朱木蘭，廖 杰，陳國元，王吉蘋，佘 年

(1.廈門理工學院水資源環(huán)境研究所，福建廈門 361024;2.美國西雅圖市政府公共事業(yè)局，西雅圖 98104)

伴隨著城市化發(fā)展，城市3 大水危機即“水多、水少、水臟”問題也日益加劇。“水多”主要是指由暴雨引起的內(nèi)澇。由于城市建成區(qū)不透水面積的大幅增加，原有的植物截留和蒸發(fā)、地面下滲作用大大降低，在相同降雨條件下，徑流系數(shù)增大、雨洪量增加，加重了城市排水和河道行洪負擔，造成汛期地面積水和局部洪災［1］?！八佟敝饕侵杆Y源的缺乏。城市化所伴隨的不透水路面的劇增導致雨水難于通過地面下滲補給地下水，寶貴的雨水形成徑流直接流入江河湖海，這不僅加劇了雨季時的洪澇災害，而且使河流因在旱季難于得到地下水補給而出現(xiàn)干枯。“水臟”主要是指水環(huán)境遭受污染。除了工業(yè)污染和生活污水造成的點源污染外，城市地表徑流所造成的面源污染也是主要污染源。上海中心城區(qū)道路路面徑流水質測試結果表明，路面徑流中TP 超出國家地表水Ⅴ類水質標準2 倍以上［2］?？梢哉f，在城市化進程日益加快的今天，如何控制城市內(nèi)澇、地下水補給不足以及雨水面源污染問題，已成了當務之急，它關系到我國城市今后的可持續(xù)發(fā)展。

1990 年代末期，歐美等國家開始發(fā)展起一種新型的城市雨水與面源污染控制策略——低影響開發(fā)(LID)策略［3］;即在開發(fā)中盡量減少對環(huán)境的破壞和影響。其基本思路是通過綜合采用滲透、過濾、蓄流和蒸發(fā)等方式來減少徑流排水量和截污，使開發(fā)地區(qū)盡量接近于開發(fā)前的自然水文循環(huán)。目前，基于LID 策略的技術措施各種各樣，主要有透水路面、綠色屋頂、生物滯留設施等。其中，生物滯留措施又具有各種各樣的形式，如雨水花園、植草洼地、植被過濾帶、生態(tài)草溝等。眾多研究成果表明這些LID技術措施在削減暴雨徑流量與面源污染上成效顯著［4-9］。

筆者提出了建設具有生物滯留設施功能的LID型城市道路綠化帶，以控制城市內(nèi)澇、地下水補給不足及雨水面源污染問題的新理念，并以廈門市天然紅壤土為典型代表，針對LID 型道路綠化帶中至關重要的土壤滲透性能開展改良研究。

廈門地處南亞熱帶季風氣候帶，屬亞熱帶海洋性氣候，四季溫和，全年平均氣溫為21℃左右［10］，其多年平均降雨量為1 388 mm，年季分布極不均勻［11］，雨水豐富卻又十分缺水，被水利部列為全國重點缺水城市之一，因此具有采用LID 技術措施充分利用雨水資源的可行性與必要性。其本地天然土壤為紅壤土，是福建省主要的土壤類型。紅壤對磷素的吸附性能很好，可達到0.73 mg/g［12］，最高能達到1.61 mg/g［13］，適宜用來控制雨水面源污染物質。因此，本研究選取廈門本地天然紅壤土作為LID 型道路綠化帶土壤的典型代表開展?jié)B透性能的改良研究，并結合粒徑分析和相關文獻資料，提出人工改良土壤其主要成分砂粒的含量以供土壤滲透性能改良時參考。

1 LID 型道路綠化帶

城市道路綠化帶是城市中少有的未硬化地面，但傳統(tǒng)的道路綠化帶高于路面，路面上的雨水徑流無法匯入綠化帶并下滲補給地下水，只能依靠城市排水管網(wǎng)排入江河湖海，這不僅加劇了雨季時受納水體的行洪壓力，而且使河流在旱季因難于得到地下水補給而出現(xiàn)干枯。LID 型道路綠化帶與傳統(tǒng)道路綠化帶相比所具有的優(yōu)勢是:LID 型道路綠化帶通過降低綠化帶高程和改良綠化帶土壤的滲透性能，使得地表徑流容易匯集到綠化帶并下滲補給地下水。此外，地表徑流經(jīng)過綠化帶中的植物層、土壤層和砂濾層的滲透過濾、植物吸收、土壤吸附、微生物吸收分解等作用，雨水面源污染得到以削減。LID 型道路綠化帶其結構可借鑒國外已成功應用的雨水花園的做法［14-15］，其平面示意圖如圖1 所示，在與道路接壤處開辟路邊槽以利于路面雨水徑流匯入，設置植被過濾帶對雨水進行初步過濾，同時設置溢流口以預防多年一遇的特大暴風雨所造成的蓄水層飽和現(xiàn)象。由于溢流口存在被枯枝落葉等阻塞的問題，因此，溢流口需要進行定期的維護管理。

