固原市低影响开发措施下土壤水分时空变化

张镇玺, 徐国策, 黄绵松, 田 珂, 李占斌, 徐明珠

(1.西安理工大学 旱区生态水文与灾害防治国家林业局重点实验室,陕西 西安 710048; 2.宁夏首创海绵城市建设发展有限公司, 宁夏 固原 756000)

城市雨洪管理问题是制约我国城市发展的核心问题之一，因城市地表不透水面积增加，雨水可下渗量减少，导致地表径流增加，城市排水负荷加重[1]。海绵城市遵循LID(低影响开发)原则：即针对城市化过程中所产生的内涝、污染加剧、径流蔓延、生态环境恶化等问题，使区域开发后的排水状态，效仿自然的排水方式，尽可能接近于区域开发前的排水状态和自然的水文循环。在此基础上，将雨水蓄存、吸收、渗透、净化，并在需要时再加以利用，能够提升城市生态系统功能，减缓城市洪涝灾害的发生[2]。目前应用效果较好的LID措施包括透水铺装、生物滞留措施、下沉式绿地、绿色屋顶、过水草沟、雨水花园和雨水桶等措施，各种LID措施的建设对于城市海绵化高效益建设十分必要[3]。土壤储水量受到降水入渗及再分布、土壤水分的蒸发、植物根系吸水利用等水循环过程的影响[4]。Xu等[5]研究表明，土壤深度对土壤含水量的时空分布有着显著影响。刘继龙等[6]研究表明随着土层深度的增加，土壤水分的时间稳定性逐渐增强。同时，土壤储水量也受到气候及环境温度的影响，冻融期内，土壤的冻融特性受到气候、植被、地形、积雪覆盖、含水率和盐分含量等因素的影响[7]。当土壤温度降低，直至冻结温度之下时，土壤内部水分冻结，形成冻土[8]，樊贵盛等[9]研究表明，随着土壤含水率的增大，冻融土壤入渗能力降低。LID措施能够从源头对径流进行调控[10]，不同LID措施对土壤水分的蓄存及分布均有影响。目前为了探究LID措施对土壤水分的影响，已经开展了很多相关研究。Allen等[11]研究表明，生物滞留措施及雨水花园等措施通过过滤和渗透作用将雨水蓄存到措施内部，极大地减少了径流量和洪峰。Busk[12]研究发现，生物滞留措施可以减少地表径流量的97%～99%。Ahiablame等[13]发现LID措施削减城市洪水效果明显。刘昌明等[14]研究表明下凹式绿地稳定入渗率在0.5～2.3 mm/min之间。汪艳宁等[15]研究表明，过水草沟接纳径流量可达硬质路面的2.16倍。李怀恩等[16]研究表明，LID雨水入渗会影响设施净化雨水能力。不同的LID措施，对径流削减效果不同，在措施布设较为密集的街区，内涝面积削减率达48.96%[17]。值得注意的是，虽然前人对不同LID措施下地表径流的水文过程做了大量研究，然而目前对于LID措施下不同季节和降雨条件土壤水分的研究较少，且很少有关于冻融期内LID措施下土壤冻融量的研究。土壤水分在干湿季、以及不同降雨和冻融条件下的变化不同，LID措施下的效果也会有较大区别，因而研究不同LID措施对土壤水分的影响有重要意义。

宁夏回族自治区固原市从2016年被列为国家第二批海绵城市的建设试点以来，共实施海绵城市建设项目70个，基本完工60个，改造海绵化道路16条18 km，小区90个3.23×106m2。水资源的存蓄和利用是固原海绵城市建设中控制雨水和缓解水资源短缺的重要技术手段，本文根据气象数据、遥感数据及土壤含水量资料，分析了不同LID措施条件下的土壤在干湿季、不同降雨、冻融条件下土壤水分变化情况，并对研究区的LID措施蓄存潜力进行了评估，为固原市海绵城市低影响开发建设及水资源有效利用前景提供相关依据和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

固原市位于宁夏回族自治区，地处黄土高原上六盘山北麓清水河畔，地势南高北低，坐标106°11′—106°18′E，35°85′—36°30′N，海拔1 753 m，属典型的中温带大陆性气候，多年平均气温5 ℃[18]，多年平均降水量438.5 mm。年内降水主要集中在6—9月，约占全年降水的79.37%。土壤以湿陷性黄土为主，是西北高原典型土质类型；植被类型主要为华北落叶松、沙棘等。本文研究区域位于固原市原州区海绵措施区块西部的玫瑰苑小区，玫瑰苑小区是固原市海绵化改造小区之一，具有明显的海绵化小区特征，是典型的小区海绵示范工程：玫瑰苑小区内部布设有过水草沟、下沉式绿地和雨水花园等LID措施，同时每栋建筑周围布设有2～3个雨水桶。

