基于地質(zhì)條件的海綿城市建設適宜性評價
——以東莞市為例

李贏杰,黃仕元

(1.南華大學 松霖建筑與設計藝術學院,湖南 衡陽 421001;2.南華大學 土木工程學院,湖南 衡陽421001)

0 引 言

海綿城市可以有效改善城市水環(huán)境問題，在收集徑流和改善水質(zhì)方面具有顯著效果[1]。然而在建設海綿城市過程中，多半以當?shù)厮鶕碛械墓珗@、山體、濕地等天然的海綿體為節(jié)點，向外延展，對位于地表層下的土壤包氣帶和含水層等地下天然“海綿體”的關注甚少。因缺少對地下水資源存儲空間的判斷，致使眾多的建設工程出現(xiàn)建造困難、建設規(guī)模較小、造價昂貴、建設效益低下等現(xiàn)實問題，同時在后期的維護與更改、效果是否具有可持續(xù)等方面，面臨著重大挑戰(zhàn)。地質(zhì)條件作為海綿城市規(guī)劃設計的主要依據(jù)之一，對海綿城市建設的規(guī)模布局具有重要影響，在選取合適的海綿設施上起著關鍵作用。因此，基于地質(zhì)條件的海綿城市建設適宜性研究顯得格外重要，合理地劃分出適宜建設區(qū)、較適宜建設區(qū)、一般受限建設區(qū)、禁止建設區(qū)，便于相關海綿工程的開展與建設。

1 影響海綿城市建設的地質(zhì)要素分析

在自然環(huán)境中，水循環(huán)和水量的平衡都是建立在降雨-地表水-土壤水-地下水之間的遷移和相互轉換，地質(zhì)作為轉換媒介，決定著水流的速率與水分的性質(zhì)。

1.1 地表條件

當大氣水通過降雨的形式落于地表時，地表的地形坡度、植被的覆蓋程度等都會影響地表水的垂向與側向運動。當?shù)匦纹露容^大時，地表徑流快速流動，地表產(chǎn)流量變大；地形坡度較小的時候，由于降雨徑流緩慢地流動，致使地表徑流在地表面的接觸時間變長，有利于雨水的入滲補給成為地下水[2]。故地表層的地形坡度越小，越有利于雨水的下滲，不易產(chǎn)生洪澇，可以有效消減地表徑流的洪峰值。植被覆蓋越密集，植物根系吸水越多，越能阻擋地表產(chǎn)流的形成過程，減小地表徑流量，能夠促使地表水與土壤充分地接觸，加快徑流的入滲，減少地表的產(chǎn)流量。同時，不同植被類型吸水能力和入滲系數(shù)不同，根據(jù)研究表明：林地>灌木叢>草地。

1.2 土壤包氣帶條件

土壤包氣帶是水循環(huán)轉換的媒介，包氣帶巖性的不同與飽和度都將影響其入滲的速度與量。包氣帶的巖性顆粒越細，顆粒間的空隙率越小，在入滲的過程中受阻力越多，降雨入滲的速率慢。眾多研究證明，中粗砂的入滲系數(shù)大于粉細砂的滲透系數(shù)，其次就是粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)大于黏土滲透系數(shù)。

雨水下滲進入土壤的包氣帶時，一部分的包氣帶會由不飽水狀態(tài)轉變成飽水狀態(tài)。所以，包氣帶的厚度決定入滲時的土壤水分含量，包氣帶越厚，儲存的水分越多，對地下水的補給越多。同時，在入滲過程中，土壤的包氣帶對水質(zhì)具有凈化作用，不同巖性對凈化水質(zhì)的程度不一樣，表現(xiàn)為黏土>粉質(zhì)黏土>粉土>粉細砂。

1.3 淺層含水層條件

地下水性能的關鍵取決于含水層的滲透系數(shù)，滲透性能越好的地段，地下水在含水層中的自由流動能力越強，水流的相互轉換越便利，儲存的地下水量越多。同時，由于地表徑流在入滲的時候，帶有一定的污染物，時間長了產(chǎn)生污染物的積累效應，大量水分的入滲，會引起地下水水質(zhì)的污染。因此，在潛水層較淺的地區(qū)，不適宜建設海綿設施。

