姜媛　楊慶

關鍵詞：海綿城市;地下水;耦合數(shù)值模擬;影響評估

海綿城市建設旨在提高城市在適應環(huán)境變化和應對自然災害兩方面的“彈性”（謝映霞，2015;俞孔堅等，2015）。從水利角度看，主要體現(xiàn)為提升城市對雨水的綜合管理水平，讓水在遷移、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)換等過程中更加“自然”，通過自然和人工相結(jié)合的手段，實現(xiàn)雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，從而有效控制雨水徑流，實現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化（鄧若晨等，2020）。可見，海綿城市建設勢必改變“降水-產(chǎn)流-下滲”過程。包氣帶作為降水、地表水、土壤水同地下水相互轉(zhuǎn)化的紐帶（仇保興，2015），是雨水自地表輸入最終進入地下水的必經(jīng)介質(zhì)，不僅影響下滲通量，而且會通過物理化學作用延緩污染物到達地下水面的過程（Budge，2006）。因此，查清雨水在包氣帶中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律是研究海綿城市建設對地下水影響的必要過程（杜新強等，2019;方宏宇等，2020）。

本文以北京市通州城市副中心為研究區(qū)，根據(jù)水文地質(zhì)條件和前人工作成果確定各項水文地質(zhì)參數(shù)，再基于Hydrus-1D和MODFLOW建立包氣帶-飽和帶耦合模型，實現(xiàn)地下水的水量與水質(zhì)全過程模擬。利用模型預測海綿城市建設對地下水水位及水質(zhì)的影響，對于海綿城市建設過程中的地下水污染防控工作具有一定的借鑒意義。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于永定河及潮白河沖洪平原的中下部，區(qū)內(nèi)50 m以上地層巖性主要為黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉細砂等，顏色以灰色、灰黑色、黃色為主;單層厚度一般不大，為多層砂類和黏性土類的互層;深度0～50m，一般含有3～4層砂層，厚度一般15～20 m;自西到東砂類土稍有增多變厚，埋深相對變淺。砂層顆粒在通州城區(qū)果園至楊莊一帶為中粗砂、中粗砂含礫，在宋莊以南至運潮減河一帶為中粗砂，其他大部分地區(qū)為粉細砂、細砂及中砂。

2包氣帶-飽和帶耦合模型構建

2.1 Hydrus-lD和MODFLOW的耦合

HYDRUS package for MODFLOW被開發(fā)用于耦合Hydrus 1D和MODFLOW模型，可以計算通過包氣帶的通量，并將其作為三維模塊化有限差分地下水模型MODFLOW的輸入（郭超等，2017）。

程序包由2個在空間和時間上相互作用的子模型組成（圖1），Hydrus-1D子模型（包氣帶）和MODFLOW子模型（地下水）。HYDRUS程序包基于Hydrus-1D程序，用于求解一維Richards方程模擬滲流區(qū)水流運動。Hydrus-1D程序包考慮了影響包氣帶通量的主要過程和因素，如降水、滲透、蒸發(fā)、再分配、毛細管上升、植物吸水、地表積水、地表徑流和土壤含水量，為MODFLOW提供了地下水補給通量。MODFLOW為Hy-drus-1D提供了地下水位，并作為HYDRUS的底部邊界條件。

2.2地下水飽和帶模型

2.2.1概念模型

結(jié)構模型：模型在空間上分為4層，包括2層含水層和2層弱透水層。根據(jù)鉆孔資料，結(jié)合開采層位，選取相對穩(wěn)定且厚度較大的隔水層頂板作為分層界線，確定主要含水層的頂?shù)装鍢烁?，繪制含水層頂、底板標高等值線，確定水文地質(zhì)結(jié)構。

邊界條件：側(cè)向邊界，北部和西南部邊界概化為流入邊界，東部及西部邊界概化為流出邊界;模型的上邊界為潛水面，通過該邊界，地下水系統(tǒng)與外界發(fā)生垂向水量交換，如接受河渠滲漏補給、農(nóng)田灌溉回歸補給、大氣降水入滲、沙石坑回灌補給以及蒸發(fā)排泄等;模型的底邊界視為不透水邊界。

模型概化：從空間上看，地下水流整體上以水平運動為主、垂向運動為輔，地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律;在常溫常壓下地下水運動符合達西定律;考慮2個相鄰含水層之間的水量交換以及軟件的特點，地下水運動可以概化為空間三維流;地下水系統(tǒng)的垂向運動是由層間水頭差異引起的，地下水系統(tǒng)的輸入、輸出隨時間、空間變化，故地下水為非穩(wěn)定流?？傮w來說，含水層從地勢較高的北部接受邊界側(cè)向流入補給，向南部方向匯流。排泄主要是人工開采。

2.2.2數(shù)值模型

區(qū)內(nèi)降水入滲以垂向為主，飽和帶主要接受來自包氣帶的垂向入滲補給。因此，將包氣帶入滲過程概化為一維變飽和帶水分運移，其數(shù)學模型用Richards方程描述，即

