海綿城市建設(shè)對(duì)地下水的補(bǔ)給量化研究進(jìn)展★

李贏杰，黃仕元，2

（1.南華大學(xué)松霖建筑與設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001； 2.南華大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

海綿城市建設(shè)通過(guò)改變城市下墊面條件，有效的控制了地表徑流、削減了洪鋒，增加了地下水回補(bǔ)量，有效的緩解了地面沉降與地下水水位下降的危害。隨著海綿城市的大力推廣，雨水回補(bǔ)地下水的作用機(jī)理與地下水的補(bǔ)給量成為了衡量海綿城市建設(shè)效益與海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要依據(jù)［1］。我國(guó)也進(jìn)入了海綿城市的建設(shè)熱潮，但許多研究學(xué)者的熱點(diǎn)主要放在海綿城市的理論含義、目標(biāo)以及工程設(shè)計(jì)方面，對(duì)雨水入滲回補(bǔ)地下水的研究較少，這不利于我國(guó)海綿城市的健康發(fā)展。目前，利用雨水回補(bǔ)地下水的具體機(jī)制尚不明確，國(guó)內(nèi)外的地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)不夠成熟，這些都是海綿城市建設(shè)急需解決的問(wèn)題。海綿設(shè)施的存在促進(jìn)了地表水-地下水的交互聯(lián)系，水分的運(yùn)移過(guò)程變得復(fù)雜?，F(xiàn)階段幾乎沒(méi)有地下水模擬與城市地表徑流模擬的完全耦合來(lái)對(duì)海綿城市地表水-地下水進(jìn)行系統(tǒng)的模擬，都面臨著空間尺度、時(shí)間上的差異等困難［2］。基于此，國(guó)外有了一系列針對(duì)性研究，取得了一定的研究成果。本文綜合國(guó)內(nèi)外適用于海綿城市建設(shè)地下水的補(bǔ)給量化方法，通過(guò)分析其原理與適用條件，為我國(guó)海綿城市建設(shè)的效益評(píng)估提供參考。

1 雨水設(shè)施補(bǔ)給地下水的研究綜述

一系列研究表明海綿設(shè)施可以有效的回補(bǔ)地下水，增加地下水的補(bǔ)給量，對(duì)改善地面沉降等問(wèn)題有一定的效果。BARRON等［3］的研究證明了在地下水埋深較淺的高滲透地帶，雨水徑流的入滲可以引起地下水水位的急劇抬升。在降雨前后，對(duì)西安的兩個(gè)雨水花園的地下水位的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水水位有顯著抬升且均上升了0.3 m，證明入滲點(diǎn)可以有效回補(bǔ)地下水以及雨水入滲過(guò)程具有穩(wěn)定性；入滲過(guò)程中土壤的非飽和帶對(duì)雨水會(huì)進(jìn)行存儲(chǔ)，并在降雨后的幾天內(nèi)，將儲(chǔ)存的雨水緩慢的回補(bǔ)給地下水，即入滲過(guò)程中土壤的非飽和帶對(duì)地下水的補(bǔ)給具有滯后性［4-6］。

城市本身的蒸散發(fā)、雨水徑流的產(chǎn)流過(guò)程，和地下水的運(yùn)移過(guò)程在不同的氣候條件、地質(zhì)地貌下的交互聯(lián)系也不同。模擬地表水-地下水運(yùn)移過(guò)程變得復(fù)雜，也成為了研究界的難題。通過(guò)對(duì)城市雨洪管理的研究，目前已成熟的地表水模型軟件有SWMM，MUSIC，SUSTAIN等，在計(jì)量地表徑流量、消減洪峰值、地表水質(zhì)污染物的控制方面具有明顯效果，但應(yīng)用于海綿城市建設(shè)下的雨水設(shè)施入滲，對(duì)地下水的補(bǔ)給量化研究較少［7-8］。當(dāng)前，雨水入滲回補(bǔ)地下水的補(bǔ)給量常常通過(guò)場(chǎng)次降雨量、入滲過(guò)程中的入滲率和孔隙度、入滲區(qū)域面積的乘積來(lái)計(jì)算估值。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的來(lái)源通過(guò)采樣法與下滲系數(shù)法這種純經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算方法，誤差極大，且無(wú)法表征地表水-地下水的相互聯(lián)系過(guò)程。由于我國(guó)海綿城市建設(shè)起步晚，監(jiān)測(cè)儀器的不足和數(shù)據(jù)的缺失，監(jiān)測(cè)又常以單個(gè)雨水設(shè)施為主、規(guī)模較小，缺乏系統(tǒng)研究，對(duì)雨水設(shè)施入滲回補(bǔ)地下水的定量評(píng)估存在一定的偏差。國(guó)外學(xué)者基于水循環(huán)角度，從降雨徑流-大氣水-土壤水-地下水等方面進(jìn)行系統(tǒng)的模擬，精確模擬了雨水設(shè)施入滲對(duì)地下水的補(bǔ)給量。