1.2 研究方法

测点布设及样品采集：对固原市玫瑰苑小区内不同LID措施下的土壤水分变化进行实时动态监测，采用东方生态公司智墒ET60，土壤水分监测仪分别布设在过水草沟外部的草地，过水草沟内部及下沉式绿地内部。监测深度为0—60 cm，分为6层，每10 cm为一层，6个土层从上到下分别为L1，L2，L3，L4，L5和L6。根据前人研究[19-21]，将0—10 cm土层称为活跃层，10—30 cm土层为次活跃层，40 cm之下的土层为稳定层。本研究采用2018年8月20日至2019年2月28日期间的逐小时土壤水分监测数据，数据采集时间间隔为1 h，对不同LID措施的土壤水分在不同季节、不同降雨条件、冻融条件下的土壤含水量进行研究。通过以下公式计算各层土壤的土壤储水量及降雨后的水分补给量：

(1) 各层土壤储水量(SWi)：

SWi=θihi(i=1,2,…,6)

(1)

(2) 土壤总储水量(SW)：

(2)

式中：SWi为第i层土壤储水量(mm)；θi为第i层土壤体积含水量(%)；hi为各层土壤厚度(mm)； SW为0—60 cm土层土壤总储水量(mm)。

(3) 土壤水分补给量：

ΔSW=SWmax-SW0

(3)

式中：ΔSW为研究时段内土壤储水量的变化量(mm)； SWmax为降雨后0—60 cm土壤总储水量最大值(mm)； SW0为降雨前期0—60 cm土壤总储水量(mm)。

(4) 土壤冻融量：

ΔSWi=SWα-SWβ

(4)

式中：ΔSWi为冻融期内第i层土壤储水量的变化量，即为冻融量(mm)； SWα为第i层冻融前土壤储水量(mm)； SWβ为第i层冻融后土壤储水量(mm)。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化特征详

2000，2010，2018年固原市海绵措施区块土地利用类型面积统计详见表1。结果表明，固原市海绵措施区块总面积为39.91 km2，其中，耕地、林地和建筑用地是主要的土地利用类型。

2000—2018年，林地、公路和建筑用地面积持续增加，占比从2000年的5.33%，3.23%和29.24%，增加至2018年的17.86%，9.61%和45.96%。耕地面积显著减少，占比从2000年的56.88%减少为2018年的5.02%，草地面积先增加后减少，总体呈增加趋势，水域面积基本不变。原因在于固原市城市化进程明显，对建筑用地需求增加，其他土地利用类型逐步转化为建筑用地。

表1 固原市土地利用结构

图1—2分别为固原市海绵措施区块2000—2010年和2010—2018年的土地利用变化程度，深色为土地利用变化程度较大的区域，且颜色越深表示变化程度越大，浅色为土地利用变化程度较小的区域，越浅表示变化程度越小。

由图1—2可知，2000—2010年，土地利用变化程度较大的区域主要出现于研究区东侧，并向西侧延伸，西北方向土地利用变化程度较小；2010—2018年，研究区变化程度较大区域出现在研究区西部，而研究区东部变化程度较西部低，几乎没有土地利用变化程度较小的区域。

图1 研究区2000-2010年土地利用变化程度

图2 研究区2010-2018年土地利用变化程度

玫瑰苑小区不同土地利用类型面积详见表2。统计玫瑰苑小区不同土地利用下的面积及所占比例。结果表明，玫瑰苑小区总面积为63 725.58 m2。建筑用地是玫瑰苑小区的主要土地利用类型，面积33 525.64 m2，占总面积的52.61%。

玫瑰苑小区草地、过水草沟、下沉式绿地和雨水花园面积占总面积的比例分别为6.22%，8.75%，14.54%和1.08%。其中LID措施下过水草沟、下沉式绿地和雨水花园总面积15 530.42 m2，占总面积的24.37%。

