低影響開(kāi)發(fā)模式下地下水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化特征研究

劉婷婷

(滄州市水利科學(xué)研究所，河北 滄州 061000)

隨著城鎮(zhèn)硬化路面的逐漸增加，雨水下滲量迅速減少，不僅造成地下水位下降，還引發(fā)了水質(zhì)惡化等一系列問(wèn)題。因此，必須想辦法解決城鎮(zhèn)化快速發(fā)展所帶來(lái)的生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題。

近年來(lái)，在借鑒國(guó)家西方城市發(fā)展思路上，對(duì)我國(guó)城市發(fā)展道路進(jìn)行了探索，并提出了海綿城市建設(shè)這一概念[1]。建設(shè)低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)是海綿城市建設(shè)的重要措施之一，使得城市能夠像海綿一樣應(yīng)對(duì)氣候、環(huán)境以及自然災(zāi)害的影響。低影響開(kāi)發(fā)能夠提升城市的調(diào)蓄、下滲能力，并能獲得良好的凈化功能，對(duì)于地下水而言具有積極的作用。近年來(lái)，一些專家學(xué)者已對(duì)低影響開(kāi)發(fā)模式下地下水水位和水質(zhì)展開(kāi)了研究，但仍處于初步探索階段，特別是針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用的分析還比較鮮見(jiàn)[2-6]。因此，本文結(jié)合筆者工作經(jīng)歷，以河北省滄州市為例，對(duì)低影響開(kāi)發(fā)模式下的地下水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行研究，以期能為低影響開(kāi)發(fā)系統(tǒng)建設(shè)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省滄州市境內(nèi)，區(qū)域總面積約為70km2，其中低影響開(kāi)發(fā)建設(shè)區(qū)域面積約為47km2。研究區(qū)屬于暖溫帶大陸季風(fēng)氣候，多年平均氣溫12.5℃，多年平均降雨量581mm，多數(shù)降雨集中于每年7—9月份，受管網(wǎng)排水能力影響，易引發(fā)城市內(nèi)澇。地處冀中平原東部，地勢(shì)自西向東逐漸降低。境內(nèi)擁有漳河、滹沱河、唐河等多條河流，河床水位埋深大多在5m以下，研究區(qū)地層巖性主要為下更新統(tǒng)沖湖積層、中更新統(tǒng)沖湖積層、全新統(tǒng)下部沖擊層以及全新統(tǒng)上部沖擊層，潛水埋深一般為10～60m，潛水徑流方向?yàn)樽晕髂舷驏|北，潛水主要排泄方式包括城市生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水、工業(yè)用水等，潛水主要補(bǔ)給源為降雨。

2 低影響開(kāi)發(fā)模式對(duì)地下水影響機(jī)理

低影響開(kāi)發(fā)(Low Impact Development，LID)是指20世紀(jì)90年代末發(fā)展起來(lái)的關(guān)于暴雨管理和面源污染的處理技術(shù)，其主要理念是通過(guò)源頭分散的小型控制措施，合理利用景觀空間，維持開(kāi)發(fā)區(qū)的自然水文功能，同時(shí)有效緩解不透水面積增加所導(dǎo)致的徑流系數(shù)增大、城鎮(zhèn)內(nèi)澇以及面源污染等問(wèn)題。LID的關(guān)鍵技術(shù)在于原位收集、自然凈化、就近利用以及回補(bǔ)地下水等。LID的主要設(shè)施包括地下蓄滲設(shè)施、透水路面設(shè)施、雨水花園設(shè)施、綠色屋頂設(shè)施、生態(tài)植草溝設(shè)施、下凹式綠地設(shè)施等[7-10]。

研究區(qū)地下水補(bǔ)給主要來(lái)源于降水，而降水入滲補(bǔ)給系數(shù)主要受地形、地層巖性、地下水埋深、降雨量、降水強(qiáng)度、城市建設(shè)活動(dòng)等的影響。在低影響開(kāi)發(fā)理念下，可以有效改善城市下墊面，增大降雨入滲系數(shù)，從而使降雨更容易下滲到地下以補(bǔ)充地下水。與此同時(shí)，在低影響開(kāi)發(fā)模式下，降雨攜帶的大量污染物經(jīng)植物凈化和設(shè)施內(nèi)部填料的凈化可以得到有效降低，補(bǔ)給地下水的雨水對(duì)水質(zhì)的影響減小。

