固原市低影響開發(fā)措施下土壤水分時(shí)空變化

張鎮(zhèn)璽, 徐國策, 黃綿松, 田 珂, 李占斌, 徐明珠

(1.西安理工大學(xué) 旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048; 2.寧夏首創(chuàng)海綿城市建設(shè)發(fā)展有限公司, 寧夏 固原 756000)

城市雨洪管理問題是制約我國城市發(fā)展的核心問題之一，因城市地表不透水面積增加，雨水可下滲量減少，導(dǎo)致地表徑流增加，城市排水負(fù)荷加重[1]。海綿城市遵循LID(低影響開發(fā))原則：即針對城市化過程中所產(chǎn)生的內(nèi)澇、污染加劇、徑流蔓延、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，使區(qū)域開發(fā)后的排水狀態(tài)，效仿自然的排水方式，盡可能接近于區(qū)域開發(fā)前的排水狀態(tài)和自然的水文循環(huán)。在此基礎(chǔ)上，將雨水蓄存、吸收、滲透、凈化，并在需要時(shí)再加以利用，能夠提升城市生態(tài)系統(tǒng)功能，減緩城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生[2]。目前應(yīng)用效果較好的LID措施包括透水鋪裝、生物滯留措施、下沉式綠地、綠色屋頂、過水草溝、雨水花園和雨水桶等措施，各種LID措施的建設(shè)對于城市海綿化高效益建設(shè)十分必要[3]。土壤儲(chǔ)水量受到降水入滲及再分布、土壤水分的蒸發(fā)、植物根系吸水利用等水循環(huán)過程的影響[4]。Xu等[5]研究表明，土壤深度對土壤含水量的時(shí)空分布有著顯著影響。劉繼龍等[6]研究表明隨著土層深度的增加，土壤水分的時(shí)間穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。同時(shí)，土壤儲(chǔ)水量也受到氣候及環(huán)境溫度的影響，凍融期內(nèi)，土壤的凍融特性受到氣候、植被、地形、積雪覆蓋、含水率和鹽分含量等因素的影響[7]。當(dāng)土壤溫度降低，直至凍結(jié)溫度之下時(shí)，土壤內(nèi)部水分凍結(jié)，形成凍土[8]，樊貴盛等[9]研究表明，隨著土壤含水率的增大，凍融土壤入滲能力降低。LID措施能夠從源頭對徑流進(jìn)行調(diào)控[10]，不同LID措施對土壤水分的蓄存及分布均有影響。目前為了探究LID措施對土壤水分的影響，已經(jīng)開展了很多相關(guān)研究。Allen等[11]研究表明，生物滯留措施及雨水花園等措施通過過濾和滲透作用將雨水蓄存到措施內(nèi)部，極大地減少了徑流量和洪峰。Busk[12]研究發(fā)現(xiàn)，生物滯留措施可以減少地表徑流量的97%～99%。Ahiablame等[13]發(fā)現(xiàn)LID措施削減城市洪水效果明顯。劉昌明等[14]研究表明下凹式綠地穩(wěn)定入滲率在0.5～2.3 mm/min之間。汪艷寧等[15]研究表明，過水草溝接納徑流量可達(dá)硬質(zhì)路面的2.16倍。李懷恩等[16]研究表明，LID雨水入滲會(huì)影響設(shè)施凈化雨水能力。不同的LID措施，對徑流削減效果不同，在措施布設(shè)較為密集的街區(qū)，內(nèi)澇面積削減率達(dá)48.96%[17]。值得注意的是，雖然前人對不同LID措施下地表徑流的水文過程做了大量研究，然而目前對于LID措施下不同季節(jié)和降雨條件土壤水分的研究較少，且很少有關(guān)于凍融期內(nèi)LID措施下土壤凍融量的研究。土壤水分在干濕季、以及不同降雨和凍融條件下的變化不同，LID措施下的效果也會(huì)有較大區(qū)別，因而研究不同LID措施對土壤水分的影響有重要意義。

寧夏回族自治區(qū)固原市從2016年被列為國家第二批海綿城市的建設(shè)試點(diǎn)以來，共實(shí)施海綿城市建設(shè)項(xiàng)目70個(gè)，基本完工60個(gè)，改造海綿化道路16條18 km，小區(qū)90個(gè)3.23×106m2。水資源的存蓄和利用是固原海綿城市建設(shè)中控制雨水和緩解水資源短缺的重要技術(shù)手段，本文根據(jù)氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)及土壤含水量資料，分析了不同LID措施條件下的土壤在干濕季、不同降雨、凍融條件下土壤水分變化情況，并對研究區(qū)的LID措施蓄存潛力進(jìn)行了評估，為固原市海綿城市低影響開發(fā)建設(shè)及水資源有效利用前景提供相關(guān)依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

