城市化的快速发展导致不透水面代替了原有能够涵养水源的自然地面，天然状态下的水文机制、排水方式发生了很大变化^[1]。城市内涝灾害频发增加了城市发展和居民生活的安全风险，与此同时，我们也面临雨水径流污染控制和雨水收集利用的挑战^[2]。海绵城市(sponge city)建设具有有效防治城市雨洪灾害、改善城市水环境和水生态、提高生物多样性等方面的服务功能^[3-4]。如何统筹低影响开发雨水系统(微排水系统，＜1 a/h)，城市雨水管渠系统(小排水系统，2~10 a/h)及超标雨水径流排放系统(大排水系统，20~100 a/h)，对缓解城市内涝、面源污染、雨水资源流失与水资源短缺矛盾等问题具有重要意义。另外，海绵城市建设具有缓解城市热岛效应，促进建筑能耗降低等的作用，海绵城市建设与中国“双碳”目标具有一致性^[5]。海绵型公园绿地具有“多功能、多效益”的特征，不仅具备休闲游憩、文化教育、防灾避险、改善周边环境的功能，也可作为海绵城市体系的主要载体和重要场地，能够对周边硬化区域的径流进行自然渗透、调蓄和净化，集社会效益和生态环境及经济效益于一身^[6]。对于城市道路绿化带，考虑道路产流量与设施布局功能相匹配、植物生境适应性、景观效果、土壤改良、管理维护等方面，建设道路海绵设施，在削减径流量、截留径流污染等方面具有潜力^[7]。新建城区海绵城市建设需以目标为导向，在土壤地质、降雨特征、资源环境和社会经济等条件下因地制宜地进行城市海绵设施规划和建设。建成区/老城区致灾因子主要包括污水收集率低、合流制溢流污染、初期雨水污染等水环境问题；极端天气、排涝能力不足、地势低洼区等水安全隐患；河道基流小、水动力不足、河道岸线硬质比例高等水生态问题^[8]，海绵化改造工程需以区域问题为导向进行项目落地。城市绿地空间海绵设施改建需考虑入流条件、填料配比、蓄水层高度、排空时间等参数，如何通过关键参数的优化设计进行海绵设施提效得到广泛关注。土壤水分持留和水力传导特性参数是土壤水分运动数值模拟中的主要参量，直接影响数值模拟精度及应用的可靠性^[9]。

城市绿地空间土壤饱和—非饱和下渗过程的实测与模拟为海绵设施建设提供基础数据支撑，促进海绵项目的落地，本研究通过土壤级配、有机质、水力传导度、土壤张力与含水率关系等分析，明确了城市绿地空间土壤下渗基本特性，提出了城市建成区绿地空间海绵设施构建途径。

1 材料与方法 1.1 区域概况与方案设计

南昌市位于长江中游地区，濒临赣江、抚河、鄱阳湖，属典型的亚热带湿润季风气候区。该市多年平均降水量1 612 mm(1951—2015年)，汛期(4—6月)降水量可达全年的1/2。历年统计资料显示，年平均气温17.5 ℃，极端最高气温40.6 ℃，极端最低气温-9.3 ℃。2021年7月15日至8月15日，选取南昌市老城中心区(点位1—6)和新城红谷滩片区(点位7—12)乔灌木和草地下垫面进行现场单环入渗试验和土壤样品采集，点位涉及公园绿地、市政道路绿化带、建筑小区绿地等海绵设施典型应用场景(表 1)。采集的土壤样品在实验室完成检测，检测指标包括颗粒级配、容重、有机质和盐度、非饱和含水率等。

