基于地质条件的海绵城市适宜设施类型选择

冶雪艳，李明杰，杜新强，方 敏,贾思达

1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，长春 130021 2.吉林大学环境与资源学院，长春 130021

0 前言

近年来，我国城镇化的快速推进在提高人民生活水平的同时也导致了城市雨洪水的大量增加。然而，传统的雨洪水处理方法存在很多问题，如：由于不透水路面面积扩大，城市排水能力有限造成城市内涝[1]；垃圾、污染物等在路面雨水的径流过程中会进入径流雨水，并随着雨水径流进入地表水体，造成生态破坏[2]；尽管雨水资源丰富，但利用率却极低；同时我国大多数城市存在缺水、严重缺水的问题[3]。因此，寻找合理有效的城市雨洪水处理方法已经成为城市发展过程中的重要问题。

目前已有许多国家在实践发展中制定出了较为完整并适合本国国情的技术法规体系以及控制管理模式。20世纪70年代，美国针对控制非点源污染控制率先提出了最佳管理措施(best management practice，BMP)的概念和技术体系，经过不断的完善，现已发展成为一套经济、高效的雨洪控制与管理措施，通过综合利用工程措施和非工程措施来解决水量、水质以及生态等问题[4]。20世纪90年代，美国又提出了用于暴雨管理和面源污染处理技术的低影响开发(low impact development，LID)技术[5]，强调通过源头分散的小型控制措施(如生物滞留设施、绿色屋顶、植草沟、透水铺装等)来维持场地开发前后水文特征的相对稳定，降低人为工程开发对环境的影响[6]。英国则在20世纪70年代提出了可持续排水系统(sustainable discharge system，SUDS)的城市雨洪管理体系[7]，在综合考虑水量、水质的前提下，通过增加雨水入渗补给地下水等方法从源头减少径流量和削减径流污染。20世纪90年代，澳大利亚提出了将城市水循环和城市发展结合起来的水敏感城市设计体系(water sensitive urban design，WSUD)[8]，该体系以水循环为核心，把雨水、给水、污水(中水)管理作为水循环的各个环节统筹考虑，通过对自然水系的保护及景观与雨洪管理相结合等方法，在缓解城市用水压力、降低水污染并维持城市水生态平衡方面取得了显著成效[9]。

我国针对城市雨洪问题，在吸收借鉴国外先进雨洪管理体系、技术的基础上，提出通过构建“海绵城市”以有效控制和利用城市雨洪资源、减少城市内涝灾害的思路。2014年住房城乡建设部发布《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》(以下简称《指南》)，正式开启了我国海绵城市规划与建设的序幕。《指南》中对海绵城市的定义是：城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害方面具有良好的“弹性”，在降雨时可以净水、吸水、渗水、蓄水，在需要的时候将集蓄的水释放出来进行利用，以提升城市生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生[4]。

我国学者在海绵城市的建设理念及设施的建设方案方面，从城市雨水控制、土地利用以及生态建设等角度进行了比较科学的研究。李岩[10]从城市规划层面，结合生态保护、土地利用等内容制定海绵城市建设方案。董淑秋等[11]提出“生态海绵”地区雨水的规划利用理念框架，从雨水规划利用的角度构建生态海绵地区雨水利用评价指标体系。栗杰文[12]、蔡凯臻等[13]研究认为海绵城市的建设应该以自然水文条件为主，加强原始生态环境的利用，在此基础上进行城市绿地、道路、排水等系统的建设。

从已有的研究可以看出，在城市雨洪管理措施方面，国内外的研究普遍关注各种LID工程设施的建设，强调了地表水文循环的研究，仅有少量文献强调了地质和水文地质条件的重要性[14-15]。我国所提出的海绵城市建设，其本质就是构建从大气降水开始到最终进入地下水的良性城市水循环系统，并实现城市雨洪的控制和利用。因此，作者以研究区地质、水文地质条件为基础，建立指标评价体系，用以选择各区域适宜的海绵城市设施类型。