2 海綿城市建設(shè)雨水設(shè)施回補(bǔ)地下水的量化方法綜述

入滲量［9］作為海綿城市建設(shè)的重要參數(shù)，在海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中常?；趶搅髁俊⑷霛B量、存貯量三者之間的水平衡，運(yùn)用美國(guó)URBONAS［10］提出的圖解法和德國(guó)GEIGER等［11］提出的經(jīng)驗(yàn)公式法來(lái)量化指標(biāo)，局限性太強(qiáng)。雨水設(shè)施對(duì)地下水的補(bǔ)給量化評(píng)估是海綿城市建設(shè)效益的主要因素與關(guān)鍵所在。當(dāng)前對(duì)地下水的補(bǔ)給量化方法主要有直接測(cè)量法、調(diào)查分析法、物理法、數(shù)值模擬法。

2.1 直接測(cè)量方法

滲透儀測(cè)量法是最直觀的監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)將儀器插入土壤的非飽和帶區(qū)域中，隔離周圍的土壤水，運(yùn)用高精度天秤測(cè)量土壤質(zhì)量的輕微改變，來(lái)反映土壤存儲(chǔ)水的變化規(guī)律。同時(shí)滲透儀器法還可以用滲流計(jì)來(lái)測(cè)定補(bǔ)給速率。滲透率的計(jì)算公式如下：

其中，R為補(bǔ)給率，m/h；V為失水量，m3；t為時(shí)間段，h；A為儀器所覆蓋的面積，m2。

滲透儀測(cè)量法可以直觀的反映滲透量，儀器也便于運(yùn)輸，但價(jià)格昂貴，且只能反映儀器面積中的入滲區(qū)域，研究的規(guī)模較少，同時(shí)沒(méi)有考慮土壤的蒸散發(fā)量以及外在水流的存在，測(cè)量的數(shù)據(jù)值存在一定的誤差。如XU和chen［12］利用記錄研究區(qū)域內(nèi)的水分蒸散發(fā)量，與記錄的地下水補(bǔ)給量數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)設(shè)置范圍參數(shù)與校正后的蒸散模型來(lái)評(píng)估補(bǔ)給水量。

2.2 調(diào)查分析法

調(diào)查分析法是指通過(guò)調(diào)查長(zhǎng)期的流量數(shù)據(jù)和某一時(shí)間段內(nèi)河流水的均衡值進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 流量過(guò)程線法

運(yùn)用河流流量隨時(shí)間變化的曲線來(lái)分析河流的降雨徑流和基流量（一般指地下水補(bǔ)給量）的關(guān)系，采用圖解法、滑動(dòng)最小值法將流量過(guò)程中的基流量分割出來(lái)。伍立群等［13］將基流劃分法運(yùn)用于對(duì)云南地區(qū)的地下水資源量的評(píng)估中，為山丘地區(qū)的地下水資源補(bǔ)給提出了定量引導(dǎo)指標(biāo)。因?yàn)樾枰L(zhǎng)期有序列的河流數(shù)據(jù)，在計(jì)算地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給量中使用較小。

2.2.2 水均衡計(jì)算法

水均衡計(jì)算法是研究地表水-地下水交互聯(lián)系較為簡(jiǎn)單的方法。根據(jù)水量守恒定律，找出具有隔水邊界的完整水文單元中的流入與流出的均衡值，就可以計(jì)算出地表水入滲地下水的補(bǔ)給量［14］。如肖長(zhǎng)來(lái)等［15］用水均衡法探討了洮兒河扇狀地地表水和地下水的轉(zhuǎn)換規(guī)律。水均衡法已經(jīng)能夠確認(rèn)地表水-地下水的補(bǔ)排關(guān)系，計(jì)算較為方便。但是所需的各均衡項(xiàng)都是粗略計(jì)算出來(lái)的，研究結(jié)果的可信度不高。

