熊 雄，劉一鳴，何 陽，徐定芳，龐 鐵，曹創(chuàng)華

(湖南省地質調查院，湖南 長沙 410116)

0 前言

隨著經(jīng)濟和社會發(fā)展，城市人口逐步增長，城市規(guī)模不斷擴大，一些由于自然災害或者城市規(guī)劃建設不完善造成的問題愈發(fā)顯現(xiàn)，例如，洪澇災害的發(fā)生與城市排水系統(tǒng)密切相關[1]、城市生產(chǎn)生活垃圾造成的水資源污染直接影響了人們的健康安全[2]、地表水與地下水的相互轉換和循環(huán)利用是解決城市缺水的有效辦法[3]。

低影響開發(fā)(LID)技術是一種可輕松實現(xiàn)城市雨水收集利用的生態(tài)技術體系，最早市美國科學家在上個世紀90年代提出的[4]，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(fā)前后水文特征的相對穩(wěn)定，降低人為工程開發(fā)對環(huán)境的影響[5-6]。我國根據(jù)國內城市雨洪問題、城市規(guī)劃建設的特點，在LID技術的基礎上，提出了“海綿城市”的概念，是指城市能夠像海綿一樣，在適應環(huán)境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的彈性。

目前LID工程設施的建設，主要考慮地表水文循環(huán)的影響及相關研究[7]，而本文以研究區(qū)地質條件為基礎，建立指標評價體系，分析研究區(qū)適宜的海綿城市設施類型。

1 常德市海綿城市建設現(xiàn)狀

常德市河湖面積較大，開展海綿城市具有得天獨厚的自然條件，是國內最早認可“海綿城市”理念并開展實踐活動的城市。并于2015年成為“全國首批海綿城市建設試點城市”。據(jù)《常德市海綿城市專項規(guī)劃(2015-2030年)》：2018年近期規(guī)劃重點建設區(qū)為常德市海綿城市建設試點區(qū)，面積36.1 km2；2030年遠期規(guī)劃重點區(qū)為常德市江北城區(qū)、鼎城區(qū)、德山經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)的全部建設用地：面積160 km2。

目前常德市已完成海綿城市建設試點工作，建設總面積36.1 km2，其中院落小區(qū)22.9 km2，河湖水體3 km2，道路廣場綠地及其它公共設施10.2 km2。常德市海綿城市建設取得了顯著成效：(1)水安全得到了有力保障，2019年、2020年常德市均經(jīng)歷了170 mm以上降雨量的考驗，城市沒有出現(xiàn)積水內澇，基本實現(xiàn)小雨不積水，大雨不內澇；(2)水環(huán)境得到改善，老城區(qū)10多處黑臭水體得到整治；三是生態(tài)系統(tǒng)得到優(yōu)化，區(qū)內主要的江河湖已經(jīng)全面連通，可以形成城市水系統(tǒng)良性循環(huán)，通過淤泥清理、河道拓寬、下沉式綠地建設、綠色屋頂改造等工程措施，提升了雨水綜合利用能力。目前，常德市已啟動了非試點區(qū)海綿城市建設工作。

2 海綿城市建設影響因素

影響海綿城市建設的地質條件因素包括地表、包氣帶、含水層3個方面，又可細分為地形坡度、地表滲透性、地表水體發(fā)育程度、包氣帶厚度、包氣帶巖性、含水層厚度、含水層滲透性7個指標[7]。

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門戶。地形坡度是影響降雨入滲規(guī)律的重要地貌因素，在相同的氣候條件下，地形坡度越大地表水流速越快，平緩與地勢低洼的地段，可以讓雨水暫時滯留，增加大氣降水的入滲時間，從而增加入滲量；地表滲透性也市體現(xiàn)雨水下滲能力的一個重要因素，地表滲透性越好，雨水的入滲速度越快[7]；地表水體發(fā)育程度決定了城市內部水系蓄水能力和排水能力，同時也決定了城市排澇裝機容量。

包氣帶是大氣降水進入含水層的必經(jīng)通道，也是海綿城市建設過程中最重要的地下儲水空間[8]。包氣帶的滲透性能決定了地表降水滲入地下儲水空間的能力，砂性土包氣帶透水性好，利于雨水入滲地下水；粘性土包氣帶透水性差，不利于雨水入滲地下水。包氣帶厚度決定了地下儲水空間的大小，隨著包氣帶厚度增大，滯留的水分也大，雨水入滲量也大。

