李 云， 徐連三， 陳建良*， 王中武， 李祖春

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北 武漢 430051； 2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034)

2008—2020年，武漢市建成區(qū)面積由461 km2增長(zhǎng)至885 km2，快速城鎮(zhèn)化發(fā)展導(dǎo)致武漢市硬化面積顯著增加，加上武漢市“雨洪同期”的特點(diǎn)，增加了武漢市發(fā)生暴雨內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。由于硬化路面阻擋了降水對(duì)地下水的補(bǔ)給，未來武漢市水資源從中脆弱區(qū)升至中高脆弱區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)增大[1]。2015年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見》中指出，要統(tǒng)籌發(fā)揮自然生態(tài)功能和人工干預(yù)功能，有效控制雨水徑流[4]。為了減少城市建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的影響，2015年武漢市開始大力推廣海綿城市建設(shè)項(xiàng)目[2]，并分階段陸續(xù)出臺(tái)多項(xiàng)政策予以支持。2016年8月25日發(fā)布并實(shí)施的《武漢海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》指出，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)堅(jiān)持因地制宜的原則，避免大拆大建，注重對(duì)河流、湖泊、濕地、坑塘和溝渠等城市原有生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和修復(fù)，但不宜過于追求生態(tài)性而忽視排水管涵等灰色設(shè)施的建設(shè)[3]。

由于武漢市具有地表水系發(fā)達(dá)、地下水位高、下墊面巖性以黏性土為主等特點(diǎn)，決定了其不能完全搬用其他城市的海綿城市建設(shè)技術(shù)，必需充分調(diào)研武漢市水文地質(zhì)條件，并結(jié)合城市特點(diǎn)開展海綿城市建設(shè)工作[5]。含水介質(zhì)通常具有強(qiáng)空間變異性，準(zhǔn)確刻畫含水介質(zhì)的空間分布是海綿城市建設(shè)設(shè)計(jì)前期的重要工作。基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型可以清晰地三維可視化顯示含水介質(zhì)的空間分布規(guī)律，有助于海綿城市工程設(shè)計(jì)。三維地質(zhì)建模理論起源于20世紀(jì)70年代[6-7]，目前國(guó)內(nèi)盡管有一些關(guān)于海綿城市設(shè)施建設(shè)水文地質(zhì)條件適宜性的研究，但是結(jié)合三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，在水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上考慮海綿城市建設(shè)適宜性的文獻(xiàn)較少[8]。本文以武漢市長(zhǎng)江新城起步區(qū)水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，結(jié)合地層情況、地表水系分布、土壤滲透性分區(qū)分層、地表地形坡度等資料，利用GMS軟件建立長(zhǎng)江新城起步區(qū)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)可視化模型，綜合顯示研究區(qū)海綿城市建設(shè)各項(xiàng)因素，為海綿城市建設(shè)的水文地質(zhì)條件適宜性評(píng)價(jià)及灰色設(shè)施的布置提供基礎(chǔ)依據(jù)[9-10]。

1 研究區(qū)概況

武漢市長(zhǎng)江新城起步區(qū)位于該市中部諶家磯—武湖區(qū)塊，其范圍東至武湖泵站河，南至長(zhǎng)江北岸，西至灄水河、府河，西南至張公堤路，北至四環(huán)線南側(cè)(圖1)，GPS坐標(biāo)范圍為N30°39′40″～N30°44′53″、E114°18′54″～E114°26′42″，面積約50 km2。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，全年濕潤(rùn)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(qū)內(nèi)地表水系發(fā)達(dá)。

