李贏杰,黃仕元

(1.南華大學(xué) 松霖建筑與設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001;2.南華大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 衡陽(yáng)421001)

0 引 言

海綿城市可以有效改善城市水環(huán)境問(wèn)題，在收集徑流和改善水質(zhì)方面具有顯著效果[1]。然而在建設(shè)海綿城市過(guò)程中，多半以當(dāng)?shù)厮鶕碛械墓珗@、山體、濕地等天然的海綿體為節(jié)點(diǎn)，向外延展，對(duì)位于地表層下的土壤包氣帶和含水層等地下天然“海綿體”的關(guān)注甚少。因缺少對(duì)地下水資源存儲(chǔ)空間的判斷，致使眾多的建設(shè)工程出現(xiàn)建造困難、建設(shè)規(guī)模較小、造價(jià)昂貴、建設(shè)效益低下等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，同時(shí)在后期的維護(hù)與更改、效果是否具有可持續(xù)等方面，面臨著重大挑戰(zhàn)。地質(zhì)條件作為海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一，對(duì)海綿城市建設(shè)的規(guī)模布局具有重要影響，在選取合適的海綿設(shè)施上起著關(guān)鍵作用。因此，基于地質(zhì)條件的海綿城市建設(shè)適宜性研究顯得格外重要，合理地劃分出適宜建設(shè)區(qū)、較適宜建設(shè)區(qū)、一般受限建設(shè)區(qū)、禁止建設(shè)區(qū)，便于相關(guān)海綿工程的開(kāi)展與建設(shè)。

1 影響海綿城市建設(shè)的地質(zhì)要素分析

在自然環(huán)境中，水循環(huán)和水量的平衡都是建立在降雨-地表水-土壤水-地下水之間的遷移和相互轉(zhuǎn)換，地質(zhì)作為轉(zhuǎn)換媒介，決定著水流的速率與水分的性質(zhì)。

1.1 地表?xiàng)l件

當(dāng)大氣水通過(guò)降雨的形式落于地表時(shí)，地表的地形坡度、植被的覆蓋程度等都會(huì)影響地表水的垂向與側(cè)向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)匦纹露容^大時(shí)，地表徑流快速流動(dòng)，地表產(chǎn)流量變大；地形坡度較小的時(shí)候，由于降雨徑流緩慢地流動(dòng)，致使地表徑流在地表面的接觸時(shí)間變長(zhǎng)，有利于雨水的入滲補(bǔ)給成為地下水[2]。故地表層的地形坡度越小，越有利于雨水的下滲，不易產(chǎn)生洪澇，可以有效消減地表徑流的洪峰值。植被覆蓋越密集，植物根系吸水越多，越能阻擋地表產(chǎn)流的形成過(guò)程，減小地表徑流量，能夠促使地表水與土壤充分地接觸，加快徑流的入滲，減少地表的產(chǎn)流量。同時(shí)，不同植被類型吸水能力和入滲系數(shù)不同，根據(jù)研究表明：林地>灌木叢>草地。

1.2 土壤包氣帶條件

土壤包氣帶是水循環(huán)轉(zhuǎn)換的媒介，包氣帶巖性的不同與飽和度都將影響其入滲的速度與量。包氣帶的巖性顆粒越細(xì)，顆粒間的空隙率越小，在入滲的過(guò)程中受阻力越多，降雨入滲的速率慢。眾多研究證明，中粗砂的入滲系數(shù)大于粉細(xì)砂的滲透系數(shù)，其次就是粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)大于黏土滲透系數(shù)。

雨水下滲進(jìn)入土壤的包氣帶時(shí)，一部分的包氣帶會(huì)由不飽水狀態(tài)轉(zhuǎn)變成飽水狀態(tài)。所以，包氣帶的厚度決定入滲時(shí)的土壤水分含量，包氣帶越厚，儲(chǔ)存的水分越多，對(duì)地下水的補(bǔ)給越多。同時(shí)，在入滲過(guò)程中，土壤的包氣帶對(duì)水質(zhì)具有凈化作用，不同巖性對(duì)凈化水質(zhì)的程度不一樣，表現(xiàn)為黏土>粉質(zhì)黏土>粉土>粉細(xì)砂。

1.3 淺層含水層條件

地下水性能的關(guān)鍵取決于含水層的滲透系數(shù)，滲透性能越好的地段，地下水在含水層中的自由流動(dòng)能力越強(qiáng)，水流的相互轉(zhuǎn)換越便利，儲(chǔ)存的地下水量越多。同時(shí)，由于地表徑流在入滲的時(shí)候，帶有一定的污染物，時(shí)間長(zhǎng)了產(chǎn)生污染物的積累效應(yīng)，大量水分的入滲，會(huì)引起地下水水質(zhì)的污染。因此，在潛水層較淺的地區(qū)，不適宜建設(shè)海綿設(shè)施。

