海綿城市建設(shè)地質(zhì)條件適宜性研究
——以武漢市都市發(fā)展區(qū)為例

謝紀(jì)海， 彭漢發(fā)， 夏冬生， 張婭婷， 黃群龍， 陶 良

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

0 引言

海綿城市—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)(LID)構(gòu)建是一種新型的城市建設(shè)理念，是基于城市雨洪管理的一種可持續(xù)的城市建設(shè)模式，已被認(rèn)為是破解水生態(tài)與城市發(fā)展失衡的最佳方式[1]。在城市地質(zhì)調(diào)查工作轉(zhuǎn)型發(fā)展的新時期，城市地質(zhì)工作可圍繞海綿城市建設(shè)規(guī)劃目標(biāo)及低影響設(shè)施建設(shè)可能面臨的地質(zhì)問題開展相應(yīng)的工作。

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快以及極端天氣的頻發(fā)，傳統(tǒng)的雨洪管理出現(xiàn)了很多問題，如城市不透水率增加導(dǎo)致的城市內(nèi)澇問題[2]，城市垃圾隨著地表徑流進(jìn)入自然水體造成生態(tài)污染[3]，同時，我國很多城市存在不同程度的缺水問題[4]。因此，尋找合理有效的雨洪管理方式已成為城市建設(shè)中的重要問題。

針對目前城市中的雨洪管理問題，我國提出了通過構(gòu)建海綿城市建設(shè)來降低城市內(nèi)澇和強(qiáng)化雨水資源利用的總體思路，并于2014年由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》，指南強(qiáng)調(diào)海綿城市建設(shè)應(yīng)遵循規(guī)劃引領(lǐng)、生態(tài)優(yōu)先、安全為重、因地制宜、統(tǒng)籌建設(shè)的原則[5]，通過凈水、蓄水、滲水、滯水、用水、排水實現(xiàn)對雨洪的管理和循環(huán)利用。目前，國內(nèi)很多學(xué)者開展了海綿城市建設(shè)相關(guān)研究，袁媛[6]通過對城市內(nèi)澇問題的深入研究，認(rèn)為海綿城市建設(shè)應(yīng)把排水與蓄滯結(jié)合起來統(tǒng)一考慮以解決因排水管網(wǎng)系統(tǒng)不足引發(fā)的城市內(nèi)澇問題。王俊嶺[7]基于海綿城市建設(shè)中的低影響開發(fā)技術(shù)對場地開發(fā)前后自然水文狀態(tài)的復(fù)原原理，分析了低影響開發(fā)技術(shù)的主要功能。鄭博一[8]根據(jù)實例情況建立海綿城市措施決策指標(biāo)體系，應(yīng)用模糊層次分析法對海綿城市建設(shè)措施進(jìn)行比選評價。

根據(jù)國內(nèi)已有的相關(guān)研究成果可知，目前國內(nèi)大多數(shù)的海綿城市建設(shè)相關(guān)研究或建設(shè)實踐強(qiáng)調(diào)低影響開發(fā)工程設(shè)施的建設(shè)，僅有少量文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào)地質(zhì)條件在海綿城市建設(shè)中的重要性[9-10]，忽略了包括地質(zhì)條件在內(nèi)的自然環(huán)境對雨洪的處理能力，大量工程措施的投入違背了低影響開發(fā)的建設(shè)初衷。因此，本文以研究區(qū)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，構(gòu)建海綿城市建設(shè)適宜性評價體系，為合理布設(shè)低影響開發(fā)措施提供理論基礎(chǔ)。