圖1 研究區(qū)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(qū)以平原為主，地勢(shì)平坦，海拔高程在16～30 m。區(qū)內(nèi)均為第四系所覆蓋，包括人工填土、全新統(tǒng)走馬嶺組、上更新統(tǒng)下蜀組、中更新統(tǒng)王家店組以及下更新統(tǒng)陽邏組(圖2)。地下水主要賦存于下更新統(tǒng)陽邏組中。由于第四系上部含有厚度較大的黏土、粉質(zhì)黏土等低滲透介質(zhì)，下部含水層具有承壓性質(zhì)，其地下水位埋深在2.50～17.42 m，空間變化較大，變差系數(shù)達(dá)到42.77%。

圖2 研究區(qū)第四系地質(zhì)剖面圖Fig.2 Quaternary geological profile of the study area

2 三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

2.1 三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的建立方法

利用等效滲透系數(shù)法[11]將每個(gè)鉆孔按照分層巖性和厚度計(jì)算其導(dǎo)水系數(shù)，并繪制導(dǎo)水系數(shù)隨深度的累積變化曲線，依據(jù)斜率變化劃分含水巖組，并確定各鉆孔不同含水巖組的頂?shù)装甯叱毯蜐B透系數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立研究區(qū)的三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2 含水巖組劃分

根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔抽水試驗(yàn)、環(huán)刀樣品測(cè)試結(jié)果、雙環(huán)入滲試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及利用ROSETTA軟件估計(jì)的非飽和水力參數(shù)[12]，結(jié)合研究區(qū)及鄰區(qū)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察中的滲透系數(shù)，獲取長(zhǎng)江新城起步區(qū)不同巖性的滲透系數(shù)值(表1)。

表1 區(qū)內(nèi)不同巖性滲透系數(shù)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(jì)導(dǎo)水系數(shù)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(shù)可以利用下式計(jì)算：

(1)

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

本次研究收集到研究區(qū)內(nèi)33個(gè)鉆孔的巖性數(shù)據(jù)，除西北區(qū)存在部分地區(qū)無鉆孔外，大部分地區(qū)均有鉆孔分布，而且分布比較均勻(圖1)。將研究區(qū)所有鉆孔均按照上述方法進(jìn)行處理，繪制每個(gè)鉆孔累計(jì)導(dǎo)水系數(shù)隨深度變化曲線圖，根據(jù)曲線的斜率變化特征對(duì)各孔的巖性進(jìn)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(huán)境[14]以及不同鉆孔之間的距離，當(dāng)曲線斜率變化不清晰或難以清晰劃分時(shí)，結(jié)合相鄰孔的劃分結(jié)果進(jìn)行概化。與傳統(tǒng)方法相比，在概化復(fù)雜巖性含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，累積導(dǎo)水系數(shù)法把實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與定量計(jì)算相結(jié)合，單孔與剖面整體相結(jié)合，這種半定量化的分類，使復(fù)雜含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)的概化結(jié)果更為合理(圖5)。

圖5 研究區(qū)滲透系數(shù)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(huì)使產(chǎn)生的地表坡流迅速流走，使地表徑流增加，排水能力增強(qiáng)，但不利于雨水滯留下滲。平緩地勢(shì)則有利于滯積表流，增加雨水入滲量，但排水能力較弱。根據(jù)GDEMV2號(hào)衛(wèi)星30 m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)繪制的研究區(qū)坡度分布圖(圖6)可知，區(qū)內(nèi)地形整體較為平緩，坡度多在6°以內(nèi)，僅朱家河、灄水河兩岸防洪堤坡度較陡，坡度可達(dá)20°及以上，說明研究區(qū)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(shí)排出區(qū)外，若下滲不及時(shí)，容易產(chǎn)生內(nèi)澇災(zāi)害。

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

海綿城市建設(shè)應(yīng)尊重城市的地形變化，利用地形變化滯水蓄水，結(jié)合灰色設(shè)施提升滲水能力，減輕對(duì)平緩、低洼地區(qū)的洪澇影響，更好地應(yīng)對(duì)暴雨帶來的洪澇災(zāi)害。

2.4 土地利用類型分區(qū)