固原市位于寧夏回族自治區(qū)，地處黃土高原上六盤山北麓清水河畔，地勢南高北低，坐標(biāo)106°11′—106°18′E，35°85′—36°30′N，海拔1 753 m，屬典型的中溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫5 ℃[18]，多年平均降水量438.5 mm。年內(nèi)降水主要集中在6—9月，約占全年降水的79.37%。土壤以濕陷性黃土為主，是西北高原典型土質(zhì)類型；植被類型主要為華北落葉松、沙棘等。本文研究區(qū)域位于固原市原州區(qū)海綿措施區(qū)塊西部的玫瑰苑小區(qū)，玫瑰苑小區(qū)是固原市海綿化改造小區(qū)之一，具有明顯的海綿化小區(qū)特征，是典型的小區(qū)海綿示范工程：玫瑰苑小區(qū)內(nèi)部布設(shè)有過水草溝、下沉式綠地和雨水花園等LID措施，同時(shí)每棟建筑周圍布設(shè)有2～3個(gè)雨水桶。

1.2 研究方法

測點(diǎn)布設(shè)及樣品采集：對固原市玫瑰苑小區(qū)內(nèi)不同LID措施下的土壤水分變化進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，采用東方生態(tài)公司智墑ET60，土壤水分監(jiān)測儀分別布設(shè)在過水草溝外部的草地，過水草溝內(nèi)部及下沉式綠地內(nèi)部。監(jiān)測深度為0—60 cm，分為6層，每10 cm為一層，6個(gè)土層從上到下分別為L1，L2，L3，L4，L5和L6。根據(jù)前人研究[19-21]，將0—10 cm土層稱為活躍層，10—30 cm土層為次活躍層，40 cm之下的土層為穩(wěn)定層。本研究采用2018年8月20日至2019年2月28日期間的逐小時(shí)土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為1 h，對不同LID措施的土壤水分在不同季節(jié)、不同降雨條件、凍融條件下的土壤含水量進(jìn)行研究。通過以下公式計(jì)算各層土壤的土壤儲(chǔ)水量及降雨后的水分補(bǔ)給量：

(1) 各層土壤儲(chǔ)水量(SWi)：

SWi=θihi(i=1,2,…,6)

(1)

(2) 土壤總儲(chǔ)水量(SW)：

(2)

式中：SWi為第i層土壤儲(chǔ)水量(mm)；θi為第i層土壤體積含水量(%)；hi為各層土壤厚度(mm)； SW為0—60 cm土層土壤總儲(chǔ)水量(mm)。

(3) 土壤水分補(bǔ)給量：

ΔSW=SWmax-SW0

(3)

式中：ΔSW為研究時(shí)段內(nèi)土壤儲(chǔ)水量的變化量(mm)； SWmax為降雨后0—60 cm土壤總儲(chǔ)水量最大值(mm)； SW0為降雨前期0—60 cm土壤總儲(chǔ)水量(mm)。

(4) 土壤凍融量：

ΔSWi=SWα-SWβ

(4)

式中：ΔSWi為凍融期內(nèi)第i層土壤儲(chǔ)水量的變化量，即為凍融量(mm)； SWα為第i層凍融前土壤儲(chǔ)水量(mm)； SWβ為第i層凍融后土壤儲(chǔ)水量(mm)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化特征詳

2000，2010，2018年固原市海綿措施區(qū)塊土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)詳見表1。結(jié)果表明，固原市海綿措施區(qū)塊總面積為39.91 km2，其中，耕地、林地和建筑用地是主要的土地利用類型。

2000—2018年，林地、公路和建筑用地面積持續(xù)增加，占比從2000年的5.33%，3.23%和29.24%，增加至2018年的17.86%，9.61%和45.96%。耕地面積顯著減少，占比從2000年的56.88%減少為2018年的5.02%，草地面積先增加后減少，總體呈增加趨勢，水域面積基本不變。原因在于固原市城市化進(jìn)程明顯，對建筑用地需求增加，其他土地利用類型逐步轉(zhuǎn)化為建筑用地。

表1 固原市土地利用結(jié)構(gòu)

