海绵城市建设对地下水影响研究综述

邓若晨 孟侃 姜媛 杨庆 朱振洲 刘辛初 石筱

摘 要：海绵城市低影响开发（LID）措施的提出对解决城市水资源环境问题具有良好的正面效果，现阶段国内也进入了海绵城市建设的热潮。海绵城市的核心在于雨水资源的回收利用，而雨水的收集和快速下渗过程中是否會对城市地下水造成负面影响值得探讨。现有研究中学者研究的热点大多放在海绵城市的内涵、概念以及低影响开发（LID）措施工程设计上，而对海绵城市建设对地下水的影响研究较少，这对我国海绵城市理论研究和实践的发展不利。在综述国内外低影响开发（LID）措施对地下水的水位和水质影响现状的基础上，以低影响开发（LID）措施的功能、效果及其影响机制为依据评价了单元LID设施对地下水的影响程度，提出构建海绵城市地表水和地下水的耦合模型，模拟地下水水位动态变化和溶质运移过程。

关键词：海绵城市;LID;雨水入渗;地下水;数值模拟

Abstract： The proposal of low impact development （LID） measures for sponge cities has a good positive effect on solving the problems of urban water resources and environment. At this stage， China has also entered the upsurge of sponge city construction. The core of sponge city lies in the recovery and utilization of rainwater resources. In the process of rainwater collection and rapid infiltration， the impact of pollutants carried in the water body on the water level and quality of urban groundwater with the supply of groundwater is worth exploring. Most of the current research focuses on the connotation， concept and engineering design of low impact development （LID） measures of sponge city， but less on the impact of sponge city construction on groundwater， which is not conducive to the development of theoretical research and practice of sponge city in China. Based on reviewing the current situation of the influence of low impact development （LID） measures on groundwater level and quality at home and abroad， the influence degree of unit LID facilities on groundwater is evaluated based on the function， effect and influence mechanism of LID measures. The coupling model of surface water and groundwater should be used to simulate the dynamic change of groundwater level and solute transport process.

Keywords： Sponge city; LID; Rainwater infiltration; Groundwater; Numerical simulation

0 引言

随着中国城市化的快速发展，1949—2018年，城市数量由132个发展到672个，2018年末中国城镇化率已经达到了59.6%（新中国成立70周年经济社会发展成就系列报告）。城市化建设给人们的生活带来了许多便利，同时也对城市的自然生态环境造成了许多负面影响，在面对“城市看海”“热岛效应”“水源污染”等城市发展带来的水资源问题时（杨颖芳等，2019），国外早在20世纪90年代就提出了多种保护城市水资源的办法（表1），例如美国提出的低影响开发（Low-Impact Development， LID）;欧洲所提出的可持续城市排水系统（Sustainable Urban Drainage System， SUDS）;及其澳大利亚的水敏城市设计（Water Sensitive Urban Design， WSUD）等（Dunphy et al.，2007;Dietz，2007;FLETCHER et al.，2015;Li et al.，2010;任南琪，2018;吴丹洁等，2016;米文静等，2018）都旨在通过建设城市特殊设施（下凹式绿地、雨水花园、绿色屋顶、地下蓄渗、透水路面等）从源头控制管理暴雨所产生的雨水径流和污染，使开发地区尽量接近自然的水文循环。

海绵城市（Sponge City）也被叫做“水弹性城市”，“海绵城市”概念中“海绵”表示的是城市带有的吸附功能，澳大利亚学者Budge把海绵用来形容城市人口聚集的现象（俞孔坚等，2015;Budge，2006）。海绵城市通过运用低影响设计和开发（Low-Impact Development， LID）的理念和措施对雨水进行回收利用，以改变降雨地表径流特征的方式，来达到缓解城市内涝、补给地下水资源以及保护地表水源等目的（仇保兴，2015）。习近平总书记在2013年的中央城镇工作会议讲话中强调了我们要优先考虑截留雨水，优先考虑自然状态排水，建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市（中央城镇化工作会议）。2014年住建部发布《海绵城市建设技术指南》，提出海绵城市即城市能够像海绵一样，在应对各种自然灾害和不同的生态环境下具有一定的“弹性”，能够在降雨时把雨水进行收集和净化，在需要用水时再把雨水进行“释放”。“海绵城市”的概念被官方文件明确的提出，代表城市生态雨水资源的管理利用从理论走向实践。

