典型海綿設施水循環(huán)過程綜合實驗場構建
【谷騰環(huán)保網(wǎng)訊】摘要：低影響開發(fā)（LID）是海綿城市建設的重要技術之一，常用的LID設施又稱典型海綿設施。為了對典型海綿設施的降雨、入滲、徑流、蒸發(fā)過程進行長期監(jiān)測分析，豐富典型海綿設施水文過程與污染物遷移轉(zhuǎn)化過程的研究內(nèi)容，加深對海綿設施的水量、水質(zhì)轉(zhuǎn)化全過程的了解，在北京市西郊雨洪調(diào)蓄工程園區(qū)建立了一個典型海綿設施水文過程綜合監(jiān)測實驗場。該實驗場的研究對象包括透水鋪裝、生物滯留設施和綠色屋頂。主要介紹該實驗場典型海綿設施的結構設計、水循環(huán)過程以及污染物削減過程監(jiān)測系統(tǒng)構建等，可為類似研究提供參考。
海綿城市強調(diào)恢復城市下墊面對雨水徑流的存蓄、入滲和凈化等自然功能，是未來城市建設的重要發(fā)展方向。《海綿城市建設技術指南（試行）》指出，針對不同類型城市下墊面特點，選取適宜的海綿設施進行組合應用，能夠充分發(fā)揮海綿城市建設的源頭徑流調(diào)控與面源污染物削減作用。典型海綿設施包括透水鋪裝、生物滯留設施和綠色屋頂?shù)阮愋停嚓P學者針對各類海綿設施的運行效果開展了大量實驗研究。透水鋪裝的研究主要關注鋪裝結構設計和面層材料對徑流污染過濾凈化作用的影響，生物滯留設施的研究主要圍繞植物選型、結構優(yōu)化和填料改良等方面開展對比分析，在常規(guī)水量水質(zhì)調(diào)控效果研究的基礎上，綠色屋頂?shù)难芯恐攸c關注植被配置、基質(zhì)層輕質(zhì)化改良、養(yǎng)護管理等環(huán)節(jié)。然而上述研究在實驗監(jiān)測對象上主要針對外排徑流量這一關鍵要素，在分析指標上主要關注徑流滯蓄、洪峰削減和洪峰延遲效果，缺乏從水循環(huán)的角度系統(tǒng)開展海綿設施的多要素聯(lián)合監(jiān)測與綜合分析。在降雨過程中伴隨著徑流的入滲滯蓄，海綿設施土壤和填料的水分含量逐漸增加，調(diào)蓄能力不斷消耗。降雨結束后，海綿設施通過蒸散發(fā)過程降低土壤含水量，逐漸恢復其原有的調(diào)蓄能力。入滲和蒸散發(fā)過程的耦合作用是影響海綿設施徑流調(diào)控效果的重要原因，因此迫切需要在傳統(tǒng)降雨、徑流監(jiān)測分析的基礎上，補充開展分層土壤水分和蒸散發(fā)監(jiān)測，同時進行關鍵環(huán)節(jié)的水質(zhì)采樣分析，實現(xiàn)海綿設施水循環(huán)要素全面感知與污染物遷移轉(zhuǎn)化過程系統(tǒng)監(jiān)測。
針對海綿設施水文轉(zhuǎn)化過程精細化分析需求，綜合運用蒸滲儀、土壤水分傳感器、干濕沉降儀、土壤溶液提取裝置、水質(zhì)自動采樣器的監(jiān)測設備，構建了一個包含透水鋪裝、生物滯留設施和綠色屋頂?shù)葘嶒瀸ο蟮暮＞d設施水循環(huán)過程綜合實驗場，實現(xiàn)了降雨-入滲-產(chǎn)流-蒸發(fā)與污染物遷移轉(zhuǎn)化過程系統(tǒng)監(jiān)測。該實驗場的建設能夠為海綿設施的水循環(huán)轉(zhuǎn)化機理、運行效果評估、結構材料優(yōu)選等多角度研究提供基礎實驗支撐平臺，并為相關實驗方案設計提供借鑒，服務海綿設施的技術改進與運維管理。
