海綿城市建設對區(qū)域地下水資源的補給效應

杜新強，賈思達，方 敏，冶雪艷

(1.吉林大學新能源與環(huán)境學院，吉林 長春 130021； 2.吉林大學地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春 130021)

我國作為世界最大的發(fā)展中國家，改革開放以來城市化發(fā)展迅速。城市化的不斷發(fā)展使不透水下墊面面積日益增加，雨水下滲能力降低，流域中原有雨水滯留能力銳減，改變了降水-徑流特征[1]，使徑流系數(shù)增大[2]、市政排水系統(tǒng)負荷加重[3]，從而導致城市雨洪內澇災害頻發(fā)。在城市雨洪管理方面，國際上先后出現(xiàn)了最佳管理措施(best management practices, BMPs)、低影響開發(fā)(low impact development, LID)、可持續(xù)城市排水系統(tǒng)(sustainable urban drainage system, SUDS)、綠色基礎設施(green infrastructure, GI)[4]等一系列理念與技術措施。我國住房和城鄉(xiāng)建設部于2014年10月頒布了《海綿城市建設技術指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建(試行)》(以下簡稱《指南》)，啟動了海綿城市規(guī)劃與建設的序幕。2015年10月，國務院辦公廳印發(fā)了《關于推進海綿城市建設的指導意見》，將海綿城市建設上升至國家戰(zhàn)略的高度[5]。至2018年，我國已開展了兩個批次、共計30個城市的國家級海綿城市建設試點[6]。

雨水滲透的實現(xiàn)是海綿城市建設的核心工作內容之一[7-11]。LID設施中的透水磚鋪裝、下沉式綠地、生物滯留設施、滲透塘、滲井、干式植草溝和滲管(渠)等均具有較強的補充地下水的功能。宋子龍[12]論證了潛水含水層是典型的地下“海綿體”，其“海綿效應”受含水層厚度、下滲率、排泄條件、地表植被覆蓋率、人工開采、側向補給以及潛水與深部地下水的連通狀況等因素制約；戎貴文等[13]提出了雨水收集與涵養(yǎng)地下水的屋面雨水源頭調控技術；唐克旺[14]指出海綿城市建設重點是透水路面、地下水調蓄及下沉綠地建設等，是城市水循環(huán)的垂向分量。王興超[15]基于海綿城市的內涵和要求，分析了地下水庫應用于海綿城市建設中的優(yōu)勢及地下水庫調蓄、凈化、水循環(huán)路徑等基本原理，論證了地下水庫系統(tǒng)應用于海綿城市建設的可行性。黃津輝等[16]介紹了加拿大城市流域雨洪規(guī)劃管理的發(fā)展和多倫多市雨洪管理的政策、原則和標準，并與《指南》進行了對比分析，對《指南》中存在的問題和《指南》的先進性進行了討論，為中國的雨洪管理提供了新的思路和參考。更多的研究主要還是從LID工程設計的角度，關注如何讓城市雨水能夠快速入滲[17-22]。雖然也有海綿城市建設后地下水漏斗區(qū)面積減小等實例[23]，但總體而言，人們對城市雨水入滲后的水流去向和水質變化問題基本沒有關注，更缺少海綿城市建設對地下水補給作用的定量化實例研究成果。本文以黃河中下游某海綿城市建設實驗區(qū)為例，采用地下水數(shù)值模擬方法，分析不同海綿城市建設方案對地下水資源的補給效應。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國中東部、黃河中下游某海綿城市建設實驗區(qū)，地理位置優(yōu)越，交通發(fā)達，面積約91 km2。研究區(qū)屬于溫暖半干旱氣候，具有明顯的大陸季風氣候特征，四季分明，多年平均降水量為631.76 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 769.8 mm，年平均氣溫為14.25℃。研究區(qū)范圍如圖1所示。

圖1 研究區(qū)范圍示意圖

研究區(qū)廣泛分布第四紀松散堆積物，含水層主要由第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)沖積物組成，巖性以細砂、粉細砂為主，地下水類型為潛水-微承壓水。

地下水補給的主要途徑有降水入滲補給、灌溉回滲補給以及側向徑流補給，區(qū)內多條季節(jié)性河流對地下水也有一定的補給作用。區(qū)內的地形西部較高，向東、北、南方向降低，地下水向南、東南方向流動。淺層地下水的排泄主要有人工開采排泄、向深部越流以及徑流排泄等形式。

目前，研究區(qū)內農業(yè)、工業(yè)和生活用水總供水規(guī)模為6 435萬m3/a，其中來自地表水2 601萬m3/a，來自地下水3 834萬m3/a(含區(qū)外地下水)。研究區(qū)農業(yè)灌溉和生活用水多以地下水為主，地下水供水規(guī)模為683萬m3/a(根據(jù)區(qū)域開采模數(shù)計算)。

