不同天然海綿體特征條件下的海綿城市建設(shè)適宜性研究

翟小潔，翟璐璐，朱家葆，郭曉靜，唐 輝

（1.河南省地質(zhì)研究院，河南鄭州 450000；2.河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450000；3.長(zhǎng)垣市自然資源和規(guī)劃局，河南新鄉(xiāng) 453400）

0 引言

2013年12月12日，習(xí)近平總書記在中央城鎮(zhèn)化工作會(huì)議上提出：建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”①。2014年10月，住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，其中指出：海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等方面具有良好的“彈性”，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用②。近年來(lái)，海綿城市一直是我國(guó)城市建設(shè)和雨洪管理的主要方向（俞孔堅(jiān)等，2015；仇保興，2015；閻浩等，2020）。

將實(shí)現(xiàn)海綿城市吸水、蓄水、滲水、凈水、利用和排放雨水這一系列過程的載體稱作“海綿體”（Li et al.，2010），建設(shè)海綿城市最重要的是有效“海綿體”的合理利用（張建云等，2016；龔亞西等，2020）。分析國(guó)內(nèi)外已有的海綿城市建設(shè)案例，海綿城市海綿體的開發(fā)建設(shè)途徑主要有：天然“海綿體”以及包含低影響開發(fā)設(shè)施、綠色基礎(chǔ)設(shè)施等的人工“海綿體”（沈樂等，2017；Bai et al.，2019；Su et al.，2023）。天然“海綿體”，一是地表天然海綿體，即地表的天然河流、湖泊或濕地等，這些原生“海綿體”的調(diào)洪蓄水能力以及自我修復(fù)能力優(yōu)于人工“海綿體”；二是地下天然海綿體，即地下包氣帶的滲透性和天然地下水庫(kù)調(diào)蓄功能（郭旭等，2019；王帥偉等，2019；賀小桐等，2020；李贏杰和黃仕元，2022）。

本文主要基于天然海綿體的地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行分析研究，分別選取了鄭州市西部高新示范區(qū)、東部白沙示范區(qū)兩個(gè)海綿城市建設(shè)示范區(qū)作為研究對(duì)象③。其中，高新示范區(qū)地貌類型為山前沖洪積平原區(qū)，面積約15.5 km2；白沙示范區(qū)地貌類型為黃河沖積平原區(qū)，面積約16.8 km2。兩個(gè)示范區(qū)分別代表了鄭州市兩種不同的典型地貌類型，其地質(zhì)環(huán)境特征差異較大（王翠玲等，2021），且目前的城市規(guī)劃建設(shè)和海綿城市建設(shè)正處于初步發(fā)展階段，通過本次研究工作的開展，可為其后續(xù)的海綿城市建設(shè)工作提供參考。

1 天然海綿體評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)因子的確定

從影響海綿城市建設(shè)效果的“滲、滯、蓄、凈、用、排”六字方針的地質(zhì)因素出發(fā)（鄧若晨，2020），分析影響海綿城市建設(shè)的天然地質(zhì)海綿體關(guān)鍵地質(zhì)因素?！皾B”包含了地表的入滲和地下的下滲；“滯”包含了地表和下滲過程中的滯留；“蓄”指地表、地下的蓄水能力；“凈”指下滲過程的水土環(huán)境；“用”和“排”指降水的調(diào)節(jié)利用。降水入滲過程的環(huán)境影響因素：地表的巖性、地形坡度、土地利用狀況、土壤環(huán)境質(zhì)量、下滲地層（包氣帶）的巖性結(jié)構(gòu)、厚度等（王杰等，2017；杜新強(qiáng)等，2019；方宏宇等，2020；Luong，2021；王帥偉等，2023）。因此，將圖1作為本次評(píng)價(jià)體系構(gòu)成。然后將六字方針在海綿城市建設(shè)中的重要程度打分（表1），再根據(jù)各影響因子對(duì)六字方針的貢獻(xiàn)程度一一賦值（表2），二者疊加計(jì)算得出相應(yīng)因子的權(quán)重（張李翔，2020；李云等，2022）。

表1 海綿城市建設(shè)六字方針打分表Table 1 Scoring table for the six-character policy of sponge city construction

