不同天然海绵体特征条件下的海绵城市建设适宜性研究

2024-02-26翟小洁翟璐璐朱家葆郭晓静

地质与勘探 2024年1期

翟小洁，翟璐璐，朱家葆，郭晓静，唐辉

（1.河南省地质研究院，河南郑州 450000；2.河南省城市地质工程技术研究中心，河南郑州 450000；3.长垣市自然资源和规划局，河南新乡 453400）

0 引言

2013年12月12日，习近平总书记在中央城镇化工作会议上提出：建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”①。2014年10月，住房与城乡建设部发布了《海绵城市建设技术指南》，其中指出：海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用②。近年来，海绵城市一直是我国城市建设和雨洪管理的主要方向（俞孔坚等，2015；仇保兴，2015；阎浩等，2020）。

将实现海绵城市吸水、蓄水、渗水、净水、利用和排放雨水这一系列过程的载体称作“海绵体”（Li et al.，2010），建设海绵城市最重要的是有效“海绵体”的合理利用（张建云等，2016；龚亚西等，2020）。分析国内外已有的海绵城市建设案例，海绵城市海绵体的开发建设途径主要有：天然“海绵体”以及包含低影响开发设施、绿色基础设施等的人工“海绵体”（沈乐等，2017；Bai et al.，2019；Su et al.，2023）。天然“海绵体”，一是地表天然海绵体，即地表的天然河流、湖泊或湿地等，这些原生“海绵体”的调洪蓄水能力以及自我修复能力优于人工“海绵体”；二是地下天然海绵体，即地下包气带的渗透性和天然地下水库调蓄功能（郭旭等，2019；王帅伟等，2019；贺小桐等，2020；李赢杰和黄仕元，2022）。

本文主要基于天然海绵体的地质环境条件进行分析研究，分别选取了郑州市西部高新示范区、东部白沙示范区两个海绵城市建设示范区作为研究对象③。其中，高新示范区地貌类型为山前冲洪积平原区，面积约15.5 km2；白沙示范区地貌类型为黄河冲积平原区，面积约16.8 km2。两个示范区分别代表了郑州市两种不同的典型地貌类型，其地质环境特征差异较大（王翠玲等，2021），且目前的城市规划建设和海绵城市建设正处于初步发展阶段，通过本次研究工作的开展，可为其后续的海绵城市建设工作提供参考。

1 天然海绵体评价体系和评价因子的确定

从影响海绵城市建设效果的“渗、滞、蓄、净、用、排”六字方针的地质因素出发（邓若晨，2020），分析影响海绵城市建设的天然地质海绵体关键地质因素。“渗”包含了地表的入渗和地下的下渗；“滞”包含了地表和下渗过程中的滞留；“蓄”指地表、地下的蓄水能力；“净”指下渗过程的水土环境；“用”和“排”指降水的调节利用。降水入渗过程的环境影响因素：地表的岩性、地形坡度、土地利用状况、土壤环境质量、下渗地层（包气带）的岩性结构、厚度等（王杰等，2017；杜新强等，2019；方宏宇等，2020；Luong，2021；王帅伟等，2023）。因此，将图1作为本次评价体系构成。然后将六字方针在海绵城市建设中的重要程度打分（表1），再根据各影响因子对六字方针的贡献程度一一赋值（表2），二者叠加计算得出相应因子的权重（张李翔，2020；李云等，2022）。

表1 海绵城市建设六字方针打分表Table 1 Scoring table for the six-character policy of sponge city construction

表2 各影响因子权重赋值表Table 2 Assignment table for various impact factors

图1 天然海绵体地质环境条件评价体系Fig.1 Geological environmental conditions assessment system for natural sponge

2 示范区天然海绵体条件及权重赋值

2.1 地表天然海绵体

地表天然海绵体主要考虑土地利用现状、地形坡度、地表岩性、土壤质量状况四个指标。

2.1.1 土地利用现状

根据第三次国土调查成果数据，对郑州市示范区现状用地进行归类整理，将水域、林地、田地、草地、道路及市政设施用地、建设用地等占地区域进行分类统计（图2、图3）。

图3 郑州市高新示范区土地利用现状图Fig.3 Current land use of the High-tech zone in Zhengzhou City

2.1.2 地表岩性

根据地面调查和钻探资料显示，白沙示范区地表岩性以粉土为主，贾鲁河两岸局部存在粉砂（图4）。高新示范区地表岩性以粉土为主，局部有粉砂和粉质粘土分布，面积小（图5）。地表岩性的差异，对降水入渗的影响也不同，地表岩性为粉砂的区域确定为中等透水区，地表岩性为粉土的区域确定为弱透水区。

