謝紀(jì)海， 彭漢發(fā)， 夏冬生， 張婭婷， 黃群龍， 陶 良

(武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

0 引言

海綿城市—低影響開(kāi)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(shí)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(wèn)題開(kāi)展相應(yīng)的工作。

近年來(lái)，隨著我國(guó)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(wèn)題，如城市不透水率增加導(dǎo)致的城市內(nèi)澇問(wèn)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(shí)，我國(guó)很多城市存在不同程度的缺水問(wèn)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(wèn)題。

針對(duì)目前城市中的雨洪管理問(wèn)題，我國(guó)提出了通過(guò)構(gòu)建海綿城市建設(shè)來(lái)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(kāi)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(guò)凈水、蓄水、滲水、滯水、用水、排水實(shí)現(xiàn)對(duì)雨洪的管理和循環(huán)利用。目前，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者開(kāi)展了海綿城市建設(shè)相關(guān)研究，袁媛[6]通過(guò)對(duì)城市內(nèi)澇問(wèn)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(lái)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(wèn)題。王俊嶺[7]基于海綿城市建設(shè)中的低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)對(duì)場(chǎng)地開(kāi)發(fā)前后自然水文狀態(tài)的復(fù)原原理，分析了低影響開(kāi)發(fā)技術(shù)的主要功能。鄭博一[8]根據(jù)實(shí)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(duì)海綿城市建設(shè)措施進(jìn)行比選評(píng)價(jià)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)已有的相關(guān)研究成果可知，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)的海綿城市建設(shè)相關(guān)研究或建設(shè)實(shí)踐強(qiáng)調(diào)低影響開(kāi)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(duì)雨洪的處理能力，大量工程措施的投入違背了低影響開(kāi)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(píng)價(jià)體系，為合理布設(shè)低影響開(kāi)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(shí)間，當(dāng)?shù)匦纹露容^大，地表缺少植被覆蓋時(shí)，地表徑流形成就容易，下滲的雨洪水量較少，地下儲(chǔ)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(guò)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(bǔ)給的主要儲(chǔ)水空間，具有較強(qiáng)的吸水和給水能力，其儲(chǔ)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(duì)降雨也具有顯著的蓄滯能力；考慮到地表徑流污染問(wèn)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(wèn)題。

2 海綿城市建設(shè)地質(zhì)條件適宜性評(píng)價(jià)體系

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

本次研究通過(guò)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(diǎn)，遵循系統(tǒng)性、全面性、獨(dú)立性、實(shí)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(jí)7個(gè)指標(biāo)因子作為本次研究評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表1所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)

2.2 權(quán)重計(jì)算

海綿城市建設(shè)地質(zhì)條件適宜性研究指標(biāo)相對(duì)較多，且各指標(biāo)間具有一定的獨(dú)立性和關(guān)聯(lián)性，需要建立系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系，因此，本次研究采用層次分析法(AHP)[12]對(duì)各指標(biāo)在評(píng)價(jià)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(gè)元素相對(duì)上一層的相對(duì)權(quán)重值，兩個(gè)元素可分別設(shè)為i、j，相對(duì)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(yàn)計(jì)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(shí)，判斷矩陣具有完全一致性；但當(dāng)n≥3時(shí)，實(shí)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(duì)一致性時(shí)即可滿足要求。判斷矩陣一致性計(jì)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(shí)，RI=0.58。當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受；當(dāng)CR≥0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性不滿足要求，需要對(duì)各元素的相對(duì)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(jí)指標(biāo)(B)對(duì)目標(biāo)層(A)的判斷矩陣(表3)求得第一層級(jí)指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層的權(quán)重，然后建立第二層級(jí)指標(biāo)(C)相對(duì)第一層級(jí)(B)的判斷矩陣(表4～6)求得第二層級(jí)各指標(biāo)對(duì)第一層級(jí)的權(quán)重，最終通過(guò)逐級(jí)計(jì)算獲得第二層級(jí)指標(biāo)(C)各元素相對(duì)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(jì)算要求，判斷矩陣B-A和C-B1需要進(jìn)行一致性計(jì)算，一致性指標(biāo)CR分別為0.0212和0.0032，滿足一致性要求。對(duì)以上4個(gè)判斷矩陣求解最大特征根及對(duì)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)

3.1 研究區(qū)概況(參見(jiàn)圖1)

