姜媛 楊慶
關(guān)鍵詞:海綿城市;地下水;耦合數(shù)值模擬;影響評(píng)估
海綿城市建設(shè)旨在提高城市在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害兩方面的“彈性”(謝映霞,2015;俞孔堅(jiān)等,2015)。從水利角度看,主要體現(xiàn)為提升城市對(duì)雨水的綜合管理水平,讓水在遷移、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)換等過(guò)程中更加“自然”,通過(guò)自然和人工相結(jié)合的手段,實(shí)現(xiàn)雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用,從而有效控制雨水徑流,實(shí)現(xiàn)自然積存、自然滲透、自然凈化(鄧若晨等,2020)??梢?jiàn),海綿城市建設(shè)勢(shì)必改變“降水-產(chǎn)流-下滲”過(guò)程。包氣帶作為降水、地表水、土壤水同地下水相互轉(zhuǎn)化的紐帶(仇保興,2015),是雨水自地表輸入最終進(jìn)入地下水的必經(jīng)介質(zhì),不僅影響下滲通量,而且會(huì)通過(guò)物理化學(xué)作用延緩污染物到達(dá)地下水面的過(guò)程(Budge,2006)。因此,查清雨水在包氣帶中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律是研究海綿城市建設(shè)對(duì)地下水影響的必要過(guò)程(杜新強(qiáng)等,2019;方宏宇等,2020)。
本文以北京市通州城市副中心為研究區(qū),根據(jù)水文地質(zhì)條件和前人工作成果確定各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù),再基于Hydrus-1D和MODFLOW建立包氣帶-飽和帶耦合模型,實(shí)現(xiàn)地下水的水量與水質(zhì)全過(guò)程模擬。利用模型預(yù)測(cè)海綿城市建設(shè)對(duì)地下水水位及水質(zhì)的影響,對(duì)于海綿城市建設(shè)過(guò)程中的地下水污染防控工作具有一定的借鑒意義。
1研究區(qū)概況
研究區(qū)位于永定河及潮白河沖洪平原的中下部,區(qū)內(nèi)50 m以上地層巖性主要為黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉細(xì)砂等,顏色以灰色、灰黑色、黃色為主;單層厚度一般不大,為多層砂類(lèi)和黏性土類(lèi)的互層;深度0~50m,一般含有3~4層砂層,厚度一般15~20 m;自西到東砂類(lèi)土稍有增多變厚,埋深相對(duì)變淺。砂層顆粒在通州城區(qū)果園至楊莊一帶為中粗砂、中粗砂含礫,在宋莊以南至運(yùn)潮減河一帶為中粗砂,其他大部分地區(qū)為粉細(xì)砂、細(xì)砂及中砂。
2包氣帶-飽和帶耦合模型構(gòu)建
2.1 Hydrus-lD和MODFLOW的耦合
HYDRUS package for MODFLOW被開(kāi)發(fā)用于耦合Hydrus 1D和MODFLOW模型,可以計(jì)算通過(guò)包氣帶的通量,并將其作為三維模塊化有限差分地下水模型MODFLOW的輸入(郭超等,2017)。
程序包由2個(gè)在空間和時(shí)間上相互作用的子模型組成(圖1),Hydrus-1D子模型(包氣帶)和MODFLOW子模型(地下水)。HYDRUS程序包基于Hydrus-1D程序,用于求解一維Richards方程模擬滲流區(qū)水流運(yùn)動(dòng)。Hydrus-1D程序包考慮了影響包氣帶通量的主要過(guò)程和因素,如降水、滲透、蒸發(fā)、再分配、毛細(xì)管上升、植物吸水、地表積水、地表徑流和土壤含水量,為MODFLOW提供了地下水補(bǔ)給通量。MODFLOW為Hy-drus-1D提供了地下水位,并作為HYDRUS的底部邊界條件。
2.2地下水飽和帶模型
2.2.1概念模型
結(jié)構(gòu)模型:模型在空間上分為4層,包括2層含水層和2層弱透水層。根據(jù)鉆孔資料,結(jié)合開(kāi)采層位,選取相對(duì)穩(wěn)定且厚度較大的隔水層頂板作為分層界線,確定主要含水層的頂?shù)装鍢?biāo)高,繪制含水層頂、底板標(biāo)高等值線,確定水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。
邊界條件:側(cè)向邊界,北部和西南部邊界概化為流入邊界,東部及西部邊界概化為流出邊界;模型的上邊界為潛水面,通過(guò)該邊界,地下水系統(tǒng)與外界發(fā)生垂向水量交換,如接受河渠滲漏補(bǔ)給、農(nóng)田灌溉回歸補(bǔ)給、大氣降水入滲、沙石坑回灌補(bǔ)給以及蒸發(fā)排泄等;模型的底邊界視為不透水邊界。