随着中国开始推动海绵城市的建设，到目前为止国内已有海绵试点城市30个，海绵城市建设区域超过600km2（任南琪，2018），现有海绵城市的建设属于前期发展阶段，对海绵城市的理论研究和实践方面还有许多的不足。在进行海绵城市雨水资源的再利用建设时，类似雨水截留和快速下渗等对地下水的补给措施会造成地下水水位的动态变化，低影响开发（LID）设施的建设和使用以及雨水中携带的污染物是否会对地下水水质造成负面的影响，都需要进一步的探讨。总体来说，对于海绵城市这个热点问题，国内外的学者大多从低影响开发（LID）设施本身的结构、影响机制以及对径流量的影响和模型模拟的角度出发，而对海绵城市建设中对地下水水位和水质的影响问题却少有研究（俞孔坚等，2015;唐双成等，2015），这不利于我国后续海绵城市的建设和健康发展。因此，需要加深对中国海绵城市的建设对地下水的影响研究。

1 海绵城市建设对地下水影响研究现状

传统的城市建设改变了自然条件的下垫面条件，大量的不透水路面和设施使得雨水很难入渗到地下，减少了雨水对地下水的补给，增加了地面的径流量，极易产生城市内涝，雨水通过水平方向直接补给河道，造成水体污染严重，对城市水资源造成了很大的破坏（李怀恩等，2019）。在海绵城市建设中，由于雨水收集设施的存在，能够有效控制地表径流量并且更多的利用土壤自然净化雨水减少污染，雨水资源的回收利用与地下水水位、水质动态变化之间的联系变得更加密切。

1.1 海绵城市建设对地下水水位影响的研究

海绵城市的建设使得雨水的入渗方式，地表径流峰值峰量及排泄方式发生了变化，从而引起地下水的水位、水质动态变化（李怀恩等，2019）。Appleyard等（1993）对珀斯市区的3个雨水渗透调节池的地下水位和水质动态变化进行监测，雨水渗滤几分钟后地下水位上升。BOISSON等（2014）研究得出土壤非饱和带的蓄水效果延迟了入渗补给过程，地下水的最终补给量受到非饱和带可存储水量的限制。杜新强等（2019）利用数值模拟海绵城市建设对地下水资源的补给作用与低影响开发工程设施的类型有关，也与其规模有关，仅当海绵城市建设达到一定规模之后才能对区域地下水资源产生较为明显的补给效应。贾忠华等（2018）通过统计学的方法来对黄土区雨水花园地下水影响的多年观测试验数据进行分析，雨水花园的集中入渗对抬高局部地下水位有显著影响，在降雨期间内及后续时间里土壤非饱和带会蓄存下渗水并缓慢释放来稳定补给地下水。郭超与赵苗苗等（2017;2015）以西安理工大学校内雨水花园为研究对象，实地监测获得降雨前后地下水位的变化数据，认为雨水花园对降雨径流具有良好消减效果，降雨对地下水的补给具有滞后性且对地下水的水量补给效果显著。从上述研究结果可以看出，LID设施能够对地下水资源起到良好的补给作用，土壤的非饱和带对地下水的补给具有滞后性。

1.2 海绵城市建设对地下水水质影响的研究

海绵城市的建设一方面加大了地表水的入渗，另一方面水体在入渗的同时也会携带地面的污染物进入地下。传统城市中雨水的入渗及再生水的回灌都会对地下水的水质产生影响，其有可能会对地下水的水质造成影响的主要有氮、磷、有机物、重金属等（李怀恩等，2019;孙建伟，2007;李秉辉等，2016;方宏宇等，2020）。海绵城市的雨水集中系统设施可以对雨水的净化起到重要作用，在经过绿地屋顶、植草沟、雨水花园、人工土壤渗滤等措施是能够在自然条件下对雨水起到净化作用，但是依旧有局限性可能会对地下水的水质造成影响。Nieber等（2014）分析雨水回收利用系统的集中入渗措施，认为径流的集中入渗可能会导致金属和石油烃进入地下水。Trowsdale等（2011）通过实地监测生物滞留系统得出大部分锌、铅和总悬浮沉积物从流经生物滞留系统的雨水中去除，TDS和总锌浓度降低了几个数量级。Tedoldi等（2016）对SUDS系统的土壤进行取样分析并通过建模去模拟污染物的迁移过程，认为SUDS具有良好的污染物控制潜力，但在复杂条件下具有不确定性。Dietz等（2007）对雨水资源回收利用系统进行了论述，并分析了集中入渗条件下雨水污染地下水的可能性，指出径流下渗中浓度较低的污染物易被土壤自然截留，不会对地下水形成污染，而污染物中的盐分和病原体不易被土壤截留，可能会对地下水造成负面影响。贾忠华等（2018）对多年观测的黄土区雨水花园地下水试验数据进行分析，得出雨水花园的集中入渗对部分地下水水质指标影响显著，但研究显示，相似研究区域地下水位低的情况，雨水花园的集中入渗对地下水水质的影响有限。唐双成等（2016）在对西安地区的雨水花园装置进行实地监测并通过模拟研究不同填料的雨水花园对雨水径流削减和污染物去除效果，分析了不同种类污染物在雨水花园内去除的机理。郭超和赵苗苗等（2017;2015）发现不同雨水花园的下垫面污染物浓度大小不同，路面降雨径流污染物值明显高于屋面径流，径流入渗对地下水中氮、磷浓度影响较小，地下水盐分没有显著的影响，说明雨水花园对污染物有很强的截留能力，雨水花园集中入渗并未引起当地地下水水质变化。上述研究结论可看出海绵城市的建设对地下水的负面效果不明显，但仍需考虑LID设施使用时间长时污染物的积累或系统本身携带的污染物对地下水的影响。

