苏北黄泛平原典型城市天然“海绵体”潜力评价体系.pdf

苏北黄泛平原地势平坦，浅部地层结构松散，可储水“海绵体”特征明显。为评价该区域“海绵体”雨水渗储潜力，以南部的江苏宿迁市区为例，在系统分析天然“海绵体”渗储能力主要影响因素的基础上，构建了天然“海绵体”雨水渗储潜力两级评价指标体系，借助层次分析法计算各指标权重，运用MapGIS进行综合评价。结果表明，废黄河漫滩区天然“海绵体”雨水渗储潜力较好，漫滩区以外区域渗储潜力一般或较差。关键词：海绵体；大气降水；渗储潜力；权重分析；苏北黄泛平原中图分类号:P660 引 言天然“海绵体”是指由松散岩性的包气带和潜水层构成,具备一定大气降水消纳能力的浅部地层（宋伟丽等,2 0 2 0；冯帆等，2 0 2 1）。在传统海绵城市建设中，多突出人工储水设施对降水的消纳作用（刘绪为等，2 0 18；文思敏等，2 0 2 0），却忽视此类地下浅部地层的自然调蓄作用。利用天然“海绵体”来控制和利用雨水资源是水资源高效利用和海绵城市建设新的研究方向。影响天然“海绵体”调蓄能力的因素较多,包括包气带和潜水层的物理水力性质、地貌特征、城镇化程度等，如何从中选出合适的影响因素以构建“海绵体”雨水调蓄潜力评价指标，目前尚缺乏具体研究成果。以宿迁市区为例，构建符合黄泛平原区天然“海绵体”特征的渗储潜力评价指标体系，运用层次分析法进行指标权重分析并开展渗储潜力综合评价，为苏北黄泛平原区水文地质工作与海绵城市建设融合发展提供新的思路。1研究区概况研究区宿迁市区坐落在江苏徐淮黄泛平原腹收稿日期：2 0 2 2-10-12;修回日期：2 0 2 2-11-0 7;编辑：蒋艳，朱明君基金项目：江苏省地质勘查基金项目“苏北黄泛区关键地质地段环境综合调查”（苏建财2 0 18 9 6 号）作者简介：黄倩（19 7 5），女，科普师，主要从事地学科普工作，E-mail：8 52 8 6 42 18 q q.c o m地质学刊Journal of Geology文献标识码：A文章编号：16 7 4-36 36(2 0 2 3)0 2-0 2 0 3-0 5Vol.47 No.2Jun.2023地,总面积2 153km,地势西北高、东南低,地貌形态以平原为主,另有残丘、岗地、剥蚀台地等类型,其中黄泛冲积平原区面积占研究区总面积的7 3%，松散的表层土结构和低平的地势为降雨入渗提供了良好的基础。研究区包气带厚度一般 2 m,岩性包括粉土、粉质黏土、黏土。其中，粉质黏土区面积最大,分布于区内东北部,渗透性差,渗透系数一般 0.5m/d,部分区域 1.0 m/d;粉土夹粉质黏土区分布于研究区东部,渗透性较差，渗透系数 0.5m/d;粉土夹黏土区面积较小,主要分布于研究区南部,渗透性较差,渗透系数一般 0.5m/d;黏土区分布面积最小,渗透性差,渗透系数一般 10 0 m/d。204地质学刊2023年(1)2天然“海绵体”渗储潜力评价指标体系2.1一级指标体系天然“海绵体”由包气带和潜水含水层组成。其中,包气带是连接地表降水与地下含水层的水力通道（卞小芮等,2 0 2 1），其渗透性的好坏决定了大气降水进人含水层的多寡；潜水含水层是降水人渗的主要储水空间,具有一定的蓄存和供给水资源的潜力。因此选择包气带降水入渗能力I、潜水层储水能力S作为天然“海绵体”渗储潜力评价的一级指标,再根据降水入渗和储水能力的各影响因素确立对应的二级指标体系。2.2二级指标体系2.2.1包气带降水入渗能力评价二级指标体系（1)二级指标组成。降水人渗能力I取决于地面坡度、包气带渗透性和城镇路面硬化等方面的因素,因此选择地面坡度T、包气带渗透系数C和城镇化程度U建立入渗能力的二级指标体系。根据研究区DEM数据绘制地面高程等值线图，参考水土保持综合治理规划通则（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2 0 0 8），在高程等值线图上根据坡度大小将研究区划分为平地、微坡、缓坡、陡坡4个等级；根据全区浅层钻孔资料及土工试验结果提取包气带渗透系数，参考以往研究成果（江苏省自然资源厅，2 0 0 2），将包气带渗透系数分为好、较好、一般、较差、差5个等级；根据最新遥感卫片提取区内主要土地类型图斑，按城镇分布情况将研究区分为超密集、密集、一般、稀疏4个等级。各指标分等和评分见表1。(2)计算过程及结果。降水人渗能力指数I的计算公式：Table 1 Secondary indexes and classification standards for evaluation of precipitation seepage capacity地面坡度T等级数值范围/()平地T2微坡2T5缓坡5T15陡坡T15=1式(1)中,m为人渗能力参评二级指标总数,为第i项二级指标权重，r；为第i项二级指标评分。