冶雪艷，李明杰，杜新強(qiáng)，方 敏,賈思達(dá)

1.吉林大學(xué)地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130021 2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，長(zhǎng)春 130021

0 前言

近年來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)在提高人民生活水平的同時(shí)也導(dǎo)致了城市雨洪水的大量增加。然而，傳統(tǒng)的雨洪水處理方法存在很多問(wèn)題，如：由于不透水路面面積擴(kuò)大，城市排水能力有限造成城市內(nèi)澇[1]；垃圾、污染物等在路面雨水的徑流過(guò)程中會(huì)進(jìn)入徑流雨水，并隨著雨水徑流進(jìn)入地表水體，造成生態(tài)破壞[2]；盡管雨水資源豐富，但利用率卻極低；同時(shí)我國(guó)大多數(shù)城市存在缺水、嚴(yán)重缺水的問(wèn)題[3]。因此，尋找合理有效的城市雨洪水處理方法已經(jīng)成為城市發(fā)展過(guò)程中的重要問(wèn)題。

目前已有許多國(guó)家在實(shí)踐發(fā)展中制定出了較為完整并適合本國(guó)國(guó)情的技術(shù)法規(guī)體系以及控制管理模式。20世紀(jì)70年代，美國(guó)針對(duì)控制非點(diǎn)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(shù)體系，經(jīng)過(guò)不斷的完善，現(xiàn)已發(fā)展成為一套經(jīng)濟(jì)、高效的雨洪控制與管理措施，通過(guò)綜合利用工程措施和非工程措施來(lái)解決水量、水質(zhì)以及生態(tài)等問(wèn)題[4]。20世紀(jì)90年代，美國(guó)又提出了用于暴雨管理和面源污染處理技術(shù)的低影響開(kāi)發(fā)(low impact development，LID)技術(shù)[5]，強(qiáng)調(diào)通過(guò)源頭分散的小型控制措施(如生物滯留設(shè)施、綠色屋頂、植草溝、透水鋪裝等)來(lái)維持場(chǎng)地開(kāi)發(fā)前后水文特征的相對(duì)穩(wěn)定，降低人為工程開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境的影響[6]。英國(guó)則在20世紀(jì)70年代提出了可持續(xù)排水系統(tǒng)(sustainable discharge system，SUDS)的城市雨洪管理體系[7]，在綜合考慮水量、水質(zhì)的前提下，通過(guò)增加雨水入滲補(bǔ)給地下水等方法從源頭減少?gòu)搅髁亢拖鳒p徑流污染。20世紀(jì)90年代，澳大利亞提出了將城市水循環(huán)和城市發(fā)展結(jié)合起來(lái)的水敏感城市設(shè)計(jì)體系(water sensitive urban design，WSUD)[8]，該體系以水循環(huán)為核心，把雨水、給水、污水(中水)管理作為水循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)統(tǒng)籌考慮，通過(guò)對(duì)自然水系的保護(hù)及景觀與雨洪管理相結(jié)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(tài)平衡方面取得了顯著成效[9]。

我國(guó)針對(duì)城市雨洪問(wèn)題，在吸收借鑒國(guó)外先進(jìn)雨洪管理體系、技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出通過(guò)構(gòu)建“海綿城市”以有效控制和利用城市雨洪資源、減少城市內(nèi)澇災(zāi)害的思路。2014年住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)，正式開(kāi)啟了我國(guó)海綿城市規(guī)劃與建設(shè)的序幕?！吨改稀分袑?duì)海綿城市的定義是：城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害方面具有良好的“彈性”，在降雨時(shí)可以凈水、吸水、滲水、蓄水，在需要的時(shí)候?qū)⒓畹乃尫懦鰜?lái)進(jìn)行利用，以提升城市生態(tài)系統(tǒng)功能和減少城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生[4]。

我國(guó)學(xué)者在海綿城市的建設(shè)理念及設(shè)施的建設(shè)方案方面，從城市雨水控制、土地利用以及生態(tài)建設(shè)等角度進(jìn)行了比較科學(xué)的研究。李巖[10]從城市規(guī)劃層面，結(jié)合生態(tài)保護(hù)、土地利用等內(nèi)容制定海綿城市建設(shè)方案。董淑秋等[11]提出“生態(tài)海綿”地區(qū)雨水的規(guī)劃利用理念框架，從雨水規(guī)劃利用的角度構(gòu)建生態(tài)海綿地區(qū)雨水利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。栗杰文[12]、蔡凱臻等[13]研究認(rèn)為海綿城市的建設(shè)應(yīng)該以自然水文條件為主，加強(qiáng)原始生態(tài)環(huán)境的利用，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行城市綠地、道路、排水等系統(tǒng)的建設(shè)。

