基于地質條件的海綿城市適宜設施類型選擇

冶雪艷，李明杰，杜新強，方 敏,賈思達

1.吉林大學地下水資源與環境教育部重點實驗室，長春 130021 2.吉林大學環境與資源學院，長春 130021

0 前言

近年來，我國城鎮化的快速推進在提高人民生活水平的同時也導致了城市雨洪水的大量增加。然而，傳統的雨洪水處理方法存在很多問題，如：由于不透水路面面積擴大，城市排水能力有限造成城市內澇[1]；垃圾、污染物等在路面雨水的徑流過程中會進入徑流雨水，并隨著雨水徑流進入地表水體，造成生態破壞[2]；盡管雨水資源豐富，但利用率卻極低；同時我國大多數城市存在缺水、嚴重缺水的問題[3]。因此，尋找合理有效的城市雨洪水處理方法已經成為城市發展過程中的重要問題。

目前已有許多國家在實踐發展中制定出了較為完整并適合本國國情的技術法規體系以及控制管理模式。20世紀70年代，美國針對控制非點源污染控制率先提出了最佳管理措施(best management practice，BMP)的概念和技術體系，經過不斷的完善，現已發展成為一套經濟、高效的雨洪控制與管理措施，通過綜合利用工程措施和非工程措施來解決水量、水質以及生態等問題[4]。20世紀90年代，美國又提出了用于暴雨管理和面源污染處理技術的低影響開發(low impact development，LID)技術[5]，強調通過源頭分散的小型控制措施(如生物滯留設施、綠色屋頂、植草溝、透水鋪裝等)來維持場地開發前后水文特征的相對穩定，降低人為工程開發對環境的影響[6]。英國則在20世紀70年代提出了可持續排水系統(sustainable discharge system，SUDS)的城市雨洪管理體系[7]，在綜合考慮水量、水質的前提下，通過增加雨水入滲補給地下水等方法從源頭減少徑流量和削減徑流污染。20世紀90年代，澳大利亞提出了將城市水循環和城市發展結合起來的水敏感城市設計體系(water sensitive urban design，WSUD)[8]，該體系以水循環為核心，把雨水、給水、污水(中水)管理作為水循環的各個環節統籌考慮，通過對自然水系的保護及景觀與雨洪管理相結合等方法，在緩解城市用水壓力、降低水污染并維持城市水生態平衡方面取得了顯著成效[9]。

我國針對城市雨洪問題，在吸收借鑒國外先進雨洪管理體系、技術的基礎上，提出通過構建“海綿城市”以有效控制和利用城市雨洪資源、減少城市內澇災害的思路。2014年住房城鄉建設部發布《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》(以下簡稱《指南》)，正式開啟了我國海綿城市規劃與建設的序幕。《指南》中對海綿城市的定義是：城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害方面具有良好的“彈性”，在降雨時可以凈水、吸水、滲水、蓄水，在需要的時候將集蓄的水釋放出來進行利用，以提升城市生態系統功能和減少城市洪澇災害的發生[4]。

我國學者在海綿城市的建設理念及設施的建設方案方面，從城市雨水控制、土地利用以及生態建設等角度進行了比較科學的研究。李巖[10]從城市規劃層面，結合生態保護、土地利用等內容制定海綿城市建設方案。董淑秋等[11]提出“生態海綿”地區雨水的規劃利用理念框架，從雨水規劃利用的角度構建生態海綿地區雨水利用評價指標體系。栗杰文[12]、蔡凱臻等[13]研究認為海綿城市的建設應該以自然水文條件為主，加強原始生態環境的利用，在此基礎上進行城市綠地、道路、排水等系統的建設。

從已有的研究可以看出，在城市雨洪管理措施方面，國內外的研究普遍關注各種LID工程設施的建設，強調了地表水文循環的研究，僅有少量文獻強調了地質和水文地質條件的重要性[14-15]。我國所提出的海綿城市建設，其本質就是構建從大氣降水開始到最終進入地下水的良性城市水循環系統，并實現城市雨洪的控制和利用。因此，作者以研究區地質、水文地質條件為基礎，建立指標評價體系，用以選擇各區域適宜的海綿城市設施類型。

1 海綿城市建設影響因素分析

地表是大氣降水的直接接觸面，更是大氣降水進入地下儲水空間的“第一道大門”。其坡度影響了降雨的匯集、滯留能力；其滲透性能影響降水進入地下儲水空間的速率，決定了降雨過程中地表雨洪水的入滲能力。

