土壤选择驱动高速公路雨水花园水力性能：DIG项目现场实证研究

《Frontiers in Environmental Science》：DIG-ging deeper: soil selection drives hydraulic performance in highway rain gardens

　　

研究人员定量评估了在唐卡斯特、伊明厄姆与格里姆斯比（DIG）地表水韧性项目下开发的自然解决方案（NBS）高速公路雨水花园的性能，该项目旨在降低地表水洪水风险并为英国可持续排水系统（SuDS）政策提供依据。研究人员对英国格里姆斯比一条易涝高速公路上的四个雨水花园进行了整整一个水文年的监测，每个雨水花园均采用相同的混合设计，即结合调蓄箱与不同土壤介质。该研究比较了四种土壤在真实世界条件下的水力行为、径流调蓄能力及电导率（EC）响应：一种回收当地土壤、两种标准工程土壤（A和B）以及一种优质工程混合土。监测内容包括连续土壤水分剖面、作为水质替代指标的电导率（EC）以及用于评估调蓄性能的深度传感器。研究观察到不同土壤之间存在明显性能差异。优质工程土壤水分传输迅速，降雨至出流口滞后时间为65分钟，但持留能力有限。回收土壤的行为最接近自然对照，以较低成本提供了相对较高的持留量。标准工程土壤表现出介于中间的反应，其中土壤A维持了稳定的水分条件，相对于优质混合土将出流峰值深度降低了48%，同时将出流持续时间延长了55%；土壤B则显示出略大的储水能力。季节性电导率变化模式表明溶质持留存在差异，尤其是在冬季撒盐期间。这些研究发现表明，没有一种土壤能在所有功能上表现最佳。相反，土壤选择应与场地特定的水力、环境和可持续性优先事项相匹配，从而为长期城市洪水韧性提供适应性、基于证据的NBS设计支持。

本研究围绕高速公路雨水花园中不同土壤介质的水力性能开展现场对比评估。研究背景方面，城市化和气候变化导致传统地表水管理方式效能下降，自然解决方案（NBS）和可持续排水系统（SuDS）成为缓解城市洪水风险的重要手段。然而，在真实高速公路运行条件下，针对混合雨水花园内不同土壤介质水力与水质性能的现场证据仍然稀缺，且不同研究之间因设计差异难以直接比较，这限制了基于证据的设计优化和公众接受度。为此，研究人员依托英国DIG（Doncaster, Immingham, and Grimsby）地表水韧性项目，在格里姆斯比Broadway路段易涝高速公路旁的四个设计完全相同的混合型雨水花园中，分别填装回收当地土壤、两种标准工程土壤（A和B）以及优质工程混合土，开展了一个完整水文年（2024年10月至2025年9月）的连续监测。研究旨在定量比较四种土壤在垂直和侧向土壤水分动态、出流响应和调蓄行为上的差异，并将雨水花园土壤行为与未扰动自然土壤进行对比，同时以出流口电导率（EC）作为溶质运移和水质表现的替代指标。研究发现，没有一种土壤在所有功能上全面占优；土壤选择应根据场地特定的水力、环境和可持续性优先事项进行匹配，这为适应性、基于证据的NBS设计提供了重要支撑，有助于提升长期城市洪水韧性并促进SuDS政策的完善。

研究人员使用的关键技术方法主要包括：在四个实验雨水花园及附近自然土壤场地部署Sentek TriSCAN土壤水分探头（采用频域反射法FDR，垂直探头0.9米、侧向探头1.2米，分别以0.1米间隔采样）以获得连续土壤水分剖面；在每个出流检查井内安装Meter Hydros21电导率-温度-深度（CTD）探头（深度分辨率1毫米，电导率分辨率0.001 dS m^-1）以记录出流水深和电导率；利用Davis Vantage Pro2气象站（翻斗式雨量筒，0.1毫米分辨率，最大强度256 mm h^-1）以5分钟间隔记录降雨和气象数据，并通过Davis EnviroMonitor网络进行实时数据传输；土壤样本在回填阶段批量采集，采用环刀法测定干密度，由孔隙体积与总体积之比计算孔隙度，利用60毫米直径变水头渗透仪在饱和土柱上测定饱和水力传导度（K_sat）。研究地点为英国格里姆斯比Broadway（53.555316, ?0.12867764），集水区约0.02 km²，共涉及37个雨水花园，本研究选取其中四个进行实验监测，自然土壤对照点设在Western Primary School场地。

