基于海綿城市建設的水文地質結構模型構建
——以武漢市長江新城起步區為例

李 云， 徐連三， 陳建良*， 王中武， 李祖春

(1.湖北省地質局 武漢水文地質工程地質大隊，湖北 武漢 430051； 2.湖北省地質環境總站，湖北 武漢 430034)

2008—2020年，武漢市建成區面積由461 km2增長至885 km2，快速城鎮化發展導致武漢市硬化面積顯著增加，加上武漢市“雨洪同期”的特點，增加了武漢市發生暴雨內澇的風險。由于硬化路面阻擋了降水對地下水的補給，未來武漢市水資源從中脆弱區升至中高脆弱區的風險增大[1]。2015年國務院印發的《關于推進海綿城市建設的指導意見》中指出，要統籌發揮自然生態功能和人工干預功能，有效控制雨水徑流[4]。為了減少城市建設對生態環境造成的影響，2015年武漢市開始大力推廣海綿城市建設項目[2]，并分階段陸續出臺多項政策予以支持。2016年8月25日發布并實施的《武漢海綿城市建設技術指南》指出，在設計階段應堅持因地制宜的原則，避免大拆大建，注重對河流、湖泊、濕地、坑塘和溝渠等城市原有生態系統的保護和修復，但不宜過于追求生態性而忽視排水管涵等灰色設施的建設[3]。

由于武漢市具有地表水系發達、地下水位高、下墊面巖性以黏性土為主等特點，決定了其不能完全搬用其他城市的海綿城市建設技術，必需充分調研武漢市水文地質條件，并結合城市特點開展海綿城市建設工作[5]。含水介質通常具有強空間變異性，準確刻畫含水介質的空間分布是海綿城市建設設計前期的重要工作?；诘刭|統計學的三維水文地質結構模型可以清晰地三維可視化顯示含水介質的空間分布規律，有助于海綿城市工程設計。三維地質建模理論起源于20世紀70年代[6-7]，目前國內盡管有一些關于海綿城市設施建設水文地質條件適宜性的研究，但是結合三維水文地質結構模型，在水文地質條件基礎上考慮海綿城市建設適宜性的文獻較少[8]。本文以武漢市長江新城起步區水文地質條件為基礎，結合地層情況、地表水系分布、土壤滲透性分區分層、地表地形坡度等資料，利用GMS軟件建立長江新城起步區的三維地質結構可視化模型，綜合顯示研究區海綿城市建設各項因素，為海綿城市建設的水文地質條件適宜性評價及灰色設施的布置提供基礎依據[9-10]。

1 研究區概況

武漢市長江新城起步區位于該市中部諶家磯—武湖區塊，其范圍東至武湖泵站河，南至長江北岸，西至灄水河、府河，西南至張公堤路，北至四環線南側(圖1)，GPS坐標范圍為N30°39′40″～N30°44′53″、E114°18′54″～E114°26′42″，面積約50 km2。研究區屬于亞熱帶季風性氣候，全年濕潤多雨，年降雨量約1 100～1 500 mm，降雨多集中在每年的5—9月，干旱期多在12月—次年3月，區內地表水系發達。

圖1 研究區地理概況及鉆孔分布圖Fig.1 Geographical situation and borehole distribution map of the study area

研究區以平原為主，地勢平坦，海拔高程在16～30 m。區內均為第四系所覆蓋，包括人工填土、全新統走馬嶺組、上更新統下蜀組、中更新統王家店組以及下更新統陽邏組(圖2)。地下水主要賦存于下更新統陽邏組中。由于第四系上部含有厚度較大的黏土、粉質黏土等低滲透介質，下部含水層具有承壓性質，其地下水位埋深在2.50～17.42 m，空間變化較大，變差系數達到42.77%。

圖2 研究區第四系地質剖面圖Fig.2 Quaternary geological profile of the study area

2 三維水文地質結構

2.1 三維水文地質結構模型的建立方法

利用等效滲透系數法[11]將每個鉆孔按照分層巖性和厚度計算其導水系數，并繪制導水系數隨深度的累積變化曲線，依據斜率變化劃分含水巖組，并確定各鉆孔不同含水巖組的頂底板高程和滲透系數，在此基礎上建立研究區的三維水文地質結構數據庫。

