1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
地下水是全球水文循环的重要组分，其淡水储量占全球可利用淡水总量(不包括冰川)的 98%[1,2]。自然界中，地下水在维系生态系统功能、保障物种生存条件、防止海水入侵等方面意义重大[3]，是多种生态系统的稳定水源，更是全球粮食安全维护[4,5]、饮用水安全和经济发展保障的核心资源[6]。我国西北地区地处大陆深处，地形较高，湿润气流易被阻隔，因此降雨较少，区域年降水量基本在 500mm 以下，再加上气候干旱等多重因素影响，地表水资源极其匮乏，这也是限制西北地区发展的重要原因。为缓解地表水匮乏这一困境，开发地下水资源维持生产生活成为一种解决方法。到目前为止，地下水资源已成为西北地区农业、工业、生活及生态用水的重要来源，在支撑社会经济及农业发展、保障居民生活、维持生态平衡等方面发挥着重要作用。
城市化是指人类生活方式及生产活动随着社会生产力的持续发展由农村向城市转移，城市空间区域不断扩大的过程，城市化是人类社会发展的必然趋势。随着我国社会经济迅速发展，城市数量和规模急剧增加，城市化趋势日益显著。图 1.1 统计了 2005 年至 2019年中国城镇人口变化，可以看到城镇人口表现出逐年递增的趋势，城镇人口所占总人口比重也在不断增加，这也在一定程度上反映了城市化趋势越来越明显。城市化意味着热岛效应加剧，硬化路面增加，雨水下渗量减少，地下水位下降，水质恶化等一系列环境问题。近几年最明显的例子就是城市内涝现象。由于早期城市排水管网建设缺少统一规划，加之管网排水能力有限以及管道破损等因素影响，雨水不能及时排出，从而引发城市内涝，这其中甚至包括了西安、沈阳等北部干旱少雨城市。
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1.2 国内外研究现状 国内外低影响开发研究现状
1.2.1上世纪
90 年代末，美国马里兰州乔治王子县、西雅图、波特兰市提出了“低影响开发”，其核心原理是通过分散的、小规模的源头控制机制和设计技术，来达到对暴雨所产径流和污染的控制，减少开发行为活动对场地水文状况的破坏性冲击，是一种发展中的、以生态系统为基础的、从径流源头开始的暴雨管理方法[7]。从技术手段来看，低影响开发主要借助雨水花园、绿色屋顶、透水铺装、植草沟、人工湿地等设施最大限度模拟自然水文循环过程，在缓解城市环境压力的同时提高雨水资源的高效利用[10]。图 1.2 为典型的几种低影响开发设施。
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2.2 自然地理概况
2.2.1 地形地貌
沣西新城地处关中平原，主要地貌类型为渭河阶地。阶地分为三级阶地、二级阶地、一级阶地以及河漫滩，依次从咸阳北部至渭河处呈阶梯状降低。本文中研究区范围地貌类型主要为河漫滩和一级阶地，其主要特征如下：
(1)河漫滩
研究区河漫滩分为高漫滩和低漫滩。低漫滩主要分布在渭河内湾处，宽度在0.05-0.5km，长度在 1km 上下。低漫滩滩面相对平坦，地势整体西高东低，局部略有起伏，地表高程介于 370-390m。河流平水期水位低于低漫滩 0.5-1m，洪水期低漫滩常被河流淹没。高漫滩断断续续分布在渔王村北、王道村附近，宽 0.5-1km，长 1-3km。高漫滩地势整体平坦，局部存在 1-2m 深的侵蚀洼地，滩面由西向东逐渐变宽。高漫滩前沿大部分与河床相接，高出水位 1.5-3m，部分地带在洪水期被河流淹没。
(2)一级阶地
研究区一级阶地地势平坦，整体向渭河方向倾斜，地表高程介于 382-388m，阶地前沿基本与河流、漫滩相接，与河水接触带通常存在 3-6m 陡坎，与漫滩接触带较为平缓，部分存在 0.5-1m 陡坎。一级阶地多为全新世早期冲积层，厚度介于 50-65m。
2.22.水文特征
1.2 国内外研究现状 国内外低影响开发研究现状
1.2.1上世纪
90 年代末，美国马里兰州乔治王子县、西雅图、波特兰市提出了“低影响开发”，其核心原理是通过分散的、小规模的源头控制机制和设计技术，来达到对暴雨所产径流和污染的控制，减少开发行为活动对场地水文状况的破坏性冲击，是一种发展中的、以生态系统为基础的、从径流源头开始的暴雨管理方法[7]。从技术手段来看，低影响开发主要借助雨水花园、绿色屋顶、透水铺装、植草沟、人工湿地等设施最大限度模拟自然水文循环过程，在缓解城市环境压力的同时提高雨水资源的高效利用[10]。图 1.2 为典型的几种低影响开发设施。
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2 研究区概况
2.1 研究区位置
沣西新城(东经 107°43′-109°45′，北纬 33°41′-34°43′)是陕西省西咸新区五大组团之一，介于西安与咸阳之间，地理位置见图 2.1。其范围东至沣河与沣东新城相邻，北至渭河与咸阳市区隔河相望，南至大王镇一带，向西至西咸环线。本研究具体范围包括建成区和核心区，区域总面积为 68 平方千米，其中核心区为低影响开发建设区域，面积为 47 平方千米。
