袁麗麗，吳冠侖，樊波，楊國君，劉卓成

(1.深圳市國藝園林建設(shè)有限公司，深圳 518000；2.北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所，北京 100083)

隨著我國城市化進程的加快，城市中硬化地面面積不斷增大，導(dǎo)致降雨時雨水在路面迅速形成徑流，城市內(nèi)澇、水源污染和水資源短缺等問題也隨之出現(xiàn).城市綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，被稱為“城市的肺”.植草溝(grass swale)是城市綠地的重要部分之一，也是是低影響開發(fā)技術(shù)中的一種，在發(fā)達國家已被廣泛用于海綿城市雨水徑流的處理[4]，是目前最常用“邊溝-雨水口-連接管-市政管線”排水系統(tǒng)中重要組成部分.植草溝削減徑流和蓄滲雨水的能力在很大程度上被植草溝草種影響，通過對不同草種植草溝滲水、蓄水能力的研究能夠為生產(chǎn)實踐起到指導(dǎo)作用.針對這些問題，美國提出了“最佳管理措施”(best management practices，BMPs)方案[2]，英國提出了“可持續(xù)排水系統(tǒng)對策”(sustainable drainage systems，SUDS)[3].以上2種技術(shù)措施因其具有調(diào)蓄洪峰流量，減少地表徑流，凈化水質(zhì)等作用，被廣泛的應(yīng)用于許多發(fā)達國家道路排水系統(tǒng)之中.植草溝在BMPs或SUDS措施中可應(yīng)用在源頭、污染物傳輸途徑和就地處理系統(tǒng),應(yīng)用區(qū)域包括居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū).植草溝作為BMPs或SUDS的重要組成部分,在完成雨水輸送功能的同時也可以達到雨水的收集和減少地表徑流的要求.概括來說，植草溝是一種開放式的、兼具景觀效果的表溝渠排水系統(tǒng)[5]，一般適用于城市園區(qū)道路兩側(cè)、硬化地面周邊、大面積綠地內(nèi)等，可以同雨水管網(wǎng)聯(lián)合運行，也可代替雨水管網(wǎng)，在完成輸送排放功能的同時滿足雨水的收集及凈化處理的要求[6].

植草溝的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：在費用方面造價低，管理簡便，減少對工程項目的經(jīng)濟需求；植草溝簡單易行，可以很容易地整合進入規(guī)劃；與傳統(tǒng)技術(shù)相比，植草溝為主的LID(low impact development，低影響開發(fā))自然排水系統(tǒng)可以節(jié)約近50%的投資；植草溝技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，會隨著時間的推移顯示出巨大的經(jīng)濟優(yōu)勢[7-9].而我國尚未有關(guān)于植草溝中植物選擇的研究，并且我國各地區(qū)氣候等條件差異較大，植草溝中植物的選擇也應(yīng)該遵循因地制宜的原則.因此本研究選取深圳地區(qū)常見的大葉油草(Axonopuscompressus)、百慕大草(Cynodondactylon)、假儉草(Eremochloaophiuroide)3種草坪草作為研究對象，對以上3種植物在深圳市不同降雨條件下對雨水的吸收以及對徑流的消減能力進行研究，旨在通過本研究結(jié)果為深圳市雨洪管理設(shè)施建設(shè)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

1.1.1 植草溝的下墊面設(shè)計 植草溝的下墊面選擇目前應(yīng)用較廣，較為常見的一種下墊面結(jié)構(gòu)，從下至上分別為60 mm的中沙墊層、50 mm的粒徑為25 mm的級配碎石、50 mm的粒徑為10 mm的級配碎石以及40 mm的細沙緩沖層，并在土基層與中沙墊層中間鋪設(shè)一層塑料隔膜，中沙緩沖層下鋪設(shè)一層100 g/m2的透水無紡布，不同粒徑的碎石之間鋪設(shè)不銹鋼隔離網(wǎng)以防止碎石和沙的滲漏.

圖1 下墊面結(jié)構(gòu)Figure 1 The underlying surface structure

1.1.2 模擬植草溝裝置 為模擬真實植草溝情況本試驗建造了9個長1.5 m，寬1.2 m，高0.3 m的試驗槽，地底面與表面的坡度均為5%，并用0.8 mm厚度的雙層塑料膜包裹試驗槽以確保下滲雨水不會漏出.為檢測和收集滲透水量，試驗槽底部均設(shè)有出水口并接有半徑50 mm的排水管.在試驗槽表面較低一側(cè)的匯水口處，使用JZ-NB1700地表徑流儀(購于北京九州空間科貿(mào)有限公司)測量徑流量.人工降雨設(shè)備置于鋼架之上，距試驗槽表面垂直距離2 m，鋪蓋面積3 m×3 m，最大流量0.3 m3/h，平均的降水均勻度0.875[4].