根据各二级评价指标对人渗能力的影响程度，引人层次分析法计算各指标的权重（梅芹芹等，2018），各权重累加值为1,计算得到各二级指标地面坡度、表层岩土渗透性、城镇化程度的权重分别为0.15、0.6 5、0.2 0。根据各二级指标评分及权重值进行空间叠加计算，然后根据计算结果将研究区降水人渗能力分为强、中等、差。分区标准见表2，分区结果见图1。表2 降水入渗能力评价分区标准Table 2 Zoning standards for evaluation ofprecipitation seepage capacity人渗能力分区强分值范围I802.2.2潜水层储水能力评价二级指标体系（1)二级指标组成。潜水含水层是降水人渗的主要储水空间,其储水能力由潜水位、潜水层渗透性及含水层富水性等因素决定,因此选择潜水位埋深D、潜水层渗透系数C及潜水层富水性W建立潜水层储水能力的二级指标体系。根据现场实测绘制的平水期潜水位埋深等值线图,将潜水位埋深分为 2 m、2 4m、4m;根据全区浅层钻孔资料及土工试验结果提取潜水含水层渗透系数，参考水文地质手册分类标准，分为好、较好、一般、差；根据全区浅层钻孔资料及前人的研究成果,将潜水层富水性分为好、中等、差。各指标分等及评分见表3。(2)计算过程及结果。储水能力指数S评价计算公式：S=Zwri1表1降水入渗能力评价二级指标及分等标准包气带渗透系数C评分等级100好80较好60一般30较差差中等40I80城镇化程度U数值范围/(m/d)评分C1.01000.5C1.0800.1 C0.5600.05 C0.140C0.0520差I40(2)等级评分超密集100密集80一般60稀疏40第47 卷第2 期黄倩等：苏北黄泛平原典型城市天然“海绵体”潜力评价体系205表3储水能力评价二级指标及分等标准Table 3 Secondary indexes and classification standards for evaluation of precipitation storage capacity潜水位埋深D等级范围/m深D4.0中等2.0 D4.0浅D2.0潜水层渗透系数C评分等级100好80较好50一般差含水层富水性W范围/(m/d)评分C1.01000.5C1.0800.1C0.560C0.1等级好中等差40范围/(m/d)W500300W500W300评分1008050NN黄湖骆马湖滨皇河废主官集。黄家集戏庄宿迁市顺河20耿车宿棵树埠子龙河城罗洋河洋河新区寺岭晓店来龙新区并头曹集新庄关庙豫大陆集丁嘴区运仰化洋5郑楼湖滨皂河。宿保骆马湖新区废主官集。黄禁集河精迁市车顺河陆集宿棵树杭运南菜埠子龙河城罗芋O岭晓店来龙宿保曹集新庄关庙郑楼洋河新X15 km区屠园。人渗能力强区陈集人渗能力中等区人渗能力差区人渗能力分区界线图1降水入渗能力指标评价结果图Fig.1 Evaluation results of precipitationseepage capacity index式(2)中,m为储水能力参评二级指标总数,;为第i项二级指标权重，r，为第i项二级指标评分。计算方法同上，计算得到各二级指标潜水水位埋深、潜水渗透系数、浅层含水层富水性权重分别为0.3、0.4、0.3。根据各二级指标评分及权重值进行空间叠加计算,并根据计算结果将研究区储水能力分为强、中等、差。分区标准见表4,分区结果见图2。表4潜水层储水能力分区标准Table 4 Zoning standard for evaluation ofprecipitation storage capacity of the phreatic aquifer储水能力分区差分值范围180仓集中扬诚子湖15 km强中等40I80区园。陈储水能力强区储水能力中等区储水能力差区储水能力分区界线图2 储水能力指标评价结果图Fig.2 Evaluation results of preciptationstorage capacity index3综合评价分析3.1“海绵体”渗储潜力评价“海绵体 渗储潜力评价综合指数D的计算公式：(3)式(3)中：n为渗储潜力参评指标总数;为一级指标权重,据专家打分法按入渗能力权重0.6 5、储水能力权重0.35赋值（江思义等，2 0 19）；r为一级指标评分。由MapGIS进行空间叠加计算D,根据渗储潜力评价分区标准（表5）进行评价结果分级，得到天然I40“海绵体”渗储潜力评价分区（图3）。