2 研究區(qū)地下水數(shù)值模型

2.1 水文地質概念模型

地下水數(shù)值模擬計算平面范圍與研究區(qū)范圍一致，總面積為91 km2，根據(jù)地層特征，劃分為兩個模型層，上層為潛水含水層，厚度為80～100 m，下層為承壓含水層，厚度為220 m左右。研究區(qū)邊界內外都有一定的水量交換，概化為第二類邊界。含水層上邊界為潛水面邊界，地下水在垂向上可接受大氣降水入滲補給、灌溉入滲補給等，在潛水埋藏較淺處可產生地下水蒸發(fā)排泄，其中大氣降水入滲系數(shù)為0.21，灌溉入滲系數(shù)為0.10；將研究區(qū)內季節(jié)性河流概化為河流邊界(第三類邊界)；承壓水含水層的底板為模型的下邊界，處理為隔水邊界。地下水運動特征概化為符合達西定律的三維非穩(wěn)定流。

2.2 數(shù)學模型的建立及解法

在水文地質概念模型的基礎上，建立潛水-承壓水三維非穩(wěn)定地下水流數(shù)值模型：

式中：Ω為滲流區(qū)域；h為含水層水位標高，m；t為時間，d；K為含水層滲透系數(shù)，m/d，；Ss為含水層彈性貯水率，m-1；μ為潛水含水層給水度；W為含水層的源匯項，m/d；Г2、Г3分別為滲流區(qū)的第二類和第三類邊界；q1(x，y，z，t) 為含水層第二類邊界單位面積流量，m3/(m2·d)；K1為河流低滲透底積層的滲透系數(shù)，m/d；M1為河流低滲透底積層的厚度，m；hn為第三類邊界地下水水位，m。

采用Visual MODFlow軟件對上述地下水流數(shù)值模型求解，選取2014年7月5日至2015年1月5日為模型識別期； 2015年2月5日至6月5日為模型驗證期，1月為一個時段。通過運行模型，識別水文地質參數(shù)，進行地下水長期觀測孔動態(tài)歷時曲線擬合識別(圖2)。識別前的潛水含水層滲透系數(shù)為0.8 m/d，給水度為0.05；承壓水含水層滲透系數(shù)為0.8 m/d，彈性貯水率為1×10-5m-1；識別后的潛水含水層滲透系數(shù)為0.6 m/d，給水度為0.05；承壓水含水層滲透系數(shù)為0.3 m/d，彈性貯水率為1×10-5m-1；識別期內擬合誤差小于0.5 m的觀測井占總觀測井的75%(最大擬合誤差為0.9 m)；驗證期擬合誤差小于0.5 m的觀測井占總觀測井的67%(最大擬合誤差為0.6 m)，擬合結果較好(圖3)，說明所建地下水流數(shù)值模型及所確定的水文地質參數(shù)合理，能夠反映研究區(qū)水文地質條件以及地下水動力的基本規(guī)律，可用于后續(xù)與地下水動態(tài)相關的預測分析。

圖2 識別期地下水水位觀測值和計算值對比

圖3 驗證期地下水水位觀測值和計算值對比

3 不同建設方案的地下水數(shù)值模擬

3.1 LID設計類型及比例

根據(jù)研究區(qū)用地規(guī)劃及不同用地的建筑物密度與綠化率，可將研究區(qū)的土地利用類型劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4類。Ⅰ類(居住用地區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、醫(yī)療衛(wèi)生區(qū)、行政辦公區(qū))具有建筑物密集、不透水面積較大的特征；Ⅱ類(教育科研區(qū))具有建筑物豐富、綠化程度較好的特征；Ⅲ類(公共設施區(qū))具有建筑物和道路廣場密度較大的特征；Ⅳ類(生態(tài)用地)植被覆蓋率高，不透水率低，本次海綿城市LID設計工作暫時不考慮此區(qū)域。

擬在研究區(qū)設置的主要LID設施類型為綠色屋頂、滲透鋪裝和雨水花園，其中綠色屋頂主要設置于建筑用地，滲透鋪裝主要設置于道路廣場，雨水花園設置于生態(tài)用地。各LID設施的設置比例為理論上可在相應區(qū)域上設置的最大比例，各用地類型的用地構成比例及LID設施類型的最大擬設比例如表1所示。

