雨水花園集中入滲對(duì)非飽和土壤含水量和地下水的影響

許目瑤, 羅 紈, 賈忠華, 唐雙成, 許 青, 尹 璽

(揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225009)

城市中不透水地面的比例日漸增加,會(huì)造成雨水徑流難以入滲、地下水難以補(bǔ)給、洪災(zāi)頻發(fā)等問(wèn)題．對(duì)此,美國(guó)制定了城市雨洪管理措施和低影響開(kāi)發(fā)策略[1],英國(guó)建造了可持續(xù)城市排水系統(tǒng)[2],澳大利亞修建了水敏感城市等[3]．中國(guó)的海綿城市建設(shè)目標(biāo)是將人工措施與自然水循環(huán)相結(jié)合,最大限度地實(shí)現(xiàn)雨水在城市內(nèi)的積存、滲透和凈化,實(shí)現(xiàn)雨水資源的合理利用．

雨水花園是海綿城市建設(shè)中一項(xiàng)重要的雨水蓄滲措施,匯集的雨水徑流經(jīng)花園土壤與植被凈化后下滲,補(bǔ)給地下水[4-5]．目前對(duì)雨水花園的研究主要圍繞其結(jié)構(gòu)、水量削減能力、對(duì)地下水位的影響[6]、對(duì)水質(zhì)的凈化能力[7]及其機(jī)制[8-9]等進(jìn)行．Machusick等[10]發(fā)現(xiàn)生物滯留池雨水入滲點(diǎn)形成的地下水丘局限在集中入滲區(qū)范圍內(nèi),其大小和持續(xù)時(shí)間與入滲率及地下水溫度有關(guān); Endreny等[9]利用地下水運(yùn)動(dòng)模型研究了分散布置、集中布置或獨(dú)立建設(shè)等不同形式的生物滯留池對(duì)地下水的補(bǔ)給作用,研究了土壤入滲性能及入滲點(diǎn)分布對(duì)補(bǔ)給地下水的影響; Liang等[11]通過(guò)數(shù)學(xué)模型研究包氣帶入滲井補(bǔ)給地下水的效果及影響因素,得出非飽和區(qū)土壤層厚度、給水度及導(dǎo)水率均會(huì)影響入滲速度及補(bǔ)給量的定性結(jié)果．

本文根據(jù)在江蘇省揚(yáng)州市開(kāi)展的一項(xiàng)雨水花園集中入滲實(shí)驗(yàn),研究集中入滲對(duì)非飽和土壤含水量和地下水的影響,探討海綿城市建設(shè)中利用雨水花園入滲補(bǔ)給地下水的效果及影響因素,以期為同類(lèi)雨水花園設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考．

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)采集

江蘇省揚(yáng)州市位于北緯32°13′～32°40′,東經(jīng)119°16′～119°34′,年平均氣溫14.8 ℃,降雨主要集中在5至8月, 年平均降雨量1 031.6 mm, 年蒸發(fā)量1 000 mm．該地域沉積了厚度約110～130 m的沖洪積松散沉積物,松散巖類(lèi)孔隙水是最主要的地下水類(lèi)型．從上至下分為潛水、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承壓水共5個(gè)層段．本文研究范圍是地表以下3 m以內(nèi)的潛水區(qū)域,監(jiān)測(cè)期為2018年4月至2019年5月．

圖1為雨水花園布置及監(jiān)測(cè)井位置示意圖,雨水花園為橢圓形, 面積4.54 m2, 匯流面積為130 m2．園內(nèi)種植美人蕉、金光菊等植物,蓄水深度為18 cm．經(jīng)馬爾文激光粒度儀檢測(cè),園內(nèi)0～50 cm深度的土壤為砂壤土, 50～100 cm深度的土壤為粉壤土．距離雨水花園500 m處,安裝有HOBO U30小型氣象站, 每10 min記錄1次降雨量、溫度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)．

花園入流口和溢流口處分別裝有45°和30°的三角堰流量計(jì)．土壤含水量監(jiān)測(cè)井位于園內(nèi)2.3 m深, 每周以及在降雨第1天和第3天后測(cè)量土壤體積含水量變化．地下水位監(jiān)測(cè)井4 m深, 距花園2 m, 通過(guò)水位計(jì)每小時(shí)測(cè)量1次地下水位,視為花園地下的水位．

