聚体粒径分布特征的综合反映。试验证明，MWD与游离Al2O3、游离Fe2O3呈正相关关系，其值越大，说明团聚体水稳性越好[5]。GMD是对团聚体主要粒级分布的描述，其值越大，团聚体含量在大粒级上的分布越多，孔隙度越好，渗透性越好[6]。WSA是指大团聚体在土壤中的含量，大团聚体分为水稳性和非水稳性两种，土壤团聚体稳定性是土壤结构的关键性指标。

土壤含水率一定时，绿地进水负荷越大，渗透速度越快。在其他条件不变的情况下，土壤中水分子运动是因为压力势能引起的，土壤渗透系数与进水负荷产生的压力势能呈梯度相关。土壤的渗透性能随着蓄水次数增加而衰减。为了减缓渗透性能的下降，在土层下面垫一层砾石、砖瓦块、煤渣和石灰颗粒，可以提高WSA值以增加土壤的渗透性。

2 下沉式绿地土壤渗透性参数

2.1 土壤透水性概念

土壤渗透性是雨水通过土壤以及植物根系的运动过程。土壤的渗透性决定着土壤对雨水的调节能力，水在土壤中的运动就是土壤的渗透性，所谓土壤渗透性就是“土壤的透水性”。

2.2 土壤中水的运动规律

水在土壤中的运动驱动力主要有含水量梯度、空气压力梯度、水力压头梯度、位置差梯度、基质吸力梯度等。饱和土壤渗透过程中，土壤水的运动符合达西定律，渗透系数是一个常数。对于非饱和土壤，渗透系数不再是常数而是基质吸力和含水率的函数，它随着含水率的降低而减小。根据广义达西定律，非饱和土壤中水流运动方程为：

在非饱和土壤中，基质吸力随着含水率变化而变化，含水率降低到一定程度时，砂性土的导水率反而比黏性土小。非饱和土的水流速度与水力梯度成线性关系（见图1）。

图1 土壤水特征曲线

2.3 渗透系数计算

理查兹（Richards）1931年用试验证明非饱和土壤中的渗透也符合达西定律，即水流通量与水土势梯度成正比，如下式：

式中：ν为沿x方向渗透速度，cm/h；ψ为饱和状态总土水头，m；k（θ）为饱和水力传导率，N·m；x为渗流方向上的距离，m。

在非饱和状态下，扩散率为常数，且水力传导梯度与土壤含水量成直线关系，如下式：

非直线关系，如下式：

式中：fp为累积下渗容量，cm/h；S为基质吸力，kPa；A为常数；k为土壤渗透系数；θ0为不同时间土壤含水率。

土壤饱和导水率和土壤水稳定性团聚体分形维数（D）呈负相关关系，土壤渗透率与D关系如下式：

水平渗透系数与渗透率关系：

式中：ρ为流体密度；g为重力加速度；μ为流体动力黏滞系数；A、B为经验常数。

付茂林等[6]试验测得土壤渗透系数K的另一种计算方法:

式中：C=c·kj·ks·kw；dH=l·sinθ，dH为土壤颗粒的平均有效粒径；τ为 迂曲度；γ为地下水重度；μ为流体动力黏度；kj·ks·kw分别为土壤级配、饱和度、土壤基质吸力的影响系数。

通过以上计算得出渗透系数K，按Darcy'slaw，计算渗透流量Q：

式中：H1-H2表示上下游水头差；A为垂直于水流方向的截面积；L为渗透长度；K为渗透系数；I为水力梯度。

通过渗透流量，可以计算出土壤渗透速率υ：

式中：υ为绿地土壤渗透速率，m/s；Q为入渗水量，L；A为垂直于水流方向的截面积，cm2；T为时间，min。

实验测定，有草皮的土壤渗透率比相同条件下裸露土壤大20%左右，实验同时证明草坪中栽某些灌木比单纯种植草坪的渗透系数大15%左右，渗透速率可达到10-5m/s。为了增加土壤渗透，可以种植草坪、百喜草、金银木、黄杨和连翘等植物[7]。

3 结语

本文介绍了海绵城市规划设计中常用的下沉式绿地的设计技术要求，重点阐述了下沉式绿地土壤结构特性的各项参数、下沉式绿地渗透性以及渗透参数的各种计算方法，以期为不同条件下的下沉式绿地设计提供技术参考。