海綿城市不同用地類型土壤滲透能力
——以廈門市海滄馬鑾灣試點區為例

師曉陽，劉淑坡，李 飛，艾慧穎，饒 拉，周真明，苑寶玲

(華僑大學土木工程學院,市政與環境工程研究所，福建 廈門 361021)

0 引言

我國住房和城鄉建設部2015年發布試行的《海綿城市建設技術指南》[1]以及仇保興[2]發表的《海綿城市(LID)的內涵、途徑與展望》均指出海綿城市應遵循“滲、滯、蓄、凈、用、排”的六字方針，把雨水的滲透、滯留、集蓄、凈化、循環使用和排水密切結合，統籌考慮內澇防治、徑流污染控制、雨水資源化利用和水生態修復等多個目標.因此，海綿城市建設規劃設計之前，需要對建設區域的不同地塊土壤滲透能力進行調查研究，對土壤滲透能力強的區域，優先采用以“滲”為主的低影響開發(low impact development,LID)設施，對于土壤滲透能力弱的區域，可采用以“蓄”為主的LID設施.

土壤的滲透能力與土壤質地、容重和含水率等土壤特性密切相關[3-5]，黃俊達[6]通過研究土壤組成及土壤理化性質與水分調節的相關性，闡明土壤對海綿城市建設的影響.土壤的滲透能力還體現在土壤的下滲率.土壤下滲率的測定方法主要有人工模擬降雨法[7]、雙環法[8]和Guelph法[9]等，測定結果可用Horton模型、Kostiakov模型和蔣定生模型等來確定滲透系數，從而評價土壤的滲透能力[10].有研究表明，不同土壤類型試驗所得的參數均可應用于Horton模型，且在相對分級的基礎上，Horton模型模擬結果優于Kostiakov模型[11].Horton方程對累積入滲量變化規律的驗證效果要優于Philip公式[12],發現Horton模型是擬合砂石覆蓋與水分入滲關系的最佳模型[13],并且Horton模型較常用的Kostiakov模型更好地描述綠地土壤入滲特性[14].因此本研究采用Horton模型確定土壤的滲透系數.

2015年4月，廈門列入全國16個首批“海綿城市”試點城市,海滄馬鑾灣片區為廈門試點建設區之一.結合試點區現狀，通過研究土壤特性和土壤下滲率，分析不同地塊、不同用地類型的土壤滲透能力，建立試點區下墊面下滲量數學模型，確定滲透系數，為指導試點區選擇適宜的LID技術措施及其組合技術措施和試點區海綿城市建設預測模型或評估模型提供基礎資料.

1 工程概況

1.1 工程研究方案

馬鑾灣試點區域北到馬鑾灣，南至翁角路，東至吳冠村，西至東孚北路，總面積約20 km2，其中水域面積4.5 km2，城市建成區6.4 km2，在建區9.1 km2.將試點區根據地形分為18個地塊，測定土壤特性和土壤下滲率.根據土壤特性和土壤下滲率綜合分析試點區不同用地類型的土壤滲透能力.

圖1 試點區檢測點分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the distribution of detection points in the pilot zone

根據土地利用類型和下墊層土壤類型的不同，2015年9—11月試點區土壤特性測定時，選取25個檢測點，檢測土壤質地、顆粒粒徑分布、容重和含水率；2017年5—8月土壤下滲率測定時，選取19個檢測點.兩次布點有4個重合檢測點，共40個檢測點.各檢測點在試點區內的分布如圖1所示，各檢測點的用地類型分布如表1所示.

表1 檢測點不同用地類型分布Tab.1 Distribution of different land types for detection points

1.2 土壤特性和土壤下滲率的測定材料、儀器與方法

材料和儀器：61.8 mm×20 mm的環刀；購于奧豪斯儀器(常州)有限公司的AR224CN型電子天平；購于上海森信實驗儀器有限公司的DGG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱；篩孔孔徑分別為20、10、5、3、2、1、0.5、0.25、0.1和0.075 mm的篩網；購于北京渠道科學器材有限公司的QT-IN12-W型雙環入滲儀.