研究结果部分按照原文小标题总结如下：

3.1 垂直水力性能：通过绘制各雨水花园土壤体积含水量及其相对年平均值偏差的热力图，研究发现四种土壤表现出不同行为。回收土壤具有强烈的季节性波动（冬季湿润、夏季干燥），而自然土壤在近7个月内几乎保持恒定湿度；标准工程土壤A全年水分非常稳定（夏季干旱期仍维持在10%–20%），土壤B则出现同日10%–40%的较大剖面分层，水分主要保持在0.2和0.3米深度；优质土壤在前10个月呈现非常均匀的垂直水分剖面，夏季才出现分层响应，且表现出尖锐短暂的水分峰值和快速回落到基线，表明快速贯通流和有限持留。

3.2 侧向水力性能：通过侧向土壤水分数据（从人行道边缘0.1米至高速公路侧1.2米），研究发现所有雨水花园在高速公路侧（进水侧）持续更湿润，向人行道边缘逐渐变干。回收土壤大部分侧向剖面全年对降雨有响应，但夏季仅前0.4米有反应；标准工程土壤A出现三个明显干燥阶段，水分横向扩展至约0.6米；优质土壤再次表现出干湿极端，夏季入渗仅限于进水侧前0.2米。所有系统中水分运动主要由公路侧向内，人行道侧贡献可忽略。

3.3 出流响应：通过出流检查井水深和电导率（EC）连续记录及降雨-水深互相关分析，研究发现回收土壤出流对降雨几乎无响应，暗示水分被土壤大量持留或极缓慢释放；两种标准土壤出流最大深度约0.3米，事件峰形拖长，需数天才能回到基线，表现出明显的延缓作用；优质土壤出流呈尖锐峰形，事件当天即回到基线，最大深度达0.45米。互相关分析表明，优质土壤降雨至出流滞后时间最短（65分钟，r=0.27），标准土壤A滞后约260分钟（r=0.22），土壤B滞后185分钟（r=0.17），回收土壤几乎无滞后但出流极微弱。以2024年12月5日事件为例，土壤A相比优质土壤将出流峰值深度减少约48%，同时将出流持续时间延长约55%。EC数据方面，冬季撒盐期间三种工程土壤出现短暂EC升高，但未持续；夏季回收和优质土壤EC较高，可能源于蒸发浓缩。

3.4 自然土壤比较-润湿：通过将各雨水花园土壤与自然土壤在降雨日的正向土壤水分偏差进行线性回归，研究发现回收土壤在0.1米深度与自然土壤对应关系最强（10.8%偏差对应11.8%偏差），且随深度增加回收土壤的响应幅度大于自然土壤；土壤A与自然土壤呈中等关系（R²=0.53–0.60），但润湿速度较慢；土壤B和优质土壤与自然土壤无显著线性关系（R²=0.03–0.33），且优质土壤在0.1米深度的平均润湿偏差仅为自然土壤的四分之一左右。

3.5 事件响应的统计比较：通过Friedman检验和Wilcoxon符号秩检验对83个降雨事件进行分析，研究发现各深度下站点间事件响应均存在显著差异（Holm校正p<0.001），效应量在0.1米处最小（W=0.15）、0.4米处最大（W=0.48）。所有雨水花园土壤的响应等于或超过自然土壤，但中位数差异往往很小（仅0.1%）。最明显差异出现在回收土壤0.4米深度，其中位响应比自然土壤高1.95%（95%置信区间1.25%–2.50%，秩双列相关0.99）。

讨论部分指出，没有一种土壤能在所有水力功能上表现最佳，每种土壤各有优势，取决于设计目标是调蓄、持留、植被支持还是成本。标准土壤A和B在Broadway方案中应用最广，两者价格相近但水力响应不同；优质土壤成本约为标准土壤的四倍，其快速贯通流有利于快速恢复但持留能力差，且有机质丰富可能面临压实和堵塞风险。回收土壤保留了绝大部分入流，提供了最长的接触时间和最大的持留量，但几乎不向排水系统泄水，可能适合需要缓慢吸纳径流的区域。安装时机（土壤疏水性和压实风险）、成本（本地土壤再利用可节省处置费用）、土壤添加剂（如生物炭可增加持水和吸附能力）以及公共空间实验的伦理问题（必须确保有安全排水替代路径）均被讨论。关于水质，EC数据显示雨水花园限制了导电元素向排水网络的传输，冬季盐分进入土壤但未在出流中持续出现，表明土壤持留或稀释了溶质；回收土壤持水时间最长，可能提供最大的污染物处理潜力，而优质土壤因快速通流而处理机会最少。研究结论是：土壤规格是决定雨水花园水力行为和水质表现的关键因素，应针对场地特定的水力、环境和可持续性目标进行定制化选择，而不是统一采用单一规格。该比较实验方法为NBS的现场评估提供了可复制的框架，有助于为设计指南提供基于证据的更新，支撑长期城市洪水韧性建设。