海绵城市建设对地下水的补给量化研究进展★

李赢杰，黄仕元，2

（1.南华大学松霖建筑与设计艺术学院，湖南 衡阳 421001； 2.南华大学土木工程学院，湖南 衡阳 421001）

海绵城市建设通过改变城市下垫面条件，有效的控制了地表径流、削减了洪锋，增加了地下水回补量，有效的缓解了地面沉降与地下水水位下降的危害。随着海绵城市的大力推广，雨水回补地下水的作用机理与地下水的补给量成为了衡量海绵城市建设效益与海绵城市规划设计的重要依据［1］。我国也进入了海绵城市的建设热潮，但许多研究学者的热点主要放在海绵城市的理论含义、目标以及工程设计方面，对雨水入渗回补地下水的研究较少，这不利于我国海绵城市的健康发展。目前，利用雨水回补地下水的具体机制尚不明确，国内外的地下水数值模拟技术不够成熟，这些都是海绵城市建设急需解决的问题。海绵设施的存在促进了地表水-地下水的交互联系，水分的运移过程变得复杂。现阶段几乎没有地下水模拟与城市地表径流模拟的完全耦合来对海绵城市地表水-地下水进行系统的模拟，都面临着空间尺度、时间上的差异等困难［2］。基于此，国外有了一系列针对性研究，取得了一定的研究成果。本文综合国内外适用于海绵城市建设地下水的补给量化方法，通过分析其原理与适用条件，为我国海绵城市建设的效益评估提供参考。

1 雨水设施补给地下水的研究综述

一系列研究表明海绵设施可以有效的回补地下水，增加地下水的补给量，对改善地面沉降等问题有一定的效果。BARRON等［3］的研究证明了在地下水埋深较浅的高渗透地带，雨水径流的入渗可以引起地下水水位的急剧抬升。在降雨前后，对西安的两个雨水花园的地下水位的时空变化规律进行监测，发现监测点的地下水水位有显著抬升且均上升了0.3 m，证明入渗点可以有效回补地下水以及雨水入渗过程具有稳定性；入渗过程中土壤的非饱和带对雨水会进行存储，并在降雨后的几天内，将储存的雨水缓慢的回补给地下水，即入渗过程中土壤的非饱和带对地下水的补给具有滞后性［4-6］。

城市本身的蒸散发、雨水径流的产流过程，和地下水的运移过程在不同的气候条件、地质地貌下的交互联系也不同。模拟地表水-地下水运移过程变得复杂，也成为了研究界的难题。通过对城市雨洪管理的研究，目前已成熟的地表水模型软件有SWMM，MUSIC，SUSTAIN等，在计量地表径流量、消减洪峰值、地表水质污染物的控制方面具有明显效果，但应用于海绵城市建设下的雨水设施入渗，对地下水的补给量化研究较少［7-8］。当前，雨水入渗回补地下水的补给量常常通过场次降雨量、入渗过程中的入渗率和孔隙度、入渗区域面积的乘积来计算估值。监测数据的来源通过采样法与下渗系数法这种纯经验的计算方法，误差极大，且无法表征地表水-地下水的相互联系过程。由于我国海绵城市建设起步晚，监测仪器的不足和数据的缺失，监测又常以单个雨水设施为主、规模较小，缺乏系统研究，对雨水设施入渗回补地下水的定量评估存在一定的偏差。国外学者基于水循环角度，从降雨径流-大气水-土壤水-地下水等方面进行系统的模拟，精确模拟了雨水设施入渗对地下水的补给量。

2 海绵城市建设雨水设施回补地下水的量化方法综述

入渗量［9］作为海绵城市建设的重要参数，在海绵城市规划设计中常常基于径流量、入渗量、存贮量三者之间的水平衡，运用美国URBONAS［10］提出的图解法和德国GEIGER等［11］提出的经验公式法来量化指标，局限性太强。雨水设施对地下水的补给量化评估是海绵城市建设效益的主要因素与关键所在。当前对地下水的补给量化方法主要有直接测量法、调查分析法、物理法、数值模拟法。

2.1 直接测量方法

渗透仪测量法是最直观的监测方法，通过将仪器插入土壤的非饱和带区域中，隔离周围的土壤水，运用高精度天秤测量土壤质量的轻微改变，来反映土壤存储水的变化规律。同时渗透仪器法还可以用渗流计来测定补给速率。渗透率的计算公式如下：

其中，R为补给率，m/h；V为失水量，m3；t为时间段，h；A为仪器所覆盖的面积，m2。

渗透仪测量法可以直观的反映渗透量，仪器也便于运输，但价格昂贵，且只能反映仪器面积中的入渗区域，研究的规模较少，同时没有考虑土壤的蒸散发量以及外在水流的存在，测量的数据值存在一定的误差。如XU和chen［12］利用记录研究区域内的水分蒸散发量，与记录的地下水补给量数值进行对比分析，通过设置范围参数与校正后的蒸散模型来评估补给水量。