2.2 含水巖組劃分

根據區內鉆孔抽水試驗、環刀樣品測試結果、雙環入滲試驗數據以及利用ROSETTA軟件估計的非飽和水力參數[12]，結合研究區及鄰區的工程地質、水文地質勘察中的滲透系數，獲取長江新城起步區不同巖性的滲透系數值(表1)。

表1 區內不同巖性滲透系數值Table 1 Permeability coefficient values of different lithologies in the area

圖3 GC003地層鉆孔柱狀圖(第四系部分)Fig.3 Stratigraphic drilling histogram (quaternary part) of GC003

圖4 鉆孔GC003累計導水系數隨深度變化曲線圖Fig.4 Curve diagram of accumulated transmissibility coefficientof borehole GC003 with depth

每層的水平滲透系數可以利用下式計算：

(1)

式中：Mi為第i層含水介質厚度，(m)；Khi為第i層水平方向滲透系數，(m/d)；Kh為概化后的水平方向綜合滲透系數，(m/d)。

本次研究收集到研究區內33個鉆孔的巖性數據，除西北區存在部分地區無鉆孔外，大部分地區均有鉆孔分布，而且分布比較均勻(圖1)。將研究區所有鉆孔均按照上述方法進行處理，繪制每個鉆孔累計導水系數隨深度變化曲線圖，根據曲線的斜率變化特征對各孔的巖性進行組合，概化含水巖組。

綜合剖面各鉆孔曲線的斜率變化特征，參考沉積環境[14]以及不同鉆孔之間的距離，當曲線斜率變化不清晰或難以清晰劃分時，結合相鄰孔的劃分結果進行概化。與傳統方法相比，在概化復雜巖性含水介質結構時，累積導水系數法把實際經驗與定量計算相結合，單孔與剖面整體相結合，這種半定量化的分類，使復雜含水介質結構的概化結果更為合理(圖5)。

圖5 研究區滲透系數空間疊置圖Fig.5 Spatial superposition map of permeability coefficient in study area

2.3 地形坡度

地形坡度大會使產生的地表坡流迅速流走，使地表徑流增加，排水能力增強，但不利于雨水滯留下滲。平緩地勢則有利于滯積表流，增加雨水入滲量，但排水能力較弱。根據GDEMV2號衛星30 m分辨率的數字高程數據繪制的研究區坡度分布圖(圖6)可知，區內地形整體較為平緩，坡度多在6°以內，僅朱家河、灄水河兩岸防洪堤坡度較陡，坡度可達20°及以上，說明研究區的大部分地形有利于雨水的滯留和下滲，但不利于地表徑流及時排出區外，若下滲不及時，容易產生內澇災害。

圖6 研究區坡度分布圖Fig.6 Slope distribution map of study area

海綿城市建設應尊重城市的地形變化，利用地形變化滯水蓄水，結合灰色設施提升滲水能力，減輕對平緩、低洼地區的洪澇影響，更好地應對暴雨帶來的洪澇災害。

2.4 土地利用類型分區

海綿城市的核心是合理控制城市下墊面的雨水徑流，使雨水就地消納和吸收利用。而不同利用類型的土地，其下墊面條件不一樣，產流機制和徑流控制有著很大差異。耕地土質疏松，利于雨水入滲，林地次之，建設用地使土壤硬質化，不易雨水入滲，易形成地表徑流。不透水地面的增加會提高區域降雨徑流系數，使得同樣降雨條件下的地表徑流增大。

研究區位于城市擬開發建設地塊，區內現有土地利用類型較多，主要以建設用地和耕地為主，較大水域有灄水河、朱家河、勝海湖、湯湖和項家汊(圖7)。其中河湖、魚塘等水域屬于濕地，為雨水匯集地，對降雨具有極強的消納吸收能力；研究區南部的耕地分布在府河、灄水河的一級階地，北部的耕地分布在武湖周圍，有利于雨水的下滲；建設用地集中在長江沿岸及北部灄水河邊，雨水入滲能力較弱，容易形成地表徑流。

