杜新強(qiáng)，賈思達(dá)，方 敏，冶雪艷

(1.吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021； 2.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130021)

我國(guó)作為世界最大的發(fā)展中國(guó)家，改革開(kāi)放以來(lái)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(fù)荷加重[3]，從而導(dǎo)致城市雨洪內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)。在城市雨洪管理方面，國(guó)際上先后出現(xiàn)了最佳管理措施(best management practices, BMPs)、低影響開(kāi)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(chǔ)設(shè)施(green infrastructure, GI)[4]等一系列理念與技術(shù)措施。我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2014年10月頒布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)，啟動(dòng)了海綿城市規(guī)劃與建設(shè)的序幕。2015年10月，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，將海綿城市建設(shè)上升至國(guó)家戰(zhàn)略的高度[5]。至2018年，我國(guó)已開(kāi)展了兩個(gè)批次、共計(jì)30個(gè)城市的國(guó)家級(jí)海綿城市建設(shè)試點(diǎn)[6]。

雨水滲透的實(shí)現(xiàn)是海綿城市建設(shè)的核心工作內(nèi)容之一[7-11]。LID設(shè)施中的透水磚鋪裝、下沉式綠地、生物滯留設(shè)施、滲透塘、滲井、干式植草溝和滲管(渠)等均具有較強(qiáng)的補(bǔ)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(yīng)”受含水層厚度、下滲率、排泄條件、地表植被覆蓋率、人工開(kāi)采、側(cè)向補(bǔ)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(diào)控技術(shù)；唐克旺[14]指出海綿城市建設(shè)重點(diǎn)是透水路面、地下水調(diào)蓄及下沉綠地建設(shè)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(nèi)涵和要求，分析了地下水庫(kù)應(yīng)用于海綿城市建設(shè)中的優(yōu)勢(shì)及地下水庫(kù)調(diào)蓄、凈化、水循環(huán)路徑等基本原理，論證了地下水庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)用于海綿城市建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，并與《指南》進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)《指南》中存在的問(wèn)題和《指南》的先進(jìn)性進(jìn)行了討論，為中國(guó)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(shè)計(jì)的角度，關(guān)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(shè)后地下水漏斗區(qū)面積減小等實(shí)例[23]，但總體而言，人們對(duì)城市雨水入滲后的水流去向和水質(zhì)變化問(wèn)題基本沒(méi)有關(guān)注，更缺少海綿城市建設(shè)對(duì)地下水補(bǔ)給作用的定量化實(shí)例研究成果。本文以黃河中下游某海綿城市建設(shè)實(shí)驗(yàn)區(qū)為例，采用地下水?dāng)?shù)值模擬方法，分析不同海綿城市建設(shè)方案對(duì)地下水資源的補(bǔ)給效應(yīng)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國(guó)中東部、黃河中下游某海綿城市建設(shè)實(shí)驗(yàn)區(qū)，地理位置優(yōu)越，交通發(fā)達(dá)，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(fēng)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(jì)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(xì)砂、粉細(xì)砂為主，地下水類型為潛水-微承壓水。

地下水補(bǔ)給的主要途徑有降水入滲補(bǔ)給、灌溉回滲補(bǔ)給以及側(cè)向徑流補(bǔ)給，區(qū)內(nèi)多條季節(jié)性河流對(duì)地下水也有一定的補(bǔ)給作用。區(qū)內(nèi)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(dòng)。淺層地下水的排泄主要有人工開(kāi)采排泄、向深部越流以及徑流排泄等形式。

目前，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活用水總供水規(guī)模為6 435萬(wàn)m3/a，其中來(lái)自地表水2 601萬(wàn)m3/a，來(lái)自地下水3 834萬(wàn)m3/a(含區(qū)外地下水)。研究區(qū)農(nóng)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(wàn)m3/a(根據(jù)區(qū)域開(kāi)采模數(shù)計(jì)算)。

2 研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

地下水?dāng)?shù)值模擬計(jì)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(gè)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(nèi)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(bǔ)給、灌溉入滲補(bǔ)給等，在潛水埋藏較淺處可產(chǎn)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(nèi)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(yùn)動(dòng)特征概化為符合達(dá)西定律的三維非穩(wěn)定流。

2.2 數(shù)學(xué)模型的建立及解法

在水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)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(biāo)高，m；t為時(shí)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(xiàng)，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(duì)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(shí)別期； 2015年2月5日至6月5日為模型驗(yàn)證期，1月為一個(gè)時(shí)段。通過(guò)運(yùn)行模型，識(shí)別水文地質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行地下水長(zhǎng)期觀測(cè)孔動(dòng)態(tài)歷時(shí)曲線擬合識(shí)別(圖2)。識(shí)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(shí)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(shí)別期內(nèi)擬合誤差小于0.5 m的觀測(cè)井占總觀測(cè)井的75%(最大擬合誤差為0.9 m)；驗(yàn)證期擬合誤差小于0.5 m的觀測(cè)井占總觀測(cè)井的67%(最大擬合誤差為0.6 m)，擬合結(jié)果較好(圖3)，說(shuō)明所建地下水流數(shù)值模型及所確定的水文地質(zhì)參數(shù)合理，能夠反映研究區(qū)水文地質(zhì)條件以及地下水動(dòng)力的基本規(guī)律，可用于后續(xù)與地下水動(dòng)態(tài)相關(guān)的預(yù)測(cè)分析。