3 水質(zhì)變化特征

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)綜合考慮各項(xiàng)因素，如地下水類型、地下水補(bǔ)給條件、地下水埋深、地下水水系、城市建設(shè)活動(dòng)等，在嚴(yán)重污染或者重要水源地區(qū)，應(yīng)加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在非污染或者農(nóng)村地區(qū)，可以適當(dāng)減少監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，共選擇12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間分別為2016年8月(低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施前)、2018年8月(低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施過(guò)程中)以及2020年8月(低影響開(kāi)發(fā)模式建成后)，每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均測(cè)量10次，取平均值作為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)在該時(shí)間點(diǎn)的水質(zhì)指標(biāo)。水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)共包括八項(xiàng)：pH值、總硬度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝酸鹽、氟化物、氯化物、鐵。

3.2 水質(zhì)指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)得到的低影響開(kāi)發(fā)模式建成前、建設(shè)中以及建成后的水質(zhì)指標(biāo)變化特征見(jiàn)圖3。

由圖1(b)可知：從空間分布上來(lái)講，地下水的總硬度地區(qū)差異性較大，部分地區(qū)(農(nóng)村、工業(yè)區(qū))的總硬度較高，這主要是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥、化肥、廢水會(huì)攜帶一些鈣鎂物質(zhì)滲入地下水，再加之地下水的大量開(kāi)采，使得鈣鎂物質(zhì)向地下水遷移的速度增加，因而這些地區(qū)的地下水總硬度較高。從時(shí)間上來(lái)講，建成后的地下水總硬度明顯低于建成前的地下水總硬度，建成前的地下水總硬度有6個(gè)超過(guò)了650mg/L，屬于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，而建成后的地下水總硬度僅有2個(gè)超過(guò)了650mg/L，有7個(gè)介于450～650mg/L之間，屬于Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，剩余3個(gè)低于450mg/L，屬于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)?？梢?jiàn)，低影響開(kāi)發(fā)模式下，地下水總硬度有較為明顯的改善。

由圖1(c)可知：低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施前，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)(8個(gè))的高錳酸鉀指數(shù)介于2～3mg/L之間，屬于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施過(guò)程中，有8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高錳酸鉀指數(shù)介于1～2mg/L之間，屬于Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，低影響開(kāi)發(fā)模式完全實(shí)施后，有4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬于Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)(<1mg/L)，7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬于Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，僅有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

由圖1(d)可知：低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施前，監(jiān)測(cè)點(diǎn)6的氨氮含量最高，達(dá)到3.23mg/L，屬于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)均低于1.5mg/L，有9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(0.1～0.5mg/L)，2個(gè)監(jiān)測(cè)屬于Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)(0.5～1.5mg/L)，平均氨氮含量為0.55mg/L，低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施過(guò)程中，氨氮含量有明顯降低，最大含量位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)9處，達(dá)到0.96mg/L，有6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬于Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，平均氨氮含量為0.48mg/L，低影響開(kāi)發(fā)模式建成后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的氨氮含量最大，達(dá)到1.35mg/L，屬于Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，剩下的11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)有3個(gè)屬于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，有8個(gè)屬于Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，平均氨氮含量降至0.2mg/L。

由圖1(e)可知：研究區(qū)地下水硝酸鹽的含量整體上較低，無(wú)論低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施前、實(shí)施中還是實(shí)施后，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的硝酸鹽含量均低于2mg/L，屬于Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，2016年8月的平均硝酸鹽含量為0.78mg/L，2018年8月平均硝酸鹽含量為0.54mg/L，2020年8月的平均硝酸鹽含量為0.26mg/L，從時(shí)間上來(lái)講，地下水硝酸鹽平均含量仍呈逐漸降低趨勢(shì)。

由圖1(f)可知：研究區(qū)地下水氟化物的含量整體上也較低，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氟化物含量均低于1mg/L，達(dá)到了Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，2016年8月的平均氟化物含量為0.14mg/L，2018年8月平均硝酸鹽含量為0.24mg/L，2020年8月的平均硝酸鹽含量為0.85mg/L，氟化物含量隨著低影響開(kāi)發(fā)模式的實(shí)施，反而逐漸升高，這主要是因?yàn)樵诘陀绊戦_(kāi)發(fā)模式下，人為活動(dòng)改變了地下水流場(chǎng)和氟遷移的趨勢(shì)，使得氟化物向些特定地點(diǎn)進(jìn)行富集，從圖中也可以看到：低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、5、7均出現(xiàn)了氟化物富集，因而造成氟化物監(jiān)測(cè)結(jié)果偏高。

由圖1(g)可知：低影響開(kāi)發(fā)模式對(duì)氯化物的影響不是很顯著，低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施前，氯化物平均含量為62mg/L，實(shí)施過(guò)程中氯化物平均含量為70mg/L，實(shí)施后的氯化物平均含量為64mg/L，均達(dá)到了Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

