典型海綿設(shè)施水循環(huán)過程綜合實(shí)驗(yàn)場構(gòu)建
摘要：低影響開發(fā)（LID）是海綿城市建設(shè)的重要技術(shù)之一，常用的LID設(shè)施又稱典型海綿設(shè)施。為了對典型海綿設(shè)施的降雨、入滲、徑流、蒸發(fā)過程進(jìn)行長期監(jiān)測分析，豐富典型海綿設(shè)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(shè)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(gè)典型海綿設(shè)施水文過程綜合監(jiān)測實(shí)驗(yàn)場。該實(shí)驗(yàn)場的研究對象包括透水鋪裝、生物滯留設(shè)施和綠色屋頂。主要介紹該實(shí)驗(yàn)場典型海綿設(shè)施的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水循環(huán)過程以及污染物削減過程監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建等，可為類似研究提供參考。
海綿城市強(qiáng)調(diào)恢復(fù)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(shè)的重要發(fā)展方向。《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南（試行）》指出，針對不同類型城市下墊面特點(diǎn)，選取適宜的海綿設(shè)施進(jìn)行組合應(yīng)用，能夠充分發(fā)揮海綿城市建設(shè)的源頭徑流調(diào)控與面源污染物削減作用。典型海綿設(shè)施包括透水鋪裝、生物滯留設(shè)施和綠色屋頂?shù)阮愋?，相關(guān)學(xué)者針對各類海綿設(shè)施的運(yùn)行效果開展了大量實(shí)驗(yàn)研究。透水鋪裝的研究主要關(guān)注鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和面層材料對徑流污染過濾凈化作用的影響，生物滯留設(shè)施的研究主要圍繞植物選型、結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，綠色屋頂?shù)难芯恐攸c(diǎn)關(guān)注植被配置、基質(zhì)層輕質(zhì)化改良、養(yǎng)護(hù)管理等環(huán)節(jié)。然而上述研究在實(shí)驗(yàn)監(jiān)測對象上主要針對外排徑流量這一關(guān)鍵要素，在分析指標(biāo)上主要關(guān)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(shè)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(shè)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(jié)束后，海綿設(shè)施通過蒸散發(fā)過程降低土壤含水量，逐漸恢復(fù)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(shè)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(chǔ)上，補(bǔ)充開展分層土壤水分和蒸散發(fā)監(jiān)測，同時(shí)進(jìn)行關(guān)鍵環(huán)節(jié)的水質(zhì)采樣分析，實(shí)現(xiàn)海綿設(shè)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(shè)施水文轉(zhuǎn)化過程精細(xì)化分析需求，綜合運(yùn)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(dòng)采樣器的監(jiān)測設(shè)備，構(gòu)建了一個(gè)包含透水鋪裝、生物滯留設(shè)施和綠色屋頂?shù)葘?shí)驗(yàn)對象的海綿設(shè)施水循環(huán)過程綜合實(shí)驗(yàn)場，實(shí)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(shí)驗(yàn)場的建設(shè)能夠?yàn)楹＞d設(shè)施的水循環(huán)轉(zhuǎn)化機(jī)理、運(yùn)行效果評估、結(jié)構(gòu)材料優(yōu)選等多角度研究提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)支撐平臺，并為相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)提供借鑒，服務(wù)海綿設(shè)施的技術(shù)改進(jìn)與運(yùn)維管理。
1 實(shí)驗(yàn)場概況與海綿設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1 實(shí)驗(yàn)場概況
實(shí)驗(yàn)場總面積2200m2，設(shè)有透水鋪裝、生物滯留設(shè)施、綠色屋頂三個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域。其中，透水鋪裝實(shí)驗(yàn)區(qū)位于停車場，共設(shè)有6處透水鋪裝；生物滯留設(shè)施實(shí)驗(yàn)區(qū)位于停車場周圍的綠地，共設(shè)有3處生物滯留設(shè)施；綠色屋頂實(shí)驗(yàn)區(qū)位于停車場西邊空地，設(shè)有5個(gè)綠色屋頂、1個(gè)混凝土屋頂和7個(gè)布設(shè)在小型蒸滲儀上的綠色屋頂。
1.2 透水鋪裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
每個(gè)透水鋪裝單獨(dú)為1個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)，共6個(gè)透水鋪裝實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)見表1。透水鋪裝的面層和墊層材料均為影響透水鋪裝實(shí)際滲透能力的主要因素，因此選擇了4種應(yīng)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(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測，將其中1個(gè)透水鋪裝布設(shè)在蒸滲儀上。
1.3 生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
