海綿城市建設(shè)對(duì)地下水影響研究綜述

鄧若晨 孟侃 姜媛 楊慶 朱振洲 劉辛初 石筱

摘 要：海綿城市低影響開(kāi)發(fā)（LID）措施的提出對(duì)解決城市水資源環(huán)境問(wèn)題具有良好的正面效果，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)也進(jìn)入了海綿城市建設(shè)的熱潮。海綿城市的核心在于雨水資源的回收利用，而雨水的收集和快速下滲過(guò)程中是否會(huì)對(duì)城市地下水造成負(fù)面影響值得探討?，F(xiàn)有研究中學(xué)者研究的熱點(diǎn)大多放在海綿城市的內(nèi)涵、概念以及低影響開(kāi)發(fā)（LID）措施工程設(shè)計(jì)上，而對(duì)海綿城市建設(shè)對(duì)地下水的影響研究較少，這對(duì)我國(guó)海綿城市理論研究和實(shí)踐的發(fā)展不利。在綜述國(guó)內(nèi)外低影響開(kāi)發(fā)（LID）措施對(duì)地下水的水位和水質(zhì)影響現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以低影響開(kāi)發(fā)（LID）措施的功能、效果及其影響機(jī)制為依據(jù)評(píng)價(jià)了單元LID設(shè)施對(duì)地下水的影響程度，提出構(gòu)建海綿城市地表水和地下水的耦合模型，模擬地下水水位動(dòng)態(tài)變化和溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程。

關(guān)鍵詞：海綿城市;LID;雨水入滲;地下水;數(shù)值模擬

Abstract： The proposal of low impact development （LID） measures for sponge cities has a good positive effect on solving the problems of urban water resources and environment. At this stage， China has also entered the upsurge of sponge city construction. The core of sponge city lies in the recovery and utilization of rainwater resources. In the process of rainwater collection and rapid infiltration， the impact of pollutants carried in the water body on the water level and quality of urban groundwater with the supply of groundwater is worth exploring. Most of the current research focuses on the connotation， concept and engineering design of low impact development （LID） measures of sponge city， but less on the impact of sponge city construction on groundwater， which is not conducive to the development of theoretical research and practice of sponge city in China. Based on reviewing the current situation of the influence of low impact development （LID） measures on groundwater level and quality at home and abroad， the influence degree of unit LID facilities on groundwater is evaluated based on the function， effect and influence mechanism of LID measures. The coupling model of surface water and groundwater should be used to simulate the dynamic change of groundwater level and solute transport process.

Keywords： Sponge city; LID; Rainwater infiltration; Groundwater; Numerical simulation

0 引言

隨著中國(guó)城市化的快速發(fā)展，1949—2018年，城市數(shù)量由132個(gè)發(fā)展到672個(gè)，2018年末中國(guó)城鎮(zhèn)化率已經(jīng)達(dá)到了59.6%（新中國(guó)成立70周年經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展成就系列報(bào)告）。城市化建設(shè)給人們的生活帶來(lái)了許多便利，同時(shí)也對(duì)城市的自然生態(tài)環(huán)境造成了許多負(fù)面影響，在面對(duì)“城市看?！薄盁釐u效應(yīng)”“水源污染”等城市發(fā)展帶來(lái)的水資源問(wèn)題時(shí)（楊穎芳等，2019），國(guó)外早在20世紀(jì)90年代就提出了多種保護(hù)城市水資源的辦法（表1），例如美國(guó)提出的低影響開(kāi)發(fā)（Low-Impact Development， LID）;歐洲所提出的可持續(xù)城市排水系統(tǒng)（Sustainable Urban Drainage System， SUDS）;及其澳大利亞的水敏城市設(shè)計(jì)（Water Sensitive Urban Design， WSUD）等（Dunphy et al.，2007;Dietz，2007;FLETCHER et al.，2015;Li et al.，2010;任南琪，2018;吳丹潔等，2016;米文靜等，2018）都旨在通過(guò)建設(shè)城市特殊設(shè)施（下凹式綠地、雨水花園、綠色屋頂、地下蓄滲、透水路面等）從源頭控制管理暴雨所產(chǎn)生的雨水徑流和污染，使開(kāi)發(fā)地區(qū)盡量接近自然的水文循環(huán)。

