（环境工程专业论文）上海城市景观绿地削减地表径流及其污染负荷的可行性研究.pdf

摘要 摘要 城市非点源污染已成为我国城市水体水质恶化的主要原因。利用城市绿地 对城市雨水径流进行蓄渗和净化是控制城市非点源污染的一种简单有效的技 术。为考察下凹式绿地在上海地区应用的可行性，本文在调查上海不同功能区 城市绿地土壤入渗性能及其影响因素的基础上，根据上海地区近2 0 年的降雨资 料，应用概率分析方法评价了下凹式绿地对雨水径流的长期蓄渗效率。通过现 场采样分析了上海公路雨水径流的污染特征，以上海市公路雨水径流为处理对 象，进行雨水渗滤土柱试验，初步研究了利用以世博园区原状土配制人工土渗 滤层用作下凹式绿地工作层的可行性。在此基础上，构建了不同基质以及不同 结构的模拟绿地渗滤装置，系统研究了相关装置对雨水径流的长期净化效果， 并对雨水径流污染物在绿地渗滤系统中的环境行为及净化机制进行了探讨。 上海市绿地土壤入渗特性及影响因素分析结果表明：城市绿地土壤由于 受人为活动和外来侵入体的影响，土壤物理性质发生了显著的改变，入渗率的 变异非常大，大部分绿地土壤的入渗率偏低。研究区域内稳定入渗率属于慢和 较慢的比例高达5 0 ，较快的稳定入渗率只占l1 9 ，低于较快入渗率的比例 高达81o 乞。上海城市绿地土壤类型主要为粘壤土、砂质粘壤土以及壤质粘土 三种类型，由于城市绿地土壤特性受人为因素影响较大，土壤质地不是造成绿 地土壤入渗速率显著差异的主要因素。绿地土壤的容重、通气孔隙度以及绿 地土壤剖面形态特征是影响绿地入渗性能差异的主要因素。世博园区原状土 壤入渗速率低，不利于下凹式绿地的应用，需采取相应的土壤改良措施以提高 土壤的渗透性能。 上海市利用下凹式绿地消纳径流的概率计算及应用分析结果表明：在土壤 入渗性能较差的上海地区，下凹式绿地对雨水径流仍有明显的长期削减效果。 对于新建绿地，在土壤入渗速率为3 1 0 击m m $ 、在绿地下凹深度为5 0 m m 、绿化 面积比为3 0 ( 即绿埘硬化面积比为3 7 ) 的情况下，雨水径流量的长期削减效 率可超过9 0 。针对上海世博园区低土壤入渗速率、高地下水位的特点，改 良绿地土壤，采用“低绿地+ 下排水系统”和“低绿地+ 建筑废弃物储渗层”两种绿 地结构，可有效地解决下凹式绿地的在上海世博园区适用性的问题。 上海市内环高架道路雨水径流污染特征研究结果表明：公路径流中c o d 。， 摘要 和悬浮固体的污染相当严重，明显高于国外发达国家的调查结果。径流中溶 解态氮、溶解态锌、溶解态铜和颗粒态磷、颗粒态铅是污染物输出的主要形态。 径流主要传输粒径小于2 5 0 1 t m 的颗粒物，特别是粒径 1 0 0 0h m 2 ) 、子流域( 面积为1 0 0 - - 10 0 0h m 2 ) 和领域( 面积为1 0 - - 1 0 0h m 2 ) - - 麴c 水面进行的对比研究表明，领域需要的湿地面积最大为总汇水面积的2 3 1 0 8 ；子流域的湿地面积为总汇水面积的0 2 - - - , 4 5 ；流域的湿地仅需总汇 水面积的0 1 2 5 。尹炜等f 47 j 以武汉市桃花岛塘和复合潜流人工湿地组合生 态处理系统为研究对象，考察了对城市地表径流的处理效果。结果表明，塘和 复合潜流人工湿地组合生态系统可以有效净化城市地表径流，其中复合潜流人 工湿地对c o d 、t p 、t n 、s s 的去除率分别为6 9 0 - 7 3 1 、8 2 6 - 8 6 6 、 8 9 0 - - 9 0 4 、6 4 7 - 6 9 2 ，除氮效果独特。 由于暴雨径流具有突发性，其水质和水量的变化较剧烈，因此采用人工湿 地处理暴雨径流时，必须针对暴雨径流的特点进行合理设计【4 8 4 9 1 。暴雨湿地选种 的植物应耐冲击，且能适应长期干旱或浸泡的环境。设计湿地时，应注意系统 内植物的布局和类型构成，充分发挥生态系统内的物质流动特性效用。植物对 湿地的水力状况也会产生影响，一般情况下长宽比是湿地水力状况的决定因素， 但不合理的湿地植物设计也会降低水力效率。当水生植物生长茂密时，水流发 生短路，此时湿地的水力状况不再受长宽比的影响【5 叭。 人工湿地不仅具有蓄洪、削减洪峰流量和流速、减少冲蚀等作用，而且能 适应非点源污染的不稳定特性及径流量、污染量因水文条件而异等难确定因素。 选择合适的植物品种还有美化环境的作用，生态环境效益显著，是控制城市非 点源污染的重要工程技术之一。缺点是占地面积大。 ( 6 ) 城市绿地 根据绿地表面与周围地面高程关系，可将绿地分为上凸式、平式和下凹式 三种。上凸式绿地高于地面，具有较好的城市景观功能。但不利于雨水径流的 收集和排除，降雨后雨水顺着地势直接排出绿地，通过周边道路的汇集进入城 市雨水管网或者直接进入城市自然水体，绿地入渗和蓄积雨水的数量有限。平 式绿地可以收集自身面积的雨水，而不能收集周围面积汇集的雨水径流，在降 雨强度较大时易产生径流外溢。下凹式绿地低于周围地面高程，不但可以汇集 自身面积上的降雨，还可以收集周围面积产生的雨水径流，具有较好的消减雨 第1 章绪论 水径流的效果。三种绿地类型见图1 2 。 