北京城市副中心海绵城市建设对地下水影响分析

姜媛　杨庆

关键词：海绵城市;地下水;耦合数值模拟;影响评估

海绵城市建设旨在提高城市在适应环境变化和应对自然灾害两方面的“弹性”（谢映霞，2015;俞孔坚等，2015）。从水利角度看，主要体现为提升城市对雨水的综合管理水平，让水在迁移、转化和转换等过程中更加“自然”，通过自然和人工相结合的手段，实现雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，从而有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化（邓若晨等，2020）。可见，海绵城市建设势必改变“降水-产流-下渗”过程。包气带作为降水、地表水、土壤水同地下水相互转化的纽带（仇保兴，2015），是雨水自地表输入最终进入地下水的必经介质，不仅影响下渗通量，而且会通过物理化学作用延缓污染物到达地下水面的过程（Budge，2006）。因此，查清雨水在包气带中迁移转化规律是研究海綿城市建设对地下水影响的必要过程（杜新强等，2019;方宏宇等，2020）。

本文以北京市通州城市副中心为研究区，根据水文地质条件和前人工作成果确定各项水文地质参数，再基于Hydrus-1D和MODFLOW建立包气带-饱和带耦合模型，实现地下水的水量与水质全过程模拟。利用模型预测海绵城市建设对地下水水位及水质的影响，对于海绵城市建设过程中的地下水污染防控工作具有一定的借鉴意义。

1研究区概况

研究区位于永定河及潮白河冲洪平原的中下部，区内50 m以上地层岩性主要为黏土、黏质粉土、砂质粉土、粉细砂等，颜色以灰色、灰黑色、黄色为主;单层厚度一般不大，为多层砂类和黏性土类的互层;深度0～50m，一般含有3～4层砂层，厚度一般15～20 m;自西到东砂类土稍有增多变厚，埋深相对变浅。砂层颗粒在通州城区果园至杨庄一带为中粗砂、中粗砂含砾，在宋庄以南至运潮减河一带为中粗砂，其他大部分地区为粉细砂、细砂及中砂。

2包气带-饱和带耦合模型构建

2.1 Hydrus-lD和MODFLOW的耦合

HYDRUS package for MODFLOW被开发用于耦合Hydrus 1D和MODFLOW模型，可以计算通过包气带的通量，并将其作为三维模块化有限差分地下水模型MODFLOW的输入（郭超等，2017）。

程序包由2个在空间和时间上相互作用的子模型组成（图1），Hydrus-1D子模型（包气带）和MODFLOW子模型（地下水）。HYDRUS程序包基于Hydrus-1D程序，用于求解一维Richards方程模拟渗流区水流运动。Hydrus-1D程序包考虑了影响包气带通量的主要过程和因素，如降水、渗透、蒸发、再分配、毛细管上升、植物吸水、地表积水、地表径流和土壤含水量，为MODFLOW提供了地下水补给通量。MODFLOW为Hy-drus-1D提供了地下水位，并作为HYDRUS的底部边界条件。

2.2地下水饱和带模型

2.2.1概念模型

结构模型：模型在空间上分为4层，包括2层含水层和2层弱透水层。根据钻孔资料，结合开采层位，选取相对稳定且厚度较大的隔水层顶板作为分层界线，确定主要含水层的顶底板标高，绘制含水层顶、底板标高等值线，确定水文地质结构。

边界条件：侧向边界，北部和西南部边界概化为流入边界，东部及西部边界概化为流出边界;模型的上边界为潜水面，通过该边界，地下水系统与外界发生垂向水量交换，如接受河渠渗漏补给、农田灌溉回归补给、大气降水入渗、沙石坑回灌补给以及蒸发排泄等;模型的底边界视为不透水边界。

模型概化：从空间上看，地下水流整体上以水平运动为主、垂向运动为辅，地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律;在常温常压下地下水运动符合达西定律;考虑2个相邻含水层之间的水量交换以及软件的特点，地下水运动可以概化为空间三维流;地下水系统的垂向运动是由层间水头差异引起的，地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，故地下水为非稳定流。总体来说，含水层从地势较高的北部接受边界侧向流入补给，向南部方向汇流。排泄主要是人工开采。

