不同天然海綿體特征條件下的海綿城市建設適宜性研究

翟小潔，翟璐璐，朱家葆，郭曉靜，唐 輝

（1.河南省地質研究院，河南鄭州 450000；2.河南省城市地質工程技術研究中心，河南鄭州 450000；3.長垣市自然資源和規劃局，河南新鄉 453400）

0 引言

2013年12月12日，習近平總書記在中央城鎮化工作會議上提出：建設自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”①。2014年10月，住房與城鄉建設部發布了《海綿城市建設技術指南》，其中指出：海綿城市是指城市能夠像海綿一樣，在適應環境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用②。近年來，海綿城市一直是我國城市建設和雨洪管理的主要方向（俞孔堅等，2015；仇保興，2015；閻浩等，2020）。

將實現海綿城市吸水、蓄水、滲水、凈水、利用和排放雨水這一系列過程的載體稱作“海綿體”（Li et al.，2010），建設海綿城市最重要的是有效“海綿體”的合理利用（張建云等，2016；龔亞西等，2020）。分析國內外已有的海綿城市建設案例，海綿城市海綿體的開發建設途徑主要有：天然“海綿體”以及包含低影響開發設施、綠色基礎設施等的人工“海綿體”（沈樂等，2017；Bai et al.，2019；Su et al.，2023）。天然“海綿體”，一是地表天然海綿體，即地表的天然河流、湖泊或濕地等，這些原生“海綿體”的調洪蓄水能力以及自我修復能力優于人工“海綿體”；二是地下天然海綿體，即地下包氣帶的滲透性和天然地下水庫調蓄功能（郭旭等，2019；王帥偉等，2019；賀小桐等，2020；李贏杰和黃仕元，2022）。

本文主要基于天然海綿體的地質環境條件進行分析研究，分別選取了鄭州市西部高新示范區、東部白沙示范區兩個海綿城市建設示范區作為研究對象③。其中，高新示范區地貌類型為山前沖洪積平原區，面積約15.5 km2；白沙示范區地貌類型為黃河沖積平原區，面積約16.8 km2。兩個示范區分別代表了鄭州市兩種不同的典型地貌類型，其地質環境特征差異較大（王翠玲等，2021），且目前的城市規劃建設和海綿城市建設正處于初步發展階段，通過本次研究工作的開展，可為其后續的海綿城市建設工作提供參考。

1 天然海綿體評價體系和評價因子的確定

從影響海綿城市建設效果的“滲、滯、蓄、凈、用、排”六字方針的地質因素出發（鄧若晨，2020），分析影響海綿城市建設的天然地質海綿體關鍵地質因素?！皾B”包含了地表的入滲和地下的下滲；“滯”包含了地表和下滲過程中的滯留；“蓄”指地表、地下的蓄水能力；“凈”指下滲過程的水土環境；“用”和“排”指降水的調節利用。降水入滲過程的環境影響因素：地表的巖性、地形坡度、土地利用狀況、土壤環境質量、下滲地層（包氣帶）的巖性結構、厚度等（王杰等，2017；杜新強等，2019；方宏宇等，2020；Luong，2021；王帥偉等，2023）。因此，將圖1作為本次評價體系構成。然后將六字方針在海綿城市建設中的重要程度打分（表1），再根據各影響因子對六字方針的貢獻程度一一賦值（表2），二者疊加計算得出相應因子的權重（張李翔，2020；李云等，2022）。

表1 海綿城市建設六字方針打分表Table 1 Scoring table for the six-character policy of sponge city construction

表2 各影響因子權重賦值表Table 2 Assignment table for various impact factors

圖1 天然海綿體地質環境條件評價體系Fig.1 Geological environmental conditions assessment system for natural sponge

2 示范區天然海綿體條件及權重賦值

2.1 地表天然海綿體

地表天然海綿體主要考慮土地利用現狀、地形坡度、地表巖性、土壤質量狀況四個指標。

2.1.1 土地利用現狀

根據第三次國土調查成果數據，對鄭州市示范區現狀用地進行歸類整理，將水域、林地、田地、草地、道路及市政設施用地、建設用地等占地區域進行分類統計（圖2、圖3）。

圖3 鄭州市高新示范區土地利用現狀圖Fig.3 Current land use of the High-tech zone in Zhengzhou City

2.1.2 地表巖性

根據地面調查和鉆探資料顯示，白沙示范區地表巖性以粉土為主，賈魯河兩岸局部存在粉砂（圖4）。高新示范區地表巖性以粉土為主，局部有粉砂和粉質粘土分布，面積?。▓D5）。地表巖性的差異，對降水入滲的影響也不同，地表巖性為粉砂的區域確定為中等透水區，地表巖性為粉土的區域確定為弱透水區。