表2 各影響因子權(quán)重賦值表Table 2 Assignment table for various impact factors

圖1 天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件評(píng)價(jià)體系Fig.1 Geological environmental conditions assessment system for natural sponge

2 示范區(qū)天然海綿體條件及權(quán)重賦值

2.1 地表天然海綿體

地表天然海綿體主要考慮土地利用現(xiàn)狀、地形坡度、地表巖性、土壤質(zhì)量狀況四個(gè)指標(biāo)。

2.1.1 土地利用現(xiàn)狀

根據(jù)第三次國(guó)土調(diào)查成果數(shù)據(jù)，對(duì)鄭州市示范區(qū)現(xiàn)狀用地進(jìn)行歸類整理，將水域、林地、田地、草地、道路及市政設(shè)施用地、建設(shè)用地等占地區(qū)域進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)（圖2、圖3）。

圖3 鄭州市高新示范區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖Fig.3 Current land use of the High-tech zone in Zhengzhou City

2.1.2 地表巖性

根據(jù)地面調(diào)查和鉆探資料顯示，白沙示范區(qū)地表巖性以粉土為主，賈魯河兩岸局部存在粉砂（圖4）。高新示范區(qū)地表巖性以粉土為主，局部有粉砂和粉質(zhì)粘土分布，面積小（圖5）。地表巖性的差異，對(duì)降水入滲的影響也不同，地表巖性為粉砂的區(qū)域確定為中等透水區(qū)，地表巖性為粉土的區(qū)域確定為弱透水區(qū)。

圖4 鄭州市白沙示范區(qū)地表巖性分區(qū)圖Fig.4 Lithological subdivision of Baisha zone in Zhengzhou City

圖5 鄭州市高新示范區(qū)地表巖性分區(qū)圖Fig.5 Lithological subdivision of the High-tech zone in Zhengzhou City

2.1.3 地形坡度

兩個(gè)示范區(qū)整體地形平坦，地面坡度基本小于2%，局部地段為2～5%。

2.1.4 土壤環(huán)境質(zhì)量

根據(jù)相關(guān)資料顯示，兩個(gè)示范區(qū)地表土壤環(huán)境質(zhì)量全部為清潔型，無(wú)警戒型等其他不良土壤環(huán)境質(zhì)量分布。

2.2 地下天然海綿體

結(jié)合兩個(gè)示范區(qū)的剖面（圖6、圖7），白沙示范區(qū)淺層地下水為潛水，地下水位埋深較淺，約在8～14 m，包氣帶巖性以粉土、粉砂為主，含水層厚度大，巖性以中細(xì)砂為主。高新示范區(qū)淺層地下水為承壓水，水位埋深約在25～40 m，包氣帶巖性以粉土夾粉質(zhì)粘土為主，含水層上部有相當(dāng)厚度的穩(wěn)定隔水層。因此，高新示范區(qū)的地下蓄水和調(diào)節(jié)能力弱于白沙示范區(qū)。

圖6 鄭州市白沙示范區(qū)西-東水文地質(zhì)剖面圖Fig.6 West-east hydrogeological cross-section of Baisha zone in Zhengzhou City

圖7 鄭州市高新示范區(qū)西-東水文地質(zhì)剖面圖Fig.7 West-east hydrogeological cross-section of the High-tech zone in Zhengzhou City

根據(jù)兩個(gè)示范區(qū)天然海綿體條件，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)天然海綿體各影響因子進(jìn)行權(quán)重賦值。其中，土地利用現(xiàn)狀根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010-2017）對(duì)土地利用類型的劃分，地形坡度結(jié)合《土地資源學(xué)》等有關(guān)領(lǐng)域的研究資料的坡度劃分標(biāo)準(zhǔn)（譚術(shù)魁，2011），土壤質(zhì)量狀況按照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618-2018）進(jìn)行劃分，地層巖性結(jié)構(gòu)及厚度的分級(jí)參考中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《水文地質(zhì)手冊(cè)（第二版）》的滲透系數(shù)、給水度等參數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。劃分結(jié)果見表3。