圖1 LID 型道路綠化帶平面結構示意圖

此外，LID 型道路綠化帶的垂向結構見圖2，其地面高程比周邊路面低10 ～30 cm，自上而下由蓄水層(0.10 ～0.25 m)、覆蓋層(0.50 ～0.80 m)、人工改良土壤層(0.50 ～1.20 m)、砂層(0.15 ～0.20 m)和砂礫層(0.20 ～0.50 m)組成［16-17］，并在下端設置排水系統(tǒng)，將來不及下滲的多余水分排泄出去，以保證地基的穩(wěn)定性。其中，覆蓋層可采用稻草、樹皮進行覆蓋，以保持土壤的濕度，避免表層土壤板結而造成滲透性能降低，并有助于減少徑流雨水的侵蝕。

圖2 LID 型道路綠化帶垂向結構示意圖

2 土壤滲透性能的改良

土壤是LID 型道路綠化帶的關鍵組成部分，需同時滿足如下要求:①具有較好的過濾與吸附作用從而有利于削減雨水面源污染;②既宜于植物生長，又具有較大的滲透性能，從而有利于雨水下滲，削減暴雨徑流量。但本地天然土壤往往難于同時滿足這些要求，需進行人工改良。

廈門天然土壤為紅壤土，具有對磷素良好的吸附性能，適宜用來控制雨水面源污染物質。因此，本研究選取廈門本地天然紅壤土作為LID 型道路綠化帶土壤的典型代表開展?jié)B透性能的改良研究。

紅壤土雖然對磷素的吸附性能很好，但滲透性能卻較差，不利于雨水下滲。為了明確廈門本地天然紅壤土的滲透能力，采用實驗室測定方法對本地天然紅壤土的飽和滲透系數(shù)進行測定，測定儀器為日本DIK-4012 型號的飽和土壤入滲儀，測定方法為變水頭法。結果表明廈門本地天然紅壤土的滲透系數(shù)為1.631 ×10-4cm/s。而LID 型城市道路綠化帶從削減暴雨徑流量的功能需要出發(fā)，其人工改良土壤層需有較高的滲透系數(shù);同時由于綠化帶種植植物的需要，作為種植土層的人工改良土壤其滲透系數(shù)亦不能太大，否則土壤持不住水分，植物無法生長。因此，有必要探討分析人工改良土壤滲透系數(shù)的適宜范圍。

調(diào)研與試驗表明，生物滯留這項LID 技術措施中其土壤滲透系數(shù)不能太大，否則保水能力差，澆水頻率高，費水，其滲透系數(shù)最好在0.001 cm/s 左右。但土壤滲透系數(shù)亦不宜太小，否則，蓄水層中的積水不能及時下滲入土，積水時間久了，容易滋生蚊蟲。本文作者佘年在美國所參與研發(fā)的自然排水系統(tǒng)(獲得2004 年哈佛大學商學院金獎)，發(fā)現(xiàn)對土壤滲透性能的要求是保證暴雨期間積蓄在蓄水層中的水能在雨后24 h 內(nèi)下滲完畢，LID 型道路綠化帶的設計可參照此設計標準。為了兼顧綠化帶的景觀性與蓄水功能，蓄水層不宜太深或太淺，一般生物滯留設施比路面下沉10 ～30 cm。為了保證雨后滯留在LID 型道路綠化帶蓄水層中30 cm 厚的積水能在24 h 內(nèi)全部入滲土壤，雨后含水率呈飽和狀態(tài)的土壤其下滲強度即穩(wěn)定下滲率不能低于30 cm/d(即3.47 ×10-4cm/s)，而穩(wěn)定下滲率與土壤飽和滲透系數(shù)兩者的關系可由達西定律表示為