1.2 蓄滲雨水徑流計(jì)算

1.3 土壤及地下水補(bǔ)給水量

依據(jù)實(shí)測(cè)氣象參數(shù), 利用FAO Penman-Monteith公式計(jì)算雨水花園內(nèi)的日蒸發(fā)蒸騰量ET0=[0.408Δ(Rn-G)+900γμ2(es-ea)/(T+273)]/[Δ+γ(1+0.34μ2)], 式中Rn為冠層表面凈輻射, MJ·m-2·d-1;G是土壤熱通量, MJ·m-2·d-1;T為2 m高處空氣溫度, ℃;μ2為2 m高處的風(fēng)速, m·s-1;es,ea分別為飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓, kPa;Δ是飽和水汽壓-溫度曲線斜率, kPa·℃-1;γ是濕度計(jì)常數(shù), kPa·℃-1．

除了滲入非飽和區(qū)土壤以及蒸發(fā)蒸騰的水分, 其余入滲水量補(bǔ)給地下水, 補(bǔ)給水量Wh=Δh·(θs-θ0), 式中Δh為地下水位變化值, m;θs,θ0分別為單位體積土壤飽和含水量和初始含水量, cm3·cm-3．

2 結(jié)果與討論

2.1 代表性降雨

表1為降雨等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)．根據(jù)揚(yáng)州地區(qū)1955—2017年降雨資料統(tǒng)計(jì), 降雨比例由大到小的降雨類(lèi)型依次為中雨(28.97%)、大雨(24.03%)、暴雨(20.26%)、小雨(19.76%)和大暴雨(6.97%)．故本文重點(diǎn)討論中雨和大雨對(duì)雨水花園地下水的影響．在降雨監(jiān)測(cè)資料中,選擇如表2所示的5場(chǎng)代表性降雨過(guò)程進(jìn)行分析．監(jiān)測(cè)記錄表明, 雨水花園入流量隨著降雨量的增加而增加,單峰型降雨A的峰值雨強(qiáng)達(dá)到30 mm·h-1,雨水花園很快發(fā)生溢流,之后雨強(qiáng)降低,溢流漸停．多峰型降雨B的峰值雨量較大,但峰值間相隔一定時(shí)間,花園未發(fā)生溢流,入流水量全部下滲．多峰型降雨D的雨強(qiáng)峰值的時(shí)間間隔較小,但峰值雨強(qiáng)小于5 mm·h-1, 也未產(chǎn)生溢流．可見(jiàn),較分散的降雨過(guò)程有利于雨水花園蓄滲雨水．

表1 降雨等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

表2 監(jiān)測(cè)期內(nèi)代表性降雨過(guò)程特征

雨水花園的蓄滲作用首先使非飽和區(qū)土壤含水量增加,然后補(bǔ)給地下水．根據(jù)降雨前后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算花園入滲水量、單位面積土壤水增量、地下水補(bǔ)給量及蒸發(fā)量,結(jié)果見(jiàn)表3．須說(shuō)明的是, 在監(jiān)測(cè)期較短時(shí)間內(nèi), 周邊地下水徑流對(duì)地下水位的影響相比蓄滲作用的影響可以忽略．5場(chǎng)代表性降雨中,降雨A的地下水位埋深超出了監(jiān)測(cè)范圍,故無(wú)法計(jì)算地下水補(bǔ)給量．

2.2 降雨對(duì)非飽和土壤含水量影響

由表3可知, 降雨B過(guò)程中, 花園入滲水量達(dá)12.8 m3, 而降雨C的總?cè)肓髁績(jī)H為1.4 m3, 其對(duì)應(yīng)的雨后第1天土壤水增加量分別為208.4 mm和62.4 mm．入滲水量越多越有利于補(bǔ)充土壤水分缺失．對(duì)比降雨A和C可知,降雨C的入流量較小,但雨后第1天的土壤水增加量較高,這可能是因?yàn)榻涤闏的雨前土壤較干,入滲水分很快擴(kuò)散、被吸收．由表3還可知,土壤水增加量在雨后第3天,均有不同程度的減少,這主要是由于降雨初期雨水入滲增加了非飽和土壤層水分,而3天后隨著入滲的結(jié)束,園內(nèi)蒸發(fā)蒸騰作用造成土壤含水量減少．

