姜 媛，李海軍，任永強，楊 慶

1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，北京 100195 2.北京市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測所，北京 100195

海綿城市(Sponge City)也被叫做“水彈性城市”，其概念中的“海綿”表征的是城市帶有的吸附功能[1-5]。海綿城市建設(shè)是通過運用低影響開發(fā)(Low-Impact Development，LID)的理念及措施，對雨水進行回收利用，以改變降水地表徑流特征的方式，來達(dá)到緩解城市內(nèi)澇、補給地下水資源及保護地表水源等的目的[6-7]。

隨著我國海綿城市建設(shè)工作的推進，到目前為止，國內(nèi)已有海綿試點城市30個，海綿城市建設(shè)區(qū)域超過600 km2?，F(xiàn)有海綿城市建設(shè)仍處于前期發(fā)展階段，在海綿城市的理論研究和實踐方面還有許多不足?？傮w來說，對于海綿城市這一熱點問題，國內(nèi)外學(xué)者大多從LID設(shè)施本身的結(jié)構(gòu)、作用機制、對徑流量的影響及模型模擬的角度開展研究，而對海綿城市建設(shè)對地下水水位和水質(zhì)的影響卻少有研究[8-13]。在海綿城市建設(shè)過程中，城市雨水和再生水中可能包含復(fù)雜多樣的污染物成分，若這些成分通過海綿體進入地下水，勢必會給地下水帶來潛在的污染風(fēng)險，對城市水資源造成很大的破壞[14-16]。因此，需要加深海綿城市建設(shè)對地下水的影響研究。

在海綿城市的建設(shè)過程中，如果把整個城市當(dāng)作一個可以吸水、蓄水、釋水的“海綿”，從生態(tài)要素的角度出發(fā)構(gòu)建一個生態(tài)整體，那么城市中建設(shè)的LID設(shè)施依據(jù)其本身的工程設(shè)計構(gòu)造，以及與地表、土壤的接觸關(guān)系，可以分成點要素、線要素及面要素3個層次。點要素是海綿城市中分散布局的海綿要素，其鑲嵌在城市的建筑設(shè)施當(dāng)中，如研究區(qū)域內(nèi)的綠色屋頂、蓄水池、濕地斑塊等可產(chǎn)生局部效果的LID設(shè)施；線要素是海綿城市的水資源線性聯(lián)系通道，如研究區(qū)域內(nèi)的水系、植被緩沖帶、植草溝等海綿要素；面要素則是海綿城市中的大型面狀海綿要素，如研究區(qū)域內(nèi)的濕地、調(diào)節(jié)塘、下沉式綠地等[17]。

根據(jù)北京市通州區(qū)海綿城市建設(shè)相關(guān)規(guī)劃，選擇后北營海綿小區(qū)(點狀海綿體)、蕭太后河花莊段(線狀海綿體)、北運河上游濕地生態(tài)區(qū)(面狀海綿體)為研究對象，研究不同海綿體中地表水與地下水的交互作用。

1 采樣和分析

1.1 采樣點布設(shè)

1.1.1 點要素海綿體

通州區(qū)后北營安置房小區(qū)為通州區(qū)海綿型小區(qū)的建設(shè)試點，小區(qū)內(nèi)建設(shè)有透水瀝青路面、蓄水池、植被緩沖帶等LID設(shè)施。本次研究選擇該小區(qū)作為典型點狀海綿體，在其內(nèi)部的集水綠地中，沿地下水徑流方向和垂直徑流方向布置了5組監(jiān)測孔(圖1)。監(jiān)測孔采用一孔三井的布設(shè)方法，即每組監(jiān)測孔均有孔深分別為10、20、30 m的3眼監(jiān)測井，共15眼監(jiān)測井。