從已有的研究可以看出，在城市雨洪管理措施方面，國(guó)內(nèi)外的研究普遍關(guān)注各種LID工程設(shè)施的建設(shè)，強(qiáng)調(diào)了地表水文循環(huán)的研究，僅有少量文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)了地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的重要性[14-15]。我國(guó)所提出的海綿城市建設(shè)，其本質(zhì)就是構(gòu)建從大氣降水開(kāi)始到最終進(jìn)入地下水的良性城市水循環(huán)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)城市雨洪的控制和利用。因此，作者以研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，建立指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，用以選擇各區(qū)域適宜的海綿城市設(shè)施類型。

1 海綿城市建設(shè)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(jìn)入地下儲(chǔ)水空間的“第一道大門(mén)”。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(jìn)入地下儲(chǔ)水空間的速率，決定了降雨過(guò)程中地表雨洪水的入滲能力。

包氣帶是大氣降水進(jìn)入潛水含水層的必經(jīng)通道，也是海綿城市建設(shè)過(guò)程中最重要的地下儲(chǔ)水空間。包氣帶的滲透性能決定了地表降水進(jìn)入地下儲(chǔ)水空間的能力；包氣帶厚度決定了地下儲(chǔ)水空間的大??；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(bǔ)給的直接承載體，具有較強(qiáng)的吸水和給水能力，是大氣降水進(jìn)入地下后的重要場(chǎng)所[16]，可以起到補(bǔ)給和涵養(yǎng)地下水資源的作用。含水層厚度決定了其調(diào)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(shè)地質(zhì)適宜性指標(biāo)體系建立

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

綜合上文對(duì)海綿城市建設(shè)影響因素的分析，遵循獨(dú)立性、全面性、實(shí)用性和系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則，確定由3個(gè)一級(jí)指標(biāo)和7個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成的海綿城市建設(shè)地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重賦值

在海綿城市的建設(shè)過(guò)程中，有多種影響因素，因此應(yīng)建立指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，對(duì)各影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析討論。本文采用層次分析(AHP)法對(duì)評(píng)價(jià)指指標(biāo)進(jìn)行賦值[17]，該方法具有系統(tǒng)、簡(jiǎn)潔實(shí)用、所需定量數(shù)據(jù)信息較少的優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域的決策工作中被廣泛應(yīng)用[18]。

表1海綿城市建設(shè)地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)

Table1Evaluationhierarchyofgeologicalsuitabilityforspongecity

目標(biāo)層第一指標(biāo)層第二指標(biāo)層海綿城市建設(shè)地質(zhì)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(gòu)造各層次的判斷矩陣

對(duì)同一指標(biāo)層各影響指標(biāo)進(jìn)行兩兩對(duì)比后，按照1-9標(biāo)度法[19]評(píng)價(jià)各指標(biāo)的相對(duì)優(yōu)劣順序，構(gòu)造評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣S。

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

表2 判斷矩陣標(biāo)度(1-9)定義

2)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

使用幾何平均法(根法)，利用YAAHP軟件計(jì)算各判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)系數(shù)CR，調(diào)整各影響因素的重要性標(biāo)度值，直至所有判別矩陣的CR<0.1，則認(rèn)為判別矩陣通過(guò)了一致性檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試算和調(diào)整，最終得到表1中評(píng)價(jià)指標(biāo)A、B1、B2和B3的判斷矩陣(表3—6)，各判斷矩陣對(duì)應(yīng)的CR值分別為0.0088, 0, 0, 0。并根據(jù)判別矩陣結(jié)果得到各指標(biāo)權(quán)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(shè)影響因素分級(jí)評(píng)分

由上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，采用綜合評(píng)分法對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域進(jìn)行評(píng)分，并根據(jù)評(píng)分結(jié)果決定評(píng)價(jià)區(qū)域的海綿城市建設(shè)適宜建設(shè)類型。對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)評(píng)分，其中地表、包氣帶、含水層的滲透系數(shù)分級(jí)以中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《水文地質(zhì)手冊(cè)(第二版)》[20]為基礎(chǔ)，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(jí)以《水土保持綜合治理規(guī)劃通則》(GB/T15772-1995)[21]為基礎(chǔ)，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(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范規(guī)程，因而結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行分級(jí)，各分級(jí)評(píng)分結(jié)果如表8所示。

表7 評(píng)價(jià)因子權(quán)重

3 研究實(shí)例

3.1 研究區(qū)概況

以華中地區(qū)某市國(guó)際機(jī)場(chǎng)規(guī)劃的海綿城市試點(diǎn)范圍為研究區(qū)，其面積約91 km2。研究區(qū)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(jié)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(fā)量1 769.8 mm，主要集中在4--6月，其占年蒸發(fā)量的40%左右；多年平均相對(duì)濕度66.3%。

表8 影響因素分級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

3.2 海綿城市建設(shè)適宜性分區(qū)

3.2.1 地表適宜性

根據(jù)研究區(qū)地表高程數(shù)據(jù)，利用ARCGIS軟件得到研究區(qū)內(nèi)地形坡度如圖1所示。由圖1可知，研究區(qū)內(nèi)地形坡度絕大多數(shù)均在0.0°～2.0°范圍內(nèi)，屬于平地級(jí)別，按前文海綿城市建設(shè)影響因素分級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，其在地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)中均在100分級(jí)別。