包氣帶是大氣降水進入潛水含水層的必經通道，也是海綿城市建設過程中最重要的地下儲水空間。包氣帶的滲透性能決定了地表降水進入地下儲水空間的能力；包氣帶厚度決定了地下儲水空間的大小；而包氣帶中黏土厚度則間接影響了包氣帶厚度和包氣帶滲透性能。潛水含水層是降水補給的直接承載體，具有較強的吸水和給水能力，是大氣降水進入地下后的重要場所[16]，可以起到補給和涵養地下水資源的作用。含水層厚度決定了其調蓄能力；其滲透性能則決定了含水層的傳輸能力。

2 海綿城市建設地質適宜性指標體系建立

2.1 評價指標選取

綜合上文對海綿城市建設影響因素的分析，遵循獨立性、全面性、實用性和系統性的評價指標選取原則，確定由3個一級指標和7個二級指標構成的海綿城市建設地質適宜性評價指標體系(表1)。

2.2 評價指標權重賦值

在海綿城市的建設過程中，有多種影響因素，因此應建立指標評價體系，對各影響因素進行系統分析討論。本文采用層次分析(AHP)法對評價指指標進行賦值[17]，該方法具有系統、簡潔實用、所需定量數據信息較少的優點，在我國各個領域的決策工作中被廣泛應用[18]。

表1海綿城市建設地質適宜性評價層次結構

Table1Evaluationhierarchyofgeologicalsuitabilityforspongecity

目標層第一指標層第二指標層海綿城市建設地質適宜性(A)地表適宜性(B1)包氣帶適宜性(B2)含水層適宜性(B3)地形坡度(C1)地表滲透性(C2)包氣帶滲透性(C3)包氣帶厚度(C4)包氣帶黏土厚度(C5)含水層滲透性(C6)含水層厚度(C7)

1)構造各層次的判斷矩陣

對同一指標層各影響指標進行兩兩對比后，按照1-9標度法[19]評價各指標的相對優劣順序，構造評價指標的判斷矩陣S。

其中，sij為因素i與因素j重要性的比較結果，即標度值，并有sij=1/sji。sij取值有9種(表2)。

表2 判斷矩陣標度(1-9)定義

2)計算各評價指標的權重

使用幾何平均法(根法)，利用YAAHP軟件計算各判斷矩陣的一致性檢驗系數CR，調整各影響因素的重要性標度值，直至所有判別矩陣的CR<0.1，則認為判別矩陣通過了一致性檢驗。經過試算和調整，最終得到表1中評價指標A、B1、B2和B3的判斷矩陣(表3—6)，各判斷矩陣對應的CR值分別為0.0088, 0, 0, 0。并根據判別矩陣結果得到各指標權重，如表7所示。

表3 B-A判斷矩陣

表4 C-B1判斷矩陣

表5 C-B2判斷矩陣

表6 C-B3判斷矩陣

2.3 海綿城市建設影響因素分級評分

由上述評價指標的權重，采用綜合評分法對評價區域進行評分，并根據評分結果決定評價區域的海綿城市建設適宜建設類型。對各評價指標進行分級評分，其中地表、包氣帶、含水層的滲透系數分級以中國地質調查局《水文地質手冊(第二版)》[20]為基礎，由大到小依次分為高滲透性、中等滲透性、低滲透性和極低滲透性；地形坡度分級以《水土保持綜合治理規劃通則》(GB/T15772-1995)[21]為基礎，由大到小依次分為平地、微坡、緩坡、陡坡；包氣帶厚度、含水層厚度以及包氣帶黏土厚度，由于沒有標準的規范規程，因而結合研究區的實際情況進行分級，各分級評分結果如表8所示。

表7 評價因子權重

3 研究實例

3.1 研究區概況

以華中地區某市國際機場規劃的海綿城市試點范圍為研究區，其面積約91 km2。研究區屬于溫暖半干旱氣候，四季變化明顯。多年平均氣溫14.25 ℃；年降水量在400～781.8 mm之間，多年平均為631.76 mm，降水季節分布不均勻，全年降水集中在7—9月，期間降水占年降水量的39.9%～47.6%；多年平均蒸發量1 769.8 mm，主要集中在4--6月，其占年蒸發量的40%左右；多年平均相對濕度66.3%。

表8 影響因素分級評分標準

3.2 海綿城市建設適宜性分區

3.2.1 地表適宜性

根據研究區地表高程數據，利用ARCGIS軟件得到研究區內地形坡度如圖1所示。由圖1可知，研究區內地形坡度絕大多數均在0.0°～2.0°范圍內，屬于平地級別，按前文海綿城市建設影響因素分級評分標準，其在地質適宜性評價中均在100分級別。