3.2 模擬預測方案

保持地下水現(xiàn)狀開采強度(7.5萬m3/a)以及開采位置不變，根據(jù)研究區(qū)不同建設規(guī)劃條件擬定4個模擬預測方案，模擬未來區(qū)域地下水水位動態(tài)變化趨勢：方案1，按規(guī)劃建設前的不透水區(qū)面積比例(10%)；方案2，按規(guī)劃建成后的不透水區(qū)面積比例(45%～65%)；方案3，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ用地類型中選擇典型區(qū)A、B、C設置LID設施，即在局部地區(qū)建設海綿城市(圖4)，為了更好地展示各典型區(qū)地下水水位動態(tài)，在相應區(qū)域內增加虛擬的地下水水位觀察井Ga、Gb和Gc；方案4，按方案3的LID類型和面積設計原則，將海綿城市建設分布在全部區(qū)域。

模型預報區(qū)內含水層的補給量有大氣降水入滲量和側向徑流補給量，排泄量主要有人工開采量、側向徑流排泄量和蒸發(fā)排泄量，其中，大氣降水補給量采用多年平均降水量，蒸發(fā)量也采用多年平均蒸發(fā)量，LID設施的建設增強了雨水的滲透能力，使大氣降水入滲系數(shù)增大。

3.3 模擬結果與分析

3.3.1 規(guī)劃建設對區(qū)域地下水的影響

方案1條件下，地下水入滲補給量為18.9萬m3/a，其中降雨入滲量為16.4萬m3，占87.0%。方案1模擬結果顯示，在多年平均降水量和蒸發(fā)量條件下，淺層地下水流場形態(tài)沒有明顯變化，但受多年平均降水量大于現(xiàn)狀年降水量的影響，地下水水位較現(xiàn)狀年略有抬升。方案2條件下，地下水入滲補給量為11.6萬m3/a，其中降雨入滲量為6.7萬m3/a，占58.1%。方案2模擬結果顯示，在多年平均降水量和蒸發(fā)量條件下，淺層地下水流場形態(tài)沒有明顯變化。盡管多年平均降水量大于現(xiàn)狀年降水量，但由于規(guī)劃建設導致不透水下墊面增加、地下水補給量減少，導致區(qū)域地下水水位普遍下降，下降幅度0.5～5 m不等(圖5)。但不同地段地下水水位下降幅度有所不同，部分地段地下水水位能夠保持相對穩(wěn)定(如G1號井)，部分地段地下水水位下降明顯(如G2號井)，主要受該地段及其附近不透水下墊面變化比例的影響(圖6)。

圖5 方案1和方案2流場模擬結果對比(單位：m)

圖6 方案1和方案2觀測井水位對比

3.3.2 局部海綿城市建設對區(qū)域地下水的影響

方案3條件下，地下水入滲補給量為11.6萬m3/a，其中降雨入滲量為6.8萬m3/a，占58.7%，降雨入滲量比方案2增加0.6%。從圖7可見，局部小范圍的添加LID設施對區(qū)域地下水流場基本沒有影響。從局部區(qū)域地下水水位動態(tài)變化規(guī)律分析，設置LID設施條件下地下水水位有所升高，但A、B、C區(qū)地下水水位升幅不一致(分別對應Ga、Gb和Gc觀測井)，變幅在0 ～0.4 m之間(圖8)，主要受LID設施設置前后該區(qū)段下墊面不透水率的變化以及區(qū)域地下水流場的影響。

圖7 方案2和方案3流場模擬結果對比(單位：m)

圖8 方案2和方案3觀測井水位對比

3.3.3 全區(qū)建設海綿城市對區(qū)域地下水的影響

圖9 方案2和方案4流場模擬結果對比(單位:m)

圖10 方案2和方案4觀測井水位對比

方案4條件下，地下水入滲補給量為36.4萬m3/a，其中降雨入滲量為35.9萬m3/a，占98.6%。對比方案4和方案2條件下典型地下水水位觀測井地下水動態(tài)變化趨勢和流場模擬結果(圖9和圖10)可見，全區(qū)規(guī)劃海綿城市LID設施，對區(qū)域地下水資源有明顯影響，相較于無海綿城市建設的規(guī)劃方案(方案2)，地下水水位有明顯升高(4～9 m)。

4 結 論

a. 城市建設增大了地表不透水面積，使地下水補給量減少，導致區(qū)域地下水水位普遍下降。但不同地段地下水水位改變幅度有所不同，主要受該地段及其附近不透水下墊面變化比例的影響。

b. 典型區(qū)域建設海綿城市對區(qū)域地下水流場影響不大，但對海綿城市所在局部地區(qū)的地下水有一定的補給作用。

c. 僅當海綿城市建設達到一定規(guī)模的情況下，才能對區(qū)域地下水資源產生明顯的補給效應。