1 實驗場概況與海綿設施結構設計
1.1 實驗場概況
實驗場總面積2200m2，設有透水鋪裝、生物滯留設施、綠色屋頂三個實驗區(qū)域。其中，透水鋪裝實驗區(qū)位于停車場，共設有6處透水鋪裝；生物滯留設施實驗區(qū)位于停車場周圍的綠地，共設有3處生物滯留設施；綠色屋頂實驗區(qū)位于停車場西邊空地，設有5個綠色屋頂、1個混凝土屋頂和7個布設在小型蒸滲儀上的綠色屋頂。
1.2 透水鋪裝結構設計
每個透水鋪裝單獨為1個實驗小區(qū)，共6個透水鋪裝實驗小區(qū)，各小區(qū)均采用透水混凝土長方磚隔開，各透水鋪裝結構見表1。透水鋪裝的面層和墊層材料均為影響透水鋪裝實際滲透能力的主要因素，因此選擇了4種應用較廣泛的面層材料和2種墊層材料，以此探究面層材料和墊層材料對透水鋪裝的滲透能力影響，而且為了對透水鋪裝的水循環(huán)過程進行精細化監(jiān)測，將其中1個透水鋪裝布設在蒸滲儀上。
1.3 生物滯留設施結構設計
每處生物滯留設施單獨為1個實驗小區(qū)，共3個生物滯留設施實驗小區(qū)。3處生物滯留設施結構見表2。生物滯留設施Ⅰ為常規(guī)結構，填料為再生骨料；生物滯留設施Ⅱ為倒置結構；生物滯留設施Ⅲ為布設在蒸滲儀上的常規(guī)結構。生物滯留設施Ⅰ、Ⅲ均收集來自屋面的雨水，雨水通過增設的檐溝和雨落管收集，其匯水面積分別為97、21m2；生物滯留設施Ⅱ收集來自非透水路面的雨水，雨水通過明溝引入，匯水面積120m2。
1.4 綠色屋頂設施結構設計
綠色屋頂實驗區(qū)包括大型綠色屋頂實驗區(qū)和小型綠色屋頂實驗區(qū)。大型綠色屋頂實驗區(qū)包括5個綠色屋頂和1個混凝土屋頂；小型綠色屋頂實驗區(qū)為7個均布設在蒸滲儀上的小型綠色屋頂。
①大型綠色屋頂實驗區(qū)
大型綠色屋頂實驗區(qū)設有5個綠色屋頂（分別是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）和混凝土屋頂Ⅵ，大型綠色屋頂實驗區(qū)建設方案見表3。
綠色屋頂?shù)姆N植植物選擇了耐旱性好且適宜在北京生長的佛甲草，種植密度為80株/m2。為了研究不同排水口形式對徑流峰值大小及其延遲時間的影響，設計了3種不同排水口形式：a.出水口設置為全透水磚；b.在設置30mm不透水磚基礎上安放透水磚；c.在預埋30mm的排水管上安放不透水磚。
綠色屋頂Ⅳ相較于傳統(tǒng)綠色屋頂進行了改進，安裝了蓄水模塊作為雨水回用的設施。為研究設置不同密度吸水柱情況下蓄水模塊的供水能力，進行了3種處理，其中處理Ⅰ：鋪設吸水柱18根/m2，共15m2；處理Ⅱ：鋪設吸水柱12根/m2，共15m2；處理Ⅲ：鋪設吸水柱8根/m2，共20m2。
②小型綠色屋頂實驗區(qū)
小型綠色屋頂實驗區(qū)共設有7個綠色屋頂，且均布設在小型蒸滲儀上。實驗采用正交實驗原理設置7個處理方案，實驗設計如表4所示。
實驗方案考慮了基質(zhì)層厚度、排水方式和灌溉水平3個因素。基質(zhì)厚度有C1（6 cm）和C2（10 cm）兩個水平；排水方式有D1（蓄排水層直接排水）和D2（透水側(cè)墻排水）兩個水平；灌溉水平有M1（蓄水關鍵期補充水分）、M2（充分灌溉）和M3（無灌溉）3個水平。
2 典型海綿設施的精細化監(jiān)測
2.1 氣象與水質(zhì)監(jiān)測