1 海绵城市建设影响因素分析

地表是大气降水的直接接触面，更是大气降水进入地下储水空间的“第一道大门”。其坡度影响了降雨的汇集、滞留能力；其渗透性能影响降水进入地下储水空间的速率，决定了降雨过程中地表雨洪水的入渗能力。

包气带是大气降水进入潜水含水层的必经通道，也是海绵城市建设过程中最重要的地下储水空间。包气带的渗透性能决定了地表降水进入地下储水空间的能力；包气带厚度决定了地下储水空间的大小；而包气带中黏土厚度则间接影响了包气带厚度和包气带渗透性能。潜水含水层是降水补给的直接承载体，具有较强的吸水和给水能力，是大气降水进入地下后的重要场所[16]，可以起到补给和涵养地下水资源的作用。含水层厚度决定了其调蓄能力；其渗透性能则决定了含水层的传输能力。

2 海绵城市建设地质适宜性指标体系建立

2.1 评价指标选取

综合上文对海绵城市建设影响因素的分析，遵循独立性、全面性、实用性和系统性的评价指标选取原则，确定由3个一级指标和7个二级指标构成的海绵城市建设地质适宜性评价指标体系(表1)。

2.2 评价指标权重赋值

在海绵城市的建设过程中，有多种影响因素，因此应建立指标评价体系，对各影响因素进行系统分析讨论。本文采用层次分析(AHP)法对评价指指标进行赋值[17]，该方法具有系统、简洁实用、所需定量数据信息较少的优点，在我国各个领域的决策工作中被广泛应用[18]。

表1海绵城市建设地质适宜性评价层次结构

Table1Evaluationhierarchyofgeologicalsuitabilityforspongecity

目标层第一指标层第二指标层海绵城市建设地质适宜性(A)地表适宜性(B1)包气带适宜性(B2)含水层适宜性(B3)地形坡度(C1)地表渗透性(C2)包气带渗透性(C3)包气带厚度(C4)包气带黏土厚度(C5)含水层渗透性(C6)含水层厚度(C7)

1)构造各层次的判断矩阵

对同一指标层各影响指标进行两两对比后，按照1-9标度法[19]评价各指标的相对优劣顺序，构造评价指标的判断矩阵S。

其中，sij为因素i与因素j重要性的比较结果，即标度值，并有sij=1/sji。sij取值有9种(表2)。

表2 判断矩阵标度(1-9)定义

2)计算各评价指标的权重

使用几何平均法(根法)，利用YAAHP软件计算各判断矩阵的一致性检验系数CR，调整各影响因素的重要性标度值，直至所有判别矩阵的CR<0.1，则认为判别矩阵通过了一致性检验。经过试算和调整，最终得到表1中评价指标A、B1、B2和B3的判断矩阵(表3—6)，各判断矩阵对应的CR值分别为0.0088, 0, 0, 0。并根据判别矩阵结果得到各指标权重，如表7所示。

表3 B-A判断矩阵

表4 C-B1判断矩阵

表5 C-B2判断矩阵

表6 C-B3判断矩阵

2.3 海绵城市建设影响因素分级评分

由上述评价指标的权重，采用综合评分法对评价区域进行评分，并根据评分结果决定评价区域的海绵城市建设适宜建设类型。对各评价指标进行分级评分，其中地表、包气带、含水层的渗透系数分级以中国地质调查局《水文地质手册(第二版)》[20]为基础，由大到小依次分为高渗透性、中等渗透性、低渗透性和极低渗透性；地形坡度分级以《水土保持综合治理规划通则》(GB/T15772-1995)[21]为基础，由大到小依次分为平地、微坡、缓坡、陡坡；包气带厚度、含水层厚度以及包气带黏土厚度，由于没有标准的规范规程，因而结合研究区的实际情况进行分级，各分级评分结果如表8所示。

