常德市海绵城市建设地质条件适宜性评价研究

熊 雄，刘一鸣，何 阳，徐定芳，庞 铁，曹创华

(湖南省地质调查院，湖南 长沙 410116)

0 前言

随着经济和社会发展，城市人口逐步增长，城市规模不断扩大，一些由于自然灾害或者城市规划建设不完善造成的问题愈发显现，例如，洪涝灾害的发生与城市排水系统密切相关[1]、城市生产生活垃圾造成的水资源污染直接影响了人们的健康安全[2]、地表水与地下水的相互转换和循环利用是解决城市缺水的有效办法[3]。

低影响开发(LID)技术是一种可轻松实现城市雨水收集利用的生态技术体系，最早市美国科学家在上个世纪90年代提出的[4]，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[5-6]。我国根据国内城市雨洪问题、城市规划建设的特点，在LID技术的基础上，提出了“海绵城市”的概念，是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的弹性。

目前LID工程设施的建设，主要考虑地表水文循环的影响及相关研究[7]，而本文以研究区地质条件为基础，建立指标评价体系，分析研究区适宜的海绵城市设施类型。

1 常德市海绵城市建设现状

常德市河湖面积较大，开展海绵城市具有得天独厚的自然条件，是国内最早认可“海绵城市”理念并开展实践活动的城市。并于2015年成为“全国首批海绵城市建设试点城市”。据《常德市海绵城市专项规划(2015-2030年)》：2018年近期规划重点建设区为常德市海绵城市建设试点区，面积36.1 km2；2030年远期规划重点区为常德市江北城区、鼎城区、德山经济技术开发区的全部建设用地：面积160 km2。

目前常德市已完成海绵城市建设试点工作，建设总面积36.1 km2，其中院落小区22.9 km2，河湖水体3 km2，道路广场绿地及其它公共设施10.2 km2。常德市海绵城市建设取得了显著成效：(1)水安全得到了有力保障，2019年、2020年常德市均经历了170 mm以上降雨量的考验，城市没有出现积水内涝，基本实现小雨不积水，大雨不内涝；(2)水环境得到改善，老城区10多处黑臭水体得到整治；三是生态系统得到优化，区内主要的江河湖已经全面连通，可以形成城市水系统良性循环，通过淤泥清理、河道拓宽、下沉式绿地建设、绿色屋顶改造等工程措施，提升了雨水综合利用能力。目前，常德市已启动了非试点区海绵城市建设工作。

2 海绵城市建设影响因素

影响海绵城市建设的地质条件因素包括地表、包气带、含水层3个方面，又可细分为地形坡度、地表渗透性、地表水体发育程度、包气带厚度、包气带岩性、含水层厚度、含水层渗透性7个指标[7]。

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门户。地形坡度是影响降雨入渗规律的重要地貌因素，在相同的气候条件下，地形坡度越大地表水流速越快，平缓与地势低洼的地段，可以让雨水暂时滞留，增加大气降水的入渗时间，从而增加入渗量；地表渗透性也市体现雨水下渗能力的一个重要因素，地表渗透性越好，雨水的入渗速度越快[7]；地表水体发育程度决定了城市内部水系蓄水能力和排水能力，同时也决定了城市排涝装机容量。

包气带是大气降水进入含水层的必经通道，也是海绵城市建设过程中最重要的地下储水空间[8]。包气带的渗透性能决定了地表降水渗入地下储水空间的能力，砂性土包气带透水性好，利于雨水入渗地下水；粘性土包气带透水性差，不利于雨水入渗地下水。包气带厚度决定了地下储水空间的大小，随着包气带厚度增大，滞留的水分也大，雨水入渗量也大。

含水层是大气降水的直接承载体，是地表水与地下水转换的媒介。含水层渗透性越好，其水资源传输能力就会越强，而含水层厚度越高，则会拥有更强的水资源调蓄能力；含水层厚度决定了其蓄水的能力，含水层厚度大、地下水位埋深大，则可容纳接收地表雨水的空间越大。

3 海绵城市建设地质适宜性评价指标体系建立

3.1 评价指标选取

海绵城市建设地质适宜性评价指标的选取主要遵循以下原则：

(1)各指标相互独立，相互之间不存在必然关联；

(2)要综合各个方面因素考虑指标的选取，保证指标的全面性；

(3)所选取的指标要具体，要便于进行标度打分；

根据上述原则及影响因素分析，确定的海绵城市建设地质适宜性评价指标体系如下(表1)。

表1 评价指标层次结构表

3.2 评价指标权重赋值

层次分析法是指将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析的一种权重决策分析方法，简称AHP。本次研究将采用此法对评价指标进行赋值，该方法的主要优点是不仅考虑了评价体系的系统性，而且简洁实用，在评价指标难以定量化的评价体系中得到广泛使用。