圖4 鄭州市白沙示范區地表巖性分區圖Fig.4 Lithological subdivision of Baisha zone in Zhengzhou City

圖5 鄭州市高新示范區地表巖性分區圖Fig.5 Lithological subdivision of the High-tech zone in Zhengzhou City

2.1.3 地形坡度

兩個示范區整體地形平坦，地面坡度基本小于2%，局部地段為2～5%。

2.1.4 土壤環境質量

根據相關資料顯示，兩個示范區地表土壤環境質量全部為清潔型，無警戒型等其他不良土壤環境質量分布。

2.2 地下天然海綿體

結合兩個示范區的剖面（圖6、圖7），白沙示范區淺層地下水為潛水，地下水位埋深較淺，約在8～14 m，包氣帶巖性以粉土、粉砂為主，含水層厚度大，巖性以中細砂為主。高新示范區淺層地下水為承壓水，水位埋深約在25～40 m，包氣帶巖性以粉土夾粉質粘土為主，含水層上部有相當厚度的穩定隔水層。因此，高新示范區的地下蓄水和調節能力弱于白沙示范區。

圖6 鄭州市白沙示范區西-東水文地質剖面圖Fig.6 West-east hydrogeological cross-section of Baisha zone in Zhengzhou City

圖7 鄭州市高新示范區西-東水文地質剖面圖Fig.7 West-east hydrogeological cross-section of the High-tech zone in Zhengzhou City

根據兩個示范區天然海綿體條件，結合相關規范要求，對天然海綿體各影響因子進行權重賦值。其中，土地利用現狀根據《土地利用現狀分類》（GB/T 21010-2017）對土地利用類型的劃分，地形坡度結合《土地資源學》等有關領域的研究資料的坡度劃分標準（譚術魁，2011），土壤質量狀況按照《土壤環境質量標準》（GB15618-2018）進行劃分，地層巖性結構及厚度的分級參考中國地質調查局《水文地質手冊（第二版）》的滲透系數、給水度等參數的劃分標準。劃分結果見表3。

表3 各影響因子權重賦值表Table 3 Assignment table for various impact factors

3 示范區天然海綿體適宜性評價結果

根據上述計算的評價指標的權重，結合示范區的地質現狀條件與影響因子權重賦值表，運用綜合評分的原理（10分制），按照表4中海綿城市建設的天然海綿體地質環境條件好壞評判標準進行分級，借用GIS軟件對工作區進行全區賦值，并疊加每一個影響因子的賦值，運用加權求和等方法進行地質條件好壞的分區，通過數據的柵格，形成了天然海綿體地質環境條件評價分區圖。

表4 天然海綿體地質環境條件評價分級賦值標準Table 4 Grading assignment standards for evaluation of geological environmental conditions of natural sponge

白沙示范區天然海綿體地質環境條件評價分為三個區：好、較好、中等區，無較差區和差區（圖8）。

天然海綿體地質環境條件好區（I），面積為0.72 km2，占比4.27%。該區地勢較為平坦，地形坡度以＜2%為主，土地利用植被覆蓋度極高，地表巖性以粉土、粉砂為主，地下海綿體巖性以粉細砂為主，滲透系數大；厚度8～12 m；有利于大氣降雨的快速入滲和地表徑流的下滲。天然海綿體地質環境條件較好區（II），面積為13.93 km2，占 比82.89%。該處地勢較為平坦，地形坡度＜2%；土地利用類型以道路和市政設施用地、建設用地為主，植被覆蓋率相對較低，地表巖性為粉土；地下海綿體以粉土粉砂為主，厚度10～14 m。天然海綿體地質環境條件中等區（III），面積為2.16 km2，占比12.83%。該處地勢較為平坦，地形坡度＜2%，局部在2%～5%；土地利用類型以道路和市政設施用地、建設用地為主，植被覆蓋率相對較低，地表巖性為粉土；地下海綿體巖性以粉砂、粉土為主，滲透系數相對較??；厚度10～14 m；對降雨的快速下滲具有一定程度的阻擋作用。

高新示范區海綿城市建設天然海綿體地質環境條件評價結果分為三個區：較好、中等、較差區，無好區和差區（圖9）。

圖9 高新示范區天然海綿體評價分區圖Fig.9 Natural sponge evaluation zoning map of the Hightech zone

