海绵城市建设的地质影响及适宜性研究——以常州市为例

卞小芮，陈永春，苏 东，杨 磊，张晨晖，陈 舟*，付业盛

(1.河海大学地球科学与工程学院，南京 211100； 2.江苏省常州市自然资源和规划局，江苏常州 213022；3.江苏省地质调查研究院，南京 210018)

0 前言

随着我国经济的飞速发展，城镇化率也在不断提高，但原有的生态用地随着城市化的发展逐渐消失，打破了自然界原有的生态平衡，造成了城市雨洪问题的激增。然而，传统的雨水处理技术随着城市的发展，弊端愈加显著。为了解决这些突出的城市水问题，习总书记2013年在中央城镇化会议上提出：建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市[1]。

针对城市水处理问题，国外研究起步较早，在20世纪60年代开始就开展了相应的工作。美国在20世纪70年代，针对非点源污染处理问题提出了最佳管理措施(BMPs)理论[2]。20世纪90年代美国在BMPs的基础上，提出了低影响开发(LID)理念[3-4]。英国在20世纪90年代提出了可持续城市排水系统[5](SUDS)的概念，在综合考虑水质水量的基础上，注重通过自然环境去调控降雨的渗排[6]。

目前国内基于LID理论，提出了“海绵城市”的新理念。张建云[7]认为海绵城市建设的核心是城市水安全，根本问题是水的系统治理问题，并提出多学科多部门协同合作来应对。俞孔坚[8]认为海绵城市建设应从生态系统服务出发，通过跨尺度构建水生态基础设施。栗杰文[9]研究认为海绵城市建设应从自然水文条件角度出发，在此基础上进行规划设计。但从海绵城市概念提出至今，相关研究主要集中在“低影响开发”、“重点建设区专项规划”等方面[10]。仅有少数专家学者针对海绵城市建设进行了地质环境方面的研究。安守林[11]在分析海绵城市建设途径的基础上，阐述了城市地质调查工作在海绵城市建设中的支撑作用。王帅伟[12]通过研究海绵城市中海绵能力与环境地质参数的关系，对焦作市的环境地质适宜性进行了分析。黄敬军[13]在分析地质环境对海绵城市建设影响的基础上，研究并建立了徐州市海绵城市建设的地质适宜性评判指标体系，为徐州市的海绵城市建设提供了地质依据。常州市作为江苏省第一批海绵城市建设试点城市，城市水问题突出由来已久。因此，海绵城市建设对于常州市意义重大。基于此，本文以常州城市规划区为研究对象，基于GIS类软件，使用层次分析法、综合评分法等方法，以研究区的地形地貌、包气带特征、浅层含水层特征及地质灾害情况为评价因素，构建常州城市规划区海绵城市建设地质环境评价体系并进行适宜性评价分析。

1 海绵城市建设地质环境评价影响因素分析

我国海绵城市建设是在城市建设开发过程中在源头、中途和末端采取不同的LID技术措施对雨水问题进行控制和处理。具体可以概括为采用“渗、蓄、滞、净、用、排”等六位一体的技术措施体系，以提高对雨水的渗透、净化、调蓄、利用和排放能力[14]。

海绵城市建设所提出的低影响开发技术措施都与地质环境密切相关。其中，地质环境对“滞、渗、净、蓄”这四种技术措施的影响的更加显著。下面结合地质环境对降雨过程中的作用进行分析。

1)对降雨产流的影响。地面坡度越大，坡面水流流速越大，水层厚度和单位面积实际承雨量越小，水层正压力减小，从而使入渗率降低[15]，更易形成地表产流。植被具有涵养水源的作用，植被覆盖能使降雨量有效降低，增加土壤入渗并减少地表径流[16]。不透水基岩、城市路面硬质铺装等，降雨落到此区域极易形成地表产流[17]。包气带特性对降雨产流有很大的影响。砂性土包气带较粘性土的渗透性好，降雨更容易入渗地下，形成的地面产流会较少。在同种岩性情况下，包气带越厚，相对来说产流形成时间会越长。

2)对降雨入渗的影响。地形坡度大的地区不利于降雨的聚集，减缓地面坡度可以增加降雨入渗[18]。砂性土包气带的透水性较好，粘性土包气带相比较而言透水性弱。在粘性土包气带地区降雨不易下渗，入渗速度明显受到影响，在强降雨的情况下就易形成地表径流。潜水水位埋深的大小对降雨入渗影响也较大。在地下水位埋深较小时，受重力水库容小的制约，不利于降雨的入渗[19]。

