摘要：低影響開(kāi)發(fā)（LID）是海綿城市建設的重要技術(shù)之一，常用的LID設施又稱(chēng)典型海綿設施。為了對典型海綿設施的降雨、入滲、徑流、蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行長(cháng)期監測分析，豐富典型海綿設施水文過(guò)程與污染物遷移轉化過(guò)程的研究?jì)热?，加深對海綿設施的水量、水質(zhì)轉化全過(guò)程的了解，在北京市西郊雨洪調蓄工程園區建立了一個(gè)典型海綿設施水文過(guò)程綜合監測實(shí)驗場(chǎng)。該實(shí)驗場(chǎng)的研究對象包括透水鋪裝、生物滯留設施和綠色屋頂。主要介紹該實(shí)驗場(chǎng)典型海綿設施的結構設計、水循環(huán)過(guò)程以及污染物削減過(guò)程監測系統構建等，可為類(lèi)似研究提供參考。

海綿城市強調恢復城市下墊面對雨水徑流的存蓄、入滲和凈化等自然功能，是未來(lái)城市建設的重要發(fā)展方向?！逗＞d城市建設技術(shù)指南（試行）》指出，針對不同類(lèi)型城市下墊面特點(diǎn)，選取適宜的海綿設施進(jìn)行組合應用，能夠充分發(fā)揮海綿城市建設的源頭徑流調控與面源污染物削減作用。典型海綿設施包括透水鋪裝、生物滯留設施和綠色屋頂等類(lèi)型，相關(guān)學(xué)者針對各類(lèi)海綿設施的運行效果開(kāi)展了大量實(shí)驗研究。透水鋪裝的研究主要關(guān)注鋪裝結構設計和面層材料對徑流污染過(guò)濾凈化作用的影響，生物滯留設施的研究主要圍繞植物選型、結構優(yōu)化和填料改良等方面開(kāi)展對比分析，在常規水量水質(zhì)調控效果研究的基礎上，綠色屋頂的研究重點(diǎn)關(guān)注植被配置、基質(zhì)層輕質(zhì)化改良、養護管理等環(huán)節。然而上述研究在實(shí)驗監測對象上主要針對外排徑流量這一關(guān)鍵要素，在分析指標上主要關(guān)注徑流滯蓄、洪峰削減和洪峰延遲效果，缺乏從水循環(huán)的角度系統開(kāi)展海綿設施的多要素聯(lián)合監測與綜合分析。在降雨過(guò)程中伴隨著(zhù)徑流的入滲滯蓄，海綿設施土壤和填料的水分含量逐漸增加，調蓄能力不斷消耗。降雨結束后，海綿設施通過(guò)蒸散發(fā)過(guò)程降低土壤含水量，逐漸恢復其原有的調蓄能力。入滲和蒸散發(fā)過(guò)程的耦合作用是影響海綿設施徑流調控效果的重要原因，因此迫切需要在傳統降雨、徑流監測分析的基礎上，補充開(kāi)展分層土壤水分和蒸散發(fā)監測，同時(shí)進(jìn)行關(guān)鍵環(huán)節的水質(zhì)采樣分析，實(shí)現海綿設施水循環(huán)要素全面感知與污染物遷移轉化過(guò)程系統監測。

針對海綿設施水文轉化過(guò)程精細化分析需求，綜合運用蒸滲儀、土壤水分傳感器、干濕沉降儀、土壤溶液提取裝置、水質(zhì)自動(dòng)采樣器的監測設備，構建了一個(gè)包含透水鋪裝、生物滯留設施和綠色屋頂等實(shí)驗對象的海綿設施水循環(huán)過(guò)程綜合實(shí)驗場(chǎng)，實(shí)現了降雨-入滲-產(chǎn)流-蒸發(fā)與污染物遷移轉化過(guò)程系統監測。該實(shí)驗場(chǎng)的建設能夠為海綿設施的水循環(huán)轉化機理、運行效果評估、結構材料優(yōu)選等多角度研究提供基礎實(shí)驗支撐平臺，并為相關(guān)實(shí)驗方案設計提供借鑒，服務(wù)海綿設施的技術(shù)改進(jìn)與運維管理。