1.2 监测与检测方法 1.2.1 土壤持水特性估算

SPAW(soil-plant-air-water)是由美国华盛顿州立大学开发的，用于模拟农业景观中日水文状况。模型用途有两个：一个是模拟农田；另一个是模拟蓄水池，如湿地、池塘、泻湖、水库。SPAW中的Soil Water Characteristics模块专门用于估算土壤的持水特性，通过一组广义方程来描述土壤张力、电导率与土壤水分含量之间的关系，是一组关于砂粒和粉粒含量与有机质含量的函数。土壤颗粒分析土壤风干后，平摊剔除植物、石块等残体，碾压后过2 mm土壤筛。采用马尔文MS2000激光粒度分析仪湿法测量，土壤质地分类采用美国制土壤粒级划分标准，根据美国土壤质地分类三角表确定土壤质地。有机质含量测定方法采用水合热重铬酸钾氧化—比色法。

1.2.2 单环入渗试验

入渗特性采用单环定水头入渗试验测定，试验设备由马氏瓶、支柱、单环入渗仪以及辅助设施组成。入渗环内径28 cm，外径30 cm，环高20 cm，其中10 cm埋入地下，10 cm露出地面。根据马氏瓶水面下降高度，计算进入土壤的水量〔公式(1)〕，从而计算近似的饱和导水率〔公式(2)〕。Horton在大量试验研究的基础上，提出了土壤入渗能力随时间呈指数变化的经验入渗模型〔公式(3)〕，研究表明Horton模型对含碎石夹层土壤入渗规律的适用性要优于Kostiakov模型和Philip模型，Horton下渗模型也是城市雨水管理模拟中应用最为广泛的模型之一^[10-11]，通过拟合Horton入渗公式，可获取初始、稳定入渗率与衰减系数。

$Q=\pi R^2\left(H_0-H_i\right)$

(1)

$K\left(\theta_s\right)=\frac{Q}{A \Delta t} $

(2)

$f_{(t)}=f_c+\left(f_0-f_c\right) \mathrm{e}^{-k t}$

(3)

式中：Q为t时间内进入内环土壤的水量; K(θ_s)为近似的饱和导水率(mm/h); R为马氏瓶半径(cm); H₀为初始马氏瓶水面读数; H_t为各时间间隔马氏瓶的水面读数; Δt为入渗时段; A为内环的横截面面积(cm²); f(t)为t时刻降雨入渗率; f₀为初始入渗率(mm/h); f_c为稳定入渗率; k为衰减系数(h^-1); t为时间(h)。

1.2.3 非饱和导水率曲线

土壤水分入渗过程较为复杂，受到土壤质地、降雨强度、初始含水率等自然条件的影响，土壤水张力以及非饱和导水率测定可提高土壤水分下渗过程模拟精度。HYPROP2是一个基于辛德勒蒸发法(Schindlers evaporation method)的全自动测量和评估系统，用于确定土壤样品的水力特性。该装置使用两个深度的张力计测量土壤水张力以及非饱和导水率。另外，通过连续记录重量损失来计算体积含水量。HYPROP数据评估软件(HYPROP Data Evaluation Software)用于分析蒸发试验数据和拟合非饱和土壤水力特性的计算机程序。HYPROP-Fit程序允许用户选择不同的模型来分析HYPROP2的测量值，本研究采用Van Genuchten模型来分析实测数据，其中土壤的体积含水量通过以下公式计算：

$ S_e=\frac{\theta-\theta_r}{\theta_s-\theta_r}$

(4)

$S_e=〔\frac{1}{1+(\alpha h)^n}〕^m$

(5)

式中：S_e为有效饱和度(cm³/cm³); h为压头(cm); θ为体积含水量(cm³/cm³); θ_r为残余含水量(cm³/cm³); θ_s为饱和含水量(cm³/cm³); α为与进气压力的倒数(cm^-1)相关的形状参数; n为控制进气区域滞留曲线弯曲和剩余含水量渐近曲率的形状参数，m等于1-1/n是附加形状参数。