中扬0L0206表5天然“海绵体”渗储潜力评价分区标准Table 5Zoning standard for evaluation of seepageand storage potential of phreatic reservoircallednatural sponge渗储潜力分区I区分值范围D8070D80黄墩湖滨皂河。废黄主官集。耿车双庄2240宿棵树杭运师化南蔡洋北O埠子郑楼城洋河龙河洋河新罗坊区居园。陈集区区IV区图3研究区天然“海绵体”渗储潜力评价分区结果图Fig.3 Assessment zoning of precipitation seepage andstorage potential of natural sponge in study areaI区：渗储潜力高区域，位于废黄河两侧的仰化一丁嘴镇大部、罗圩一埠子镇及南蔡乡，面积约为303km。该区入渗能力、含水层蓄水能力均较强，“海绵体可直接储蓄雨水资源，通过潜水组井、大管井抽取的方式可将储蓄雨水转化为可再生水资源。区：渗储潜力较高区域,位于西南部龙河、中部南蔡乡一三棵树、东部洋北一陆集镇一大兴镇一丁嘴镇,面积约为17 0 km。该区入渗能力强，含水层蓄水能力中等，“海绵体”能储蓄一定的雨水资源，可通过潜水组井、大管井与雨水入渗型低影响开发(Low im-pact development,LID)设施相结合的方式将储蓄雨水转化为可再生水资源（冶雪艳等，2 0 18）。区：渗储潜力一般区域,位于西北部黄墩一皂河一王官集一蔡集一双庄一埠子和东北部大兴一来地质学刊龙一带。该区域人渗能力中等，含水层蓄水能力部分中等，“海绵体”储蓄雨水资源能力一般，可通过多类LID设施为主、潜水组井为辅的方式将储蓄雨水转化为可再生水资源。I区I区IV区60 D70D60N骆马湖特岭晓店新区升头曹集宿迁市新庄豫关庙O顺河陆集仓集中扬子湖0L2023年IV区：渗储潜力最差区域，位于北部侍岭一晓店一井头、中部顺河镇、东部保安乡一关庙一新庄，面积约为340 km。该区入渗、蓄水能力均差，海绵体储蓄雨水资源能力差，需考虑地表蓄积与向区外传输相结合的方式将雨水转化为可再生水资源。3.2极限储水能力分析研究区中部潜水位观测值与降水对比结果（图宿保安大兴丁嘴区。15 km4)表明:区内潜水位埋深越深,所在点位对降水的响应越慢,滞后性越强；透水性越好的地层，潜水位对降水的响应越快；日降水强度越大，水位抬升越明显。根据地下水储变量计算公式，可将潜水位以上空间在单次特大暴雨条件下的极限储水能力作为量化“海绵体”消纳降水能力的依据。计算公式：Q=FHu式(4)中:Q为潜水新增储存量,万m;F为含水层分布面积,km,采用各储水能力分区面积数据；H为潜水位变幅，m，根据现场潜水位监测数据分析，取降水时潜水位平均抬升1.2 m;为潜水层给水度,参考前人的研究成果（江苏省自然资源厅，2002)及抽水试验计算结果，粉砂取0.0 50,粉土取0.038,粉土与粉质黏土互层取0.0 2 3，粉质黏土、黏土均取 0.0 2 0。2018-06-05()2468图4城区中部潜水位动态及日降水量对比图Fig.4 Comparison of the dynamics of phreatic aquiferand daily precipitation in the central part of the city计算结果表明,在单次极端暴雨条件下,潜水含水层极限储水能力约为7 448 万m。其中,储水能力强区、中等区、差区的极限储水能力分别约为3670万、349 2 万、2 8 6.0 万m。在极限降水条件下，储水能力较好的区域能接纳可观的降水量充作临时地下水资源。(4)2018-09-052018-1205水位埋深 一日降水量降水量(mm/d)204060180第47 卷第2 期4 结 论（1）“海绵体”调蓄能力评价指标体系充分考虑了影响“海绵体”的降水人渗能力、储水层的储纳能力等主要因素,并针对主要因素构建二级评价指标体系,为海绵城市雨水蓄储背景下的含水空间利用能力评价提供了新思路。同时，在各级指标的权重叠合评价中，借助了层次分析法和MapGIS软件等，避免了人为因素干扰。(2)综合评价结果表明,苏北黄泛区平原的废黄河漫滩区有渗储潜力良好的城市天然“海绵体”，可蓄纳可观的降水量并将其转化为水资源；在废黄河漫滩区以外的区域，天然“海绵体”渗储潜力一般，但通过兴建人工设施与天然“海绵体”相结合的方法，可蓄纳部分突发的降水并将其转化为水资源。参考文献下小芮，陈永春，苏东，等，2 0 2 1.海绵城市建设的地质影响及适宜性研究：以常州市为例J.中国煤炭地质,33(3)：35-42.