表3 各影響因子權(quán)重賦值表Table 3 Assignment table for various impact factors

3 示范區(qū)天然海綿體適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算的評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合示范區(qū)的地質(zhì)現(xiàn)狀條件與影響因子權(quán)重賦值表，運(yùn)用綜合評(píng)分的原理（10分制），按照表4中海綿城市建設(shè)的天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件好壞評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，借用GIS軟件對(duì)工作區(qū)進(jìn)行全區(qū)賦值，并疊加每一個(gè)影響因子的賦值，運(yùn)用加權(quán)求和等方法進(jìn)行地質(zhì)條件好壞的分區(qū)，通過數(shù)據(jù)的柵格，形成了天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件評(píng)價(jià)分區(qū)圖。

表4 天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件評(píng)價(jià)分級(jí)賦值標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Grading assignment standards for evaluation of geological environmental conditions of natural sponge

白沙示范區(qū)天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件評(píng)價(jià)分為三個(gè)區(qū)：好、較好、中等區(qū)，無(wú)較差區(qū)和差區(qū)（圖8）。

天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件好區(qū)（I），面積為0.72 km2，占比4.27%。該區(qū)地勢(shì)較為平坦，地形坡度以＜2%為主，土地利用植被覆蓋度極高，地表巖性以粉土、粉砂為主，地下海綿體巖性以粉細(xì)砂為主，滲透系數(shù)大；厚度8～12 m；有利于大氣降雨的快速入滲和地表徑流的下滲。天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件較好區(qū)（II），面積為13.93 km2，占 比82.89%。該處地勢(shì)較為平坦，地形坡度＜2%；土地利用類型以道路和市政設(shè)施用地、建設(shè)用地為主，植被覆蓋率相對(duì)較低，地表巖性為粉土；地下海綿體以粉土粉砂為主，厚度10～14 m。天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件中等區(qū)（III），面積為2.16 km2，占比12.83%。該處地勢(shì)較為平坦，地形坡度＜2%，局部在2%～5%；土地利用類型以道路和市政設(shè)施用地、建設(shè)用地為主，植被覆蓋率相對(duì)較低，地表巖性為粉土；地下海綿體巖性以粉砂、粉土為主，滲透系數(shù)相對(duì)較小；厚度10～14 m；對(duì)降雨的快速下滲具有一定程度的阻擋作用。

高新示范區(qū)海綿城市建設(shè)天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件評(píng)價(jià)結(jié)果分為三個(gè)區(qū)：較好、中等、較差區(qū)，無(wú)好區(qū)和差區(qū)（圖9）。

圖9 高新示范區(qū)天然海綿體評(píng)價(jià)分區(qū)圖Fig.9 Natural sponge evaluation zoning map of the Hightech zone

天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件較好區(qū)（Ⅱ），面積為1.43 km2，占比9.25%。該區(qū)地勢(shì)較為平坦，地形坡度以＜2%為主，土地利用植被覆蓋度極高，地表巖性為粉土，地下海綿體巖性以粉土為主，厚度25～35 m。天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件中等區(qū)（Ⅲ），面積為13.83 km2，占比89.25%。該處地勢(shì)較為平坦，地形坡度＜2%，局部在2%～5%；土地利用類型有田地、林地、道路和建設(shè)用地為主，植被覆蓋率相對(duì)較低，地表巖性為粉土；地下海綿體巖性為粉土，夾薄層粉質(zhì)粘土，厚度為20～25 m；對(duì)降雨的快速下滲具有一定程度的阻擋作用。天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件較差區(qū)（Ⅳ），面積為0.23 km2，占比1.50%。該處地勢(shì)相對(duì)高低傾斜，地形坡度在＜2%；土地利用類型以道路和市政設(shè)施用地、建設(shè)用地為主，植被覆蓋率較低，地表巖性為粉土；地下海綿體巖性為粉土，夾有粉質(zhì)粘土層相對(duì)較厚，滲透性較差，厚度為15～25 m，不利于降水下滲。