1 影響海綿城市建設(shè)地質(zhì)因素分析

地形和地貌決定著雨洪水的滯留時間，當(dāng)?shù)匦纹露容^大，地表缺少植被覆蓋時，地表徑流形成就容易，下滲的雨洪水量較少，地下儲水空間的調(diào)蓄能力也將受到限制[11]，坡度是影響降水入滲規(guī)律的重要地貌因素；巖土體滲透性體現(xiàn)了雨水通過巖土體下滲的能力，即雨水的傳輸能力；潛水含水層是降雨入滲補給的主要儲水空間，具有較強(qiáng)的吸水和給水能力，其儲水能力由表層巖土體的整體孔隙率和厚度決定，地表水體作為降雨最直接的容納空間對降雨也具有顯著的蓄滯能力；考慮到地表徑流污染問題，受污染的土體有可能作為污染地表水體和地下水體的污染源，因此海綿城市建設(shè)中應(yīng)考慮水污染問題。

2 海綿城市建設(shè)地質(zhì)條件適宜性評價體系

2.1 評價指標(biāo)選取

本次研究通過分析地質(zhì)條件影響海綿城市建設(shè)機(jī)理，結(jié)合武漢市地質(zhì)特點，遵循系統(tǒng)性、全面性、獨立性、實用性原則，選取地面坡度、地層巖性、第四系覆蓋層厚度、地下水涌水量、表層土壤污染程度、植被覆蓋率、距地表水系距離共兩級7個指標(biāo)因子作為本次研究評價指標(biāo)，如表1所示。

表1 評價指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)

2.2 權(quán)重計算

海綿城市建設(shè)地質(zhì)條件適宜性研究指標(biāo)相對較多，且各指標(biāo)間具有一定的獨立性和關(guān)聯(lián)性，需要建立系統(tǒng)的評價體系，因此，本次研究采用層次分析法(AHP)[12]對各指標(biāo)在評價體系中的作用程度進(jìn)行量化，即建立各指標(biāo)的權(quán)重值。

2.2.1 根據(jù)判斷值設(shè)定判斷矩陣

判斷值表示下一層指標(biāo)兩個元素相對上一層的相對權(quán)重值，兩個元素可分別設(shè)為i、j，相對權(quán)重值設(shè)為aij，元素的數(shù)量設(shè)為n，則判斷矩陣可設(shè)為A=(aij)n×n，其中，aij的賦值可采用多種方法，本次研究采用1～9標(biāo)度進(jìn)行賦值[13]，如表2所示。

表2 判斷矩陣標(biāo)度

2.2.2 一致性檢驗計算權(quán)重

若判斷矩陣A=(aij)n×n，具有完全一致性，則λmax=n，當(dāng)n<3時，判斷矩陣具有完全一致性；但當(dāng)n≥3時，實際構(gòu)建的判斷矩陣不可能做到完全一致性。一般條件下，判斷矩陣具有相對一致性時即可滿足要求。判斷矩陣一致性計算公式如下：

CR=CI/RI，CI=(λmax-n)/(n-1)

式中：λmax——判斷矩陣最大特征根。

當(dāng)n=3時，RI=0.58。當(dāng)CR<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受；當(dāng)CR≥0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性不滿足要求，需要對各元素的相對重要性進(jìn)行調(diào)整，直至CR<0.1。

按照上述步驟首先建立第一層級指標(biāo)(B)對目標(biāo)層(A)的判斷矩陣(表3)求得第一層級指標(biāo)對目標(biāo)層的權(quán)重，然后建立第二層級指標(biāo)(C)相對第一層級(B)的判斷矩陣(表4～6)求得第二層級各指標(biāo)對第一層級的權(quán)重，最終通過逐級計算獲得第二層級指標(biāo)(C)各元素相對目標(biāo)層(A)的權(quán)重值。

表3 B-A判斷矩陣

表4 C-B1判斷矩陣

表5 C-B2判斷矩陣

表6 C-B3判斷矩陣

根據(jù)計算要求，判斷矩陣B-A和C-B1需要進(jìn)行一致性計算，一致性指標(biāo)CR分別為0.0212和0.0032，滿足一致性要求。對以上4個判斷矩陣求解最大特征根及對應(yīng)的特征向量，特征向量進(jìn)行歸一化后即為各指標(biāo)的權(quán)重值，如表7所示。

