基于土體儲水能力的降雨入滲調節系統

張 宇 朱 雅

(三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443000)

基于土體儲水能力的降雨入滲調節系統

張 宇 朱 雅

(三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443000)

對城市中占地面積最大海綿體——土體的儲水能力進行了分析，結合非飽和土力學與水氣兩相流理論，提出一種通過調節土體孔隙氣壓力以達到緩解城市內澇、促進地下水補給的入滲調節系統，該系統通過自然途徑與人工措施相結合的方式，在緩解城市內澇、促進水資源的綜合利用方面有著重要作用。

土體儲水能力，海綿城市，非飽和土，水氣兩相流，入滲調節

近年來，每逢雨季，總有不少城市遭暴雨的襲擊，造成多處路段、路面漬水，“海景城市”頻現，給城市居民帶來困擾，并引起巨大的經濟損失[1]。據國家防汛抗旱總指揮部辦公室統計數據顯示，2016年我國31省(自治區、直轄市)和新疆生產建設兵團均遭受不同程度洪澇災害，受淹城市192個、受災人口1.02億人，造成直接經濟損失3 661億元[2]。城市內澇已成為影響我國城市進一步發展的軟肋。

為增強城市抵御暴雨的能力，促進城市水資源的綜合利用以及生態環境的保護，我國正大力推進海綿城市建設。在前期城市化進程中，自然湖泊、坑塘、濕地等被填平、縮減或硬化，地表不透水面積不斷增加，致使城市下墊面調蓄能力降低。地面徑流過程、匯流時間、洪峰等產流參數發生改變，表現為徑流匯流時間縮短、峰現時間提前、洪峰增大。因此，我國建設海綿城市的理念就在于不斷增加下沉式綠地、濕地、蓄水池、湖泊等“海綿體”的規模和質量，從而提升城市“吸水”“釋水”的能力，以抵抗降雨時間上分布不均的問題[3]。

建設這些“海綿體”不僅需要大量資金，還受到空間、地形等因素的影響，導致城市海綿體不能無限擴大。其實天然土體是城市里占地面積最大的一種海綿體。但當前城市中天然土體蓄水主要靠自然滲蓄，其蓄水速率、蓄水容量以及削減洪峰雨水的能力受到限制，土體雨水的調蓄作用并沒有被充分發揮[4]。因此，如何提高土體的儲水能力，對于海綿城市建設有著積極的意義。

基于土體儲水能力，利用水氣兩相流原理，對城市中占地量最大的海綿體——土體進行分析研究，提出一種充分發揮土體對雨水的調蓄能力的方法，從而達到緩解城市內澇的目的。

1 土體儲水能力

土體屬于多孔介質，天然狀態下砂土孔隙率為28%～41%，黏性土的孔隙率為28%～52%，其孔隙具有較大的儲水能力[5]。天然狀態下的土體通常處于非飽和狀態，土體中除了固體土顆粒外，還存在著孔隙水和孔隙氣體。根據水氣兩相流原理，土中降雨入滲是一個水氣相互驅替、耦合的過程[6]。孔隙氣壓力與孔隙水壓力的差值稱為基質吸力，基質吸力與土體含水率成反比，因此，孔隙氣體的存在對入滲有阻滯作用。根據毛細管理論，表層孔隙氣壓力相對深層孔隙氣壓力要小，在自然入滲條件下，表層土體更容易吸水飽和，由于深層孔隙氣壓力的存在，雨水很難入滲。

水分的入滲強度主要受水驅動力影響。在抽氣減壓階段，土體內部孔隙氣壓力迅速減小，在土體上層大氣壓力的作用下，形成了與入滲方向相同的孔隙氣壓力梯度，在水氣耦合作用下，形成相同的水壓力梯度，驅動水分的入滲體，故入滲強度比在自然入滲條件下要大很多，如圖1所示。而且水分入滲是一個非均勻入滲過程，一般條件下水分沿著連通性較好的孔隙入滲，表層土體仍存在大量封閉孔隙氣體，這些孔隙氣體對雨水入滲的阻滯作用有限，雨水下滲的擠壓作用也難以排除這些孔隙氣體，故入滲時所能達到的含水率相對較低的。而抽氣條件時，土體形成了氣壓力梯度首先驅動氣體向下流動，而后氣壓力的降低則驅動雨水的入滲，故抽氣條件下土體所能達到的含水率相對較大的，更有利于加速土體降雨入滲。

基于此理論，提出通過調節土體內部孔隙氣壓力的方式，來控制雨水的入滲速率，進而達到進行土體入滲調節的功效。同時，借用城市開敞式海綿體與土體儲水容量，通過人工與自然相結合方式，調節城市容水能力，充分發揮其對雨水的調蓄能力，達到緩解城市內澇，補給地下水的雙重目的。