海綿城市（Sponge City）也被叫做“水彈性城市”，“海綿城市”概念中“海綿”表示的是城市帶有的吸附功能，澳大利亞學(xué)者Budge把海綿用來(lái)形容城市人口聚集的現(xiàn)象（俞孔堅(jiān)等，2015;Budge，2006）。海綿城市通過(guò)運(yùn)用低影響設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)（Low-Impact Development， LID）的理念和措施對(duì)雨水進(jìn)行回收利用，以改變降雨地表徑流特征的方式，來(lái)達(dá)到緩解城市內(nèi)澇、補(bǔ)給地下水資源以及保護(hù)地表水源等目的（仇保興，2015）。習(xí)近平總書(shū)記在2013年的中央城鎮(zhèn)工作會(huì)議講話(huà)中強(qiáng)調(diào)了我們要優(yōu)先考慮截留雨水，優(yōu)先考慮自然狀態(tài)排水，建設(shè)自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市（中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議）。2014年住建部發(fā)布《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，提出海綿城市即城市能夠像海綿一樣，在應(yīng)對(duì)各種自然災(zāi)害和不同的生態(tài)環(huán)境下具有一定的“彈性”，能夠在降雨時(shí)把雨水進(jìn)行收集和凈化，在需要用水時(shí)再把雨水進(jìn)行“釋放”。“海綿城市”的概念被官方文件明確的提出，代表城市生態(tài)雨水資源的管理利用從理論走向?qū)嵺`。

隨著中國(guó)開(kāi)始推動(dòng)海綿城市的建設(shè)，到目前為止國(guó)內(nèi)已有海綿試點(diǎn)城市30個(gè)，海綿城市建設(shè)區(qū)域超過(guò)600km2（任南琪，2018），現(xiàn)有海綿城市的建設(shè)屬于前期發(fā)展階段，對(duì)海綿城市的理論研究和實(shí)踐方面還有許多的不足。在進(jìn)行海綿城市雨水資源的再利用建設(shè)時(shí)，類(lèi)似雨水截留和快速下滲等對(duì)地下水的補(bǔ)給措施會(huì)造成地下水水位的動(dòng)態(tài)變化，低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施的建設(shè)和使用以及雨水中攜帶的污染物是否會(huì)對(duì)地下水水質(zhì)造成負(fù)面的影響，都需要進(jìn)一步的探討?？傮w來(lái)說(shuō)，對(duì)于海綿城市這個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者大多從低影響開(kāi)發(fā)（LID）設(shè)施本身的結(jié)構(gòu)、影響機(jī)制以及對(duì)徑流量的影響和模型模擬的角度出發(fā)，而對(duì)海綿城市建設(shè)中對(duì)地下水水位和水質(zhì)的影響問(wèn)題卻少有研究（俞孔堅(jiān)等，2015;唐雙成等，2015），這不利于我國(guó)后續(xù)海綿城市的建設(shè)和健康發(fā)展。因此，需要加深對(duì)中國(guó)海綿城市的建設(shè)對(duì)地下水的影響研究。

1 海綿城市建設(shè)對(duì)地下水影響研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的城市建設(shè)改變了自然條件的下墊面條件，大量的不透水路面和設(shè)施使得雨水很難入滲到地下，減少了雨水對(duì)地下水的補(bǔ)給，增加了地面的徑流量，極易產(chǎn)生城市內(nèi)澇，雨水通過(guò)水平方向直接補(bǔ)給河道，造成水體污染嚴(yán)重，對(duì)城市水資源造成了很大的破壞（李懷恩等，2019）。在海綿城市建設(shè)中，由于雨水收集設(shè)施的存在，能夠有效控制地表徑流量并且更多的利用土壤自然凈化雨水減少污染，雨水資源的回收利用與地下水水位、水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化之間的聯(lián)系變得更加密切。