表7 各評價指標(biāo)權(quán)重

3 武漢市海綿城市建設(shè)地質(zhì)條件適宜性評價

3.1 研究區(qū)概況(參見圖1)

本次研究以武漢市都市發(fā)展區(qū)為研究對象，地質(zhì)資料主要來源于武漢市城市地質(zhì)調(diào)查工作。武漢市地理位置在東經(jīng)113°41′～115°05′、北緯29°58′～31°22′，全境面積8494 km2，為湖北省面積的4.6%，其中，都市發(fā)展區(qū)范圍面積為3469 km2。研究區(qū)位于江漢平原東部，屬平原邊緣隆起地帶，北靠大別山，區(qū)內(nèi)地形北高南低，總體地貌表現(xiàn)為平原上殘丘突露景觀(約占總面積的5%)，水系發(fā)達(dá)(約占總面積的25%)，其余為剝蝕堆積低崗和沖洪積平原。區(qū)內(nèi)地層淺部為剝蝕堆積、沖洪積成因的第四系粘性土、砂層，深部基巖為古生界-新生界地層，巖性包括泥巖、砂巖、灰?guī)r、頁巖、硅質(zhì)巖等。武漢市第四系覆蓋地層薄，除武昌洪山廣場、漢陽王家灣古河道段外，厚度一般20～50 m，在低丘地段(如武漢大學(xué)、龜山、蛇山)，基巖直接出露地表[14]。

圖1 研究區(qū)范圍

3.2 適宜性評價

結(jié)合武漢市海綿城市建設(shè)實際情況，針對7個評價指標(biāo)，分別建立單指標(biāo)評價指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)，評分按10分制，如表8～14所示。

表8 第四系覆蓋層厚度適宜性評判指數(shù)

表9 地下水涌水量適宜性評判指數(shù)

表10 水體適宜性評判指數(shù)

表11 巖土類型適宜性評判指數(shù)

表12 坡度適宜性評判指數(shù)

表13 植被覆蓋率適宜性評判指數(shù)

表14 表層土壤污染程度適宜性評判指數(shù)

武漢都市發(fā)展區(qū)海綿城市建設(shè)適宜性綜合評價指數(shù)按下式計算：

Zq=∑TiAi

式中：Ti——各評價因子的評價指數(shù)；Ai——各評價因子的權(quán)重

3.3 基于GIS的矢量單元評價

以往的評價分析方法多為基于柵格運算的模糊綜合評價法，是將矢量數(shù)據(jù)人為的劃分為若干標(biāo)準(zhǔn)的柵格單元進(jìn)行分析，評價單元的誤差除了原始錄入的矢量數(shù)據(jù)的誤差外，在矢量數(shù)據(jù)劃分為柵格時也會引入誤差，評價的結(jié)果往往不夠精確，需要反復(fù)調(diào)整來確定。因此，為了提高評價的精度，本次擬采用基于GIS矢量單元法進(jìn)行評價[15]，即直接在單一要素矢量圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行多層空間數(shù)據(jù)的疊加運算，得到的評價單元，表現(xiàn)為實際的空間屬性邊界。利用Mapgis K9將各因子集權(quán)重進(jìn)行疊加運算，對空間屬性進(jìn)行統(tǒng)計分析，對綜合圖進(jìn)行聚類歸并，即可得到武漢市都市發(fā)展區(qū)海綿城市建設(shè)地質(zhì)條件適宜性分區(qū)圖(見圖2)。

圖2 武漢都市發(fā)展區(qū)海綿城市建設(shè)地質(zhì)條件適宜性分區(qū)