1.3 现有研究不足

現有面对海绵城市地下水水位和水质的研究，大都以单个或典型LID设施为研究区域，区域规模较小、研究周期较短、缺乏大尺度和长周期上对海绵城市整体地下水水位变化的讨论，此外研究的污染物种类较少，并且没有明确污染物在地下水中的迁移过程，因此对海绵城市建设中地下水水质的影响还需进行整体的研究。综合来讲，人们对于城市雨水资源回收利用后地下水的水流流向和水质变化问题关注较少，更缺乏海绵城市建设对地下水影响的实例研究成果，国内对此方面的研究进展都略显不足，面对与国外不同地理条件和社会情况下国内海绵城市的建设，开展关于海绵城市LID措施建设对地下水影响的研究就显得尤为重要，对未来海绵城市的进一步发展及城市水资源的恢复也能够起到一定的参考作用。

地表水数值模型大都应用于LID设施的方案选取上或是针对海绵城市的内部水文循环过程进行模拟，而现有研究对地下水的数值模拟多是单独模拟了地下水的水位动态变化，缺乏对水质变化进行模拟。目前已经发展了很多地表水和地下水耦合模型，如SWATMOD模型其耦合了半分布式水文学模型SWAT和MODFLOW模型、MIKE-SHE模型、GSFLOW模型等（凌敏华等，2010;王蕊等，2008）。张雪刚等（2010）利用SWAT模型与MODFLOW模型进行耦合应用于徐州市张集地区的地下水模拟计算。冯艳如等（2018）对地表水与地下水的耦合模型进行了开发， 在浅水模型的基础上增加地下水模块，选用Green-Ampt模型计算地表水的下渗量，为海绵城市建设提供依据。海绵城市的建设使得地表水的下渗水量变多，地表水与地下水的联系更加密切，因此海绵城市有必要建立地表水与地下水耦合模型。

综上所述，现阶段国内外学者对海绵城市的研究热点大都放在LID措施源头的本身，主要包括工程设计、作用机制和影响效果上，而对海绵城市建设条件下地下水的变化研究较少。

4 展望

现有研究认为，海绵城市的LID设施对城市的地下水具有补给效应但由于土壤非饱和带的存在会存在滞后现象，而由于国内海绵城市的建设并不完善，城市内部的LID设施大都是点状分布因此對地下水的补给只对局部区域的地下水具有明显效果。此外研究表明土壤能够对下渗的雨水进行净化并通过人工处理可以去除大部分污染物，雨水资源的再利用补给地下水并未发现对地下水的水质造成不利的影响，但是也没有证据能够表明仅靠土壤的生态净化能够确保地下水的水质不受雨水回收利用集中入渗的影响。

海绵城市LID措施对地表径流的影响可以使用SWMM等城市雨洪模型进行模拟分析，地下水的水位变化和水质运移可以通过Visual MODFLOW、GMS等地下水数值模拟软件来描述。在研究海绵城市水文循环过程中对地下水的整体影响时，可以结合地表水模型的模块结合地下水数值模拟软件平台去刻画，现有的水文模型大都支持LID/BMPs设施并且包含GMS等模块可以对地面径流以及地下水进行耦合。由于地下水的补给受地层和包气带的影响，因此应考虑地表水-包气带-地下水的三者耦合下全面的研究海绵城市的低影响开发（LID）措施的建设对下水的影响。

最后，通过实地监测、数据分析以及数值模型模拟等手段，在低影响开发（LID）措施建设的条件下，建议对各个单元或集成LID设施对地下水的影响效果以及作用机制进行深一步的研究，尝试建立海绵城市LID设施对地下水影响的评价体系，为后续海绵城市地下水的评价提供理论依据。

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