2.2.2数值模型

区内降水入渗以垂向为主，饱和带主要接受来自包气带的垂向入渗补给。因此，将包气带入渗过程概化为一维变饱和带水分运移，其数学模型用Richards方程描述，即

2.2.3水文地质参数

土壤介质类型依据实际钻孔资料分层。根据钻孔土壤的土壤颗分、干容重资料，用Hydrus-1D软件网络神经预测模块进行预测，得到土壤水力特征参数，包括残余含水率、饱和含水率、形状系数、曲线形状系数等（表1）。依据渗水试验结果确定饱和渗透系数K。

根据模拟区的水文地质条件和前人工作成果，给出各水文地质参数分区和初值。潜水含水层给水度的分区和初值主要依据包气带岩性的变化和水位变幅带的岩性特征确定（表2），取值为0.08～0.21。水平渗透系数取值范围为3～15 m.d^-1，垂向渗透系数为水平渗透系数的10^-3～10^-5（刘玉梅，2014）。承压含水层渗透系数主要反映地层的渗透特征，参考地层的沉积情况和压密情况，确定水平渗透系数取值范围在0.20～0.45 m.d^-1.垂向渗透系数为水平渗透系数的10^-3～10^-5（殷铭，2011）。关于承压含水层释水系数的相关研究成果较少，本次主要根据地层沉积规律和含水层厚度，确定其初值范围在10^-3至10^-5数量级之间（郑佳，2009）。参考《通州区地下水数值模拟分析成果报告》（北京市水文地质工程地质大队，2019）中对通州区第四系包气带岩性及降雨入渗系数的研究成果，确定了不同乡镇的降雨入渗系数。另根据多年观测计算及试验的经验结果，农业灌溉入渗回归系数约为降水入渗补给系数的1/3～1/2。

2.2.4模型识别和验证

利用2015年1月—2016年12月水位监测资料对地下水系统进行模拟识别，再利用2017年1月—2017年12月实测水位对模型进行校准和验证（图2），以确定其在研究区的适用性。识别模型后，通过地下水流场拟合图和典型地下水动态曲线拟合图综合评定模型识别结果的合理性（图3、表3）。

综上，建立的模拟模型基本达到了模型精度要求，符合实际水文地质条件，基本反映了地下水系统的动态特征，故可利用此模型进行地下水影响预测分析。

3海绵城市建设对地下水的影响

北京市将以北京市副中心行政办公片区为国家级试点建设区，开展海绵城市试点建设。该区域西南起北运河，北到运潮减河，东至春宜路，总规划面积为19.36 km²。通过构建海绵型建筑与小区、海绵型公园绿地、海绵型城市道路、海绵型河湖水系等城市海绵体，统筹发挥自然生态功能，采取“地块渗，分区滞，连区蓄，集中排”的原则，实现中小降雨渗入地下或收集回用、较大降雨滞蓄控排、超标降雨有序疏导调蓄，预防控制城市洪涝的海绵效果。

为了分析不同下垫面条件对地下水水位及水质的影响，根据海绵城市建设区地层岩性及海绵建设措施，设置海绵城市建设区在城市化前、城市化发展现状、海绵城市建设条件下的入渗系数，预测未来一段时间后地下水水位和水质的变化情况。

3.1对地下水水位的影响

城市发展条件不同，研究区的下垫面条件也不同，降雨入渗量亦随之发生变化，很大程度上影响地下水的水质和水位。从图4中可以看出，在2037年，在城市化现状条件下地下水位较城市化前条件整体下降1～3m，但在海绵城市条件下地下水位较城市化现状条件会整体上升1～2m。

3.2对地下水水质的影响

3.2.1城市化前

在城市化前，雨水落到地面以后，一部分沿着地层的孔隙或者裂隙渗入地下，另一部分形成地面径流，还有一部分要在地面径流过程中渗入地下或者蒸发。查阅文献可知，城市化前，蒸发量占40%，地面径流量占10%，降水入渗量占50%。为了分析城市化前污染物对地下水的影响，假设海绵城市建设区的入渗补给系数为0.50，渗入地下水的污染源源强硝酸盐浓度为50mg·L^-1。预测研究区地下水在2022年、2027年、2032年及2037年的污染变化情况（图5）。