1 實(shí)驗場(chǎng)概況與海綿設施結構設計

1.1 實(shí)驗場(chǎng)概況

實(shí)驗場(chǎng)總面積2200m²，設有透水鋪裝、生物滯留設施、綠色屋頂三個(gè)實(shí)驗區域。其中，透水鋪裝實(shí)驗區位于停車(chē)場(chǎng)，共設有6處透水鋪裝；生物滯留設施實(shí)驗區位于停車(chē)場(chǎng)周?chē)木G地，共設有3處生物滯留設施；綠色屋頂實(shí)驗區位于停車(chē)場(chǎng)西邊空地，設有5個(gè)綠色屋頂、1個(gè)混凝土屋頂和7個(gè)布設在小型蒸滲儀上的綠色屋頂。

1.2 透水鋪裝結構設計

每個(gè)透水鋪裝單獨為1個(gè)實(shí)驗小區，共6個(gè)透水鋪裝實(shí)驗小區，各小區均采用透水混凝土長(cháng)方磚隔開(kāi)，各透水鋪裝結構見(jiàn)表1。透水鋪裝的面層和墊層材料均為影響透水鋪裝實(shí)際滲透能力的主要因素，因此選擇了4種應用較廣泛的面層材料和2種墊層材料，以此探究面層材料和墊層材料對透水鋪裝的滲透能力影響，而且為了對透水鋪裝的水循環(huán)過(guò)程進(jìn)行精細化監測，將其中1個(gè)透水鋪裝布設在蒸滲儀上。

1.3 生物滯留設施結構設計

每處生物滯留設施單獨為1個(gè)實(shí)驗小區，共3個(gè)生物滯留設施實(shí)驗小區。3處生物滯留設施結構見(jiàn)表2。生物滯留設施Ⅰ為常規結構，填料為再生骨料；生物滯留設施Ⅱ為倒置結構；生物滯留設施Ⅲ為布設在蒸滲儀上的常規結構。生物滯留設施Ⅰ、Ⅲ均收集來(lái)自屋面的雨水，雨水通過(guò)增設的檐溝和雨落管收集，其匯水面積分別為97、21m²；生物滯留設施Ⅱ收集來(lái)自非透水路面的雨水，雨水通過(guò)明溝引入，匯水面積120m²。

1.4 綠色屋頂設施結構設計

綠色屋頂實(shí)驗區包括大型綠色屋頂實(shí)驗區和小型綠色屋頂實(shí)驗區。大型綠色屋頂實(shí)驗區包括5個(gè)綠色屋頂和1個(gè)混凝土屋頂；小型綠色屋頂實(shí)驗區為7個(gè)均布設在蒸滲儀上的小型綠色屋頂。

①大型綠色屋頂實(shí)驗區

大型綠色屋頂實(shí)驗區設有5個(gè)綠色屋頂（分別是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）和混凝土屋頂Ⅵ，大型綠色屋頂實(shí)驗區建設方案見(jiàn)表3。

綠色屋頂的種植植物選擇了耐旱性好且適宜在北京生長(cháng)的佛甲草，種植密度為80株/m²。為了研究不同排水口形式對徑流峰值大小及其延遲時(shí)間的影響，設計了3種不同排水口形式：a.出水口設置為全透水磚；b.在設置30mm不透水磚基礎上安放透水磚；c.在預埋30mm的排水管上安放不透水磚。

綠色屋頂Ⅳ相較于傳統綠色屋頂進(jìn)行了改進(jìn)，安裝了蓄水模塊作為雨水回用的設施。為研究設置不同密度吸水柱情況下蓄水模塊的供水能力，進(jìn)行了3種處理，其中處理Ⅰ：鋪設吸水柱18根/m²，共15m²；處理Ⅱ：鋪設吸水柱12根/m²，共15m²；處理Ⅲ：鋪設吸水柱8根/m²，共20m²。

②小型綠色屋頂實(shí)驗區

小型綠色屋頂實(shí)驗區共設有7個(gè)綠色屋頂，且均布設在小型蒸滲儀上。實(shí)驗采用正交實(shí)驗原理設置7個(gè)處理方案，實(shí)驗設計如表4所示。

