海绵城市建设对区域地下水资源的补给效应

杜新强，贾思达，方 敏，冶雪艳

(1.吉林大学新能源与环境学院，吉林 长春 130021； 2.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林 长春 130021)

我国作为世界最大的发展中国家，改革开放以来城市化发展迅速。城市化的不断发展使不透水下垫面面积日益增加，雨水下渗能力降低，流域中原有雨水滞留能力锐减，改变了降水-径流特征[1]，使径流系数增大[2]、市政排水系统负荷加重[3]，从而导致城市雨洪内涝灾害频发。在城市雨洪管理方面，国际上先后出现了最佳管理措施(best management practices, BMPs)、低影响开发(low impact development, LID)、可持续城市排水系统(sustainable urban drainage system, SUDS)、绿色基础设施(green infrastructure, GI)[4]等一系列理念与技术措施。我国住房和城乡建设部于2014年10月颁布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》(以下简称《指南》)，启动了海绵城市规划与建设的序幕。2015年10月，国务院办公厅印发了《关于推进海绵城市建设的指导意见》，将海绵城市建设上升至国家战略的高度[5]。至2018年，我国已开展了两个批次、共计30个城市的国家级海绵城市建设试点[6]。

雨水渗透的实现是海绵城市建设的核心工作内容之一[7-11]。LID设施中的透水砖铺装、下沉式绿地、生物滞留设施、渗透塘、渗井、干式植草沟和渗管(渠)等均具有较强的补充地下水的功能。宋子龙[12]论证了潜水含水层是典型的地下“海绵体”，其“海绵效应”受含水层厚度、下渗率、排泄条件、地表植被覆盖率、人工开采、侧向补给以及潜水与深部地下水的连通状况等因素制约；戎贵文等[13]提出了雨水收集与涵养地下水的屋面雨水源头调控技术；唐克旺[14]指出海绵城市建设重点是透水路面、地下水调蓄及下沉绿地建设等，是城市水循环的垂向分量。王兴超[15]基于海绵城市的内涵和要求，分析了地下水库应用于海绵城市建设中的优势及地下水库调蓄、净化、水循环路径等基本原理，论证了地下水库系统应用于海绵城市建设的可行性。黄津辉等[16]介绍了加拿大城市流域雨洪规划管理的发展和多伦多市雨洪管理的政策、原则和标准，并与《指南》进行了对比分析，对《指南》中存在的问题和《指南》的先进性进行了讨论，为中国的雨洪管理提供了新的思路和参考。更多的研究主要还是从LID工程设计的角度，关注如何让城市雨水能够快速入渗[17-22]。虽然也有海绵城市建设后地下水漏斗区面积减小等实例[23]，但总体而言，人们对城市雨水入渗后的水流去向和水质变化问题基本没有关注，更缺少海绵城市建设对地下水补给作用的定量化实例研究成果。本文以黄河中下游某海绵城市建设实验区为例，采用地下水数值模拟方法，分析不同海绵城市建设方案对地下水资源的补给效应。

1 研究区概况

研究区位于我国中东部、黄河中下游某海绵城市建设实验区，地理位置优越，交通发达，面积约91 km2。研究区属于温暖半干旱气候，具有明显的大陆季风气候特征，四季分明，多年平均降水量为631.76 mm，多年平均蒸发量为1 769.8 mm，年平均气温为14.25℃。研究区范围如图1所示。

图1 研究区范围示意图

研究区广泛分布第四纪松散堆积物，含水层主要由第四系全新统、上更新统及中更新统冲积物组成，岩性以细砂、粉细砂为主，地下水类型为潜水-微承压水。

地下水补给的主要途径有降水入渗补给、灌溉回渗补给以及侧向径流补给，区内多条季节性河流对地下水也有一定的补给作用。区内的地形西部较高，向东、北、南方向降低，地下水向南、东南方向流动。浅层地下水的排泄主要有人工开采排泄、向深部越流以及径流排泄等形式。