1.2 試驗材料

本試驗選用大葉油草、百慕大草、假儉草3種深圳市常見的草坪草作為植草溝的種植的植物.植草溝采用鋪植草皮的方式建植，均選用長勢良好，蓋度為100%的草皮，鋪植后正常養(yǎng)護7 d，使草坪草恢復(fù)正常生長狀態(tài).模擬降水開始前，將所有植草溝草坪高度統(tǒng)一修剪為8 cm.

1.3 試驗處理

本試驗根據(jù)深圳市歷年降雨水平，將模擬降雨強度設(shè)定為8，16，25 mm/h 3個水平，分別模擬小雨、大雨以及暴雨的雨強等級.并與大葉油草、百慕大草、假儉草3種草坪草進行組合，以探究3種草坪草構(gòu)成的植草溝在不同降雨強度下對降雨徑流調(diào)蓄作用的影響.處理如表1所示.

表1 試驗處理方案

1.4 試驗過程及觀測指標(biāo)

試驗地位于廣東省深圳市光明新區(qū)某苗木基地(N 22°49′36.66″，E 113°53′46.81)，將50 mm厚的大葉油草、百慕大草、假儉草的草皮分別按照試驗槽大小鋪設(shè)，正常養(yǎng)護2周后進行試驗.試驗中模擬降水按照表1試驗組順序先后進行，模擬降水持續(xù)30 min，在模擬降水期間以及降水后30 min對地表徑流深度、地表徑流量、砂層滲水量、開始出現(xiàn)徑流時間等指標(biāo)進行測定和計算，為避免戶外環(huán)境對人工降水均勻度和雨量穩(wěn)定性的影響，每次模擬降水試驗的同時，在試驗槽周圍設(shè)置3組TPJ-32-G雨量檢測儀，對實際降水強度進行監(jiān)測，試驗重復(fù)多次，每種處理選取實測雨強與設(shè)計雨強接近且降水均勻度高的3次重復(fù)作為最終數(shù)據(jù).

實際降雨強度使用TPJ-32-G雨量檢測儀進行測量，其單位為mm/h.

地表徑流量由JZ-NB1700地表徑流儀測定，每次記錄監(jiān)測時間60 min內(nèi)總徑流量，單位為mL.

下滲雨水由排水管進入集雨裝置后由量筒測量，每分記錄1次，共60次.

開始滲水時間和達到最大滲水流量時間等時間數(shù)據(jù)均由秒表測定，單位為min.

徑流系數(shù)指同一時間段內(nèi)流域面積上的徑流量(mm)與降水量(mm)的比值，用百分數(shù)表示.

砂層下滲率指同一時間段內(nèi)一個植草溝排出的水量(mm)與降水量(mm)的比值，用百分數(shù)表示.

蓄水量=降雨量-徑流量-砂層下滲量，蓄水率指同一時間段內(nèi)一個植草溝內(nèi)蓄集的水量(mm)與降水量(mm)的比值，百分數(shù)表示.

1.5 數(shù)據(jù)處理

本試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0、Excel 2016進行處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物植草溝對降雨徑流的調(diào)蓄效應(yīng)

2.1.1 不同植物植草溝對徑流消減 由表2所示，在8 mm/h雨強的“小雨”降雨水平下，由假儉草構(gòu)成的植草溝并未發(fā)生徑流，有效地控制了徑流的發(fā)生.而大葉油草植草溝在地表徑流深度和徑流系數(shù)兩個指標(biāo)上均顯著大于百慕大草植草溝，可見在“小雨”降水條件下，3種植草溝當(dāng)中假儉草對徑流的消減作用最為明顯，大葉油草植草溝對徑流的消減作用最弱.如表2所示，無論在“大雨”降雨條件下還是在“暴雨”降雨條件下，3種植物植草溝的表面產(chǎn)生徑流的情況差異顯著.無論是地表徑流深度還是徑流系數(shù)，均為大葉油草植草溝>百慕大草植草溝>假儉草植草溝，說明由假儉草構(gòu)成的植草溝對于地表徑流的消減能力最強，且百慕大草對于地表徑流的消減能力明顯優(yōu)于由由大葉油草構(gòu)成的植草溝.