圖2 識(shí)別期地下水水位觀測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比

圖3 驗(yàn)證期地下水水位觀測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比

3 不同建設(shè)方案的地下水?dāng)?shù)值模擬

3.1 LID設(shè)計(jì)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(shè)施區(qū))具有建筑物和道路廣場(chǎng)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(shè)計(jì)工作暫時(shí)不考慮此區(qū)域。

擬在研究區(qū)設(shè)置的主要LID設(shè)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(shè)置于建筑用地，滲透鋪裝主要設(shè)置于道路廣場(chǎng)，雨水花園設(shè)置于生態(tài)用地。各LID設(shè)施的設(shè)置比例為理論上可在相應(yīng)區(qū)域上設(shè)置的最大比例，各用地類型的用地構(gòu)成比例及LID設(shè)施類型的最大擬設(shè)比例如表1所示。

3.2 模擬預(yù)測(cè)方案

保持地下水現(xiàn)狀開(kāi)采強(qiáng)度(7.5萬(wàn)m3/a)以及開(kāi)采位置不變，根據(jù)研究區(qū)不同建設(shè)規(guī)劃條件擬定4個(gè)模擬預(yù)測(cè)方案，模擬未來(lái)區(qū)域地下水水位動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)：方案1，按規(guī)劃建設(shè)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(shè)置LID設(shè)施，即在局部地區(qū)建設(shè)海綿城市(圖4)，為了更好地展示各典型區(qū)地下水水位動(dòng)態(tài)，在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)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(shè)計(jì)原則，將海綿城市建設(shè)分布在全部區(qū)域。

模型預(yù)報(bào)區(qū)內(nèi)含水層的補(bǔ)給量有大氣降水入滲量和側(cè)向徑流補(bǔ)給量，排泄量主要有人工開(kāi)采量、側(cè)向徑流排泄量和蒸發(fā)排泄量，其中，大氣降水補(bǔ)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(shè)施的建設(shè)增強(qiáng)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(jié)果與分析

3.3.1 規(guī)劃建設(shè)對(duì)區(qū)域地下水的影響

方案1條件下，地下水入滲補(bǔ)給量為18.9萬(wàn)m3/a，其中降雨入滲量為16.4萬(wàn)m3，占87.0%。方案1模擬結(jié)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(chǎng)形態(tài)沒(méi)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(bǔ)給量為11.6萬(wàn)m3/a，其中降雨入滲量為6.7萬(wàn)m3/a，占58.1%。方案2模擬結(jié)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(chǎng)形態(tài)沒(méi)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(shè)導(dǎo)致不透水下墊面增加、地下水補(bǔ)給量減少，導(dǎo)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(duì)穩(wěn)定(如G1號(hào)井)，部分地段地下水水位下降明顯(如G2號(hào)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(chǎng)模擬結(jié)果對(duì)比(單位：m)

圖6 方案1和方案2觀測(cè)井水位對(duì)比

3.3.2 局部海綿城市建設(shè)對(duì)區(qū)域地下水的影響

方案3條件下，地下水入滲補(bǔ)給量為11.6萬(wàn)m3/a，其中降雨入滲量為6.8萬(wàn)m3/a，占58.7%，降雨入滲量比方案2增加0.6%。從圖7可見(jiàn)，局部小范圍的添加LID設(shè)施對(duì)區(qū)域地下水流場(chǎng)基本沒(méi)有影響。從局部區(qū)域地下水水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律分析，設(shè)置LID設(shè)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(duì)應(yīng)Ga、Gb和Gc觀測(cè)井)，變幅在0 ～0.4 m之間(圖8)，主要受LID設(shè)施設(shè)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(chǎng)的影響。

圖7 方案2和方案3流場(chǎng)模擬結(jié)果對(duì)比(單位：m)

圖8 方案2和方案3觀測(cè)井水位對(duì)比

3.3.3 全區(qū)建設(shè)海綿城市對(duì)區(qū)域地下水的影響

圖9 方案2和方案4流場(chǎng)模擬結(jié)果對(duì)比(單位:m)

圖10 方案2和方案4觀測(cè)井水位對(duì)比

方案4條件下，地下水入滲補(bǔ)給量為36.4萬(wàn)m3/a，其中降雨入滲量為35.9萬(wàn)m3/a，占98.6%。對(duì)比方案4和方案2條件下典型地下水水位觀測(cè)井地下水動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)和流場(chǎng)模擬結(jié)果(圖9和圖10)可見(jiàn)，全區(qū)規(guī)劃海綿城市LID設(shè)施，對(duì)區(qū)域地下水資源有明顯影響，相較于無(wú)海綿城市建設(shè)的規(guī)劃方案(方案2)，地下水水位有明顯升高(4～9 m)。

4 結(jié) 論

a. 城市建設(shè)增大了地表不透水面積，使地下水補(bǔ)給量減少，導(dǎo)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(shè)海綿城市對(duì)區(qū)域地下水流場(chǎng)影響不大，但對(duì)海綿城市所在局部地區(qū)的地下水有一定的補(bǔ)給作用。

c. 僅當(dāng)海綿城市建設(shè)達(dá)到一定規(guī)模的情況下，才能對(duì)區(qū)域地下水資源產(chǎn)生明顯的補(bǔ)給效應(yīng)。