图4 郑州市白沙示范区地表岩性分区图Fig.4 Lithological subdivision of Baisha zone in Zhengzhou City

图5 郑州市高新示范区地表岩性分区图Fig.5 Lithological subdivision of the High-tech zone in Zhengzhou City

2.1.3 地形坡度

两个示范区整体地形平坦，地面坡度基本小于2%，局部地段为2～5%。

2.1.4 土壤环境质量

根据相关资料显示，两个示范区地表土壤环境质量全部为清洁型，无警戒型等其他不良土壤环境质量分布。

2.2 地下天然海绵体

结合两个示范区的剖面（图6、图7），白沙示范区浅层地下水为潜水，地下水位埋深较浅，约在8～14 m，包气带岩性以粉土、粉砂为主，含水层厚度大，岩性以中细砂为主。高新示范区浅层地下水为承压水，水位埋深约在25～40 m，包气带岩性以粉土夹粉质粘土为主，含水层上部有相当厚度的稳定隔水层。因此，高新示范区的地下蓄水和调节能力弱于白沙示范区。

图6 郑州市白沙示范区西-东水文地质剖面图Fig.6 West-east hydrogeological cross-section of Baisha zone in Zhengzhou City

图7 郑州市高新示范区西-东水文地质剖面图Fig.7 West-east hydrogeological cross-section of the High-tech zone in Zhengzhou City

根据两个示范区天然海绵体条件，结合相关规范要求，对天然海绵体各影响因子进行权重赋值。其中，土地利用现状根据《土地利用现状分类》（GB/T 21010-2017）对土地利用类型的划分，地形坡度结合《土地资源学》等有关领域的研究资料的坡度划分标准（谭术魁，2011），土壤质量状况按照《土壤环境质量标准》（GB15618-2018）进行划分，地层岩性结构及厚度的分级参考中国地质调查局《水文地质手册（第二版）》的渗透系数、给水度等参数的划分标准。划分结果见表3。

表3 各影响因子权重赋值表Table 3 Assignment table for various impact factors

3 示范区天然海绵体适宜性评价结果

根据上述计算的评价指标的权重，结合示范区的地质现状条件与影响因子权重赋值表，运用综合评分的原理（10分制），按照表4中海绵城市建设的天然海绵体地质环境条件好坏评判标准进行分级，借用GIS软件对工作区进行全区赋值，并叠加每一个影响因子的赋值，运用加权求和等方法进行地质条件好坏的分区，通过数据的栅格，形成了天然海绵体地质环境条件评价分区图。

表4 天然海绵体地质环境条件评价分级赋值标准Table 4 Grading assignment standards for evaluation of geological environmental conditions of natural sponge

白沙示范区天然海绵体地质环境条件评价分为三个区：好、较好、中等区，无较差区和差区（图8）。

天然海绵体地质环境条件好区（I），面积为0.72 km2，占比4.27%。该区地势较为平坦，地形坡度以＜2%为主，土地利用植被覆盖度极高，地表岩性以粉土、粉砂为主，地下海绵体岩性以粉细砂为主，渗透系数大；厚度8～12 m；有利于大气降雨的快速入渗和地表径流的下渗。天然海绵体地质环境条件较好区（II），面积为13.93 km2，占比82.89%。该处地势较为平坦，地形坡度＜2%；土地利用类型以道路和市政设施用地、建设用地为主，植被覆盖率相对较低，地表岩性为粉土；地下海绵体以粉土粉砂为主，厚度10～14 m。天然海绵体地质环境条件中等区（III），面积为2.16 km2，占比12.83%。该处地势较为平坦，地形坡度＜2%，局部在2%～5%；土地利用类型以道路和市政设施用地、建设用地为主，植被覆盖率相对较低，地表岩性为粉土；地下海绵体岩性以粉砂、粉土为主，渗透系数相对较小；厚度10～14 m；对降雨的快速下渗具有一定程度的阻挡作用。

高新示范区海绵城市建设天然海绵体地质环境条件评价结果分为三个区：较好、中等、较差区，无好区和差区（图9）。

图9 高新示范区天然海绵体评价分区图Fig.9 Natural sponge evaluation zoning map of the Hightech zone