2.3 物理法

2.3.1 水文土壤組法

水文土壤組法（Hydrologic Soil Group，HSG）是美國(guó)農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)局（Natural Resources Conservation Service，NRCS）將具有相似物理結(jié)構(gòu)特性與地表徑流入滲率的土壤分成四組［16-17］，以長(zhǎng)期濕潤(rùn)后土壤的最小滲透速率（飽和導(dǎo)水率）和地表徑流潛力為主要變量，并由A至D進(jìn)行編號(hào)，即A組土壤中存在著最低的地表徑流潛力和最高的飽和導(dǎo)水率，D組土壤反之。其基本原理是通過(guò)NRCS的水文土壤組分布圖，和各州對(duì)每個(gè)水文土壤組的平均年入滲率的估算，得到各個(gè)場(chǎng)地開(kāi)發(fā)前的年平均地下水補(bǔ)給量，進(jìn)而按照?qǐng)龅亻_(kāi)發(fā)后的硬化面積，確定該區(qū)域所需要的地下水的回補(bǔ)量。各州的水文土壤組計(jì)算公式形式各異，常見(jiàn)的公式形式如下：

其中，Rev為地下水回補(bǔ)量，m3；F為補(bǔ)給系數(shù)；A為硬化場(chǎng)地面積，m2；I為場(chǎng)地的不透水率，mm/s。

其中，補(bǔ)給系數(shù)F是根據(jù)HSG確定的。由于各地的年均降雨量、氣候條件、地理地質(zhì)條件等差異，以及各類土壤在區(qū)域內(nèi)的年平均補(bǔ)給量不同，補(bǔ)給系數(shù)F不能直接套用其他地區(qū)的。李俊奇［18］通過(guò)探索美國(guó)的雨洪管理標(biāo)準(zhǔn)體系中的地下水回補(bǔ)體積控制指標(biāo)，對(duì)水文土壤組法進(jìn)行定義的分析，為我國(guó)海綿城市建設(shè)下的雨水設(shè)施入滲對(duì)地下水的回補(bǔ)量化提供了指標(biāo)參考。需要注意的是地下水的回補(bǔ)量與補(bǔ)給量是不同的，一般地下水的補(bǔ)給量大于地下水的回補(bǔ)量。

2.3.2 地表徑流法

地表徑流法以地表徑流量為依據(jù)，運(yùn)用地表徑流量與地下水補(bǔ)給量的水量守恒定律計(jì)算，其公式形式如下：

其中，P為降雨量，m3；R為地表徑流量，m3；I為滲透量，m3；E為蒸散發(fā)量，m3。

區(qū)域范圍較小的地方，可以安裝測(cè)量裝置用于進(jìn)行地表徑流量的監(jiān)測(cè)，而區(qū)域范圍較大的時(shí)候需要采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?徑流曲線系數(shù)法（SCS-CN）。此方法被廣泛應(yīng)用于海綿城市地表徑流量的測(cè)算，尤其適用于范圍廣泛、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)欠缺的地域［19］。但是滲透量并不等同于補(bǔ)給量，不是任何滲透的水都會(huì)進(jìn)入土壤飽和區(qū)（補(bǔ)充地下水），當(dāng)水分在滲入的時(shí)候經(jīng)過(guò)土壤也會(huì)有一部分水被植物根系吸收，被蒸散發(fā)，土壤的非飽和帶對(duì)水分有一定的吸收，且該方法無(wú)法反映地表水-地下水的水分交互聯(lián)系。故在有關(guān)海綿城市建設(shè)雨水入滲回補(bǔ)地下水的運(yùn)移過(guò)程研究和定量化研究方面應(yīng)用較少。

2.3.3 地下水位波動(dòng)法

地下水位波動(dòng)法是最常見(jiàn)的地下水補(bǔ)給率的計(jì)算方法，方法的計(jì)算是在假設(shè)含水層水位的上升都是地下水的補(bǔ)給的條件下進(jìn)行的，對(duì)數(shù)值模型的驗(yàn)證有一定參考價(jià)值。其公式形式如下：