每處生物滯留設(shè)施單獨(dú)為1個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)，共3個(gè)生物滯留設(shè)施實(shí)驗(yàn)小區(qū)。3處生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)見表2。生物滯留設(shè)施Ⅰ為常規(guī)結(jié)構(gòu)，填料為再生骨料；生物滯留設(shè)施Ⅱ?yàn)榈怪媒Y(jié)構(gòu)；生物滯留設(shè)施Ⅲ為布設(shè)在蒸滲儀上的常規(guī)結(jié)構(gòu)。生物滯留設(shè)施Ⅰ、Ⅲ均收集來自屋面的雨水，雨水通過增設(shè)的檐溝和雨落管收集，其匯水面積分別為97、21m2；生物滯留設(shè)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(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
綠色屋頂實(shí)驗(yàn)區(qū)包括大型綠色屋頂實(shí)驗(yàn)區(qū)和小型綠色屋頂實(shí)驗(yàn)區(qū)。大型綠色屋頂實(shí)驗(yàn)區(qū)包括5個(gè)綠色屋頂和1個(gè)混凝土屋頂；小型綠色屋頂實(shí)驗(yàn)區(qū)為7個(gè)均布設(shè)在蒸滲儀上的小型綠色屋頂。
①大型綠色屋頂實(shí)驗(yàn)區(qū)
大型綠色屋頂實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)有5個(gè)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(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)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(shí)間的影響，設(shè)計(jì)了3種不同排水口形式：a.出水口設(shè)置為全透水磚；b.在設(shè)置30mm不透水磚基礎(chǔ)上安放透水磚；c.在預(yù)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(jìn)行了改進(jìn)，安裝了蓄水模塊作為雨水回用的設(shè)施。為研究設(shè)置不同密度吸水柱情況下蓄水模塊的供水能力，進(jìn)行了3種處理，其中處理Ⅰ：鋪設(shè)吸水柱18根/m2，共15m2；處理Ⅱ：鋪設(shè)吸水柱12根/m2，共15m2；處理Ⅲ：鋪設(shè)吸水柱8根/m2，共20m2。
②小型綠色屋頂實(shí)驗(yàn)區(qū)
小型綠色屋頂實(shí)驗(yàn)區(qū)共設(shè)有7個(gè)綠色屋頂，且均布設(shè)在小型蒸滲儀上。實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)原理設(shè)置7個(gè)處理方案，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表4所示。
實(shí)驗(yàn)方案考慮了基質(zhì)層厚度、排水方式和灌溉水平3個(gè)因素?；|(zhì)厚度有C1（6 cm）和C2（10 cm）兩個(gè)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(gè)水平；灌溉水平有M1（蓄水關(guān)鍵期補(bǔ)充水分）、M2（充分灌溉）和M3（無灌溉）3個(gè)水平。
2 典型海綿設(shè)施的精細(xì)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(shí)驗(yàn)場布設(shè)了一個(gè)小型氣象站，開展風(fēng)速、風(fēng)向、降雨、溫度、相對濕度等指標(biāo)的自動(dòng)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(shè)了一個(gè)降水降塵自動(dòng)采樣器，自動(dòng)收集干沉降與雨水樣品后進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)檢測。在海綿設(shè)施的入流與出流處均布設(shè)徑流自動(dòng)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(shí)間進(jìn)行徑流水樣的自動(dòng)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(gè)透水鋪裝的集水區(qū)獨(dú)立封閉，透水鋪裝實(shí)驗(yàn)區(qū)的監(jiān)測儀器布設(shè)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(shè)見圖2。以透水鋪裝Ⅰ實(shí)驗(yàn)小區(qū)儀器布設(shè)為例，在實(shí)驗(yàn)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(shè)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(jì)算獲得；為監(jiān)測實(shí)驗(yàn)小區(qū)的地表徑流過程，通過封閉實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shè)1個(gè)土壤水分傳感器；在礫石層底部布設(shè)一根?100mm的穿孔管，穿孔管中的水通過監(jiān)測井的含壓力式水位計(jì)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(gè)監(jiān)測井通過PVC管相互連通，當(dāng)水位到達(dá)一定高程時(shí)，水泵自動(dòng)啟動(dòng)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(shè)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(jì)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(shè)1個(gè)土壤水分傳感器；為了監(jiān)測礫石層排水情況，在礫石層設(shè)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(jì)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(gè)翻斗流量計(jì)相連。在兩個(gè)翻斗流量計(jì)下放置一個(gè)水箱，用于承接翻斗流量計(jì)的來水，當(dāng)水量達(dá)到一定值，水泵自動(dòng)啟動(dòng)將水排出蒸滲儀；設(shè)施的蒸發(fā)則借助蒸滲儀通過水量平衡計(jì)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(shè)土壤溶液提取裝置。
2.3 生物滯留設(shè)施水文過程監(jiān)測
2.3.1 生物滯留設(shè)施Ⅰ、Ⅱ