本次研究以武漢市都市發(fā)展區(qū)為研究對(duì)象，地質(zhì)資料主要來(lái)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(yè)巖、硅質(zhì)巖等。武漢市第四系覆蓋地層薄，除武昌洪山廣場(chǎng)、漢陽(yáng)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(píng)價(jià)

結(jié)合武漢市海綿城市建設(shè)實(shí)際情況，針對(duì)7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別建立單指標(biāo)評(píng)價(jià)指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)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(píng)判指數(shù)

表9 地下水涌水量適宜性評(píng)判指數(shù)

表10 水體適宜性評(píng)判指數(shù)

表11 巖土類型適宜性評(píng)判指數(shù)

表12 坡度適宜性評(píng)判指數(shù)

表13 植被覆蓋率適宜性評(píng)判指數(shù)

表14 表層土壤污染程度適宜性評(píng)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(píng)價(jià)指數(shù)按下式計(jì)算：

Zq=∑TiAi

式中：Ti——各評(píng)價(jià)因子的評(píng)價(jià)指數(shù)；Ai——各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重

3.3 基于GIS的矢量單元評(píng)價(jià)

以往的評(píng)價(jià)分析方法多為基于柵格運(yùn)算的模糊綜合評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(shí)也會(huì)引入誤差，評(píng)價(jià)的結(jié)果往往不夠精確，需要反復(fù)調(diào)整來(lái)確定。因此，為了提高評(píng)價(jià)的精度，本次擬采用基于GIS矢量單元法進(jìn)行評(píng)價(jià)[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(yùn)算，得到的評(píng)價(jià)單元，表現(xiàn)為實(shí)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(yùn)算，對(duì)空間屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)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(jiàn)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(píng)價(jià)結(jié)果分析

本次評(píng)價(jià)結(jié)果僅考慮天然的地質(zhì)條件對(duì)海綿城市建設(shè)影響，未考慮城區(qū)大量的不透水面積對(duì)海綿城市建設(shè)的制約，同時(shí)，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(wàn)～1∶5萬(wàn))，可提供區(qū)域性海綿城市建設(shè)指向性建議，針對(duì)局部海綿城市低影響開(kāi)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(píng)價(jià)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(píng)分7分以上)，主要分布于長(zhǎng)江一級(jí)階地、二級(jí)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(duì)雨洪具有天然和可觀的蓄滯空間，另一方面，長(zhǎng)江一級(jí)階地和二級(jí)階地分布有較厚的松散砂—礫石層，具有較大的地下儲(chǔ)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(chǔ)水空間有限，加之坡度相對(duì)較大，導(dǎo)致雨水滲透時(shí)間短，滲透量小。

因此，結(jié)合分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果，海綿城市建設(shè)可針對(duì)不同的地質(zhì)條件采取不同的低影響開(kāi)發(fā)措施。例如，針對(duì)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(duì)雨洪地表徑流凈化后排入地表水體；針對(duì)巖土體滲透性相對(duì)較高區(qū)域，可考慮強(qiáng)入滲能力的低影響開(kāi)發(fā)措施，包括滲透塘、滲井等；針對(duì)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(duì)雨洪進(jìn)行就地消納和區(qū)外傳輸。同時(shí)，由于城市污染源較多，無(wú)論采取何種低影響開(kāi)發(fā)措施，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)雨洪徑流進(jìn)行凈化處理。

在城市用地越來(lái)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(shì)，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(kāi)發(fā)設(shè)施，低影響開(kāi)發(fā)在海綿城市建設(shè)中起基礎(chǔ)性的作用。同時(shí)，海綿城市建設(shè)應(yīng)根據(jù)城市總規(guī)、專項(xiàng)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(kāi)發(fā)單項(xiàng)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(duì)海綿城市建設(shè)具有顯著影響，海綿城市建設(shè)應(yīng)針對(duì)地質(zhì)條件合理布設(shè)低影響開(kāi)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(chǔ)存能力；

(3)海綿城市建設(shè)中低影響開(kāi)發(fā)措施布設(shè)時(shí)應(yīng)考慮區(qū)域性地質(zhì)條件和場(chǎng)地勘查地質(zhì)資料，同時(shí)根據(jù)城市總規(guī)、專項(xiàng)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(kāi)發(fā)單項(xiàng)措施及綜合措施。