表3 降雨結(jié)束后雨水花園水量變化計(jì)算結(jié)果

圖2為降雨ABCD過(guò)程中花園土壤剖面含水量的變化情況．由于降雨E發(fā)生時(shí),地下水位較高,非飽和土層厚度較?。式涤闑對(duì)非飽和區(qū)土壤含水量的影響不作分析．如圖2(a)所示, 從地表到埋深約0.8 m的土壤,其含水量在雨后第1天有所增加,從埋深0.8 m到地表以下2.3 m的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi),含水量曲線呈波浪形分布,降雨補(bǔ)給了非飽和區(qū)水量,但雨后第3天的含水量低于雨前水平,這是由于入滲水分很快通過(guò)蒸發(fā)蒸騰作用散失．圖2(b)顯示,在歷時(shí)較長(zhǎng)、雨量較大的降雨B之后,淺層土壤含水量增加,雨后第3天的淺層土壤含水量比雨后1天的值有所減小,但2.3 m深處的含水量逐漸增加,達(dá)雨前含水量的2.4倍．圖2(c)顯示降雨C之后,埋深1 m以上的含水量有所增加,但2.3 m深處土壤的含水量幾乎無(wú)變化．說(shuō)明歷時(shí)短、雨量小的降雨對(duì)較深的土壤含水量無(wú)影響．由圖2(d)可知,降雨D發(fā)生時(shí),土壤整體比較濕潤(rùn),2.3 m處土壤含水量達(dá)0.53 cm3·cm-3; 雨后集中入滲補(bǔ)給使表層土壤接近飽和,當(dāng)土壤含水量超過(guò)田間持水量時(shí),重力水向下運(yùn)動(dòng),埋深1.5 m以下的土壤含水量超過(guò)0.45 cm3·cm-3．可見(jiàn),雨水花園集中入滲后非飽和區(qū)土壤水分狀況受到土壤前期含水量、入滲水量、以及非飽和區(qū)土層深度等多方面的綜合影響．

2.3 雨水花園集中入滲補(bǔ)給地下水

根據(jù)表3可知, 降雨A,C對(duì)地下水無(wú)明顯影響．降雨B發(fā)生在降雨頻繁的梅雨季．降雨B雨后第1天, 從地表至埋深2.3 m的非飽和區(qū)土壤水的增加量(208.4 mm)是地下水補(bǔ)給量(28.6 mm)的7.3倍;雨后第3天,非飽和區(qū)土壤水增加量(152.3 mm)是地下水補(bǔ)給量(52.9 mm)的2.9倍．降雨B之后第3天,地下水位升高了0.57 m．降雨E之后第3天,地下水位抬升了0.4 m．雖然降雨B的雨量約為降雨E的14.9倍,但降雨E對(duì)應(yīng)的地下水位抬升幅度達(dá)降雨B的70%．造成此現(xiàn)象的主要原因是降雨B的雨前地下水位較低,非飽和土層深度較大,入滲水分被非飽和層土壤吸收,因此降雨E的入滲水量對(duì)地下水的補(bǔ)給較多．

圖3顯示了雨水花園監(jiān)測(cè)井記錄的地下水位隨時(shí)間變化的過(guò)程．自2018年7月1日起,地下水位整體呈逐漸上升趨勢(shì),受雨水花園集中入滲以及周邊地下水位變化的影響,自2018年7月至2019年3月監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水位抬升了2.5 m．中、小型降雨對(duì)花園內(nèi)非飽和區(qū)土壤水分有一定補(bǔ)給效果;大雨或暴雨的集中入滲可滿足非飽和土壤層的水分虧缺, 并對(duì)地下水有一定程度的補(bǔ)給．當(dāng)?shù)叵滤裆钌仙?.5 m以上時(shí),地下水位對(duì)中雨有變化響應(yīng), 且地下水變化對(duì)降雨入滲的響應(yīng)明顯滯后,特別是地下水位埋深較大時(shí),滯后現(xiàn)象更為明顯[12]．

3 結(jié)論

花園集中入滲雨水徑流實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,中小型降雨入滲雨水花園后僅增加了非飽和區(qū)土壤含水量,土壤濕潤(rùn)層深度約為1 m; 雨強(qiáng)大、歷時(shí)長(zhǎng)的降雨入滲后,埋深2.3 m處土壤含水量升高至雨前的2.4倍．土壤水的變化受雨前土壤水分、入滲水量、非飽和區(qū)土層深度等因素的綜合影響．地下水位變化對(duì)降雨入滲的響應(yīng)明顯滯后，特別是地下水位埋深較大時(shí)，滯后現(xiàn)象更為明顯.