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海绵城市建设技术对地下水污染的影响研究

2020-11-13 230 上传者：管理员

摘要：为避免海绵城市建设技术的实施造成地下水污染，采用层次分析法和聚类分析法评价海绵城市建设技术对地下水污染的影响。结果表明，22项海绵城市建设技术对地下水的影响分为3个等级，一级技术共11项，增加了地表径流进入地下水的概率，但对雨水径流的净化效果有限；二级技术共7项，有一定的概率使得地表径流进入到地下水中，同时具有一定的净化雨水径流的能力；三级技术共4项技术，能降解或净化雨水径流中的大部分污染物。结合海绵城市建设技术对地下水潜在影响的评价结果，可为不同风险区域的海绵城市选取适宜的海绵城市建设技术提供科学依据。

关键词：
地下水
层次分析法
影响评价
污染
海绵城市
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1、引言

近年来，海绵城市建设技术通过改变下垫面条件、增加雨水下渗量和地下水补给量、减小地表径流量，有效缓解了城市水资源短缺和内涝问题，但也增强了地表水和地下水的交互作用，显著增加了地下水被污染的风险。雨水径流从地表入渗到地下水的过程中，雨水径流中的污染物的水平迁移和垂直迁移均会融入到地下水中，对地下水造成二次污染[1]。目前就海绵城市建设技术的实施对其他系统的影响开展了部分研究工作。如QINHP等[2]以深圳市光明新区为例，通过构建SWMN模型，评价了不同的海绵城市建设技术对其城市排水系统的影响；杜新强等[3]通过建立潜水—承压水三维非稳定地下水流数值模型，研究了海绵城市建设对区域地下水资源的补给效应；李怀恩等[4]从海绵城市雨水径流方面切入，对雨水径流集中入渗对土壤和地下水的影响研究进行综述。针对海绵城市建设技术的实施和运行对地下水的影响，至今尚未开展相关风险评价研究工作。虽然地下水检测技术已广泛运用，可通过检测数据分析地下水水质。但目前地下水检测技术存在着无法进行现场测试、多以定性为主，难以实现定量分析及不易判断变化规律等不足[5]。基于此，本文采用层次分析法对22项海绵城市建设技术[6]的实施对地下水的影响进行综合指数评分，并利用SPSS16.0对综合指数进行聚类分析，得到海绵城市建设技术对地下水的影响级别及界限，为我国不同风险区域海绵城市建设过程中选取适宜的海绵城市建设技术提供科学依据。

2、评价方法

海绵城市建设技术对地下水的影响强度受技术功能、技术目标和经济效益3个方面的限制，且限制程度不同。因此，本文利用层次分析法计算各指标权重，最后通过计算出综合指数来反映海绵城市建设技术对地下水的影响。

2.1 评价指标选取

基于海绵城市建设技术内涵，将海绵城市建设技术对地下水影响的评价体系设计为递阶层次性结构。考虑不同调控雨水技术、雨水径流、处理成本和景观效果对地下水的影响。建立相应的评价指标体系见图1。

2.2 评价指标权重赋值

图1海绵城市建设技术对地下水影响的评价指标体系

2.2.1 建立层次结构模型

对影响因素进行分层处理，该指标体系可分为四个层次，分别为目标层、准则层、指标层和技术层。

2.2.2 构造成对比较矩阵

判断矩阵是表示本层所有因素对上一层某一个因素的相对重要性比较。判断矩阵的元素aij用Santy的九标度方法给出，见表1。

表1判断矩阵元素aij的九标度法

本文评价方法体系中，按照两两比较法分别确定目标层A与准则层B之间的判断矩阵，见表2。

表2A-B判断矩阵

2.2.3 指标权向量的确定及一致性检验

计算A-B判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量：

式中，λ为特征值；E为单位矩阵；B为A-B判断矩阵。

A-B判断矩阵的最大特征值λmax=3.0385；对应的特征向量b=(0.637,0.258,0.105)T。

一致性检验：

查找一致性指标RI（表3），当n=3时，一致性指标RI=0.58。

表3九标度法矩阵的RI值

则其一致性比率CR为：

显然，CR接近于0,A-B矩阵具有满意一致性，故B中的权值可应用。同理，对其他各层次元素依其重要性构造各个判断矩阵，并检验其一致性，最终确定其权值。

2.2.4 层次性总排序

为了清晰而直观的表达评价结果，将模糊等级向量清晰化，将其转化为简单分数作为模糊综合评价值C，海绵城市建设技术对地下水的影响评价单项指标权重的计算过程及结果为：

式中，Cij为指标层第i(i=1,2，…，n）个评价指标在Bj(j=1,2，…，m）上模糊评价上的占比，，单位为1;Bj为准则层第j(j=1,2，…，m）个指标的占比，，单位为1。