式中:i 為表土處的下滲強度，m/s;K(θ)為土壤滲透系數(shù)，m/s;θ 為表層土壤水體積分數(shù)，m3/m3;J 為水力坡降。

降雨初期，土壤遠未飽和，水力坡降J 遠大于1，因而下滲強度i 大，隨著下滲雨水的增多，土壤含水率θ 逐漸增大，當土壤達到飽和時，θ→θs(土壤飽和含水率)，則水力坡降J≈1，這時下滲強度也就是穩(wěn)定下滲率接近于土壤的滲透系數(shù)［18］?？梢姡瑸榱吮ＷC蓄水層中30 cm 厚的積水能在24 h 內(nèi)下滲完畢，土壤的滲透系數(shù)不能低于3.47 ×10-4cm/s。綜上所述，人工改良土壤其飽和滲透系數(shù)Ks的適宜范圍為:3.47 ×10-4cm/s≤Ks≤0.001 cm/s。而廈門本地天然紅壤土的飽和滲透系數(shù)比該適宜范圍的下限值小了2 倍以上。為了改善廈門本地天然紅壤土的滲透性，本研究通過在紅壤土中不同程度地加入砂子，配制出6 種不同砂土百分率的人工改良土壤，并采用實驗室測定方法測定比較不同組合方案的土壤飽和滲透系數(shù)，每種組合方案均準備了2 個樣品進行測定并取均值以降低隨機誤差。由于改良土壤時加入砂子，土壤呈砂質化，為了確保LID 型道路綠化帶中植物生長所需的營養(yǎng)物質，在改良土壤時加入了質量分數(shù)為5%的腐殖土。

6 種人工改良土壤組合方案其紅壤土、砂子、腐殖土各自所占的質量分數(shù)，以及不同組合方案所對應的滲透系數(shù)如表1 所示。所加入的砂子粒徑分析結果表明砂粒粒徑范圍為0.08 ～2.00 mm。

從表1 可知，具備適宜的滲透系數(shù)的人工改良土壤組合方案序號是3、4、5。即，本地天然土壤(紅壤土)可通過加入15% ～35%的砂子、5%的腐殖土來改良成LID 城市道路中所需的人工改良土壤。

表1 6 種人工改良土壤組合方案與所對應的滲透系數(shù)

由于各地土壤組分各不相同，為了使上述科研成果具有通用的參考與指導作用，筆者進一步對廈門本地天然紅壤土進行了粒徑分析。采用Mastersizer 2000 激光粒度儀進行3 次分析，并取3次的平均值作為結果。結果表明:該紅壤土中黏粒(小于0.002 mm)占2.44%，粉砂(0.002 ～0.050 mm)占41.45%，砂粒(0.05 ～2.00 mm)占56.11%。根據(jù)美國制土壤質地分類三角表可知，該天然紅壤土屬于砂質壤土。而具有適宜滲透系數(shù)的人工改良土壤是在廈門本地天然紅壤土中加入了質量分數(shù)為15% ～35%的砂子，5%的腐殖土。據(jù)此，可分析計算出具有適宜滲透系數(shù)的人工改良土壤其砂粒質量分數(shù)在60%以上，文獻［17］指出，雨水花園這項生物滯留設施其土壤應選用滲透系數(shù)較大的砂質土壤，其主要成分砂子質量分數(shù)為60% ～85%。可見，本研究結果與相關文獻均表明，具有適宜滲透系數(shù)的人工改良土壤其土壤主要成分砂粒的質量分數(shù)在60%以上。

3 結 語

提出了構建高程低于路面的LID 型道路綠化帶以控制城市內(nèi)澇、地下水補給不足和雨水面源污染問題的新策略，并選取對磷素具有良好吸附性能的廈門本地天然紅壤土作為代表，開展?jié)B透性能的改良研究。結果表明，廈門本地天然紅壤土滲透系數(shù)太小，僅為1.631 ×10-4cm/s，不適宜作為LID 型道路綠化帶中的土壤，可通過加入質量分數(shù)為15% ～35%的砂子及5%的腐殖土進行改良，從而獲得具有適宜滲透系數(shù)的人工改良土壤。此外，分析計算與相關文獻均表明，具有適宜滲透系數(shù)的人工改良土壤其土壤主要成分砂粒的質量分數(shù)在60%以上，該砂粒質量分數(shù)可作為土壤滲透性能改良時的參考依據(jù)。

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