3)对降雨储蓄的影响。潜水水位埋深大，能容纳的降雨空间就较大，有利于对降雨的储蓄利用。此外，浅层含水层的水文地质条件能反映天然海绵体的吸水能力及出水能力。岩性条件较接近的情况下，一般来说，含水层越厚，储水空间相对来说更大。在含水层厚度相近的情况下，砂性土比粘性土的孔隙度高，能够储蓄更多的雨水，海绵体效果更出色。

4)对降雨净化的影响。在环境条件及水文地质条件基本相同的情况下，包气带厚度与地下水污染程度呈负相关的关系[20]。包气带厚度大，雨水入渗迁移的距离长，有利于包气带介质对雨水中污染物的吸附和净化，地下水不易受污染。同时，在包气带厚度相同的情况下，渗透系数小，则入渗的污染物组分能长时期滞留于包气带内并被逐渐吸附、分解或降解[21]。

5)对地质灾害的影响。海绵城市建设过程中，需要建设一定量的基础设施，会改变甚至破坏场地原有地质环境。同时，降雨储蓄利用的过程中，会伴随着地下水位的涨幅变化，可能会诱发产生一系列的地质灾害问题，如地裂缝、道路塌陷、岩溶塌陷等。大量的雨水长时间冲刷、浸泡岩土体，易产生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害[22]。因此，在海绵城市建设过程中，对地质灾害要足够的重视。在地质灾害易发地区，就需要采取合理的措施，减轻对环境的改变，结合相关的工程技术措施，消除潜在的地质灾害风险。

2 研究区评价体系的构建

2.1 评价指标的选取

基于对海绵城市建设地质环境影响因素的分析，参考前人的研究成果，根据研究区实际情况，依据主导性、完备性、可行性、独立性评价原则，按照由表及里、由上至下选取影响研究区海绵城市建设地质环境评价的地质环境因素作为评价指标，确定了为4个一级指标和7个二级指标构建了研究区海绵城市建设地质环境评价指标体系(表1)。

表1 地质环境评价指标体系

2.2 评价指标体系及权重的确定

为了定量表征各地质评价指标对海绵城市建设的影响程度，需对各评价指标进行权重赋值。本文采用层次分析法(AHP)对各评价指标在评价体系中的作用程度进行量化[23]。

2.2.1 搭建判断矩阵

在已建立的层次结构模型基础上，通过对研究区实际情况的整体分析，结合海绵城市建设的主要目的，对研究区各评价指标重要性进行两两对比，最终构造出相关的判断矩阵D。

2.2.2 一致性检验

对于判断矩阵D=(dij)n×n，当n≤2时，判断矩阵具有完全一致性，无需再进行一致性检验；当n>2时，计算判断矩阵D的一次性指标CI：

(1)

式中：λmax—判断矩阵的最大特征值；n—判断矩阵的阶数。

计算一致性比例CR：

CR=CI/RI

(2)

式中：CI—一次性指标；RI—平均随机一致性指标。其中通过查找判断矩阵平均随机一致性指标表，得到RI值。当计算出的CR<0.1，则所建立的判断矩阵的一致性检验通过，计算的指标权重结果是可以使用的，否则需要对判断矩阵做出恰当的修改，直到最终通过一致性检验。

各判断矩阵的一致性检验结果如表2所示，其中地形地貌(B1-C)、包气带特征(B2-C)及地质灾害(B4-C)的判断矩阵小于2阶，因此具有完全一致性。

表2 一致性检验结果

2.2.3 权重的确定

根据一致性检验的结果，表明计算得到的权重结果是可用的，研究区各因素权重结果如表3所示：

表3 研究区地质评价因素权重

由权重计算的最终结果可知，在研究区评价中影响最大的为包气带特征与浅层含水层特征。细分到指标层而言影响最大的为浅层含水层厚度，占整个系统权重的26%。

2.2.4 评价等级与评分标准

为了定量表征各评价指标对研究区海绵城市建设的影响程度，采用五分制，对研究区的7个二级单因子评价指标进行评级评分。根据各项二级指标在研究区的分布特征，将其划分为若干个等级，以表示该指标的差异分布对海绵城市建设的影响大小，评分值越大表示越适宜，各分级评分结果如表4所示。