圖1—2分別為固原市海綿措施區(qū)塊2000—2010年和2010—2018年的土地利用變化程度，深色為土地利用變化程度較大的區(qū)域，且顏色越深表示變化程度越大，淺色為土地利用變化程度較小的區(qū)域，越淺表示變化程度越小。

由圖1—2可知，2000—2010年，土地利用變化程度較大的區(qū)域主要出現(xiàn)于研究區(qū)東側(cè)，并向西側(cè)延伸，西北方向土地利用變化程度較??；2010—2018年，研究區(qū)變化程度較大區(qū)域出現(xiàn)在研究區(qū)西部，而研究區(qū)東部變化程度較西部低，幾乎沒有土地利用變化程度較小的區(qū)域。

圖1 研究區(qū)2000-2010年土地利用變化程度

圖2 研究區(qū)2010-2018年土地利用變化程度

玫瑰苑小區(qū)不同土地利用類型面積詳見表2。統(tǒng)計(jì)玫瑰苑小區(qū)不同土地利用下的面積及所占比例。結(jié)果表明，玫瑰苑小區(qū)總面積為63 725.58 m2。建筑用地是玫瑰苑小區(qū)的主要土地利用類型，面積33 525.64 m2，占總面積的52.61%。

玫瑰苑小區(qū)草地、過水草溝、下沉式綠地和雨水花園面積占總面積的比例分別為6.22%，8.75%，14.54%和1.08%。其中LID措施下過水草溝、下沉式綠地和雨水花園總面積15 530.42 m2，占總面積的24.37%。

表2 玫瑰苑小區(qū)不同土地利用面積分布

2.2 雨季和旱季土壤儲(chǔ)水量變化特征

不同季節(jié)LID措施下土壤儲(chǔ)水量的統(tǒng)計(jì)特征詳見表3，通過公式(1)—(2)將土壤含水量轉(zhuǎn)換為各LID措施下各層土壤儲(chǔ)水量和總儲(chǔ)水量。結(jié)果表明，整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，草地、過水草溝和下沉式綠地全年儲(chǔ)水量分別可達(dá)101.96，27.22和97.33 mm，全年儲(chǔ)水量呈現(xiàn)：草地>下沉式綠地>過水草溝。不同LID措施下，絕大部分土層雨季的土壤儲(chǔ)水量大于旱季的土壤儲(chǔ)水量。此外，對全年土壤儲(chǔ)水量進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)后得出，草地、過水草溝、下沉式綠地在不同季節(jié)間差異不顯著(p>0.05)。全年平均土壤儲(chǔ)水量最低的土層為過水草溝L5，最高為草地L5。草地、過水草溝、下沉式綠地在雨季和旱季儲(chǔ)水量分別為107.37，29.46，101.03 mm和67.6，20.66，69.34 mm。雨季和旱季下沉式綠地L1—L3土壤儲(chǔ)水量最高，草地L4—L6土壤儲(chǔ)水量最高，過水草溝土壤儲(chǔ)水量普遍低于草地和下沉式綠地，草地和下沉式綠地儲(chǔ)水效果明顯。不同LID系統(tǒng)的土壤儲(chǔ)水效率從大到小依次為：L1—L3土層土壤儲(chǔ)水量呈現(xiàn)：下沉式綠地>草地>過水草溝，L4—L6土層土壤儲(chǔ)水量呈現(xiàn)：草地>下沉式綠地>過水草溝，過水草溝儲(chǔ)水效果較差，儲(chǔ)水量較低，草地和下沉式綠地分別對表層和下層的雨水起到一定的存儲(chǔ)作用。本身草地對土壤水分就有著較好的蓄存效果，下沉式綠地和過水草溝取代了一部分原本的草地，下沉式綠地儲(chǔ)水效果和草地相當(dāng)，而過水草溝對雨水的存蓄效果不太理想。

根據(jù)Nielson和Bouma對Cv分類[22-23]可知，當(dāng)研究變量為弱變異時(shí)Cv≤10%；當(dāng)研究變量為中等變異時(shí)10%

表3 不同季節(jié)LID措施下土壤儲(chǔ)水量統(tǒng)計(jì)

