地下水位和土壤類型對海綿城市建設(shè)的影響

馮 帆，馬 陽，馬 悅

(1. 艾奕康設(shè)計(jì)與咨詢有限公司，北京 100025；2.艾奕康設(shè)計(jì)與咨詢有限公司，香港 999077)

為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記講話及中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議精神，大力推進(jìn)建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，2014年10月，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部組織發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》(試行)[1]。

海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用。海綿城市建設(shè)的基本原則之一為“因地制宜”，即各地應(yīng)根據(jù)本地自然地理?xiàng)l件和水文地質(zhì)特點(diǎn)，科學(xué)規(guī)劃布局和選用下沉式綠地、植草溝、雨水濕地、透水鋪裝、多功能調(diào)蓄等低影響開發(fā)設(shè)施(low impact development, LID)及其組合系統(tǒng)。

通常，影響LID選型和設(shè)計(jì)的場地限制性因素包括土壤類型和滲透性、地下水位、匯水面積、地表坡度、場地高差、空間限制等。《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中提出，LID組合系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)遵循“組合系統(tǒng)中各設(shè)施的適用性應(yīng)符合場地土壤滲透性、地下水位、地形等特點(diǎn)。在土壤滲透性能差、地下水位高、地形較陡的地區(qū)，選用滲透設(shè)施時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的技術(shù)處理，防止塌陷、地下水污染等次生災(zāi)害的發(fā)生”的原則。本文對土壤下滲的概念、城市地下水位和土壤下滲率對LID選型和應(yīng)用影響的美國相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行介紹，并在此基礎(chǔ)上提出我國海綿城市建設(shè)過程中對于LID選型和設(shè)施組合應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮的因素。

1 土壤下滲和對地表徑流形成的影響

下滲(infiltration)是指雨水降落在土壤表面，從地表進(jìn)入土壤孔隙，被土壤吸收的自然過程，是降水、土壤水、地下水和地表水之間轉(zhuǎn)化及降雨產(chǎn)流過程的重要環(huán)節(jié)。土壤下滲率用于衡量土壤下滲速率或土壤滲透強(qiáng)度，是指單位時(shí)間內(nèi)地表單位面積土壤的下滲水量。影響土壤下滲率的因素通常包括降雨強(qiáng)度、地面植被覆蓋程度和植被種類、土壤物理特性、溫度和水質(zhì)等。土壤下滲率(f)與下滲過程有關(guān)，在初始下滲時(shí)為最大(f0)，隨時(shí)間而遞減，最終趨于穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定下滲率(fc)。霍頓公式[2]是最早用于描述下滲過程的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，如式(1)。

fp=fc+(f0-fc)e-kt

(1)

其中：fp——下滲開始后t時(shí)刻的下滲率，mm/h；

f0——初始下滲率，mm/h；

fc——穩(wěn)定下滲率，mm/h；

k——反映地表情況及土壤特性的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

t——下滲時(shí)間,h。

降雨時(shí)，土壤下滲率始于f0，亦為該土壤最大的下滲率，隨著時(shí)間的推移，下滲率呈指數(shù)趨勢逐漸降低直到穩(wěn)定在fc(圖1)。

圖1 霍頓下滲曲線[2]Fig.1 Horton Infiltration Curve[2]