其中，R為補(bǔ)給率，m/h；Sy為給水度；h為地下水位，m；t為時(shí)間，h。

含水層構(gòu)造的種類、流入或流出量、含水層結(jié)構(gòu)的深度與邊界、測(cè)量的時(shí)間等均會(huì)對(duì)地下水位波動(dòng)有影響。由于假設(shè)條件的存在，忽略了流入流出量，以及植物根系的吸水，會(huì)導(dǎo)致對(duì)地下水補(bǔ)給的誤導(dǎo)估算［20-21］。因此，該方法適用于降雨前后短時(shí)間內(nèi)地下水位急劇上升的區(qū)域。

2.4 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法可以模擬地表水-地下水的交互聯(lián)系，其原理是根據(jù)地質(zhì)特性、氣候條件、降雨量、邊界條件等數(shù)據(jù)資料基于Richard方程的數(shù)值解模擬地下水補(bǔ)給量。在模擬海綿城市利用降雨回補(bǔ)地下水的過(guò)程中，還必須考察雨水設(shè)施的回補(bǔ)性能。目前國(guó)際上常用的數(shù)值模擬法有GSFLOW，Hydrus-2D，Visual MODFLOW+SWIMM，GMS，眾多研究者運(yùn)用數(shù)值模擬法取得了相應(yīng)的成果。

2.4.1 GMS模型

GMS模型是由美國(guó)Brigham Yung University環(huán)境實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，采用有限差分法原理和有限單元法原理進(jìn)行環(huán)境建模，綜合了MODFLOW，MODPATH，MT3D，RT3D和WinPEST等地下水的功能模型［22］。可以實(shí)現(xiàn)水流動(dòng)力學(xué)的運(yùn)移模擬和水質(zhì)運(yùn)移模擬；通過(guò)創(chuàng)建地層實(shí)體，對(duì)鉆井?dāng)?shù)據(jù)的管理和二維（三維）地質(zhì)地貌進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；并將建模成果實(shí)現(xiàn)了界面可視化和打印，直觀性極強(qiáng)，目前已成為了國(guó)際上最流行的地下水建模軟件，對(duì)大范圍、條件復(fù)雜和實(shí)際工程量大的區(qū)域的地下水評(píng)價(jià)具有一定優(yōu)勢(shì)。但GSM模型中的GIS輔助模塊的數(shù)據(jù)由外部輸入，目前GIS模塊只能用于穩(wěn)態(tài)的數(shù)據(jù)，不適用于小地形、地質(zhì)復(fù)雜的區(qū)域。在進(jìn)行海綿城市雨水設(shè)施對(duì)地下水的補(bǔ)給模擬時(shí)需要外部方法的輔助。周美英［23］利用Monte-Carlo方法-拉丁超立方取樣（LHS）方法獲得研究區(qū)的滲透系數(shù)和降雨強(qiáng)度的隨機(jī)組合，借用GSM中的MODFLOW模塊建立地下水水流運(yùn)移模擬，用模擬的地下水水位均值場(chǎng)代替確定性模型中的計(jì)算值水位場(chǎng)，來(lái)評(píng)價(jià)地下水資源，由此來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)地下水位的動(dòng)態(tài)變化。陳言菲等［24］在對(duì)江南某海綿城市的各類低影響開(kāi)發(fā)（LID）措施進(jìn)行GMS模型分析時(shí)，測(cè)算了具體量化數(shù)值指標(biāo)，以及消減污染物的效果和持續(xù)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)。結(jié)果表明各類LID措施可以降低雨水對(duì)地表的污染程度，但是同時(shí)也導(dǎo)致了地下水污染物的累積，擴(kuò)大了污染風(fēng)險(xiǎn)。

2.4.2 GSFLOW模型

GSFLOW模型是由降水徑流模擬系統(tǒng)（PRMS）和MODFLOW模型耦合而成的，是一種連續(xù)分布的模擬方式，其改變了單一的模型模塊，可以在特定時(shí)間段內(nèi)估算入滲量與補(bǔ)給量的數(shù)值模擬。同時(shí)可以解決數(shù)值模擬耦合過(guò)程中的時(shí)間、空間尺度的不一致問(wèn)題。但是GSFLOW模型并不可以直接用來(lái)模擬海綿設(shè)施的地表水-地下水的交互聯(lián)系，因此通常需要更改代碼來(lái)描述不同的海綿設(shè)施之間對(duì)地下水的相互補(bǔ)充效果［25］。其原理是GSFLOW模型具有靈活的空間性和可用的源代碼，通過(guò)模型中子單元的透水-不透水模型結(jié)構(gòu)來(lái)表示海綿設(shè)施。如SURFLEET等［26］運(yùn)用GSFLOW模型的地表水-地下水連續(xù)分布式耦合來(lái)模擬分析海綿設(shè)施，評(píng)估了不同海綿城市建設(shè)理論對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響效果，展示了在強(qiáng)滲透的海綿設(shè)施下如何考慮地表地質(zhì)條件和地下水埋深。