2.3 不同降雨條件土壤水分變化

不同降雨條件(2018年08月21日暴雨和2018年09月14日小雨)后72 h內(nèi)各LID措施的土壤含水量變化如圖3所示。根據(jù)圖3所顯示不同LID措施布設(shè)情況下的儲(chǔ)水深度及含水量，各措施土壤含水量變化受降雨量變化影響明顯。暴雨條件，各個(gè)LID措施的土壤含水量在降雨前期迅速增加，草地、過水草溝和下沉式綠地在暴雨降雨42，24和36 h后，不同深度土壤水分含量開始下降，各LID措施下的降雨入滲均可至L6土層；小雨條件，各LID措施下L1土層土壤含水量僅在降雨前期出現(xiàn)小波動(dòng)，小雨在草地可入滲至L3土層，而小雨對于過水草溝和下沉式綠地，僅入滲至L1土層，其余各層土壤含水量均沒有明顯變化，小雨降雨30 h后，各個(gè)措施下土壤含水量趨于平穩(wěn)，小雨在草地的入滲深度較過水草溝和下沉式綠地深10—20 cm。

圖3 不同降雨條件下各LID措施的土壤含水量變化

不同降雨條件下各LID措施儲(chǔ)水量詳見表4。暴雨和小雨后72 h草地、過水草溝、下沉式綠地的儲(chǔ)水量分別為104.51，31.37，115.54 mm和99.48，26.16，94.08 mm。通過公式(3)計(jì)算土壤水分補(bǔ)給量，研究結(jié)果表明，暴雨條件，各措施儲(chǔ)水效果明顯，草地和過水草溝土壤補(bǔ)給量分別為63.68和14.84 mm，下沉式綠地補(bǔ)給量最高，為66.49 mm，充分發(fā)揮蓄存功能，下沉式綠地和草地對雨水的存蓄補(bǔ)給效果明顯。主要是因?yàn)長ID措施代替了原有的部分草地，大大增加了雨水的入滲能力和存儲(chǔ)能力，相比于傳統(tǒng)小區(qū)綠地，下沉式綠地措施對雨水的存蓄效果更加明顯；小雨條件各措施儲(chǔ)水量增加值變化不明顯，草地、過水草溝和下沉式綠地土壤補(bǔ)給量分別為3.94，1.71和1.26 mm，各個(gè)措施均有一定的蓄存量。

表4 不同降雨條件下各LID措施儲(chǔ)水量

LID措施在暴雨條件下的蓄存效果顯著，能夠有效減少徑流總量并存儲(chǔ)積水，小雨條件下LID措施能有效減少小區(qū)發(fā)生內(nèi)澇的概率。要解決內(nèi)澇問題，仍需要多布設(shè)下沉式綠地，并多保留草地。

2.4 凍融條件土壤水分變化

不同措施下凍融期(2018年11月至2019年2月)土壤平均溫度如圖4所示。由圖4可知，在整個(gè)凍融期內(nèi)，草地、過水草溝和下沉綠地的平均溫度隨著土壤深度增加呈現(xiàn)增加趨勢，在60 cm土層中，草地、過水草溝和下沉綠地的溫度達(dá)到最大值5.23，5.95，5.82 ℃。研究結(jié)果表明，不同措施下的溫度變化大致相同，低溫主要出現(xiàn)在各措施的0—10 cm層，在10—60 cm的土壤深度中，草地、過水草溝和下沉綠地三種措施的下墊面溫度呈現(xiàn)：過水草溝>下沉式綠地>草地，凍融期內(nèi)，過水草溝和下沉綠地的溫度高于草地，兩種LID措施有著良好的保溫效果，LID措施深層保溫效果較淺層更加明顯。

圖4 不同LID措施下土壤平均溫度

不同LID措施土壤總凍融量如圖5所示。由圖5可知，在整個(gè)凍融期內(nèi)，草地、過水草溝和下沉式綠地的總凍融量隨著土壤深度增加呈現(xiàn)減少趨勢，其中草地、過水草溝和下沉綠地的凍融量分別達(dá)到111.16，75.73和46.9 mm，所有措施在0—10 cm層總凍融量為88.30 mm，占總凍融量的37.34%。在整個(gè)凍融期內(nèi)，草地、過水草溝和下沉式綠地等3種下墊面總凍融量在L1土層中呈現(xiàn)：過水草溝>草地>下沉式綠地；在L2—L6土層中呈現(xiàn)：草地>下沉式綠地>過水草溝；凍融主要集中于L1土層層，L2—L6土層土壤對比L1土層土壤，凍融量較少。因?yàn)長ID措施的取代傳統(tǒng)小區(qū)綠地，使得冬季小區(qū)綠地內(nèi)凍融的水分減少，LID措施內(nèi)土壤水分增加。通過對土壤溫度和凍融量分析表明，LID措施土壤保溫性能良好，并且能夠達(dá)到很好的凍融控制效果，若冬季凍土較多，可適當(dāng)多布設(shè)LID措施，對土壤溫度的降低起到一定的緩釋作用。