上凹式绿地平式绿地 下凹式绿地 图1 2 绿地类型 下凹式绿地竖向设计格局为：建筑及路面等硬化面处于最高位置，绿地处 于最低位置，排水系统( 雨水口) 设置于绿地中并高于绿地，但是低于硬化面。 集雨流动方向为单向流动，即建筑屋面的雨水径流先到达硬化地面进入绿地或 直接到达绿地被接纳，经绿地渗透、截留、集蓄至一定高度后，超量的雨水再 经排水口进入排水系统。下凹式绿地结构示意见图1 3 。 图i 3 卜凹式绿地结构示意图 作为源头控制措施的一种，下凹式绿地有较好的强化雨水下渗作用。根据 国外的工程经验，在地下水位高、土壤渗透性能欠佳、土地紧缺的上海地区， 下凹式绿地相对渗透井等工程性设施，是雨水下渗设施中可行性较好的一种。 下凹式绿地的标高低于路面，应用下凹式绿地一方面既可以削减洪峰流量、减 轻洪涝灾害，又能增加地下水的入渗补给；另一方面雨水流经绿地过程中，经 渗透、沉淀、截留作用，径流中污染物也得到部分去除，减轻了城区面源污染， 因而下凹式绿地具有滞留利用雨水与控制城区污染负荷的双重作用，成为具有 高效自净能力的城市生态系统。 1 2 2 城市雨水径流源头控制工程性措施的选择 ( 1 ) 工程性措施的选择原则 污染物的去除。所采用的控制措施对目标污染物必须能够达到期望的去 除效率。常见的b m p s 去除污染物能力的比较见表1 3 。 占地面积。由于城市土地资源紧缺，必须考虑处理措施的占地面积，而一 1 2 第1 章绪论 些占地面积较大的地面工程性措施往往会受到限制。 服务面积。每种工程性措施均有一定的服务范围，所选用的措施必须能够 服务于整个相关排水区域，对于较大的排水区域在执行控制措施时应当进行分 割。 土壤特性。不同的工程性措施对土壤有不同的要求。渗透设施一般适用 于透水性的土壤，而滞留设施一般适用于不透水性土壤，在执行过程中必须熟悉 应用区域的土壤条件。 地下水位。排水区域的地下水位对工程性措施的应用有较大的影响。一 般来说较高的地下水位会限制渗透和过滤设施的使用，而人工湿地等措施则需 要较高的地下水位。 可行性。所选用的控制措施必须在技术和经济上可行。 表1 3 工程性b m p s 去除污染物能力的比较 5 1 - 5 3 1 ( 2 ) 工程性措施在我国的应用分析。 我国大部分城市经济条件比较落后，在降雨径流污染控制方面的投资较少。 修建大量的雨水调节池，截留、处理合流制和分流制管系的雨水，雨停后再排 入污水处理厂或城市水体，虽然可以达到目的，但是雨水调节池占地面积较大， 修建地下调蓄池成本高，不符合我国的经济条件；而且我国降雨量分布不均匀， 雨水大多集中在夏季，雨水调节池不能得到充分有效的利用。因此，造价昂贵 和管理费用高的一些集中式工程措施在我国并不能得到广泛的使用。必须考虑 1 3 第1 章绪论 借助于其它的生态化工程措施，从源头上就地分散处理和削弱部分径流，减少 城市降雨带来的区域性洪涝灾害和后续处理设施的负荷。 1 3 绿地蓄渗措施的应用分析及研究进展 强化雨水入渗的措施之一下凹式绿地在美国、欧洲、日本等国家都得 到了广泛应用。欧美等发达国家非常重视雨水径流污染的源头控制，所制定的 政策都深深地渗透着雨水源头控制的理念。近数十年来，它们对绿地蓄渗设施 的水量调控能力、适用条件及其对污染物去除效果等进行了大量的研究，已形 成部分技术规范。 美国是雨水生态化利用的最好的国家之一。在美国的许多大城市，雨水入 渗设施在雨水管理系统中是必须设置的。其主要目的是提高雨水的天然入渗能 力、防止和削减径流污染物进入受纳水体。7 0 年代初，美国诞生了第一部关于 雨水滞留利用的法案，规定了面积超过5 英亩的新开发区的暴雨洪峰流量不能 超过开发前的水平，所有新开发区必须实行强制的“就地滞洪蓄水 1 5 4 1 。相关 雨水入渗设施主要包括渗透性排水系统、渗透池、砂滤器和干井等。渗透排水 系统主要用来过滤来自房顶和铺砌地区的雨水径流。房顶排水沟接入多孔管， 将雨水径流排放到砂砾回填的地下渗滤池。渗透池用来控制雨水径流的水质水 量，一般设计成深度较浅且具有较大的表面积。在地势较低的地区，砂滤器或 排水井的设置可以增加渗入量，雨水径流流经颗粒状材料和纤维织物填充的排 水井或砂滤器，水质得到明显的改善。到上世纪9 0 年代，雨洪绿地蓄渗技术开 始得到广泛应用并日趋成熟，形成了特定的不同绿地蓄渗排放设施的设计标准 和操作规范。其中应用最成功的就是植被渗透床和植草渗透沟【5 引。植被渗透床 本质上是属于下凹式绿地的一种，常常建在草木和灌木包围的建筑物或商业区。 径流从房顶和停车场流到绿地，下渗床的积水深度不超过1 5 一- , 2 3 c m 。植草渗透 沟也是下渗设施的一种。渗透沟宽大约0 9 - 3 0 m ，填装碎石形成一个地下滤污 器。通过降低周围地面，将雨水径流收集。建造植草渗沟可以截取来自铺砌面 积小于l o 英亩地区的雨水径流，为了加强渗透性能，往往在沟渠上建造一系列 的拦砂坝来促进下渗。到2 0 0 3 年，美国制定了更为严格的第二代b m p s 管理体 系，对城市雨水污染控制的法令和技术更加完善，该措施更强调与植物、绿地、 水体等自然条件和景观结合的生态设计，以获得环境、生态、景观等多重效益。 