0 引 言
随着城市人口增加、经济社会发展，以及人们生活水平的提高，城市用水量也不断增加，地下水作为一些城市的主要供水来源，对人民生活、工农业生产、城市建设、社会经济发展起到重要作用[1]。此外，城市快速发展，建设区域不透水面积逐渐增加，雨水下渗量减少，导致地下水补给量减少[2]。地下水过量开采的同时，地下水补给能力逐年降低，导致地下水水位下降，形成地下水漏斗、地质沉降、海水入侵等一系列问题[3]。我国有150多个城市供水水源的地下水位发生了大面积、大幅度的持续下降[4]，已形成地下水域性降落漏斗149个，漏斗面积为15.8×104 km2，其中严重超采面积为6.7×104 km2，占超采面积的 42.3%[5]。其中，华北平原地面沉降严重，沿海城市海水入侵导致地下水水质盐碱化，上述问题影响了居民正常的生活，也带来了巨大的经济损失[6]。
为了保护地下水资源，缓解地下水短缺带来的危害，许多国家采取人工回灌的方式补给地下水[7]。人工补给地下水的方法大致可分为2类：一是直接补给法，即把补给水源直接输送到地下水含水层中；二是诱导补给法，即对地下水起到诱发补给效果的方法[8]。回灌的主要方式有井灌、地表回灌、河道入渗，回灌的水源一般为地表水或污水厂的再生水[9]。通过人工回灌补给地下水可恢复地下水水位，防止海水入侵等[10]。此外，可利用巨大的地下储存空间采用人工干预的方式来储存水资源，多个国家已开展了大量的研究工作和实践。国际上成功的案例包括：美国加利福尼亚州南部沿海城市洛杉矶Orange县，为了解决海水入侵污染地下水的问题，利用当地有利的地形和地质条件将地表水的弃流、污水处理后的达标水和从其他水务局购买的廉价水，通过河道、人工湖和竖井等地下水补给技术补给储存到近地表的含水层中，使当地产水量达到总用水量的75%，阻止了因过量开采地下水引起的海水入侵[11]。德国也是较早开展再生水回灌工程的国家，其回灌工程主要有2种：一种是采用天然河岸渗漏；另一种是修建渗池、渗渠、渗井等工程措施实施回补。20世纪60年代，德国利用被污染的河水通过砂、砾石构成的河床实施地下水补给；在20世纪70年代，德国柏林将经过生物净化的污水处理后进行地下水回灌，经岩层地质净化后作为饮用水重新抽取出来用于城市供水。又如，Langen市为解决地下水位下降问题，将污水处理厂的二级出水重新处理后，利用土壤渗滤回补地下水[12]。以色列作为世界上水资源十分短缺的国家，为了防止地中海沿海地区海水倒灌，将一部分污水处理厂的再生水用于地下水人工回灌(工艺流程见图1)，使处理后的再生水进入包气带与含水层，可以进一步净化水质和实现季节性储水，人工回灌形成的水力屏障还可有效控制海水入侵，实现对内联地区含水层的保护与恢复。其境内的特拉维夫地区每年有约6000万m3的污水经过处理后人工回灌进入地下含水层，并用于以色列南方地区的灌溉。
图1 回灌工艺流程
Figure 1 A recharging process in israel
近年来我国借鉴国外人工调水的成功经验，在一些地区也开展了大量地下水回灌实践[13-15](表1)，并实施了地表水转地下水工程，成功缓解了地下水资源短缺的问题。北京市水资源人均占有量不足300 m3，属于重度缺水区[16]，为此北京市实施“引温济潮”工程将处理后的再生水调至潮白河，通过河床入渗补给地下水。北京潮白河顺义段再生水利用工程是我国典型的用再生水回灌地下水的工程案例。北京西郊砂石坑蓄洪工程同时满足防洪与补给地下水的目的，经过现场试验，阜石路砂石坑回灌能力为3～5 m3/s。此外，北京市还将南水北调水、永定河三家店水库上游雨洪水、流域范围内雨洪水作为补给水源，回灌地下水，采用修建渗池进行控制回灌，回灌能力为1 m3/s[17]。沿海地区为了防止海水入侵也进行了大量地下水回补实践，例如，天津北塘水库地下水补源工程是典型的利用地表回灌的方式对地下水进行补源。1983年引滦入津唐后，用滦河水作为补给水源，并控制地下水开采量。控制地下水开采之后，各区的地下水开采量相应减少了15%，北塘水库作为渗漏水库，平均下渗量为50.56×104 m3/a，有效缓解了海水入侵和地下水资源短缺的问题[18]。