實(shí)驗方案考慮了基質(zhì)層厚度、排水方式和灌溉水平3個(gè)因素?；|(zhì)厚度有C1（6 cm）和C2（10 cm）兩個(gè)水平；排水方式有D1（蓄排水層直接排水）和D2（透水側墻排水）兩個(gè)水平；灌溉水平有M1（蓄水關(guān)鍵期補充水分）、M2（充分灌溉）和M3（無(wú)灌溉）3個(gè)水平。

2 典型海綿設施的精細化監測

2.1 氣象與水質(zhì)監測

為了精確獲取降雨、溫度等氣象數據，在實(shí)驗場(chǎng)布設了一個(gè)小型氣象站，開(kāi)展風(fēng)速、風(fēng)向、降雨、溫度、相對濕度等指標的自動(dòng)監測，并利用蒸發(fā)皿獲取水面蒸發(fā)數據。針對大氣干濕沉降過(guò)程，布設了一個(gè)降水降塵自動(dòng)采樣器，自動(dòng)收集干沉降與雨水樣品后進(jìn)行水質(zhì)指標檢測。在海綿設施的入流與出流處均布設徑流自動(dòng)采樣器，以發(fā)生降雨或開(kāi)始產(chǎn)流為觸發(fā)條件，按照5~60 min的間隔時(shí)間進(jìn)行徑流水樣的自動(dòng)采集，以便掌握徑流污染的輸入和輸出過(guò)程。

2.2 透水鋪裝水文過(guò)程監測

透水鋪裝需監測的水文要素有降雨、地表徑流、礫石層出流、土壤水等。6個(gè)透水鋪裝的集水區獨立封閉，透水鋪裝實(shí)驗區的監測儀器布設見(jiàn)圖1。

2.2.1 透水鋪裝Ⅰ~Ⅴ水文過(guò)程監測

透水鋪裝Ⅰ~Ⅴ需監測的水文要素有：降雨、地表積水、礫石層出流、土壤濕度，監測儀器布設見(jiàn)圖2。以透水鋪裝Ⅰ實(shí)驗小區儀器布設為例，在實(shí)驗小區的末端開(kāi)挖1座監測井，井口是邊長(cháng)0.4m的方形，井深1m，底部鋪設300mm厚的礫石。透水鋪裝Ⅰ~Ⅴ除降雨外無(wú)其他來(lái)水，降雨通過(guò)氣象站監測數據理論計算獲得；為監測實(shí)驗小區的地表徑流過(guò)程，通過(guò)封閉實(shí)驗小區的線(xiàn)性排水溝收集雨水并通過(guò)監測井中的含壓力式水位計的三角堰排出；為充分反映土壤水的變化，在距透水磚面610、710、910、1310mm處均布設1個(gè)土壤水分傳感器；在礫石層底部布設一根?100mm的穿孔管，穿孔管中的水通過(guò)監測井的含壓力式水位計的三角堰排出，以此監測透水鋪裝的礫石層出流過(guò)程。5個(gè)監測井通過(guò)PVC管相互連通，當水位到達一定高程時(shí)，水泵自動(dòng)啟動(dòng)將監測井中的水排到周?chē)G地里。

2.2.2 透水鋪裝Ⅵ水文過(guò)程監測

透水鋪裝Ⅵ需監測的水文要素有降雨、土壤濕度、礫石層出流、深層滲漏、蒸發(fā)，監測儀器布設見(jiàn)圖3。

透水鋪裝Ⅵ除降雨外無(wú)其他來(lái)水，降雨通過(guò)氣象站監測數據理論計算獲得；土壤濕度通過(guò)蒸滲儀的稱(chēng)重系統測得，為充分反映土壤水變化，識別土壤層濕度變化規律，在距面層600、700、900、1100、1300mm均布設1個(gè)土壤水分傳感器；為了監測礫石層排水情況，在礫石層設置一根穿孔管，水從鐵箱上的開(kāi)孔流出，并通過(guò)PVC管與翻斗流量計相連；同理，在反濾層的底部開(kāi)孔，下滲的水通過(guò)開(kāi)孔排出，開(kāi)孔與另一個(gè)翻斗流量計相連。在兩個(gè)翻斗流量計下放置一個(gè)水箱，用于承接翻斗流量計的來(lái)水，當水量達到一定值，水泵自動(dòng)啟動(dòng)將水排出蒸滲儀；設施的蒸發(fā)則借助蒸滲儀通過(guò)水量平衡計算得到。此外，為了分析透水鋪裝的污染物削減效果，在距表面260、400、600、700、900、1000、1100、1300mm處均布設土壤溶液提取裝置。