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(chǎn)流機(jī)制和徑流控制有著很大差異。耕地土質(zhì)疏松，利于雨水入滲，林地次之，建設(shè)用地使土壤硬質(zhì)化，不易雨水入滲，易形成地表徑流。不透水地面的增加會(huì)提高區(qū)域降雨徑流系數(shù)，使得同樣降雨條件下的地表徑流增大。

研究區(qū)位于城市擬開發(fā)建設(shè)地塊，區(qū)內(nèi)現(xiàn)有土地利用類型較多，主要以建設(shè)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(xiàng)家汊(圖7)。其中河湖、魚塘等水域?qū)儆跐竦?，為雨水匯集地，對(duì)降雨具有極強(qiáng)的消納吸收能力；研究區(qū)南部的耕地分布在府河、灄水河的一級(jí)階地，北部的耕地分布在武湖周圍，有利于雨水的下滲；建設(shè)用地集中在長(zhǎng)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(qū)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(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

陳夢(mèng)熊[15]指出水文地質(zhì)概念模型是建立數(shù)學(xué)模型和物理模型的基礎(chǔ)，能否正確將工程的本質(zhì)特征簡(jiǎn)化為物理模型的基礎(chǔ)直接影響到水文地質(zhì)相關(guān)問題研究方法的選取及結(jié)論的分析。構(gòu)建正確的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，對(duì)海綿城市建設(shè)適宜性研究具有重要的影響。本文在概化研究區(qū)復(fù)雜巖性含水介質(zhì)的基礎(chǔ)上，利用GMS軟件中的Solid、TINS等模塊建立了武漢市長(zhǎng)江新城起步區(qū)三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(圖8-圖9)[16]。

圖8 水文地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型柵欄圖Fig.8 Fence diagram of three dimensional structure model of hydrogeology

圖9 三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Three dimensional hydrogeological structure map

結(jié)合區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形坡度和土地利用類型分析，區(qū)內(nèi)海綿城市建設(shè)適宜性存在較大差異，主要分為三大區(qū)域：

(1) 府河、灄水河的一級(jí)階地和武湖周圍。該區(qū)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(zhì)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(zhì)黏土層下滲至含水層排出區(qū)外。

(2) 靠近江邊的含水層。該區(qū)域埋深較小，雨水下滲至含水層后可迅速排出區(qū)外，但由于區(qū)內(nèi)多為建設(shè)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(chǎn)生積水內(nèi)澇。

(3) 北部灄水河邊。該區(qū)域多為建設(shè)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(qū)外。

海綿城市建設(shè)需結(jié)合城市自身的特點(diǎn)，因地制宜，研究區(qū)內(nèi)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(jù)各地的海綿城市建設(shè)適宜性分別給出以下建議：

(1) 府河、灄水河的一級(jí)階地和武湖周圍可適當(dāng)布設(shè)水利工程，連通淺層地下水和下伏承壓含水層，增強(qiáng)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(shè)施減少地表徑流，涵養(yǎng)地下水，將雨水消納吸收后通過含水層排出區(qū)外。

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

3 結(jié)論

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

(2) 長(zhǎng)江新城起步區(qū)整體上地形起伏小，有利于增強(qiáng)其滲蓄能力，但不利于排水。土地利用類型以建設(shè)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(shè)用地則不利于雨水的下滲。

(3) 海綿城市建設(shè)需結(jié)合城市自身的特點(diǎn)，因地制宜，根據(jù)區(qū)內(nèi)土地利用類型、地形坡度、含水層埋深等特點(diǎn)，合理選用水利工程、下沉式綠地、生物滯留池、市政雨水管網(wǎng)等不同設(shè)施增強(qiáng)消納吸收降雨的能力。

(4) 水文地質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型綜合了研究區(qū)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(xiàng)水文地質(zhì)條件對(duì)海綿城市建設(shè)的利弊，為海綿城市建設(shè)選址、工程設(shè)施類型的選擇和布置提供了依據(jù)。