表7 评价因子权重

3 研究实例

3.1 研究区概况

以华中地区某市国际机场规划的海绵城市试点范围为研究区，其面积约91 km2。研究区属于温暖半干旱气候，四季变化明显。多年平均气温14.25 ℃；年降水量在400～781.8 mm之间，多年平均为631.76 mm，降水季节分布不均匀，全年降水集中在7—9月，期间降水占年降水量的39.9%～47.6%；多年平均蒸发量1 769.8 mm，主要集中在4--6月，其占年蒸发量的40%左右；多年平均相对湿度66.3%。

表8 影响因素分级评分标准

3.2 海绵城市建设适宜性分区

3.2.1 地表适宜性

根据研究区地表高程数据，利用ARCGIS软件得到研究区内地形坡度如图1所示。由图1可知，研究区内地形坡度绝大多数均在0.0°～2.0°范围内，属于平地级别，按前文海绵城市建设影响因素分级评分标准，其在地质适宜性评价中均在100分级别。

本次研究在研究区内开展了野外浅层土样采集工作，野外采样密度为0.94个/km2。对土样进行干燥、破碎后进行筛分，根据筛分结果绘制土壤颗粒级配曲线。利用太沙基公式、Gustafson公式和Alyammani-sen公式3种经验公式计算渗透系数，并取其平均值作为地表土壤的渗透系数，并按渗透系数评分分级进行分区划分，结果如图2所示。

图1 研究区地形坡度Fig.1 Terrain slop of the study area

图2 研究区地表渗透性Fig.2 Surface permeability of the study area

3.2.2 包气带适宜性

利用地形资料、钻孔资料和地下水位数据，确定包气带厚度并分区，结果(图3)表明，研究区内包气带厚度分布不均，其中西南大部分地区、东和北部部分地区包气带厚度较大(>10 m)，而东南部和中部大部分地区包气带厚度较小；野外渗水试验结果表明，研究区北部部分地区包气带渗透性能极低(渗透系数<0.1 m/d)，南部局地渗透性能中等(1.0～10.0 m/d)，其余地区渗透性能较低(0.1～1.0 m/d)(图4)；基于区内已有钻孔数据，获取钻孔处黏土厚度，并利用Sufer软件进行插值分析，结果(图5)表明，研究区内大部分区域包气带黏土厚度小于5 m，但北部地区包气带黏土层厚度普遍大于5 m。

3.2.3 潜水含水层适宜性

研究区潜水含水层渗透性能主要通过研究区抽水试验结合区内钻孔岩性数据获得。按照含水层渗透性能分级评分标准进行分区划分(图6)。由图6可知，研究区含水层整体上属于中等渗透性(1.0～10.0 m/d)区，仅西南角和北部等局部区域含水层属低渗透性(0.1～1.0 m/d)区。

结合已有钻孔资料和地下水位观测资料，确定含水层厚度分布情况并进行分区(图7)。由图7可知，研究区内含水层厚度巨大，但呈现由西北向东南厚度递减的趋势。

3.3 评价结果

利用ARCGIS按照建立的指标评价体系对前文所得海绵城市建设影响因素分级评分数据进行加权叠加计算，得到海绵城市建设的地质适宜性分区结果(图8)，并根据各分级区域地质条件、《海绵城市建设技术指南》及相关参考文献[22-23]，给出各区域适宜的海绵城市设施类型(表9)。由图8和表9可以看出：1)研究区西南区域大部分地区综合评分较高(70～80)，地表渗透性较好，包气带以及含水层渗透性中等，包气带厚度较厚且黏土层较薄，适宜建设以雨水入渗为主的相关LID设施，着力将本区雨水就地消纳；2)研究区东部及中部大部分区域为评分较低(60～70)的区域，虽然地表渗透性能较好，但包气带渗透性能中等、包气带厚度中等，所以适宜入渗能力较小的设施与雨水调节和传输设施的组合，将雨水的就地消纳与区外传输相结合；3)研究区北侧中部区域为综合评分最差(≤60)区域，地表渗透性较差、包气带厚度薄、渗透性较低，不适宜雨水入渗型LID设施，适宜建设以雨水集蓄和传输为主要功能的LID设施。