2.2 调查分析法

调查分析法是指通过调查长期的流量数据和某一时间段内河流水的均衡值进行计算。

2.2.1 流量过程线法

运用河流流量随时间变化的曲线来分析河流的降雨径流和基流量（一般指地下水补给量）的关系，采用图解法、滑动最小值法将流量过程中的基流量分割出来。伍立群等［13］将基流划分法运用于对云南地区的地下水资源量的评估中，为山丘地区的地下水资源补给提出了定量引导指标。因为需要更长期有序列的河流数据，在计算地表水对地下水的补给量中使用较小。

2.2.2 水均衡计算法

水均衡计算法是研究地表水-地下水交互联系较为简单的方法。根据水量守恒定律，找出具有隔水边界的完整水文单元中的流入与流出的均衡值，就可以计算出地表水入渗地下水的补给量［14］。如肖长来等［15］用水均衡法探讨了洮儿河扇状地地表水和地下水的转换规律。水均衡法已经能够确认地表水-地下水的补排关系，计算较为方便。但是所需的各均衡项都是粗略计算出来的，研究结果的可信度不高。

2.3 物理法

2.3.1 水文土壤组法

水文土壤组法（Hydrologic Soil Group，HSG）是美国农业部自然资源保护局（Natural Resources Conservation Service，NRCS）将具有相似物理结构特性与地表径流入渗率的土壤分成四组［16-17］，以长期湿润后土壤的最小渗透速率（饱和导水率）和地表径流潜力为主要变量，并由A至D进行编号，即A组土壤中存在着最低的地表径流潜力和最高的饱和导水率，D组土壤反之。其基本原理是通过NRCS的水文土壤组分布图，和各州对每个水文土壤组的平均年入渗率的估算，得到各个场地开发前的年平均地下水补给量，进而按照场地开发后的硬化面积，确定该区域所需要的地下水的回补量。各州的水文土壤组计算公式形式各异，常见的公式形式如下：

其中，Rev为地下水回补量，m3；F为补给系数；A为硬化场地面积，m2；I为场地的不透水率，mm/s。

其中，补给系数F是根据HSG确定的。由于各地的年均降雨量、气候条件、地理地质条件等差异，以及各类土壤在区域内的年平均补给量不同，补给系数F不能直接套用其他地区的。李俊奇［18］通过探索美国的雨洪管理标准体系中的地下水回补体积控制指标，对水文土壤组法进行定义的分析，为我国海绵城市建设下的雨水设施入渗对地下水的回补量化提供了指标参考。需要注意的是地下水的回补量与补给量是不同的，一般地下水的补给量大于地下水的回补量。

2.3.2 地表径流法

地表径流法以地表径流量为依据，运用地表径流量与地下水补给量的水量守恒定律计算，其公式形式如下：

其中，P为降雨量，m3；R为地表径流量，m3；I为渗透量，m3；E为蒸散发量，m3。

区域范围较小的地方，可以安装测量装置用于进行地表径流量的监测，而区域范围较大的时候需要采用经验模型-径流曲线系数法（SCS-CN）。此方法被广泛应用于海绵城市地表径流量的测算，尤其适用于范围广泛、监测数据欠缺的地域［19］。但是渗透量并不等同于补给量，不是任何渗透的水都会进入土壤饱和区（补充地下水），当水分在渗入的时候经过土壤也会有一部分水被植物根系吸收，被蒸散发，土壤的非饱和带对水分有一定的吸收，且该方法无法反映地表水-地下水的水分交互联系。故在有关海绵城市建设雨水入渗回补地下水的运移过程研究和定量化研究方面应用较少。

2.3.3 地下水位波动法

地下水位波动法是最常见的地下水补给率的计算方法，方法的计算是在假设含水层水位的上升都是地下水的补给的条件下进行的，对数值模型的验证有一定参考价值。其公式形式如下：

其中，R为补给率，m/h；Sy为给水度；h为地下水位，m；t为时间，h。

含水层构造的种类、流入或流出量、含水层结构的深度与边界、测量的时间等均会对地下水位波动有影响。由于假设条件的存在，忽略了流入流出量，以及植物根系的吸水，会导致对地下水补给的误导估算［20-21］。因此，该方法适用于降雨前后短时间内地下水位急剧上升的区域。

2.4 数值模拟法

数值模拟法可以模拟地表水-地下水的交互联系，其原理是根据地质特性、气候条件、降雨量、边界条件等数据资料基于Richard方程的数值解模拟地下水补给量。在模拟海绵城市利用降雨回补地下水的过程中，还必须考察雨水设施的回补性能。目前国际上常用的数值模拟法有GSFLOW，Hydrus-2D，Visual MODFLOW+SWIMM，GMS，众多研究者运用数值模拟法取得了相应的成果。