表2 玫瑰苑小区不同土地利用面积分布

2.2 雨季和旱季土壤储水量变化特征

不同季节LID措施下土壤储水量的统计特征详见表3，通过公式(1)—(2)将土壤含水量转换为各LID措施下各层土壤储水量和总储水量。结果表明，整个研究时段内，草地、过水草沟和下沉式绿地全年储水量分别可达101.96，27.22和97.33 mm，全年储水量呈现：草地>下沉式绿地>过水草沟。不同LID措施下，绝大部分土层雨季的土壤储水量大于旱季的土壤储水量。此外，对全年土壤储水量进行差异显著性检验后得出，草地、过水草沟、下沉式绿地在不同季节间差异不显著(p>0.05)。全年平均土壤储水量最低的土层为过水草沟L5，最高为草地L5。草地、过水草沟、下沉式绿地在雨季和旱季储水量分别为107.37，29.46，101.03 mm和67.6，20.66，69.34 mm。雨季和旱季下沉式绿地L1—L3土壤储水量最高，草地L4—L6土壤储水量最高，过水草沟土壤储水量普遍低于草地和下沉式绿地，草地和下沉式绿地储水效果明显。不同LID系统的土壤储水效率从大到小依次为：L1—L3土层土壤储水量呈现：下沉式绿地>草地>过水草沟，L4—L6土层土壤储水量呈现：草地>下沉式绿地>过水草沟，过水草沟储水效果较差，储水量较低，草地和下沉式绿地分别对表层和下层的雨水起到一定的存储作用。本身草地对土壤水分就有着较好的蓄存效果，下沉式绿地和过水草沟取代了一部分原本的草地，下沉式绿地储水效果和草地相当，而过水草沟对雨水的存蓄效果不太理想。

根据Nielson和Bouma对Cv分类[22-23]可知，当研究变量为弱变异时Cv≤10%；当研究变量为中等变异时10%

表3 不同季节LID措施下土壤储水量统计

2.3 不同降雨条件土壤水分变化

不同降雨条件(2018年08月21日暴雨和2018年09月14日小雨)后72 h内各LID措施的土壤含水量变化如图3所示。根据图3所显示不同LID措施布设情况下的储水深度及含水量，各措施土壤含水量变化受降雨量变化影响明显。暴雨条件，各个LID措施的土壤含水量在降雨前期迅速增加，草地、过水草沟和下沉式绿地在暴雨降雨42，24和36 h后，不同深度土壤水分含量开始下降，各LID措施下的降雨入渗均可至L6土层；小雨条件，各LID措施下L1土层土壤含水量仅在降雨前期出现小波动，小雨在草地可入渗至L3土层，而小雨对于过水草沟和下沉式绿地，仅入渗至L1土层，其余各层土壤含水量均没有明显变化，小雨降雨30 h后，各个措施下土壤含水量趋于平稳，小雨在草地的入渗深度较过水草沟和下沉式绿地深10—20 cm。

图3 不同降雨条件下各LID措施的土壤含水量变化

不同降雨条件下各LID措施储水量详见表4。暴雨和小雨后72 h草地、过水草沟、下沉式绿地的储水量分别为104.51，31.37，115.54 mm和99.48，26.16，94.08 mm。通过公式(3)计算土壤水分补给量，研究结果表明，暴雨条件，各措施储水效果明显，草地和过水草沟土壤补给量分别为63.68和14.84 mm，下沉式绿地补给量最高，为66.49 mm，充分发挥蓄存功能，下沉式绿地和草地对雨水的存蓄补给效果明显。主要是因为LID措施代替了原有的部分草地，大大增加了雨水的入渗能力和存储能力，相比于传统小区绿地，下沉式绿地措施对雨水的存蓄效果更加明显；小雨条件各措施储水量增加值变化不明显，草地、过水草沟和下沉式绿地土壤补给量分别为3.94，1.71和1.26 mm，各个措施均有一定的蓄存量。

表4 不同降雨条件下各LID措施储水量

LID措施在暴雨条件下的蓄存效果显著，能够有效减少径流总量并存储积水，小雨条件下LID措施能有效减少小区发生内涝的概率。要解决内涝问题，仍需要多布设下沉式绿地，并多保留草地。

2.4 冻融条件土壤水分变化

不同措施下冻融期(2018年11月至2019年2月)土壤平均温度如图4所示。由图4可知，在整个冻融期内，草地、过水草沟和下沉绿地的平均温度随着土壤深度增加呈现增加趋势，在60 cm土层中，草地、过水草沟和下沉绿地的温度达到最大值5.23，5.95，5.82 ℃。研究结果表明，不同措施下的温度变化大致相同，低温主要出现在各措施的0—10 cm层，在10—60 cm的土壤深度中，草地、过水草沟和下沉绿地三种措施的下垫面温度呈现：过水草沟>下沉式绿地>草地，冻融期内，过水草沟和下沉绿地的温度高于草地，两种LID措施有着良好的保温效果，LID措施深层保温效果较浅层更加明显。

