北京城市副中心典型海绵体地表水与地下水交互作用研究

姜 媛，李海军，任永强，杨 庆

1.北京市地质矿产勘查院，北京 100195 2.北京市地质环境监测所，北京 100195

海绵城市(Sponge City)也被叫做“水弹性城市”，其概念中的“海绵”表征的是城市带有的吸附功能[1-5]。海绵城市建设是通过运用低影响开发(Low-Impact Development，LID)的理念及措施，对雨水进行回收利用，以改变降水地表径流特征的方式，来达到缓解城市内涝、补给地下水资源及保护地表水源等的目的[6-7]。

随着我国海绵城市建设工作的推进，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600 km2。现有海绵城市建设仍处于前期发展阶段，在海绵城市的理论研究和实践方面还有许多不足。总体来说，对于海绵城市这一热点问题，国内外学者大多从LID设施本身的结构、作用机制、对径流量的影响及模型模拟的角度开展研究，而对海绵城市建设对地下水水位和水质的影响却少有研究[8-13]。在海绵城市建设过程中，城市雨水和再生水中可能包含复杂多样的污染物成分，若这些成分通过海绵体进入地下水，势必会给地下水带来潜在的污染风险，对城市水资源造成很大的破坏[14-16]。因此，需要加深海绵城市建设对地下水的影响研究。

在海绵城市的建设过程中，如果把整个城市当作一个可以吸水、蓄水、释水的“海绵”，从生态要素的角度出发构建一个生态整体，那么城市中建设的LID设施依据其本身的工程设计构造，以及与地表、土壤的接触关系，可以分成点要素、线要素及面要素3个层次。点要素是海绵城市中分散布局的海绵要素，其镶嵌在城市的建筑设施当中，如研究区域内的绿色屋顶、蓄水池、湿地斑块等可产生局部效果的LID设施；线要素是海绵城市的水资源线性联系通道，如研究区域内的水系、植被缓冲带、植草沟等海绵要素；面要素则是海绵城市中的大型面状海绵要素，如研究区域内的湿地、调节塘、下沉式绿地等[17]。

根据北京市通州区海绵城市建设相关规划，选择后北营海绵小区(点状海绵体)、萧太后河花庄段(线状海绵体)、北运河上游湿地生态区(面状海绵体)为研究对象，研究不同海绵体中地表水与地下水的交互作用。

1 采样和分析

1.1 采样点布设

1.1.1 点要素海绵体

通州区后北营安置房小区为通州区海绵型小区的建设试点，小区内建设有透水沥青路面、蓄水池、植被缓冲带等LID设施。本次研究选择该小区作为典型点状海绵体，在其内部的集水绿地中，沿地下水径流方向和垂直径流方向布置了5组监测孔(图1)。监测孔采用一孔三井的布设方法，即每组监测孔均有孔深分别为10、20、30 m的3眼监测井，共15眼监测井。

图1 后北营点状海绵体监测孔布置平面图Fig.1 The monitoring wells ofpoint sponge in Houbeiying

1.1.2 线要素海绵体

以萧太后河花庄段的自然修复带作为线状海绵体的典型代表，按照与地下水流向一致的方向布设了一排共6组分层监测孔，监测孔之间以10 m为间隔(图2)。监测孔采用一孔三井的布设方法，即每组监测孔均有孔深分别为10、20、30 m的3眼监测井，共18眼监测井。

图2 萧太后河线状海绵体监测孔布置平面图Fig.2 The monitoring wells of line spongein the Xiaotaihou River

1.1.3 面要素海绵体

选取北运河甘棠大桥附近的北运河湿地生态区作为面状海绵体的典型代表，按照与地下水流向一致的方向布设了17组监测孔(图3)。其中，A、B、C组均包含孔深10、20、30 m的3层监测井，D组为孔深50 m的单层监测井，E组为孔深50、80 m的2层监测井。

图3 甘棠面状海绵体监测孔布置平面图Fig.3 The monitoring wells of plane sponge in Gantang bridge

1.2 采样

2018年5—9月，每月分别对上述监测井及北运河河水进行一次取样测试。其中：5月降雨较少，对应枯水期水样；6—9月为雨季，对应丰水期水样。最终共计采集到330组地下水样品和15组地表水样品。

1.3 分析测试

2 结果和讨论

2.1 典型海绵体地下水水化学特征

典型海绵体区域地表水及地下水主要化学成分分析测试结果见表1。

表1 典型海绵体区域地表水及地下水主要化学成分

对表1中的数据进行统计分析，作Piper三线图。从图4可见，点状海绵体地表水的水化学类型以HCO3-Na型为主，线状海绵体地表水的水化学类型以HCO3-Na型和HCO3-Ca型为主，面状海绵体地表水的水化学类型以HCO3-Na型和HCO3-Na·Ca型为主。