2 试验结果 2.1 土壤下渗特性模型演算

根据确定好的土壤分类原则、颗粒分级结果和有机质含量测定结果，借助SPAW模型来推求出各点位的土壤物理属性，各项结果详见表 2。本文采用SPAW 6.02版本进行计算，土壤方程选用2005版本。软件输入砂粒(sand)、黏粒(clay)、砾石(gravel)、有机质(organic matter)、盐度(salinity)数据，可得出凋萎系数(wilting point)、田间持水量(field capacity)、饱和导水率(sat. hydraulic cond.)等土壤基本特性参数。本研究采用SPAW模型对研究区域土壤特性进行推算，得到土壤质地、凋萎系数、田间持水量、饱和导水率、土壤容重等一般特性。姜晓峰等^[12]采用联合国粮农组织公开的和谐世界土壤数据库1.1版为基础数据，采用联合国粮农组织(FAO)公开的和谐世界土壤数据库(HWSD)与华盛顿州立大学开发的土壤水特性模型SPAW相结合的方法，建立了阿什河流域的SWAT模型土壤数据库，率定期和验证期的相关系数(R²)和纳什效率(ENS)均在0.89以上。研究发现土壤初始入渗速率主要与初始含水率和植被覆盖度有关，稳定入渗速率主要与初始含水率和初始入渗速率有关^[13]。本研究取表层2—10 cm进行土壤颗粒分析，过2 mm土壤筛。依据激光粒度分析仪湿法测量结果推求出大部分下垫面土壤类型属于粉砂壤土，按照SPAW中的Soil Water Characteristics模块推算出的土壤稳定入渗率在4.1~33.0 mm/h (平均值=9.1 mm/h)。

2.2 现场单环入渗实测

本研究采用单环入渗仪测量研究区域绿地土壤下渗过程(图 1)，利用Matlab拟合霍顿(Horton)入渗公式及其参数如表 3所示。现阶段可通过非饱和下渗理论、饱和下渗理论和基于实际下渗试验的经验下渗曲线(Horton，Green-Ampt，SCS曲线模型等)3种途径来确定土壤下渗曲线。非饱和下渗理论和饱和下渗理论虽然提供了揭示下渗规律和分析影响因素的工具，但它们所处理的下渗问题一般只限于简单情况。对通过观测实际问题取得的下渗资料，选配以合适的函数形式，并率定其中的参数，从而求得相应的下渗曲线，这种确定下渗曲线的途径是不同于前边的理论途径的，称为经验公式。现场实测数据拟合结果表明：典型下垫面稳定入渗率在44.4~308.2 mm/h(均值=127.3 mm/h)，现场入渗开始5~10 min后基本达到稳定入渗过程，且大部分低于100 mm/h。

2.3 土壤张力曲线变化

以研究区域代表性土壤类型粉砂壤土为对象(点位4)，采用HYPROP2测量土壤水分特征曲线(SWCC)和土壤非饱和导水率。随着时间的推移，水分从土壤中蒸发，HYPROP2记录其水势的变化过程，HYPROP-Fit程序绘制了水势与含水量变化的关系图，最终得到张力值随时间的变化曲线和土壤水分特征曲线。土壤入渗能力受土壤容重、土壤质地、压力水头、土壤初始含水量、有机质含量、保水性高分子材料含量等因素影响，其中，压力水头(积水深度)主要通过影响入渗界面处的压力势来影响水分的运移过程；土体构型对水分运移的影响主要是因剖面中不同质地土壤的孔隙、黏粒含量等差异导致渗透性、持水能力不同，且造成土层突变界面产生水力阻滞作用。土壤中孔隙的体积、结构和连通性在土壤水下渗过程中发挥的作用以及优先流的比例等，明确其在土壤水文过程中的作用有待进一步研究。土壤张力是土壤对水的吸力，是一种土壤水分强度指标，其大小与土壤水分的流动性和渗透深度、植物对土壤水分吸收的有效性和难易程度有密切关系。同时，它能够间接地反映土壤湿度。一般而言，土壤湿度越小，土壤的张力越大，对水的吸力也越强，致使植物很难吸收土壤中的水分。试验开始后46 h上下两个张力轴张力值开始迅速上升，距试验开始69和84 h后，气泡开始进入张力轴，上下两个张力轴分别达到气蚀阶段，张力值开始缓慢下降，122 h和147 h后上下两个张力轴张力值降为零。结果显示：土壤在完全饱和状态下大约需要7 d可以恢复到初始状态的下渗速率，整个过程中，土壤含水率由44.2%降为2.2%。HYPROP2中同时可选择4个模型(Brooks-Corey，Freudland-Xing，Kosugi和van Genuchten)进行分析，本研究中使用van Genuchten模型。HYPROP-Fit程序拟合结果为：α=0.078 6；n=1.456，饱和含水率θ_s=0.442，凋萎含水量θ_r=0。通过此模型和相关参数，可以用来衡量城市绿地空间土壤水分的能量水平，估计植被生长的有效性，决定是否采取补水措施，推算土壤中孔隙分布和比水容量，为研究土壤释水性能指标和协调水气提供理论依据。