模型概化:從空間上看,地下水流整體上以水平運(yùn)動(dòng)為主、垂向運(yùn)動(dòng)為輔,地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律;在常溫常壓下地下水運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律;考慮2個(gè)相鄰含水層之間的水量交換以及軟件的特點(diǎn),地下水運(yùn)動(dòng)可以概化為空間三維流;地下水系統(tǒng)的垂向運(yùn)動(dòng)是由層間水頭差異引起的,地下水系統(tǒng)的輸入、輸出隨時(shí)間、空間變化,故地下水為非穩(wěn)定流。總體來(lái)說(shuō),含水層從地勢(shì)較高的北部接受邊界側(cè)向流入補(bǔ)給,向南部方向匯流。排泄主要是人工開(kāi)采。
2.2.2數(shù)值模型
區(qū)內(nèi)降水入滲以垂向?yàn)橹?,飽和帶主要接受?lái)自包氣帶的垂向入滲補(bǔ)給。因此,將包氣帶入滲過(guò)程概化為一維變飽和帶水分運(yùn)移,其數(shù)學(xué)模型用Richards方程描述,即
2.2.3水文地質(zhì)參數(shù)
土壤介質(zhì)類(lèi)型依據(jù)實(shí)際鉆孔資料分層。根據(jù)鉆孔土壤的土壤顆分、干容重資料,用Hydrus-1D軟件網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)預(yù)測(cè)模塊進(jìn)行預(yù)測(cè),得到土壤水力特征參數(shù),包括殘余含水率、飽和含水率、形狀系數(shù)、曲線形狀系數(shù)等(表1)。依據(jù)滲水試驗(yàn)結(jié)果確定飽和滲透系數(shù)K。
根據(jù)模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件和前人工作成果,給出各水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)和初值。潛水含水層給水度的分區(qū)和初值主要依據(jù)包氣帶巖性的變化和水位變幅帶的巖性特征確定(表2),取值為0.08~0.21。水平滲透系數(shù)取值范圍為3~15 m.d-1,垂向滲透系數(shù)為水平滲透系數(shù)的10-3~10-5(劉玉梅,2014)。承壓含水層滲透系數(shù)主要反映地層的滲透特征,參考地層的沉積情況和壓密情況,確定水平滲透系數(shù)取值范圍在0.20~0.45 m.d-1.垂向滲透系數(shù)為水平滲透系數(shù)的10-3~10-5(殷銘,2011)。關(guān)于承壓含水層釋水系數(shù)的相關(guān)研究成果較少,本次主要根據(jù)地層沉積規(guī)律和含水層厚度,確定其初值范圍在10-3至10-5數(shù)量級(jí)之間(鄭佳,2009)。參考《通州區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬分析成果報(bào)告》(北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),2019)中對(duì)通州區(qū)第四系包氣帶巖性及降雨入滲系數(shù)的研究成果,確定了不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的降雨入滲系數(shù)。另根據(jù)多年觀測(cè)計(jì)算及試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果,農(nóng)業(yè)灌溉入滲回歸系數(shù)約為降水入滲補(bǔ)給系數(shù)的1/3~1/2。
2.2.4模型識(shí)別和驗(yàn)證
利用2015年1月—2016年12月水位監(jiān)測(cè)資料對(duì)地下水系統(tǒng)進(jìn)行模擬識(shí)別,再利用2017年1月—2017年12月實(shí)測(cè)水位對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證(圖2),以確定其在研究區(qū)的適用性。識(shí)別模型后,通過(guò)地下水流場(chǎng)擬合圖和典型地下水動(dòng)態(tài)曲線擬合圖綜合評(píng)定模型識(shí)別結(jié)果的合理性(圖3、表3)。
綜上,建立的模擬模型基本達(dá)到了模型精度要求,符合實(shí)際水文地質(zhì)條件,基本反映了地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征,故可利用此模型進(jìn)行地下水影響預(yù)測(cè)分析。