表4海绵城市建设技术对地下水影响的评价指标权重

2.3 评价指标分值确定

根据《海绵城市建设技术指南》中低影响开发设施比选表中各项指标的强度（表5），参考各项指标的强度（表6），根据各项指标对地下水的影响，确定22项海绵城市建设技术中各单项指标的分值。各指标打分的方法为：一级影响指标分值为50分，二级影响指标分值为30分，三级影响指标分值10分。打分结果见表7。

表5低影响开发设施比选表

2.4 海绵城市建设技术对地下水影响的综合评价及风险分级

通过加权的方式计算海绵城市建设技术对地下水影响的综合指数：

表6各项指标对地下水的影响

表722项海绵城市建设技术中各指标分值

式中，S为海绵城市建设技术对地下水影响的综合指数，单位为1;n为单项指标个数；ωi为分级指标权重，单位为1;ri为分级指标分值，单位为1。

利用式（5）计算海绵城市建设技术对地下水影响的综合指数，结果见表8。

表822项海绵城市建设技术对地下水影响的综合指数评分

利用SPSS16.0对海绵城市建设技术对地下水影响的综合指数进行聚类分析，从而得到海绵城市建设技术对地下水影响的分级界限和分级结果。海绵城市建设技术对地下水影响的综合指数划分级别界限为：S>29为一级技术，20<S≤29为二级技术，0<S≤20为三级技术，即海绵城市建设技术对地下水的影响综合指数得分越高，对地下水污染的风险越大。海绵城市建设技术对地下水影响分级结果见图2，技术编号与表8中单项技术（下标序号）相对应。

图2海绵城市建设技术对地下水的影响分级

3、结果与分析

根据层次分析法和聚类分析法评价海绵城市建设技术对地下水的影响，得出的影响分级结果为：(1)海绵城市一级技术主要包括透水砖铺装、下沉式绿地、简易型生物滞留设施、复杂型生物滞留设施、渗透塘、渗井、调节塘、调节池、干式植草沟、湿式植草沟、渗管/渠，共计11项技术。技术的主要特点是对雨水径流的渗透性较好，增加了地表径流渗入到地下水的概率，同时该技术对雨水径流的净化效果有限，适用对象为海绵城市建设对地下水污染风险较小的区域，地下水污染较重的区域应避免采用此类技术。(2)海绵城市二级技术主要包括透水水泥混凝土、透水沥青混凝土、绿色屋顶、转输型植草沟、植被缓冲带、初期雨水弃流设施、人工土壤渗滤等共计7项技术。二级技术的主要特点是对雨水径流具有一定的渗透性，有一定的概率使得地表径流进入到地下水中，同时具有一定的雨水径流净化能力，尤其适用于海绵城市建设对地下水污染风险中等的区域。(3)海绵城市三级技术主要包括湿塘、雨水湿地、蓄水池、雨水罐等共计4项技术。三级技术的主要特点是对雨水径流的净化效果较好，能降解或净化雨水径流中的大部分污染物，主要用于雨水回用，尤其适用于水资源短缺的海绵城市建设区域。

4、结论

a．本文运用层次分析法对22项海绵城市建设技术的实施对地下水的影响进行综合指数评分，并对综合指数进行聚类分析，将海绵城市建设技术对地下水的影响分为3个等级。评价海绵城市建设技术对地下水的影响，对维护地下水安全具有重要意义，为我国不同风险区域海绵城市建设过程中选取适宜的海绵城市建设技术提供科学依据。

b．为完善海绵城市建设过程中对地下水污染的影响评价体系，本文提出需综合考虑建设区域特征（区域汇水面积、污染物负荷等）、水文地质条件（地下水埋深、地下水补给强度等）、包气带介质特性（包气带厚度、渗透系数）、含水层介质特性（含水层厚度）等因素，系统评价我国不同海绵城市建设区域对地下水污染风险的影响。

参考文献：

[3]杜新强,贾思达,方敏,等.海绵城市建设对区域地下水资源的补给效应[J].水资源保护,2019,35(2):13-17.

[4]李怀恩,贾斌凯,成波,等.海绵城市雨水径流集中入渗对土壤和地下水影响研究进展[J].水科学进展,2019,30(4):589-600.

[5]位振亚,罗仙平,梁健,等.地下水污染检测技术研究进展[J].有色金属科学与工程,2018,9(2):103-108.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.海绵城市建设技术指南(试行)(下)——低影响开发雨水系统构建[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

何婷婷,李晓光,李国文,李曹乐,李伟,黎佳茜,李柏林,李晔.海绵城市建设技术对地下水污染的影响评价[J].水电能源科学,2020,38(11):58-61+21.

基金:固废资源化专项(2018YFC1901401).