2 東莞市海綿城市地質(zhì)適宜性評價體系建立

2.1 海綿城市地質(zhì)適宜性評價思路

海綿城市地質(zhì)適宜性評價是基于地質(zhì)環(huán)境背景下，按照縱向形式從地表層到地下層，由主要到次要的原則，篩選出影響海綿城市建設的主要地質(zhì)因素。通過建立海綿城市地質(zhì)適宜性評價體系，分層次地對體系進行相關因子的重要程度定性分析，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的因子權重劃定海綿城市適宜建設區(qū)、較適宜建設區(qū)、一般適宜建設區(qū)和控制建設區(qū)[3]。

2.2 評價指標的選取

從海綿城市的“滲”“蓄”“凈”理念出發(fā)，通過分析地質(zhì)因素對海綿城市建設的影響機制，遵循全面性、合理性以及易操作性原則，從表層到深層選取相關地質(zhì)因素評價指標。以海綿城市建設地質(zhì)適宜性為目標層，地表的適宜性、土壤包氣帶的適宜性、地下含水層的適宜性為一級評價級指標層，植被覆蓋度、地形坡度、地表巖性、土壤環(huán)境質(zhì)量、包氣帶厚度、包氣帶滲透性、含水層厚度、含水層滲透性等8項地質(zhì)因子為二級評價指標，如表1所示。

植被覆蓋度與地形坡度數(shù)據(jù)來源于地理遙感生態(tài)網(wǎng)，地表巖性來源于東莞市地質(zhì)工程勘探院，土壤環(huán)境質(zhì)量來源于東莞市環(huán)境監(jiān)測中心站，包氣帶厚度來源于水利部水文司，包氣帶滲透性借助于土壤巖土顆粒推算而成，含水層厚度與滲透性來源于東莞市水務局。

表1 評價體系結構層次Table 1 Evaluation Architecture Hierarchy

2.3 指標權重的賦值與計算

為了快速數(shù)字化分析得出各地質(zhì)評價因子對海綿城市建設的整體影響程度，需要進一步對其指標因子進行相關權重賦值。層次分析法在我國的各大專業(yè)領域里的各種決策與工作流程中應用較為廣泛，是一種定性與定量相結合的方法，其計算過程靈活簡潔。由于層次分析法在賦值過程中略帶有主觀意識，故需借用YAAHP軟件對賦值結果做一致性檢驗，提高賦值精準度。

2.3.1 指標權重的賦值

就研究區(qū)而言，地勢呈東南高、西北低，坡度在西北以及中部變幅較小，東南部坡度變幅較大，山體連綿。在天然條件下，西北部對降雨入滲的影響較小，東南部由于坡度過大，會產(chǎn)生一定的降雨徑流，減少了與地表的接觸時間，對降雨入滲有一定的影響。地表層巖性決定著土壤初始含水率以及雨水是否可以快速滲入至深層的關鍵，其影響程度較大，相對較重要。植被覆蓋度在一定程度上影響突出，植被覆蓋度大的地方，植物儲水能力越強，凈化水質(zhì)能力就越強。土壤環(huán)境質(zhì)量狀況是水安全的關鍵，但研究區(qū)土壤質(zhì)量較好，污染面積較小，故在選取的4個地表適宜性指標中影響權重最低。土壤層中的包氣帶條件，決定著土壤水分能否快速滲入到淺層含水層中，補給地下水。研究證明：包氣帶的厚度越大，雨水入滲的速率越低，包氣帶的厚度越薄，越有利于雨水的快速入滲；包氣帶的滲透性越好，雨水入滲的速率越快，其影響著入滲過程中的速率，其相對較重要。淺層含水層的滲透性是地下水是否可以自由流動的體現(xiàn)，淺層含水層的厚度是地下水資源的儲存空間，含水層的厚度越大，儲存空間越充足，是降雨入滲中非常重要的地質(zhì)指標，故各指標的權重賦值如表2所示。