本次研究在研究區內開展了野外淺層土樣采集工作，野外采樣密度為0.94個/km2。對土樣進行干燥、破碎后進行篩分，根據篩分結果繪制土壤顆粒級配曲線。利用太沙基公式、Gustafson公式和Alyammani-sen公式3種經驗公式計算滲透系數，并取其平均值作為地表土壤的滲透系數，并按滲透系數評分分級進行分區劃分，結果如圖2所示。

圖1 研究區地形坡度Fig.1 Terrain slop of the study area

圖2 研究區地表滲透性Fig.2 Surface permeability of the study area

3.2.2 包氣帶適宜性

利用地形資料、鉆孔資料和地下水位數據，確定包氣帶厚度并分區，結果(圖3)表明，研究區內包氣帶厚度分布不均，其中西南大部分地區、東和北部部分地區包氣帶厚度較大(>10 m)，而東南部和中部大部分地區包氣帶厚度較小；野外滲水試驗結果表明，研究區北部部分地區包氣帶滲透性能極低(滲透系數<0.1 m/d)，南部局地滲透性能中等(1.0～10.0 m/d)，其余地區滲透性能較低(0.1～1.0 m/d)(圖4)；基于區內已有鉆孔數據，獲取鉆孔處黏土厚度，并利用Sufer軟件進行插值分析，結果(圖5)表明，研究區內大部分區域包氣帶黏土厚度小于5 m，但北部地區包氣帶黏土層厚度普遍大于5 m。

3.2.3 潛水含水層適宜性

研究區潛水含水層滲透性能主要通過研究區抽水試驗結合區內鉆孔巖性數據獲得。按照含水層滲透性能分級評分標準進行分區劃分(圖6)。由圖6可知，研究區含水層整體上屬于中等滲透性(1.0～10.0 m/d)區，僅西南角和北部等局部區域含水層屬低滲透性(0.1～1.0 m/d)區。

結合已有鉆孔資料和地下水位觀測資料，確定含水層厚度分布情況并進行分區(圖7)。由圖7可知，研究區內含水層厚度巨大，但呈現由西北向東南厚度遞減的趨勢。

3.3 評價結果

利用ARCGIS按照建立的指標評價體系對前文所得海綿城市建設影響因素分級評分數據進行加權疊加計算，得到海綿城市建設的地質適宜性分區結果(圖8)，并根據各分級區域地質條件、《海綿城市建設技術指南》及相關參考文獻[22-23]，給出各區域適宜的海綿城市設施類型(表9)。由圖8和表9可以看出：1)研究區西南區域大部分地區綜合評分較高(70～80)，地表滲透性較好，包氣帶以及含水層滲透性中等，包氣帶厚度較厚且黏土層較薄，適宜建設以雨水入滲為主的相關LID設施，著力將本區雨水就地消納；2)研究區東部及中部大部分區域為評分較低(60～70)的區域，雖然地表滲透性能較好，但包氣帶滲透性能中等、包氣帶厚度中等，所以適宜入滲能力較小的設施與雨水調節和傳輸設施的組合，將雨水的就地消納與區外傳輸相結合；3)研究區北側中部區域為綜合評分最差(≤60)區域，地表滲透性較差、包氣帶厚度薄、滲透性較低，不適宜雨水入滲型LID設施，適宜建設以雨水集蓄和傳輸為主要功能的LID設施。

圖3 研究區包氣帶厚度分區Fig.3 Aeration zone thickness of the study area

圖4 研究區包氣帶滲透性分區Fig.4 Aeration zone permeability of the study area

圖5 研究區包氣帶黏土厚度分區Fig.5 Aeration zone clay thickness of the study area

圖6 研究區含水層滲透性分區Fig.6 Aquifer permeability of the study area

圖7 研究區含水層厚度分區Fig.7 Aquifer thickness ofthe study area

圖8 綜合評分分區Fig.8 Result of grade classification

表9 評分等級區塊性質及適宜海綿城市LID設施類型

4 結論與建議

1)地質與水文地質條件對雨水入滲、地下儲存和傳導有顯著影響，海綿城市建設應依分利用地質與水文地質條件，合理設計低影響開發(LID)工程設施的類型和建設方案。

2)包氣帶滲透性能和包氣帶厚度是海綿城市建設地質適宜性的最主要因素，決定著以雨水入滲為主要功能的LID設施建設的適宜性。

受目前研究階段以及支撐資料數量和精度的限制，尚不能確定LID設施的位置、規模以及雨洪控制能力等具體參數，有待進一步研究。

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