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下凹式绿地对周边地下水动态影响的试验研究
摘要：为探究下凹式绿地对周边地下水动态的影响，本文选取了细砂、中细砂和粗砂三种不同粒径的砂土，开展不同下凹深度与不同土壤含水量条件下的室内下凹式绿地槽试验研究。试验结果表明，含水介质为粗砂且下凹深度为10 cm时，地下水动态变化最显著，水位埋深变幅达22.7%,影响范围约58 cm,其影响效果随介质渗性和下凹深度的降低而减弱。同时地下水动态变化程度与土壤含水量有关，17%含水量条件下的水位埋深变幅约是45%含水量条件的1.5倍。
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随着城市化水平的不断提高，道路、住宅等不透水表面面积持续扩大，地表径流数量和强度的增加给城市防洪排涝工作带来了极大的压力。而下凹式绿地作为海绵城市重要的雨水收集手段，具有提升城市绿地汇聚雨水、蓄洪排涝、补充地下水、净化生态等能力的功能，对城市绿地的水文调蓄功能具有重要意义[1]。众多学者从径流削减、污染净化等角度探究影响下凹式绿地设计的关键因素，并从绿地结构、群落配置等方面优化其减峰增透性能，并尝试克服下凹式绿地的本土性[2]难点，扩展其适用性，应用到更广泛的地区。已有物理模型和试验研究表明，砂土层与卵石层相对比例较高的层级结构有助于提高暴雨时期雨水蓄存率和污染物去除率[3,4];部分成果在滨海盐碱区域建设海绵城市下凹式绿地中进行了应用分析和工程验证，提出了排蓄物理冲突、养分缺失、水涝烂根、渗透性差、景观效果不佳五方面技术问题的解决方案[5,6,7]。
下凹式绿地在削减峰值和净化雨水方面发挥着重要作用，从地下水补给角度，下凹式绿地在储蓄雨水和削减峰值的同时，可以增加周边地区地下水的补给量，影响地下水动态变化特征。为此，本文通过构建下凹式绿地室内槽试验模型，探讨下凹深度、土壤含水量及包气带介质对周边地下水动态变化特征的影响程度与范围，以期为科学收集雨水和。
1、试验材料与方法
1.1 试验装置
本次试验采用槽试验装置如图1所示，试验槽材料为亚克力板，长、宽、高分别为150 cm、50 cm、50 cm, 两侧各设置一个长15 cm的出水槽，出水槽底部开有直径约5 cm的圆孔，接有软管与试验室排水渠相连。出水槽与主槽之间的隔板上均匀地打有小孔用于排水，渗出水量将进入出水槽，通过底部出水口与水管流出。隔板内侧平铺有双层纱网，用以防止砂粒进入小孔导致堵塞。
图1 实验装置
1.2 试验材料与方法
本次试验选取了颗粒大小不同的三种均质砂样，分别为细砂、中细砂、粗砂，采用分层装填的方法装填入试验槽，装填时每装填10 cm厚时进行一次压实，装填深度共计30 cm, 为保证压实相对均匀，装填结束后静置12 h。试验槽中部共分别设计了5 cm、7 cm和10 cm三种下凹深度，并铺上双层纱网。相同砂样、相同下凹深度条件下，设计了两组土壤含水量，用以探究土壤含水量对下凹式绿地周边地下水动态的影响，本次试验设计的方案如表1所示。
为保证下凹深度的水头基本稳定，上部布设有与水龙头相连的软管作为供水装置，用阀门调控补给水量的大小，形成稳定下渗过程。通水前在凹槽两侧约5 cm处置入含量为90%的高锰酸钾片，利用高锰酸钾遇水溶解变红的原理直观显示地下水水位变化情况。
表1 试验方案
2、试验结果与分析
2.1 下凹深度对地下水动态的影响分析
基于不同试验方案的观测数据，分别得到了细砂、中细砂、粗砂不同下凹深度下周边地下水位的响应情况，如图2所示。
由图2可以看出，下凹深度为5 cm时，经过25 min, 水位埋深从15.4 cm下降至15.2 cm, 水位变化为0.2 cm, 过程中有轻微波动，25 min后基本稳定，埋深保持在15.2 cm。这表明下凹深度为5 cm时，地下水位呈缓慢上升的态势，且变化幅度较小，表明下凹式绿地中的水分下渗补给量较小，单位时间内补给量与侧向渗出排泄量基本持平。下凹深度增大至7 cm时，经过15 min, 水位埋深从15.4 cm降至14.6 cm, 水位变化为0.8 cm, 15 min后基本稳定，水位埋深保持在14.6 cm。地下水水位呈现较为明显的上升趋势，下渗补给量大于侧向排泄量，储存量增加，待水位上升至一定值后，侧向排泄面积的增大或者排泄速度的增加使补给与排泄二者最终趋于平衡，水位达到稳定状态。下凹深度继续增加至10 cm时，经过35 min, 水位埋深从15.4 cm降至11.9 cm, 水位变化为3.5 cm, 35 min后基本稳定，埋深保持在11.9 cm。表明随着下凹深度增加，地下水位上升趋势越明显，且变化幅度逐渐增大。
图2 不同下凹深度水位埋深变化过程
表2 不同下凹深度地下水位动态特征值统计
水位稳定后，以下凹深度为7 cm为例，试验槽内细砂、中细砂和粗砂达到稳定状态后，断面地下水水位如图3所示。图3的稳定埋深过程线直观的表明了下凹深度相同时，不同介质的渗透能力不同，表现在水位上升幅度的差异性。
图3 不同介质各监测点稳定水位