AHP的计算步骤包括：

(1)建立层次结构模型(表1所示)；

(2)构造判断矩阵；

(3)层次单排序及其一致性检验。

3.2.1 构建各层次的判断矩阵

本文采用了A．Lsaaty的标度方法，对各因素的相对重要性进行量化，根据重要程度取标度值，从低到高标度值为1到10的整数。即一个指标对另一个指标的相对重要性用标度值来进行表示，反过来则用该标度值的倒数表示，根据这个方法，可以得到该层次各指标的判断矩阵S：

S=(sij)n×n

(1)

式中：S为判断矩阵；sij为因素i与j比较得到判断因子；n为该层影响因素的个数。

由此可以得到各层次的判断矩阵如下(表2～表5)：

表2 B-A判断矩阵

表3 C-B1判断矩阵

表4 C-B2判断矩阵

表5 C-B3判断矩阵

3.2.2 层次单排序及其一致性检验(权重计算)

层次单排序是指对上述判断矩阵的特征向量的各元素相对重要性进行权值排序。能否确认层次单排序，则需要进行一致性检验来进行判定。

本次研究将利用YAAHP软件计算一致性检验系数CR，CR越小，说明一致性越大，计算结果越可靠。本文设定所有判断矩阵的临界值为0.1，即CR小于0.1时，判别矩阵通过一致性检验，CR大于等于0.1时，则不通过一致性检验[9]。经过试算和调整，最终得到上述判断矩阵(表2-表5)的CR值，计算结果分别为：0.008 8，0.051 6，0，0。并根据判别矩阵结果得到各指标权重(表6)。

3.3 海绵城市建设地质条件影响因素分级评分

根据上述计算结果，采用综合评分法对评价区域进行评分，每个指标评分采用10分制，分数有3、6、8、10四个档次。各指标评分标准如下：地表渗透性、包气带渗透性、含水层渗透性参照《水文地质手册(第二版)》的透水性分级，根据渗透系数大小分为四级；地形坡度参照《水土保持综合治理规划通则》(GB/T15772-1995)，由大到小依次分为平地、微坡、缓坡、陡坡；地表水体发育程度、包气带厚以及含水层厚度结合研究区的实际情况进行分级(见表7)。再根据各指标的评分及权重计算得出海绵城市建设适宜性评价的最终得分。

4 海绵城市建设地质适宜性评价研究实例

结合常德市海绵城市建设实际情况，针对表1所列7个二级评价指标，分别建立单指标评价指数分级标准，评分按10分制，如表7所示。

表6 各指标层评价因子权重

表7 影响因素分级评分标准

4.1 海绵城市建设适宜性分区

4.1.1 地形坡度

4.1.2 地表渗透性

本次研究参考《常德市海绵城市专项规划(2015-2030年)》，以定性评价为主，定量评价为辅。将研究区地表渗透性分为极低、低、中、高四个渗透性区。其中武陵区主城区为常德市海绵城市试点区，已完成海绵城市建设，本区为地表高渗透区，另外太阳山—白鹤山生态绿地区、河洑生态绿地区、汪水湿地保护区、盘塘湖湿地保护区、建成区生态绿地区等区地表渗透性较好，均为高渗透区；丹洲、斗姆湖、芦荻山都市田园区主要以水田为主、旱地次之，地表渗透性具季节差异，总体渗透性中等；白鹤山东部以红层为主，地表多为裸露弱—中风化泥岩、泥质粉砂岩，渗透性较弱，为较低渗透区；建成区除试点区外其他地区因地面硬化，透水能力差，为极低渗透区。各等级分区特征见(表7、图2)。

4.1.3 地表水体发育程度

4.1.4 包气带厚度

利用地形资料、钻孔资料、实测大口井水位数据和地下水位监测数据，利用MAPGIS空间分析功能，绘制研究区地下水埋深等值线图，由此确定包气带厚度并按(表7)进行分区。结果(图4)表明，研究区内包气带厚度分布不均，中部河湖平原区地表水发育程度较高，以地表水补给地下水为主，包气带厚度较小(<6 m)；而北部太阳山高丘陵—低山区、河洑西部低丘陵区和德山南部丘陵区包气带厚度较大。

4.1.5 包气带渗透性

4.1.6 含水层厚度

根据区内钻孔数据，利用MAPGIS软件的空间分析功能绘制了工作区第四系含水层(第一层含水层)厚度的等值线图，再根据不同的厚度区间(见表7)，把工作区分为四个区域，分区结果如图6所示。含水层极厚的区域(厚度>50 m)主要分布在建河以西、沅江两岸的主城区和石门桥镇主城区；含水层较厚区域(30 m<厚度≤50 m)主要分布在斗姆湖镇-德山-芦荻山乡-东江乡-白鹤山乡一带，占据了工作区大部分面积；含水层厚度中等(10 m<厚度≤30 m)区域主要分布在建河以东至武陵区和鼎城区的主城区一带；含水层厚度较薄(厚度≤10 m)区域主要分布在太阳山一带和汪水流域一带，地表主要为基岩出露或者残坡积土覆盖。

