黃頡,謝鵬程,于許兵,劉星,錢直明

(1.四川興蜀工程勘察設(shè)計集團有限公司,成都 610072; 2.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院,成都 610072 )

海綿城市的建設(shè)與區(qū)域地形地貌條件、地質(zhì)構(gòu)造條件、含水層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)特征、巖土工程特征等息息相關(guān)。國內(nèi)目前海綿城市建設(shè)方面的研究很多,但是針對地質(zhì)適宜性評價方面相關(guān)研究卻相對較少。

魏映彥等結(jié)合山地城市的地形地貌、排水系統(tǒng)、暴雨徑流等特點,總結(jié)出適合山地地形的海綿城市規(guī)劃策略[1];賀小桐等利用AHP計算各指標(biāo)權(quán)重,借助 Mapgis軟件進行疊加分析,最終實現(xiàn)宿遷市區(qū)海綿城市建設(shè)地質(zhì)適宜性分區(qū)[2];黃敬軍等研究了徐州市海綿城市建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境條件之間的相互關(guān)系,建立了地質(zhì)適宜性評判指標(biāo)體系[3];謝紀(jì)海等以武漢市都市發(fā)展區(qū)為對象,分析地質(zhì)條件對海綿城市建設(shè)的影響機制[4-5]。

根據(jù)國內(nèi)已有的相關(guān)研究成果可知,目前國內(nèi)海綿城市建設(shè)相關(guān)研究更多的是討論工程設(shè)施的建設(shè),很多時候忽略了地質(zhì)條件本身的影響。盡管也看到一些城市如徐州市、武漢市等海綿城市建設(shè)地質(zhì)條件適宜性的分析研究,但其地質(zhì)適宜性評價沒有針對性,未能突顯當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件的獨特性,同時針對像紅層丘陵區(qū)這樣對海綿城市建設(shè)有先天制約因素的相關(guān)討論也是寥寥無幾。本文以成都東部某新區(qū)為例,結(jié)合紅層丘陵區(qū)淺丘寬谷地貌特征以及砂泥巖互層的巖性特征等,構(gòu)建一套適宜于紅層丘陵區(qū)的海綿城市建設(shè)地質(zhì)適宜性評價體系,為后期海綿城市規(guī)劃、合理布設(shè)相應(yīng)措施提供理論基礎(chǔ),同時也為類似的其他紅層丘陵區(qū)的海綿城市建設(shè)研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地屬成都市,面積248 km2。研究區(qū)位于龍泉山東坡斷裂東側(cè),地貌上屬于淺丘寬谷地貌,谷坡平緩,丘頂圓緩,地勢由西北向東南傾斜,海拔392～498 m,區(qū)內(nèi)相對高差106 m,丘頂與谷底相對高差一般在20～50 m。區(qū)內(nèi)除北西端出露有不到1 km的三岔斷裂,未見其他褶皺、斷層發(fā)育,因龍泉山褶皺而伴生的斷裂構(gòu)造,發(fā)育規(guī)模較小,且近期活動性不明顯,對區(qū)內(nèi)的城市建設(shè)影響程度較小。區(qū)內(nèi)出露地層為第四系松散堆積及白堊系、侏羅系基巖地層(圖1),包括白堊系下統(tǒng)蒼溪組及侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組,巖性主要為磚紅色、紫紅色的砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖等。區(qū)內(nèi)地下水包含松散巖類孔隙水、丘陵區(qū)碎屑巖孔隙裂隙水兩類,其補給來源為大氣降雨和灌溉引水,地下水埋深較淺,一般在0.28～17.14 m,平均4.89 m。

1.斷層線;2.地層界線;3.K1c白堊系下統(tǒng)蒼溪組;4.J3P2侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組上段;5.J3P1侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組下段;6.公路;7.水系;8.鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線;9.工作區(qū)范圍圖1 地質(zhì)分布圖

2 地質(zhì)影響因素分析

海綿城市建設(shè)主要考慮到“滲、蓄、凈”幾方面的能力建設(shè),那么從地質(zhì)角度考慮其適宜性,則需從對滲水能力、蓄水能力以及凈水能力3個方面有影響的因素來分析(表1)。結(jié)合研究區(qū)的地形地貌、地層巖性等特征以及海綿城市的建設(shè)特點,對區(qū)內(nèi)各地質(zhì)因素進行詳細分析。