2 東莞市海綿城市地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)體系建立

2.1 海綿城市地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)思路

海綿城市地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)是基于地質(zhì)環(huán)境背景下，按照縱向形式從地表層到地下層，由主要到次要的原則，篩選出影響海綿城市建設(shè)的主要地質(zhì)因素。通過(guò)建立海綿城市地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)體系，分層次地對(duì)體系進(jìn)行相關(guān)因子的重要程度定性分析，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的因子權(quán)重劃定海綿城市適宜建設(shè)區(qū)、較適宜建設(shè)區(qū)、一般適宜建設(shè)區(qū)和控制建設(shè)區(qū)[3]。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

從海綿城市的“滲”“蓄”“凈”理念出發(fā)，通過(guò)分析地質(zhì)因素對(duì)海綿城市建設(shè)的影響機(jī)制，遵循全面性、合理性以及易操作性原則，從表層到深層選取相關(guān)地質(zhì)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)。以海綿城市建設(shè)地質(zhì)適宜性為目標(biāo)層，地表的適宜性、土壤包氣帶的適宜性、地下含水層的適宜性為一級(jí)評(píng)價(jià)級(jí)指標(biāo)層，植被覆蓋度、地形坡度、地表巖性、土壤環(huán)境質(zhì)量、包氣帶厚度、包氣帶滲透性、含水層厚度、含水層滲透性等8項(xiàng)地質(zhì)因子為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表1所示。

植被覆蓋度與地形坡度數(shù)據(jù)來(lái)源于地理遙感生態(tài)網(wǎng)，地表巖性來(lái)源于東莞市地質(zhì)工程勘探院，土壤環(huán)境質(zhì)量來(lái)源于東莞市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，包氣帶厚度來(lái)源于水利部水文司，包氣帶滲透性借助于土壤巖土顆粒推算而成，含水層厚度與滲透性來(lái)源于東莞市水務(wù)局。

表1 評(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu)層次Table 1 Evaluation Architecture Hierarchy

2.3 指標(biāo)權(quán)重的賦值與計(jì)算

為了快速數(shù)字化分析得出各地質(zhì)評(píng)價(jià)因子對(duì)海綿城市建設(shè)的整體影響程度，需要進(jìn)一步對(duì)其指標(biāo)因子進(jìn)行相關(guān)權(quán)重賦值。層次分析法在我國(guó)的各大專業(yè)領(lǐng)域里的各種決策與工作流程中應(yīng)用較為廣泛，是一種定性與定量相結(jié)合的方法，其計(jì)算過(guò)程靈活簡(jiǎn)潔。由于層次分析法在賦值過(guò)程中略帶有主觀意識(shí)，故需借用YAAHP軟件對(duì)賦值結(jié)果做一致性檢驗(yàn)，提高賦值精準(zhǔn)度。

2.3.1 指標(biāo)權(quán)重的賦值

就研究區(qū)而言，地勢(shì)呈東南高、西北低，坡度在西北以及中部變幅較小，東南部坡度變幅較大，山體連綿。在天然條件下，西北部對(duì)降雨入滲的影響較小，東南部由于坡度過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生一定的降雨徑流，減少了與地表的接觸時(shí)間，對(duì)降雨入滲有一定的影響。地表層巖性決定著土壤初始含水率以及雨水是否可以快速滲入至深層的關(guān)鍵，其影響程度較大，相對(duì)較重要。植被覆蓋度在一定程度上影響突出，植被覆蓋度大的地方，植物儲(chǔ)水能力越強(qiáng)，凈化水質(zhì)能力就越強(qiáng)。土壤環(huán)境質(zhì)量狀況是水安全的關(guān)鍵，但研究區(qū)土壤質(zhì)量較好，污染面積較小，故在選取的4個(gè)地表適宜性指標(biāo)中影響權(quán)重最低。土壤層中的包氣帶條件，決定著土壤水分能否快速滲入到淺層含水層中，補(bǔ)給地下水。研究證明：包氣帶的厚度越大，雨水入滲的速率越低，包氣帶的厚度越薄，越有利于雨水的快速入滲；包氣帶的滲透性越好，雨水入滲的速率越快，其影響著入滲過(guò)程中的速率，其相對(duì)較重要。淺層含水層的滲透性是地下水是否可以自由流動(dòng)的體現(xiàn)，淺層含水層的厚度是地下水資源的儲(chǔ)存空間，含水層的厚度越大，儲(chǔ)存空間越充足，是降雨入滲中非常重要的地質(zhì)指標(biāo)，故各指標(biāo)的權(quán)重賦值如表2所示。