1.1 海綿城市建設(shè)對(duì)地下水水位影響的研究

海綿城市的建設(shè)使得雨水的入滲方式，地表徑流峰值峰量及排泄方式發(fā)生了變化，從而引起地下水的水位、水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化（李懷恩等，2019）。Appleyard等（1993）對(duì)珀斯市區(qū)的3個(gè)雨水滲透調(diào)節(jié)池的地下水位和水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，雨水滲濾幾分鐘后地下水位上升。BOISSON等（2014）研究得出土壤非飽和帶的蓄水效果延遲了入滲補(bǔ)給過(guò)程，地下水的最終補(bǔ)給量受到非飽和帶可存儲(chǔ)水量的限制。杜新強(qiáng)等（2019）利用數(shù)值模擬海綿城市建設(shè)對(duì)地下水資源的補(bǔ)給作用與低影響開(kāi)發(fā)工程設(shè)施的類(lèi)型有關(guān)，也與其規(guī)模有關(guān)，僅當(dāng)海綿城市建設(shè)達(dá)到一定規(guī)模之后才能對(duì)區(qū)域地下水資源產(chǎn)生較為明顯的補(bǔ)給效應(yīng)。賈忠華等（2018）通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來(lái)對(duì)黃土區(qū)雨水花園地下水影響的多年觀(guān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，雨水花園的集中入滲對(duì)抬高局部地下水位有顯著影響，在降雨期間內(nèi)及后續(xù)時(shí)間里土壤非飽和帶會(huì)蓄存下滲水并緩慢釋放來(lái)穩(wěn)定補(bǔ)給地下水。郭超與趙苗苗等（2017;2015）以西安理工大學(xué)校內(nèi)雨水花園為研究對(duì)象，實(shí)地監(jiān)測(cè)獲得降雨前后地下水位的變化數(shù)據(jù)，認(rèn)為雨水花園對(duì)降雨徑流具有良好消減效果，降雨對(duì)地下水的補(bǔ)給具有滯后性且對(duì)地下水的水量補(bǔ)給效果顯著。從上述研究結(jié)果可以看出，LID設(shè)施能夠?qū)Φ叵滤Y源起到良好的補(bǔ)給作用，土壤的非飽和帶對(duì)地下水的補(bǔ)給具有滯后性。

