城市硬化背景下潜水含水层的海绵效应和净化作用

宋子龙

(广州市白云区太和镇农业技术服务中心，广东 广州 510540)



城市硬化背景下潜水含水层的海绵效应和净化作用

宋子龙

(广州市白云区太和镇农业技术服务中心，广东 广州 510540)

摘要：不同于地表水和深部地下水，潜水含水层既是降水补给的直接承载体，又具有较强的吸水能力和给水能力，是典型的地下“海绵体”。为了充分阐明和论证潜水含水层的海绵效应，从矿物组成、补给条件、蒸发条件、给水条件、排泄条件和区域地质条件等因素着手，对潜水含水层的海绵效应、净化作用和制约条件等特性展开专题研究。结果表明，潜水的海绵效应受含水层厚度、下渗率、排泄条件、地表植被覆盖率、人工开采、侧向补给、与深部地下水的连通状况等因素制约，导致城市地面过度硬化使潜水的海绵效应无法有效发挥；此外，“海绵城市”建设应避开高污染地区和地下水脆弱地区。

关键词：潜水；海绵城市；净化；下渗；地下径流

1研究背景

地球上的水资源以降水、地表水、地下水等形式存在，各种水体通过降水贮蓄、蒸发和径流等过程形成一个庞大的“水循环系统”[1-2],水资源循环示意图如图1所示。大气降水能够补给地下水和地表水，地下水水位在一定范围内的升降对人类生产生活影响甚微，而地表水水位的小幅上升就可能导致城市水灾。其中，地下水可分为潜水、承压水和上层滞水三大类[1]。大气降水对地下水的补给分为潜水补给和承压水补给2类[1]。承压水赋存于深部基岩(如石灰岩、白云岩等坚硬不透水岩层)的构造空隙中，基岩往往不直接裸露于地面，除少数裂隙、溶隙、溶洞暴露地面，降雨通过基岩含水层露头直接补给承压含水层外[1,10]，多数情况下，潜水含水层是降雨下渗补给的直接下垫面。由于潜水含水层具备独特的孔隙储水结构和孔隙支撑架构，且饱水带(含水层孔隙被水充满)和包气带(孔隙未被水充满)相互转化[1-3]，因而，其具有较强的吸水能力和给水能力，海绵效应也是显而易见的。

城市地面过度硬化导致水灾害加剧,因此我国正加紧建设“海绵城市”[3]。作为降水补给的直接承载体，潜水含水层具有较强的容水能力，因而，其必然是“海绵城市”建设的主要对象[4]。由于目前关于潜水地下含水层海绵效应的研究还没有得到充分重视，本文将对潜水含水层的海绵效应、承载力极限和净化作用等方面展开研究。

2理想潜水含水层的海绵效应

潜水含水层位于深部基岩之上的第4系沉积物或基岩风化壳，主要由黏土、砂砾石组成，其接受降水的垂直入渗补给和旁侧潜水的侧向补给[1]。潜水地下水排泄主要以径流排泄、蒸发排泄和人工混合开采为主[1]。径流排泄包括汇流入深部地下含水层和潜流入江河湖海。潜水含水层补给—蒸发—补给示意图如图2所示，降雨下渗补给潜水含水层，潜水饱水带逐渐上升，入渗过程可能持续整个降雨时段，入渗量随含水层孔隙逐渐饱和而渐渐减少[3]，降雨停止后，下渗潜水在土水势驱动下向上补给消耗[5]，潜水饱水带下降，包气带变厚，孔隙储水空间获得释放，在再次降水前，其储水空间便获得了恢复，降水过程概念图如图3所示。在上述降水过程中，只要单次降水历时的入渗量在潜水含水层的储水极限之内，就不会形成城市水灾(如水浸车)。

此外，潜水蒸发与地下水埋深、土壤、气象以及土地利用(作物种类)等多种因素相关[6-8]。潜水含水层所处的第4系覆盖物上部如果有植被覆盖，那么当入渗水流过根系区域后，降水下渗量损失会减少以满足作物正常生长所需水量[9]。

3地质条件对潜水含水层的制约

基岩直接裸露地表如图4所示；薄层第4系覆盖地表如图5所示。潜水含水层为深部坚硬基岩之上的第4系沉积物或基岩风化壳，其中的入渗水流往往通过孔隙、裂隙、断裂带等地下通道汇入地下暗河、岩溶溶洞、老空洞等深部基岩含水层[1,10]，因此，地质条件对潜水含水层的海绵效应和排水能力有重要影响。例如，基岩直接裸露于地表(见图4)或仅有薄层第4系覆盖物的地区(见图5)，地下构造对降水补给的吸纳有限，难以发挥海绵作用。