3海綿城市建設(shè)對(duì)地下水的影響
北京市將以北京市副中心行政辦公片區(qū)為國(guó)家級(jí)試點(diǎn)建設(shè)區(qū),開(kāi)展海綿城市試點(diǎn)建設(shè)。該區(qū)域西南起北運(yùn)河,北到運(yùn)潮減河,東至春宜路,總規(guī)劃面積為19.36 km2。通過(guò)構(gòu)建海綿型建筑與小區(qū)、海綿型公園綠地、海綿型城市道路、海綿型河湖水系等城市海綿體,統(tǒng)籌發(fā)揮自然生態(tài)功能,采取“地塊滲,分區(qū)滯,連區(qū)蓄,集中排”的原則,實(shí)現(xiàn)中小降雨滲入地下或收集回用、較大降雨滯蓄控排、超標(biāo)降雨有序疏導(dǎo)調(diào)蓄,預(yù)防控制城市洪澇的海綿效果。
為了分析不同下墊面條件對(duì)地下水水位及水質(zhì)的影響,根據(jù)海綿城市建設(shè)區(qū)地層巖性及海綿建設(shè)措施,設(shè)置海綿城市建設(shè)區(qū)在城市化前、城市化發(fā)展現(xiàn)狀、海綿城市建設(shè)條件下的入滲系數(shù),預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間后地下水水位和水質(zhì)的變化情況。
3.1對(duì)地下水水位的影響
城市發(fā)展條件不同,研究區(qū)的下墊面條件也不同,降雨入滲量亦隨之發(fā)生變化,很大程度上影響地下水的水質(zhì)和水位。從圖4中可以看出,在2037年,在城市化現(xiàn)狀條件下地下水位較城市化前條件整體下降1~3m,但在海綿城市條件下地下水位較城市化現(xiàn)狀條件會(huì)整體上升1~2m。
3.2對(duì)地下水水質(zhì)的影響
3.2.1城市化前
在城市化前,雨水落到地面以后,一部分沿著地層的孔隙或者裂隙滲入地下,另一部分形成地面徑流,還有一部分要在地面徑流過(guò)程中滲入地下或者蒸發(fā)。查閱文獻(xiàn)可知,城市化前,蒸發(fā)量占40%,地面徑流量占10%,降水入滲量占50%。為了分析城市化前污染物對(duì)地下水的影響,假設(shè)海綿城市建設(shè)區(qū)的入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.50,滲入地下水的污染源源強(qiáng)硝酸鹽濃度為50mg·L-1。預(yù)測(cè)研究區(qū)地下水在2022年、2027年、2032年及2037年的污染變化情況(圖5)。
如表4所示,在污染物達(dá)到潛水面后,2022年,硝酸鹽氮的運(yùn)移距離是1005m,污染暈面積是0.585 km2,超過(guò)硝酸氮三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.038 km2;至2027年,硝酸鹽氮的運(yùn)移距離是1161 m,污染暈面積是1.028km2,超過(guò)硝酸氮三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.132 km2;至2032年,硝酸鹽氮的運(yùn)移距離是1337m,污染暈面積是1.247 km2,超過(guò)硝酸氮三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.225 km2;至2027年,硝酸鹽氮的運(yùn)移距離是1456 m,污染暈面積是1.459 km2,超過(guò)硝酸氮三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.270 km2。
3.2.2城市化現(xiàn)狀
在城市化現(xiàn)狀條件下,由于不透水地表面積大幅度增加,地表徑流量相應(yīng)增加,降水入滲量減?。◤垥?shū)函等,2016)。城市化后,蒸發(fā)量占25%,地面徑流占30%,屋頂徑流占13%,降水入滲量占32%(陳晨,2013)。另北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)于2004年在通州牛坊開(kāi)展的地表水入滲試驗(yàn),該區(qū)地層巖性為粉細(xì)砂、黏砂,得出的入滲系數(shù)為0.2~0.25(北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局等,2008)。為分析城市化條件下污染物對(duì)地下水的影響,假設(shè)海綿城市建設(shè)區(qū)的入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.30,滲入地下水的污染源硝酸鹽的源強(qiáng)濃度為50 mg.L-1,預(yù)測(cè)地下水在2022年、2027年、2032年及2037年的污染變化情況。