由圖1(h)可知：低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施過(guò)程對(duì)地下水鐵含量有一定影響，但實(shí)施前后，對(duì)鐵含量的影響不大，這可能是工程建設(shè)擾動(dòng)造成地下水鐵含量呈階段性增高所導(dǎo)致的現(xiàn)象。低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施前、實(shí)施過(guò)程中以及實(shí)施后的平均鐵含量分別為0.24mg/L、0.36mg/L和0.17mg/L，分別屬于Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

地下水水質(zhì)質(zhì)量并不能通過(guò)單一指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要通過(guò)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷，才能反映出研究區(qū)地下水水質(zhì)在低影響開(kāi)發(fā)模式不同階段的整體情況。評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)的方法較多，如F值評(píng)分法、內(nèi)梅羅指數(shù)法等。F值評(píng)分法綜合考慮了單向污染平均水平、最大污染指數(shù)等多種參數(shù)，能夠更為全面科學(xué)地反映研究區(qū)的總體水質(zhì)質(zhì)量，因而本文選用F值評(píng)分法對(duì)低影響開(kāi)發(fā)模式不同階段的地下水水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

首先，對(duì)8種指標(biāo)進(jìn)行單項(xiàng)評(píng)價(jià)，根據(jù)各指標(biāo)所屬的質(zhì)量類別進(jìn)行評(píng)分，得到Fi，評(píng)分規(guī)則見(jiàn)表1。

表1 單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分規(guī)則

然后，根據(jù)各單項(xiàng)評(píng)分結(jié)果計(jì)算水質(zhì)的綜合評(píng)分：

(1)

(2)

式中F——研究區(qū)地下水水質(zhì)質(zhì)量綜合評(píng)分值；

Fmax——某單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分值的最大值；

n——所監(jiān)測(cè)的指標(biāo)項(xiàng)數(shù)，本文取8。

最后，根據(jù)研究區(qū)地下水水質(zhì)質(zhì)量綜合評(píng)分值，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)級(jí)，依據(jù)得分高低將其劃分為優(yōu)良、良好、較好、較差和極差五個(gè)等級(jí)，評(píng)級(jí)規(guī)則見(jiàn)表2。

表2 地下水綜合評(píng)級(jí)規(guī)則

計(jì)算得到的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)在低影響開(kāi)發(fā)前、中、后三個(gè)階段的地下水綜合評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖中可以看到：在低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施前，研究區(qū)12個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，有7個(gè)水質(zhì)評(píng)級(jí)為極差，有4個(gè)水質(zhì)評(píng)級(jí)為較差，只有1個(gè)水質(zhì)評(píng)級(jí)為良好；在低影響開(kāi)發(fā)模式實(shí)施過(guò)程中，有3個(gè)水質(zhì)評(píng)級(jí)為極差，有7個(gè)水質(zhì)評(píng)級(jí)為較差，有2個(gè)水質(zhì)評(píng)級(jí)為良好；低影響開(kāi)發(fā)模式完全實(shí)施后，有1個(gè)水質(zhì)評(píng)級(jí)為極差，有2個(gè)為較差，有6個(gè)為較好，有3個(gè)為良好。綜上分析可知：在低影響開(kāi)發(fā)背景下，雖然地下水某些污染指標(biāo)會(huì)有增加趨勢(shì)，但研究區(qū)地下水水質(zhì)總體上有較為明顯的改善，水質(zhì)質(zhì)量極差率從58.3%降至8.3%，水質(zhì)質(zhì)量較差率從33.3%降至16.7%，水質(zhì)較好及良好率從8.7%升至75%。

圖2 水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

低影響開(kāi)發(fā)是海綿城市建設(shè)的重要措施，低影響開(kāi)發(fā)除了對(duì)地下水水位有明顯改善效果外，還可以起到一定的水質(zhì)改善效果。文章以河北省滄州市為例，對(duì)低影響開(kāi)發(fā)模式下地下水水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化特征進(jìn)行了研究，分析了pH值、總硬度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、硝酸鹽、氟化物、氯化物、鐵等八項(xiàng)指標(biāo)的變化趨勢(shì)，同時(shí)基于F值評(píng)分法對(duì)研究區(qū)低影響開(kāi)發(fā)模式前后的地下水水質(zhì)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：在低影響開(kāi)發(fā)背景下，研究區(qū)地下水水質(zhì)總體上有較為明顯的改善，水質(zhì)質(zhì)量極差率從58.3%降至8.3%，水質(zhì)質(zhì)量較差率從33.3%降至16.7%，水質(zhì)較好及良好率從8.7%升至75%。