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2.1 研究区位置
沣西新城(东经 107°43′-109°45′，北纬 33°41′-34°43′)是陕西省西咸新区五大组团之一，介于西安与咸阳之间，地理位置见图 2.1。其范围东至沣河与沣东新城相邻，北至渭河与咸阳市区隔河相望，南至大王镇一带，向西至西咸环线。本研究具体范围包括建成区和核心区，区域总面积为 68 平方千米，其中核心区为低影响开发建设区域，面积为 47 平方千米。
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2.2 自然地理概况
2.2.1 地形地貌
沣西新城地处关中平原，主要地貌类型为渭河阶地。阶地分为三级阶地、二级阶地、一级阶地以及河漫滩，依次从咸阳北部至渭河处呈阶梯状降低。本文中研究区范围地貌类型主要为河漫滩和一级阶地，其主要特征如下：
(1)河漫滩
研究区河漫滩分为高漫滩和低漫滩。低漫滩主要分布在渭河内湾处，宽度在0.05-0.5km，长度在 1km 上下。低漫滩滩面相对平坦，地势整体西高东低，局部略有起伏，地表高程介于 370-390m。河流平水期水位低于低漫滩 0.5-1m，洪水期低漫滩常被河流淹没。高漫滩断断续续分布在渔王村北、王道村附近，宽 0.5-1km，长 1-3km。高漫滩地势整体平坦，局部存在 1-2m 深的侵蚀洼地，滩面由西向东逐渐变宽。高漫滩前沿大部分与河床相接，高出水位 1.5-3m，部分地带在洪水期被河流淹没。
(2)一级阶地
研究区一级阶地地势平坦，整体向渭河方向倾斜，地表高程介于 382-388m，阶地前沿基本与河流、漫滩相接，与河水接触带通常存在 3-6m 陡坎，与漫滩接触带较为平缓，部分存在 0.5-1m 陡坎。一级阶地多为全新世早期冲积层，厚度介于 50-65m。
2.22.水文特征
沣西新城属于黄河流域渭河水系，区内地下水河流补给来源主要为渭河和沣河。渭河发源于甘肃渭源，经陇西、天水、宝鸡、咸阳、渭南，于潼关县汇入黄河。渭河沣西新城段西起户县涝河，东至福银高速渭河大桥，全长约 15km，河床宽 400-1000m，比降1‰左右，河流蜿蜒曲折，北岸侵蚀严重。渭河为降雨补给型河流，洪水期流量与枯水期流量相差较大，涨落明显。近些年由于水利工程影响，渭河流量有所减少，两岸工业废水以及生活污水的排入也使得水体污染较为严重。
沣河发源于秦岭北麓西安市长安区喂子坪乡，由南向北流经户县秦渡镇，于咸阳秦都区沣东镇渔王村北汇入渭河。沣河西咸新区段长约 8.7km，比降 8.2‰，多年平均流量470m3/s，河床水位埋深大多在 5m，河床高程 371.2-384.3m。河流平水期水位与枯水期水位相差 0.2-0.7m。根据相关河道治理规划资料可知，该区段沣河防洪标准为 100 年一遇洪水设防，设计洪峰流量 1820m3/s。
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沣河发源于秦岭北麓西安市长安区喂子坪乡，由南向北流经户县秦渡镇，于咸阳秦都区沣东镇渔王村北汇入渭河。沣河西咸新区段长约 8.7km，比降 8.2‰，多年平均流量470m3/s，河床水位埋深大多在 5m，河床高程 371.2-384.3m。河流平水期水位与枯水期水位相差 0.2-0.7m。根据相关河道治理规划资料可知，该区段沣河防洪标准为 100 年一遇洪水设防，设计洪峰流量 1820m3/s。
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3 渗井及沣西新城地下水位水质的监测分析 .................................. 17
3.1 低影响开发对地下水位水质影响机理 ....................... 17
3.2 渗井雨水入渗对地下水位水质的监测分析 .......................... 18
4 地下水模型构建 ............................................. 51
4.1 水文地质概念模型及数学描述 ................................. 51
4.1.1 概念模型 ............................. 51
4.1.2 数学模型 ............................ 52
5 低影响开发对地下水位的影响预测 ...................................... 63
5.1 典型低影响开发设施及研究区建设范围 ................................ 63