1 4 第1 章绪论 几十年应用结果表明，作为土地利用规划的一部分，这些措施在美国实施的极 为成功，流域水质得到了明显的改善【5 倒。通过采用绿地源头控制和局部滞留的 方法来延缓地表径流，增加雨水的下渗、恢复自然的水循环系统，并与城市景 观规划、设计等紧密结合，成为创造资源节约和可持续的人居环境的有效途径。 在德国雨水生态化利用的理念也得到了广泛的应用。目前德国流行的m r 系统( m u d e n r i g o l e n s y s t e m ，“植草洼地渗渠系统 ) 是该理念的良好体现，该 系统包括各个就地设置的植草洼地、渗渠等组成部分，这些部分与穿孔的排水 管道连接，形成一个分散的雨水处理系统，设在雨水径流形成的“源头，如靠 近屋面、停车场、道路等地方，通过雨水在低洼草地中短期储存和在渗渠中的 长期储存，保证尽可能多的雨水得以下渗，从而实现“径流零增长的目标 l 卯j 。 该系统不仅可以运用在新开发区，还可以作为已建成城市丌发区的一个改良措 施，所以其在城市化建设以及旧城改造过程中，可以发挥良好的作用。k r o n s b e r g 居民小区是另一个绿地蓄渗雨水的成功范例1 5 引。雨水通过绿地和长约l1 k m 的 路边洼地渗滤系统下渗，地下水位得到保持，整个区域的径流量为1 9 m m a ，几 乎接近未开发前自然状态的1 4 m m a ，而若是传统的居民区的径流量则高达 1 6 5 m m a 。同时，k r o n s b e r g 项目也是工程措施与景观设计相结合的成功实践。 绿地的设计在关注雨水蓄渗的同时也关注了对构造城市风景的作用，在设计中 根据当地土壤、地形和不同的降雨量将雨水利用工程措施与生态设计相结合， 形成了独具特色的雨水滞滤沟、坡地雨水绿地、敞开的绿地雨水滞渗区和音响 雨水滞留沟等生态景观，创造了良好的生态环境及高质量的开放空间。 日本有关部门曾对东京附近2 0 个主要降雨区2 2 万m ? 区域长达5 年的观测 和调查结果表明，雨水经过绿地贮留蓄渗后，月平均降雨量6 9 3 m m 的地区，其 平均流出量由原来的3 7 5 9 m m 降低到5 4 8 m m ，流出率由5 1 降低到5 4 1 5 9 1 。 近年来，在我国北方城市开始重视雨水的蓄渗利用及城市面源污染控制方面的 研究。北京唧j 已把城市雨洪利用纳入到城区的生态小区的建设中，通过屋顶花 园到高花坛、低绿地、浅沟渗渠渗透的模式来控制和利用城市雨洪，取得了良 好的效果。清华大学水利系曾作过一个草坪蓄纳汛雨回补试验，检验低草坪消 纳暴雨的能力。试验进行了高、中、低3 种不同标高布置类型，其中高草坪高 出路面0 5 m ，中草坪与路面齐平，低草坪低于路面0 1 o 2 m ，土质为中壤土。 在1 9 9 0 、1 9 9 1 两年观测期内，共降水5 9 次，1 9 9 0 年7 - 9 月降水量为4 4 3 m m ， 1 9 9 1 年5 8 月为4 9 3 7 m m 。中草坪全部拦蓄降雨：高草坪在降水中产流外泄量 1 5 第1 章绪论 占降雨的5 6 1 1 1 ，两年外泄雨量8 0 - l o o m m ；低草坪除拦蓄本区降雨外，还 容蓄了高草坪外泄的水量。北京市水利局也于1 9 9 0 1 9 9 1 年做了绿地高度对入 渗量的影响试验，结果表明若绿地标高低于周围路面，其入渗量是高于路面时 的3 - - 4 倍。下凹绿地如果深度为l o c m ，则一年一遇的暴雨径流可1 0 0 被拦蓄 在绿地内，对两年一遇的暴雨也可以拦蓄8 1 。下凹绿地( 5 0 - l o o m m ) 每年 仅有2 - 3 次暴雨产生溢流，绝大部分雨水径流被蓄渗在绿地中，蓄渗效果极为 明显。 下凹式绿地在上述地区取得的成功并不说明它天然就适用于所有的地区， 它的运行效率很大程度上依赖于当地的土壤条件和气候特征状况，对其在上海 市的应用可行性还需进行具体分析。 1 4 绿地渗滤技术在上海应用面i | 缶的问题及研究方向 在国外，利用绿地蓄渗雨水径流已有几十年的历史。目前欧美等国家从绿 地的规划、设计到应用，不但形成了完善的技术体系，而且制定了配套的法规 和管理规定，然而，与发达国家相比，我国的城市绿地雨水集蓄利用，无论在 研究还是在工程经验方面均存在明显差距，还处在探索阶段。本文研究的内容 是课题“世博科技专项”“世博园区雨水收集利用关键技术研究 中的重要部分。 上海拟在世博园区利用绿地削减雨水径流，但是，工程设计明显缺少基础数据 与研究工作的支撑。开展扎实的基础研究，是有效推进该技术在上海市及南方 丰水地区城市应用的前提条件。为保证绿地削减径流的稳定性以及去除污染物 的高效性，需结合上海自身的具体情况开展绿地蓄渗雨洪的研究和应用。 1 6 第2 章课题研究背景、意义和内容 第2 章课题研究背景、意义和内容 2 1 课题研究的背景 我国城市排水设施普遍陈旧、老化，排水能力不足。降雨产生的径流量的 增大，汇流时间的缩短，加大了排水系统的负担。许多城市雨季水涝现象严重； 一些城区雨后积水时间长达数小时，对城市的生产与生活造成极大的影响，并 带来巨大的经济损失。同时城区雨水的污染也非常严重，被污染的大气、地面 和屋面都会使大量的污染物进入雨水径流中，对城市的生态环境造成破坏。