典型济南泉域强渗漏带的保护开发与评价

马 良，王晓军，吴恩江，邢金龙，姜广辉

(1.山东省水利科学研究院,山东省水资源与水环境重点实验室,山东水土保持学会,250013,济南；2.济南大学资源与环境学院,250022,济南；3.泗水县水利局,273200,山东泗水；4.北京师范大学资源学院,100875,北京)

20世纪80年代,山东师范大学黄春海[1]通过调查,提出济南市泉域补给区范围内存在24处强渗漏带,引起政府及社会各界的高度关注；但当时受工作条件和技术手段限制,强渗漏带划分和确定主要是从地貌方面进行定性描述,对于渗漏带分布范围、具体特征及规划保护方案和措施等涉及较少。近些年来随着济南城市发展,建成区范围不断向南部山区扩展,部分渗漏带已经完全被占压和硬化。为详细研究各强渗漏带补给性能和水环境现状,2014年山东省水利科学院和济南市水利局共同完成“济南泉域重点强渗漏带调查与保护修复规划”[2]科研项目,对各强渗漏带范围、地质条件、地形地貌特征、土地利用现状以及存在的问题等进行了系统分析,对强渗漏带进行了类型划分,并提出了城市化影响下强渗漏带地下水补给功能定量评价模式。

城市化是继气候变化因素之外影响流域水文变化的另一主要因素[3],其带来的下垫面特征改变(如地形地貌、土地覆盖和利用、景观格局[4]、不透水层等)深刻影响流域生态水文系统。评估城市化对水文变化的影响及其程度是一个非常具有挑战性的问题,也是最近水文科学领域的研究焦点[5- 8]。评估人类对水循环的影响、环境变化和相关风险,以及模拟自然水文与人类扰动之间的相互作用和反馈,被国际水文科学协会(IAHS)定为“Panta Rhei 2013—2022”十年科学计划主要目标,即“水文与人类社会的变化”[9]。

笔者结合泉域强渗漏带之一的兴隆强渗漏带具体开发案例,探讨如何贯彻城市化低影响开发理念,在强渗漏带妥善处理“开发”与“保护”之间的关系,研究实施积极主动的保护性开发策略[10],通过科学规划、统筹布局,弥补和降低片区建设对强渗漏带地下水补给的不良影响,为维护泉水常年喷涌提供技术支持,并为有关部门提供决策参考。

1 研究区概况

兴隆强渗漏带位于济南市区泉群东南方向约8.5 km处,二环南路以南、山大兴隆校区以西(图1),土地面积12.96 km2,其中核心保护区4.30 km2,重点保护区3.80 km2,缓冲区4.86 km2。该渗漏带地处兴隆小流域内,包含17个子流域,丘陵起伏,冲沟发育,山间谷地宽阔,沟道总数量295个,沟壑密度5.39 km/km2,最长沟道长度5.84 km。气候属暖温带半湿润大陆性季风气候区,多年(1957—2016年,下同)平均气温14.8℃。多年平均降雨量678.9 mm,年际与季间变化较大。区内寒武系、奥陶系碳酸盐岩地层成单斜产出,倾向与地形基本一致,向北倾斜,至山前隐伏于第四系地层之下。土壤以褐土性土、普通褐土、石灰性褐土和淋溶褐土为主,分别分布于荒草坡与岭坡梯田、丘陵和山前倾斜缓平地、近山阶地,以及低缓丘陵及山前倾斜平地上。植被以侧柏(Platycladus ovientalisFranco)为主,山麓地带及沟边坡以荆条(Vitex negundovarheterophylly)、酸枣(Ziziphus jujubaMillevar.inermisMill)等灌草植被为主。该渗漏带位于小清河水系兴济河源头,山间及山腰有季节性下降泉水,沟谷有季节性流水,中部和东北部分别有兴隆水库、大岭水库2个季节性水库,无其他常年性地表水体。

兴隆强渗漏带内有兴隆、白土岗、大岭等5个村庄,常驻人口8 700余人。近年来,随着城市化进程加快和社会经济发展,村居没有合理规划,片区内脏、乱、差问题日益突出。居民住房不断蚕食可渗透地表,挤占兴济河河道,2013年拆迁前各类设施建筑面积高达500万m2,地面硬化率近50%；区域内有农用井37眼,居民生产生活每年取用地下水29.62万m3；有21处已封闭未治理的采石点、超过50万m2的破损山体,水土流失和环境破坏严重；村庄附近垃圾随意倾倒,生活等各类污水直接排入河沟,COD、NH3-H浓度严重超标,与农业带来的面源污染,对地下水质造成严重危害。上述问题不仅导致人居环境日益恶化,而且大大削弱了流域地下水渗漏补给功能,对强渗漏带生态环境及下游城市水环境造成严重破坏,需要采取积极措施予以治理保护。