表1 国内地下水补给工程案例
Table 1 Domestic groundwater recharge projects
补给水源补给方式工程案例[13-15]再生水井灌高碑店污水厂内建设的城市污水再生水;地下水回灌示范工程地表回灌北京市南郊大兴地表回灌场地;河南郑州地表回灌示范工程河道入渗潮白河顺义段再生水利用工程地表水井灌首都钢铁公司大口径井地下水回灌地表回灌焉耆盆地地下水回灌工程;北京市西郊西黄村废砂石坑地下水人工补给;鄱阳湖地表水转地下水;河北省南宫市地下水回灌河道入渗黄河下游渗漏补给地下水
人工补给地下水工程有效提升了地下水的水位，减少了地下漏斗面积，缓解了地面沉降、地下水污染、海水入侵等问题。除了上述人工补给地下水的方法外，近年来海绵城市理念提出的“渗、滞、蓄、净、用、排”也为地下水补给提供了新的思路[19]。雨水下渗是海绵城市建设的主要目标之一[20]。常见的措施有透水铺装、雨水花园、渗管(渠)、渗井等。宋子龙[21] 论证了潜水含水层是典型的地下“海绵体”，其“海绵效应”受潜水与深部地下水的连通状况的制约;王兴超[22]基于海绵城市的建设理念，分析了地下水库应用于海绵城市建设中的优势，论证了地下水库系统应用于海绵城市建设的可行性。海绵城市的建设效果与地下水库的补给量息息相关，海绵城市建设能促进地下水的补给效果，有效缓解地下水资源的短缺。因此本文以某市为例，系统比较了海绵城市促渗和人工调水回灌补给地下水方案的综合效益，以期为今后有效补给地下水和提高城市水资源综合管理水平提供参考。
1 地下水补给案例分析
1.1 某市地下水问题分析
1.1.1 水文地质条件
某市泉水众多，泉水源于南部山区，南高北低的地形地势为地下水由南向北的流动提供了有利条件。南部山区为强渗漏区，大气降水渗漏地下顺岩层倾斜方向北流，至城区遇到侵入岩体的阻隔，承压水出露地表，形成泉水(图2)。根据该市水利局资料[23]，该市24个强渗漏带是补给地下水的重要区域，总面积为49.31 km2，渗透系数为0.3～0.4。随着城市化的快速发展，多处渗漏带被不透水下垫面取代，结果直接导致了雨水下渗量的减少，地下水补给能力降低。
第四系； 
石灰岩和页岩； 
花岗片麻岩； 
石灰岩； 
鲕状石灰岩； 
白云质石灰岩； 
页岩夹石灰岩。
图2 某市泉水成因示意
Figure 2 Schematic diagram of spring formation in the studied city
该市降雨有明显的季节性，时间空间分布不均，多年降雨量变化见图3，多年月平均降雨量见图4，7，8月主汛期降雨量占年降雨量的50%，汛期为6—9月。
— 年降雨量; 
年均降雨量。
图3 降雨量年际变化
Figure 3 Profile of annual rainfall depth variation
图4 降雨量月均变化
Figure 4 Profile of monthly rainfall depth variation
1.1.2 城市化对地下水的影响
城市化对地下水的影响主要包括以下2方面(图5)：一方面随着城市化的发展，不透水区域面积急剧增加，导致雨水下渗量减少，地下水补给涵养能力降低，与此同时，外排径流总量和峰值流量增加，洪涝风险加剧；另一方面城市用水量急剧增长，引起地下水过量开采，地下水水位逐年降低，城市化发展的同时也伴随着污染物聚集迁移，雨水径流的污染负荷逐年增加，地下水水质也面临被污染的风险。
图5 城市化对地下水的影响
Figure 5 The impact of urbanization on groundwater