實(shí)際降雨情況下，當(dāng)降雨強(qiáng)度(i)小于土壤下滲率(f)時(shí)，降至地表的雨水將全部被土壤吸收，從而不產(chǎn)生地表徑流,通過補(bǔ)充地下水、使地下水水位升高、增加地下水徑流量等形式對降雨進(jìn)行消納。當(dāng)i大于f時(shí)，地表將會(huì)形成由降雨強(qiáng)度超過土壤下滲率部分雨量(i-f)所產(chǎn)生的徑流。如果降雨歷時(shí)較長，致使地下水水位升高甚至接近地表，滲入地下的降雨形成了地下水徑流，其流速遠(yuǎn)低于地表徑流，以體現(xiàn)土壤滲透性能的飽和導(dǎo)水率為控制的達(dá)西流(Darcy’s flow)形式流動(dòng)。在平原、河網(wǎng)三角洲地區(qū)，由于地下水位普遍較高，水力梯度一般較小，當(dāng)降雨使地下水水位升高甚至接近地表時(shí)，土壤既沒有空間接受降雨，又不能以地下水徑流的形式將降雨由地下排走，此時(shí)，降雨將直接轉(zhuǎn)化成地表徑流。由此可見，土壤滲透性能及地下水位等對以土壤植被滲透為基礎(chǔ)的LID，在其對雨水管理應(yīng)用中的效率有著控制性的重大影響，如何考慮土壤滲透性能及地下水位是利用LID建設(shè)海綿城市的一個(gè)重要問題。下文將就美國一些大城市在應(yīng)用LID時(shí)，針對不同土壤類型及地下水位在LID設(shè)計(jì)中的具體定量規(guī)范要求做簡單介紹。

2 美國大城市LID選型

美國農(nóng)業(yè)部基于土壤的滲透性等水文特征，將土壤劃分為A、B、C、D 4個(gè)下滲能力依次減弱的水文土壤類型(HSGs)[3]，用于指導(dǎo)LID的規(guī)劃建設(shè)，劃分的依據(jù)是體現(xiàn)土壤下滲能力的飽和導(dǎo)水率(K)。表1為4種土壤類型及其組成性質(zhì)、飽和導(dǎo)水率和產(chǎn)流潛力的比較。

如表1所示，不同水文土壤組的土壤飽和導(dǎo)水率存在顯著差異，海綿城市建設(shè)中采用的大部分設(shè)施為滲濾類功能的LID，此類LID適用于土壤滲水性較強(qiáng)的場地(如A、B類型)，不適用于土壤滲水性較弱的場地(如C、D類型)。

表1 美國農(nóng)業(yè)部水文土壤組土壤性質(zhì)對比Tab.1 Comparison of Soil Characteristics of Hydrological Soil Groups， USDA

美國費(fèi)城是全美第一批全面推行綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(同國內(nèi)的海綿城市)的大都市之一。費(fèi)城的綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和設(shè)計(jì)手冊中將LID的各種形式按其功能歸納為3大類：滲濾類、調(diào)蓄/緩慢釋放類和不透水表面不連續(xù)類[4]。滲濾類LID的作用是將雨水滲濾到淺層地下，大部分的LID都屬于滲濾類，滲濾類設(shè)施的應(yīng)用取決于場地的地下水位及其f，表2為3種類型的LID的作用和選型考慮因素。

表2 美國費(fèi)城綠色基礎(chǔ)設(shè)施類型和選型考慮[4]Tab.2 Green Infrastructure Types and Considerations for Selection in Philadelphia, US[4]

在美國南卡羅來納州的沿海城市克萊姆森市，發(fā)現(xiàn)已實(shí)施的滲濾類LID，即具有滲濾功能的雨水花園和生物滯留系統(tǒng)，由于較高的地下水位和雨季頻繁降雨，這些系統(tǒng)在水文和生態(tài)屬性上逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈竦?，?dǎo)致其功能與最初預(yù)期不同[5]。因此，滲透型LID在高地下水位的場地并不適用。美國馬里蘭州普魯斯喬治縣的一個(gè)研究發(fā)現(xiàn)，雨水滲濾池在使用兩年之后發(fā)生了堵塞，雨水無法繼續(xù)滲濾到地下，經(jīng)核實(shí)，可能是場地f小于12.7 mm/h，在采用滲濾池之前未進(jìn)行場地f測試，或是施工不當(dāng)導(dǎo)致滲濾池下方的土壤壓實(shí)[6]。因此，f是另一個(gè)直接影響滲透型LID性能的關(guān)鍵因素。