3 研究区海绵城市建设地质环境适宜性评价

3.1 研究区概况

常州城市规划区辖区面积1 862 km2，位于长江三角洲的中心地带，整体地形以平原、圩区为主，总体呈东南低西北高的趋势，圩区总面积约478km2，地面高程1～2m。除研究区周边及太湖沿线分布有少量残丘外，大部分为开阔平坦的冲湖积平原。根据地形特征及成因类型，可将研究区地貌单元划分为构造剥蚀残丘、长江漫滩平原、高亢平原、平坦水网平原四部分。平原区地形整体较为平坦，总体呈东南低、西北高的分布态势，地面标高5～10m。其中长江漫滩平原分布于常州城市规划区东北角，地面标高3～4m，地表岩性以亚黏土及亚砂土为主。

表4 地质评价因素分级评价指标

常州市是江苏省第一批海绵城市建设试点城市，城市水问题突出已久。据《常州市海绵城市专项规划》，常州市水安全、水环境、水生态、水资源等均存在较为突出的问题：如局部地区排涝能力有限，存在较多易淹易涝点；污水厂尾水污染负荷高，径流面源污染重；水体自净能力较弱，河湖水体的生态修复能力变弱；水质型缺水问题严重。相较于其他城市，常州市境内水网密布，水资源丰富，雨量充沛，市区多年平均降水量为1 066mm，汛期6-9月雨量约占年降水量的60%[24]。在2011-2012年常州市连续3次强降雨造成城区多处受涝[25]。2015年6月，常州遭遇两百年一遇的大洪水，受灾人民近16.41万，造成直接经济损失达43.64亿元。因此，海绵城市建设对于常州市意义重大，尤其应当以水安全为核心，以构建城市良性水文循环系统，有利于推动常州城市建设向高质量、可持续之路发展。

3.2 研究区适宜性评价结果

在本论文中使用Mapgis6.7软件，对研究区的单因子评价指标进行分区制图评价分析。结合多因素综合评价法及Arcgis10.6软件的空间分析功能，对单因子指标分区结果进行叠加分析，对研究区海绵城市建设地质环境适宜性的综合情况及低影响开发设施的适用性进行研究分析。

多因素综合评分法将各个单因子指标的评分值与指标权重的乘积进行迭加求和，具体公式如下所示：

(3)

式中：S—地质适宜性综合评分值；wj—单因子指标在整个评价系统的权重值；Xij—单因子指标分区第i单元的评分值；n—单因子指标总数。

3.2.1 研究区单因子指标分区评价

1)地形坡度。按照评分分级标准将常州市地形坡度分为<2°、2°～5°及>5°三个区域，具体分区情况如图1所示。由图1可以看出研究区整体坡度较缓，大部分区域坡度小于2°。在沿江一带、常州市区及湟里镇的局部地区坡度在2°～5°；武进区雪堰镇附近的大茅山、酱缸山、东家山、夹山，横山桥镇的芳茂山、城墩山、石堰山以及孟河镇的黄山等丘陵地区坡度普遍大于5°。

图1 地形坡度分区Figure 1 Topographic slope zoning

2)包气带岩性。根据研究区的野外实地调查，以及钻孔资料、地质报告的整理分析，研究区包气带岩性主要为亚砂土、亚黏土及黏土。在进行岩性分区时，取包气带岩性的渗透系数经验值，利用克里金插值法绘制包气带岩性分区图，分布情况如图2所示。由图2可以看出研究区的包气带岩性分布差异性较大，整体呈现出由北向南透水性能逐渐变弱的趋势。

图2 包气带岩性分区Figure 2 Vadose zone lithologic zoning

3)潜水位埋深。根据研究区1993-2017年的降雨量资料，研究区年平均降雨量在每年的6、7、8月份达到最大，这3月的年平均降雨量总和占全年的48%以上。再根据长期水位动态监测数据(时间段为2019年6月至2019年11月)，求得各月份的平均水位，以潜水水位最高的月份作为研究区潜水位埋深数据的选取(最终选取2019年8月)，绘制研究区潜水水位埋深等值线图，如图3所示。由图3可以看出研究区潜水水位埋深大部分都在0～6m，整体水位由西至南、由西至东呈现出潜水位埋深越来越浅的渐变规律。

图3 潜水水位埋深分区Figure 3 Phreatic water level depth zoning

4)浅层含水层岩性。根据钻孔资料及地质报告的整理分析，研究区浅层含水层岩性主要为细砂、粉砂、亚砂土及亚黏土，取岩性渗透系数经验值，利用克里金插值法进行制图分区，研究区浅层含水层岩性分布情况如图4所示。由图4可以看出研究区浅层含水层岩性分布较为复杂，整体呈现出中部岩性孔隙大，南北部岩性孔隙小的特点。