1.2 地下水补给方案比较
基于该市天然的地形地势，地下多孔隙的熔岩质结构有良好的蓄水能力，是一个天然的地下水库。该市于2001年8月实施了人工调水回灌补给地下水工程;2015年该市又开展了海绵城市建设试点工作，促渗保泉是其主要目标之一。下文以LY河流域为例，系统分析人工调水回灌和海绵城市建设促渗方案的综合效益。
1.2.1 LY河流域概述
LY河流域总面积为976 hm2，其中屋面面积为116 hm2，道路面积为196 hm2，绿地面积为15 hm2，水面面积为8 hm2，山体面积为641 hm2，综合径流系数为0.56。流域内有老旧小区与新建小区，老旧小区不透水区域比例较高，绿地率仅为5%～10%，新建小区整体绿地条件较好，绿地率为20%～30%。同时，由于城市过度硬化、污染物增多、初期雨水污染等问题，目前流域范围尚未设置雨水收集设施，初期雨水面源污染未能得到有效控制，造成严重的水环境问题。
1.2.2 人工调水方案
LY河流域地表水转地下水工程的核心思想是将下游DM湖的水再调回LY湖，下渗补给地下水，以保证泉水的持续喷涌。通过调水线路、泵站位置、补源位置等不同方案论证分析，最终确定的人工调水方案见图6。工程建设了3座提升泵站，一路沿YX河敷设DN600管道至BLW路节点给YX河补源，另一路沿SY路、LY河敷设DN800调水管道至LY湖补源。工程敷设管线总计约为13.5 km，最大调水能力为10万m3/d。其中YX河调水4万m3/d，LY湖调水6万m3/d，调至河道上游的水，一部分渗漏补充地下水，其余水再顺河而下，补充河道水生态景观用水。
取水点； 
泵站； 
引水管线； 
补水点； 
LY湖流域边界。
图6 LY河流人工调水路线
Figure 6 Water transfer route of LY river wastershed
该工程设置了5座大型拦水坝，形成湖面约4万m3，实现蓄水9万m3，下渗量约1.5万m3/d。LY河沿河还修建32座小型拦蓄水坝，发挥调蓄滞洪功能，汛期减缓洪峰下泄，有效缓解了城市防洪压力。
1.2.3 海绵城市建设促渗保泉方案
通过对LY河流域下垫面组成和水环境问题系统分析，将LY河流域分为3个项目分区。LY河流域北部和中部分区问题相似，采用“源头-中途-末端”全流程综合规划治理的理念，对其分区内山体、建筑小区、绿地、道路、河道进行海绵城市改造，具体技术路线见图7。
建筑小区海绵城市建设主要根据下垫面条件和地下空间开发情况，并结合景观提升、管线改造等需求统筹推进，采用的技术措施包括雨水花园、植草沟、透水铺装、收集桶、渗蓄池等，以滞留减排和净化回用为主，其中雨水花园、植草沟、透水铺装等具有很好的渗透性，能提高雨水下渗能力。山体公园海绵城市建设主要通过建设鱼鳞坑、水平阶、拦水坝、截洪沟等工程措施，增强山体的调蓄、水源涵养能力，实现雨水径流的有序排放。此外，还可拦截雨水径流，减缓径流流速，提高山体的促渗效果。城市道路海绵城市改造主要根据道路红线内外空间布局，以雨水径流污染控制为主要目标，采用技术措施包括透水铺装、植草沟、下沉式绿地、截污雨水口、雨水花园等控制道路雨水，而上述措施都具有良好的渗透性，部分雨水通过设施净化下渗，超过设施消纳能力的雨水排至市政管网。试点区河道大多是行洪河道，在满足行洪断面要求的前提下，在河床底部间隔设置拦水坝，充分利用河道空间调蓄雨水，缓解下游区域的行洪压力，促进雨水径流下渗、涵养水源。海绵城市建设项目分布情况见图8。
图7 海绵城市建设方案技术路线
Figure 7 Tecnical routine of sponge city construction planning
老旧雨水管线； 
排口； 
历阳河水系； 
海绵改造小区； 
绿地公园； 
改造山林； 
规划雨水管线； 
新建雨水管线；
截洪沟； 
改造河道。
图8 LY河项目工程布局