表1 地質(zhì)影響因素一覽表

2.1 坡度

地表水入滲能力受地形坡度制約,當(dāng)坡度較大,地表水已形成地表徑流排泄,從而減少了下滲的水量,使得地下儲水受限;而當(dāng)坡度較緩時,地表水易于截停,有利于增加雨水入滲量。

研究區(qū)地形地貌受地層巖性和構(gòu)造控制明顯,泥巖出露處形成緩坡,砂巖出露處常形成陡坎或陡崖。區(qū)內(nèi)以淺丘寬谷為主,丘坡圓緩,地形坡度均在0°～15°之間,其中大部分地區(qū)坡度為0°～5°,僅有中北部的部分地區(qū)坡度達到了5°～15°,而坡度大于15°的區(qū)域均分布于研究區(qū)西部外圍的龍泉山地區(qū)。調(diào)查表明研究區(qū)地形坡度有利于雨水滯積,利于海綿城市的工程建設(shè)。

2.2 巖土滲透性

巖土體滲透性與巖土體的孔隙有關(guān),體現(xiàn)了地表水通過巖土體的難易程度。

本次根據(jù)研究區(qū)不同的土類別,針對粉質(zhì)黏土、粉土、填土等,布置14組滲水試驗。試驗結(jié)果表明,研究區(qū)內(nèi)30 m以淺的巖體滲透系數(shù)0.000 12～0.154 m/d(圖2、圖3),平均0.030 6 m/d,區(qū)內(nèi)土體滲透性偏弱,為極微透水-微透水,僅局部含粉土、填土區(qū)域滲透性等級相對較高,為弱透水。區(qū)內(nèi)巖土體滲透性偏弱,不利于雨水的滲透下滲,不利于海綿城市的工程建設(shè)。

圖2 粉質(zhì)黏土滲透試驗

圖3 填土滲透試驗

2.3 下墊面條件

海綿城市建設(shè)的下墊面條件,主要是考慮研究區(qū)的土地利用類型。若城市建設(shè)密度大,地面硬化面積大,不易雨水入滲,易形成地表徑流;而耕地土質(zhì)疏松,利于雨水入滲。

目前研究區(qū)處于規(guī)劃建設(shè)初期,土地利用以耕地和林地為主,占比達81.08%,其余類型為住宅用地、交通運輸用地等。研究區(qū)下墊面大部分處于耕地及原始綠地,局部為硬化的集鎮(zhèn)、道路路面等,更利于海綿城市建設(shè)。

2.4 第四系覆蓋層厚度

第四系覆蓋層厚度影響雨水的蓄積及凈化能力。第四系覆蓋層厚度大,則利于雨水在土層中的蓄積及水體的凈化;而第四系覆蓋層厚度小,則降低了土層對雨水的蓄積能力,大部分雨水形成地表徑流流入溝渠。

研究區(qū)第四系分布零星,主要為人工填土層、坡積層、沖洪積層等。一般溝谷低洼處或中部地段第四系較厚,自低洼處中心向兩側(cè)逐漸減薄,呈板狀-透鏡狀。區(qū)內(nèi)第四系厚度一般2～8 m,局部達11余米。調(diào)查表明,研究區(qū)第四系厚度一般較淺,雨水蓄積能力不足,不利于海綿城市的工程建設(shè)。

2.5 地下水埋深

一般情況下,若地下水埋深大,則利于地表水的入滲,城市排水的蓄積空間大,利于海綿城市建設(shè);若地下水埋深淺,則蓄積空間小,雨水滲入難。

研究區(qū)受地形及構(gòu)造條件的影響,地下水埋藏淺,埋深0.28～17.14 m(圖4),平均4.89 m。地下水埋藏淺,蓄積空間太小,不利于雨水下滲,則不利于海綿城市建設(shè)。

圖4 地下水埋深等值線圖

2.6 水系分布

水系分布對海綿城市建設(shè)的影響主要取決于海綿城市建設(shè)區(qū)域與水庫、江河等主要水系的距離。河流的緩沖帶在控制雨水徑流污染、防洪排澇等方面具有重要作用[6]。