4 結(jié)論與建議

（1）白沙示范區(qū)天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件明顯優(yōu)于高新示范區(qū)，從評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，白沙示范區(qū)天然地質(zhì)海綿體適宜性整體優(yōu)于高新示范區(qū)一個(gè)級(jí)別。白沙示范區(qū)由于受地下海綿體厚度影響，評(píng)價(jià)結(jié)果偏于保守，其淺層地下水水位埋深較淺，上部包氣帶滲透性較好，豐水期易造成淺層地下水位明顯上漲，可考慮適當(dāng)加大淺層地下水開采力度，增大海綿城市建設(shè)的蓄水空間，海綿城市建設(shè)的適宜性會(huì)大大提升。高新示范區(qū)雖然淺層地下水埋深較大，但上部地層滲透性和蓄水性較差，水資源相對(duì)匱乏，增加LID設(shè)施可以提高海綿城市的建設(shè)成效，但海綿城市建設(shè)潛力相對(duì)較小。

（2）不同的地質(zhì)環(huán)境條件應(yīng)輔以不同的LID設(shè)施。白沙示范區(qū)天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件好區(qū)，以強(qiáng)入滲（滲透塘、滲井等強(qiáng)入滲能力設(shè)施）、存儲(chǔ)（濕塘、雨水濕地等儲(chǔ)存能力設(shè)施）為主的相關(guān)LID設(shè)施。天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件較好區(qū)，以儲(chǔ)存（濕塘、雨水濕地等儲(chǔ)存能力設(shè)施）為主，輔以雨水入滲LID設(shè)施（下沉式綠地、雨水花園、生物滯留帶等入滲形設(shè)施）。天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件中等區(qū)，適宜入滲量較小的海綿城市設(shè)施類型（透水鋪裝等）與調(diào)節(jié)類設(shè)施（調(diào)節(jié)塘、調(diào)節(jié)池等）及轉(zhuǎn)輸類設(shè)施（植草溝等）的組合。高新示范區(qū)天然海綿體地質(zhì)環(huán)境條件較差區(qū)，可重點(diǎn)建設(shè)雨水儲(chǔ)存類（如雨水罐、蓄水池等）、傳輸類（植草溝、滲溝管（渠））設(shè)施，以及調(diào)節(jié)塘等調(diào)節(jié)類LID 設(shè)施（李大龍等，2017；冶雪艷等，2019；任南琪等，2020）。同時(shí)在各區(qū)域中防污性能較差地段采取相應(yīng)的截污凈化措施。

（3）海綿城市的建設(shè)應(yīng)基于區(qū)域宏觀的地質(zhì)條件和水文循環(huán)系統(tǒng)，充分利用河道、湖泊、地形、包氣帶和含水層等天然海綿體，以城市雨洪管控為指導(dǎo)，構(gòu)建城市良性水循環(huán)體系。因此，應(yīng)將區(qū)域水文地質(zhì)勘查作為海綿城市規(guī)劃設(shè)計(jì)前的基礎(chǔ)性工作，它不僅提供了降水入滲、滯留、蓄存及風(fēng)險(xiǎn)等基礎(chǔ)條件（劉力等，2018；洪增林，2019），同時(shí)也是海綿城市建設(shè)后對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響、生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)和修復(fù)的依據(jù)。

（4）海綿城市建設(shè)規(guī)劃，應(yīng)充分發(fā)揮“天然海綿體”的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上以各類低影響開發(fā)工程措施作為補(bǔ)充，打造高質(zhì)量低影響開發(fā)的人工海綿體，構(gòu)建生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，讓雨水資源最大化利用，緩解城市水資源短缺問題，在一定程度上降低洪峰和減小洪量，有利于更好地應(yīng)對(duì)城市洪澇災(zāi)害（Leng et al.，2020；易榮和賈開國(guó)，2020）。最終實(shí)現(xiàn)城市建設(shè)生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、藝術(shù)景觀最大化的和諧發(fā)展理念。

［注 釋］

① 中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院辦公廳.2015.國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見（國(guó)辦發(fā)（2015）75號(hào)）［EB/OL］.http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-10/16/content_10228.htm，2015-10-16.

② 中華人民共和國(guó)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部.2014.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）.

③ 鄭州市城鄉(xiāng)規(guī)劃局.2017.鄭州市海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃（2017-2030年）.

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