潜水含水层地下排泄示意图如图6所示；超渗产流示意图如图7所示。当降水下渗水量使整个包气带达到持水量时，将产生潜水地下径流[1]，而其下部的深部基岩含水层是释放潜水水流的有效通道，因此，如果无有效的地下径流排水系统，潜水含水层的海绵效应将难以发挥[10]。由图6可以看出，潜水含水层除接受降水补给外，还接受山坡的侧向补给，其入渗水量除可通过地下潜水汇流入湖中，还可以通过地下裂隙、断裂带等地下径流通道排泄[10]；而图7中的潜水含水层由于沉积物过薄，无地下裂隙、断裂带通道与上部潜水含水层相接等原因，潜水难以排泄进入深部基岩含水层，潜水含水层的海绵效应不明显。

此外，潜水含水层渗透率的差异性也是关键因素，如地表渗透率较差的黏土地区导致降雨难以从地表下渗形成潜水地下径流系统[3,11]。 再如，山东肥城矿区第4系沉积物底部发育有厚度稳定、隔水性能良好的粘土、亚粘土，第4系潜水和深部地下水无直接水力联系，潜水地下径流难以排泄入深部地下含水层[10-12]。

4城市硬化下的潜水含水层

随着城市化加剧，城市地面过度硬化，地表原生态覆盖被急剧改变，潜水含水层广泛、大面积补给的模式遭到破坏，局部超渗时间缩短，储水孔隙饱和时间提前，而超出下渗能力的降雨将产生地表径流，水灾也就难以避免[3]。充分补给下的潜水含水层如图8所示。由于水泥建筑物覆盖下的地表，入渗面积大为减小，局部遭建筑排水(如屋顶积水)集中补给，形成超渗产流，并从超渗区向四周弥散，超渗区极易形成地表洪流，发生城市水灾，而且原潜水地下径流系统是顺地势快速汇流入湖(见图8)，超渗区向四周弥散的汇流模式干扰了自然径流路径和方向，汇流效率大为降低[11]。此外，水泥建筑物覆盖蒸发面，使潜水蒸发面面积大为减少，潜水蒸发量也大为降低。水泥建筑物覆盖下的潜水含水层如图9所示。

和龙水库位于广州市白云区太和镇帽峰山脚下(见图6)，水库和山坡间有一段宽缓的冲积滩，山坡汇流入渗侧向补给冲积滩潜水含水层，大部分补给在降雨数小时至数天后通过冲积滩的潜水地下径流系统流回和龙水库，一部分补给量也会进入地下含水层，补充地下水资源[3]。而山脚冲积滩缓冲带上部人工开挖的沿山公路使山脚基岩裸露，山坡汇流无法入渗补给冲积滩潜水含水层，导致山坡汇流从公路上部漫流而过[11]，因此，此处水浸车事件经常发生并堵塞交通。和龙水库地下补给示意图如图10所示。

此外，潜水含水层所处的第4系覆盖物主要由粘土、砾石、石英砂等矿物组成，其独特的孔隙结构配合黏土的膨胀吸附作用以及石英砂不溶于酸、不溶于水的特性，使潜水含水层对地下水具有明显的净化作用。岩溶等深部含水层具有抗污染能力差、孔隙结构少、吸附能力弱、水环境脆弱、极易受污染等特点[3,13]，难以有效发挥其对地下水的净化作用。水泥建筑物大面积覆盖地表破坏了原潜水地下径流系统[14]，使潜水地下径流网变疏，净化作用亦大为减弱。

5“海绵城市”建设建议

综上所述，“海绵城市”建设[15]应重点选择第4系沉积物覆盖层面积宽广、厚度大且对降水下渗率较高的地区，还应考虑蒸发条件、给水条件、排泄条件和区域地质条件等因素。“海绵城市”建设所针对的区域应规划有较高的地表植被覆盖率。潜水集中过量开采问题整治和沿山公路水浸车治理是“海绵城市”建设的重点。此外，在高污染地区，第4系潜水含水层的地下径流系统会加剧污染物的扩散，不易建设“海绵城市”[3]。虽然，地下岩溶含水层对潜水含水层的疏水作用是明显的，但为避免降水(如酸雨)和地面垃圾污染地下岩溶，岩溶地区也应控制降水下渗量，减少降水直接补给地下水。

6结论

城市地面过度硬化破坏了流域的天然地表地下径流系统，导致城市水灾频发，“海绵城市”建设不可避免。潜水含水层不同于地表水和深部地下含水层，其海绵效应和净化作用是无可取代的，也是“海绵城市”建设的关键含水层和主要利用对象。通过多种因素分析，可得出如下几点结论。