图1 地形坡度分区图 图2 地表渗透性分区图

图3 地表水发育程度分区图 图4 包气带厚度分区图

4.1.7 含水层渗透性

根据区内水文地质钻孔抽水试验数据，可以得出不同岩性含水层的渗透系数，再参照中国地质调查局《水文地质手册(第二版)》，把渗透系数值分为四个区间(见表7)。分区结果如图7所示，工作区内太阳山以南大部分区域为河湖相冲击平原，第四系含水层孔隙率较高、连通性好，属于高渗透性区(渗透系数>10 m/d)；中等渗透性区(1 m/d<渗透系数≤10 m/d)主要分布在建河以西犀牛口村-华南实验中学一带的常德组(Qp1cd)地层；低渗透性区(0.1 m/d<渗透系数≤1 m/d)主要分布在建河以西的灌溪镇、桃花源机场附近、德山-石门桥镇一带的二级阶地内；极低渗透性区(渗透系数≤0.1 m/d)主要分布在太阳山和白鹤山乡一带，主要为基岩出露或者残坡积土覆盖。

4.2 评价结果

利用MAPGIS的空间分析功能，将研究区7个二级评价指标图层进行空间区相交、合并分析，最后共形成新的评价单元，对各评价单元单因子评价指数进行加权叠加计算，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，给出各区域适宜的海绵城市设施类型。据此得出以下评价结果：

图5 包气带渗透性分区图 图6 含水层厚度分区图

图7 含水层渗透性分区图 图8 常德海绵城市建设综合评价分区图

(1)研究区中部武陵区主城区、河洑以西低丘陵区、汪水湿地保护区西部、盘塘湖西部评分高(>8)。其中武陵区主城区36.1 km2范围为海绵城市建设试点区域，目前已按规划完成了工程建设，取得了显著成效，因此该区域综合评分最高；河洑以西低丘陵区、汪水湿地保护区西部、盘塘湖西部地表渗透性较好，地表水发育程度高，包气带厚度中等，包气带以及含水层渗透性中等，适宜建设以雨水入渗为主的相关LID设施，如渗透塘、渗井等，着力将本区雨水就地消纳。

(2)研究区西部花山河湿地保护区、河洑生态绿地区、丹洲—斗姆湖都市田园区，南部大部分以及东部白鹤山以东的都市田园区和芦荻山都市田园区综合评分较高(7～8)。该区域主要为为建成区，地面以林地、水田、旱地为主，植被覆盖率较高，地形以平地为主，地表渗透性中等，包气带以及含水层渗透性中等，包气带厚度中等，适宜建设以雨水入渗为主的相关LID设施，如下沉式绿地、生物滞留设施等，着力将本区雨水就地消纳。

(3)研究区中部海绵城市试点区外围、东江乡—东郊乡—德山一线、北部新城一带以及北部太阳山一带评分较低(6～7)的区域。其中海绵城市试点区外围、德山—东郊一线、北部新城一带为建成区，但未进行海绵城市建设，地表渗透性能较好，但包气带渗透性能低—极低、包气带厚度较最小，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；研究区北部太阳山一带虽然包气带厚度大，但地形坡度较大，地表水体发育程度中等—低，包气带渗透性较低、含水层渗透性低，适宜建设以雨水集蓄和传输为主要功能的LID设施。

(4)研究区东北侧太阳山东侧一带为综合评分最低(≤6)区域。其地表主要为裸露红层，地表渗透性较差、包气带厚度薄、包气带渗透性较低，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。

5 结语

(1)地质条件对大气降水的入渗、径流、地表水与地下水相互转换以及地下水存储条件等有着重要影响。这都是海绵城市建设需要重点考虑的方向，因此，低影响开发(LID)工程设施的类型和建设方案，需要充分结合该地区的地质条件进行设计。

(2)从研究结果来看，在影响海绵城市建设的地质条件因素中，包气带渗透性能和包气带厚度两者所占权重最大，因此重要程度最高，需要优先考虑。

(3)工作区地表水系十分发育，在进行海绵城市建设时，应该充分利用地表水系及周边绿地的蓄水能力，以节省LID工程的建设成本。同时也要预防大气降水经过地表径流后对地表水体或者绿地造成污染。可以在滨水绿化带的LID设施附近，增加设计沉淀池、前置塘等装置，让地表雨水进入绿化带或者水体之前进行预处理，消除污染影响。

(4)沅江两岸的河湖相平原地区，含水层厚度中等，地下水位埋藏较浅，且大部分时间受到沅江侧向补给，会直接影响入渗型LID工程设施的性能。该区域在汛期需要及时排水，降低地下水位，确保含水层有足够的空间接纳入渗的地表雨水，防止城内形成积水或者内涝。所以建议海绵城市建设与城市雨水管渠系统同步设计规划，重点考虑打通穿紫河、新河、渐河等水系，推动构建“一江、两环、三湿地、四河、五湖、多水网”的水系空间结构，形成水体的自然流动，强化水体空间调节能力和净化能力。