圖5 不同LID措施土壤總凍融量

2.5 LID措施蓄存潛力評估

為了對建設(shè)海綿城市給玫瑰苑小區(qū)帶來的綠化面積和土壤儲(chǔ)水量進(jìn)行評估，首先對玫瑰苑小區(qū)海綿城市建設(shè)所帶來的LID措施面積進(jìn)行評估，分析得到玫瑰苑小區(qū)兩種LID措施面積大小，LID措施面積評估詳見表5。過水草溝和下沉式綠地面積分別為5 574.93和9 268.00 m2。玫瑰苑小區(qū)的綠地面積潛力可達(dá)18 804.05 m2。

表5 LID措施面積評估

玫瑰苑小區(qū)LID措施調(diào)蓄潛力評估詳見表6。分析玫瑰苑小區(qū)蓄存水資源的含量，綜合LID措施的空間分布特征，在土地利用及儲(chǔ)水量變化的基礎(chǔ)上，評估玫瑰苑小區(qū)的調(diào)蓄潛力。結(jié)果表明，小區(qū)全年蓄存潛力為1 691.31 m3，其中雨季蓄存潛力1 766.46 m3，旱季蓄存潛力1 216.31 m3；暴雨補(bǔ)給潛力可達(dá)1 121.8 m3，小雨補(bǔ)給潛力較低；凍融期內(nèi)，各個(gè)措施凍融潛力為699.67 m3。各種影響因素下，研究區(qū)玫瑰苑小區(qū)LID措施調(diào)蓄潛力可觀，存儲(chǔ)調(diào)蓄效果明顯。

表6 LID措施調(diào)蓄潛力評估 m3

3 討 論

引起土壤水分變化因素有很多，不同LID措施下土壤水分還會(huì)受到填料、植被類型、LID措施結(jié)構(gòu)等因素的影響[24]。土壤表層的植被的變化也會(huì)導(dǎo)致土壤物理性質(zhì)的變化[25]?；旌螸ID措施對徑流也有一定的削減作用[26]，從而改變土壤水分。本文中過水草溝相比于草地和下沉式綠地，雨季和旱季、不同降雨條件和凍融條件下土壤儲(chǔ)水量和凍融量較低，與王艷寧[27]等研究結(jié)果相差較大，經(jīng)過實(shí)地勘察，可能因?yàn)檫^水草溝土層受到土工布等材料影響，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)過于緊致或松散，孔隙度過小或過大，土壤水保留至土壤表面或下滲至60 cm之下，引起過水草溝土壤儲(chǔ)水量低于草地和下沉式綠地的現(xiàn)象。總之，本研究中雖顯示下沉式綠地在各種影響因素下，儲(chǔ)水量最高，但現(xiàn)實(shí)中同種措施的植被覆蓋不同，且常常需要多種LID措施相結(jié)合，在實(shí)際的海綿城市建設(shè)過程中，需要考慮不同LID措施的結(jié)構(gòu)、填料、植被覆蓋等方法的改進(jìn)，不斷提高各種LID措施的儲(chǔ)水量。

4 結(jié) 論

(1) 固原市海綿區(qū)塊主要土地利用類型為耕地、林地和建筑用地土地利用變化程度從東部向西部延伸；玫瑰苑小區(qū)LID措施面積占總面積的24.37%。

(2) 下沉式綠地和草地對降雨有顯著的存蓄作用，但過水草溝存蓄效果不明顯，6個(gè)土層深度的土壤含水量均屬于中等變異；LID措施對暴雨條件下的雨水蓄存效果顯著，小雨條件下能有效減少小區(qū)發(fā)生內(nèi)澇的概率。

(3) 凍融期內(nèi)隨著土層深度增加，各措施下墊面平均溫度呈現(xiàn)增加趨勢；而各措施凍融量呈現(xiàn)減小趨勢，凍融主要集中于0—10 cm層，占總凍融量的37.34%。

(4) 經(jīng)評估結(jié)果顯示，LID措施的存蓄潛力巨大，對全年降雨有著良好的存蓄潛力，同時(shí)對暴雨后的存蓄潛力較多，布設(shè)LID措施能夠有效緩解內(nèi)澇，增加土壤儲(chǔ)水量，減輕排水管網(wǎng)壓力。