目前，研究区内农业、工业和生活用水总供水规模为6 435万m3/a，其中来自地表水2 601万m3/a，来自地下水3 834万m3/a(含区外地下水)。研究区农业灌溉和生活用水多以地下水为主，地下水供水规模为683万m3/a(根据区域开采模数计算)。

2 研究区地下水数值模型

2.1 水文地质概念模型

地下水数值模拟计算平面范围与研究区范围一致，总面积为91 km2，根据地层特征，划分为两个模型层，上层为潜水含水层，厚度为80～100 m，下层为承压含水层，厚度为220 m左右。研究区边界内外都有一定的水量交换，概化为第二类边界。含水层上边界为潜水面边界，地下水在垂向上可接受大气降水入渗补给、灌溉入渗补给等，在潜水埋藏较浅处可产生地下水蒸发排泄，其中大气降水入渗系数为0.21，灌溉入渗系数为0.10；将研究区内季节性河流概化为河流边界(第三类边界)；承压水含水层的底板为模型的下边界，处理为隔水边界。地下水运动特征概化为符合达西定律的三维非稳定流。

2.2 数学模型的建立及解法

在水文地质概念模型的基础上，建立潜水-承压水三维非稳定地下水流数值模型：

式中：Ω为渗流区域；h为含水层水位标高，m；t为时间，d；K为含水层渗透系数，m/d，；Ss为含水层弹性贮水率，m-1；μ为潜水含水层给水度；W为含水层的源汇项，m/d；Г2、Г3分别为渗流区的第二类和第三类边界；q1(x，y，z，t) 为含水层第二类边界单位面积流量，m3/(m2·d)；K1为河流低渗透底积层的渗透系数，m/d；M1为河流低渗透底积层的厚度，m；hn为第三类边界地下水水位，m。

采用Visual MODFlow软件对上述地下水流数值模型求解，选取2014年7月5日至2015年1月5日为模型识别期； 2015年2月5日至6月5日为模型验证期，1月为一个时段。通过运行模型，识别水文地质参数，进行地下水长期观测孔动态历时曲线拟合识别(图2)。识别前的潜水含水层渗透系数为0.8 m/d，给水度为0.05；承压水含水层渗透系数为0.8 m/d，弹性贮水率为1×10-5m-1；识别后的潜水含水层渗透系数为0.6 m/d，给水度为0.05；承压水含水层渗透系数为0.3 m/d，弹性贮水率为1×10-5m-1；识别期内拟合误差小于0.5 m的观测井占总观测井的75%(最大拟合误差为0.9 m)；验证期拟合误差小于0.5 m的观测井占总观测井的67%(最大拟合误差为0.6 m)，拟合结果较好(图3)，说明所建地下水流数值模型及所确定的水文地质参数合理，能够反映研究区水文地质条件以及地下水动力的基本规律，可用于后续与地下水动态相关的预测分析。

图2 识别期地下水水位观测值和计算值对比

图3 验证期地下水水位观测值和计算值对比

3 不同建设方案的地下水数值模拟

3.1 LID设计类型及比例

根据研究区用地规划及不同用地的建筑物密度与绿化率，可将研究区的土地利用类型划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4类。Ⅰ类(居住用地区、商业区、工业区、医疗卫生区、行政办公区)具有建筑物密集、不透水面积较大的特征；Ⅱ类(教育科研区)具有建筑物丰富、绿化程度较好的特征；Ⅲ类(公共设施区)具有建筑物和道路广场密度较大的特征；Ⅳ类(生态用地)植被覆盖率高，不透水率低，本次海绵城市LID设计工作暂时不考虑此区域。

拟在研究区设置的主要LID设施类型为绿色屋顶、渗透铺装和雨水花园，其中绿色屋顶主要设置于建筑用地，渗透铺装主要设置于道路广场，雨水花园设置于生态用地。各LID设施的设置比例为理论上可在相应区域上设置的最大比例，各用地类型的用地构成比例及LID设施类型的最大拟设比例如表1所示。