2010年5月11日,济南市政府与华润集团在香港签署意向书,拟在该流域内实施兴隆片区旅游综合体开发项目。根据华润集团项目部出具的《济南市兴隆旅游地产项目城市设计方案》(图2),片区规划占地面积3.54 km2,包括商服区(N)住宅区(F)和公园区(E)3个组团,F-2,F-3,F-4,F-5等41个地块。地上建筑面积334.33万m2,建筑系数25.23%,地上容积率0.94,地下容积率0.36,绿化率37.56%。

2 研究方法

2.1 现场勘察

综合采用“3S”技术,对研究区地质、气象、水文、土壤、植被、居民点等情况进行了系统调查,搜集整理了大量自然和社会经济资料。

2.2 地质勘探

采取现场物探(电测深剖面5条,物理点32个)、钻探(165个孔,总进尺83.07 m)、渗压水试验(渗水试验4层段4次,压水试验3层段3次),岩芯观测(4个钻孔岩芯,分别为11块、15块、19块和10块,共55块)等方法,取得了该渗漏带水文地质参数。

2.3 计算模型

结合地下水动力学理论分析,室内构建研究区地下水入渗—渗流数值模型,探明兴隆强渗漏带地下水补给情况。

1)模型基础公式。

地表径流量采用山东省水利科学研究院变径流系数经验公式[11]进行计算。入渗补给量分别采用变参系数法、有效入渗补给系数分区方法计算。

年地表径流量

式中:Rs为年地表径流量,103m3；αs为年径流系数；F为流域面积,km2；Pi为降水量,mm；As为地表汇流指数；PB为年雨量损失值,mm；Ds为土壤调节转化重复系数。

图1 兴隆片区地理位置图Fig.1 Location map of Xinglong Planning Region

图2 兴隆强渗漏带、开发片区示意图Fig.2 Schematic diagram of Xinglong Strong Seepage Zone and Planning Region

入渗补给量按变参系数法计算公式为:

式中:Pr为地下水入渗补给量,103m3；αg为年入渗补给系数；Ag为地形、岩性指数；Dg为土壤蓄水转化系数。其中Pr采用有效入渗补给系数分区法进行计算。

式中:Pri为第i分区地下水入渗补给量,103m3；αi(a,b,K)为第i分区有效入渗补给系数；Fi为第i分区面积,km2；a为包气带指数；b为地形地貌指数；K为包气带饱和渗透系数。

2)参数率定。

模型中需率定的参数有AS、PB、Ds和Ag、Dg。 根据1959—2012年济南市月降雨量观测数据、三水转化研究资料等,确定各参数值,见表1。

表1 模型参数率定值Tab.1 Calibration of model parameters

本研究根据不同地块建设用途、硬化率等指标,并结合地质地形、水文地质条件等,划分为3个计算分区,分别为商服区(N)、住宅区(F)和公园区(E)。各分区有效入渗补给系数αi参考石灰岩地区经验值[12](表2),结合各分区包气带特征、水位埋深等确定。当包气带厚度大于5 m,饱和渗透系数小于10-4cm/s时,各分区有效降雨入渗系数用式(6)进行校正。

式中:α′i为各区有效降雨入渗补给系数；αi为基准入渗补给系数；Ki为各区包气带饱和渗透系数,cm/s；K为基准包气带饱和渗透系数,cm/s。

包气带饱和渗透系数K值利用渗压水试验,按式(7)计算。各分区试验数据及K值见表3。

式中:Q为稳定注入量,L/min；L为试验段长度,cm；r为钻孔半径,cm；H为水头高度,cm

表2 石灰岩地区不同地下水埋深入渗补给系数经验值[12]Tab.2 Empirical values of infiltration recharge coefficient for different buried depths of groundwater in limestone regions

表3 各分区渗水试验数据及K值Tab.3 Experimental data of water seepage test and K value for different areas

3 计算方案

规划开发片区整体位于兴隆强渗漏带范围内,其中2.64 km2位于强渗漏带核心保护区,其余0.90 km2位于重点保护区。在分析片区开发对地下水补给不利影响及积极因素的基础上,提出原规划方案(A)和调整规划方案(B)2个情景,分别模拟不同开发规划对地下水源汇及渗流场造成的变化,定量评价对地下水入渗补给的影响。

3.1 原规划方案(A情景)

原规划方案(A情景)的主要特征如下。

1)建筑密度较高。A情景下各片区占地类型的建筑密度虽能符合《济南市城乡规划管理技术规定(试行)》要求,但属较高水平,其中公建和商业设施密度分别达到35%和43.1%,相应地表硬化比例较大,对地下水补给造成较大影响。