2.3 生物滯留設施水文過(guò)程監測

2.3.1 生物滯留設施Ⅰ、Ⅱ

生物滯留設施Ⅰ、Ⅱ需監測的水文要素有降雨、入流、地表積水、溢流、土壤濕度、礫石層出流。生物滯留設施Ⅰ、Ⅱ具體監測細節見(jiàn)圖4。設施的匯入水量由直接落在設施的降雨和設施外接匯水面的來(lái)水組成，降雨通過(guò)氣象站監測數據獲得，匯水面（屋面、道路）來(lái)水通過(guò)安裝有壓力式水位計的三角堰監測；在生物滯留設施Ⅰ、Ⅱ旁均布設監測井，生物滯留設施Ⅱ垂直均分的兩部分共用一座監測井；為監測生物滯留設施的溢流量，在表層土面的中間布設?110mm PVC溢流管，溢流管的水從低于監測井面300mm的安裝有壓力式水位計的三角堰排出；在靠近溢流管處垂直安裝壓力式水位計，用于監測地表徑流過(guò)程；通過(guò)距離種植土層頂端5cm和15cm對稱(chēng)布設的土壤水分傳感器監測種植土層水分變化；在礫石層底部安放一根?110mm的穿孔管，穿孔管中的水通過(guò)監測井中另一個(gè)安裝有壓力式水位計的三角堰排出，以此監測礫石層出流；兩種生物滯留設施的蒸散發(fā)均可通過(guò)水量平衡計算出。

2.3.2 生物滯留設施Ⅲ

生物滯留設施Ⅲ需監測的水文要素有降雨、入流、地表積水、礫石層出流、土壤濕度、深層滲漏。生物滯留設施Ⅲ的監測細節見(jiàn)圖5。設施的匯入水量由直接落在設施的降雨和設施外接匯水面的來(lái)水組成，降雨通過(guò)氣象站監測數據獲得，匯水面（屋面）來(lái)水通過(guò)安裝有壓力式水位計的三角堰監測；在生物滯留設施地表中間位置安放壓力式水位計用于監測設施地表積水過(guò)程；土壤濕度通過(guò)蒸滲儀的稱(chēng)重系統監測，為充分反映土壤水變化，識別土壤層濕度變化規律，在距離表面100、250、350、450、1000和1100mm處均布設一個(gè)土壤水分傳感器；在礫石層安裝一根穿孔管，使得礫石層的水可以從鐵箱的開(kāi)孔流出，并通過(guò)管道與翻斗相連（翻斗翻轉一次，會(huì )形成一次脈沖，電腦會(huì )記錄一次數據）；同理，在鐵箱反濾層底部也開(kāi)了一個(gè)孔，通過(guò)管道與翻斗相連，使得深層滲漏的水排出；在兩翻斗流量計下放置一個(gè)水箱，用于承接翻斗流量計的來(lái)水，當水量達到一定值時(shí)，水泵自動(dòng)啟動(dòng)將水排出；設施的蒸散發(fā)則借助蒸滲儀通過(guò)水量平衡得以實(shí)現。此外，為了分析透水鋪裝的污染物削減效果，在距表面260、400、600、700、900、1000、1100、1300mm處均布設土壤溶液提取裝置。

2.4 綠色屋頂水文過(guò)程監測

①降雨和徑流監測

綠色屋頂實(shí)驗區水文輸入要素為直接落在屋面上的降雨，降雨通過(guò)氣象站監測數據理論計算獲得。大型綠色屋頂實(shí)驗區的徑流計量設備分為兩部分：壓力式水位計和計量堰，通過(guò)壓力式水位計記錄水位數據，利用堰流公式計算流量，徑流收集后儲存在蓄水池中。小型綠色屋頂的徑流通過(guò)翻斗流量計監測。