3.2 模拟预测方案

保持地下水现状开采强度(7.5万m3/a)以及开采位置不变，根据研究区不同建设规划条件拟定4个模拟预测方案，模拟未来区域地下水水位动态变化趋势：方案1，按规划建设前的不透水区面积比例(10%)；方案2，按规划建成后的不透水区面积比例(45%～65%)；方案3，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ用地类型中选择典型区A、B、C设置LID设施，即在局部地区建设海绵城市(图4)，为了更好地展示各典型区地下水水位动态，在相应区域内增加虚拟的地下水水位观察井Ga、Gb和Gc；方案4，按方案3的LID类型和面积设计原则，将海绵城市建设分布在全部区域。

模型预报区内含水层的补给量有大气降水入渗量和侧向径流补给量，排泄量主要有人工开采量、侧向径流排泄量和蒸发排泄量，其中，大气降水补给量采用多年平均降水量，蒸发量也采用多年平均蒸发量，LID设施的建设增强了雨水的渗透能力，使大气降水入渗系数增大。

3.3 模拟结果与分析

3.3.1 规划建设对区域地下水的影响

方案1条件下，地下水入渗补给量为18.9万m3/a，其中降雨入渗量为16.4万m3，占87.0%。方案1模拟结果显示，在多年平均降水量和蒸发量条件下，浅层地下水流场形态没有明显变化，但受多年平均降水量大于现状年降水量的影响，地下水水位较现状年略有抬升。方案2条件下，地下水入渗补给量为11.6万m3/a，其中降雨入渗量为6.7万m3/a，占58.1%。方案2模拟结果显示，在多年平均降水量和蒸发量条件下，浅层地下水流场形态没有明显变化。尽管多年平均降水量大于现状年降水量，但由于规划建设导致不透水下垫面增加、地下水补给量减少，导致区域地下水水位普遍下降，下降幅度0.5～5 m不等(图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够保持相对稳定(如G1号井)，部分地段地下水水位下降明显(如G2号井)，主要受该地段及其附近不透水下垫面变化比例的影响(图6)。

图5 方案1和方案2流场模拟结果对比(单位：m)

图6 方案1和方案2观测井水位对比

3.3.2 局部海绵城市建设对区域地下水的影响

方案3条件下，地下水入渗补给量为11.6万m3/a，其中降雨入渗量为6.8万m3/a，占58.7%，降雨入渗量比方案2增加0.6%。从图7可见，局部小范围的添加LID设施对区域地下水流场基本没有影响。从局部区域地下水水位动态变化规律分析，设置LID设施条件下地下水水位有所升高，但A、B、C区地下水水位升幅不一致(分别对应Ga、Gb和Gc观测井)，变幅在0 ～0.4 m之间(图8)，主要受LID设施设置前后该区段下垫面不透水率的变化以及区域地下水流场的影响。

图7 方案2和方案3流场模拟结果对比(单位：m)

图8 方案2和方案3观测井水位对比

3.3.3 全区建设海绵城市对区域地下水的影响

图9 方案2和方案4流场模拟结果对比(单位:m)

图10 方案2和方案4观测井水位对比

方案4条件下，地下水入渗补给量为36.4万m3/a，其中降雨入渗量为35.9万m3/a，占98.6%。对比方案4和方案2条件下典型地下水水位观测井地下水动态变化趋势和流场模拟结果(图9和图10)可见，全区规划海绵城市LID设施，对区域地下水资源有明显影响，相较于无海绵城市建设的规划方案(方案2)，地下水水位有明显升高(4～9 m)。

4 结 论

a. 城市建设增大了地表不透水面积，使地下水补给量减少，导致区域地下水水位普遍下降。但不同地段地下水水位改变幅度有所不同，主要受该地段及其附近不透水下垫面变化比例的影响。

b. 典型区域建设海绵城市对区域地下水流场影响不大，但对海绵城市所在局部地区的地下水有一定的补给作用。

c. 仅当海绵城市建设达到一定规模的情况下，才能对区域地下水资源产生明显的补给效应。