2023, Vol. 32
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目前我国正在并将持续经历一段城市化急剧发展时期. 城市化建设一方面推动国家现代化, 促进经济飞速发展, 同时由于城市化建设发展的不成熟产生一系列"城市疾病", 主要表现为: 城市内涝、水资源短缺、水资源污染和水生态退化[1-4]. 由于我国城市水问题较为复杂, 且海绵城市建设处于起步阶段, 海绵城市建设原则、开发模式、指标体系等诸多标准还未健全, 整体上仍处于在摸索中前进[5].
20世纪90年代初, 美国率先提出"低影响开发"(low impact development, LID)理念[6-8]: 在场地建设阶段通过控制场地降雨径流量, 达到控制城市雨水径流量和污染负荷的目的. 该理念很快被澳大利亚、新西兰以及欧洲一些国家接受并发展延伸, 并在LID基础上提出"水敏感城市规划""可持续排水系统""绿色基础设施" [9-14]. 其中瑞典和丹麦[15-16]推行的"雨水最佳管理实践"研究, 融合水文特征参数、景观设计、环境控制、管理制度等措施, 综合管理雨水及防治洪水. 该模式因其处理成本低、处理效果好而被广泛接受, 其亦可以在国内中小城市进行前期实践, 作为探索现阶段适应我国城市雨水管理的方向之一.
区别于"快排式"的传统雨水模式, 我国众多专家学者对海绵城市本质进行了新的解释, 指出海绵城市根本问题是水系统治理问题, 其核心是城市水安全, 海绵城市建设应多学科、多部门共同协作, 深入研究, 强化沟通, 科学定位海绵城市, 提出新的构建理念及模式[17-18]. 研究者认为, 海绵城市应基于生态环境、低碳排放、景观规划、市政设计等技术手段, 统筹内涝防治、水质污染、水资源利用和水生态修复等多元化耦合目标建设海绵城市[19-21]. 还有学者从实例出发, 分析径流系数、径流总量、排水系统及雨水资源循环现状等主要问题, 解决海绵城市构建模式、理念等重要问题[22-24]. 地方性法规中, 有北京、南宁等市要求各地区新建、改建、扩建工程对海绵城市建设中的雨水利用有了指引性的设计模式和工程要求, 制定了城市雨水资源化的诸多措施[25-26].
海绵城市建设本质是解决城市水问题, 它不仅仅包括渗、滞、蓄、净、排等措施的合理和有效性, 还需考虑"海绵体"承载体(岩土)的物性, 以及储存雨水的危险性(诱发环境地质问题)等, 这些核心内容与环境地质、水文地质密切相关. 目前国内外专家学者对海绵城市的研究多为建设方式、技术手段的"工程性措施"研究[27], 而忽略海绵能力(渗、蓄)的地质体属性, 并未整体性考虑海绵城市建设区或规划区的环境地质适宜性评价, 同时由于缺乏资金, 大多研究仅停留在理论研究阶段, 未付诸实地实践. 因此本研究在大量调查我国中原城市群水文地质、工程地质基础上, 从地质角度出发, 主要考虑海绵城市建设地下环境承载力, 开展海绵城市建设环境地质适宜性评价, 可有效节约建设成本, 减少建设工作量, 实现海绵城市建设规划有的放矢.
1 海绵城市建设环境地质适宜性评价环境地质适宜性评价是海绵城市建设的前提, 海绵城市建设中地质体的海绵能力大小直接影响到海绵城市建设的城市规划、方案设计及现场施工的难易复杂程度[25]. 因此开展海绵城市建设适宜性评价, 主要考虑地下环境承载力, 从环境、水文地质角度出发, 针对原始海绵地质条件的降雨入渗最大深度及地表土体渗水速度进行研究分析. 基于大量实际钻孔及原位渗水试验, 选择海绵渗水、海绵蓄水两个指标对海绵城市建设中环境地质适宜性进行评价, 该指标能够有效地代表及概括海绵城市建设中环境地质适宜性, 且易得易懂, 具有较强的普适性, 易于推广, 可减少城市规划勘察、设计及施工难度及工作量.
1.1 海绵城市建设评价指标海绵城市建设中针对城市"海绵体"对降雨量的海绵能力, 包括渗透能力(雨水渗透系数)、蓄存雨水能力(浅层地质"海绵体"储水空间), 采用提出海绵渗水、海绵蓄水两个指标, 表达环境地质条件对于有效解决城市雨水问题的能力大小.
1) 海绵蓄水能力: 假定理想状态下(一个大气压, 水力梯度为1, 只考虑垂直入渗), 在整个降雨入渗过程中, 由于渗透雨水总量相等, 地表水渗水速度等于包气带渗透速度, 降雨量Q完全入渗需要时间为t0, 则入渗最大深度hmax为:
| $ h_{\max }=\frac{Q}{A \times n} $ |
其中, A-区域面积; Q-30 a内最大降雨量; VS-雨水入渗速度; hmax-降雨最大入渗深度; hGW-地下水位埋深; t0-降雨完全入渗时间; n-渗透深度内加权有效孔隙率; hQ-区域面积降雨量高度(图 1).