基于此，美國各地出臺(tái)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)范中均有關(guān)于滲濾類綠色基礎(chǔ)設(shè)施底部高于地下水位一定距離的要求。如表3所示，美國費(fèi)城的設(shè)計(jì)規(guī)范中要求滲濾功能的綠色基礎(chǔ)設(shè)施的底部都應(yīng)高于地下水位至少0.61 m。而紐約州的設(shè)計(jì)規(guī)范中則規(guī)定透水路面鋪裝(不透水表面不連續(xù)類的綠色基礎(chǔ)設(shè)施)、滲透型綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)蓄設(shè)施底部距離季節(jié)性最高地下水位至少0.92 m，干塘等調(diào)蓄類綠色基礎(chǔ)設(shè)施底部需距離至少0.61 m[7]。馬里蘭州的設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定滲濾類綠色基礎(chǔ)設(shè)施的底部需距離季節(jié)性最高地下水位至少1.22 m，在州內(nèi)東部海岸地區(qū)的規(guī)范要求是至少0.61 m[8]。

表3 美國LID地方規(guī)范中關(guān)于地下水位和土壤滲水率的要求Tab.3 Local Requirements of Groundwater Table and Soil Infiltration Rate on LID Applications in US

在美國費(fèi)城，滲濾型的綠色基礎(chǔ)設(shè)施對土壤滲透性的要求是f不小于6.35 mm/h，而紐約州和馬里蘭州土壤滲透性的要求更高，f需不小于12.7 mm/h。紐約州的《雨水管理設(shè)計(jì)手冊》[7]指出，不透水表面不連續(xù)類的綠色基礎(chǔ)設(shè)施只適用于f較高的土壤(美國水文土壤組A和B)。手冊中指出，需要在設(shè)計(jì)前對地下水位和f進(jìn)行實(shí)測和評估，針對f較低的土壤，在某些情況下，可能需要通過犁地并埋設(shè)排水管，解除土壤壓實(shí)，進(jìn)行土壤改良和土壤復(fù)墾，改善土壤的下滲能力。

位于美國加州灣區(qū)的愛莫利維爾市(Emeryville City)存在地下水位高[9]的問題，城市地下水位距離地表1.52～2.54 m，但在一些位置，雨季地下水位可升高至距離地表0.61～1.22 m。該地區(qū)的土壤主要由沉積黏土和海灣泥等細(xì)質(zhì)土壤組成，土壤壓實(shí)度高，滲水性較差。加州設(shè)計(jì)規(guī)劃中要求使用滲濾類綠色基礎(chǔ)設(shè)施的場地f不小于12.7 mm/h，土壤中黏土含量不可超過30%或黏土和粉砂總含量不可超過40%，最高地下水位距離地表至少1.22 m[9]。愛莫利維爾市較高的地下水位，以及潛在的地下水污染問題，限制了滲濾型綠色基礎(chǔ)設(shè)施在全市范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用。為防止地下水污染，該城市的雨水設(shè)計(jì)指南建議所有的綠色基礎(chǔ)設(shè)施在底部回填清潔土壤或其他介質(zhì)，并埋設(shè)底部排水管連接到雨水排水系統(tǒng)。圖2是愛莫利維爾市雨水設(shè)計(jì)指南中推薦采用的一種位于地平面或可被升高至地表之上的雨水花園(生物滯留池)。

圖2 美國加州愛莫利維爾市應(yīng)用于高地下水位地區(qū)的一種雨水花園(生物滯留池)[9]Fig.2 A Type of Rain Garden (Bio-Retention) Applied in Emeryville City with High Groundwater Table in California， US[9]

美國紐約市自2010年推出《綠色基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃》以來，在全市的雨污合流制范圍內(nèi)已建成了占地共約2 km2的綠色基礎(chǔ)設(shè)施，包括大約4 000個(gè)雨水花園。紐約市環(huán)保局在人口密度較高的布朗克斯河社區(qū)建設(shè)了一種雨水花園，用來收集大約4 000 m2范圍硬地地表的雨水徑流，該雨水花園分布于淺層地表，底部鋪設(shè)了多孔式的雨水收集管，管道上方鋪設(shè)一層砂礫碎石層，碎石層上方鋪設(shè)一層滲透性較好的土壤，頂部種植植被。雨季時(shí)，雨水滲透過土壤層并滯留在碎石層，植被通過蒸散作用吸收大部分雨水，在大暴雨時(shí)，雨水管道排走了多余的雨水。該類型雨水花園受城市地下水位和f的限制較小，按雨水花園匯水面積計(jì)算，建成后每收集1英寸(25.4 mm)的降雨量相當(dāng)于收集了1.4萬m3的雨水。

