李贏杰，黃仕元，2

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

海綿城市建設(shè)通過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，雨水回補地下水的作用機理與地下水的補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)計的重要依據(jù)［1］。我國也進(jìn)入了海綿城市的建設(shè)熱潮，但許多研究學(xué)者的熱點主要放在海綿城市的理論含義、目標(biāo)以及工程設(shè)計方面，對雨水入滲回補地下水的研究較少，這不利于我國海綿城市的健康發(fā)展。目前，利用雨水回補地下水的具體機制尚不明確，國內(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，水分的運移過程變得復(fù)雜。現(xiàn)階段幾乎沒有地下水模擬與城市地表徑流模擬的完全耦合來對海綿城市地表水-地下水進(jìn)行系統(tǒng)的模擬，都面臨著空間尺度、時間上的差異等困難［2］?；诖?，國外有了一系列針對性研究，取得了一定的研究成果。本文綜合國內(nèi)外適用于海綿城市建設(shè)地下水的補給量化方法，通過分析其原理與適用條件，為我國海綿城市建設(shè)的效益評估提供參考。

1 雨水設(shè)施補給地下水的研究綜述

一系列研究表明海綿設(shè)施可以有效的回補地下水，增加地下水的補給量，對改善地面沉降等問題有一定的效果。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，對西安的兩個雨水花園的地下水位的時空變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點的地下水水位有顯著抬升且均上升了0.3 m，證明入滲點可以有效回補地下水以及雨水入滲過程具有穩(wěn)定性；入滲過程中土壤的非飽和帶對雨水會進(jìn)行存儲，并在降雨后的幾天內(nèi)，將儲存的雨水緩慢的回補給地下水，即入滲過程中土壤的非飽和帶對地下水的補給具有滯后性［4-6］。

城市本身的蒸散發(fā)、雨水徑流的產(chǎn)流過程，和地下水的運移過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-地下水運移過程變得復(fù)雜，也成為了研究界的難題。通過對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，對地下水的補給量化研究較少［7-8］。當(dāng)前，雨水入滲回補地下水的補給量常常通過場次降雨量、入滲過程中的入滲率和孔隙度、入滲區(qū)域面積的乘積來計算估值。監(jiān)測數(shù)據(jù)的來源通過采樣法與下滲系數(shù)法這種純經(jīng)驗的計算方法，誤差極大，且無法表征地表水-地下水的相互聯(lián)系過程。由于我國海綿城市建設(shè)起步晚，監(jiān)測儀器的不足和數(shù)據(jù)的缺失，監(jiān)測又常以單個雨水設(shè)施為主、規(guī)模較小，缺乏系統(tǒng)研究，對雨水設(shè)施入滲回補地下水的定量評估存在一定的偏差。國外學(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)施入滲對地下水的補給量。

2 海綿城市建設(shè)雨水設(shè)施回補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)計中常?；趶搅髁?、入滲量、存貯量三者之間的水平衡，運用美國URBONAS［10］提出的圖解法和德國GEIGER等［11］提出的經(jīng)驗公式法來量化指標(biāo)，局限性太強。雨水設(shè)施對地下水的補給量化評估是海綿城市建設(shè)效益的主要因素與關(guān)鍵所在。當(dāng)前對地下水的補給量化方法主要有直接測量法、調(diào)查分析法、物理法、數(shù)值模擬法。

2.1 直接測量方法

滲透儀測量法是最直觀的監(jiān)測方法，通過將儀器插入土壤的非飽和帶區(qū)域中，隔離周圍的土壤水，運用高精度天秤測量土壤質(zhì)量的輕微改變，來反映土壤存儲水的變化規(guī)律。同時滲透儀器法還可以用滲流計來測定補給速率。滲透率的計算公式如下：

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

滲透儀測量法可以直觀的反映滲透量，儀器也便于運輸，但價格昂貴，且只能反映儀器面積中的入滲區(qū)域，研究的規(guī)模較少，同時沒有考慮土壤的蒸散發(fā)量以及外在水流的存在，測量的數(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，與記錄的地下水補給量數(shù)值進(jìn)行對比分析，通過設(shè)置范圍參數(shù)與校正后的蒸散模型來評估補給水量。