5.2 低影响开发规模对地下水位的影响预测 ........................ 64
5 低影响开发对地下水位的影响预测
5.1 典型低影响开发设施及研究区建设范围
低影响开发以尽可能减少不透水面积，最大程度模拟城市开发前的自然状态为原则，通过分散式的小型控制措施来控制降雨径流、削减污染负荷、补给地下水，从而达到雨水的有效利用，改善生态环境的目的。表 5.1 为典型的低影响开发设施功能特点
低影响开发以尽可能减少不透水面积，最大程度模拟城市开发前的自然状态为原则，通过分散式的小型控制措施来控制降雨径流、削减污染负荷、补给地下水，从而达到雨水的有效利用，改善生态环境的目的。表 5.1 为典型的低影响开发设施功能特点
结合沣西新城 2016-2030 土地利用规划以及沣西新城核心区低影响开发专项研究报告，确定研究区低影响开发建设范围，其面积大小为 47km2，见图 5.1。本章拟从低影响开发规模、设施类型、LID 布设位置、降雨及地下水开采四个方面分析低影响开发对地下水位的影响，模拟预测时间为 2017 年至 2027 年。
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6 结论
6.1 主要结论
本文以单项设施渗井和陕西省沣西新城海绵城市试点区域多个地下水监测井为研究对象。通过长期的地下水位水质监测以及地下水数值模拟，研究了不同时期渗井雨水入渗对地下水水位水质的影响以及在一定规模的低影响开发设施作用下沣西新城地下水位和水质的变化规律。主要研究结论有：
(1) 渗井观测井地下水埋深在 2017 年 11 月至 2018 年 8 月变化极其微弱，长时间保持在 12.35m 左右。2018 年 8 月至 2019 年 2 月观测井地下水埋深曲线形态呈“锯齿状”，水位抬升 0.4m 左右，埋深保持在 12m 左右，水位波动幅度在 0.2m 以内。2019 年渗井两个观测井地下水埋深整体形态呈“V”形，J1 观测井地下水埋深始终大于 J2 埋深。从4 月至 8 月观测井地下水埋深逐渐增大，8 月左右达到最大埋深 14-14.3m，此后埋深逐渐减小，至年末地下水埋深保持在 13.6-13.8m 左右。
(2) 2018 年场次降雨中，渗井对 SS 去除率在 35%-80%之间，效果最好，NO3-N 次之，而对其他污染物浓度的去除效果不理想，2019 年渗井对 COD，TN，TP 浓度去除率达到 24.948%，13.277%，22.078%。渗井对 Zn的去除率在 30%左右，Cd 去除率在 11%-20%之间，Cu 去除率不稳定。
6.1 主要结论
本文以单项设施渗井和陕西省沣西新城海绵城市试点区域多个地下水监测井为研究对象。通过长期的地下水位水质监测以及地下水数值模拟，研究了不同时期渗井雨水入渗对地下水水位水质的影响以及在一定规模的低影响开发设施作用下沣西新城地下水位和水质的变化规律。主要研究结论有：
(1) 渗井观测井地下水埋深在 2017 年 11 月至 2018 年 8 月变化极其微弱，长时间保持在 12.35m 左右。2018 年 8 月至 2019 年 2 月观测井地下水埋深曲线形态呈“锯齿状”，水位抬升 0.4m 左右，埋深保持在 12m 左右，水位波动幅度在 0.2m 以内。2019 年渗井两个观测井地下水埋深整体形态呈“V”形，J1 观测井地下水埋深始终大于 J2 埋深。从4 月至 8 月观测井地下水埋深逐渐增大，8 月左右达到最大埋深 14-14.3m，此后埋深逐渐减小，至年末地下水埋深保持在 13.6-13.8m 左右。
(2) 2018 年场次降雨中，渗井对 SS 去除率在 35%-80%之间，效果最好，NO3-N 次之，而对其他污染物浓度的去除效果不理想，2019 年渗井对 COD，TN，TP 浓度去除率达到 24.948%，13.277%，22.078%。渗井对 Zn的去除率在 30%左右，Cd 去除率在 11%-20%之间，Cu 去除率不稳定。
(3) 渗井观测井 J1 处地下水中 TP、NO3-N、TN 短期内随降雨增多而浓度升高，平均值分别达到 0.151mg/L，1.097mg/L，1.587mg/L。随着降雨量减少，浓度逐渐降低至0.13mg/L，0.845mg/L，0.97mg/L；NH3-N、COD、Cu、Zn、Cd 浓度变化与降雨量大小无明显关系。
(4) 沣西新城所处的渭河南阶地区 1999-2003 年地下水平均埋深由 13.14m 增大到17.20m；在 2007-2010 年，平均埋深由 17.11m 减小至 15.33m。沣西新城 2016 年下半年地下水平均埋深 12.81m，2017 年地下水平均埋深 12.22m。沣西新城地下水埋深在 2017年一月至四月缓慢增大，四月至七月继续增大且增幅明显，七月至十月埋深减小。研究区地下水补给滞后降雨近 30 天左右。
参考文献（略）