2.2.3水文地質(zhì)參數(shù)

土壤介質(zhì)類型依據(jù)實際鉆孔資料分層。根據(jù)鉆孔土壤的土壤顆分、干容重資料，用Hydrus-1D軟件網(wǎng)絡神經(jīng)預測模塊進行預測，得到土壤水力特征參數(shù)，包括殘余含水率、飽和含水率、形狀系數(shù)、曲線形狀系數(shù)等（表1）。依據(jù)滲水試驗結(jié)果確定飽和滲透系數(shù)K。

根據(jù)模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件和前人工作成果，給出各水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)和初值。潛水含水層給水度的分區(qū)和初值主要依據(jù)包氣帶巖性的變化和水位變幅帶的巖性特征確定（表2），取值為0.08～0.21。水平滲透系數(shù)取值范圍為3～15 m.d^-1，垂向滲透系數(shù)為水平滲透系數(shù)的10^-3～10^-5（劉玉梅，2014）。承壓含水層滲透系數(shù)主要反映地層的滲透特征，參考地層的沉積情況和壓密情況，確定水平滲透系數(shù)取值范圍在0.20～0.45 m.d^-1.垂向滲透系數(shù)為水平滲透系數(shù)的10^-3～10^-5（殷銘，2011）。關于承壓含水層釋水系數(shù)的相關研究成果較少，本次主要根據(jù)地層沉積規(guī)律和含水層厚度，確定其初值范圍在10^-3至10^-5數(shù)量級之間（鄭佳，2009）。參考《通州區(qū)地下水數(shù)值模擬分析成果報告》（北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，2019）中對通州區(qū)第四系包氣帶巖性及降雨入滲系數(shù)的研究成果，確定了不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的降雨入滲系數(shù)。另根據(jù)多年觀測計算及試驗的經(jīng)驗結(jié)果，農(nóng)業(yè)灌溉入滲回歸系數(shù)約為降水入滲補給系數(shù)的1/3～1/2。

2.2.4模型識別和驗證

利用2015年1月—2016年12月水位監(jiān)測資料對地下水系統(tǒng)進行模擬識別，再利用2017年1月—2017年12月實測水位對模型進行校準和驗證（圖2），以確定其在研究區(qū)的適用性。識別模型后，通過地下水流場擬合圖和典型地下水動態(tài)曲線擬合圖綜合評定模型識別結(jié)果的合理性（圖3、表3）。

綜上，建立的模擬模型基本達到了模型精度要求，符合實際水文地質(zhì)條件，基本反映了地下水系統(tǒng)的動態(tài)特征，故可利用此模型進行地下水影響預測分析。

3海綿城市建設對地下水的影響

北京市將以北京市副中心行政辦公片區(qū)為國家級試點建設區(qū)，開展海綿城市試點建設。該區(qū)域西南起北運河，北到運潮減河，東至春宜路，總規(guī)劃面積為19.36 km²。通過構建海綿型建筑與小區(qū)、海綿型公園綠地、海綿型城市道路、海綿型河湖水系等城市海綿體，統(tǒng)籌發(fā)揮自然生態(tài)功能，采取“地塊滲，分區(qū)滯，連區(qū)蓄，集中排”的原則，實現(xiàn)中小降雨滲入地下或收集回用、較大降雨滯蓄控排、超標降雨有序疏導調(diào)蓄，預防控制城市洪澇的海綿效果。

為了分析不同下墊面條件對地下水水位及水質(zhì)的影響，根據(jù)海綿城市建設區(qū)地層巖性及海綿建設措施，設置海綿城市建設區(qū)在城市化前、城市化發(fā)展現(xiàn)狀、海綿城市建設條件下的入滲系數(shù)，預測未來一段時間后地下水水位和水質(zhì)的變化情況。

3.1對地下水水位的影響

城市發(fā)展條件不同，研究區(qū)的下墊面條件也不同，降雨入滲量亦隨之發(fā)生變化，很大程度上影響地下水的水質(zhì)和水位。從圖4中可以看出，在2037年，在城市化現(xiàn)狀條件下地下水位較城市化前條件整體下降1～3m，但在海綿城市條件下地下水位較城市化現(xiàn)狀條件會整體上升1～2m。

3.2對地下水水質(zhì)的影響

3.2.1城市化前

在城市化前，雨水落到地面以后，一部分沿著地層的孔隙或者裂隙滲入地下，另一部分形成地面徑流，還有一部分要在地面徑流過程中滲入地下或者蒸發(fā)。查閱文獻可知，城市化前，蒸發(fā)量占40%，地面徑流量占10%，降水入滲量占50%。為了分析城市化前污染物對地下水的影響，假設海綿城市建設區(qū)的入滲補給系數(shù)為0.50，滲入地下水的污染源源強硝酸鹽濃度為50mg·L^-1。預測研究區(qū)地下水在2022年、2027年、2032年及2037年的污染變化情況（圖5）。