含水層是大氣降水的直接承載體，是地表水與地下水轉換的媒介。含水層滲透性越好，其水資源傳輸能力就會越強，而含水層厚度越高，則會擁有更強的水資源調蓄能力；含水層厚度決定了其蓄水的能力，含水層厚度大、地下水位埋深大，則可容納接收地表雨水的空間越大。

3 海綿城市建設地質適宜性評價指標體系建立

3.1 評價指標選取

海綿城市建設地質適宜性評價指標的選取主要遵循以下原則：

(1)各指標相互獨立，相互之間不存在必然關聯(lián)；

(2)要綜合各個方面因素考慮指標的選取，保證指標的全面性；

(3)所選取的指標要具體，要便于進行標度打分；

根據(jù)上述原則及影響因素分析，確定的海綿城市建設地質適宜性評價指標體系如下(表1)。

表1 評價指標層次結構表

3.2 評價指標權重賦值

層次分析法是指將與決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析的一種權重決策分析方法，簡稱AHP。本次研究將采用此法對評價指標進行賦值，該方法的主要優(yōu)點是不僅考慮了評價體系的系統(tǒng)性，而且簡潔實用，在評價指標難以定量化的評價體系中得到廣泛使用。

AHP的計算步驟包括：

(1)建立層次結構模型(表1所示)；

(2)構造判斷矩陣；

(3)層次單排序及其一致性檢驗。

3.2.1 構建各層次的判斷矩陣

本文采用了A．Lsaaty的標度方法，對各因素的相對重要性進行量化，根據(jù)重要程度取標度值，從低到高標度值為1到10的整數(shù)。即一個指標對另一個指標的相對重要性用標度值來進行表示，反過來則用該標度值的倒數(shù)表示，根據(jù)這個方法，可以得到該層次各指標的判斷矩陣S：

S=(sij)n×n

(1)

式中：S為判斷矩陣；sij為因素i與j比較得到判斷因子；n為該層影響因素的個數(shù)。

由此可以得到各層次的判斷矩陣如下(表2～表5)：

表2 B-A判斷矩陣

表3 C-B1判斷矩陣

表4 C-B2判斷矩陣

表5 C-B3判斷矩陣

3.2.2 層次單排序及其一致性檢驗(權重計算)

層次單排序是指對上述判斷矩陣的特征向量的各元素相對重要性進行權值排序。能否確認層次單排序，則需要進行一致性檢驗來進行判定。

本次研究將利用YAAHP軟件計算一致性檢驗系數(shù)CR，CR越小，說明一致性越大，計算結果越可靠。本文設定所有判斷矩陣的臨界值為0.1，即CR小于0.1時，判別矩陣通過一致性檢驗，CR大于等于0.1時，則不通過一致性檢驗[9]。經(jīng)過試算和調整，最終得到上述判斷矩陣(表2-表5)的CR值，計算結果分別為：0.008 8，0.051 6，0，0。并根據(jù)判別矩陣結果得到各指標權重(表6)。

3.3 海綿城市建設地質條件影響因素分級評分

根據(jù)上述計算結果，采用綜合評分法對評價區(qū)域進行評分，每個指標評分采用10分制，分數(shù)有3、6、8、10四個檔次。各指標評分標準如下：地表滲透性、包氣帶滲透性、含水層滲透性參照《水文地質手冊(第二版)》的透水性分級，根據(jù)滲透系數(shù)大小分為四級；地形坡度參照《水土保持綜合治理規(guī)劃通則》(GB/T15772-1995)，由大到小依次分為平地、微坡、緩坡、陡坡；地表水體發(fā)育程度、包氣帶厚以及含水層厚度結合研究區(qū)的實際情況進行分級(見表7)。再根據(jù)各指標的評分及權重計算得出海綿城市建設適宜性評價的最終得分。

4 海綿城市建設地質適宜性評價研究實例

結合常德市海綿城市建設實際情況，針對表1所列7個二級評價指標，分別建立單指標評價指數(shù)分級標準，評分按10分制，如表7所示。

表6 各指標層評價因子權重

表7 影響因素分級評分標準

4.1 海綿城市建設適宜性分區(qū)