表2 B-A判斷矩陣Table 2 B-A Judgment Matrix

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

根據(jù)上文對(duì)各因子相對(duì)重要程度的分析，采用1～9標(biāo)度法兩兩比較得到相對(duì)優(yōu)劣順序，根據(jù)對(duì)比程度，采用判別矩陣進(jìn)行標(biāo)度值的分析，運(yùn)用幾何方根法，對(duì)標(biāo)度值進(jìn)行一致性(CR)的計(jì)算得到地表適宜性(B1)的一致性比率(見(jiàn)表3)、土壤包氣帶適宜性(B2)的CR值(見(jiàn)表4)、含水層適宜性(B3)的一致性比率(見(jiàn)表5)。當(dāng)計(jì)算的CR<0.1時(shí)，表明指標(biāo)因子的權(quán)重賦值較精準(zhǔn)，且每次賦值的標(biāo)準(zhǔn)具有一致性[4]。同時(shí)，根據(jù)CR的值對(duì)各評(píng)價(jià)因子進(jìn)行權(quán)重的取值，得到相對(duì)重要程度排名，如表6所示。

表3 C-B1判斷矩陣Table 3 C-B1 Judgment Matrix

表4 C-B2判斷矩陣Table 4 C-B2 Judgment Matrix

表5 C-B3判斷矩陣Table 5 C-B3 Judgment Matrix

表6 評(píng)價(jià)因子權(quán)重取值表Table 6 Evaluation factor weight value table

3 東莞市海綿城市建設(shè)地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.1 評(píng)價(jià)過(guò)程

通過(guò)建立海綿城市地質(zhì)因子分級(jí)指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)(表7)，采用綜合評(píng)分法將海綿城市建設(shè)地質(zhì)適宜性劃分為4個(gè)等級(jí)(如表8所示)，分別為適宜(Ⅰ)、較適宜(Ⅱ)、一般(Ⅲ)、控制(Ⅳ)。根據(jù)前文中對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算結(jié)果，對(duì)東莞市域的各類地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)分，根據(jù)綜合評(píng)分結(jié)果，賦值于海綿城市建設(shè)的各類地質(zhì)因子。同時(shí)，根據(jù)各評(píng)價(jià)因子的賦值情況，運(yùn)用MAPGIS軟件的空間分析功能對(duì)全區(qū)進(jìn)行賦值[5-6]，并對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和以及柵格計(jì)算，最后疊加成圖。

表7 分級(jí)指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)Table 7 Grading index assignment standard table

表8 海綿城市地質(zhì)適宜性等級(jí)Table 8 Eological suitability grade of sponge city

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果與解析

利用GIS軟件的空間分析功能對(duì)各指標(biāo)加權(quán)求和，最后柵格計(jì)算疊加成圖(圖1)，其評(píng)價(jià)如下：

1)地質(zhì)環(huán)境適宜的區(qū)域面積為531.48 km2，占總規(guī)劃面積的21.6%，連片分布在大嶺山鎮(zhèn)與虎門鎮(zhèn)的相鄰處、清溪鎮(zhèn)、塘廈鎮(zhèn)、鳳崗鎮(zhèn)東南區(qū)、謝崗鎮(zhèn)、黃江鎮(zhèn)，零星分布在松山湖片區(qū)和東城以及茶山鎮(zhèn)內(nèi)。

2)地質(zhì)環(huán)境較適宜的區(qū)域面積為7.37 km2，占總區(qū)域面積的0.28%，零星分布在大朗鎮(zhèn)的中心城區(qū)域，以及寮步鎮(zhèn)區(qū)域。

圖1 東莞市地質(zhì)適宜分區(qū)圖Fig.1 Geologically suitable zoning map in Dongguan

3)地質(zhì)環(huán)境適宜性一般的區(qū)域面積為1 694.19 km2，占市域面積的69.09%。連片分布在西北部和中部片區(qū)。

4)地質(zhì)環(huán)境較差，需控制建設(shè)區(qū)域的面積為219.86 km2，占總區(qū)域面積的9.03%,主要分布在長(zhǎng)安鎮(zhèn)與虎門鎮(zhèn)的相鄰處、橋頭鎮(zhèn)及謝崗鎮(zhèn)的東南部，零星分布在黃沙河流域與濱海灣新區(qū)中。

3.3 對(duì)東莞市海綿城市建設(shè)的建議

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比東莞市已規(guī)劃的8個(gè)首批海綿城市建設(shè)重點(diǎn)區(qū)域(見(jiàn)圖2)，對(duì)策建議如下：