2.1.2 不同植物構(gòu)成的植草溝對延緩降雨徑流洪峰 由圖2可知，在8 mm/h(小雨)的降雨強度下，3種植物構(gòu)成的植草溝在前18 min內(nèi)均未出現(xiàn)徑流.大葉油草構(gòu)成的植草溝徑流洪峰出現(xiàn)的最早、徑流量最大、徑流的時間最長，并且在21～30 min大葉油草構(gòu)成的植草溝徑流量保持在40 ml以上的高水平.百慕大草在23～26 min徑流量急劇增加，在27 min達到峰值44.1 mL，同時在此時段超過了大葉油草構(gòu)成的植草溝的地表徑流量，最終在33 min時結(jié)束徑流.假儉草構(gòu)成的植草溝自始至終均未出現(xiàn)地表徑流.

表2 不同降雨強度下3種植物植草溝的徑流指標(biāo)

由圖3可知，在16 mm/h(大雨)的降雨強度下，大葉油草和百慕大草構(gòu)成的植草溝出現(xiàn)徑流的時間均比8 mm/h(小雨)降雨強度下的早，均在14～16 min.2種植草溝的延緩洪峰均為21 min左右，而峰值時2種植草溝的徑流量均在112 mL左右，徑流在34 min左右同時結(jié)束.由此可見由大葉油草和百慕大草構(gòu)成的植草溝對于降雨徑流洪峰的延緩和對峰值時徑流量的控制并無太大差異.假儉草構(gòu)成的植草溝自始至終均未出現(xiàn)地表徑流.這與Davis等[12]的結(jié)論相符，并說明由假儉草構(gòu)成的植草溝除在“暴雨”的降雨條件下，均能消納全部的地表徑流，保證了零污染物的排出.

圖2 8 mm/h降雨強度下3種植物植草溝的地表徑流量曲線Figure 2 Surface runoff curve of ecological vegetation ditch under light rain rainfall intensity

圖3 16 mm/h降雨強度下3種植物植草溝的地表徑流量曲線Figure 3 Surface runoff curve of ecological vegetation ditch under heavy rain rainfall intensity

圖4 25 mm/h降雨強度下3種植物植草溝的地表徑流量曲線Figure 4 Surface runoff curve of ecological vegetation ditch under rainstorm rainfall intensity

由圖4可知，在25 mm/h(暴雨)的降雨強度下，由假儉草構(gòu)成的植草溝于13 min首次出現(xiàn)徑流，其徑流持續(xù)時間、徑流出現(xiàn)時間以及徑流洪峰峰值均明顯低于由其他兩種植物構(gòu)成的植草溝.由大葉油草植草溝在8～11 min徑流量迅速增大，在13 min達到峰值，并且在11～32 min徑流量逐漸穩(wěn)定在187～235 mL.由大葉油草構(gòu)成的植草溝徑流出現(xiàn)徑流的時間最早，且持續(xù)時間最長，但與由百慕大草植草溝并無明顯差異.

2.2 不同植物構(gòu)成的植草溝在不同降雨條件下的蓄排水變化

由表3可知，在8 mm/h(小雨)的降雨強度下，

由假儉草構(gòu)成的植草溝平均蓄水量為2.86 mm、平均蓄水率為36.209%，均顯著大于由其余2種植物構(gòu)成的植草溝.由假儉草構(gòu)成的植草溝砂層下滲量與由大葉油草構(gòu)成的植草溝差異不顯著，但顯著低于由百慕大草構(gòu)成的植草溝.3種植草溝在砂層下滲率方面的排序為：百慕大草>大葉油草>假儉草，其中砂層下滲率最高的為百慕大草構(gòu)成的植草溝，平均砂層下滲率為73.197%.

由表3可知，在16 mm/h(大雨)的降雨強度下，3種植物構(gòu)成的植草溝在砂層下滲量以及砂層下滲率上無顯著差異，但由假儉草構(gòu)成的植草溝的平均蓄水量為2.972 mm以及蓄水率為18.366%，均明顯高于其余2種植草溝，說明由假儉草構(gòu)成的植草溝在蓄水能力上較其余2種植草溝更強，這可能與假儉草發(fā)達的匍匐莖和根系有關(guān).

表3 不同降雨強度下3種植物植草溝的蓄排水指標(biāo)

由表3可知，由假儉草構(gòu)成的植草溝在砂層下滲率、砂層下滲量、蓄水量以及蓄水率方面夠顯著高于其余兩種植草溝，說明其蓄砂層下滲能力為3種植草溝中最強的.由大葉油草和百慕大草構(gòu)成的植草溝除后者在砂層下滲率方面顯著大于前者外，在砂層下滲量、蓄水量及蓄水率均無明顯差異.