2.4.1 GMS模型

GMS模型是由美国Brigham Yung University环境实验室开发，采用有限差分法原理和有限单元法原理进行环境建模，综合了MODFLOW，MODPATH，MT3D，RT3D和WinPEST等地下水的功能模型［22］。可以实现水流动力学的运移模拟和水质运移模拟；通过创建地层实体，对钻井数据的管理和二维（三维）地质地貌进行统计；并将建模成果实现了界面可视化和打印，直观性极强，目前已成为了国际上最流行的地下水建模软件，对大范围、条件复杂和实际工程量大的区域的地下水评价具有一定优势。但GSM模型中的GIS辅助模块的数据由外部输入，目前GIS模块只能用于稳态的数据，不适用于小地形、地质复杂的区域。在进行海绵城市雨水设施对地下水的补给模拟时需要外部方法的辅助。周美英［23］利用Monte-Carlo方法-拉丁超立方取样（LHS）方法获得研究区的渗透系数和降雨强度的随机组合，借用GSM中的MODFLOW模块建立地下水水流运移模拟，用模拟的地下水水位均值场代替确定性模型中的计算值水位场，来评价地下水资源，由此来预测未来一段时间内地下水位的动态变化。陈言菲等［24］在对江南某海绵城市的各类低影响开发（LID）措施进行GMS模型分析时，测算了具体量化数值指标，以及消减污染物的效果和持续转化趋势。结果表明各类LID措施可以降低雨水对地表的污染程度，但是同时也导致了地下水污染物的累积，扩大了污染风险。

2.4.2 GSFLOW模型

GSFLOW模型是由降水径流模拟系统（PRMS）和MODFLOW模型耦合而成的，是一种连续分布的模拟方式，其改变了单一的模型模块，可以在特定时间段内估算入渗量与补给量的数值模拟。同时可以解决数值模拟耦合过程中的时间、空间尺度的不一致问题。但是GSFLOW模型并不可以直接用来模拟海绵设施的地表水-地下水的交互联系，因此通常需要更改代码来描述不同的海绵设施之间对地下水的相互补充效果［25］。其原理是GSFLOW模型具有灵活的空间性和可用的源代码，通过模型中子单元的透水-不透水模型结构来表示海绵设施。如SURFLEET等［26］运用GSFLOW模型的地表水-地下水连续分布式耦合来模拟分析海绵设施，评估了不同海绵城市建设理论对生态环境的影响效果，展示了在强渗透的海绵设施下如何考虑地表地质条件和地下水埋深。

2.4.3 Hydrus-2D模型

Hydrus-2D模型主要用来模拟变饱和（饱和-非饱和）土壤水的迁移过程。通过现场观测和Hydrus-2D模型，可用于测算海绵城市雨水入渗设施对地下水的补给量，但该方法无法直接表征雨水设施和用来模拟地表径流量［27-29］。由于Hydrus-2D模型所需要的数值都需用仪器现场监测，对模拟的范围存在一定局限，同时所需的仪器种类较多。其基本模拟步骤如图1所示。

图1 Hydrus-2D模型模拟海绵城市雨水设施对地下水的补给量化过程

2.4.4 Visual MODFLOW模型+SWIMM模型的耦合

Visual MODFLOW模型是目前国际上使用最为普遍的地下水数值模拟软件，由加拿大Waterloo水文地质公司开发研制，通过利用工具型辅助模块的数据输入，能够实现水流运移模拟、溶质迁移过程模拟。在模拟海绵城市雨水设施入渗地表水-地下水的交互联系和对地下水的补给量时常与SWIMM模型（地表水模拟软件）结合。SWIMM模型可以直接用于模拟海绵城市地表水运移过程，土壤的饱和区与非饱和区以及含水层的水流运动可以通过Visual MODFLOW模型进行模拟。将SWIMM模型（地表水模拟）与Visual MODFLOW（地下水模拟）模型进行耦合，能够表征海绵城市雨水设施对地下水的补给量。但是无法解决混合并流问题，不适合某些具有复杂地质条件的区域。其模拟过程如图2所示。

图2 SWIMM模型与Visual MODFLOW模型模拟过程图

海绵城市建设雨水入渗对地下水的补给量化方法如表1所示。

表1 海绵城市建设雨水入渗对地下水的补给量化方法

3 结论与展望

雨水设施的入渗量是海绵城市规划设计的重要依据之一。由于地表水-地下水的交互联系过程的复杂性，使得地下水的补给量化计算成为难点。国内外众多专家采用多种方法对地下水的补给计算进行了研究，但都存在一定的问题。如：基础数据全靠现场监测；忽略植物根系的吸水与水分运动过程中的蒸散发；数值模拟存在时间、空间尺度上的差异；应用于海绵城市的建设研究较少。目前我国也进入了海绵城市建设的热潮中，对地下水的补给量化也成为了重点。因此，在接下来的研究中应注意以下方面：

1）注重对数据的积累，选用更科技的仪器对数据进行精密测量，使计算结果更精确。

2）数值模拟过程中气候变化模型相结合，多方面考虑计算水分的流动量。

3）开发与验证可用于海绵城市建设雨水设施是对地下水的补给计算模型，对地表水模型与地下水模型的耦合进行结构优化，实现不同时间、空间尺度的模拟。

4）改变单一设施的研究，对如何优化设施的组合布局来实现地下水的补给量的最优值进行研究。