成都市绿地土壤特性及对雨洪削减效应的研究

董光 周维 何兰

摘要 研究成都市锦江区5类城市绿地的土壤特性，分析各类绿地土壤的分布规律，建立锦江区绿地土壤对雨洪削减效应的估算模型。结果表明：锦江区绿地土壤质地以粉砂质壤土、粉砂质黏壤土和粉砂质黏土为主；城市绿地土壤受人为活动影响显著，物理性质发生了较大变化，土壤孔隙度和渗透性均下降；不同类型的绿地土壤入渗速率差异较大，以生产绿地和公园绿地为最好。绿地土壤对雨洪的蓄渗效果随土壤入渗速率的增大而增大，且下凹式绿地的蓄渗效果更佳。

关键词 城市绿地；土壤特性；入渗速率；蓄渗率

中图分类号 S152文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）01-0137-04

Abstract In this paper，the soil characteristics of five urban green land in Jinjiang District of Chengdu City were studied，and the distribution rule of soil were analyzed.The estimation model of storm water runoff reduction effect was established.The results showed that the soil texture in Jinjiang District was silty loam，silty clay loam and silty clay.The soil of urban greenland was influenced by human activity，and the physical properties had changed greatly，and soil porosity and permeability had decreased.Different types of greenland soil infiltration rate were different，produce greenland and park greenland were the best.The effect of the red soil infiltration on the rainwater infiltration increased with the increase of soil infiltration rate，and the effect of reservoir was better.

Key words Urban greenland；Soil characteristic；Penetration rates；Storage and infiltration rates

城市化是當今社会发展的主流，随着城市化进程的加快，相配套的城市绿化也得到了迅速发展。城市绿地土壤是城市生态系统的重要组成部分，有诸多的生态环境效应，对维持良好的城市生态环境以及可持续发展具有重要意义。城市绿地作为一种天然的渗透设施，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[1-2]，城市土壤研究在世界范围内逐步兴起和深化[3]。

在发达国家，绿地的雨水径流调蓄效应已得到重视，在城市绿地土壤特性方面也进行了大量的研究[4]，欧美等发达国家常用渗滤技术进行雨水资源化处理。我国对城市土壤的研究起步较晚，研究者关注较少，缺乏这一技术应用的基础数据。20世纪90年代以后，Jim对香港城市土壤的理化性质及其对植物生长的影响进行了一系列研究。马建华等[5]对大学校园与绿地建设进行初步研究。国内大多侧重于城市土壤的污染或养分的研究，对城市土壤物理性质的研究较少。

通过比较成都市锦江区不同类型的绿地土壤特性，探讨影响绿地土壤入渗性能的因素，以期增强对锦江区绿地土壤特性的认识，为合理规划、建设城市绿地蓄渗雨洪，发挥其在城市水文生态循环中的作用，积累基础数据等方面，提供更加科学可靠的依据，促进城市的可持续发展[6]。

1 研究区概况

锦江区是成都市中心城区之一，位于成都市东南部，面积61.12 km2。到2015年，锦江区中心城区人均公共绿地面积达到13.5 m2，绿化覆盖率达42%。研究区属亚热带湿润季风气候，终年温暖湿润，四季分明，年平均气温16.2 ℃左右，年平均降雨量800～1 000 mm，雨量充沛，但季节差异性明显，降水主要集中在7—8月，平均降水量200～240 mm。

2 研究方法

2.1 绿地分类与土样采集

根据功能用途不同，将城市绿地划分为生产绿地、居住绿地、附属绿地、公园绿地和防护绿地5大类[7]。在各类绿地中布设采样点56个，样点均选择在代表性地段，尽量回避人工填充物，采样深度为0～20 cm，在每个样点均采用4点混合法采集约500 g样本1份，采集环刀样本2份，样点空间分布如图1所示。

2.2 土壤特性测定

2.2.1 土壤粒径分析。将4点混合采样法采集的土壤样品经室内自然风干后，去除杂物，碾碎过2 mm筛，用激光粒度分析仪测定土壤的质地组成。

2.2.2 测定土壤通气孔隙度。用环刀在样本点取样，回室内后取下环刀上盖，将环刀盖有垫滤纸的网孔一端放入盛水的搪瓷盘中，盘中水层高度至环刀上沿（不淹没），使其吸水12 h，取出环刀，盖上上盖，立即称重（m1） ，准确至0.1；将上述称量后的环刀放置在铺有干砂的平底盘中12 h（网孔在下），然后立即称重（m2）； 最后将称量后的环刀放入105 ℃烘箱烘至恒重（m3） ，则