為了精確獲取降雨、溫度等氣象數(shù)據(jù)，在實驗場布設了一個小型氣象站，開展風速、風向、降雨、溫度、相對濕度等指標的自動監(jiān)測，并利用蒸發(fā)皿獲取水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)。針對大氣干濕沉降過程，布設了一個降水降塵自動采樣器，自動收集干沉降與雨水樣品后進行水質(zhì)指標檢測。在海綿設施的入流與出流處均布設徑流自動采樣器，以發(fā)生降雨或開始產(chǎn)流為觸發(fā)條件，按照5~60 min的間隔時間進行徑流水樣的自動采集，以便掌握徑流污染的輸入和輸出過程。
2.2 透水鋪裝水文過程監(jiān)測
透水鋪裝需監(jiān)測的水文要素有降雨、地表徑流、礫石層出流、土壤水等。6個透水鋪裝的集水區(qū)獨立封閉，透水鋪裝實驗區(qū)的監(jiān)測儀器布設見圖1。
2.2.1 透水鋪裝Ⅰ~Ⅴ水文過程監(jiān)測
透水鋪裝Ⅰ~Ⅴ需監(jiān)測的水文要素有：降雨、地表積水、礫石層出流、土壤濕度，監(jiān)測儀器布設見圖2。以透水鋪裝Ⅰ實驗小區(qū)儀器布設為例，在實驗小區(qū)的末端開挖1座監(jiān)測井，井口是邊長0.4m的方形，井深1m，底部鋪設300mm厚的礫石。透水鋪裝Ⅰ~Ⅴ除降雨外無其他來水，降雨通過氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)理論計算獲得；為監(jiān)測實驗小區(qū)的地表徑流過程，通過封閉實驗小區(qū)的線性排水溝收集雨水并通過監(jiān)測井中的含壓力式水位計的三角堰排出；為充分反映土壤水的變化，在距透水磚面610、710、910、1310mm處均布設1個土壤水分傳感器；在礫石層底部布設一根Ø100mm的穿孔管，穿孔管中的水通過監(jiān)測井的含壓力式水位計的三角堰排出，以此監(jiān)測透水鋪裝的礫石層出流過程。5個監(jiān)測井通過PVC管相互連通，當水位到達一定高程時，水泵自動啟動將監(jiān)測井中的水排到周圍綠地里。
2.2.2 透水鋪裝Ⅵ水文過程監(jiān)測
透水鋪裝Ⅵ需監(jiān)測的水文要素有降雨、土壤濕度、礫石層出流、深層滲漏、蒸發(fā)，監(jiān)測儀器布設見圖3。
透水鋪裝Ⅵ除降雨外無其他來水，降雨通過氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)理論計算獲得；土壤濕度通過蒸滲儀的稱重系統(tǒng)測得，為充分反映土壤水變化，識別土壤層濕度變化規(guī)律，在距面層600、700、900、1100、1300mm均布設1個土壤水分傳感器；為了監(jiān)測礫石層排水情況，在礫石層設置一根穿孔管，水從鐵箱上的開孔流出，并通過PVC管與翻斗流量計相連；同理，在反濾層的底部開孔，下滲的水通過開孔排出，開孔與另一個翻斗流量計相連。在兩個翻斗流量計下放置一個水箱，用于承接翻斗流量計的來水，當水量達到一定值，水泵自動啟動將水排出蒸滲儀；設施的蒸發(fā)則借助蒸滲儀通過水量平衡計算得到。此外，為了分析透水鋪裝的污染物削減效果，在距表面260、400、600、700、900、1000、1100、1300mm處均布設土壤溶液提取裝置。
2.3 生物滯留設施水文過程監(jiān)測
2.3.1 生物滯留設施Ⅰ、Ⅱ