1.2 海綿城市建設(shè)對(duì)地下水水質(zhì)影響的研究

海綿城市的建設(shè)一方面加大了地表水的入滲，另一方面水體在入滲的同時(shí)也會(huì)攜帶地面的污染物進(jìn)入地下。傳統(tǒng)城市中雨水的入滲及再生水的回灌都會(huì)對(duì)地下水的水質(zhì)產(chǎn)生影響，其有可能會(huì)對(duì)地下水的水質(zhì)造成影響的主要有氮、磷、有機(jī)物、重金屬等（李懷恩等，2019;孫建偉，2007;李秉輝等，2016;方宏宇等，2020）。海綿城市的雨水集中系統(tǒng)設(shè)施可以對(duì)雨水的凈化起到重要作用，在經(jīng)過(guò)綠地屋頂、植草溝、雨水花園、人工土壤滲濾等措施是能夠在自然條件下對(duì)雨水起到凈化作用，但是依舊有局限性可能會(huì)對(duì)地下水的水質(zhì)造成影響。Nieber等（2014）分析雨水回收利用系統(tǒng)的集中入滲措施，認(rèn)為徑流的集中入滲可能會(huì)導(dǎo)致金屬和石油烴進(jìn)入地下水。Trowsdale等（2011）通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)生物滯留系統(tǒng)得出大部分鋅、鉛和總懸浮沉積物從流經(jīng)生物滯留系統(tǒng)的雨水中去除，TDS和總鋅濃度降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。Tedoldi等（2016）對(duì)SUDS系統(tǒng)的土壤進(jìn)行取樣分析并通過(guò)建模去模擬污染物的遷移過(guò)程，認(rèn)為SUDS具有良好的污染物控制潛力，但在復(fù)雜條件下具有不確定性。Dietz等（2007）對(duì)雨水資源回收利用系統(tǒng)進(jìn)行了論述，并分析了集中入滲條件下雨水污染地下水的可能性，指出徑流下滲中濃度較低的污染物易被土壤自然截留，不會(huì)對(duì)地下水形成污染，而污染物中的鹽分和病原體不易被土壤截留，可能會(huì)對(duì)地下水造成負(fù)面影響。賈忠華等（2018）對(duì)多年觀(guān)測(cè)的黃土區(qū)雨水花園地下水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出雨水花園的集中入滲對(duì)部分地下水水質(zhì)指標(biāo)影響顯著，但研究顯示，相似研究區(qū)域地下水位低的情況，雨水花園的集中入滲對(duì)地下水水質(zhì)的影響有限。唐雙成等（2016）在對(duì)西安地區(qū)的雨水花園裝置進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)并通過(guò)模擬研究不同填料的雨水花園對(duì)雨水徑流削減和污染物去除效果，分析了不同種類(lèi)污染物在雨水花園內(nèi)去除的機(jī)理。郭超和趙苗苗等（2017;2015）發(fā)現(xiàn)不同雨水花園的下墊面污染物濃度大小不同，路面降雨徑流污染物值明顯高于屋面徑流，徑流入滲對(duì)地下水中氮、磷濃度影響較小，地下水鹽分沒(méi)有顯著的影響，說(shuō)明雨水花園對(duì)污染物有很強(qiáng)的截留能力，雨水花園集中入滲并未引起當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)變化。上述研究結(jié)論可看出海綿城市的建設(shè)對(duì)地下水的負(fù)面效果不明顯，但仍需考慮LID設(shè)施使用時(shí)間長(zhǎng)時(shí)污染物的積累或系統(tǒng)本身攜帶的污染物對(duì)地下水的影響。

1.3 現(xiàn)有研究不足

現(xiàn)有面對(duì)海綿城市地下水水位和水質(zhì)的研究，大都以單個(gè)或典型LID設(shè)施為研究區(qū)域，區(qū)域規(guī)模較小、研究周期較短、缺乏大尺度和長(zhǎng)周期上對(duì)海綿城市整體地下水水位變化的討論，此外研究的污染物種類(lèi)較少，并且沒(méi)有明確污染物在地下水中的遷移過(guò)程，因此對(duì)海綿城市建設(shè)中地下水水質(zhì)的影響還需進(jìn)行整體的研究。綜合來(lái)講，人們對(duì)于城市雨水資源回收利用后地下水的水流流向和水質(zhì)變化問(wèn)題關(guān)注較少，更缺乏海綿城市建設(shè)對(duì)地下水影響的實(shí)例研究成果，國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究進(jìn)展都略顯不足，面對(duì)與國(guó)外不同地理?xiàng)l件和社會(huì)情況下國(guó)內(nèi)海綿城市的建設(shè)，開(kāi)展關(guān)于海綿城市LID措施建設(shè)對(duì)地下水影響的研究就顯得尤為重要，對(duì)未來(lái)海綿城市的進(jìn)一步發(fā)展及城市水資源的恢復(fù)也能夠起到一定的參考作用。