2.2.3 测定饱和土壤入渗速率。

饱和土壤入渗速率用双环刀法测定[8]。将环刀样本带回室内浸水12 h，到预定时间将环刀取出，在上端套一空环刀，接口处先用胶布封好，再用熔蜡黏合，严防从接口处漏水，然后将结合的环刀放在漏斗上，用烧杯承接水，向空环刀中加水，水层5 cm。加水后从漏斗滴下第一滴水时开始计时，每隔2 min测量漏斗下烧杯里的出渗水量 Qi， 同时保持上面环刀中水的高度不变，则入渗速率由下式得到：

式中： V 为入渗速率（mm/min）； Tn 为每次渗透间隔时间（min）； Qn 为间隔时间内渗透水量（mL）； S 为渗透面的横断面积（cm2）。

2.3 绿地减洪效果

土壤具有容纳、传输水分的能力，是防治城市洪涝灾害的重要途径之一。城市绿地对雨水径流的蓄渗效应主要体现在雨水下渗和雨水蓄积两方面。因此，城市绿地土壤入渗速率的大小和下凹程度是决定绿地蓄渗雨水效果的关键因素。通过对雨水径流渗蓄率的计算，反映城市绿地的雨水蓄渗能力。计算公式如下：

3 城市绿地土壤特性

3.1 土壤质地

土壤质地反映了土壤不同粒级的颗粒组成情况，是土壤的重要属性。土壤质地对土壤入渗性能影响很大。解文艳等[9]以土壤粒径小于0.002 mm的黏粒质量分数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性能的影响十分明显；土壤质地由轻变重，土壤入渗性能减小。表1是按照国际制土壤质地分类标准得出的锦江区不同绿地土壤的质地组成。从表1可以看出，锦江区绿地土壤质地主要为粉砂质壤土、粉砂质黏壤土和粉砂质黏土，各类土壤在该次试验样品中的占比分别为69.64%、10.71%和19.64%。

3.2 土壤孔隙度

土壤渗透性是反映土壤特性的重要指标，对降水进入土壤、在土壤中的贮存及对地表径流都有重要影响[10]。土壤容重和孔隙度两项指标对渗透性有着直接影响。在城市绿地中，土壤压实现象普遍，土壤容重增大，孔隙度减小，渗透率随之下降。Chi[11]曾对香港道路两旁绿地的土壤渗透率进行测定，紧实土壤和邻近未压实的土壤入渗速率则分别为0.8、3.5 mm/min，说明土壤压实是城市绿地土壤普遍存在的重要特征，也是造成绿地土壤入渗速率下降的重要因素。

虽然土壤容重能很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土壤容重和渗透性会有所差异，所以有学者认为用孔隙度来反映土壤的渗透性和压实程度会更合适。Winzig[12]研究发现土壤渗透性随着土壤通气孔隙度的增加而增加。因此，土壤的通气孔隙是影响水分渗透的关键因素，而城市土壤的压实严重影响了土壤的正常孔隙分配，总孔隙度降低，非毛管孔隙的比例大大下降。非毛管孔隙是指通气孔隙，其中的水分可以在重力的作用下排出，具有通气和排水的功能，决定土壤的渗透性[13]。

有研究表明，城市绿地土壤的通气孔隙度一般很难超过10%。在香港，土壤平均通氣孔隙度为7.85% （3.26%～20.14%）[14]。在南京，土壤平均通气孔隙度只有2.20%。从表2可以看出，生产绿地和公园绿地的土壤通气孔隙度均略高于10.00%，附属绿地与防护绿地也处于较高水平。居住绿地土壤通气孔隙度为5.52%～10.00%，大于10.00%的绿地数占总数的41.67%。