1)潜水含水层的孔隙储水结构和孔隙支撑结构使其具有鲜明的海绵效应。一定量的降水入渗补给不会使潜水含水层的孔隙全部饱和，也就不会诱发城市水灾，而且潜水含水层经蒸发、径流等排泄过程，孔隙储水空间又可以获得释放。

2)地质条件对潜水含水层海绵作用的发挥有重要影响。含水层厚度、下渗率、排泄条件、地表植被覆盖率、人工开采、侧向补给、与深部地下水的连通状况等因素均对潜水含水层的海绵效应有影响。

3)城市地面过度硬化破坏了流域的天然地下水径流系统，使潜水蒸发面积大为减少，潜水蒸发量大为降低；城市地面过度硬化使潜水含水层局部超渗补给，而超渗补给所产生的超渗径流可形成城市水灾。

4)潜水含水层对地下水具有明显的净化作用，但“海绵城市”建设应避开高污染地区。

参 考 文 献

[1]詹道江，徐向阳，陈元芳，等.工程水文学[M].4版.北京：中国水利水电出版社，2010:2-32.

[2]左俊杰，蔡永立.河岸植被缓冲带定量规划的理论、方法与实证研究[M].北京：化学工业出版社，2013:30-38.

[3]王虹，丁留谦，程晓陶，等.美国城市雨洪管理水文控制指标体系及其借鉴意义[J].水利学报，2015，46(11)：1261-1271，1279.

[4]王虹，丁留谦，李娜.海绵城市建设的径流控制指标探析[J].中国防汛抗旱，2015(3)：10-15.[5]雷志栋，王义.土壤冻结过程中潜水蒸发规律的模拟研究[J].水利学报，1999(6)：6-10.

[6]罗玉峰，郑强，彭世彰，等.基于GIS的区域潜水蒸发计算[J].水利学报，2014(1)：79-86.

[7]Tyler SW，Kranz S，Parlange MB，et al .Estimation of groundwater evaporation and salt flux from Owens Lake，California，USA[J].Journal of Hydrology，1997，200(1-4)：110-135.

[8]Yeh P J F，Famiglietti J S.Regional groundwater evapotranspiration in Illinois[J].Journal of Hydrometeorology，2009，10(2)：464-478.

[9]谭秀翠，杨金忠.石津灌区地下水潜在补给量时空分布及影响因素分析[J].水利学报，2012(2):143-152.

[10]吴玉华，张文泉，赵开全，等.矿井水害综合防治技术研究[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009:3-21.

[11]王旭升.可变给水度的潜水面运动方程[J].水利学报，2009，40(3):335-339.

[12]张兆强.肥城矿区地下水环境质量评价[D].山东科技大学，2004.

[13]张保祥，万力，Jade Julawong. DRASTIC地下水脆弱性评价方法及其在泰国清迈盆地的应用[C].中国水利学会第三届青年科技论坛论文集，2007:26-30.

[14]宋子龙.煤田地勘瓦斯含量智能检测与存储系统设计[J].软件，2015，36(12):194-196，200.

[15]车伍，武彦杰，杨正，等.绵城市建设指南解读之城市雨洪调蓄系统的合理构建[J].中国给水排水，2015(8):13-17，23.

(责任编辑高嵩)

Sponge Effect and Purification Function of Phreatic Aquifer Under Background of Urban Hardening

SongZilong

(Taihe Town Agricultural Technology Service Center,Guangzhou Guangdong 510540)

Abstract：Unlike surface water and deep groundwater,phreatic aquifer is not only the direct carrier of precipitation recharge,but also has a strong water absorption capacity and water yield capacity,it is a typical underground "Sponge".This paper carries out special study on phreatic aquifer's sponge effect,purification function,and restricting factors from aspects of mineral composition,water yield conditions,evaporation conditions,recharge conditions,discharge conditions and regional geological conditions,etc.The results show that the sponge effect of phreatic aquifer is restricted by such factors as thickness of the aquifer,infiltration rate,discharge conditions,vegetation cover,artificial exploitation,lateral recharge,and deep groundwater connectivity etc,which leads to the excess hardening of the urban ground and the sponge effect of phreatic aquifer cannot be exerted effectively.In addition,the "Sponge City" should avoid the highly polluted areas and groundwater vulnerable areas.

Key words：phreatic water;sponge city;purification;infiltration;groundwater runoff

中图分类号：X141

文献标识码：A

文章编号：2095-4565(2016)02-0009-04

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.02.003

作者简介：宋子龙,助理工程师，本科。

收稿日期：2016-01-23