4.1.1 地形坡度

4.1.2 地表滲透性

本次研究參考《常德市海綿城市專項規(guī)劃(2015-2030年)》，以定性評價為主，定量評價為輔。將研究區(qū)地表滲透性分為極低、低、中、高四個滲透性區(qū)。其中武陵區(qū)主城區(qū)為常德市海綿城市試點區(qū)，已完成海綿城市建設，本區(qū)為地表高滲透區(qū)，另外太陽山—白鶴山生態(tài)綠地區(qū)、河洑生態(tài)綠地區(qū)、汪水濕地保護區(qū)、盤塘湖濕地保護區(qū)、建成區(qū)生態(tài)綠地區(qū)等區(qū)地表滲透性較好，均為高滲透區(qū)；丹洲、斗姆湖、蘆荻山都市田園區(qū)主要以水田為主、旱地次之，地表滲透性具季節(jié)差異，總體滲透性中等；白鶴山東部以紅層為主，地表多為裸露弱—中風化泥巖、泥質粉砂巖，滲透性較弱，為較低滲透區(qū)；建成區(qū)除試點區(qū)外其他地區(qū)因地面硬化，透水能力差，為極低滲透區(qū)。各等級分區(qū)特征見(表7、圖2)。

4.1.3 地表水體發(fā)育程度

4.1.4 包氣帶厚度

利用地形資料、鉆孔資料、實測大口井水位數(shù)據(jù)和地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用MAPGIS空間分析功能，繪制研究區(qū)地下水埋深等值線圖，由此確定包氣帶厚度并按(表7)進行分區(qū)。結果(圖4)表明，研究區(qū)內包氣帶厚度分布不均，中部河湖平原區(qū)地表水發(fā)育程度較高，以地表水補給地下水為主，包氣帶厚度較小(<6 m)；而北部太陽山高丘陵—低山區(qū)、河洑西部低丘陵區(qū)和德山南部丘陵區(qū)包氣帶厚度較大。

4.1.5 包氣帶滲透性

4.1.6 含水層厚度

根據(jù)區(qū)內鉆孔數(shù)據(jù)，利用MAPGIS軟件的空間分析功能繪制了工作區(qū)第四系含水層(第一層含水層)厚度的等值線圖，再根據(jù)不同的厚度區(qū)間(見表7)，把工作區(qū)分為四個區(qū)域，分區(qū)結果如圖6所示。含水層極厚的區(qū)域(厚度>50 m)主要分布在建河以西、沅江兩岸的主城區(qū)和石門橋鎮(zhèn)主城區(qū)；含水層較厚區(qū)域(30 m<厚度≤50 m)主要分布在斗姆湖鎮(zhèn)-德山-蘆荻山鄉(xiāng)-東江鄉(xiāng)-白鶴山鄉(xiāng)一帶，占據(jù)了工作區(qū)大部分面積；含水層厚度中等(10 m<厚度≤30 m)區(qū)域主要分布在建河以東至武陵區(qū)和鼎城區(qū)的主城區(qū)一帶；含水層厚度較薄(厚度≤10 m)區(qū)域主要分布在太陽山一帶和汪水流域一帶，地表主要為基巖出露或者殘坡積土覆蓋。

圖1 地形坡度分區(qū)圖 圖2 地表滲透性分區(qū)圖

圖3 地表水發(fā)育程度分區(qū)圖 圖4 包氣帶厚度分區(qū)圖

4.1.7 含水層滲透性

根據(jù)區(qū)內水文地質鉆孔抽水試驗數(shù)據(jù)，可以得出不同巖性含水層的滲透系數(shù)，再參照中國地質調查局《水文地質手冊(第二版)》，把滲透系數(shù)值分為四個區(qū)間(見表7)。分區(qū)結果如圖7所示，工作區(qū)內太陽山以南大部分區(qū)域為河湖相沖擊平原，第四系含水層孔隙率較高、連通性好，屬于高滲透性區(qū)(滲透系數(shù)>10 m/d)；中等滲透性區(qū)(1 m/d<滲透系數(shù)≤10 m/d)主要分布在建河以西犀牛口村-華南實驗中學一帶的常德組(Qp1cd)地層；低滲透性區(qū)(0.1 m/d<滲透系數(shù)≤1 m/d)主要分布在建河以西的灌溪鎮(zhèn)、桃花源機場附近、德山-石門橋鎮(zhèn)一帶的二級階地內；極低滲透性區(qū)(滲透系數(shù)≤0.1 m/d)主要分布在太陽山和白鶴山鄉(xiāng)一帶，主要為基巖出露或者殘坡積土覆蓋。

4.2 評價結果

利用MAPGIS的空間分析功能，將研究區(qū)7個二級評價指標圖層進行空間區(qū)相交、合并分析，最后共形成新的評價單元，對各評價單元單因子評價指數(shù)進行加權疊加計算，得到海綿城市建設的地質適宜性分區(qū)結果(圖8)，并根據(jù)各分級區(qū)域地質條件、《海綿城市建設技術指南》及相關參考文獻，給出各區(qū)域適宜的海綿城市設施類型。據(jù)此得出以下評價結果：