生物滯留設施Ⅰ、Ⅱ需監(jiān)測的水文要素有降雨、入流、地表積水、溢流、土壤濕度、礫石層出流。生物滯留設施Ⅰ、Ⅱ具體監(jiān)測細節(jié)見圖4。設施的匯入水量由直接落在設施的降雨和設施外接匯水面的來水組成，降雨通過氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得，匯水面（屋面、道路）來水通過安裝有壓力式水位計的三角堰監(jiān)測；在生物滯留設施Ⅰ、Ⅱ旁均布設監(jiān)測井，生物滯留設施Ⅱ垂直均分的兩部分共用一座監(jiān)測井；為監(jiān)測生物滯留設施的溢流量，在表層土面的中間布設Ø110mm PVC溢流管，溢流管的水從低于監(jiān)測井面300mm的安裝有壓力式水位計的三角堰排出；在靠近溢流管處垂直安裝壓力式水位計，用于監(jiān)測地表徑流過程；通過距離種植土層頂端5cm和15cm對稱布設的土壤水分傳感器監(jiān)測種植土層水分變化；在礫石層底部安放一根Ø110mm的穿孔管，穿孔管中的水通過監(jiān)測井中另一個安裝有壓力式水位計的三角堰排出，以此監(jiān)測礫石層出流；兩種生物滯留設施的蒸散發(fā)均可通過水量平衡計算出。
2.3.2 生物滯留設施Ⅲ
生物滯留設施Ⅲ需監(jiān)測的水文要素有降雨、入流、地表積水、礫石層出流、土壤濕度、深層滲漏。生物滯留設施Ⅲ的監(jiān)測細節(jié)見圖5。設施的匯入水量由直接落在設施的降雨和設施外接匯水面的來水組成，降雨通過氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得，匯水面（屋面）來水通過安裝有壓力式水位計的三角堰監(jiān)測；在生物滯留設施地表中間位置安放壓力式水位計用于監(jiān)測設施地表積水過程；土壤濕度通過蒸滲儀的稱重系統(tǒng)監(jiān)測，為充分反映土壤水變化，識別土壤層濕度變化規(guī)律，在距離表面100、250、350、450、1000和1100mm處均布設一個土壤水分傳感器；在礫石層安裝一根穿孔管，使得礫石層的水可以從鐵箱的開孔流出，并通過管道與翻斗相連（翻斗翻轉(zhuǎn)一次，會形成一次脈沖，電腦會記錄一次數(shù)據(jù)）；同理，在鐵箱反濾層底部也開了一個孔，通過管道與翻斗相連，使得深層滲漏的水排出；在兩翻斗流量計下放置一個水箱，用于承接翻斗流量計的來水，當水量達到一定值時，水泵自動啟動將水排出；設施的蒸散發(fā)則借助蒸滲儀通過水量平衡得以實現(xiàn)。此外，為了分析透水鋪裝的污染物削減效果，在距表面260、400、600、700、900、1000、1100、1300mm處均布設土壤溶液提取裝置。
2.4 綠色屋頂水文過程監(jiān)測
①降雨和徑流監(jiān)測
綠色屋頂實驗區(qū)水文輸入要素為直接落在屋面上的降雨，降雨通過氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)理論計算獲得。大型綠色屋頂實驗區(qū)的徑流計量設備分為兩部分：壓力式水位計和計量堰，通過壓力式水位計記錄水位數(shù)據(jù)，利用堰流公式計算流量，徑流收集后儲存在蓄水池中。小型綠色屋頂?shù)膹搅魍ㄟ^翻斗流量計監(jiān)測。
②土壤水分監(jiān)測