3 對我國LID選型的建議

在我國，一些城市(如武漢市和上海市)具有較高的地下水位，上海市的地下水位距離地表0.5～1 m。LID為淺層工程，在高地下水位的情況下，底部容易接近甚至低于地下水位，對比美國紐約州和馬里蘭州關(guān)于LID底部高于地下水位的規(guī)范要求(表3)，這些城市較高的地下水位對海綿城市建設(shè)中一些類型的LID在市內(nèi)的廣泛應(yīng)用存在影響。建議在這些城市對滲濾類的LID進(jìn)行試點(diǎn)測試，評估其徑流控制和水質(zhì)凈化的效果。

在海綿城市建設(shè)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，需借鑒國際經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合場地實(shí)測地下水位。在地下水位較高(小于1 m)的場地，應(yīng)注意避免采用滲濾類LID，如下沉式綠地、生物滯留、濕地、雨水花園等，應(yīng)選用包括蓄水池、蓄水罐和綠色屋頂?shù)日{(diào)蓄和滯留功能的LID，或者對選用的滲濾類LID做相應(yīng)的處理，使用底部隔水層和排水管，將雨水從底部引流入下水道中，即將滲濾類LID改造為調(diào)蓄/緩慢釋放類LID。

美國費(fèi)城的滲濾類LID要求f不小于6.35 mm/h，而紐約州和馬里蘭州要求f需不小于12.7 mm/h。我國的大城市開發(fā)密集性強(qiáng)，土壤壓實(shí)度高，如上海市主城區(qū)的土壤類型是以黏壤土為主，f為5.4～18 mm/h。一些地區(qū)f低于國際規(guī)范要求，設(shè)計(jì)海綿設(shè)施之前需對場地的土壤類型和f進(jìn)行分析，結(jié)合上海市較高地下水位的特點(diǎn)，選用適用的海綿設(shè)施類型。如果場地f較低，可對LID底部進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造增加滲濾、采用引流設(shè)施或埋地式雨水調(diào)蓄設(shè)施，如在雨水花園和透水磚下增加埋地式蓄水池和相應(yīng)的水質(zhì)處理設(shè)施，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雨水收集回用。

4 結(jié)語

在更新版《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中，對一些滲濾類海綿設(shè)施的底部距離地下水位的間距提出了定量的規(guī)范，但并未涵蓋所有滲濾類的海綿設(shè)施，對于城市高地下水位地區(qū)，也并未提出具體的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，指南中對土壤類型和f尚未提出定量的要求。如表4所示，本文梳理了美國綠色基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)導(dǎo)則中滲濾類LID對地下水位和f的要求，借鑒美國經(jīng)驗(yàn)，提出了我國海綿城市設(shè)計(jì)導(dǎo)則中可采用的具體建議。

表4 滲濾類LID對地下水位和f的要求及推薦的工程措施Tab.4 Requirements of Groundwater Table and Soil Infiltration Rate on Percolation LID Applications and Recommended Engineering Measures

借鑒美國已實(shí)施或正在推行LID的一些大城市已制定出各自適用的規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的做法，我國各市和地區(qū)應(yīng)結(jié)合各自的土壤特性、地下水情況等特點(diǎn)，避免“一刀切”的模式，編制出臺(tái)各自的海綿城市建設(shè)技術(shù)指南。同時(shí)，由相關(guān)管理部門會(huì)同專業(yè)科研設(shè)計(jì)單位審核，制定出因地制宜的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，幫助各地區(qū)、各城市更合理有效地實(shí)施海綿城市建設(shè)。