表2 B-A判斷矩陣Table 2 B-A Judgment Matrix

2.3.2 計算各評價指標的權重

根據(jù)上文對各因子相對重要程度的分析，采用1～9標度法兩兩比較得到相對優(yōu)劣順序，根據(jù)對比程度，采用判別矩陣進行標度值的分析，運用幾何方根法，對標度值進行一致性(CR)的計算得到地表適宜性(B1)的一致性比率(見表3)、土壤包氣帶適宜性(B2)的CR值(見表4)、含水層適宜性(B3)的一致性比率(見表5)。當計算的CR<0.1時，表明指標因子的權重賦值較精準，且每次賦值的標準具有一致性[4]。同時，根據(jù)CR的值對各評價因子進行權重的取值，得到相對重要程度排名，如表6所示。

表3 C-B1判斷矩陣Table 3 C-B1 Judgment Matrix

表4 C-B2判斷矩陣Table 4 C-B2 Judgment Matrix

表5 C-B3判斷矩陣Table 5 C-B3 Judgment Matrix

表6 評價因子權重取值表Table 6 Evaluation factor weight value table

3 東莞市海綿城市建設地質(zhì)適宜性評價結果分析

3.1 評價過程

通過建立海綿城市地質(zhì)因子分級指標賦值標準(表7)，采用綜合評分法將海綿城市建設地質(zhì)適宜性劃分為4個等級(如表8所示)，分別為適宜(Ⅰ)、較適宜(Ⅱ)、一般(Ⅲ)、控制(Ⅳ)。根據(jù)前文中對各評價指標權重的計算結果，對東莞市域的各類地質(zhì)環(huán)境進行綜合評分，根據(jù)綜合評分結果，賦值于海綿城市建設的各類地質(zhì)因子。同時，根據(jù)各評價因子的賦值情況，運用MAPGIS軟件的空間分析功能對全區(qū)進行賦值[5-6]，并對各評價指標進行加權求和以及柵格計算，最后疊加成圖。

表7 分級指標賦值標準Table 7 Grading index assignment standard table

表8 海綿城市地質(zhì)適宜性等級Table 8 Eological suitability grade of sponge city

3.2 評價結果與解析

利用GIS軟件的空間分析功能對各指標加權求和，最后柵格計算疊加成圖(圖1)，其評價如下：

1)地質(zhì)環(huán)境適宜的區(qū)域面積為531.48 km2，占總規(guī)劃面積的21.6%，連片分布在大嶺山鎮(zhèn)與虎門鎮(zhèn)的相鄰處、清溪鎮(zhèn)、塘廈鎮(zhèn)、鳳崗鎮(zhèn)東南區(qū)、謝崗鎮(zhèn)、黃江鎮(zhèn)，零星分布在松山湖片區(qū)和東城以及茶山鎮(zhèn)內(nèi)。

2)地質(zhì)環(huán)境較適宜的區(qū)域面積為7.37 km2，占總區(qū)域面積的0.28%，零星分布在大朗鎮(zhèn)的中心城區(qū)域，以及寮步鎮(zhèn)區(qū)域。

圖1 東莞市地質(zhì)適宜分區(qū)圖Fig.1 Geologically suitable zoning map in Dongguan

3)地質(zhì)環(huán)境適宜性一般的區(qū)域面積為1 694.19 km2，占市域面積的69.09%。連片分布在西北部和中部片區(qū)。

4)地質(zhì)環(huán)境較差，需控制建設區(qū)域的面積為219.86 km2，占總區(qū)域面積的9.03%,主要分布在長安鎮(zhèn)與虎門鎮(zhèn)的相鄰處、橋頭鎮(zhèn)及謝崗鎮(zhèn)的東南部，零星分布在黃沙河流域與濱海灣新區(qū)中。

3.3 對東莞市海綿城市建設的建議

根據(jù)評價結果對比東莞市已規(guī)劃的8個首批海綿城市建設重點區(qū)域(見圖2)，對策建議如下：

圖2 東莞市8個首批海綿城市建設點Fig.2 Eight first batch of sponge city construction sites in Dongguan