生物滯留設(shè)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(shè)施Ⅰ、Ⅱ具體監(jiān)測細(xì)節(jié)見圖4。設(shè)施的匯入水量由直接落在設(shè)施的降雨和設(shè)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(jì)的三角堰監(jiān)測；在生物滯留設(shè)施Ⅰ、Ⅱ旁均布設(shè)監(jiān)測井，生物滯留設(shè)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(shè)施的溢流量，在表層土面的中間布設(shè)?110mm 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(jì)的三角堰排出；在靠近溢流管處垂直安裝壓力式水位計(jì)，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(shè)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?110mm的穿孔管，穿孔管中的水通過監(jiān)測井中另一個(gè)安裝有壓力式水位計(jì)的三角堰排出，以此監(jiān)測礫石層出流；兩種生物滯留設(shè)施的蒸散發(fā)均可通過水量平衡計(jì)算出。
2.3.2 生物滯留設(shè)施Ⅲ
生物滯留設(shè)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(shè)施Ⅲ的監(jiān)測細(xì)節(jié)見圖5。設(shè)施的匯入水量由直接落在設(shè)施的降雨和設(shè)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(jì)的三角堰監(jiān)測；在生物滯留設(shè)施地表中間位置安放壓力式水位計(jì)用于監(jiān)測設(shè)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(shè)一個(gè)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(gè)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(jì)下放置一個(gè)水箱，用于承接翻斗流量計(jì)的來水，當(dāng)水量達(dá)到一定值時(shí)，水泵自動(dòng)啟動(dòng)將水排出；設(shè)施的蒸散發(fā)則借助蒸滲儀通過水量平衡得以實(shí)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(shè)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(shí)驗(yàn)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(jì)算獲得。大型綠色屋頂實(shí)驗(yàn)區(qū)的徑流計(jì)量設(shè)備分為兩部分：壓力式水位計(jì)和計(jì)量堰，通過壓力式水位計(jì)記錄水位數(shù)據(jù)，利用堰流公式計(jì)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(jì)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(shè)有蓄水模塊情況下不同密度吸水柱設(shè)置土壤的墑情，采用土壤水分傳感器對土壤含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)可在相關(guān)網(wǎng)頁讀取。在綠色屋頂Ⅳ區(qū)域三種方案各設(shè)2個(gè)探頭進(jìn)行土壤含水量監(jiān)測，同時(shí)在綠色屋頂Ⅰ設(shè)2個(gè)探頭進(jìn)行土壤含水量監(jiān)測。每個(gè)小型綠色屋頂均布設(shè)6個(gè)土壤水分傳感器，可對土壤含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)可在相關(guān)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(dòng)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(dòng)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(jié)論
實(shí)驗(yàn)場主要特色體現(xiàn)在基于長時(shí)間尺度，對透水鋪裝、生物滯留設(shè)施和綠色屋頂三種典型海綿設(shè)施監(jiān)測困難較小的水文要素進(jìn)行監(jiān)測，再借助蒸滲儀進(jìn)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(shí)現(xiàn)對透水鋪裝、生物滯留設(shè)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(yùn)用較廣泛的面層材料和2種墊層材料，能實(shí)現(xiàn)對多種透水鋪裝的水文調(diào)控效果比較分析；布設(shè)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(jìn)行監(jiān)測分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對透水鋪裝整個(gè)水循環(huán)的監(jiān)測分析。
生物滯留設(shè)施實(shí)驗(yàn)區(qū)共設(shè)有3處生物滯留設(shè)施，能實(shí)現(xiàn)不同類型生物滯留設(shè)施的水文調(diào)控效果比較。其中2處生物滯留設(shè)施的結(jié)構(gòu)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(shè)在蒸滲儀上的生物滯留設(shè)施，在對生物滯留設(shè)施的多層土壤濕度、深層滲漏、蒸散發(fā)進(jìn)行監(jiān)測分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對生物滯留設(shè)施整個(gè)水循環(huán)的監(jiān)測分析。
基于綠色屋頂實(shí)驗(yàn)區(qū)可實(shí)現(xiàn)對綠色屋頂?shù)乃恼{(diào)控效果分析，布設(shè)了土壤水分傳感器的綠色屋頂Ⅰ、Ⅳ能實(shí)現(xiàn)綠色屋頂?shù)乃h(huán)過程分析。大型綠色屋頂還能實(shí)現(xiàn)對不同排水口形式的綠色屋頂蓄水能力和設(shè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)場布設(shè)了降水降塵自動(dòng)采樣器對大氣干濕沉降進(jìn)行監(jiān)測。透水鋪裝、生物滯留設(shè)施、綠色屋頂三種海綿設(shè)施均能實(shí)現(xiàn)不同出流時(shí)間的污染物削減效果分析。對于布設(shè)在蒸滲儀上的透水鋪裝、生物滯留設(shè)施兩種設(shè)施，采取多層采樣的方式，在設(shè)施的8個(gè)不同埋深進(jìn)行土壤溶液采集，可在不同出流時(shí)間污染物濃度變化研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)施不同深度的污染物濃度變化研究。