圖1 后北營點狀海綿體監(jiān)測孔布置平面圖Fig.1 The monitoring wells ofpoint sponge in Houbeiying

1.1.2 線要素海綿體

以蕭太后河花莊段的自然修復(fù)帶作為線狀海綿體的典型代表，按照與地下水流向一致的方向布設(shè)了一排共6組分層監(jiān)測孔，監(jiān)測孔之間以10 m為間隔(圖2)。監(jiān)測孔采用一孔三井的布設(shè)方法，即每組監(jiān)測孔均有孔深分別為10、20、30 m的3眼監(jiān)測井，共18眼監(jiān)測井。

圖2 蕭太后河線狀海綿體監(jiān)測孔布置平面圖Fig.2 The monitoring wells of line spongein the Xiaotaihou River

1.1.3 面要素海綿體

選取北運河甘棠大橋附近的北運河濕地生態(tài)區(qū)作為面狀海綿體的典型代表，按照與地下水流向一致的方向布設(shè)了17組監(jiān)測孔(圖3)。其中，A、B、C組均包含孔深10、20、30 m的3層監(jiān)測井，D組為孔深50 m的單層監(jiān)測井，E組為孔深50、80 m的2層監(jiān)測井。

圖3 甘棠面狀海綿體監(jiān)測孔布置平面圖Fig.3 The monitoring wells of plane sponge in Gantang bridge

1.2 采樣

2018年5—9月，每月分別對上述監(jiān)測井及北運河河水進行一次取樣測試。其中：5月降雨較少，對應(yīng)枯水期水樣；6—9月為雨季，對應(yīng)豐水期水樣。最終共計采集到330組地下水樣品和15組地表水樣品。

1.3 分析測試

2 結(jié)果和討論

2.1 典型海綿體地下水水化學(xué)特征

典型海綿體區(qū)域地表水及地下水主要化學(xué)成分分析測試結(jié)果見表1。

表1 典型海綿體區(qū)域地表水及地下水主要化學(xué)成分

對表1中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，作Piper三線圖。從圖4可見，點狀海綿體地表水的水化學(xué)類型以HCO3-Na型為主，線狀海綿體地表水的水化學(xué)類型以HCO3-Na型和HCO3-Ca型為主，面狀海綿體地表水的水化學(xué)類型以HCO3-Na型和HCO3-Na·Ca型為主。

圖4 典型海綿體Piper三線圖Fig.4 Piper maps of typical sponges

2.2 典型海綿體地下水水化學(xué)特征形成機制分析

地下水水化學(xué)特征的形成受多種因素控制，如含水層的地理位置、基巖、礦物組成和氣候情況等。從圖5可見，各典型海綿體區(qū)域地下水采樣點主要分布于巖石風(fēng)化作用機制帶，表明研究區(qū)域地下水的水化學(xué)成分主要受到巖石風(fēng)化作用的影響，同時也受到一定程度的蒸發(fā)作用和降水作用的影響。其中：面狀海綿體埋深10 m和20 m含水層受蒸發(fā)作用影響的程度高于其他含水層，主要是由于其地下水位多年平均埋深分別僅為3.13 m和3.36 m；點狀和線狀海綿體地下水位多年平均埋深均大于10 m，含水層受蒸發(fā)作用影響較小。在各典型海綿體陽離子[Na+/(Na++Ca2+)]圖中，部分采樣點在Gibbs范圍外。結(jié)合陰陽離子間的比例系數(shù)可知，其含水層發(fā)生了陽離子交替吸附，說明存在外界輸入補給。

