紅層丘陵區海綿城市建設地質影響因素分析及地質適宜性評價

黃頡,謝鵬程,于許兵,劉星,錢直明

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

海綿城市的建設與區域地形地貌條件、地質構造條件、含水層結構和水文地質特征、巖土工程特征等息息相關。國內目前海綿城市建設方面的研究很多,但是針對地質適宜性評價方面相關研究卻相對較少。

魏映彥等結合山地城市的地形地貌、排水系統、暴雨徑流等特點,總結出適合山地地形的海綿城市規劃策略[1];賀小桐等利用AHP計算各指標權重,借助 Mapgis軟件進行疊加分析,最終實現宿遷市區海綿城市建設地質適宜性分區[2];黃敬軍等研究了徐州市海綿城市建設與地質環境條件之間的相互關系,建立了地質適宜性評判指標體系[3];謝紀海等以武漢市都市發展區為對象,分析地質條件對海綿城市建設的影響機制[4-5]。

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

1 研究區概況

研究區地屬成都市,面積248 km2。研究區位于龍泉山東坡斷裂東側,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,區內相對高差106 m,丘頂與谷底相對高差一般在20～50 m。區內除北西端出露有不到1 km的三岔斷裂,未見其他褶皺、斷層發育,因龍泉山褶皺而伴生的斷裂構造,發育規模較小,且近期活動性不明顯,對區內的城市建設影響程度較小。區內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),包括白堊系下統蒼溪組及侏羅系上統蓬萊鎮組,巖性主要為磚紅色、紫紅色的砂巖、泥巖、泥質砂巖等。區內地下水包含松散巖類孔隙水、丘陵區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白堊系下統蒼溪組;4.J3P2侏羅系上統蓬萊鎮組上段;5.J3P1侏羅系上統蓬萊鎮組下段;6.公路;7.水系;8.鄉鎮界線;9.工作區范圍圖1 地質分布圖

2 地質影響因素分析

海綿城市建設主要考慮到“滲、蓄、凈”幾方面的能力建設,那么從地質角度考慮其適宜性,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)。結合研究區的地形地貌、地層巖性等特征以及海綿城市的建設特點,對區內各地質因素進行詳細分析。

表1 地質影響因素一覽表

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。

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

2.2 巖土滲透性

巖土體滲透性與巖土體的孔隙有關,體現了地表水通過巖土體的難易程度。

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

圖2 粉質黏土滲透試驗

圖3 填土滲透試驗

2.3 下墊面條件

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

目前研究區處于規劃建設初期,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。研究區下墊面大部分處于耕地及原始綠地,局部為硬化的集鎮、道路路面等,更利于海綿城市建設。

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逐漸減薄,呈板狀-透鏡狀。區內第四系厚度一般2～8 m,局部達11余米。調查表明,研究區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。

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;若地下水埋深淺,則蓄積空間小,雨水滲入難。

研究區受地形及構造條件的影響,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。

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的影響主要取決于海綿城市建設區域與水庫、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]。

研究區內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。區內支流縱多、且流量偏小,河谷多寬緩對稱。區內水庫主要有毛井溝水庫、龍河堰水庫等,規模不大,均為小型水庫(圖5)。

區內距離水系200 m以內區域均屬于海綿城市建設適宜性良好區,距離大于200 m區域屬于海綿城市建設適宜性一般-差區。

1.鄉鎮位置;2.水庫及水系;3.主要河流;4.工作區范圍界線圖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域,植被能有效減小地表徑流,增加雨水蒸發量,凈化水質;植被覆蓋率低的區域,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。

據調查,研究區植被覆蓋率占整個研究區的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影響因子考慮。

根據研究區內146件水質分析結果,結合區內地表水調查現狀,研究區水質主要以Ⅳ類水為主,覆蓋全區大部分區域;而Ⅱ類水主要分布在毛井溝水庫等庫區;Ⅴ類水主要分布在研究區北部及東部海螺鎮一帶。

綜上分析,區內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。結合研究區淺丘寬谷地貌特征、砂泥巖互層的巖性特征等地質特點,丘陵區的地形緩坡、第四系松散粉質黏土的巖性結構以及基巖埋深淺等均制約著區內海綿城市的入滲、排泄能力,因此,認為在紅層丘陵區,坡度、第四系覆蓋層厚度、巖土滲透性對海綿城市建設的影響更大,下一步的評價體系中將逐一考慮其影響權重。

3 地質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?？紤]海綿城市建設地質適宜性評價指標建立的理論依據和指標選擇的基本原則,采用理論分析法選擇符合要求的評價指標[6]。

本次構建的評價體系中形成二級指標,其中一級評價指標為城市的滲水能力、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。根據建立的層次結構,構造判斷矩陣,并通過比較的方法,參照1～9 標度法(表2)對各指標的重要程度進行賦值[7-9]。

表2 1～9標度說明

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CR,調整各影響因素的重要性標度值,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。

計算出各層指標對目標層的合成權重,為決策提供依據。

通過計算,確定各級指標相對于目標層的權重,并為最終決策提供依據。依據地質條件構建相應的評價指標框架后(圖6),參考國內外相關文獻,并認真推敲斟酌,確立了相應的指標判斷矩陣(表3、表4)。

表3 一級指標對應目標層的排序權重

表4 各評價指標權重表

4 地質適宜性評價結果

結合海綿城市建設相關規范要求及二級指標分級標準、評分分級標準(表5),利用ArcGis繪制二級指標評價分區圖。

圖6 地質適宜性評價指標框架圖

表5 各級評價指標的量化分級(參照《水利水電工程地質勘察規范》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上進行多層空間數據的疊加運算,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,統計分析其空間屬性,并歸類合并,即可得到研究區海綿城市建設地質條件適宜性評價結果(圖7)。

圖7 海綿城市建設地質條件適宜性綜合分區圖

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

綜上,研究區海綿城市建設地質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地質情況的低影響開發措施進行海綿城市建設。

5 結論及建議

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

(2) 結合 “滲、蓄、凈”幾方面影響以及研究區淺丘寬谷地貌、砂泥巖互層等地質特點,認為紅層丘陵區海綿城市建設主要的地質影響因素包括坡度、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,并通過現場調查及實施相應的滲透試驗等方式,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的影響更大,主要影響雨洪水的滲水、蓄水等能力。

(3) 研究區海綿城市建設地質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地質情況的低影響開發措施進行海綿城市建設。