如表5所示,在污染物達(dá)到潛水面后,2022年,硝酸鹽氮的運(yùn)移距離是1094m,污染暈面積是0.793 km2,超過(guò)硝酸氮三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.115 km2;至2027年,硝酸鹽氮的運(yùn)移距離是1348m,污染暈面積是1.306 km2.超過(guò)硝酸氮三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.213 km2;至2032年,硝酸鹽氮的運(yùn)移距離是1549m,污染暈面積是1.387km2,超過(guò)硝酸氮三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.274km2;至2037年,硝酸鹽氮的運(yùn)移距離是1633m,污染暈面積是1.787 km2,超過(guò)硝酸氮三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.401 km2。
3.2.3海綿城市條件下
海綿城市建設(shè)通過(guò)點(diǎn)要素、線要素、面要素的構(gòu)建,采用公園及分散式濕地斑塊、雨水花園、透水鋪裝、水系和重要林帶、大面積的綠地和濕地斑塊等海綿城市配套設(shè)施增加建設(shè)區(qū)地表水入滲,將70%的降雨就地消納和利用。假設(shè)海綿城市建設(shè)區(qū)的入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.40,滲入地下水的污染源源強(qiáng)硝酸鹽氮的濃度為50 mg·L-1,預(yù)測(cè)分析研究區(qū)在2022年、2027年、2032年及2037年的污染變化情況。
如表6所示,在污染物達(dá)到潛水面后,2022年,硝酸鹽氮的運(yùn)移距離是1042 m,污染暈面積是0.664 km2,超過(guò)硝酸氮三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.074 km2;至2027年,硝酸鹽氮的運(yùn)移距離是1246 m,污染暈面積是1.058 km2,超過(guò)硝酸氮三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.170 km2;至2032年,硝酸鹽氮的運(yùn)移距離是1434 m,污染暈面積是1.282 km2,超過(guò)硝酸氮三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.247 km2;至2037年,硝酸鹽氮的運(yùn)移距離是1535 m,污染暈面積是1.688 km2,超過(guò)硝酸氮三類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.333 km2。
相對(duì)于城市化現(xiàn)狀,建設(shè)海綿城市后,污染運(yùn)移距離和污染暈的變化呈現(xiàn)了基本一致的趨勢(shì)(表7)。在2027年,同年變化率達(dá)到最大值,之后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)并逐漸趨于穩(wěn)定。其中,污染運(yùn)移距離和污染源面積減少幅度最大達(dá)7.57%和18.99%。至2037年,減少幅度分別為6.00%和5.54%。經(jīng)分析,在城市化階段,污染運(yùn)移距離、污染暈和超過(guò)硝酸氮3類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的面積最大,是由于入滲補(bǔ)給減少,區(qū)域水位流場(chǎng)水頭差變大,從而導(dǎo)致地下水流速加快。而在城市化前和海綿城市條件下,入滲量的增加會(huì)減小地下水流場(chǎng)水頭差,減緩地下水流速。
4結(jié)論
海綿城市采用滲、滯、蓄、凈、用和排等措施,將70%的降雨就地消納和利用。通過(guò)“小海綿”到“大海綿”不同尺度的海綿體,具體采用綠色屋頂,下凹式綠地,雨水花園,透水鋪裝,植草溝等技術(shù)手段,讓雨水自然滲透到地下,一方面緩解城市內(nèi)澇,一方面平衡地下水。根據(jù)研究結(jié)果分析,海綿城市會(huì)對(duì)地下水的水質(zhì)和水位產(chǎn)生影響,不同地區(qū)包氣帶條件和地層特征不同,產(chǎn)生影響的程度也各不相同。由于增加了地表水體的入滲,海綿城市建設(shè)超過(guò)一定時(shí)間會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生污染,需要嚴(yán)格控制入滲水體,特別是雨水的水質(zhì),并提出有效的預(yù)防措施。