2.2 調(diào)查分析法

調(diào)查分析法是指通過調(diào)查長期的流量數(shù)據(jù)和某一時間段內(nèi)河流水的均衡值進(jìn)行計算。

2.2.1 流量過程線法

運用河流流量隨時間變化的曲線來分析河流的降雨徑流和基流量（一般指地下水補給量）的關(guān)系，采用圖解法、滑動最小值法將流量過程中的基流量分割出來。伍立群等［13］將基流劃分法運用于對云南地區(qū)的地下水資源量的評估中，為山丘地區(qū)的地下水資源補給提出了定量引導(dǎo)指標(biāo)。因為需要更長期有序列的河流數(shù)據(jù)，在計算地表水對地下水的補給量中使用較小。

2.2.2 水均衡計算法

水均衡計算法是研究地表水-地下水交互聯(lián)系較為簡單的方法。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，就可以計算出地表水入滲地下水的補給量［14］。如肖長來等［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-地下水的補排關(guān)系，計算較為方便。但是所需的各均衡項都是粗略計算出來的，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］，以長期濕潤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，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NRCS的水文土壤組分布圖，和各州對每個水文土壤組的平均年入滲率的估算，得到各個場地開發(fā)前的年平均地下水補給量，進(jìn)而按照場地開發(fā)后的硬化面積，確定該區(qū)域所需要的地下水的回補量。各州的水文土壤組計算公式形式各異，常見的公式形式如下：

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

其中，補給系數(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)的年平均補給量不同，補給系數(shù)F不能直接套用其他地區(qū)的。李俊奇［18］通過探索美國的雨洪管理標(biāo)準(zhǔn)體系中的地下水回補體積控制指標(biāo)，對水文土壤組法進(jìn)行定義的分析，為我國海綿城市建設(shè)下的雨水設(shè)施入滲對地下水的回補量化提供了指標(biāo)參考。需要注意的是地下水的回補量與補給量是不同的，一般地下水的補給量大于地下水的回補量。

2.3.2 地表徑流法

地表徑流法以地表徑流量為依據(jù)，運用地表徑流量與地下水補給量的水量守恒定律計算，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，可以安裝測量裝置用于進(jìn)行地表徑流量的監(jiān)測，而區(qū)域范圍較大的時候需要采用經(jīng)驗?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算，尤其適用于范圍廣泛、監(jiān)測數(shù)據(jù)欠缺的地域［19］。但是滲透量并不等同于補給量，不是任何滲透的水都會進(jìn)入土壤飽和區(qū)（補充地下水），當(dāng)水分在滲入的時候經(jīng)過土壤也會有一部分水被植物根系吸收，被蒸散發(fā)，土壤的非飽和帶對水分有一定的吸收，且該方法無法反映地表水-地下水的水分交互聯(lián)系。故在有關(guān)海綿城市建設(shè)雨水入滲回補地下水的運移過程研究和定量化研究方面應(yīng)用較少。

2.3.3 地下水位波動法

地下水位波動法是最常見的地下水補給率的計算方法，方法的計算是在假設(shè)含水層水位的上升都是地下水的補給的條件下進(jìn)行的，對數(shù)值模型的驗證有一定參考價值。其公式形式如下：

其中，R為補給率，m/h；Sy為給水度；h為地下水位，m；t為時間，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、測量的時間等均會對地下水位波動有影響。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，會導(dǎo)致對地下水補給的誤導(dǎo)估算［20-21］。因此，該方法適用于降雨前后短時間內(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)值解模擬地下水補給量。在模擬海綿城市利用降雨回補地下水的過程中，還必須考察雨水設(shè)施的回補性能。目前國際上常用的數(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Brigham Yung University環(huán)境實驗室開發(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］?？梢詫崿F(xiàn)水流動力學(xué)的運移模擬和水質(zhì)運移模擬；通過創(chuàng)建地層實體，對鉆井?dāng)?shù)據(jù)的管理和二維（三維）地質(zhì)地貌進(jìn)行統(tǒng)計；并將建模成果實現(xiàn)了界面可視化和打印，直觀性極強，目前已成為了國際上最流行的地下水建模軟件，對大范圍、條件復(fù)雜和實際工程量大的區(qū)域的地下水評價具有一定優(yōu)勢。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)施對地下水的補給模擬時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)和降雨強度的隨機組合，借用GSM中的MODFLOW模塊建立地下水水流運移模擬，用模擬的地下水水位均值場代替確定性模型中的計算值水位場，來評價地下水資源，由此來預(yù)測未來一段時間內(nèi)地下水位的動態(tài)變化。陳言菲等［24］在對江南某海綿城市的各類低影響開發(fā)（LID）措施進(jìn)行GMS模型分析時，測算了具體量化數(shù)值指標(biāo)，以及消減污染物的效果和持續(xù)轉(zhuǎn)化趨勢。結(jié)果表明各類LID措施可以降低雨水對地表的污染程度，但是同時也導(dǎo)致了地下水污染物的累積，擴大了污染風(fēng)險。