天然海绵体地质环境条件较好区（Ⅱ），面积为1.43 km2，占比9.25%。该区地势较为平坦，地形坡度以＜2%为主，土地利用植被覆盖度极高，地表岩性为粉土，地下海绵体岩性以粉土为主，厚度25～35 m。天然海绵体地质环境条件中等区（Ⅲ），面积为13.83 km2，占比89.25%。该处地势较为平坦，地形坡度＜2%，局部在2%～5%；土地利用类型有田地、林地、道路和建设用地为主，植被覆盖率相对较低，地表岩性为粉土；地下海绵体岩性为粉土，夹薄层粉质粘土，厚度为20～25 m；对降雨的快速下渗具有一定程度的阻挡作用。天然海绵体地质环境条件较差区（Ⅳ），面积为0.23 km2，占比1.50%。该处地势相对高低倾斜，地形坡度在＜2%；土地利用类型以道路和市政设施用地、建设用地为主，植被覆盖率较低，地表岩性为粉土；地下海绵体岩性为粉土，夹有粉质粘土层相对较厚，渗透性较差，厚度为15～25 m，不利于降水下渗。

4 结论与建议

（1）白沙示范区天然海绵体地质环境条件明显优于高新示范区，从评价结果来看，白沙示范区天然地质海绵体适宜性整体优于高新示范区一个级别。白沙示范区由于受地下海绵体厚度影响，评价结果偏于保守，其浅层地下水水位埋深较浅，上部包气带渗透性较好，丰水期易造成浅层地下水位明显上涨，可考虑适当加大浅层地下水开采力度，增大海绵城市建设的蓄水空间，海绵城市建设的适宜性会大大提升。高新示范区虽然浅层地下水埋深较大，但上部地层渗透性和蓄水性较差，水资源相对匮乏，增加LID设施可以提高海绵城市的建设成效，但海绵城市建设潜力相对较小。

（2）不同的地质环境条件应辅以不同的LID设施。白沙示范区天然海绵体地质环境条件好区，以强入渗（渗透塘、渗井等强入渗能力设施）、存储（湿塘、雨水湿地等储存能力设施）为主的相关LID设施。天然海绵体地质环境条件较好区，以储存（湿塘、雨水湿地等储存能力设施）为主，辅以雨水入渗LID设施（下沉式绿地、雨水花园、生物滞留带等入渗形设施）。天然海绵体地质环境条件中等区，适宜入渗量较小的海绵城市设施类型（透水铺装等）与调节类设施（调节塘、调节池等）及转输类设施（植草沟等）的组合。高新示范区天然海绵体地质环境条件较差区，可重点建设雨水储存类（如雨水罐、蓄水池等）、传输类（植草沟、渗沟管（渠））设施，以及调节塘等调节类LID 设施（李大龙等，2017；冶雪艳等，2019；任南琪等，2020）。同时在各区域中防污性能较差地段采取相应的截污净化措施。

（3）海绵城市的建设应基于区域宏观的地质条件和水文循环系统，充分利用河道、湖泊、地形、包气带和含水层等天然海绵体，以城市雨洪管控为指导，构建城市良性水循环体系。因此，应将区域水文地质勘查作为海绵城市规划设计前的基础性工作，它不仅提供了降水入渗、滞留、蓄存及风险等基础条件（刘力等，2018；洪增林，2019），同时也是海绵城市建设后对地质环境的影响、生态系统的循环和修复的依据。

（4）海绵城市建设规划，应充分发挥“天然海绵体”的优势，在此基础上以各类低影响开发工程措施作为补充，打造高质量低影响开发的人工海绵体，构建生态基础设施，让雨水资源最大化利用，缓解城市水资源短缺问题，在一定程度上降低洪峰和减小洪量，有利于更好地应对城市洪涝灾害（Leng et al.，2020；易荣和贾开国，2020）。最终实现城市建设生态效益、经济效益、社会效益、艺术景观最大化的和谐发展理念。

［注释］

① 中华人民共和国国务院办公厅.2015.国务院办公厅关于推进海绵城市建设的指导意见（国办发（2015）75号）［EB/OL］.http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-10/16/content_10228.htm，2015-10-16.

② 中华人民共和国住房城乡建设部.2014.海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）.

③ 郑州市城乡规划局.2017.郑州市海绵城市专项规划（2017-2030年）.

［附中文参考文献］

仇保兴.2015.海绵城市（LID）的内涵、途径与展望［J］.中国勘察设计，41（3）：1-7.

邓若晨，孟侃，姜媛，杨庆，朱振洲，刘辛初，石筱芃.2020.海绵城市建设对地下水影响研究综述［J］.城市地质，15（3）：312-319.

杜新强，贾思达，方敏，冶雪艳.2019.海绵城市建设对区域地下水资源的补给效应［J］.水资源保护，35（2）：13-17.

方宏宇，冯文凯，黎一禾，魏昌利.2020.海绵城市建设对土壤污染物的削减效应研究——以四川省遂宁市海绵城市试点建设区为例［J］.城市地质，15（1）：34-39.

龚亚西，程珊珊，季翔.2020.生态安全格局视角下的徐州海绵城市建设［J］.福建师范大学学报（自然科学版），36（3）：79-89.

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