3 结果讨论 3.1 绿地土壤下渗过程影响因素分析 3.1.1 现场实测与模型推演的差异

实测土壤下渗率与SPAW模型演算出的饱和导水率存在一定差异，且不同点位之间波动性较大，考虑有以下几方面原因：①Soil Water Characteristics模块专门用于估算土壤的持水特性，函数的建立是基于大量农田土壤监测取得的，其用于城市绿地空间土壤中的精度有待进一步探究；②土壤颗粒分析和有机质测定过程中，采用过2 mm筛的土壤颗粒进行分析测定，未考虑＞2 mm颗粒的影响，由于实际下渗土壤剖面夹杂砾石、草根等可能形成大孔隙流，增加入渗速率；③水合热重铬酸钾氧化—比色法引入总有机碳与有机质转化经验系数(1.724)和氧化校正经验系数(1.32)，这给结果带来了更大的误差，另外，利用浓硫酸加入溶液中释放的稀释热使重铬酸钾氧化有机碳，可能会因温度不够或者高温冷却太快而导致有机碳氧化不完全^[14]，从而影响有机碳含量测定。④由于下渗试验敲击单环进入土壤剖面，土壤可能产生明显裂缝形成边壁流增加了下渗的速率，而侧向流也对实际入渗过程会产生明显的影响；⑤土壤的下渗受土壤表面结皮、人为压实、种植土回填等因素也会对入渗过程产生影响；⑥土壤颗粒级配在空间上存在差异。为获取更加准确的实测数据，可适当增加平行监测点位并进行纵向分层下渗分析。因城市绿地空间现场实测受交通条件、植被覆盖、市政基础设施建设等条件影响，根据区域现场条件，优先采用现场实测的方法确定土壤下渗率，同时通过模拟和参数反演进行校正。

3.1.2 产汇流与运行年限对入渗过程的影响

地表径流主要通过雨水口流量过程线来表征，主要包括地表产流过程和地表汇流过程。前者是计算降雨扣除地表蒸发蒸腾、植物截留、洼蓄蓄水和土壤入渗(Kostiakov模型，Horton模型，Green-Ampt模型等)后所得的净雨量过程；后者是计算各流域的产流汇集到雨水口的人流过程。常用的地表产流模型有综合径流系数法、蓄满产流法(指数型或抛物线型)、下渗曲线法、时变增益模型(Time Variant Gain Model, TVGM)等^[15-16]。地表汇流计算方法包括瞬时单位线法、等流时线法、非线性水库演算法等，管道中水流的流速和水深由圣维南方程组计算求得。海绵城市建设通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，实现城市良性水文循环。不同国家颁布的各种标准对海绵设施的渗透速率有不同的规定。美国环境保护署(EPA)和新西兰要求生物滞留池渗透系数＞12.5 mm/h(3.47×10^-6 m/s)，澳大利亚要求在50~200 mm/h(1.38×10^-5~5.55×10^-5 m/s)^[17]。根据中国的雨水特征情况，国内学者综合考虑径流量和污染物负荷的削减，建议渗透系数K应大于10^-5 m/s^[18]。我们更关注建立能够很好地描述海绵设施的渗透性能和在寒冷气候条件下渗透的效率的最佳渗透模型^[19-20]，以及随着时间推移系统功能的变异。对于初始导水率较大(K＞200 mm/h)的系统，随着时间的推移，在水力压实和泥沙的共同作用下，系统的入渗系数显著降低，这可能是由于系统表面的沉积物沉积和水力压实^[21-22]。也许海绵设施面临的最大挑战是堵塞，有研究发现，运行50周后，系统的平均入渗率下降至初始值的30.8%，适当的粒径分布是确保渗透孔隙有效性的有效措施^[23]。两类片区(老城中心区、新城红谷滩片区)3种下垫面(公园绿地、市政道路、建筑小区)的差异对研究区域绿地土壤稳定入渗率的影响并表现出普遍的规律，如何综合考虑各类因素实现绿地空间海绵化改造需要进一步探究。