地表水?dāng)?shù)值模型大都應(yīng)用于LID設(shè)施的方案選取上或是針對(duì)海綿城市的內(nèi)部水文循環(huán)過(guò)程進(jìn)行模擬，而現(xiàn)有研究對(duì)地下水的數(shù)值模擬多是單獨(dú)模擬了地下水的水位動(dòng)態(tài)變化，缺乏對(duì)水質(zhì)變化進(jìn)行模擬。目前已經(jīng)發(fā)展了很多地表水和地下水耦合模型，如SWATMOD模型其耦合了半分布式水文學(xué)模型SWAT和MODFLOW模型、MIKE-SHE模型、GSFLOW模型等（凌敏華等，2010;王蕊等，2008）。張雪剛等（2010）利用SWAT模型與MODFLOW模型進(jìn)行耦合應(yīng)用于徐州市張集地區(qū)的地下水模擬計(jì)算。馮艷如等（2018）對(duì)地表水與地下水的耦合模型進(jìn)行了開(kāi)發(fā)， 在淺水模型的基礎(chǔ)上增加地下水模塊，選用Green-Ampt模型計(jì)算地表水的下滲量，為海綿城市建設(shè)提供依據(jù)。海綿城市的建設(shè)使得地表水的下滲水量變多，地表水與地下水的聯(lián)系更加密切，因此海綿城市有必要建立地表水與地下水耦合模型。

綜上所述，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海綿城市的研究熱點(diǎn)大都放在LID措施源頭的本身，主要包括工程設(shè)計(jì)、作用機(jī)制和影響效果上，而對(duì)海綿城市建設(shè)條件下地下水的變化研究較少。

4 展望

現(xiàn)有研究認(rèn)為，海綿城市的LID設(shè)施對(duì)城市的地下水具有補(bǔ)給效應(yīng)但由于土壤非飽和帶的存在會(huì)存在滯后現(xiàn)象，而由于國(guó)內(nèi)海綿城市的建設(shè)并不完善，城市內(nèi)部的LID設(shè)施大都是點(diǎn)狀分布因此對(duì)地下水的補(bǔ)給只對(duì)局部區(qū)域的地下水具有明顯效果。此外研究表明土壤能夠?qū)ο聺B的雨水進(jìn)行凈化并通過(guò)人工處理可以去除大部分污染物，雨水資源的再利用補(bǔ)給地下水并未發(fā)現(xiàn)對(duì)地下水的水質(zhì)造成不利的影響，但是也沒(méi)有證據(jù)能夠表明僅靠土壤的生態(tài)凈化能夠確保地下水的水質(zhì)不受雨水回收利用集中入滲的影響。

海綿城市LID措施對(duì)地表徑流的影響可以使用SWMM等城市雨洪模型進(jìn)行模擬分析，地下水的水位變化和水質(zhì)運(yùn)移可以通過(guò)Visual MODFLOW、GMS等地下水?dāng)?shù)值模擬軟件來(lái)描述。在研究海綿城市水文循環(huán)過(guò)程中對(duì)地下水的整體影響時(shí)，可以結(jié)合地表水模型的模塊結(jié)合地下水?dāng)?shù)值模擬軟件平臺(tái)去刻畫(huà)，現(xiàn)有的水文模型大都支持LID/BMPs設(shè)施并且包含GMS等模塊可以對(duì)地面徑流以及地下水進(jìn)行耦合。由于地下水的補(bǔ)給受地層和包氣帶的影響，因此應(yīng)考慮地表水-包氣帶-地下水的三者耦合下全面的研究海綿城市的低影響開(kāi)發(fā)（LID）措施的建設(shè)對(duì)下水的影響。

最后，通過(guò)實(shí)地監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值模型模擬等手段，在低影響開(kāi)發(fā)（LID）措施建設(shè)的條件下，建議對(duì)各個(gè)單元或集成LID設(shè)施對(duì)地下水的影響效果以及作用機(jī)制進(jìn)行深一步的研究，嘗試建立海綿城市LID設(shè)施對(duì)地下水影響的評(píng)價(jià)體系，為后續(xù)海綿城市地下水的評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

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