Figure 8 Project layout in LY River watershed
LY河南部分区内有面积为3 hm2的LY湖，蓄水容量约为6万m3，北护城河汇集的泉水有60%南调至LY湖，调入LY湖的泉水一部分转化为地下水，一部分与YX河汇流作为河道景观补水，为保障河道水质，需对该区域内河道进行生态治理。针对该项目区域内的雨水径流污染问题、河道水质保障问题进行项目建设，通过雨水利用措施保障河水水质，控制雨水径流，提高土壤渗水能力。
2 地下水不同补水方案效果比较
根据地下水补给的特点、影响因素与工程要素，分别从补水水量、水质风险、工艺稳定性等方面系统分析了人工调水和海绵城市建设方案的综合效益，具体分析方法如下。
2.1 水 量
人工调水的地下水补给量采用水库的渗漏补给系数法计算，计算公式如下：
Q补=ar∑Q
(1)
式中:Q补为工程的地下水补给量,万m3；αr为渗漏补给系数；Q为水库的进水量,万m3。
海绵城市建设地下水补给效果采用Infoworks ICM模型进行评估。收集试点区资料[24]，对试点区的管网与地形进行概化，输入降雨、下垫面、管段、节点、排口等参数(见表2)，用率定验证好的模型进行区域下渗量的模拟计算。模拟得到的雨水入渗量与降雨入渗补给系数相乘得到地下水补给量。
表2 InfoWorks ICM模型参数
Table 2 Parameters adopted in InfoWorks ICM
序号参数参数值1屋面径流系数0.92道路径流系数0.73初始下渗速率/(mm/h)504屋面初期损失/mm25道路初期损失/mm16绿地初期损失/mm5
2.2 水 质
补给水源的水质情况对地下水的水质具有重要影响。人工回灌的渗漏补给源是泉水喷涌流入DM湖的水，海绵城市主要通过增加流域内降雨的入渗量，以提高地下水的补给量，所以补给源为汇水区内经过植草沟、雨水花园等处理过的径流雨水。通过分别监测湖水水质和典型雨水控制利用设施出水水质，分析不同补给方案水质的影响。
2.3 可靠性分析
工程的可靠性主要是分析各因素对工程实施效果的影响。本文重点从补给水量是否稳定、补给水质的变化、维护周期和养护对工程效果的影响等方面综合分析了工程的可靠性。
3 结果分析
3.1 补给水量比较
3.1.1 人工调水回灌
2014—2018年LY湖人工调水水量变化见图9、图10。可知:人工调水总量在逐年上升，每月调水水量变化明显。2014年5月调水量仅有72.74万m3，同年9月调水量达到146.16万m3，调水水量增加了1倍，且不同时期的调水量相差很大;2016年5月的调水量达到152.07万m3。导致上述差异的主要原因是,LY湖人工调水是把DM湖的水再回调到LY湖，渗漏补给地下水，而DM湖可用于人工回灌的水量是由上游泉水的喷涌量决定的，泉水的喷涌量又随季节性降雨量的变化而变化，所以人工调水的水量也逐月变化，且受DM湖可利用水量的制约。
图9 人工调水年水量变化
Figure 9 Annual water quantity variation by artificial water diversion method
2014年； 
2015年； 
2016年； 
2017年； 
2018年。
图10 人工调水量逐月变化
Figure 10 Monthly water quantity variation by artificial water diversion method
根据计算可知，2014—2018年累计利用DM湖弃水7348万m3，其中LY湖补水量为5225万m3，通过式(1)计算得出调水工程可实现有效下渗量3897万m3。经排管中心与市水文局初步测算，年均有效下渗量补给量为779万m3，LY湖区域下渗量≥1.5万m3/d，回灌成效显著，能有效补给地下水。
3.1.2 海绵城市建设