研究區(qū)內(nèi)水系主要為沱江水系,絳溪河、石板河為沱江一級支流,海螺河、蘆葭河、舉人河等為沱江二級支流。區(qū)內(nèi)支流縱多、且流量偏小,河谷多寬緩對稱。區(qū)內(nèi)水庫主要有毛井溝水庫、龍河堰水庫等,規(guī)模不大,均為小型水庫(圖5)。

區(qū)內(nèi)距離水系200 m以內(nèi)區(qū)域均屬于海綿城市建設(shè)適宜性良好區(qū),距離大于200 m區(qū)域?qū)儆诤＞d城市建設(shè)適宜性一般-差區(qū)。

1.鄉(xiāng)鎮(zhèn)位置;2.水庫及水系;3.主要河流;4.工作區(qū)范圍界線圖5 水系分布圖

2.7 植被覆蓋

植被覆蓋對降雨徑流有較大影響。植被能進行雨水截留,在植被覆蓋率高的區(qū)域,植被能有效減小地表徑流,增加雨水蒸發(fā)量,凈化水質(zhì);植被覆蓋率低的區(qū)域,地表徑流增加,加劇了地表的沖刷作用,不利于雨水的蓄積及凈化。

據(jù)調(diào)查,研究區(qū)植被覆蓋率占整個研究區(qū)的72%,有利于對雨水的攔截蓄積及增加水體凈化,是海綿城市建設(shè)的有利因素。

2.8 水污染程度

地表徑流過程中,水體的污染源很可能直接來自于受污染的水體、土體,因此本文將水污染程度作為海綿城市建設(shè)影響因子考慮。

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)146件水質(zhì)分析結(jié)果,結(jié)合區(qū)內(nèi)地表水調(diào)查現(xiàn)狀,研究區(qū)水質(zhì)主要以Ⅳ類水為主,覆蓋全區(qū)大部分區(qū)域;而Ⅱ類水主要分布在毛井溝水庫等庫區(qū);Ⅴ類水主要分布在研究區(qū)北部及東部海螺鎮(zhèn)一帶。

綜上分析,區(qū)內(nèi)對滲水能力影響的因素包括坡度、巖土滲透性、下墊面條件等;對蓄水能力有影響的因素包括第四系覆蓋層厚度、地下水位埋深、水系分布等;對凈水能力有影響的因素包括植被覆蓋程度、水污染程度等。結(jié)合研究區(qū)淺丘寬谷地貌特征、砂泥巖互層的巖性特征等地質(zhì)特點,丘陵區(qū)的地形緩坡、第四系松散粉質(zhì)黏土的巖性結(jié)構(gòu)以及基巖埋深淺等均制約著區(qū)內(nèi)海綿城市的入滲、排泄能力,因此,認為在紅層丘陵區(qū),坡度、第四系覆蓋層厚度、巖土滲透性對海綿城市建設(shè)的影響更大,下一步的評價體系中將逐一考慮其影響權(quán)重。

3 地質(zhì)適宜性評價體系的建立

本文采用理論分析法選取評價指標(biāo)?？紤]海綿城市建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標(biāo)建立的理論依據(jù)和指標(biāo)選擇的基本原則,采用理論分析法選擇符合要求的評價指標(biāo)[6]。

本次構(gòu)建的評價體系中形成二級指標(biāo),其中一級評價指標(biāo)為城市的滲水能力、蓄水能力、凈水能力3個方向;而下屬二級指標(biāo)共計 8個,依次為地表坡度、巖土滲透性、下墊面條件、第四系覆蓋層厚度、地下水埋深、水系分布、植被覆蓋程度、水污染程度。根據(jù)建立的層次結(jié)構(gòu),構(gòu)造判斷矩陣,并通過比較的方法,參照1～9 標(biāo)度法(表2)對各指標(biāo)的重要程度進行賦值[7-9]。

表2 1～9標(biāo)度說明

使用幾何平均法(根法),利用 YAAHP 軟件計算各判斷矩陣的一致性檢驗系數(shù)CR,調(diào)整各影響因素的重要性標(biāo)度值,直至所有判別矩陣的CR<0.1,則認為判定矩陣通過一致性檢驗。