2)硬化率偏高,影响地下水入渗补给。A情景规划地上地下建筑、道路等硬化面积达2.02 km2,硬化率56.88%。

3)未充分体现对渗漏通道的保护。A情景规划虽根据地形起伏,因地制宜进行地块范围和边界划分,但在划分过程中未充分体现对片区范围内原有渗漏通道,即沟道、河道、沟谷的保护。如在F-2、F-3、F-4、F-5地块之间边界,沟谷被地块内建筑物占压,影响雨水正常排泄、渗漏。从竖向设计分析,规划设置的地下车库、人防工程及建筑物的基础埋深较深,有可能破坏自然岩溶裂隙通道,阻隔地表水与岩溶裂隙之间联系。

4)较少关注地表径流控制和雨洪资源综合利用。A情景规划多采用常规市政供排水技术,重点关注排水是否通畅,对地表径流控制与促渗缺乏有效措施。

3.2 调整规划方案(B情景)

本着积极保护、适度开发原则,为减少开发建设对强渗漏带补给功能的不利影响,对原规划方案布局、指标等进行调整优化,同时强化地表水利用、促渗措施,以达到低影响开发、保护性开发的目的。具体调整如下。

1)调整地块布置。 调整 F-2、F-3、F-4、F-5地块形状,保留中间沟道,对现有强渗漏区域进行保护。

2)控制建筑密度。为给地下水下渗补给留出足够地表空间,各类型用地的建筑密度分别降低2% ～5%。调整后,减少地表硬化面积6.6 hm2。

3)降低硬化设施。对地下建筑、道路广场等实际的硬化设施进行透水改造,如铺设透水砖、多孔混凝土沥青路面、整体式排水板接渗井等。实施后可增加有效透水面积27.49 hm2,整个片区(折算)有效透水面积比可达到51.04%。

4)优化竖向设计。调整竖向设计方案,要求地块内应做到、地块间必须做到土石方平衡,控制建筑物基础埋深不得超过15 m。

5)提高绿化率。商服、住宅、公园3大区块综合绿化率控制指标分别不低于30%、35%和55%,片区整体绿化率不低于41.55%。

6)强化雨洪水综合管理。遵循“雨水径流滞蓄促渗,雨洪资源最大利用”的规划理念,采取径流调控的“双系统制”,即“小暴雨系统(5～10年一遇)”和“大暴雨系统(大于10年一遇)”,构建合理的雨水管理利用体系。综合采用流域内河道沟道生态治理,拦蓄促渗；建筑物坡面改造,顶面立面绿化集雨；基坑施工避免强夯、大开挖、挤土桩等改变包气带密实度的施工方式；渗沟、渗井和地下集雨池促渗；广场道路及其它开放空间改用透水砖、多孔透水路面等铺装形式促渗；下凹式绿地系统节流促渗等措施,加强雨水全过程的综合管理,以实现小暴雨地表产流全部收集入渗的目的。

B情景调整的控制性指标详见表4。预计调整后增加沟道保护长度475 m,增加绿地面积0.14 km2,增加可透水面积约0.27 km2,减少地上地下硬化面积0.10 km2。

表4 B情景调整控制指标Tab.4 List of adjustment and control index in scenario B

4 结果与分析

4.1 计算结果

根据规划调整,A、B 2种情景下主要模型输入参数发生变化,如表5所示。

依据计算模型,输入有关参数,采用多年平均降雨条件,得到不同情景下开发片区、渗漏带计算结果,见表6～表8。

表5 A、B情景主要模型输入参数对比表Tab.5 Comparison of the main model input parameters between scenario A and B

表6 开发片区A、B情景地表径流量计算结果对比Tab.6 Surface runoff comparison on the Planning Region in scenario A and B 万m3/a

表7 开发片区A、B情景入渗量计算结果对比Tab.7 Infiltration comparison on the Planning Region in scenario A and B 万m3/a

表8 兴隆强渗漏带地表径流量、入渗量计算结果对比Tab.8 Surface runoff and infiltration comparison on Xinglong Strong Seepage Zone in scenario A and B 万m3_/a

4.2 分析与讨论

A情景下,片区建成后地表径流量达到86.38万m3/a,比现状年63.38万m3/a增加23.00万m3/a,增幅36.29%；入渗量达到35.24万m3/a,比现状年66.32万m3/a减少31.08万m3/a,降幅46.86%。地表径流增加量约6.5万m3/(a·km2),入渗量减少量约8.8万m3/(a·km2)。整个兴隆强渗漏带地表径流量也由现状622.79万m3/a增加至645.79万m3/a,入渗量也由现状528.46万m3/a降低至497.38万m3/a。