图3 研究区包气带厚度分区Fig.3 Aeration zone thickness of the study area

图4 研究区包气带渗透性分区Fig.4 Aeration zone permeability of the study area

图5 研究区包气带黏土厚度分区Fig.5 Aeration zone clay thickness of the study area

图6 研究区含水层渗透性分区Fig.6 Aquifer permeability of the study area

图7 研究区含水层厚度分区Fig.7 Aquifer thickness ofthe study area

图8 综合评分分区Fig.8 Result of grade classification

表9 评分等级区块性质及适宜海绵城市LID设施类型

4 结论与建议

1)地质与水文地质条件对雨水入渗、地下储存和传导有显著影响，海绵城市建设应依分利用地质与水文地质条件，合理设计低影响开发(LID)工程设施的类型和建设方案。

2)包气带渗透性能和包气带厚度是海绵城市建设地质适宜性的最主要因素，决定着以雨水入渗为主要功能的LID设施建设的适宜性。

受目前研究阶段以及支撑资料数量和精度的限制，尚不能确定LID设施的位置、规模以及雨洪控制能力等具体参数，有待进一步研究。

(

)：

[1] 孙芳. 基于海绵城市的城市道路系统设计研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2015.

Sun Fang. Research on the City Road Systematic Design Based on Sponge City[D].Xi’an：Xi’an University of Architecture and Technology, 2015.

[2]Carle M V, Halpin P N, Stow C A. Patterns of Watershed Urbanization and Impacts on Water Quality[J].Journal of the American Water Resources Association,2005, 41(3): 693-708.

[3] 张旺,庞靖鹏.海绵城市建设应作为新时期城市治水的重要内容[J].水利发展研究,2014(9):5-7.

Zhang Wang, Pang Jingpeng. Sponge City Construction Should Bean Important Content of Urban Water Control in the New Era[J]. Water Resources Development Research,2014(9):5-7.

[4] 陈思伶. 基于雨洪管理的山地居住区景观营造策略研究[D].重庆：西南大学,2016.

Chen Siling. Research on Mountainous Residential Area Landscape Design Strategy Based on Stormwater Management in Chongqing[D].Chongqing：Southwest University, 2016.

[5] USEPA. Low Impact Development(LID)：A Literature Review[R]. Washington D C：United States Environmental Protection Agency，2000.

[6] 王佳,王思思,车伍. 低影响开发与绿色雨水基础设施的植物选择与设计[J]. 中国给水排水,2012，28(21):45-47.

Wang Jia, Wang Sisi, Che Wu. Plant Selection and Design of LID and GSI[J]. China Water and Wasterwater,2012，28(21):45-47.

[7] Phil Jones, Neil Macdonald．Making Space for Unruly Water: Sustainable Drainage Systems and the Disciplining of Surface Runoff[J]．Geoforum,2007, 38(2):534-544．

[8] Morison P J, Rebekah R. Understanding the Na-ture of Publics and Local Policy Commitment to Water Sensitive Urban Design[J].Landscape and Urban Planning, 2011, 99(2):83-92.

[9] 白梅,冀紫珏.浅谈澳大利亚水敏感城市设计[J].城市设计，2014(3):62-65.

Bai Mei, Ji Zijue. Discussion of Water Sensitive Urban Design[J]. Urban Design, 2014(3): 62-65.

[10] 李岩. 城市规划层面落实海绵城市建设的措施研究[J].中国科技信息,2015(5):26-27.

Li Yan. Study on the Measures of Implementing Sponge City Construction at the Urban Planning Level[J]. China Science and Technology Information,2015(5):26-27.

[11] 董淑秋，韩志刚. 基于“生态海绵城市”构建的雨水规划研究[J].城市发展研究，2011，18(12)：37-41.