圖2 東莞市8個(gè)首批海綿城市建設(shè)點(diǎn)Fig.2 Eight first batch of sponge city construction sites in Dongguan

1)清溪鎮(zhèn)清溪水流域、大朗鎮(zhèn)中心片區(qū)、謝崗鎮(zhèn)的大部分區(qū)域海綿城市建設(shè)的地質(zhì)適宜性好，地形較為平緩，稍有起伏但坡度不大[7]，植被覆蓋度極高，土壤巖性多半呈細(xì)砂性，地下潛水層主要由厚層粉砂組成，包氣帶及地下含水層的滲透性都較好，有利于大氣降雨的快速入滲和地表徑流的下滲，地下含水層厚度較大，地下水資源儲(chǔ)存空間充足，具備海綿城市建設(shè)的工程地質(zhì)條件。但由于該區(qū)域內(nèi)的淺層地下水水質(zhì)較差，水流量較大，在建設(shè)海綿城市時(shí)需要著重注意對(duì)水質(zhì)的整體凈化，可以適當(dāng)設(shè)計(jì)如引導(dǎo)性人工土壤滲流、植被緩沖帶、初期控制雨水源的棄流等海綿設(shè)施，加強(qiáng)雨水收集過(guò)程中水質(zhì)的凈化，降低對(duì)地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)。

2)寮步鎮(zhèn)地段的黃沙河流域大部分區(qū)域的適宜性較好。由于該片區(qū)建設(shè)密度較高，地表不透水面積占比高，具有中等的植被覆蓋度，對(duì)降雨的快速下滲具有一定的阻擋作用，且該區(qū)域的包氣帶厚度較薄，存儲(chǔ)下滲雨水的空間有限。宜合理規(guī)劃修建蓄水池、設(shè)計(jì)雨水花園等相關(guān)的地表蓄水設(shè)施，集中收集雨水徑流。同時(shí)在修建生物滯留池、下沉式綠地等海綿設(shè)施的建設(shè)輸水設(shè)備時(shí)，需要保證多余的水量可以及時(shí)排走，防止城市內(nèi)澇的出現(xiàn)。

3)松山湖片區(qū)、濱海灣新區(qū)、常平鎮(zhèn)新城中心、沙田鎮(zhèn)西太隆河流域中大部分區(qū)域的適宜性一般，植被覆蓋度低，土壤多為黏性質(zhì)地，地形平緩，包氣帶的滲透性中等，不利于雨水徑流的下滲。但該區(qū)域的包氣帶厚度大，地下水的儲(chǔ)存空間大，且包氣帶凈化性能好?？梢岳闷鋬?yōu)點(diǎn)，在地表建設(shè)滲透塘、雨水花園、屋頂花園與生物植草溝等利于雨水徑流下滲的設(shè)施。

4)濱海灣新區(qū)的中部、茶山鎮(zhèn)與東城地段的黃沙河流域部分區(qū)域適宜性較差，控制建設(shè)區(qū)居多，植被覆蓋度中等，土壤多為砂性質(zhì)地，有利于雨水徑流的下滲，包氣帶厚度較大，便于雨水下滲的儲(chǔ)存。但潛水層水質(zhì)較差，在海綿城市建設(shè)中，需要多設(shè)計(jì)雨水花園、生物植草溝、生物滯留池等設(shè)施，收集過(guò)程中需進(jìn)行雨水的水質(zhì)凈化。

4 結(jié) 論

1)東莞市地質(zhì)條件好，適宜建設(shè)海綿城市的區(qū)域面積為531.48 km2；地質(zhì)條件較好，較適宜建設(shè)海綿城市的區(qū)域面積為7.37 km2；地質(zhì)條件一般，海綿城市建設(shè)受限的區(qū)域面積為1 694.19 km2；地質(zhì)條件較差，禁止建設(shè)海綿城市的面積為219.86 km2。

2)東莞市規(guī)劃的首批8個(gè)海綿城市重點(diǎn)建設(shè)區(qū)，濱海灣新區(qū)中部、茶山鎮(zhèn)與東城地段的黃沙河流域具有部分控制建設(shè)區(qū)。同時(shí)，黃江鎮(zhèn)和樟木頭鎮(zhèn)的部分區(qū)域，具有較好的地質(zhì)環(huán)境，可以規(guī)劃成海綿城市的重點(diǎn)建設(shè)區(qū)。

海綿城市的建設(shè)與地質(zhì)條件密切相關(guān)，基于地質(zhì)條件的海綿城市建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)，可以優(yōu)先并充分利用自然的海綿特性，降低海綿工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)消耗、因地制宜選取適合的海綿設(shè)施類型。