图4 不同LID措施下土壤平均温度

不同LID措施土壤总冻融量如图5所示。由图5可知，在整个冻融期内，草地、过水草沟和下沉式绿地的总冻融量随着土壤深度增加呈现减少趋势，其中草地、过水草沟和下沉绿地的冻融量分别达到111.16，75.73和46.9 mm，所有措施在0—10 cm层总冻融量为88.30 mm，占总冻融量的37.34%。在整个冻融期内，草地、过水草沟和下沉式绿地等3种下垫面总冻融量在L1土层中呈现：过水草沟>草地>下沉式绿地；在L2—L6土层中呈现：草地>下沉式绿地>过水草沟；冻融主要集中于L1土层层，L2—L6土层土壤对比L1土层土壤，冻融量较少。因为LID措施的取代传统小区绿地，使得冬季小区绿地内冻融的水分减少，LID措施内土壤水分增加。通过对土壤温度和冻融量分析表明，LID措施土壤保温性能良好，并且能够达到很好的冻融控制效果，若冬季冻土较多，可适当多布设LID措施，对土壤温度的降低起到一定的缓释作用。

图5 不同LID措施土壤总冻融量

2.5 LID措施蓄存潜力评估

为了对建设海绵城市给玫瑰苑小区带来的绿化面积和土壤储水量进行评估，首先对玫瑰苑小区海绵城市建设所带来的LID措施面积进行评估，分析得到玫瑰苑小区两种LID措施面积大小，LID措施面积评估详见表5。过水草沟和下沉式绿地面积分别为5 574.93和9 268.00 m2。玫瑰苑小区的绿地面积潜力可达18 804.05 m2。

表5 LID措施面积评估

玫瑰苑小区LID措施调蓄潜力评估详见表6。分析玫瑰苑小区蓄存水资源的含量，综合LID措施的空间分布特征，在土地利用及储水量变化的基础上，评估玫瑰苑小区的调蓄潜力。结果表明，小区全年蓄存潜力为1 691.31 m3，其中雨季蓄存潜力1 766.46 m3，旱季蓄存潜力1 216.31 m3；暴雨补给潜力可达1 121.8 m3，小雨补给潜力较低；冻融期内，各个措施冻融潜力为699.67 m3。各种影响因素下，研究区玫瑰苑小区LID措施调蓄潜力可观，存储调蓄效果明显。

表6 LID措施调蓄潜力评估 m3

3 讨 论

引起土壤水分变化因素有很多，不同LID措施下土壤水分还会受到填料、植被类型、LID措施结构等因素的影响[24]。土壤表层的植被的变化也会导致土壤物理性质的变化[25]。混合LID措施对径流也有一定的削减作用[26]，从而改变土壤水分。本文中过水草沟相比于草地和下沉式绿地，雨季和旱季、不同降雨条件和冻融条件下土壤储水量和冻融量较低，与王艳宁[27]等研究结果相差较大，经过实地勘察，可能因为过水草沟土层受到土工布等材料影响，导致土壤结构过于紧致或松散，孔隙度过小或过大，土壤水保留至土壤表面或下渗至60 cm之下，引起过水草沟土壤储水量低于草地和下沉式绿地的现象。总之，本研究中虽显示下沉式绿地在各种影响因素下，储水量最高，但现实中同种措施的植被覆盖不同，且常常需要多种LID措施相结合，在实际的海绵城市建设过程中，需要考虑不同LID措施的结构、填料、植被覆盖等方法的改进，不断提高各种LID措施的储水量。

4 结 论

(1) 固原市海绵区块主要土地利用类型为耕地、林地和建筑用地土地利用变化程度从东部向西部延伸；玫瑰苑小区LID措施面积占总面积的24.37%。

(2) 下沉式绿地和草地对降雨有显著的存蓄作用，但过水草沟存蓄效果不明显，6个土层深度的土壤含水量均属于中等变异；LID措施对暴雨条件下的雨水蓄存效果显著，小雨条件下能有效减少小区发生内涝的概率。

(3) 冻融期内随着土层深度增加，各措施下垫面平均温度呈现增加趋势；而各措施冻融量呈现减小趋势，冻融主要集中于0—10 cm层，占总冻融量的37.34%。

(4) 经评估结果显示，LID措施的存蓄潜力巨大，对全年降雨有着良好的存蓄潜力，同时对暴雨后的存蓄潜力较多，布设LID措施能够有效缓解内涝，增加土壤储水量，减轻排水管网压力。