1)清溪鎮(zhèn)清溪水流域、大朗鎮(zhèn)中心片區(qū)、謝崗鎮(zhèn)的大部分區(qū)域海綿城市建設的地質(zhì)適宜性好，地形較為平緩，稍有起伏但坡度不大[7]，植被覆蓋度極高，土壤巖性多半呈細砂性，地下潛水層主要由厚層粉砂組成，包氣帶及地下含水層的滲透性都較好，有利于大氣降雨的快速入滲和地表徑流的下滲，地下含水層厚度較大，地下水資源儲存空間充足，具備海綿城市建設的工程地質(zhì)條件。但由于該區(qū)域內(nèi)的淺層地下水水質(zhì)較差，水流量較大，在建設海綿城市時需要著重注意對水質(zhì)的整體凈化，可以適當設計如引導性人工土壤滲流、植被緩沖帶、初期控制雨水源的棄流等海綿設施，加強雨水收集過程中水質(zhì)的凈化，降低對地下水污染的風險。

2)寮步鎮(zhèn)地段的黃沙河流域大部分區(qū)域的適宜性較好。由于該片區(qū)建設密度較高，地表不透水面積占比高，具有中等的植被覆蓋度，對降雨的快速下滲具有一定的阻擋作用，且該區(qū)域的包氣帶厚度較薄，存儲下滲雨水的空間有限。宜合理規(guī)劃修建蓄水池、設計雨水花園等相關的地表蓄水設施，集中收集雨水徑流。同時在修建生物滯留池、下沉式綠地等海綿設施的建設輸水設備時，需要保證多余的水量可以及時排走，防止城市內(nèi)澇的出現(xiàn)。

3)松山湖片區(qū)、濱海灣新區(qū)、常平鎮(zhèn)新城中心、沙田鎮(zhèn)西太隆河流域中大部分區(qū)域的適宜性一般，植被覆蓋度低，土壤多為黏性質(zhì)地，地形平緩，包氣帶的滲透性中等，不利于雨水徑流的下滲。但該區(qū)域的包氣帶厚度大，地下水的儲存空間大，且包氣帶凈化性能好?？梢岳闷鋬?yōu)點，在地表建設滲透塘、雨水花園、屋頂花園與生物植草溝等利于雨水徑流下滲的設施。

4)濱海灣新區(qū)的中部、茶山鎮(zhèn)與東城地段的黃沙河流域部分區(qū)域適宜性較差，控制建設區(qū)居多，植被覆蓋度中等，土壤多為砂性質(zhì)地，有利于雨水徑流的下滲，包氣帶厚度較大，便于雨水下滲的儲存。但潛水層水質(zhì)較差，在海綿城市建設中，需要多設計雨水花園、生物植草溝、生物滯留池等設施，收集過程中需進行雨水的水質(zhì)凈化。

4 結 論

1)東莞市地質(zhì)條件好，適宜建設海綿城市的區(qū)域面積為531.48 km2；地質(zhì)條件較好，較適宜建設海綿城市的區(qū)域面積為7.37 km2；地質(zhì)條件一般，海綿城市建設受限的區(qū)域面積為1 694.19 km2；地質(zhì)條件較差，禁止建設海綿城市的面積為219.86 km2。

2)東莞市規(guī)劃的首批8個海綿城市重點建設區(qū)，濱海灣新區(qū)中部、茶山鎮(zhèn)與東城地段的黃沙河流域具有部分控制建設區(qū)。同時，黃江鎮(zhèn)和樟木頭鎮(zhèn)的部分區(qū)域，具有較好的地質(zhì)環(huán)境，可以規(guī)劃成海綿城市的重點建設區(qū)。

海綿城市的建設與地質(zhì)條件密切相關，基于地質(zhì)條件的海綿城市建設適宜性評價，可以優(yōu)先并充分利用自然的海綿特性，降低海綿工程建設的經(jīng)濟消耗、因地制宜選取適合的海綿設施類型。