从各分区(图3)来看,住宅区(F)地表径流量增加13.66万m3/a,入渗补给量减少18.46万m3/a,变幅为3个分区中最高；其次是商服区(N),地表径流量增加5.09万m3/a,入渗补给量减少6.88万m3/a；最后是公园区(E),地表径流量增加4.25万m3/a,入渗补给量减少5.74万m3/a。

图3 A情景各分区地表径流量(a)、入渗补给量(b)变化结果对比Fig.3 Comparison of surface runoff(a)and infiltration(b)on different districts in scenario A

B情景下,片区比A情景减少地表径流量1.58万m3/a,增加入渗量2.13万m3/a,有一定成效；但与片区现状相比,地表径流量仍增多21.42万m3/a,是现状产流的1.33倍,入渗量仍减少16.56万m3/a,仅恢复至现状的75%。整个强渗漏带也是同样规律。这表明,即便采取低影响开发策略,仍无法避免和完全弥补因开发带来的对强渗漏带地下水补给能力的削弱。如要抵消该不利影响,只能借助其他途径。

4.3 流域综合保护与修复(C情景)

由于兴隆强渗漏带与兴隆流域互为表里,基于生态补偿的原则,在B情景的基础上增加了对全流域实施综合保护与修复策略,即为C情景。该情景下采取的主要措施如下。

1)划定保护范围。流域内严格划定核心保护范围和禁止开发红线,加强对非开发片区的保护,严禁越界开发行为。

2)清洁小流域建设。通过水源涵养林补植、坡面整治、面源污染防治等措施,构建全流域生态修复、生态治理和生态保护“三道防线”,规划治理面积21 km2。

3)沟道保护与治理。全流域分布有295条沟道,应分类治理保护。对植被覆盖好、下漏通道完整的沟道严格保护,禁止二次人为扰动破坏沟道形态及其地表植被；对地表裸露、易发生水土流失的沟道综合采取沟头防护、谷坊、堰坝、沟岸防护工程进行综合治理。

4)破损山体修复。因地制宜对破损山体进行挂网喷播绿化、植生带绿化、框格客土绿化、高次团粒喷播绿化等生态修复措施,控制水土流失,增强水源涵养能力。

5)旧村居治理。对白土岗、大岭两村旧村居拆迁旧址实施绿化治理,优选乡土适生、形态优美的植物种,发展生态旅游。

6)调水补源。充分发挥兴隆水库及下游兴济河入渗补给能力强的优势,结合济南市海绵城市建设中实施的“五库连通”工程,调引锦绣川水库水至兴隆水库,补充下游河道生态景观用水,促进地下水补给。兴隆水库库容78万m3,兴利库容40万m3,水库上年汛期蓄水一般在翌年3月份可全部渗漏。拟对水库实施清淤疏挖,扩大水面面积,增加蓄水、入渗能力。除汛期蓄水外,调水补源保持水库常年维持正常蓄水位(景观水位)并按一定流量常年补充下游河道,预测年可增加入渗补给100万 m3以上。

通过对C情景进行模拟分析(表9),在全流域生态恢复和调水补源理想状态下,预测全流域地表径流量518.05万m3,比现状减少104.74万m3、降幅16.82%,入渗量686.22万 m3,比现状增加157.76万m3、增幅29.85%,由此可抵消片区开发对流域地下水补给的不利影响,改善兴隆强渗漏带功能。

5 结论

兴隆片区规划和兴隆强渗漏带的评价研究,对于泉域补给区保护具有典型意义。济南泉域直接补给区面积约1 500 km2,是济南泉域的命脉和源泉,保泉的关键就是要切实强化对该区域的保护,严格控制任何可能对降雨径流、地下水入渗产生不利影响的活动,尤其是开发建设。本研究表明,该兴隆片区开发建设后,地表径流增加6.5万m3/(a·km2),入渗量减少8.8万m3/(a·km2)。即便采用低影响开发策略进行规划方案优化,如调整地块布置、控制建筑密度、降低硬化设施、优化竖向设计、提高绿化率、强化雨洪水综合管理等,仍无法完全消除因开发建设对强渗漏带的损坏,入渗补给功能仅恢复至现状的75%。要恢复至现状水平,必须依赖于全流域的生态保护修复或调运客水补源。根据预测,在全流域生态恢复和调水补源理想状态下,入渗补给功能可恢复并增加至现状的129.85%。

表9 3种情景下地表径流量、入渗补给量分析表Tab.9 Comparison of surface runoff and infiltration in 3 scenarios 万m3/a

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