以排水分区为基本单元，采用该市2004—2017年5 min降雨数据为分析对象，借助于Infoworks ICM模型，模拟了海绵城市建设方案实施后LY湖流域各排水分区每年的外排径流体积，计算出各分区多年平均入渗量，各分区模拟计算结果见表3。可知：各分区入渗量受区域面积、下垫面条件等影响较大，试点区域多年平均入渗量为339万m3。而海绵城市建设前流域的综合径流系数为0.6，根据水量衡算，年均降雨量为512万m3，雨水入渗量为204.8 m3，方案实施后可增加入渗量134.2万m3。
表3 各排水分区模拟结果
Table 3 Simulation results of each drainage catchment
分区名称面积/hm2综合径流系数年入渗量/万m3LYH-13310.44135 LYH-22100.4681 LYH-31740.5569 LYH-4590.6724 LYH-5730.5130 总计847 —339
由水量分析可知，人工调水年均有效增渗补给量为779万m3，海绵城市的年均增渗量为134.2万m3，而考虑到压力等因素的影响，调水工程的渗漏补给系数一般要大于源头增渗海绵设施的降雨入渗补给系数。因此，人工调水对地下水的补给量大于海绵城市建设后地下水的补给量。
3.2 水质分析
本研究监测了DM湖湖水的水质，并分析其作为调水水源渗漏补给用水对地下水水质的影响。海绵城市建设增加了流域内透水面积的比例、雨水的下渗体积，用于补给地下水。雨水径流的水质直接影响地下水的水质，故对LY湖流域内的道路及绿化带的径流水质进行监测，分析其水质对地下水的污染情况，监测指标情况及平均浓度见表4。
表4 补给水源水质监测数据
Table 4 LY lake supplement water quality monitoring data mg/L
补给水源ρ(COD)ρ(TN)ρ(TP)ρ(Pb)ρ(Fe)ρ(Cr(Ⅵ))ρ(SS)DM湖湖水<165.820.08<0.005<0.10<0.00418雨水径流10.683.770.26<0.005<0.10<0.004286
由表4可知：雨水径流与DM湖湖水的水质污染物种类相似，重金属、COD和TN的浓度基本相同，而TP与悬浮物的浓度有明显差异。雨水径流的TP与悬浮物浓度更高，污染地下水的风险较大。且雨水径流中污染物浓度与种类受环境影响大，水质稳定性差，而湖水水质较稳定，污染地下水的风险较小。
3.3 可靠性
从水量上看，人工调水回灌的水量取决于泉水喷涌的水量，因为泉水的喷涌量受降雨和季节性影响，所以补给水量年际变化大，且受降雨量和渗透量的制约。海绵城市建设促渗补给量一般只取决于降雨量，从全生命周期分析，水量相对较稳定。从水质的角度出发，人工回灌的补给水源是DM湖的湖水，水质较好，污染物浓度变化较小，回灌水水质可以得到保证，而雨水作为下渗补给水源，污染物种类与浓度波动范围较大，污染地下水的风险相对较高。但人工调水工程的输水管线、调水设备运营维护费用较高，使用寿命周期较短。因此，从水量、水质和运行维护管理成本等方面综合考虑，两种方法均存在不确定因素，而海绵城市建设在达到补给地下水目的的同时，更符合可持续发展的城市建设理念。
4 总 结
海绵城市建设和人工调水回灌补给地下水均能有效补给地下水源。从水量方面来看，人工调水每年的地下水补给量远大于海绵城市建设后雨水的促渗量，但是人工调水每月的补给量变化大，补给量不稳定，且调水水量受降雨量和渗透补给量的制约。从水质方面来看，雨水径流中的悬浮物与TP的浓度要远高于湖水中的浓度，人工回灌补给地下水的方法污染地下水的风险较小。从工程可靠性方面来看，海绵城市建设更可持续，可靠性更高。因此，因地制宜地开展海绵城市建设，对于实现雨水径流促渗减排、补给涵养地下水具有显著的综合效益。
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