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，可以在特定時間段內(nèi)估算入滲量與補給量的數(shù)值模擬。同時可以解決數(shù)值模擬耦合過程中的時間、空間尺度的不一致問題。但是GSFLOW模型并不可以直接用來模擬海綿設(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描述不同的海綿設(shè)施之間對地下水的相互補充效果［25］。其原理是GSFLOW模型具有靈活的空間性和可用的源代碼，通過模型中子單元的透水-不透水模型結(jié)構(gòu)來表示海綿設(shè)施。如SURFLEET等［26］運用GSFLOW模型的地表水-地下水連續(xù)分布式耦合來模擬分析海綿設(shè)施，評估了不同海綿城市建設(shè)理論對生態(tài)環(huán)境的影響效果，展示了在強滲透的海綿設(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模型主要用來模擬變飽和（飽和-非飽和）土壤水的遷移過程。通過現(xiàn)場觀測和Hydrus-2D模型，可用于測算海綿城市雨水入滲設(shè)施對地下水的補給量，但該方法無法直接表征雨水設(shè)施和用來模擬地表徑流量［27-29］。由于Hydrus-2D模型所需要的數(shù)值都需用儀器現(xiàn)場監(jiān)測，對模擬的范圍存在一定局限，同時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)施對地下水的補給量化過程

2.4.4 Visual MODFLOW模型+SWIMM模型的耦合

Visual MODFLOW模型是目前國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)公司開發(fā)研制，通過利用工具型輔助模塊的數(shù)據(jù)輸入，能夠?qū)崿F(xiàn)水流運移模擬、溶質(zhì)遷移過程模擬。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)系和對地下水的補給量時常與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移過程，土壤的飽和區(qū)與非飽和區(qū)以及含水層的水流運動可以通過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)施對地下水的補給量。但是無法解決混合并流問題，不適合某些具有復(fù)雜地質(zhì)條件的區(qū)域。其模擬過程如圖2所示。

圖2 SWIMM模型與Visual MODFLOW模型模擬過程圖

海綿城市建設(shè)雨水入滲對地下水的補給量化方法如表1所示。

表1 海綿城市建設(shè)雨水入滲對地下水的補給量化方法

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)計的重要依據(jù)之一。由于地表水-地下水的交互聯(lián)系過程的復(fù)雜性，使得地下水的補給量化計算成為難點。國內(nèi)外眾多專家采用多種方法對地下水的補給計算進(jìn)行了研究，但都存在一定的問題。如：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)全靠現(xiàn)場監(jiān)測；忽略植物根系的吸水與水分運動過程中的蒸散發(fā)；數(shù)值模擬存在時間、空間尺度上的差異；應(yīng)用于海綿城市的建設(shè)研究較少。目前我國也進(jìn)入了海綿城市建設(shè)的熱潮中，對地下水的補給量化也成為了重點。因此，在接下來的研究中應(yīng)注意以下方面：

1）注重對數(shù)據(jù)的積累，選用更科技的儀器對數(shù)據(jù)進(jìn)行精密測量，使計算結(jié)果更精確。

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

3）開發(fā)與驗證可用于海綿城市建設(shè)雨水設(shè)施是對地下水的補給計算模型，對地表水模型與地下水模型的耦合進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)不同時間、空間尺度的模擬。

4）改變單一設(shè)施的研究，對如何優(yōu)化設(shè)施的組合布局來實現(xiàn)地下水的補給量的最優(yōu)值進(jìn)行研究。