計算出各層指標(biāo)對目標(biāo)層的合成權(quán)重,為決策提供依據(jù)。

通過計算,確定各級指標(biāo)相對于目標(biāo)層的權(quán)重,并為最終決策提供依據(jù)。依據(jù)地質(zhì)條件構(gòu)建相應(yīng)的評價指標(biāo)框架后(圖6),參考國內(nèi)外相關(guān)文獻,并認真推敲斟酌,確立了相應(yīng)的指標(biāo)判斷矩陣(表3、表4)。

表3 一級指標(biāo)對應(yīng)目標(biāo)層的排序權(quán)重

表4 各評價指標(biāo)權(quán)重表

4 地質(zhì)適宜性評價結(jié)果

結(jié)合海綿城市建設(shè)相關(guān)規(guī)范要求及二級指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)、評分分級標(biāo)準(zhǔn)(表5),利用ArcGis繪制二級指標(biāo)評價分區(qū)圖。

圖6 地質(zhì)適宜性評價指標(biāo)框架圖

表5 各級評價指標(biāo)的量化分級(參照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄F)

本次采用基于GIS矢量單元法進行評價[10,11],即直接在單一要素矢量圖的基礎(chǔ)上進行多層空間數(shù)據(jù)的疊加運算,得到的評價單元(即各單因子評價圖)。而后利用 ArcGis將各單因子評價圖進行疊加,統(tǒng)計分析其空間屬性,并歸類合并,即可得到研究區(qū)海綿城市建設(shè)地質(zhì)條件適宜性評價結(jié)果(圖7)。

圖7 海綿城市建設(shè)地質(zhì)條件適宜性綜合分區(qū)圖

結(jié)合地質(zhì)條件并依據(jù)評價結(jié)果分析,研究區(qū)地質(zhì)適宜性主要為適宜性較差-適宜性一般區(qū)。其中,受水系分布、坡度等影響,研究區(qū)地質(zhì)適宜性較好區(qū)主要分布于絳溪河及海螺河沿岸,占比3.46%;結(jié)合綜合評價圖,受坡度、巖土滲透性、第四系覆蓋層厚度等因素影響,研究區(qū)地質(zhì)適宜性一般區(qū)為研究區(qū)的主要分區(qū),占比58.82%;受巖土滲透性、第四系覆蓋層厚度等因素影響,研究區(qū)地質(zhì)適宜性較差區(qū)主要分布于泥巖、砂泥巖互層區(qū)域,主要位于研究區(qū)南東側(cè),較差區(qū)占比37.72%。

綜上,研究區(qū)海綿城市建設(shè)地質(zhì)適宜性主要為適宜性較差-適宜性一般,建議采取適合研究區(qū)地質(zhì)情況的低影響開發(fā)措施進行海綿城市建設(shè)。

5 結(jié)論及建議

(1) 研究區(qū)淺丘寬谷地貌以及砂泥巖互層的地質(zhì)條件對海綿城市建設(shè)具有較大的影響,海綿城市建設(shè)應(yīng)充分考慮各類地質(zhì)因素的制約,并針對性地合理布設(shè)海綿城市建設(shè)工程。

(2) 結(jié)合 “滲、蓄、凈”幾方面影響以及研究區(qū)淺丘寬谷地貌、砂泥巖互層等地質(zhì)特點,認為紅層丘陵區(qū)海綿城市建設(shè)主要的地質(zhì)影響因素包括坡度、巖土滲透性、下墊面條件、第四系覆蓋層厚度、地下水位埋深、水系分布、植被覆蓋程度、水污染程度等,并通過現(xiàn)場調(diào)查及實施相應(yīng)的滲透試驗等方式,最終確定坡度、第四系覆蓋層厚度、巖土滲透性對海綿城市建設(shè)的影響更大,主要影響雨洪水的滲水、蓄水等能力。

(3) 研究區(qū)海綿城市建設(shè)地質(zhì)適宜性主要為適宜性較差-適宜性一般,建議采取適合研究區(qū)地質(zhì)情況的低影響開發(fā)措施進行海綿城市建設(shè)。