应对城市洪水和地下水枯竭：通过管理含水层补给来缓解城市水资源挑战

《Science of The Total Environment》：Respond to urban floods and groundwater depletion: A managed aquifer recharge approach to alleviate urban water challenges

本研究通过改造孟加拉国查特ogram市的23口废弃井实施Aquifer Storage Transfer and Recovery（ASTR）技术，结合SWMM-MODFLOW耦合模型模拟，评估其缓解城市内涝（减少峰值洪水5%）和地下水回灌（水位回升0.5-12米）的双重效益，为高密度缺水城市的可持续暴雨管理提供成本效益高、可扩展的解决方案。

　　

Khalid Ben Wahid|Abir Mohammad Humam Uddin|Aysha Akter

助理水资源工程师，SPEKTER GmbH，孟加拉国

摘要

气候变化、快速的城市化以及不断增加的不透水表面影响了发展中国家的城市洪水和地下水枯竭问题，导致长期的水资源短缺，并对城市水资源安全构成严重威胁。这些挑战可以通过综合水资源管理策略来解决，以增强水分渗透和含水层补给。本研究评估了“含水层储存转移与恢复”（ASTR）作为一种管理型含水层补给（MAR）方法的应用，该方法通过重新利用23口废弃井在降雨高峰期注入雨水来实现。研究使用了5年、6小时的设计降雨数据以及2009年至2023年的历史数据（包括地下水位、井出水量、降雨量和蒸发量），通过SWMM和MODFLOW模型来评估ASTR系统的性能。结果表明，在单次降雨事件中，ASTR系统可将洪水量减少多达5%；在14年的历史压力期间，根据废弃井位置的流量和土壤条件，地下水位可上升0.5米至12米。此外，估计孟加拉国查塔戈姆市的年地下水补给潜力可达100万立方米/年。该研究强调了ASTR在缓解城市洪水的同时补充含水层的双重效益，展示了废弃井可以有效用于可持续的雨水管理，为水资源短缺且易发生洪水的城市环境提供了一种成本效益高且可扩展的解决方案。本研究强调了在城市规划中整合地表和地下水文模型的重要性，以提高气候适应能力和确保长期的水资源安全。

章节摘录

应对城市水资源挑战

地下水是一种重要的水资源，全球近一半的饮用水和70%的灌溉用水都来自地下水。然而，由于降雨不规律、人口增长、快速的城市化以及农业需求，大多数国家都面临着地下水枯竭和地下水位压力增加的问题（Condon和Maxwell，2024年；Thomas和Famiglietti，2019年）。气候变化影响降雨、湿度、温度、蒸发量以及地下水状况。

结合SWMM和MODFLOW进行城市水资源分析

本研究提出了一个可转移的框架，将城市雨水管理与通过“含水层储存、转移与恢复”（ASTR）实现的管理型含水层补给（MAR）相结合。尽管该框架是在特定城市中验证的，但其工作流程具有通用性，适用于具有排水系统和未充分利用的井的密集城市环境。该框架包括四个模块化步骤：首先，使用城市排水模型（例如SWMM）模拟城市径流和洪水情况。

使用SWMM进行雨水建模：降雨-径流动态与洪水模拟

EPA雨水管理模型（SWMM）是一种动态的降雨-径流模拟模型，可用于确定单次事件或连续模拟中的径流量和水质。径流通过SWMM的路由组件传输，该组件由管道、渠道、储存/处理设备、泵和调节器组成。

地下水模型：评估含水层在压力和补给下的行为

达西定律产生了一个偏微分方程，用于描述有限控制体积内的水力头分布。该偏微分方程通常用于描述地下水通过多孔介质的三维运动。

敏感性分析：识别地表和地下水模型中的关键参数

敏感性分析揭示了各个参数对模型输出的影响，从而准确预测含水层的水力活动（Tolley等人，2019年）。含水层储存量直接受孔隙度的影响，孔隙度越高，能储存的水量越大。饱和水力传导率（K）决定了水流速度和渗透速率，K值越高，MAR效果越明显（Alam等人，2021年）。研究结果表明，水平方向的变化会对含水层行为产生影响。

ASTR对洪水减少和地下水恢复的影响

本研究展示了地表水和地下水分析的结果，比较了情景实施前后的情况。在模型设置中，平均海平面（MSL）被作为参考基准（0.00米）；高于MSL的地下水位为正值，表示内陆或地下水位升高的情况，而低于MSL的地下水位为负值，表示向海洋方向的梯度。研究结果显示，查塔戈姆市的地下水正在以每年0.29至2.8米的速度枯竭。

结论

本研究旨在寻找适当的方法来减少查塔戈姆市的积水、地下水枯竭和水资源短缺问题。强调自然循环的重要性，本研究尝试使用合适的软件模拟实际情景，而无需进行预测。本研究由两个手动耦合的模型组成。SWMM的模型输出被手动输入到MODFLOW中。ASTR是两种模型中使用的MAR技术之一，用于区分实施前后的变化。

缩写说明

ABM
交替阻塞法
ASTR
含水层储存转移与恢复（ASTR）
BMD
孟加拉国气象部门
BMP最佳管理实践
CCC
查塔戈姆市公司
CDA
查塔戈姆开发局
CHD
时间变异性指定水位包（MODFLOW）CVFD控制体积有限差分法CWASA查塔戈姆供水和污水处理局DEM数字高程模型EVT蒸发量包（MODFLOW）GHB一般水位边界包（MODFLOW）IDF强度-持续时间-频率IDW逆向

CRediT作者贡献声明

Khalid Ben Wahid：可视化、验证、方法论、概念构建。Abir Mohammad Humam Uddin：撰写初稿、软件开发、数据整理、概念构建。Aysha Akter：审稿与编辑、监督工作。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：Aysha Akter表示获得了吉大港工程技术大学的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢吉大港工程技术大学（CUET）在“应对城市洪水和地下水枯竭：缓解水资源短缺的可持续方法”项目中的大力后勤支持。同时，也感谢查塔戈姆开发局（CDA）、查塔戈姆供水和污水处理局（CWASA）以及查塔戈姆市公司（CCC）提供的数据支持。