图4 浅层含水层岩性分区Figure 4 Shallow aquifer lithologic zoning

5)浅层含水层厚度。根据研究区的钻孔资料及相关地质资料，经整理分析，绘制研究区浅层含水层厚度等值线图如图5所示。由图5可以看出研究区的浅层含水层整体较为发育，呈现出以滆湖—长江连线为中线向东南、北西两侧渐薄的趋势。

图5 浅层含水层厚度分布Figure 5 Shallow aquifer thickness distributions

6)下伏弱透水层岩性。根据钻孔资料及地质报告可知，研究区含水层下伏弱透水层的岩性主要由黏土、亚黏土以及亚砂土组成。取岩性渗透系数经验值，利用克里金插值法绘制研究区下伏弱透水层岩性分区图，如图6所示。由图6可以看出研究区浅层含水层下伏弱透水层隔水性能整体较好，以亚黏土为主，在区内分布广泛。黏土在春江镇及新桥镇东部边界有局部分布；亚砂土夹亚黏土在区内分布较为分散。

图6 下伏弱透水层岩性分区Figure 6 Underlying weak permeable bed lithologic zoning

7)地质灾害易发性。根据地灾中心的调查成果，以及研究区地质灾害的发育特征及单因子指标评分标准，利用Mapgis 6.7软件的矢量化功能，将研究区地面沉降、地裂缝分区图与崩塌、滑坡、地面塌陷分区图进行矢量化处理后叠加，得到研究区的地质灾害评分分布图如图7、图8所示。

图7 地面沉降、地裂缝分区Figure 7 Surface subsidence and ground fissure zoning

图8 崩塌、滑坡、地面塌陷分区Figure 8 Cave-in, landslide and surface collapse zoning

3.2.2 研究区海绵城市建设综合分析

根据研究区实际情况，将研究区划分为5个等级，即适宜性好(Ⅰ)、适宜性较好(Ⅱ)、适宜性中等(Ⅲ)、适宜性较差(Ⅳ)、适宜性差(Ⅴ)五个等级。

根据分区结果，研究区海绵城市建设地质环境适宜性较好—好的地区总分布面积为800.05 km2，占比为48.66%，地质适宜性中等的地区分布面积为674.53 km2，占比为41.03%；适宜性差—较差的地区总面积为169.49 km2，占比为10.31%。具体分区情况如图9所示，根据图9可以看出，整体而言，研究区呈现出中西部适宜性好，东南部及新北区北部一些区域适宜性稍差的特点。

图9 海绵城市建设地质环境适宜性分区Figure 9 Sponge city construction geological environment suitability zoning

基于以上结果，根据研究区综合分区的整体情况，对研究区地质环境适宜性进行归纳总结，得出研究区海绵城市建设地质适宜性建设建议；另外根据低影响开发技术设施的适用特点，结合研究区海绵城市建设地质适宜性分区情况，地质适宜性不同的区域，LID设施建设的侧重点也应有所区别。根据区内地质条件的相关分析，对研究区海绵城市建设地质适宜性建设以及分区的侧重LID设施类型建议如表5所示。

4 结论

以常州城市规划区作为研究区，依托《常州城市地质调查》项目，经过研究分析，得出了研究区海绵城市建设地质环境适宜性评价结果。主要结论如下：

1)影响研究区海绵城市建设的主要地质环境因素有地形坡度、包气带岩性、潜水位埋深、浅层含水层岩性与厚度、浅层含水层下伏弱透水层岩性及地质灾害易发性。其中浅层含水层岩性与厚度、包气带岩性及地质灾害易发性在整个评价系统中，占有重要的比重，对常州城市规划区海绵城市建设影响最大。

2)由适宜性综合评价结果可知，研究区海绵城市建设地质环境整体较好。适宜性在中等及以上的地区分布面积为1 474.58 km2，占比为89.69%，在研究区广泛分布；适宜性较差及以下的地区总面积为169.49 km2，占比为10.31%，主要分布在武进区的横林镇、洛阳镇、遥观镇以及常州城市规划区的丘陵地区。

表5 研究区海绵城市建设地质环境适宜性以及LID设施类型建议

3)在研究区海绵城市建设地质适宜性较好及以上的地区，应以渗透、滞蓄类LID设施的建设为主，辅之净化类LID设施，充分发挥区内地质条件对降雨的调蓄能力，可为区外地区的雨洪调蓄压力进行分担；地质适宜性中等的地区应侧重滞蓄类LID设施的建设，重点考虑对区内雨水自我调-蓄；地质适宜性较差及以下的地区，应重点考虑传输类LID设施与排水设施的结合，将本区的雨洪处理压力向地质适宜性稍好的地区适量分散，减少本区地质灾害及内涝灾害发生风险。