如表4所示，在污染物達到潛水面后，2022年，硝酸鹽氮的運移距離是1005m，污染暈面積是0.585 km²，超過硝酸氮三類標準的面積為0.038 km²;至2027年，硝酸鹽氮的運移距離是1161 m，污染暈面積是1.028km²，超過硝酸氮三類標準的面積為0.132 km²;至2032年，硝酸鹽氮的運移距離是1337m，污染暈面積是1.247 km²，超過硝酸氮三類標準的面積為0.225 km²;至2027年，硝酸鹽氮的運移距離是1456 m，污染暈面積是1.459 km²，超過硝酸氮三類標準的面積為0.270 km²。

3.2.2城市化現(xiàn)狀

在城市化現(xiàn)狀條件下，由于不透水地表面積大幅度增加，地表徑流量相應增加，降水入滲量減?。◤垥龋?016）。城市化后，蒸發(fā)量占25%，地面徑流占30%，屋頂徑流占13%，降水入滲量占32%（陳晨，2013）。另北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊于2004年在通州牛坊開展的地表水入滲試驗，該區(qū)地層巖性為粉細砂、黏砂，得出的入滲系數(shù)為0.2～0.25（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2008）。為分析城市化條件下污染物對地下水的影響，假設海綿城市建設區(qū)的入滲補給系數(shù)為0.30，滲入地下水的污染源硝酸鹽的源強濃度為50 mg.L^-1，預測地下水在2022年、2027年、2032年及2037年的污染變化情況。

如表5所示，在污染物達到潛水面后，2022年，硝酸鹽氮的運移距離是1094m，污染暈面積是0.793 km²，超過硝酸氮三類標準的面積為0.115 km²;至2027年，硝酸鹽氮的運移距離是1348m，污染暈面積是1.306 km².超過硝酸氮三類標準的面積為0.213 km²;至2032年，硝酸鹽氮的運移距離是1549m，污染暈面積是1.387km²，超過硝酸氮三類標準的面積為0.274km²;至2037年，硝酸鹽氮的運移距離是1633m，污染暈面積是1.787 km²，超過硝酸氮三類標準的面積為0.401 km²。

3.2.3海綿城市條件下

海綿城市建設通過點要素、線要素、面要素的構建，采用公園及分散式濕地斑塊、雨水花園、透水鋪裝、水系和重要林帶、大面積的綠地和濕地斑塊等海綿城市配套設施增加建設區(qū)地表水入滲，將70%的降雨就地消納和利用。假設海綿城市建設區(qū)的入滲補給系數(shù)為0.40，滲入地下水的污染源源強硝酸鹽氮的濃度為50 mg·L^-1，預測分析研究區(qū)在2022年、2027年、2032年及2037年的污染變化情況。

如表6所示，在污染物達到潛水面后，2022年，硝酸鹽氮的運移距離是1042 m，污染暈面積是0.664 km²，超過硝酸氮三類標準的面積為0.074 km²;至2027年，硝酸鹽氮的運移距離是1246 m，污染暈面積是1.058 km²，超過硝酸氮三類標準的面積為0.170 km²;至2032年，硝酸鹽氮的運移距離是1434 m，污染暈面積是1.282 km²，超過硝酸氮三類標準的面積為0.247 km²;至2037年，硝酸鹽氮的運移距離是1535 m，污染暈面積是1.688 km²，超過硝酸氮三類標準的面積為0.333 km²。

相對于城市化現(xiàn)狀，建設海綿城市后，污染運移距離和污染暈的變化呈現(xiàn)了基本一致的趨勢（表7）。在2027年，同年變化率達到最大值，之后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢并逐漸趨于穩(wěn)定。其中，污染運移距離和污染源面積減少幅度最大達7.57%和18.99%。至2037年，減少幅度分別為6.00%和5.54%。經(jīng)分析，在城市化階段，污染運移距離、污染暈和超過硝酸氮3類標準的面積最大，是由于入滲補給減少，區(qū)域水位流場水頭差變大，從而導致地下水流速加快。而在城市化前和海綿城市條件下，入滲量的增加會減小地下水流場水頭差，減緩地下水流速。

4結(jié)論

海綿城市采用滲、滯、蓄、凈、用和排等措施，將70%的降雨就地消納和利用。通過“小海綿”到“大海綿”不同尺度的海綿體，具體采用綠色屋頂，下凹式綠地，雨水花園，透水鋪裝，植草溝等技術手段，讓雨水自然滲透到地下，一方面緩解城市內(nèi)澇，一方面平衡地下水。根據(jù)研究結(jié)果分析，海綿城市會對地下水的水質(zhì)和水位產(chǎn)生影響，不同地區(qū)包氣帶條件和地層特征不同，產(chǎn)生影響的程度也各不相同。由于增加了地表水體的入滲，海綿城市建設超過一定時間會對地下水產(chǎn)生污染，需要嚴格控制入滲水體，特別是雨水的水質(zhì)，并提出有效的預防措施。