3.1.3 初始含水率对入渗过程的影响

土壤初始含水量对入渗的影响一是土壤含水量与水势梯度的直接作用和土壤团聚体遇水后的崩解挤压作用。黄德良等^[24]利用Green-Ampt与Philip入渗模型得到相应土壤入渗特性参数，采用灰色关联分析法研究4个因素对累积入渗量、饱和导水率、稳定入渗率、湿润锋面吸力、吸渗率的影响程度。结果表明：影响水分入渗的主要因素表现为：颗粒级配＞土壤初始含水率＞土壤容重＞压力水头。马蒙蒙等^[25]通过室内积水入渗试验对湿润锋、累积入渗量、土壤剖面压力水头进行观测，探究积水深度、土体构型、初始含水量3种因素对层状土壤水分运移的影响，结果表明：积水深度、土壤初始含水量增加时，湿润锋运移速率和入渗率均增大，上砂壤—下粉砂壤构型较上粉砂壤—下砂壤构型而言，整体湿润锋推进速率和入渗率较大，出流快，且入渗后期界面处的压力水头高于其他观测点。与此同时，天然条件下的下渗需要考虑更多的影响：考虑降雨强度是否有时间变化，同时考虑产—汇流过程；不同层土壤纵向下渗系数的变化；非均质土壤中的入渗；冬季土壤下渗状况；坡面下渗等。土壤中的胶质物、化学生物作用、地面覆盖物、温度、土壤气体含量、下渗水的水质等也是影响下渗的重要因素。

3.2 绿地空间海绵设施关键参数构建

海绵设施雨水调蓄能力受设施表面积、蓄水层深度、填料下渗能力和孔隙度等共同决定，推求下渗曲线的具体表达形式是下渗理论的一个重要课题，也是该类设施调蓄能力及其衰减过程的重要指标，基于土壤下渗参数构建绿地空间海绵化改造的技术路线和方法(图 2)。在用户指定的降水和蒸发条件下，应用RECARGA模型^[26]对具有地表积水，3个不同土层和可选暗渠的单个设施水文性能进行模拟。该模型连续模拟整个设施(蓄水区、土层和暗渠)的水分运动，记录不同时段渗透、补给、溢流、暗渠、蒸散等的土壤湿度和水量，结果可用于确定设施的规模，以满足特定的调控目标。该模型使用Green-Ampt入渗模型作为土壤表面的初始入渗，并使用van Genuchten描述土壤层之间的排水关系。确定设计目标和约束条件后，通过测定研究区域土壤水分特征参数，可通过RECARGA模型进行海绵设施设计。海绵设施进水水量设计可根据当地暴雨强度公式计算降雨强度(选择合适的设计重现期和降雨历时)，同时考虑汇流面积比(汇水面积/设施面积)确定设计水量；另一种方法以中小雨的降雨量等级(≤25 mm/d)和合适的汇流面积比确定设计水量。同时考虑降雨雨型、汇水面糙率、坡度等的影响，将排空时间、积水深度、积水时长等也作为设施设计的约束条件。以生物滞留设施为例，其设计排空时间为12~48 h，土壤介质压实度不小于80%时的稳定入渗率测试值宜为设计稳定入渗率(f_m)的3~6倍，蓄水层深度为200~300 mm计算，设计稳定入渗率约为12.5~150 mm/h(3.50×10^-6~4.20×10^-5 m/s)^[27]。研究区域实测原状土稳定入渗率为44.4~308.2 mm/h(均值=127.3 mm/h)，大部分低于100 mm/h。Soil Water Characteristics模块推算出的稳定入渗率在均值为9.1 mm/h，差异较大。对于稳定入渗率较低或长期运行后有较大衰减的区域，在新建/改建海绵设施时，应进行现场实测且考虑最不利条件进行参数设计。