如表4所示，在污染物达到潜水面后，2022年，硝酸盐氮的运移距离是1005m，污染晕面积是0.585 km²，超过硝酸氮三类标准的面积为0.038 km²;至2027年，硝酸盐氮的运移距离是1161 m，污染晕面积是1.028km²，超过硝酸氮三类标准的面积为0.132 km²;至2032年，硝酸盐氮的运移距离是1337m，污染晕面积是1.247 km²，超过硝酸氮三类标准的面积为0.225 km²;至2027年，硝酸盐氮的运移距离是1456 m，污染晕面积是1.459 km²，超过硝酸氮三类标准的面积为0.270 km²。

3.2.2城市化现状

在城市化现状条件下，由于不透水地表面积大幅度增加，地表径流量相应增加，降水入渗量减小（张书函等，2016）。城市化后，蒸发量占25%，地面径流占30%，屋顶径流占13%，降水入渗量占32%（陈晨，2013）。另北京市水文地质工程地质大队于2004年在通州牛坊开展的地表水入渗试验，该区地层岩性为粉细砂、黏砂，得出的入渗系数为0.2～0.25（北京市地质矿产勘查开发局等，2008）。为分析城市化條件下污染物对地下水的影响，假设海绵城市建设区的入渗补给系数为0.30，渗入地下水的污染源硝酸盐的源强浓度为50 mg.L^-1，预测地下水在2022年、2027年、2032年及2037年的污染变化情况。

如表5所示，在污染物达到潜水面后，2022年，硝酸盐氮的运移距离是1094m，污染晕面积是0.793 km²，超过硝酸氮三类标准的面积为0.115 km²;至2027年，硝酸盐氮的运移距离是1348m，污染晕面积是1.306 km².超过硝酸氮三类标准的面积为0.213 km²;至2032年，硝酸盐氮的运移距离是1549m，污染晕面积是1.387km²，超过硝酸氮三类标准的面积为0.274km²;至2037年，硝酸盐氮的运移距离是1633m，污染晕面积是1.787 km²，超过硝酸氮三类标准的面积为0.401 km²。

3.2.3海绵城市条件下

海绵城市建设通过点要素、线要素、面要素的构建，采用公园及分散式湿地斑块、雨水花园、透水铺装、水系和重要林带、大面积的绿地和湿地斑块等海绵城市配套设施增加建设区地表水入渗，将70%的降雨就地消纳和利用。假设海绵城市建设区的入渗补给系数为0.40，渗入地下水的污染源源强硝酸盐氮的浓度为50 mg·L^-1，预测分析研究区在2022年、2027年、2032年及2037年的污染变化情况。

如表6所示，在污染物达到潜水面后，2022年，硝酸盐氮的运移距离是1042 m，污染晕面积是0.664 km²，超过硝酸氮三类标准的面积为0.074 km²;至2027年，硝酸盐氮的运移距离是1246 m，污染晕面积是1.058 km²，超过硝酸氮三类标准的面积为0.170 km²;至2032年，硝酸盐氮的运移距离是1434 m，污染晕面积是1.282 km²，超过硝酸氮三类标准的面积为0.247 km²;至2037年，硝酸盐氮的运移距离是1535 m，污染晕面积是1.688 km²，超过硝酸氮三类标准的面积为0.333 km²。

相对于城市化现状，建设海绵城市后，污染运移距离和污染晕的变化呈现了基本一致的趋势（表7）。在2027年，同年变化率达到最大值，之后呈现缓慢下降趋势并逐渐趋于稳定。其中，污染运移距离和污染源面积减少幅度最大达7.57%和18.99%。至2037年，减少幅度分别为6.00%和5.54%。经分析，在城市化阶段，污染运移距离、污染晕和超过硝酸氮3类标准的面积最大，是由于入渗补给减少，区域水位流场水头差变大，从而导致地下水流速加快。而在城市化前和海绵城市条件下，入渗量的增加会减小地下水流场水头差，减缓地下水流速。

4结论

海绵城市采用渗、滞、蓄、净、用和排等措施，将70%的降雨就地消纳和利用。通过“小海绵”到“大海绵”不同尺度的海绵体，具体采用绿色屋顶，下凹式绿地，雨水花园，透水铺装，植草沟等技术手段，让雨水自然渗透到地下，一方面缓解城市内涝，一方面平衡地下水。根据研究结果分析，海绵城市会对地下水的水质和水位产生影响，不同地区包气带条件和地层特征不同，产生影响的程度也各不相同。由于增加了地表水体的入渗，海绵城市建设超过一定时间会对地下水产生污染，需要严格控制入渗水体，特别是雨水的水质，并提出有效的预防措施。