2.4.3 Hydrus-2D模型

Hydrus-2D模型主要用來(lái)模擬變飽和（飽和-非飽和）土壤水的遷移過(guò)程。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和Hydrus-2D模型，可用于測(cè)算海綿城市雨水入滲設(shè)施對(duì)地下水的補(bǔ)給量，但該方法無(wú)法直接表征雨水設(shè)施和用來(lái)模擬地表徑流量［27-29］。由于Hydrus-2D模型所需要的數(shù)值都需用儀器現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)模擬的范圍存在一定局限，同時(shí)所需的儀器種類較多。其基本模擬步驟如圖1所示。

圖1 Hydrus-2D模型模擬海綿城市雨水設(shè)施對(duì)地下水的補(bǔ)給量化過(guò)程

2.4.4 Visual MODFLOW模型+SWIMM模型的耦合

Visual MODFLOW模型是目前國(guó)際上使用最為普遍的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，由加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司開(kāi)發(fā)研制，通過(guò)利用工具型輔助模塊的數(shù)據(jù)輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)水流運(yùn)移模擬、溶質(zhì)遷移過(guò)程模擬。在模擬海綿城市雨水設(shè)施入滲地表水-地下水的交互聯(lián)系和對(duì)地下水的補(bǔ)給量時(shí)常與SWIMM模型（地表水模擬軟件）結(jié)合。SWIMM模型可以直接用于模擬海綿城市地表水運(yùn)移過(guò)程，土壤的飽和區(qū)與非飽和區(qū)以及含水層的水流運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)Visual MODFLOW模型進(jìn)行模擬。將SWIMM模型（地表水模擬）與Visual MODFLOW（地下水模擬）模型進(jìn)行耦合，能夠表征海綿城市雨水設(shè)施對(duì)地下水的補(bǔ)給量。但是無(wú)法解決混合并流問(wèn)題，不適合某些具有復(fù)雜地質(zhì)條件的區(qū)域。其模擬過(guò)程如圖2所示。

圖2 SWIMM模型與Visual MODFLOW模型模擬過(guò)程圖

海綿城市建設(shè)雨水入滲對(duì)地下水的補(bǔ)給量化方法如表1所示。

表1 海綿城市建設(shè)雨水入滲對(duì)地下水的補(bǔ)給量化方法

3 結(jié)論與展望

雨水設(shè)施的入滲量是海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一。由于地表水-地下水的交互聯(lián)系過(guò)程的復(fù)雜性，使得地下水的補(bǔ)給量化計(jì)算成為難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外眾多專家采用多種方法對(duì)地下水的補(bǔ)給計(jì)算進(jìn)行了研究，但都存在一定的問(wèn)題。如：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)全靠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；忽略植物根系的吸水與水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的蒸散發(fā)；數(shù)值模擬存在時(shí)間、空間尺度上的差異；應(yīng)用于海綿城市的建設(shè)研究較少。目前我國(guó)也進(jìn)入了海綿城市建設(shè)的熱潮中，對(duì)地下水的補(bǔ)給量化也成為了重點(diǎn)。因此，在接下來(lái)的研究中應(yīng)注意以下方面：

1）注重對(duì)數(shù)據(jù)的積累，選用更科技的儀器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精密測(cè)量，使計(jì)算結(jié)果更精確。

2）數(shù)值模擬過(guò)程中氣候變化模型相結(jié)合，多方面考慮計(jì)算水分的流動(dòng)量。

3）開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證可用于海綿城市建設(shè)雨水設(shè)施是對(duì)地下水的補(bǔ)給計(jì)算模型，對(duì)地表水模型與地下水模型的耦合進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間、空間尺度的模擬。

4）改變單一設(shè)施的研究，對(duì)如何優(yōu)化設(shè)施的組合布局來(lái)實(shí)現(xiàn)地下水的補(bǔ)給量的最優(yōu)值進(jìn)行研究。