黄倩等：苏北黄泛平原典型城市天然“海绵体”潜力评价体系京：江苏省国土资源厅江思义,王启耀，李春玲，等,2 0 19.基于专家-层次分析法的地下空间适宜性评价J.地下空间与工程学报，15(5):1290-1299.刘绪为，穆军伟,方帅，2 0 18.镇江海绵城市系统性治理技术的阶段性总结与探索J.中国给水排水,34(16)：7-11,21.梅芹芹，龚绪龙，史雅栋，等,2 0 18.江苏沿海地区工程建设地质适宜性评价J.地质学刊，42(2）：317-32 2.宋伟丽，黄志瑞，2 0 2 0.浅谈水文地质勘查工作在海绵城市建设中的重要作用J.吉林地质,39(1)：9 7-9 9.文思敏,许申来，曾思育，等,2 0 2 0.海绵城市LID设施系统建设的生态效益评价研究J.给水排水,56（增刊1)：251-255.冶雪艳，李明杰，杜新强，等,2 0 18.基于地质条件的海绵城市适宜设施类型选择J吉林大学学报（地球科学版），48(3):827-835.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2 0 0 8.水土保持综合治理规划通则：GB/T157722008S.北京：中国标准出版社.207冯帆,马阳,马悦,2 0 2 1.地下水位和土壤类型对海绵城市建设的影响J.净水技术,40（11）:9 7-10 1.江苏省自然资源厅,2 0 0 2.江苏省地下水资源评价R.南Potential evaluation of natural sponge body in a typical city of theYellow River floodplain in northern JiangsuHuang Qian2,Li Lang(1.Geological Society of Jiangsu Province,Nanjing 210018,Jiangsu,China;2.Geological Survey of Jiangsu Province,Nanjing 210018,Jiangsu,China)Abstract:The Yellow River floodplain in northern Jiangsu is flat,with loose shallow stratum structure and obvious characteristics ofsponge body for precipitation storage.In order to evaluate the precipitation storage potential of the sponge body in the region,takingSuqian urban area in the south as an example,based on the analysis of the main factors affecting the storage capacity of the naturalsponge body,a two-level evaluation index system of the precipitation storage potential of the natural sponge body was constructed,and the weight of the index was analyzed by using the analytic hierarchy process,and finally the comprehensive evaluation of the indexwas carried out by MapGIS.The evaluation results show that the natural sponge body precipitation seepage potential in the floodplainarea of the abandoned Yellow River is good,and the seepage potential in the areas outside the floodplain of the abandoned Yellow Riveris ordinary or poor.Key words:sponge body;atmospheric precipitation;seepage and storage capacity;weight analysis;Yellow River floodplain innorthern Jiangsu