此 外，由于城区不透水面积的增加而导致新增大量雨水径流，增大了排水管系中 途泵站和污水处理厂的负荷，增加了运行能耗和处理成本。 2 0 世纪7 0 年代以来，国际上对雨水径流处理、处置和管理的理念发生了显 著地变化，将防洪、环境保护、城市生态等统筹考虑的雨水综合管理思想在国 外得到广泛实践，雨水径流的蓄渗、缓排、利用等“生态排水方式已成为雨 水管理的重要内容。 上海作为一个现代化的国际大都市，排水系统建设水平位列国内领先水平， 然而，上海市的雨水管理却存在诸多弊端。一方面，对上海而言，雨水仍以直 接排放为主。雨水收集、利用的相关工作开展较少，且措施手段单一，仅局限 于排水管网建设等工程性措施。不仅如此，上海市雨水排水系统的设计标准较 低，目前仍有1 9 个系统低于1 年一遇标准。虽然本市大部分建成区雨水系统的 设计重现期基本达到了1 年一遇，但与国内外众多大城市的排水标准相比，现 有雨水排水标准仍然偏低，洪涝灾害频发。另一方面，随着污水截流处理比例 的不断提高，城市非点源污染已成为上海城区水体污染的主要原因。虽然2 0 0 5 年苏州河干流水体己基本消除黑臭，但水质仍不能稳定达到其水环境功能要求。 到目前为止，上海中心城区地表水环境污染依然十分严重，n 、p 等污染物的浓 度居高不下，市区河道普遍为劣于v 类和劣v 类，8 0 以上河道仍达不到水功 能区划功能要求的水质目标。这种状况与上海市建设生态型城市极不相称，亟 需改善。近年来，国际雨水资源处理、处置和管理的理念发生了显著的变化， 雨水渗透、缓排、利用等已成为城市雨水管理的重要内容，许多发达国家已歼 1 7 第2 章课题研究背景、意义和内容 始致力于雨水利用的研究和开发，通过雨水的源头控制等多种措施实行“生态 排水 ，使雨水径流尽可能地进入自然水资源循环，尽量减少进入城市排水系统 的雨水量，促进雨水的生态化利用，减轻城市洪涝灾害、降低城市管网的建设 和运行费用、减轻城市水环境非点源的污染。 将防洪和绿地雨水利用、滞蓄相结合无疑是上海城市化发展过程中利用水 资源，减轻城市防洪负担的有效路径。2 0 1 0 年上海将举办举世瞩目的世界博览 会，这为上海的城市绿地的规划、建设迎来了新的发展机遇。届时，上海市中 心城区人均公共绿地面积将达1 3m 2 ，绿化覆盖率3 8 。大量的城市绿地的建设 为城市雨水径流的蓄渗创造了条件。在此契机下，本文结合上海市科学技术委 员会世博科技专项“世博园区雨水收集利用关键技术研究”开展研究工作，提 出将防洪和雨水利用、绿地雨水蓄渗相结合，在源头处理上削减部分雨水径流， 以达到缓解排涝压力、控制径流污染和实现雨水资源的就地循环利用的多重目 标，这不仅是“生态世博的建设内容，也是上海市环境保护与生态建设的实 际需要。 2 2 课题研究的意义 城市雨水径流水质与水量问题一直是城市雨水管理关注的两大主要的内 容。在我国，由于长期以来水环境保护的重点一直放在点源污染控制上，对非 点源污染的研究起步较晚，在雨水径流生态化利用方面的研究开展得相对较少， 系统研究更是缺乏。与发达国家相比，目前我国的雨水生态化利用还处于探索 阶段，无论在研究水平还是在工程经验方面均存在明显差距。目前只在局部地 区有少量偏重具体工程问题的初步研究，明显缺乏理论深度与系统性、没有形 成标准或规程、更缺少法规保障体系。而国内的工程实践急需技术与理论的指 导。国外虽已取得了不少研究成果，但由于国内外在地理环境、气候条件、土 壤渗透性能、地下水位以及城市面源污染特征等方面存在的差异，适用于我国 的绿地雨水蓄渗技术也有所不同，国外的研究成果对我国的应用只能作为参考。 本课题研究在地下水位高、土壤入渗性能低的上海利用城市绿地蓄渗雨水径流， 探索适合我国国情、符合城市景观要求、兼具生态效应的绿地蓄渗技术，符合 “绿色世博、生态世博”的办博理念，体现了“城市，让生活更美好 的世博 会主题，具有重要的经济、环境与生态效益。研究结果不仅能够为上海实施径 1 8 第2 章课题研究背景、意义和内容 流源头控制提供技术支持，而且还能够丰富我国在本研究领域的数据资料和理 论成果，具有重要的理论意义和实际应用价值。 2 3 论文研究的内容与方法 本文在调查上海市不同功能区绿地土壤入渗性能的基础上，对上海市利用 下凹式绿地削减雨水径流的可行性进行评估，并通过构建不同类型以及不同渗 滤介质的模拟绿地，考察绿地对公路雨水径流的净化效果、作用机制以及径流 经绿地渗滤后出水对地下水水质的影响，主要包括以下内容： ( 1 ) 现场调查上海市不同功能区的绿地土壤特征和入渗性能，探讨影响绿 地入渗性能的因素。 ( 2 ) 根据己获得的上海市绿地土壤的入渗性能，结合上海市降雨特性，提 出一种适用于规划层面的评价下凹式绿地雨水径流截留效率的概率分析方法， 据此，研究高地下水位、低入渗速率条件下下凹式绿地的合理的设计形式及参 数。 ( 3 ) 调查上海市公路雨水径流中主要污染物的赋存状态及其在颗粒物上的 分布特征，为绿地蓄渗雨水径流提供水质参数依据。 ( 4 ) 通过掺加不同类型的土壤改良材料对世博园区原状土壤进行改良处理 后，构建人工土柱模拟绿地土壤净化层，研究各自对土壤降水渗透性的影响， 并评价它们对径流中污染物的净化效果，分析人工土壤组成、污染物负荷、渗 透厚度对土壤净化效果的影响，初步确定利用人工渗滤基质削减城市雨水径流 及其污染负荷的可行性。 ( 5 ) 通过构建不同下垫层结构以及不同渗滤介质的人工模拟绿地，考察不 同构型绿地对公路雨水径流的长期的净化效果，分析主要影响因素和运行条件 对城市非点源污染物降解的作用效果和影响机制，最后通过测定降雨前后不同 土层土壤中微生物生物量、土壤性质以及土壤生化作用强度的变化，探讨绿地 渗滤系统对径流中污染物的去除机理。 1 9 第3 章上海市绿地土壤入渗特性及影响冈素分析 第3 章上海市绿地土壤入渗特性及影响因素分析 雨水渗滤是欧美等发达国家常用的一种雨水处理与资源化利用技术【6 。城 市绿地作为一种天然的渗透设施，是城市生态系统的重要组成部分，有着诸多 的生态环境效应，在控制城市面源污染及削减洪峰水量方面发挥着十分重要的 作用，越来越受到世界各国的广泛关注【6 2 ，6 3 】。 在发达国家，绿地的雨水径流调蓄效应已得到相当的重视，在城市绿地土 壤特性、渗透性能等方面也进行了大量的研究。相对而言，我国在这方面的研 究起步较晚，研究者关注的较少，技术的应用缺乏基础数据支持。近年来，上 海市城市绿地面积不断扩大，目前绿地面积已达2 9 8 6 5 h m 2 ，公共绿地达到1 2 5 0 8 h m 2 。到2 0 1 0 年，上海市中心城区人均公共绿地面积将达1 3m 2 ，绿化覆盖率3 8 ， 这都为上海城区利用绿地蓄渗雨洪提供了基础。 本章旨在通过现场调查，比较上海市不同功能区的绿地土壤特征和入渗性 能，探讨影响绿地入渗性能的因素，以期增强对上海市绿地土壤特性和入渗性 能的认识，为合理规划、建设城市绿地，利用绿地蓄渗雨洪，发挥其在城市水 文生态循环中的作用，积累基础数据，提供科学可靠的依据。 3 1 上海市环境特征 3 1 1 气候条件 上海属于亚热带海洋性季风气候，气候温和湿润，四季分明，光照充足， 降水充沛。全年平均气温1 7 5 。c ，年日照时间为1 9 3 0 小时。全市多年平均降水 量约为1 2 0 0 m m ，年平均降雨日为1 3 1 天，平均每三天中就有一天降水，7 0 集 中在4 - 9 月，汛期6 9 月，年际降水变化较大，丰枯比约3 倍多。去除因蒸发、 渗透等因素影响而损失的水量，据水务部门估计，上海雨水总量为2 4 x 1 0 8 m 3 a 左右。 3 1 2 土壤地质条件 2 0 第3 章上海市绿地土壤入渗特性及影响因素分析 上海地区的表层基本为粘土，土壤耐压能力差，渗透系数小；地下水位高， 浅水埋深一般在o 5 1 5 m 。浅层地下含水层为全新世( q h ) 河口一滨海相沉积 物，区内普遍分布。浅层地下含水层为全新世( q h ) 河口一滨海相沉积物，区 内普遍分布。除表层土壤为杂填土或人工填土层外，一般自上而下依次为褐黄 色粘土、灰色淤泥质粉状粘土、灰色淤泥质粘土、灰色粘性土、暗绿色粘土和 粉性土。 3 1 3 水环境 上海市河道大部分都呈现出富营养化特征，水体黑臭非常严重，地表水水 质基本属于v 类，甚至劣于v 类。苏州河就是其中一个典型的例子。在点源 污染得到有效控制之后，城市非点源污染表现的非常突出，成为上海市区河道 和滨岸带水质污染的一个重要来源，根据浦东新区1 9 9 8 年底土地利用情况普查 资料显示，城市非点源污染对水质污染的贡献占有很大的比例，仅次于城市生 活污水。 3 2 绿地土壤入渗性能的测定 绿地土壤入渗率是单位时间内通过单位土壤表层渗吸到剖面的水量( m s ) ，采 用双环入渗仪进行野外实地测定。如图3 1 所示： ，= q 6 ( a f ) 式中： ，为绿地土壤入渗率( 1 i l s ) ；q 为入渗水量( l ) ；a 为内环面积( c m 2 ) ； ，为时间( m i n ) 。 2 1 第3 章上海市绿地土壤 渗特性及影响因素分析 ，二 图3 i 绿地现场入渗试验 在土壤入渗过程中，入渗开始较短时间内的入渗速率称为初始入渗率。本研 究将入渗实验开始时测定的第1 个数据作为初始入渗率。在供水情况下，入渗 率随着时间的推延而逐渐变慢，最后趋于一个较稳定的数值，不再继续下降， 此时的入渗速率为稳定入渗率。本研究将入渗实验结束前连续3 次单位时间内 不变的入渗速率作为稳定入渗率。 目前测定土壤入港速率的主要方法有注水法、水文法和人工模拟降雨法1 6 4 1 。 其中注水法通常采用同心环入渗装置，一般常用的同心环为二同心铁环，内外 环中维持同样水深，通过记录某一时段的入渗量来计算土壤入渗辜的变化过程， 即双环测定法( d o u b l er i n g s ) 。本试验的渗透率调查即采用双环法。双环渗透仪 是由直径不同的两个环组成( 内外环的直径分别为1 3 = 3 1 2 c m ，d = 7 2 c m ) 。实地 测量时先将两个环以同心圆的方式插入试验地点，然后先从外环注水，并保持 外环中的水头不变，再从内环注水并测量内环内的水的下降速度，外环为保护 环，在入渗试验中防止内环中水分向侧向渗漏，保证内环的入渗为一维入渗。 试验过程中通过记录某一时段的入渗量计算土壤的入渗率的变化，最后利用 d a r c y 定理可得出试验地的渗透率。 