圖7 研究區土地利用類型分布圖Fig.7 Distribution map of land use types in the study area

2.5 水文地質結構模型構建

陳夢熊[15]指出水文地質概念模型是建立數學模型和物理模型的基礎，能否正確將工程的本質特征簡化為物理模型的基礎直接影響到水文地質相關問題研究方法的選取及結論的分析。構建正確的水文地質結構模型，對海綿城市建設適宜性研究具有重要的影響。本文在概化研究區復雜巖性含水介質的基礎上，利用GMS軟件中的Solid、TINS等模塊建立了武漢市長江新城起步區三維水文地質結構模型(圖8-圖9)[16]。

圖8 水文地質三維結構模型柵欄圖Fig.8 Fence diagram of three dimensional structure model of hydrogeology

圖9 三維水文地質結構圖Fig.9 Three dimensional hydrogeological structure map

結合區內的水文地質結構、地形坡度和土地利用類型分析，區內海綿城市建設適宜性存在較大差異，主要分為三大區域：

(1) 府河、灄水河的一級階地和武湖周圍。該區域地形平緩，坡度<6°，且土地利用類型多為耕地，有利于雨水的滯留下滲，但黏土層(第二層)、粉質黏土層(第三層)的厚度及含水層的埋深較大，下滲的雨水主要滯留在表層耕植土中，無法穿過黏土層、粉質黏土層下滲至含水層排出區外。

(2) 靠近江邊的含水層。該區域埋深較小，雨水下滲至含水層后可迅速排出區外，但由于區內多為建設用地，硬化路面大大降低了雨水下滲速率，易形成地表徑流，加上地形平緩，坡度多<6°，不利于排水，容易產生積水內澇。

(3) 北部灄水河邊。該區域多為建設用地，雨水下滲能力較弱，且地形平緩，易形成地表徑流，加上含水層埋深大，無法通過含水層排出區外。

海綿城市建設需結合城市自身的特點，因地制宜，研究區內各地的含水層埋深、地層滲透性、地形坡度和土地利用類型存在較大差異，下面根據各地的海綿城市建設適宜性分別給出以下建議：

(1) 府河、灄水河的一級階地和武湖周圍可適當布設水利工程，連通淺層地下水和下伏承壓含水層，增強其排水能力。

(2) 靠近江邊的含水層可通過下沉式綠地、生物滯留池等設施減少地表徑流，涵養地下水，將雨水消納吸收后通過含水層排出區外。

(3) 北部灄水河邊建設區附近的地表水域較多，可通過市政雨水管網搜集雨水后，及時排放到地表水域。同時可以布設水利工程，連通下伏承壓含水層，增強其排水能力。

3 結論

(1) 區內第四系地層總體上可以劃分為填土層、黏土層、粉質黏土層和含水層四層，其中黏土層和粉質黏土層厚度較大，地層的蓄水能力強，但因這兩層的滲透系數較低，均<1 m/d，地層的滲水能力較弱。含水層的透水能力強，但是相對隔水層厚度較大且連續分布，降雨很難到達含水層排出區外，降低了含水層與降雨的連通性。

(2) 長江新城起步區整體上地形起伏小，有利于增強其滲蓄能力，但不利于排水。土地利用類型以建設用地、耕地、河湖和魚塘為主，其中耕地、河湖和魚塘有利于雨水的下滲，建設用地則不利于雨水的下滲。

(3) 海綿城市建設需結合城市自身的特點，因地制宜，根據區內土地利用類型、地形坡度、含水層埋深等特點，合理選用水利工程、下沉式綠地、生物滯留池、市政雨水管網等不同設施增強消納吸收降雨的能力。

(4) 水文地質三維結構模型綜合了研究區地層情況、地形坡度、含水層埋深和厚度等重要因素，直觀地展示了各項水文地質條件對海綿城市建設的利弊，為海綿城市建設選址、工程設施類型的選擇和布置提供了依據。