關于土壤特性，采用感官測定法測定土壤質地；環刀法測定土壤容重，重量法測定含水率，篩析法測定土壤粒徑分布[15].同時采用雙環入滲法[8]測定土壤下滲率。

2 結果與討論

2.1 試點區不同用地類型土壤特性分析

試點區不同用地類型各檢測點不同深度(20～25 cm記為A，45～60 cm記為B)土壤樣品的容重、含水率、顆粒物粒徑分布和級配指標如表2所示.25個檢測點中，7-1-A/B為粉壤土，4-1和5-2-A/B為壤土，2-1、3-2、5-1-A/B、6-1、6-2、9-4-B和12-2為砂壤土，其它檢測點均為砂土；容重分布在0.86～2.45 g·cm-3之間；含水率分布在4.69%～19.61%之間.

表2 試點區土壤樣品特性、顆粒物粒徑分布和級配指標分布Tab.2 Distribution of soil sample characteristics,particle size and grain composition index in the pilot zone

注：Cu為不均勻系數；Cc為曲率系數.

研究表明，土壤質地與其入滲能力呈對數遞減關系[3]，土壤滲透能力隨土壤組成中黏粒含量增多而減弱；累積入滲量與土壤容重呈負相關關系[4]；而含水率僅會影響初始下滲，對穩滲無明顯影響[5].檢測點7-1-A為粉壤土，容重最大為2.45 g·cm-3，可初步判斷其土壤滲透能力較弱；7-1-B為粉壤土，8-2-A容重較大為2.25 g·cm-3，也可初步判斷其土壤滲透能力較弱.另外顆粒級配指標不均勻系數Cu和曲率系數Cc可以反映土壤的滲透能力.滲透能力較弱有兩種情況：①Cu<5；②Cu>5，但Cc<1或Cc>3.從該角度分析，檢測點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滲透性能較弱.綜合土壤質地、容重和級配，試點區25個檢測點中3-4、7-1、8-1、8-2、8-3、9-3、9-4、12-1和16-1滲透能力較弱.

2.2 試點區不同用地類型土壤下滲率分析

用雙環入滲法測定試點區內19個檢測點的土壤下滲情況，測定結果用Horton模型來分析土壤的滲透能力.研究表明，當降雨使土壤達到飽和時，穩定下滲率接近于土壤的滲透系數[16].不同檢測點土壤在不同時刻的下滲率表達式、初始下滲率、穩定下滲率和滲透系數如表3所示.

表3 試點區土壤樣品滲透能力參數表Tab.3 Penetration capacity parameter of soil samples in the pilot zone

目前海綿城市建設過程中對于土壤的滲透系數還沒有確切要求.依據朱木蘭等[17]研究結果，LID綠化帶土壤的飽和滲透系數適宜范圍為3.47×10-4～1.00×10-3cm·s-1.檢測點2-4、6-1、6-4、7-1和18-1的滲透系數均小于1.00×10-4cm·s-1，滲透系數過小，土壤滲透能力較弱.檢測點2-5、3-5和11-1的滲透系數雖小于3.47× 10-4cm·s-1，但接近3.47×10-4cm·s-1；檢測點2-3、8-1、8-4和9-5的滲透系數雖大于1.00×10-3cm·s-1，但接近1.00×10-3cm·s-1，故其土壤滲透能力較強.

2.3 試點區已建成LID設施效果分析

對試點區兩種用地類型(公共設施用和工業區)的兩種LID設施(雨水花園和生物滯留設施)效果進行分析.公共設施用地東方高爾夫球場1-1、霞陽小學3-5，工業區臺本公司9-5完成雨水花園改造；工業區后祥路8-1已完成生物滯留設施改造.改造后下滲系數分別為1.06×10-3、2.59×10-4、4.29×10-3和2.76×10-3cm·s-1，均接近適宜的滲透系數范圍3.47×10-4～ 1.00×10-3cm·s-1，適合下滲，改造效果好.

