第 1 章 绪论
1.1 海绵城市研究现状
1.1.1 海绵城市概念与内涵
海绵城市理念最早源于西方的发达国家，该理念与最佳管理措施（Best Management Practices, BMPs）与低影响开发措施（Low Impact Development, LID）有着紧密联系。“海绵城市”一词最早出现在 2012 年 4 月我国召开的低碳城市与区域发展科技论坛中，之后在中央等重要会议上多次重点提出。海绵城市是指将我国城镇区域打造成一个具有新型化、环保型及节约型区域，使该区域下垫面恢复自然本底值，将其成为海绵一样，使得在应对极端天气或环境变化时具有良好“弹性”，具有“渗、滞、蓄、净、用、排”多功能特性。
其中，“渗”是指通过改变下垫面铺装材料、增添原生态土地面积及改变下垫面土壤类型等方法，增强区域入渗能力，使雨水在源头得到有效控制并对地下水补充起到关键作用；“滞”是指通过改变下垫面结构，延长雨水停留时间，为地表植物提供水分补给并恢复区域水土生态体系，进而减缓城市温室效应、热辐射等问题；“蓄”是指在降雨强度过大时，通过设置一定容积构筑物，使溢流等未有效入渗雨水依托地势或市政管网等汇入其中，进而有效削减洪峰流量且为雨水净化、利用等铺设基础；“净”是指通过对下垫面各结构层设置不同填料、改变各结构层物性参数等途径，使径流污染物在入渗过程中，依托截留、吸附及反应等物理、化学或生物处理等技术对径流中所含污染物进行不同程度去除，进而加大雨水二次利用效率且减轻对地下水资源污染风险。“用”是指利用海绵城市工程措施对雨水收集并净化，根据社会与居民需求进行重新分配并利用；“排”是指海绵城市工程措施与现有市政管网相结合，使雨水经前者收集后，通过市政管网汇入指定区域，比如河道、农田及污水处理厂等区域。
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1.2 海绵城市 PBPS 研究现状
1.2.1 PBPS 理论研究现状
1.2.1.1 土壤流体运动方程研究现状
土壤流体运动方程描述了土壤在饱和或非饱和状态下，土壤在孔隙中水分含量与渗透能力的关系。在研究降雨入渗方面时，该方程为该研究理论推导和模拟提供必要参数，为后续研究奠定理论基础。土壤流体运动方程主要研究非饱和土壤入渗过程，涉及两个重要本构关系：基质吸力方程、导水系数方程。
（1）基质吸力方程
土壤基质吸力方程包括土壤基质吸力与体积含水率两变量，其中土壤 SWCC 是表征两变量关系的重要曲线，可为土壤入渗特征提供参数支持。表 1-1 为常用的 SWCC 测定方法及所用仪器、优缺点统计结果。
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第 2 章 土壤流体运动方程的建立
2.1 概况
2.1.1 PBPS 结构概况
基于透水砖路面技术规程[66]，对 PBPS 进行设计。图 2-1 为 PBPS 示意图，由图可知，该系统自上而下依次为面层、找平层、基层、垫层及土基，其中除地基层外其余部分为系统的结构层，各层的设计高度在相应位置标出。
本文实验土壤采集于海绵城市试点城市北京市海淀区，该区是中国海绵城市建设的示范性区域。北京市作为全国第二批海绵城市试点城市，该市基于海绵城市理念，以增强城市应对洪涝灾害能力、改善区域环境生态现状及完善海绵城市建设体制等问题为目标，针对易受雨洪威胁的区域逐一进行安全排查并提供应对方案，最大限度的保障了人民生命与财产安全。
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2.2 土壤基质吸力方程的确立
2.2.1 土壤 SWCC 测定实验
2.2.1.1 实验原理
滤纸法测定非饱和土壤吸力的间接方法，按照吸力种类分为接触式与与非接触式滤纸技术，分别测定土壤基质吸力与土壤总吸力。由于土壤 SWCC 是关于土壤基质吸力与土壤含水率间的关系，所以本文测定土壤 SWCC 选用接触式滤纸技术。该技术是将滤纸作为获得土壤内部含水量的媒介，加上事先测定的关于滤纸含水率与基质吸力的校准曲线，间接获得被测土样的基质吸力，从而获得土壤 SWCC 的实验散点。