所有数据利用e x c e l 和s p s s 软件进行统计处理，并进行方差和显著性分析。 3 3 土样采集方法与采样点分布 第3 章上海市绿地十壤入渗特性及影响因素分析 研究区域为上海杨浦区同济大学校内及周边，浦东新区。根据土地利用性 状和人类活动强度，大致可以把采样点划分为道路交通区，商业区，文教区， 居民生活区、公园等5 个功能区，在各功能区的绿化带进行布点和采样，共设 4 2 采样点，采样点与采样个数如表3 1 所示。每个土壤剖面点的环境条件观察 与记载，剖面挖掘、分层、形态描述及分析样品采集等按土壤地理研究法【6 5 j 的技术规程进行。 由于城市绿地土壤的局部变异性较大，为了更具有代表性，采样点选择在 代表性地段，尽量回避人工填充物，多点混合法采样，即在每种利用类型下至 少选择2 3 个点。每隔2 0 c m 左右分层取土装入袋中并标明取土深度。同时在相 应的土壤深度处用环刀、铝盒分层取土样测定土壤的干容重、土壤剖面的含水 率，每次做两个重复。 表3 i 土壤采样点分布 采样地点( s a m p l i n gl o c a t i o n )采样个数( s a m p l i n gn u m b l e ) 同济大学校园 浦东世博园区 赤峰小区 中山北二路附近 2 0 1 2 5 5 3 4 土样处理 采集的土壤样品经室内自然风干后，剔除砖块、植物根茎、石块及各种垃 瓶盖、烟头、废玻璃等人为侵入物等杂物后，碾碎过2 m m 筛，然后充分混合均 匀，大于2 m m 的砾石洗净烘干后称重。 3 5 土壤样品的理化分析 室内理化分析主要是对野； i - n 试点所采集的土壤进行物理、化学性质测定， 分析土壤的理化性质与土壤入渗性能之间的关系，了解土壤性质是如何对土壤 2 3 第3 章上海市绿地土壤入渗特性及影响因素分析 入渗产生影响的，为土壤入渗性能进行宏观分析提供依据。测定项目为：土壤 有机质、颗粒组成、土壤全氮含量等。 土壤理化性质的测定方法参照南京土壤研究所土壤理化分析，如表3 2 所示。其中土壤总孔隙度通过公式计算获得，土壤总孔隙度= ( 1 一容重比重) 1 0 0 ；土壤通气孔隙度：首先测定土壤毛管水和土壤饱和水，二者之差即是土 壤重力水，由于土壤重力水的比重为l g c m 3 ，由此可以换算土壤的通气孔隙度； 土壤毛管孔隙度，通过计算获得，即土壤毛管孔隙度= 总孔隙度一通气孔隙度。 表3 1 实验分析方法1 6 6 1 分析指标分析方法及仪器 土壤颗粒组成 土壤容重 土壤有机质 p h 土壤全氮含量 含水率 比重计法 环刀法 重铬酸钾法 玻璃电极法 半微量凯氏法 烘干法 3 6 结果与分析 3 6 1 绿地土壤入渗性能特征及分布 城市绿地既承担着景观绿化的功能，还可以承担雨水渗滤的功能，绿地土 壤的入渗速率大小是发挥其雨水蓄渗效应的关键。图3 2 给出了上海不同功能区 城市绿地土壤入渗速率的大小及其概率分布情况。总体而言，不同功能区绿地 土壤的入渗率差异较大，说明上海市城市绿地土壤的入渗速率空间变异性非常 大，即使在同一功能区内部，不同绿地土壤间的差异也较大。公园、商业活动 区、道路交通区绿地土壤的入渗率变异相对较小，原因可能是这几类绿地表层 土壤的压实都较重，而土壤压实越严重，其结构和孔隙的变异越小，限制了雨 水的入渗，入渗率的变异相对也就越小。文教区和居民生活区由于受人为活动 影响较小，其入渗速率普遍大于其它三个功能区，且超过5 0 绿地的渗透速率 2 4 第3 章上海市绿地土壤入渗特性及影响因素分析 大于5x1 0 击m s ，表现出了较好的渗透性能。但由于个别绿地土壤结构异常，大 的块状结构间存在异常大孔隙，导致指间流或漏斗流，造成其入渗率的变异较 大，同时由于受土壤动物和植物根系活动的影响，土壤中的大孔隙相对较多， 这些大孔隙的空间变异较大，容易造成该区域内部分绿地土壤稳定入渗率值异 常大。 6 0 x 1 0 5 5 0 x 1 0 5 信4 0 x 1 0 5 n 一- 3 0 x 1 0 5 期 璐 一 2 0 x 1 0 4 1 0 x 1 0 5 o o 居民生活区 公园商业活动区 文教区道路交通区 图3 2 上海各功能区城市绿地土壤入渗速率的分布概率的比较 不同功能区的城市绿地土壤入渗率与时间的关系均可采用幂函数进行拟 合，且具有极显著的相关性( p o 0 1 ) 。从图3 3 可以看出，研究区域绿地土壤 的初始入渗率与最终稳定入渗率差异非常大，特别是在入渗开始的3 0m i n 内入 渗率变化很大，3 0m m 后逐渐趋于平缓，大约6 0 , - - 1 2 0m i 后趋于稳定。这主 要是由于入渗初始阶段，表层土壤比较干燥，一方面基质势度较大，基质吸力 起主要作用；另一方面土壤孔隙持着的水分少，可利用的孔隙多，故初始入渗 率较大，而随着渗透的进行，土壤含水量增加；湿润土层逐渐加厚，土壤基质 吸力梯度逐渐下降，通气孔隙充满，于是入渗率逐渐降低。当入渗进行到一定 时间后，土壤基质吸力梯度趋于零，在重力作用下，土壤入渗率维持在一个相 对稳定的水平上。 