图4 典型海绵体Piper三线图Fig.4 Piper maps of typical sponges

2.2 典型海绵体地下水水化学特征形成机制分析

地下水水化学特征的形成受多种因素控制，如含水层的地理位置、基岩、矿物组成和气候情况等。从图5可见，各典型海绵体区域地下水采样点主要分布于岩石风化作用机制带，表明研究区域地下水的水化学成分主要受到岩石风化作用的影响，同时也受到一定程度的蒸发作用和降水作用的影响。其中：面状海绵体埋深10 m和20 m含水层受蒸发作用影响的程度高于其他含水层，主要是由于其地下水位多年平均埋深分别仅为3.13 m和3.36 m；点状和线状海绵体地下水位多年平均埋深均大于10 m，含水层受蒸发作用影响较小。在各典型海绵体阳离子[Na+/(Na++Ca2+)]图中，部分采样点在Gibbs范围外。结合阴阳离子间的比例系数可知，其含水层发生了阳离子交替吸附，说明存在外界输入补给。

图5 典型海绵体区域地下水Gibbs图Fig.5 Gibbs maps of groundwaterin typical sponge regions

2.3 典型海绵体地表水与地下水相互关系分析

图6显示，面状海绵体样品中，埋深10 m和20 m含水层地下水折线的变化趋势与地表水折线的变化趋势基本一致。地下水的Na+浓度低于地表水，主要是由于地表水在入渗过程中发生了阳离子交替作用的逆反应，Na+被吸附，含水层介质中的Ca2+被交换出来。含水层水位差在0.2 m以内，说明这两个含水层的水力联系极为密切，并且补给来源与地表水密切相关。埋深30 m含水层折线的变化趋势与埋深10 m和20 m含水层相似，说明埋深30 m含水层受到地表水自上而下的补给。埋深50 m和80 m含水层折线的变化趋势与地表水不一致，说明这两个含水层与地表水及上部含水层的水力联系微弱。

图6 面状海绵体Schoeller图Fig.6 Schoeller maps of groundwaterin typical sponges

2.4 典型海绵体地表水对地下水影响距离分析

从各期监测数据的Piper图可得出，取样点距离河岸越远，其水化学成分与地表水就相差越大，其中，Cl-浓度差异最大。在自然界中，Cl-不易与其他组分结合，是一种稳定的水化学离子。因此，选择Cl-为指示因子，根据其浓度在水平方向上的变化，判定地表水对地下水的影响范围。

以Cl-浓度曲线图中变化趋势最大的点为分界线，拟合两侧各点的趋势线，将两条趋势线的交叉点定为地表水对地下水的大致影响距离。趋势线的可靠性可通过R2来确定。R2位于0到1之间，越接近1说明趋势线越可靠。

由图7可见，线状海绵体埋深10、20、30 m含水层的Cl-浓度均表现为由近河端向远河端逐渐降低，且最大拐点都出现在TZM-60号井。以埋深10 m含水层为例，拟合其近河端一侧及远河端一侧的Cl-浓度回归趋势线，根据交叉点的位置，判定萧太后河对线状海绵体地下水的影响距离在90 m左右。同理可知，北运河对面状海绵体埋深10 m和20 m含水层地下水的影响距离为100 m左右，对埋深30 m含水层地下水的影响距离为80 m左右。

图7 研究区监测井分组氯离子浓度曲线图Fig.7 Chloride concentration curve of monitoring wells in study area

3 结论

海绵城市建设作为系统解决城市水安全、水资源、水环境问题的有效措施之一，已成为实现生态低碳城市建设的重要途径。但伴随着地表水及雨水的下渗，城市径流中的污染物会通过海绵体进入地下水，给地下水带来污染风险。

从影响深度上看，典型海绵体地下水受大气降水影响明显。其中，埋深10 m和20 m含水层地下水与地表水联系密切，埋深30 m含水层地下水与地表水联系较弱，埋深50 m和80 m含水层与上部含水层无明显水力联系。从影响范围上看，线状及面状海绵体地表水对地下水的影响距离为80～100 m。随着含水层埋深的增加，地表水对地下水的影响程度减弱。

综上，北京城市副中心线状及面状海绵体埋深10 m和20 m含水层地下水受外界影响显著，因此，当存在地表污染源或地表水水质较差时，应予以重点关注。埋深50 m和80 m含水层地下水虽然受外界影响较小，但依然存在被污染的可能性。建议在城市副中心海绵城市后续建设过程中，对该区域地下水进行长期监控，同时加强对海绵体周边污染源的治理，并尽可能多地建设雨水自然净化设施，以减少海绵城市建设对地下水可能造成的影响。