2.2.1.2 实验方法
接触式滤纸法测定土壤 SWCC 的实验仪器主要有：恒温恒湿保温箱；真空高温烘箱；电加热装置；“双圈牌”No.203 型滤纸(杭州新华造纸厂生产，直径，70 mm、90 mm，灰分，0.000035 g 张，占质量百分比为 0.01%，滤速为慢速)；环刀（φ61.8 mm×20 mm）及塑料底盒；锡箔纸；固体石蜡（熔点为 58℃）；密封盒；自封袋；电工胶带；胶头滴管；镊子；蒸馏水等。非接触式滤纸测定土壤 SWCC 的步骤大致分为 8 个，详细操作方法如下：
（1）烘干土样 将各采集点采集的深层土经过简单的杂物清理，放置真空高温烘箱内，在 105±0.5℃下放置 24h；然后将其搁置室温后用土工锤适当锤击结块部分，使其正常松散；之后存于自封袋中并放置于干燥环境备用。
（2）填充土样 为防止土壤 SWCC 实验过程中水分与土粒的遗失，本实验增添环刀保护外盒以降低该风险，如图 2-6 所示。将环刀塑料底盒与环刀内壁均少量涂抹凡士林，以增强密闭性；然后将烘干后的土样用切土器均匀填充至附有塑料底盒的环刀内部。
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第 3 章 PBPS 降雨入渗及产流变化规律 ··························· 24
3.1 PBPS 雨水入渗机理 ····································· 24
3.2 PBPS 降雨入渗数学模型及求解······················· 24
第 4 章 PBPS 对径流重金属污染物控制的研究················ 42
4.1 区域径流重金属污染物浓度范围 ················ 42
4.2 PBPS 径流重金属污染物迁移数学模型的建立及求解 ················· 42
第 4 章 PBPS 对径流重金属污染物控制的研究
4.1 区域径流重金属污染物浓度范围
依据基层吸附作用，选用径流中四种常见重金属 Ni、Cu、Zn、Pb 作为本文径流污染物。表 4-1 为北京市海淀区交通要道的径流中上述各重金属污染物浓度区间及本文设定值。
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结论
本文通过渗流实验，构建了 PBPS 中土壤层 SWCC，建立了 PBPS 土壤层流体运动方程；基于该方程，建立了 PBPS 降雨入渗数学模型，构建了 PBPS 产流计算方法，分析了 PBPS 产流时间及累积径流量的影响因素；最后，基于 PBPS 降雨入渗数学模型，建立了 PBPS 径流中各重金属污染物迁移数学模型，分析了 PBPS 中结构层出水水质及基层吸附能力的影响因素。得出以下几点主要结论：
1）结合 PBPS 土壤层 SWCC 进气值，得出 PBPS 土壤层部分渗透能力由强到弱依次为：粗砂、中砂、细砂及粉质粘土。基于 BC、VG、FX 土壤 SWCC 拟合模型简易程度及对 PBPS 土壤 SWCC 拟合效果综合分析，选用 VG 模型更适合，其拟合度均在 99%以上。
2）中砂作为找平层土壤时，PBPS 延迟产流及径流重金属污染物去除能力综合达到最佳。其中，降雨强度为 4.45cm·h-1时，在产流时间上，中砂相比粗砂、细砂作为找平层时，分别延迟 0.57%、47.06%；在径流重金属污染物去除上，降雨时间 6 h、以中砂作为找平层土壤时，相比细砂wR 仅减小 2.72%~8.03%。
3）基层与垫层有效孔隙率相近时，PBPS 产流时间基本不受基层与垫层厚度比影响，系统产流时间平均为 3.48h；降雨强度为 4.45cm·h-1、持续降雨 6 h 内，基层与垫层厚度比为 15:4 时，基层对径流中各重金属污染物吸附能力下降速率达到最小值，此时wR 介于 78.91%~92.05%。
参考文献（略）