2 城市降雨入滲調節系統

入滲調節系統由滲透淺溝、實時檢測系統、決策分析系統以及土體孔壓調節系統四部分組成。

為提高土體的滲透性和對雨水的調蓄能力，滲透淺溝采用強滲透性的人工混合土和礫石組合。由于徑流中的懸浮顆粒可能會堵塞土顆粒間的空隙，在滲透淺溝上面覆蓋良好的植被，通過植物根系和土壤中的昆蟲，有利于土壤滲透能力的保持與恢復。考慮到目前的道路、建筑大多是不透水材料，不具備下滲雨水的能力，因此滲透淺溝直接與城市排水管道相連，如圖2所示。

實時檢測系統主要是指埋藏在土體里的濕度傳感器。實時將采集到的土體濕度信息傳給決策分析系統，決策分析系統則根據傳感器采集到的數據以及天氣預報信息，從而控制土體孔壓調節系統的運行狀態。土體孔壓調節系統是由埋在土體中的管道以及抽氣、通氣泵站構成，用來執行決策分析系統的指令，調節土體孔隙氣壓力。

根據我國降雨時間上分布特點，可將降雨分為旱季和雨季兩大類。雨季則根據降雨的大小和未來降雨情況分為雨季小雨型、雨季大雨型、雨季連續降雨型三種情況。結合土體入滲調節理論，可建立如圖3所示的土體入滲調節系統方案。

考慮到旱季降雨量少，故可在下雨時啟動抽氣系統，加速雨水下滲到土壤中，以期緩解城市干旱的問題，避免珍貴的雨水白白通過排水管網流走。

雨季則需要考慮降雨量以及后期降雨情況進行調控處理。當預測到降雨量小于城市現有排水情況，但預測后期將有強降雨或連續降雨時，則啟動通氣系統，增大土體空隙氣壓力，減少雨水下滲，從而將雨水盡可能通過排水系統排出城市，以便有更多的空間容納后期降雨；當降雨量大于城市排水能力時，考慮城市海綿體的蓄水能力，當排水系統和海綿體共同作用，還不能解決城市積水時，則提前啟動土體抽氣系統，使地表水加速下滲到土體深部，預先降低表層土體的含水率，增大土體中的儲水空間，降雨開始時，在充分發揮城市排水系統的排水能力時，啟動抽氣系統，加速雨水下滲，降低路面積水。

3 結語

建設“海綿城市”并不是推倒重來，取代傳統的排水系統，而是對傳統排水系統的一種“減負”和補充，最大程度地發揮城市本身的作用。本文主要依據水氣兩相流原理，對土體蓄水能力進行分析，提出了一種通過調節土體孔隙氣壓力的方式控制入滲強度和入滲量。入滲調節系統通過自然途徑與人工措施相結合的方式，最大化的利用土體對雨水的調控作用，在緩解城市內澇、促進水資源的綜合利用方面有著重要作用。該方法適應能力強，運用范圍廣，且新增費用相對較少，可在不同地區推廣應用。

[1] 張 琦.雨水存蓄空間被侵占是城市內澇主因[N].科技日報，2016-07-09(03).

[2] 楊衛忠,張葆蔚，符日明.2016年洪澇災情綜述[J].中國防汛抗旱,2017(27):26-29.

[3] 吳丹潔.中國特色海綿城市的新興趨勢與實踐研究[J].中國軟科學，2016(1)：79-97.

[4] 李正輝,談云志,丁品良,等.一種消減內澇的新方法——城市綠地吸納[J].廣西大學學報(自然科學版),2013,38(4):1014-1020.

[5] 東南大學，浙江大學，湖南大學，等.土力學[M].北京:中國建筑工業出版社,2016：10-17.

[6] 朱 偉,陳學東,鐘小春.降雨入滲規律的實測與分析[J].巖土力學，2006,27(11):1873-1879.

The rainfall infiltration regulation system based on soil water storage capacity

Zhang Yu Zhu Ya

(WaterConservancyandEnvironmentSchool,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443000,China)

This paper analyzed the water storage capacity of cavernous-soil with largest occupied area of the city, combining with the unsaturated soil mechanics and air water two phase flow theory, proposed a infiltration regulation system through the pore air pressure to alleviate the city water logging, promote the groundwater replenishment. The system through the way combination of natural method and artificial measures, had important role in alleviating urban water logging and promoting the comprehensive utilization of water resources.

soil water storage capacity, sponge city, unsaturated soil, air water two phase flow, infiltration regulation

1009-6825(2017)20-0128-03

2017-04-20

張 宇(1995- )，男，在讀本科生； 朱 雅(1996- )，女，在讀本科生

TU992

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