3.3 绿地土壤渗透性

城市绿地既承担住宅景观绿化的功能，还承担雨水渗滤的功能，因此绿地土壤的入渗速率是发挥其雨水蓄渗效应的关键。表3为锦江区不同类型的绿地土壤入渗速率及其分布概率，生产绿地与防护绿地的土壤入渗速率高于其他3类绿地土壤，且超过60%的绿地土壤入渗速率大于5×10-6m/s，表现出良好的渗透性，但由于人类生产生活的影响，同时又表现出较大的波动，不同样点的土壤差异性较大。居住绿地和公园绿地的土壤大都是人为填充，经过大型机械压实等影响，土壤通气孔隙度下降（表2），渗透性变差。各类绿地土壤入渗速率差异较大，最大可达10-5 m/s数量级，最小在10-8 m/s数量级，且大都在5×10-6 m/s以下，蓄渗雨水的能力相对较弱。

造成城市绿地土壤入渗速率差异的因素众多。除了土壤压实造成的土壤容重增加、通气孔隙下降等因素外，还受绿地土壤土体构型的影响，某些土层含有较多的侵入体，如石砾、砖瓦块、煤渣和石灰颗粒等，土壤中这些物质的存在产生的孔隙和裂隙也影响水分运动，能显著提高土壤的入渗性能，这也是造成土壤入渗速率较大的重要原因。土壤剖面中的水分沿建筑废弃物和家庭废弃物等产生的孔隙运动，也是城市绿地土壤水分运动的重要特征[15]。

4 绿地减洪效果计算与分析

在了解锦江区土壤特性的基础上，进一步分析该区域绿地削减地表径流的能力。根据该区域实测的土壤入渗速率，结合各类绿地土壤入渗速率的概率分布对土壤入渗速率进行合理选择，以建设下凹式绿地为例，计算绿地减洪效果。

2015年，成都市发布了修订版的中心城区暴雨强度计算公式，能够客观地反映当前成都市降雨的实际情况，具体计算公式如下：

为了更加直观地看出绿地对城市雨洪的削减效应，将模拟成都市不同类型城市绿地对重现期为五年一遇的暴雨持续1 h降雨量的蓄渗率，通过式（8）可计算出成都市五年一遇的暴雨持续1 h降雨量为53.58 mm，由公式（5）～（7）可得出在不同下凹深度下城市绿地的雨水蓄渗率（表4）。

从表4可以看出，不同类型的绿地土壤蓄渗雨水能力存在较大差异。在相同的下凹深度下，土壤稳定入渗速率越大，雨水蓄渗率越高。在同类型的绿地中比较，随着下凹深度的增大，雨水蓄渗率也明显逐渐增大。在生产绿地中，当下凹深度达到10 cm时，雨水蓄渗率高达92.43 %；居住绿地土壤稳定入渗速率较小，建设下凹式绿地也能够在较大程度上削减五年一遇暴雨带来的城市雨洪。因此，在新建城市绿地时，可以适当降低绿地的高程，在不影响景观效果的情况下，充分发挥城市绿地的生态环境功能。

5 结论

绿地是城市规划中的重点规划要素，在城市生态系统中占据重要地位。土壤是绿地的根本。以成都市锦江区为研究对象，将绿地划分为生产绿地、居住绿地、附属绿地、公园绿地和防护绿地5大类，并分别对各类绿地采样，通过试验分析，得出以下结论：

（1）成都市锦江区绿地土壤类型主要为粉砂质壤土、粉砂质黏壤土和粉砂质黏土。

（2）城市绿地土壤由于受人为活动的影响，土壤物理性质发生显著变化，土壤容重增大，孔隙度和渗透性降低，压实现象普遍。不同类型的绿地土壤入渗速率差异较大，以生产绿地和公园绿地为最好，其后依次为附属绿地、防护绿地、居住绿地。

（3）通过模拟城市绿地对锦江区五年一遇暴雨持续降水1 h的雨洪蓄渗作用，可以发现不同类型的绿地对雨洪的蓄渗效果存在一定的差异。生产绿地与防护绿地对雨洪的蓄渗效果最好，居住绿地和公园绿地较差，随着下凹深度的增大，雨水蓄渗率也逐渐增大。所以在城市建设中，应当将绿地建设成适当深度下凹式绿地，将部分居住区的分散绿地改造成下凹式绿地，以便充分发挥城市绿地的生态环境功能，增强对雨洪的削弱效应。

参考文献

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