圖5 典型海綿體區(qū)域地下水Gibbs圖Fig.5 Gibbs maps of groundwaterin typical sponge regions

2.3 典型海綿體地表水與地下水相互關(guān)系分析

圖6顯示，面狀海綿體樣品中，埋深10 m和20 m含水層地下水折線的變化趨勢與地表水折線的變化趨勢基本一致。地下水的Na+濃度低于地表水，主要是由于地表水在入滲過程中發(fā)生了陽離子交替作用的逆反應(yīng)，Na+被吸附，含水層介質(zhì)中的Ca2+被交換出來。含水層水位差在0.2 m以內(nèi)，說明這兩個含水層的水力聯(lián)系極為密切，并且補給來源與地表水密切相關(guān)。埋深30 m含水層折線的變化趨勢與埋深10 m和20 m含水層相似，說明埋深30 m含水層受到地表水自上而下的補給。埋深50 m和80 m含水層折線的變化趨勢與地表水不一致，說明這兩個含水層與地表水及上部含水層的水力聯(lián)系微弱。

圖6 面狀海綿體Schoeller圖Fig.6 Schoeller maps of groundwaterin typical sponges

2.4 典型海綿體地表水對地下水影響距離分析

從各期監(jiān)測數(shù)據(jù)的Piper圖可得出，取樣點距離河岸越遠(yuǎn)，其水化學(xué)成分與地表水就相差越大，其中，Cl-濃度差異最大。在自然界中，Cl-不易與其他組分結(jié)合，是一種穩(wěn)定的水化學(xué)離子。因此，選擇Cl-為指示因子，根據(jù)其濃度在水平方向上的變化，判定地表水對地下水的影響范圍。

以Cl-濃度曲線圖中變化趨勢最大的點為分界線，擬合兩側(cè)各點的趨勢線，將兩條趨勢線的交叉點定為地表水對地下水的大致影響距離。趨勢線的可靠性可通過R2來確定。R2位于0到1之間，越接近1說明趨勢線越可靠。

由圖7可見，線狀海綿體埋深10、20、30 m含水層的Cl-濃度均表現(xiàn)為由近河端向遠(yuǎn)河端逐漸降低，且最大拐點都出現(xiàn)在TZM-60號井。以埋深10 m含水層為例，擬合其近河端一側(cè)及遠(yuǎn)河端一側(cè)的Cl-濃度回歸趨勢線，根據(jù)交叉點的位置，判定蕭太后河對線狀海綿體地下水的影響距離在90 m左右。同理可知，北運河對面狀海綿體埋深10 m和20 m含水層地下水的影響距離為100 m左右，對埋深30 m含水層地下水的影響距離為80 m左右。

圖7 研究區(qū)監(jiān)測井分組氯離子濃度曲線圖Fig.7 Chloride concentration curve of monitoring wells in study area

3 結(jié)論

海綿城市建設(shè)作為系統(tǒng)解決城市水安全、水資源、水環(huán)境問題的有效措施之一，已成為實現(xiàn)生態(tài)低碳城市建設(shè)的重要途徑。但伴隨著地表水及雨水的下滲，城市徑流中的污染物會通過海綿體進入地下水，給地下水帶來污染風(fēng)險。

從影響深度上看，典型海綿體地下水受大氣降水影響明顯。其中，埋深10 m和20 m含水層地下水與地表水聯(lián)系密切，埋深30 m含水層地下水與地表水聯(lián)系較弱，埋深50 m和80 m含水層與上部含水層無明顯水力聯(lián)系。從影響范圍上看，線狀及面狀海綿體地表水對地下水的影響距離為80～100 m。隨著含水層埋深的增加，地表水對地下水的影響程度減弱。

綜上，北京城市副中心線狀及面狀海綿體埋深10 m和20 m含水層地下水受外界影響顯著，因此，當(dāng)存在地表污染源或地表水水質(zhì)較差時，應(yīng)予以重點關(guān)注。埋深50 m和80 m含水層地下水雖然受外界影響較小，但依然存在被污染的可能性。建議在城市副中心海綿城市后續(xù)建設(shè)過程中，對該區(qū)域地下水進行長期監(jiān)控，同時加強對海綿體周邊污染源的治理，并盡可能多地建設(shè)雨水自然凈化設(shè)施，以減少海綿城市建設(shè)對地下水可能造成的影響。