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图 1 理想状态下降雨渗透曲线 Fig.1 Rainfall infiltration curves under perfect condition 1-地面雨水渗透曲线(surface rainwater infiltration curve); 2-包气带渗透曲线(vadose zone permeability curve); 3-雨水渗透最大深度(maximum penetration depth of rainwater); 4-地下水位线(groundwater level) |
那么定义海绵蓄水能力:
当P>1时, hGW > hQ, 表示地质环境(包气带厚度)完全能承受30 a内最大降雨量Q, 则表示城市"海绵体"对降雨量有足够的蓄存能力、释水能力;
当P=1时, hGW=hQ, 表示地质环境刚好能承受降雨量Q, 此时为临界状态, 若要进行海绵城市建设需保持天然地质环境或稍加措施处理即可;
当P < 1时, hGW < hQ, 表示地质环境不能承受降雨量Q, 则表示城市"海绵体"对降雨量有足够的蓄存能力.
2) 海绵渗水能力: 假定理想状态下(一个大气压, 水力梯度为1, 只考虑垂直入渗), 在整个降雨入渗过程中, 同等降雨量Q条件下不同土性地层完全入渗过程中渗水速度Vi为:
| $ V_i=\frac{Q}{t_i} $ |
式中, Vi-不同土性地层渗水速度; ti-不同土性地层完全入渗时间(图 2). 设Vs-小雨降水速度; Vm-中雨降水速度; Vh-大雨降水速度.
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图 2 不同土性对应渗透曲线 Fig.2 Rainfall infiltration curves for different soil formations 1-粗砂、砾石(coarse sand & gravel); 2-中砂、细砂(medium & fine sand); 3-粉土、黄土(silt & loess); 4-粉黏、黏土(silty clay & clay) |
那么定义海绵渗水能力V:
当V<Vs时, 地表土层仅能接受小雨程度降水;
当Vs<V<Vm时, 地表土层能接受中雨程度降水;
当Vm<V<Vh时, 地表土层能接受大雨程度降水;
当V>Vh时, 地表土层能接受大雨以上级别程度降水.
1.2 原位渗水试验对照降雨量分级本研究针对中原地域河南平原区新乡市不同土性开展野外原位渗水试验50组, 地面调查、水位统测和收集资料共120个钻孔点及163个调查取样点(图 3), 通过大量野外渗水试验(图 4), 得到不同类型土质渗水参数与降雨级别的对应关系(表 1).
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图 3 研究区调查点分布 Fig.3 Distribution of survey points in the study area 1-调查点(survey point); 2-钻孔(borehole); 3-渗水实验点(seepage test point) |
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图 4 不同降雨级别对应渗透曲线 Fig.4 Infiltration curves corresponding to different rainfall levels a-小雨级别(light rain); b-中雨级别(moderate rain); c-大雨及以上级别(heavy rain and above level) |
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表 1 渗水试验结果与降雨等级对应表 Table 1 Infiltration test results and corresponding rainfall levels |
由表 1降雨级别确定对应渗水速度临界值:
当V<0.6×10-3时, 地表土层仅能接受小雨程度降水;
当0.6×10-3 ≤ V<1.2×10-3时, 地表土层能接受中雨程度降水;
当1.2×10-3 ≤ V<6.0×10-3时, 地表土层能接受大雨程度降水;
当V ≥ 6.0×10-3时, 地表土层能接受大雨以上级别程度降水.
2 案例分析新乡市位于河南省北部, 地处黄河、海河两大流域, 地势北高南低, 北部主要是太行山山地和丘陵岗地, 南部为黄河冲积扇平原, 平原占全市土地总面积的78%, 年平均降水量573.4 mm, 其中6-9月份降水量最多, 占全年降水的72%, 年蒸发量1 748.4 mm. 新乡市共有3个国家级开发区和2个省级开发区, 整体处于城市化急剧建设发展时期.
本次新乡地面调查、水位统测和资料收集共获得120个钻孔点及163个调查取样点, 以及研究区50组双环原位渗水试验、调查点及钻孔点原状土样. 结合室内土体物理力学参数试验数据分析, 依据实测数据及实验结果对新乡市海绵渗水能力V、海绵蓄水能力P进行计算, 结果如表 2.
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表 2 研究区"海绵体"海绵能力计算结果 Table 2 Calculation results of sponge capacity of "sponge body" in the study area |
依据表 2研究区"海绵体"海绵能力计算结果, 对海绵能力V进行分区, 结果见图 5.
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图 5 新乡市海绵渗水能力分区图 Fig.5 Zoning map of sponge seepage capacity in Xinxiang City 1-良(good); 2-中等(medium); 3-差(bad); 4-河流(river) |
1) 研究区内表层"海绵体"海绵渗水能力V整体评价较差, 区域内仅3%面积入渗速率V>1.2×10-3, 达到大雨级别以上. 雨季时雨水可直接渗透表层"海绵体"补给浅层地下水, 不会形成地表径流及地面积水. 此区域可直接用来海绵城市渗水工程建设.