绿地土壤的稳定入渗率变化情况大致可分为四类，第一类土壤( 图3 3a ) 的初始阶段入渗率下降剧烈，尤其在初始的3 0m i n 内，入渗率下降数倍，而且 最终的稳定入渗速率较低。这可能是因为该类绿地表土下存在明显的水分入渗 限制层( 如粘重的隔水层) ，当表层干燥土壤吸附水分饱和后，水分很难继续下 渗，造成稳渗率较低。第二类土壤( 图3 3e ，f ) 虽然初始阶段入渗速率的下降 速度较快，但却小于第一类土壤，并且最终的稳定入渗速率比第一类土壤高， 2 5 第3 章上海市绿地十壤入渗特性及影响因素分析 说明该类土壤入渗性能相对较好，表土层下没有明显的水分入渗限制层。第三 类绿地土壤( 图3 3b ) 的初始入渗速率在整个入渗过程中，下降都比较缓慢， 到达稳渗的时间较短，且最终的稳定入渗速率较小。第四类土壤( 图3 3c ，d ) 的初始入渗速率非常大，虽然开始初始入渗率下降的比较快，但达到稳定时的 入渗率的依然很高。这说明该类土壤入渗性能非常好，整个土壤入渗层没有水 分限制层。 图3 3 绿地土壤入渗速率随时间变化的曲线 3 6 2 上海市城市绿地土壤入渗率的分级 2 6 第3 章上海市绿地七壤入渗特性及影响因素分析 目前，存在的不同的城市土壤入渗率的分类标准，其中以k o h n k e 【6 7 】提出的 城市土壤入渗率的分类标准应用最为广泛。依据此标准，对本文研究区域内绿 地土壤的稳定入渗率进行分类( 表3 3 ) 。如表3 3 所示，上海市城市绿地土壤入 渗率的变异非常大，除了极慢和极快两个分类级别外，每个级别都占有一定比 例。研究区内绿地土壤稳定入渗率属于慢和较慢的比例高达5 0 ，较快的稳定 入渗率只占1 6 7 ，低于较快入渗率的比例高达7 6 2 ，可见上海市大部分绿地 土壤的入渗率都偏低，低于农地和荒地，这也是上海市夏季暴雨期问下凹式绿 地容易发生排水不畅的重要原因之一。虽然压实会减少土壤孔隙度、降低入渗 率，但从稳定入渗率来看，研究区土壤的入渗率仍然存在定比例的中等、较 快和快的级别，这可能是由于研究区土壤砾石的存在导致土壤中分布着一些大 孔隙，尽管这些大孔隙的数量较少，但非常容易形成优势流【6 引。而优势流在土 壤水分入渗过程中发挥着重要作用，它主要受重力影响，不受土壤毛管力控制。 另外，压实土壤易干裂，裂隙也会显著增加土壤入渗率。对于导致城市绿地土 壤入渗性能巨大差异的因素，本章还将做进一步分析。 表3 3 上海市城市绿地土壤稳定入渗速率频率分布 3 6 3 影响绿地土壤入渗性能的因素分析 3 6 3 1 土壤质地 土壤是绿地渗滤系统中的重要组成部分，掌握土壤的组成和性质对确定其 2 7 第3 章上海市绿地土壤入渗特性及影响冈素分析 渗透性能具有重要意义。土壤质地是土壤固体相物质各粒级土粒的配合比例， 它反映了土壤不同粒级的颗粒组成情况，是土壤的一项重要属性，对土壤入渗 性能影响很大。它通过对土粒的表面能，土壤孔隙尺度和分布的影响，对土壤 水分运动的驱动力和水力传导度产生影响，进而影响到土壤水分入渗能力。一 般来说，土壤质地越重，粘粒质量分数越高，颗粒越细小，固体相比表面积也 越大，表面能、吸附能力也越强，粒间孔隙越小，吸水和保水能力就越强。解 文艳等以土壤粒径小于0 0 0 2 m m 的粘粒质量百分数为反映土壤质地的物理量， 试验结果表明：土壤质地对土壤入渗能力的影响十分明显；土壤质地由轻变重， 土壤入渗能力减小1 6 圳。对上海市区的绿地土壤质地调查的结果表明( 表3 4 ) ， 按照国际制土壤分类标准( 附表a ) 分类，供试土壤样品质地主要属于粘壤土、 砂质粘壤土和壤质粘土，所占总土样的比例分别为5 7 1 、3 0 9 和1 2 。这三 类土壤的共同特点是，土壤粘重，粘粒( o 0 0 2 m m ) 含量高，这也是导致上海 地区多数绿地土壤稳定入渗率偏低的重要原因之一。 表3 4 上海市城市绿地土壤的机械组成( ) 注：括号内的数值表不范围。 为了全面反映绿地土壤质地对土壤稳定入渗速率的影响，通常用粉粒和粘 粒含量的相对比值来表示土壤质地的情况，粉粘比越大，表明土壤粉粒含量越 多，粘粒含量越少，土壤的稳定入渗速率越大。由图3 4 可以看出，土壤粉粘比 变化范围较小，主要集中在l 1 8 之间，土壤质地相近。然而，与之相对应的 土壤入渗速率则变幅较大，无明显规律性。以粉粘比表征土壤质地，对土壤质 地与土壤稳定入渗率之间进行单因子回归分析，结果表明，二者之间没有明显 章将做进一步的讨论。 絮警怒僦孑嚣盖赢言蓉芊了喜慧慧 纂：南絮燃嚣篓奈：萎焉矗蒜l 路 戮竺慧黑三= 裟馨：茹善赢； 黧篓裟竺霎鬟善乏嚣蕊髓撩肜m “ 常用窆鬟芸黧霎言淼甏鬈翥焉翥统计结果耩 姜：裟黧区域蝴篙嚣篡霎罴兹塞；。磊1 譬鉴冀黧謇0 均4 玛0 4 9 c m 3 , 芋麓等墨& 磊淼纛赫民 懋裟鬟二笮慧磊= 盟茹嚣茹c i 是， 篓：銮篡黛燃嚣慧茹茗茹：藉 罂篓绿竺考壤冀毒嚣翠蠢篡亲篡量，土量芸耄喜秦篙毳差磊主萎_ 差；施毒苫； 苎兰三苎求：霎篓兰喜耄芸? 喜毪嘉蓑耋亨篡荔譬磊；爻嘉蓑为姜；蓄翥；。， 相对而言，城市道路交通区、商业活动区、公园她础巾八饥硪州木” 2 9 第3 章上海市绿地十壤入渗特性及影响冈素分析 绿地被人为踩踏的机率较大。