在大型綠色屋頂中，為研究無蓄水模塊以及設有蓄水模塊情況下不同密度吸水柱設置土壤的墑情，采用土壤水分傳感器對土壤含水率進行實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)可在相關網(wǎng)頁讀取。在綠色屋頂Ⅳ區(qū)域三種方案各設2個探頭進行土壤含水量監(jiān)測，同時在綠色屋頂Ⅰ設2個探頭進行土壤含水量監(jiān)測。每個小型綠色屋頂均布設6個土壤水分傳感器，可對土壤含水率進行實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)可在相關網(wǎng)頁讀取。
③蒸散發(fā)
大型綠化屋頂蒸散發(fā)規(guī)律采用基于土壤水分動態(tài)的水量平衡分析。利用FDR土壤水分傳感器測得的土壤水分動態(tài)和降雨、徑流過程數(shù)據(jù)，采用水量平衡原理得到蒸散發(fā)量。對于小型綠色屋頂，基于蒸滲儀稱重系統(tǒng)通過水量平衡分析算出蒸散發(fā)量。
3 結論
實驗場主要特色體現(xiàn)在基于長時間尺度，對透水鋪裝、生物滯留設施和綠色屋頂三種典型海綿設施監(jiān)測困難較小的水文要素進行監(jiān)測，再借助蒸滲儀進行包括土壤水、蒸散發(fā)、深層滲漏3種監(jiān)測存在較大困難的水循環(huán)組成水文要素的監(jiān)測，以此實現(xiàn)對透水鋪裝、生物滯留設施、綠色屋頂水文調(diào)控效果分析和水循環(huán)過程分析。
透水鋪裝選擇了4種運用較廣泛的面層材料和2種墊層材料，能實現(xiàn)對多種透水鋪裝的水文調(diào)控效果比較分析；布設在蒸滲儀上的透水鋪裝，在對透水鋪裝的多層土壤濕度、深層滲漏、蒸發(fā)進行監(jiān)測分析的基礎上實現(xiàn)了對透水鋪裝整個水循環(huán)的監(jiān)測分析。
生物滯留設施實驗區(qū)共設有3處生物滯留設施，能實現(xiàn)不同類型生物滯留設施的水文調(diào)控效果比較。其中2處生物滯留設施的結構分別為填料層材料采用再生骨料以及種植土層與填料層位置互換；布設在蒸滲儀上的生物滯留設施，在對生物滯留設施的多層土壤濕度、深層滲漏、蒸散發(fā)進行監(jiān)測分析的基礎上實現(xiàn)了對生物滯留設施整個水循環(huán)的監(jiān)測分析。
基于綠色屋頂實驗區(qū)可實現(xiàn)對綠色屋頂?shù)乃恼{(diào)控效果分析，布設了土壤水分傳感器的綠色屋頂Ⅰ、Ⅳ能實現(xiàn)綠色屋頂?shù)乃h(huán)過程分析。大型綠色屋頂還能實現(xiàn)對不同排水口形式的綠色屋頂蓄水能力和設有蓄水模塊在不同吸水柱密度土壤的墑情探究；通過小型綠色屋頂實驗區(qū)可探究不同基質(zhì)層厚度、排水方式、灌溉水平對綠色屋頂蒸散發(fā)的影響。
在污染物削減效果方面，實驗場布設了降水降塵自動采樣器對大氣干濕沉降進行監(jiān)測。透水鋪裝、生物滯留設施、綠色屋頂三種海綿設施均能實現(xiàn)不同出流時間的污染物削減效果分析。對于布設在蒸滲儀上的透水鋪裝、生物滯留設施兩種設施，采取多層采樣的方式，在設施的8個不同埋深進行土壤溶液采集，可在不同出流時間污染物濃度變化研究的基礎上進行設施不同深度的污染物濃度變化研究。
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