圖5 包氣帶滲透性分區(qū)圖 圖6 含水層厚度分區(qū)圖

圖7 含水層滲透性分區(qū)圖 圖8 常德海綿城市建設綜合評價分區(qū)圖

(1)研究區(qū)中部武陵區(qū)主城區(qū)、河洑以西低丘陵區(qū)、汪水濕地保護區(qū)西部、盤塘湖西部評分高(>8)。其中武陵區(qū)主城區(qū)36.1 km2范圍為海綿城市建設試點區(qū)域，目前已按規(guī)劃完成了工程建設，取得了顯著成效，因此該區(qū)域綜合評分最高；河洑以西低丘陵區(qū)、汪水濕地保護區(qū)西部、盤塘湖西部地表滲透性較好，地表水發(fā)育程度高，包氣帶厚度中等，包氣帶以及含水層滲透性中等，適宜建設以雨水入滲為主的相關LID設施，如滲透塘、滲井等，著力將本區(qū)雨水就地消納。

(2)研究區(qū)西部花山河濕地保護區(qū)、河洑生態(tài)綠地區(qū)、丹洲—斗姆湖都市田園區(qū)，南部大部分以及東部白鶴山以東的都市田園區(qū)和蘆荻山都市田園區(qū)綜合評分較高(7～8)。該區(qū)域主要為為建成區(qū)，地面以林地、水田、旱地為主，植被覆蓋率較高，地形以平地為主，地表滲透性中等，包氣帶以及含水層滲透性中等，包氣帶厚度中等，適宜建設以雨水入滲為主的相關LID設施，如下沉式綠地、生物滯留設施等，著力將本區(qū)雨水就地消納。

(3)研究區(qū)中部海綿城市試點區(qū)外圍、東江鄉(xiāng)—東郊鄉(xiāng)—德山一線、北部新城一帶以及北部太陽山一帶評分較低(6～7)的區(qū)域。其中海綿城市試點區(qū)外圍、德山—東郊一線、北部新城一帶為建成區(qū)，但未進行海綿城市建設，地表滲透性能較好，但包氣帶滲透性能低—極低、包氣帶厚度較最小，所以適宜入滲能力較小的設施與雨水調節(jié)和傳輸設施的組合，將雨水的就地消納與區(qū)外傳輸相結合；研究區(qū)北部太陽山一帶雖然包氣帶厚度大，但地形坡度較大，地表水體發(fā)育程度中等—低，包氣帶滲透性較低、含水層滲透性低，適宜建設以雨水集蓄和傳輸為主要功能的LID設施。

(4)研究區(qū)東北側太陽山東側一帶為綜合評分最低(≤6)區(qū)域。其地表主要為裸露紅層，地表滲透性較差、包氣帶厚度薄、包氣帶滲透性較低，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。

5 結語

(1)地質條件對大氣降水的入滲、徑流、地表水與地下水相互轉換以及地下水存儲條件等有著重要影響。這都是海綿城市建設需要重點考慮的方向，因此，低影響開發(fā)(LID)工程設施的類型和建設方案，需要充分結合該地區(qū)的地質條件進行設計。

(2)從研究結果來看，在影響海綿城市建設的地質條件因素中，包氣帶滲透性能和包氣帶厚度兩者所占權重最大，因此重要程度最高，需要優(yōu)先考慮。

(3)工作區(qū)地表水系十分發(fā)育，在進行海綿城市建設時，應該充分利用地表水系及周邊綠地的蓄水能力，以節(jié)省LID工程的建設成本。同時也要預防大氣降水經(jīng)過地表徑流后對地表水體或者綠地造成污染?？梢栽跒I水綠化帶的LID設施附近，增加設計沉淀池、前置塘等裝置，讓地表雨水進入綠化帶或者水體之前進行預處理，消除污染影響。

(4)沅江兩岸的河湖相平原地區(qū)，含水層厚度中等，地下水位埋藏較淺，且大部分時間受到沅江側向補給，會直接影響入滲型LID工程設施的性能。該區(qū)域在汛期需要及時排水，降低地下水位，確保含水層有足夠的空間接納入滲的地表雨水，防止城內形成積水或者內澇。所以建議海綿城市建設與城市雨水管渠系統(tǒng)同步設計規(guī)劃，重點考慮打通穿紫河、新河、漸河等水系，推動構建“一江、兩環(huán)、三濕地、四河、五湖、多水網(wǎng)”的水系空間結構，形成水體的自然流動，強化水體空間調節(jié)能力和凈化能力。