j i m 7 l 】曾对香港道路两旁的绿地的土壤容重进行了 测定，容重从1 1 4 - 2 1 6 3 咖m 3 ，平均为1 6 7 9 c m 3 。紧实土壤和邻近未压实的 土壤体积质量分别为1 4 1 和1 3 0m g c m 3 ，而水分入渗速率则分别为o 8m m m i n 和3 5m m m i n ，差别较大。上述结果和本文的研究结果是一致的。这说明土壤 容重会影响土壤水分的入渗，土壤遭压实，表土容重增大是城市绿地土壤普遍 存在的一个重要特征。因此，对质地、结构类似的土壤，容重可以很好地反映 土壤的压实程度，并可很好地进行空间上的比较。这也是人们通常用容重来反 映土壤压实程度和入渗性能的主要原因。 表3 5 上海市各功能区城市绿地十壤容重及其分布情况 为了反映绿地表层土壤容重对入渗速率的影响，对绿地土壤稳定入渗率与 表层土壤容重进行了回归分析，结果见图3 5 。从图3 5 可以看出，土壤容重与 土壤稳定入渗速率呈现出极显著的负相关关系，二者可以用关系式y = 7 x l o 。5 x + i x l o 4 表示，式中y 表示土壤稳定入渗速率( m s ) ，x 表示表层土壤的容重 ( g c m 3 ) ，相关系数r = o 7 9 。结果表明，表层土壤容重大小是影响城市绿地土 壤水分入渗的一个重要的影响因素。 3 0 第3 章上海市绿地士壤入渗特性及影响冈素分析 g 1 v 褥 瑙 臻 一 表土容重( g c 神 图3 5 上海城市绿地十壤稳定入渗率与容重的相关关系 | ：删0 5 水平具有显著性相关 3 6 3 3 通气孔隙度 虽然容重可较好地反映土壤的压实程度，但是由于不同质地的土壤在同样 压实程度下的容重和渗透性都会有所差异，所以有学者认为用孔隙度来反映土 壤的渗透性和压实情况更合适。土壤孔隙度是指单位容积土壤中孔隙容积所占 的分数或百分数。土壤孔隙度分为毛管孔隙度和通气孔隙度( 又称大孔隙) 。毛 管孔隙具有毛管作用，孔隙中水的毛管传导率大，可供植物吸收利用。通气孔 隙比较粗大，孔隙中的水分可在重力作用下排出，因而成为通气的过道，非滞 水条件下，充满空气，具有供氧和防止瞬时洪涝的作用，决定着土壤的渗透性1 7 到。 土壤孔隙的大小分布以及连通状况和土壤入渗能力关系密切，雨天进入土壤中 的水分在土壤孔隙中运行，一般来说，土壤孔隙越多，特别是大的孔隙越多， 入渗率就越大，绿地削减雨洪的效果就越好。杨金玲等1 7 3 】人研究表明，土壤通 气孔隙度对压实的反应较土壤容重更敏感一些。w i n z i g 7 4 】研究也认为通气孔隙 度能较好地反映土壤的入渗性能，绿地土壤渗透速率随着土壤通气孔隙度的增 加而增加。因此，通气孔隙度是反映土壤松紧程度、土壤蓄水、透水、通气性 等性能的一个很好的综合性指标。 表3 6 给出了研究区域内城市绿地土壤通气孔隙度的分布状况。由表3 6 可以看出，不同功能区内绿地土壤通气孔隙度差异较大，且各功能区城市绿地 土壤的通气孔隙度的均值都低于1 0 。通气空隙度的具体分布情况是，商业活 3 1 第3 章上海市绿地土壤入渗特性及影响冈素分析 动区和道路交通区的通气孔隙度大都小于5 ，其他三个功能区的土壤通气孔隙 度主要分布在5 1 0 之间，大于1 0 的绿地数不到2 5 。其他人员的研究 也得出了相似的结果1 75 。，香港城市绿地土壤的通气孔隙度大都低于1 0 ，平均 通气孔隙度为7 8 5 ( 3 2 6 2 0 1 4 ) 。在南京的调查研究也显示，城市道路绿 地土壤平均通气孔隙度只有2 2 。上海市绿化工程质检中要求土壤通气孔隙度 至少大于5 ，种植土要求达到8 ，这说明上海市部分绿地表层土壤存在不同 程度的压实，影响了土壤的正常孔隙分配，大孔隙的比例大大下降，保水和通 气性能较差，不利于雨水的入渗及其在土体中的分布。 表3 6 上海市各功能区城市绿地十壤通气孔隙度及其分布情况 为了反映绿地土壤通气孔隙度对上海绿地土壤入渗速率的影响，对绿地土壤 稳定入渗率与通气孔隙率进行了相关性分析( 图3 6 ) 。从图3 6 可以看出，土壤 孔隙度与土壤稳定入渗速率在0 0 5 的水平上显著相关，二者可以用关系式y = 3 x l o - 6 x - - 7 x 1 0 击表示，式中y 表示土壤稳定入渗速率( m s ) ，x 表示土壤的通气 孔隙度( g e r a 3 ) ，相关系数r = o 7 4 。这表明，土壤通气孔隙度大小是影响城市 绿地土壤水分入渗性能的一个重要的影响因素。 3 2 第3 章上海市绿地土壤入渗特性及影响冈素分析 0 1 v 褥 捌 鲣 一 通气孔隙度( ) 图3 6 上海城市绿地土壤稳定入渗率与通气孔隙度的相关关系 l p o 0 5 水平具有显著性相关 3 6 3 4 绿地土壤剖面形态及特征的影响 蒋定生等【7 6 1 人研究认为土壤稳定入渗速率与整个土壤层的组成相关。由于 城市绿地的土壤形态学性质受到严重的人为干扰，城市绿地土壤土层变异性大， 呈现成土物质不连续特性，这导致不同土层的结构、质地、有机质含量、容重 以及与其有关的通气性、排水性、持水性等存在显著差异。 根据绿地土壤稳定速率分布特点，选择了几类典型的城市绿地的土壤剖面 进行了详查，记录了0 6 m 内