本次研究在研究區(qū)內(nèi)開(kāi)展了野外淺層土樣采集工作，野外采樣密度為0.94個(gè)/km2。對(duì)土樣進(jìn)行干燥、破碎后進(jìn)行篩分，根據(jù)篩分結(jié)果繪制土壤顆粒級(jí)配曲線。利用太沙基公式、Gustafson公式和Alyammani-sen公式3種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算滲透系數(shù)，并取其平均值作為地表土壤的滲透系數(shù)，并按滲透系數(shù)評(píng)分分級(jí)進(jìn)行分區(qū)劃分，結(jié)果如圖2所示。

圖1 研究區(qū)地形坡度Fig.1 Terrain slop of the study area

圖2 研究區(qū)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(shù)據(jù)，確定包氣帶厚度并分區(qū)，結(jié)果(圖3)表明，研究區(qū)內(nèi)包氣帶厚度分布不均，其中西南大部分地區(qū)、東和北部部分地區(qū)包氣帶厚度較大(>10 m)，而東南部和中部大部分地區(qū)包氣帶厚度較?。灰巴鉂B水試驗(yàn)結(jié)果表明，研究區(qū)北部部分地區(qū)包氣帶滲透性能極低(滲透系數(shù)<0.1 m/d)，南部局地滲透性能中等(1.0～10.0 m/d)，其余地區(qū)滲透性能較低(0.1～1.0 m/d)(圖4)；基于區(qū)內(nèi)已有鉆孔數(shù)據(jù)，獲取鉆孔處黏土厚度，并利用Sufer軟件進(jìn)行插值分析，結(jié)果(圖5)表明，研究區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域包氣帶黏土厚度小于5 m，但北部地區(qū)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(qū)潛水含水層滲透性能主要通過(guò)研究區(qū)抽水試驗(yàn)結(jié)合區(qū)內(nèi)鉆孔巖性數(shù)據(jù)獲得。按照含水層滲透性能分級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分區(qū)劃分(圖6)。由圖6可知，研究區(qū)含水層整體上屬于中等滲透性(1.0～10.0 m/d)區(qū)，僅西南角和北部等局部區(qū)域含水層屬低滲透性(0.1～1.0 m/d)區(qū)。

結(jié)合已有鉆孔資料和地下水位觀測(cè)資料，確定含水層厚度分布情況并進(jìn)行分區(qū)(圖7)。由圖7可知，研究區(qū)內(nèi)含水層厚度巨大，但呈現(xiàn)由西北向東南厚度遞減的趨勢(shì)。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

利用ARCGIS按照建立的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系對(duì)前文所得海綿城市建設(shè)影響因素分級(jí)評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)疊加計(jì)算，得到海綿城市建設(shè)的地質(zhì)適宜性分區(qū)結(jié)果(圖8)，并根據(jù)各分級(jí)區(qū)域地質(zhì)條件、《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》及相關(guān)參考文獻(xiàn)[22-23]，給出各區(qū)域適宜的海綿城市設(shè)施類型(表9)。由圖8和表9可以看出：1)研究區(qū)西南區(qū)域大部分地區(qū)綜合評(píng)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(shè)以雨水入滲為主的相關(guān)LID設(shè)施，著力將本區(qū)雨水就地消納；2)研究區(qū)東部及中部大部分區(qū)域?yàn)樵u(píng)分較低(60～70)的區(qū)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(shè)施與雨水調(diào)節(jié)和傳輸設(shè)施的組合，將雨水的就地消納與區(qū)外傳輸相結(jié)合；3)研究區(qū)北側(cè)中部區(qū)域?yàn)榫C合評(píng)分最差(≤60)區(qū)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(shè)施，適宜建設(shè)以雨水集蓄和傳輸為主要功能的LID設(shè)施。

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

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

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

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

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

圖8 綜合評(píng)分分區(qū)Fig.8 Result of grade classification

表9 評(píng)分等級(jí)區(qū)塊性質(zhì)及適宜海綿城市LID設(shè)施類型

4 結(jié)論與建議

1)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件對(duì)雨水入滲、地下儲(chǔ)存和傳導(dǎo)有顯著影響，海綿城市建設(shè)應(yīng)依分利用地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，合理設(shè)計(jì)低影響開(kāi)發(fā)(LID)工程設(shè)施的類型和建設(shè)方案。

2)包氣帶滲透性能和包氣帶厚度是海綿城市建設(shè)地質(zhì)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(shè)施建設(shè)的適宜性。

受目前研究階段以及支撐資料數(shù)量和精度的限制，尚不能確定LID設(shè)施的位置、規(guī)模以及雨洪控制能力等具體參數(shù)，有待進(jìn)一步研究。

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