Dong Shuqiu, Han Zhigang. Study on Rainwater Planning Based on Eco-Sponge City[J]. Urban Studies, 2011，18(12)：37-41.

[12] 粟杰文.海绵城市在市政规划中的体现[J].建筑设计管理,2015(10):62-64.

Su Jiewen. The Embodiment of Sponge City in Municipal Planning[J]. Architectural Design Management, 2015(10):62-64.

[13] 蔡凯臻，王建国. 城市设计与城市水文管理的整合:澳大利亚水敏性城市设计[J]. 建筑与文化,2008(7):96-99.

Cai Kaizhen, Wang Jianguo. The Integration of Urban Design with Water Management: Water Sensitive Urban Design in Australia[J]. Architecture and Culture, 2008(7):96-99.

[14] Martin-Mikle C J, Beurs K M D, Julian J P, et al. Identifying Priority Sites for Low Impact Development (LID) in a Mixed-Use Watershed[J]. Landscape & Urban Planning, 2015, 140:29-41.

[15] Schultz C. Low-Impact Development Boosts Groun-dwater Recharge[J]. Eos Transactions American Geophysical Union, 2014, 95(23):200.

[16] 宋子龙. 城市硬化背景下潜水含水层的海绵效应和净化作用[J]. 湖北理工大学学报,2016，32(2):9-12.

Song Zilong. Sponge Effect and Purification Function of Phreatic Aquifer Under Background of Urban Hardening[J]. Journal of Hubei Polytechnic University,2016，32(2):9-12.

[17] 邓雪,李家铭,曾浩健，等.层次分析法权重计算方法及其应用研究[J].数学的实践与认识,2012，42(7):93-100.

Deng Xue, Li Jiaming, Zeng Haojian, et al. Research on Weighting Method and Application of Analytic Hierarchy Process[J]. Mathematics in Practice and Theory, 2012，42(7):93-100.

[18] 鲍新华,张宇,李野,等.松辽盆地增强型地热系统开发选区评价[J].吉林大学学报(地球科学版),2017,47(2):564-572.

Bao Xinhua, Zhang Yu, Li Ye, et al. Evaluation of Development Selection for Enhanced Geothermal System in Songliao Basin[J]. Journal of Jilin University( Earth Science Edition), 2017,47(2):564-572.

[19] 秦吉,张翼鹏.现代统计信息分析技术在安全工程方面的应用：层次分析法原理[J].工业安全与防尘,1999(5):44-48.

Qin Ji, Zhang Yipeng. Application of Modern Statistical Information Analysis Technology in Safety Engineering : Analytic Hierarchy Process[J]. Industrial Safety and Dust Control, 1999(5):44-48.

[20] 中国地质调查局.水文地质手册[M].第二版.北京：地质出版社，2012.

China Geological Survey. Handbook of Hydrogeology [M]. 2nd ed. Beijing: Geological Publishing House, 2012.

[21] GB/T15772-1995 水土保持综合治理：规划通则[S].北京：中国标准出版社，1995.

GB/T15772-1995 Comprehensive Control of Soil and Water Conservation-General: Rule of Planning[S]. Beijing：Standards Press of China，1995.

[22] 住房城乡建设部.海绵城市建设指南:低影响开发雨水系统构建(试行)[M]. 北京：中国建筑工业出版社2014.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. Sponge City Construction Guide: Low Impact Development Rainwater System Construction (Trial) [M]. Beijing：China Architecture & Building Press, 2014.

[23] 王哲，谢杰，谢强,等.透水铺装地面滞蓄净化城镇雨水径流研究进展[J].环境科学与技术，2013(增刊2)：138-143.

Wang Zhe, Xie Jie, Xie Qiang, et al. Advances on the Research of the Detention and Purification of Urban Stormwater Runoff by Permeable Paving[J]. Environmental Science & Technology, 2013(Sup.2)：138-143.