②土壤水分監測

在大型綠色屋頂中，為研究無(wú)蓄水模塊以及設有蓄水模塊情況下不同密度吸水柱設置土壤的墑情，采用土壤水分傳感器對土壤含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，監測數據可在相關(guān)網(wǎng)頁(yè)讀取。在綠色屋頂Ⅳ區域三種方案各設2個(gè)探頭進(jìn)行土壤含水量監測，同時(shí)在綠色屋頂Ⅰ設2個(gè)探頭進(jìn)行土壤含水量監測。每個(gè)小型綠色屋頂均布設6個(gè)土壤水分傳感器，可對土壤含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，監測數據可在相關(guān)網(wǎng)頁(yè)讀取。

③蒸散發(fā)

大型綠化屋頂蒸散發(fā)規律采用基于土壤水分動(dòng)態(tài)的水量平衡分析。利用FDR土壤水分傳感器測得的土壤水分動(dòng)態(tài)和降雨、徑流過(guò)程數據，采用水量平衡原理得到蒸散發(fā)量。對于小型綠色屋頂，基于蒸滲儀稱(chēng)重系統通過(guò)水量平衡分析算出蒸散發(fā)量。

3 結論

實(shí)驗場(chǎng)主要特色體現在基于長(cháng)時(shí)間尺度，對透水鋪裝、生物滯留設施和綠色屋頂三種典型海綿設施監測困難較小的水文要素進(jìn)行監測，再借助蒸滲儀進(jìn)行包括土壤水、蒸散發(fā)、深層滲漏3種監測存在較大困難的水循環(huán)組成水文要素的監測，以此實(shí)現對透水鋪裝、生物滯留設施、綠色屋頂水文調控效果分析和水循環(huán)過(guò)程分析。

透水鋪裝選擇了4種運用較廣泛的面層材料和2種墊層材料，能實(shí)現對多種透水鋪裝的水文調控效果比較分析；布設在蒸滲儀上的透水鋪裝，在對透水鋪裝的多層土壤濕度、深層滲漏、蒸發(fā)進(jìn)行監測分析的基礎上實(shí)現了對透水鋪裝整個(gè)水循環(huán)的監測分析。

生物滯留設施實(shí)驗區共設有3處生物滯留設施，能實(shí)現不同類(lèi)型生物滯留設施的水文調控效果比較。其中2處生物滯留設施的結構分別為填料層材料采用再生骨料以及種植土層與填料層位置互換；布設在蒸滲儀上的生物滯留設施，在對生物滯留設施的多層土壤濕度、深層滲漏、蒸散發(fā)進(jìn)行監測分析的基礎上實(shí)現了對生物滯留設施整個(gè)水循環(huán)的監測分析。

基于綠色屋頂實(shí)驗區可實(shí)現對綠色屋頂的水文調控效果分析，布設了土壤水分傳感器的綠色屋頂Ⅰ、Ⅳ能實(shí)現綠色屋頂的水循環(huán)過(guò)程分析。大型綠色屋頂還能實(shí)現對不同排水口形式的綠色屋頂蓄水能力和設有蓄水模塊在不同吸水柱密度土壤的墑情探究；通過(guò)小型綠色屋頂實(shí)驗區可探究不同基質(zhì)層厚度、排水方式、灌溉水平對綠色屋頂蒸散發(fā)的影響。

在污染物削減效果方面，實(shí)驗場(chǎng)布設了降水降塵自動(dòng)采樣器對大氣干濕沉降進(jìn)行監測。透水鋪裝、生物滯留設施、綠色屋頂三種海綿設施均能實(shí)現不同出流時(shí)間的污染物削減效果分析。對于布設在蒸滲儀上的透水鋪裝、生物滯留設施兩種設施，采取多層采樣的方式，在設施的8個(gè)不同埋深進(jìn)行土壤溶液采集，可在不同出流時(shí)間污染物濃度變化研究的基礎上進(jìn)行設施不同深度的污染物濃度變化研究。