2) 区域内仅26.5%面积入渗速率V>0.6×10-4, 达到中雨级别以上, 分布在区域西南和中部. 雨季时降雨量不能全部渗透地表包气带补给浅层含水层, 会形成地表径流或地面积水. 在海绵城市建设初期需进行透水铺装, 或增设植草沟、植被缓冲带等工程设施, 对海绵渗水能力改善后进行海绵城市建设.
3) 70%面积渗水能力仅达到小雨级别, 渗水能力差, 在雨水条件时会形成大量地表径流并导致地面积水, 其主要原因为该区域大部分地表有1~5 m厚粉黏土. 新乡市南部为开发区、新兴工业产业园区选址, 大面积路面硬化、建筑设施等不透水面积占比过大导致地表渗透能力降低. 针对该区域地质"海绵体"渗水能力较差, 提出以下建议: ①在该区内地面建设雨水湿地、湿塘、生物滞留池等设施净化雨水径流; ②表层厚度较薄的粉质黏土可直接去除, 利用下伏渗透性能较好的粉细砂土地层铺设透水铺装系统, 若表层粉质黏土厚度较大, 可采用地表铺设透水铺装+渗透井施工, 将雨水引入浅层地下水; ③利用干渠排泄部分雨水, 利用湖泊消纳部分雨水; ④在人工条件干预和工程建设成本较高的区域, 不宜直接进行或有选择性地进行海绵城市建设, 可在部分地方建设下沉式绿地.
依据研究区"海绵体"海绵能力计算结果(表 2), 对新乡市海绵城市建设海绵蓄水能力P进行分区(图 6).
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图 6 新乡市海绵蓄水能力分区图 Fig.6 Zoning map of sponge storage capacity in Xinxiang City 1-良(good); 2-中等(medium); 3-差(bad); 4-河流(river) |
1) 区域内62%面积P>1, 表明该区域内表层"海绵体"蓄水能力满足年降雨量, 雨季时地表包气带海绵蓄水能力足够承受降雨量入渗, 不会产生地面积水. 此区域可直接用来海绵城市蓄水工程建设.
2) 雨季时区域内35.5%面积地表包气带P=1, 即蓄水能力处于临界范围, 部分低洼区可能会产生地面积水. 在海绵城市建设初期需进行坡面引流, 或增设蓄水池、人工湖等工程设施, 对海绵蓄水能力改善后进行海绵城市蓄水工程建设.
3) 区域内2.5%面积P<1, 表示此部分区域内表层"海绵体"蓄水能力差, 在雨水条件时不足以承受降雨量而导致地面积水. 主要原因为该区域内表层土壤渗透性差, 地表水位浅(大多在5 m左右), 包气带有效孔隙率小. 且人工条件干预和工程建设成本较高, 不宜直接进行海绵城市蓄水能力建设. 针对该区域地质"海绵体"渗水能力较差, 提出以下几点建议: ①地面建设雨水湿地、湿塘、生物滞留池等设施, 增强地表滞水, 减小雨水径流; ②按照规范铺设透水系统、植草沟等设施, 在透水铺装系统中铺设输水管道引雨水到人工池塘或临近蓄水洼地, 或采用人工渗井等有效手段将雨水引入地下水含水层; ③利用孟姜女河等河流排泄部分雨水, 利用水塘、水库和湖泊消纳部分雨水; ④建设下沉式绿地, 消化"海绵体"系统不足以储存的降雨量.
3 结论1) 环境地质适宜性评价是海绵城市建设的前提. 本研究从地质角度出发, 考虑海绵城市地下环境承载力的地质属性, 基于大量实际钻孔及原位渗水试验, 针对原始海绵地质条件的降雨入渗最大深度和地表土体渗水速度, 采用海绵渗水(V)、海绵蓄水(P)两个指标对海绵城市建设中环境地质适宜性进行评价, 为中原城市群海绵城市建设规划设计提供思路及参考.
2) 通过大量原位双环渗水试验及室内渗透试验对不同降雨级别条件下土体渗透性分级, 并依据海绵渗水能力和海绵蓄水能力两指标对新乡市海绵城市建设环境地质适宜性进行分区评价, 结果表明: 研究区内海绵蓄水能力明显优于海绵渗水能力, 在渗水能力和蓄水能力不足以消化最大降雨量区域给出具体海绵城市地学建议, 可减少海绵城市规划、设计及施工难度及工作量.
3) 在提出海绵城市建设环境适宜性指标理论时进行理想状态假设, 并且海绵净化能力也是海绵城市建设中的重要目标, 此为目前研究不充分和粗糙点. 此外海绵渗水能力与海绵渗水能力应结合考虑, 该内容应为下一步研究问题的方向和重点.
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