采用上述技术路线，以20∶1汇流比，50 mm降雨量，SCS TypeⅡ雨型，填料/土壤下渗率分别为10，20，30，50，100和150 mm/h条件下，海绵设施溢流量、地下补给量、穿孔管外排量和滞留量如图 3所示。由图 1可知，随着填料/土壤下渗率的逐渐增加(10~150 mm/h)，溢流量逐渐减小、穿孔管外排量逐渐增加，滞留量和地下补给量基本保持不变。可见，海绵设施径流水量削减率、地下水补给量对填料层和原状土层下渗率有明显的响应关系。专家学者们通过优化海绵设施配置(植被类型、填料种类及组合形式、设计水力和污染负荷等)，使设施最大限度地调控径流水量、净化雨水径流污染物，从而提高系统调控效能和可持续性^[28]。填料的改良主要从入渗能力(水力传导度、蓄水层深度、表面积)和净化能力(填料基本特性、污染物本底含量、生物多样性)两方面进行考量，入渗能力方面则主要考虑渗滤介质层、过渡层、排水层的组合形式和粒级分布。级配良好的冲洗砂的过渡层(防止细粒冲入排水层)，深度为100—350 mm；砾石排水(基层)层采用细冲洗的砾石(2—5 mm)或粗冲洗的砂(1 mm)，通常深度为100—300 mm；另外，填料TN，PO₄^3-等含量需在合适的范围，否则较大的入渗率将影响植物的生长、造成营养淋溶等风险^[29]。众多研究采用高渗透能力的壤质砂土和砂质壤土作为最佳填料类型，考虑降雨过程中的吸附截留等作用，以及降雨间隔期的植物摄取和生物降解，填料改良目的在于为增加填料的持水能力、吸附能力，提高微生物丰度、改善植物生长环境等。关于海绵设施中植物特性及其在各种功能中的对应机制相关研究比较分散，例如径流雨水滞留、渗透、抗介质堵塞、植物修复、蒸散发以及微生物在促进植物和填料、植物微生物相互作用和在海绵设施中不同功能的相对性能方面的作用仍然研究较少。随着运行周期的延长，有待进一步研究填料颗粒粒径分布规律、孔隙中有机—无机固体含量、吸附—解吸特性和生物过程(微生物降解、植物以及动物吸收)等。

4 结论与建议

针对海绵城市理念下，城市绿地空间海绵化改造中土壤渗透、蓄滞问题开展研究，通过经验模型演算，现场入渗过程实测，实验室土壤张力与含水率分析，明确南昌地区典型土壤下渗特性。研究区域土壤质地以粉砂壤土为主，按照SPAW中的Soil Water Characteristics模块推算出的土壤稳定入渗率在4.1~33.0 mm/h(均值=9.1 mm/h)。不同植被覆盖绿地土壤现场单环入渗试验表明：现场入渗开始后基本5~10 min后达到稳定入渗过程，且大部分低于100 mm/h。不同植被覆盖条件下并未体现出明显的差异。土壤在完全饱和状态下大约需要7 d可以恢复到初始状态的下渗速率。为分析现有绿地土壤改建为海绵设施的可能性，须根据设计雨量的不同同时考虑蓄水层高度、填料层厚度、淹没区高度设置，填料层、过渡层和排水层颗粒级配，下渗速率、有机质、恢复系数、TN，PO₄^3-，pH等参数，通过模型模拟进行关键参数设计。后续研究需结合土壤纵向剖面结构，研究分层下渗过程；考虑植物根系生长和微生物过程对长期入渗过程的影响；建立海绵设施全寿命周期运行效能评估模型。