天然海綿體地質環境條件較好區（Ⅱ），面積為1.43 km2，占比9.25%。該區地勢較為平坦，地形坡度以＜2%為主，土地利用植被覆蓋度極高，地表巖性為粉土，地下海綿體巖性以粉土為主，厚度25～35 m。天然海綿體地質環境條件中等區（Ⅲ），面積為13.83 km2，占比89.25%。該處地勢較為平坦，地形坡度＜2%，局部在2%～5%；土地利用類型有田地、林地、道路和建設用地為主，植被覆蓋率相對較低，地表巖性為粉土；地下海綿體巖性為粉土，夾薄層粉質粘土，厚度為20～25 m；對降雨的快速下滲具有一定程度的阻擋作用。天然海綿體地質環境條件較差區（Ⅳ），面積為0.23 km2，占比1.50%。該處地勢相對高低傾斜，地形坡度在＜2%；土地利用類型以道路和市政設施用地、建設用地為主，植被覆蓋率較低，地表巖性為粉土；地下海綿體巖性為粉土，夾有粉質粘土層相對較厚，滲透性較差，厚度為15～25 m，不利于降水下滲。

4 結論與建議

（1）白沙示范區天然海綿體地質環境條件明顯優于高新示范區，從評價結果來看，白沙示范區天然地質海綿體適宜性整體優于高新示范區一個級別。白沙示范區由于受地下海綿體厚度影響，評價結果偏于保守，其淺層地下水水位埋深較淺，上部包氣帶滲透性較好，豐水期易造成淺層地下水位明顯上漲，可考慮適當加大淺層地下水開采力度，增大海綿城市建設的蓄水空間，海綿城市建設的適宜性會大大提升。高新示范區雖然淺層地下水埋深較大，但上部地層滲透性和蓄水性較差，水資源相對匱乏，增加LID設施可以提高海綿城市的建設成效，但海綿城市建設潛力相對較小。

（2）不同的地質環境條件應輔以不同的LID設施。白沙示范區天然海綿體地質環境條件好區，以強入滲（滲透塘、滲井等強入滲能力設施）、存儲（濕塘、雨水濕地等儲存能力設施）為主的相關LID設施。天然海綿體地質環境條件較好區，以儲存（濕塘、雨水濕地等儲存能力設施）為主，輔以雨水入滲LID設施（下沉式綠地、雨水花園、生物滯留帶等入滲形設施）。天然海綿體地質環境條件中等區，適宜入滲量較小的海綿城市設施類型（透水鋪裝等）與調節類設施（調節塘、調節池等）及轉輸類設施（植草溝等）的組合。高新示范區天然海綿體地質環境條件較差區，可重點建設雨水儲存類（如雨水罐、蓄水池等）、傳輸類（植草溝、滲溝管（渠））設施，以及調節塘等調節類LID 設施（李大龍等，2017；冶雪艷等，2019；任南琪等，2020）。同時在各區域中防污性能較差地段采取相應的截污凈化措施。

（3）海綿城市的建設應基于區域宏觀的地質條件和水文循環系統，充分利用河道、湖泊、地形、包氣帶和含水層等天然海綿體，以城市雨洪管控為指導，構建城市良性水循環體系。因此，應將區域水文地質勘查作為海綿城市規劃設計前的基礎性工作，它不僅提供了降水入滲、滯留、蓄存及風險等基礎條件（劉力等，2018；洪增林，2019），同時也是海綿城市建設后對地質環境的影響、生態系統的循環和修復的依據。

（4）海綿城市建設規劃，應充分發揮“天然海綿體”的優勢，在此基礎上以各類低影響開發工程措施作為補充，打造高質量低影響開發的人工海綿體，構建生態基礎設施，讓雨水資源最大化利用，緩解城市水資源短缺問題，在一定程度上降低洪峰和減小洪量，有利于更好地應對城市洪澇災害（Leng et al.，2020；易榮和賈開國，2020）。最終實現城市建設生態效益、經濟效益、社會效益、藝術景觀最大化的和諧發展理念。

［注 釋］

① 中華人民共和國國務院辦公廳.2015.國務院辦公廳關于推進海綿城市建設的指導意見（國辦發（2015）75號）［EB/OL］.http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-10/16/content_10228.htm，2015-10-16.

② 中華人民共和國住房城鄉建設部.2014.海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建（試行）.

③ 鄭州市城鄉規劃局.2017.鄭州市海綿城市專項規劃（2017-2030年）.

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