综上可以看出，下凹深度为10 cm时绿地的蓄水性能最优，影响范围约为周边58 cm左右，下凹深度为7 cm时，蓄水体积减小，影响范围减小至50 cm左右，下凹深度为5 cm时，水位变化微弱，影响范围约为46 cm, 影响范围是7 cm深度方案的92%,仅为10 cm深度方案的79%。
2.2 介质渗透性能对地下水动态影响分析
以土壤含水量45%条件且下凹深度为7 cm方案为代表，由图4可以看出，含水介质为细砂时，经过15 min, 水位埋深从15.4 cm降至14.1 cm, 水位变化1.3 cm, 埋深变幅为8.4%,15 min后基本稳定，水位埋深保持在14.1 cm。这表明在0～15 min内，下渗补给量多于侧向流出排泄量，此时地下水位呈短暂的抬升趋势，直至补给排泄均衡，水位不再有明显变化。
图4 不同含水介质水位埋深变化过程
含水介质为粗砂时，经过30 min, 水位埋深从15.4 cm降至11.8 cm, 水位变化3.6 cm, 埋深变幅达23.3%,大于细砂，30 min后基本稳定，埋深维持在11.8 cm。这表明0～30 min内，绿地下渗补给量较多，地下水位较长时间内持续抬升，试验期间水位抬升速度在逐渐减缓，最终达到稳定状态。含水介质为中细砂时，经过20 min, 水位埋深从15.4 cm降至13.3 cm, 水位变化2.1 cm, 埋深变幅达13.6%,小于粗砂，大于细砂，20 min后基本稳定，水位埋深维持在13.3 cm。粗砂因渗透性能明显优于中细砂和细砂，周边地下水的动态影响也较显著。
表3 不同介质渗性地下水位动态特征值统计
2.3 土壤含水量对周边地下水动态影响分析
相同下凹深度，不同土壤含水量条件下，周边地下水的动态变化情况如图5所示。
图5 不同介质含水量水位埋深变化过程
以下凹深度为5 cm的细砂为代表，由图4可以看出，土壤含水量θ=17%条件下，经过35 min, 水位埋深从15.4 cm降至11.9 cm, 水位变化3.5 cm, 埋深降幅达23%,利用二项式拟合曲线，对其求一阶导数可发现，在0～35 min内，埋深降低速率逐渐减小，最后渐趋平稳。这表明介质含水量较低时，地下水位呈明显的抬升趋势，随着介质含水量的上升，补给量逐渐减少。θ=45%条件下，经过20 min, 水位埋深从11.5 cm降至9.7 cm, 水位变化1.8 cm, 埋深降幅约15.65%,0～20 min内，水位埋深降低速率逐渐减小，最后渐趋平稳。这表明介质含水量较高时，地下水同样呈抬升趋势，但抬升幅度较低介质含水量情况更小，且达到稳定状态所耗时间更少，表明随着介质含水量上升，下渗补给量很快达到与侧向流出排泄量持平的状态，土壤含水量较低的条件下，下凹式绿地的蓄渗性能及对周边地下水动态影响较明显。
表4 不同土壤含水量地下水位动态特征值统计
综合以上分析可以得出，试验中分析所选取数据均为距离下凹式绿地凹槽20～30 cm处水位埋深数据，即它们的渗流长度相同。由达西定律可知，影响渗流量的因素为断面面积、渗透系数和水头差，结合试验观测结果，下凹式绿地深度增大使过水断面面积增大，粗砂渗透性能强于细砂，低土壤含水量条件下水头差值增大都有效增大了渗流量，同时水位抬升过程中水头差值的减小，水力梯度减小，是致使水位抬升速度逐渐减缓的主要原因。
3、结语
(1)本文通过构建室内物理模型，分析了不同下凹深度、介质渗透性以及土壤含水量条件影响下周边地下水动态变化特征，得出10 cm下凹深度、渗透性能较强的粗砂和较低的土壤含水量对地下水动态的影响较大，地下水埋深变幅均超过20%,影响范围约为下凹式绿地周边50 cm。不同下凹深度影响下的地下水位动态差异最为显著，介质渗性的影响次之，土壤含水量影响最弱。
(2)下凹式绿地周边地下水位的响应速度均呈现出由快到慢的变化趋势，水位趋于稳定状态所耗费时间也存在差异，表明地下水动态对下凹式绿地的响应存在一定的阈值，确定该阈值与影响因素的数值关系将是下一步继续研究的内容和方向。
参考文献:
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基金资助:安徽省自然科学基金资助项目(2208085US07);
文章来源:杜新龙,刘佩贵,马宗等.下凹式绿地对周边地下水动态影响的试验研究[J].地下水,2023,45(06):69-71.
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2024-06-20我要评论
期刊名称：地下水
期刊人气：1741
主管单位：陕西省水利厅
主办单位：陕西省水工程勘察规划研究院,陕西省水利协会
出版地方：陕西
专业分类：地质
国际刊号：1004-1184
国内刊号：61-1096/TV
创刊时间：1984年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：4-6个月
影响因子：2.546
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2023-11-08
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