3.4 評價結(jié)果分析

本次評價結(jié)果僅考慮天然的地質(zhì)條件對海綿城市建設(shè)影響，未考慮城區(qū)大量的不透水面積對海綿城市建設(shè)的制約，同時，研究數(shù)據(jù)為區(qū)域性城市地質(zhì)調(diào)查資料(精度1∶2.5萬～1∶5萬)，可提供區(qū)域性海綿城市建設(shè)指向性建議，針對局部海綿城市低影響開發(fā)措施的具體布設(shè)，應(yīng)結(jié)合詳細(xì)勘察資料考慮。

根據(jù)適宜性評價結(jié)果，武漢市都市發(fā)展區(qū)范圍大部分為海綿城市建設(shè)地質(zhì)條件適宜區(qū)或較適宜區(qū)(綜合評分7分以上)，主要分布于長江一級階地、二級階地及江、湖周邊。一方面由于武漢市都市發(fā)展區(qū)地表水系多發(fā)育，對雨洪具有天然和可觀的蓄滯空間，另一方面，長江一級階地和二級階地分布有較厚的松散砂—礫石層，具有較大的地下儲水空間和滲透性。丘陵和殘丘地帶適宜性一般較差，雖然該區(qū)域植被覆蓋率較高，但由于第四系覆蓋層較薄及基巖出露，儲水空間有限，加之坡度相對較大，導(dǎo)致雨水滲透時間短，滲透量小。

因此，結(jié)合分區(qū)評價結(jié)果，海綿城市建設(shè)可針對不同的地質(zhì)條件采取不同的低影響開發(fā)措施。例如，針對距離地表水系較近的適宜區(qū)與較適宜區(qū)，需要著重考慮利用截污凈化技術(shù)對雨洪地表徑流凈化后排入地表水體；針對巖土體滲透性相對較高區(qū)域，可考慮強(qiáng)入滲能力的低影響開發(fā)措施，包括滲透塘、滲井等；針對入滲量較低的適宜性差區(qū)域，可考慮透水鋪裝結(jié)合調(diào)節(jié)塘等調(diào)節(jié)類設(shè)施以及植草溝等傳輸類措施對雨洪進(jìn)行就地消納和區(qū)外傳輸。同時，由于城市污染源較多，無論采取何種低影響開發(fā)措施，應(yīng)根據(jù)實際情況對雨洪徑流進(jìn)行凈化處理。

在城市用地越來越緊張的前提下，向里面、向屋頂要綠色已經(jīng)變成一種趨勢，綠色建筑在阻滯雨水、凈化雨水方面也有強(qiáng)大的作用，所以更應(yīng)該大力推廣低影響開發(fā)設(shè)施，低影響開發(fā)在海綿城市建設(shè)中起基礎(chǔ)性的作用。同時，海綿城市建設(shè)應(yīng)根據(jù)城市總規(guī)、專項規(guī)劃及詳細(xì)規(guī)劃明確的控制目標(biāo)，結(jié)合匯水區(qū)特征及設(shè)施的主要功能性、經(jīng)濟(jì)性、適用性及景觀效果選擇效益最優(yōu)的低影響開發(fā)單項措施及綜合措施。

4 結(jié)論與建議

(1)武漢市都市發(fā)展區(qū)地質(zhì)條件對海綿城市建設(shè)具有顯著影響，海綿城市建設(shè)應(yīng)針對地質(zhì)條件合理布設(shè)低影響開發(fā)措施；

(2)巖土體滲透性和地表水系是武漢市都市發(fā)展區(qū)海綿城市建設(shè)中重要因素，分別影響雨洪入滲和儲存能力；

(3)海綿城市建設(shè)中低影響開發(fā)措施布設(shè)時應(yīng)考慮區(qū)域性地質(zhì)條件和場地勘查地質(zhì)資料，同時根據(jù)城市總規(guī)、專項規(guī)劃及詳細(xì)規(guī)劃明確的控制目標(biāo)，結(jié)合匯水區(qū)特征及設(shè)施的主要功能性、經(jīng)濟(jì)性、適用性及景觀效果選擇效益最優(yōu)的低影響開發(fā)單項措施及綜合措施。