3 討論

在所有降雨強度條件下，以消減徑流能力來排序，均為大葉油草植草溝<百慕大草植草溝<假儉草植草溝，由假儉草構(gòu)成的植草溝在消減徑流能力上均優(yōu)于其余兩種植草溝，并在“小雨”降雨條件下不產(chǎn)生徑流.這與汪艷寧等[10]的研究中植被滲透淺溝能消減70%～96%的地表徑流相符.其中，由大葉油草構(gòu)成的植草溝無論在那種降雨條件下對徑流消減的效果都是最差的，這有可能是因為大葉油草葉片較稀疏，植被蓋度不如其余2種植物有關(guān).除此之外，3種植草溝在對降雨消減效果均隨著降雨強度的增大而減弱，這與李海燕等[11]的試驗結(jié)果相吻合.

無論在哪種降雨條件下，由假儉草構(gòu)成的植草溝對降雨徑流洪峰的延緩作用顯著高于由其余2種植物構(gòu)成的植草溝.這與Wu等[13]植草溝能減少徑流峰值的結(jié)論一致.在8 mm/h(小雨)的降雨強度下，由百慕大草構(gòu)成的植草溝對降雨徑流洪峰的延緩作用明顯高于由大葉油草構(gòu)成的植草溝，但在在16 mm/h(大雨)以及25 mm/h(暴雨)的降雨強度下，兩者并無明顯差異.而由大葉油草構(gòu)成的植草溝無論在哪種降雨條件下，對降雨徑流洪峰的延緩作用均不如其余兩種植物構(gòu)成的植草溝.除此之外，3種植草溝出現(xiàn)徑流的時間均會隨著雨強的增大而提前，這與郭鳳等[14]的降雨強度越大，出流時間越快的結(jié)論一致.綜合來看，3種植草溝對于延緩徑流洪峰的效果均十分明顯，其中以由假儉草構(gòu)成的植草溝效果最為突出.

研究表明，無論哪種降雨條件下，由假儉草構(gòu)成的植草溝在蓄水能力方面均優(yōu)于其余2種植草溝，這可能是由于假儉草具有更大的密度[15]，故保水性較好.而在“大雨”和“暴雨”降雨條件下，由假儉草構(gòu)成的植草溝在滲排水能力的表現(xiàn)上同樣比其他2種植草溝優(yōu)秀.而在“小雨”降雨條件下由百慕大草構(gòu)成的植草溝排水能力最強，這可能是由于百慕大草的葉片短而細，導(dǎo)水性能較好，且根系發(fā)達，可以大大增加土壤的滲透能力[16].3種植草溝的排水率隨著雨強的增大而減小，這一特點與孟瑩瑩等的研究中雨水入滲情況的實測和擬合值均一致[17].這可能與隨著降雨量的增加，下墊面的的滲透速率逐漸接近其飽有關(guān).而3種植草溝的蓄水量在不同降雨量條件下差別不大，是因為在小雨條件下，植草溝的含水量就已經(jīng)達到飽和，因此隨著降雨強度的增大，蓄水率逐漸減小.

4 結(jié)論

1) 假儉草植草溝在消減徑流方面最為出色，3種降水強度條件下其地表徑流率均未超過10%，并且在小雨(8 mm/h)的降雨強度下不產(chǎn)生徑流.由百慕大草構(gòu)成的植草溝在3種降雨強度下消減徑流方面也要明顯強于由大葉油草構(gòu)成的植草溝.

2) 在延緩降雨徑流洪峰的能力上，由假儉草構(gòu)成的植草溝最為出色，暴雨(25 mm/h)條件下其洪峰出現(xiàn)時間、徑流出現(xiàn)時間以及徑流持續(xù)時間均小于其余兩種植草溝.百慕大草植草溝在小雨(8 mm/h)條件下對徑流洪峰的延緩上顯著強于大葉油草植草溝.

3) 植草溝砂層蓄水和滲水性能研究表明，小雨(8 mm/h)條件下百慕大草植草溝能夠排滲最大比例的雨水；16 mm/h的降雨條件下，3種植草溝砂層下滲率并無顯著差異；在暴雨(25 mm/h)的降水條件下，由假儉草構(gòu)成的植草溝的砂層滲水及蓄水能力都為最優(yōu).

4) 總的來說在深圳這種亞熱帶季風(fēng)氣候的地區(qū)，夏季多暴雨，針對這一情況，由假儉草構(gòu)成的植草溝能夠更好地降低道路徑流系數(shù)、增加砂層蓄積和排滲的水量，從而減少道路積水、內(nèi)澇的發(fā)生，可以更好的緩解道路徑流、積水等問題.