通過改造可實現雨水花園的匯聚、吸收和凈化來自屋頂或地面的雨水，并使之逐漸滲入土壤，涵養地下水和生物滯留設施通過可滲透植被滲透進入地下或靠重力流輸、收集送雨水的作用.

2.4 試點區土壤特性和下滲率的測定結果對比

結合先后兩次對3種用地類型4個檢測點(綠化區：長庚醫院6-1；工業區：新陽路(煙廠外)7-1和后祥露8-1；居住小區：廈門院子7-3)的土壤特性和土壤下滲率的測定，綜合分析這4個檢測點的滲透能力.

綠化區檢測點6-1的滲透能力由土壤特性測定結果為較強，而由土壤下滲率測定結果為較弱，這是因為該處土壤表面鋪設的草皮影響了下滲，使下滲變難.綠化區檢測點8-1的滲透能力由土壤特性測定結果為較弱，而由土壤下滲率測定結果為較強.這是因為8-1在土壤特性和土壤下滲率兩次測定時間間隔內建設了LID設施-生物滯留設施，改善土壤滲透能力.

工業區檢測點7-1兩次測定結果均顯示土壤下滲率較弱；居住小區檢測點7-3兩次測定結果均顯示土壤下滲率較強；這說明除去特殊情況外，土壤特性和土壤下滲率的測定結果具有共性，均可單獨作為土壤滲透能力的評判依據.

2.5 試點區不同用地類型的土壤滲透能力綜合分析

結合試點區檢測點實際情況分析，試點區不同用地類型級配和滲透系數占比如圖2所示.根據土壤組成中黏粒含量的多少、容重的大小、土壤粒徑分布及其級配指標和土壤下滲率綜合分析試點區不同用地類型的土壤滲透能力.按照不同用地類型，居住區3個監測點滲透能力均較強；工業區9個監測點中，8強1弱；城中村6個監測點中，5強1弱；故該三類用地類型滲透能力較強.農林用地7個監測點中，3強4弱.公共設施用地15個監測點中，9強6弱，然而在9個滲透能力較強的監測點中，2個已完成雨水花園改造，2個鋪設透水設施，還有3個在綠化區，故該用地類型土壤滲透能力有待考察.

整體來說，居住小區、工業區和城中村各檢測點土壤下滲率普遍較強，農林用地次之，公共設施用地最差.而實際上城中村是洪澇災害的易發點，這是因為雖然城中村土壤適宜下滲，但人口較多，土壤硬化面積較大，可供下滲的土壤面積較少.

圖2 試點區不同用地類型級配和滲透系數占比示意圖Fig.2 Schematic diagram of particle-size distribution and permeability coefficient of different land types in the pilot area

3 結語

1)綜合土壤特性和土壤下滲率的測定結果分析不同用地類型下的40個檢測點發現：整體來說，居住小區、工業區和城中村各檢測點土壤滲透能力普遍較強，農林用地次之，公共設施用地最差.但不同用地類型整體滲透能力分析還需結合實際匯水量、匯水面積和可滲透土壤面積綜合分析.

2)對試點區4個點位2種用地類型(公共設施用地和工業區)的2種LID設施(雨水花園和生物滯留設施)效果進行分析顯示，公共設施用地東方高爾夫球場1-1、霞陽小學3-5，工業區臺本公司9-5完成雨水花園改造；工業區后祥路8-1完成生物滯留設施改造，改造效果好.故雨水花園適合修建于學校、停車場等面積較大地區；生物滯留設施適合應用在道路和居住小區綠化帶等面積較小、坡度較小的地區.

3)對比土壤特性和土壤下滲率的測定結果發現，土壤特性和土壤下滲率的測定結果具有共性，均可單獨作為土壤滲透能力的評判依據.土壤特性測定時，土壤黏粒含量較多、容重較大、土壤級配不良，均導致土壤滲透能力較弱；土壤下滲率測定時，滲透系數過小，遠小于適宜的滲透系數范圍3.47×10-4～ 1.00×10-3cm·s-1的土壤滲透能力較弱.