基于海綿城市理念的柳州市主城區(qū)土壤及地下水情況研究

□ 蔣學晨陽 董國前

1 研究背景

1.1 城市化進程背景：城市化進程帶來的洪澇災害問題

城市化是指人類生活方式及生產(chǎn)活動隨著社會生產(chǎn)力的持續(xù)發(fā)展由農(nóng)村向城市轉移，城市間區(qū)域不斷擴大的過程，城市化是人類社會發(fā)展的必然趨勢[1]。隨著我國社會經(jīng)濟迅速發(fā)展，城市數(shù)量和規(guī)模急劇增加，城市化趨勢日益顯著。由于城市建設改變了下墊面的形式，帶來了熱島效應加劇、硬化路面增加、雨水下滲量減少、地下水位下降、水質惡化等一系列環(huán)境問題。近年來最顯著的問題就是城市內澇頻發(fā)。早期城市排水管網(wǎng)建設缺少統(tǒng)一規(guī)劃，存在管網(wǎng)排水能力有限、管道破損、缺少維護等問題，再加上城市硬化地面面積及占比不斷增加導致下墊面徑流系數(shù)增大的影響因素，致使地面雨水無法有效下滲而形成徑流，又因大部分雨水匯入城市雨水管網(wǎng)，超過了雨水管網(wǎng)的排水能力，徑流雨水不能及時排出，從而引發(fā)城市內澇[2]。

1.2 海綿城市：新時代的雨洪管理理念

在我國快速城鎮(zhèn)化的大背景下，為建立完善的城市生態(tài)系統(tǒng)、規(guī)劃合理的城市雨水控制利用體系，我國提出了“海綿城市”理念。該理念的首次提出是在2012低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇[3]。根據(jù)習近平總書記2013年在中央城鎮(zhèn)化工作會議上的講話，我們首先需要考慮城市的排水系統(tǒng)應首先利用自然力量排水，建設自然存積、自然滲透、自然凈化的海綿城市[4]。住房城鄉(xiāng)建設部于2014年10月印發(fā)了詳盡概述海綿城市的概念理論和實踐技術措施的《海綿城市建設技術指南（試行）》[5]。2014年末至2015年初，我國選擇16個城市作為第一批海綿試點城市開展海綿城市建設。2017年3月5日，李克強總理在第十二屆全國人民代表大會第五次會議的政府工作報告中明確了海綿城市的發(fā)展方向，我國所有城市對這項“里子工程”引起重視[6]，至此，我國由上至下開始重視和反思城市化形成的水環(huán)境問題，并由政府帶頭進行解決城市雨洪問題的探索和實踐。

2 研究意義

2.1 海綿城市的建設應因地制宜

目前，我國海綿城市建設如火如荼，但許多城市沒有成熟的方法來實現(xiàn)海綿城市建設的日常標準，低影響開發(fā)技術還處于探索階段，需要相互借鑒。為此，政府有關部門和社會團體多次組織培訓班和經(jīng)驗交流會，并派出技術人員進行實地調查、研究和實踐。我國地域遼闊，不同地域的氣候、地理、土壤、植被、城市土地規(guī)劃和基礎設施的建設情況存在很大差異，這些因素都是在海綿城市建設中必須要考慮的關鍵因素。但在實踐中，存在著一些地區(qū)生搬硬套、盲目照搬進行建設的現(xiàn)象，并出現(xiàn)不合理的設計，造成極大的浪費。氣候因素和土壤因素會對海綿城市的建設產(chǎn)生較大的區(qū)別。土壤雖然具有明顯的地帶性分布特點，但由于海綿城市建設中的土壤受人為影響形成復雜的水平分布和垂直結構，各地的入滲和徑流特征有較大差異[7]。因此，在進行海綿城市建設時，應對當?shù)氐耐寥罉嫵伞⑼寥罎B透特征、地下水位分布進行實地察驗和充分調研。

2.2 柳州市缺乏土壤滲透特征、地下水水位的數(shù)據(jù)

廣西已出臺的《廣西壯族自治區(qū)海綿城市規(guī)劃設計導則》《低影響開發(fā)雨水控制及利用工程設計規(guī)范》，對海綿城市規(guī)劃設計的方法以及海綿城市設計施工提供了規(guī)范性指導依據(jù)，并列舉廣西地區(qū)不同土質的土壤滲透系數(shù)參考資料。但由于各地土壤性質、分布不一，柳州市的地質垂直構成、地下水位以及土壤滲透性能沒有具體資料，設計人員難以對海綿城市建設設施進行準確的評價，阻礙了海綿設施的選用及設計。因此，設計人員因地制宜進行低影響開發(fā)設計時，擁有詳盡的地質勘測資料、土壤地質特征的實測資料等是十分必要的。

3 研究方法

3.1 柳州的區(qū)位特征

柳州市地處桂中北部，屬中亞熱帶季風氣候，影響柳州市的大氣環(huán)流主要是季風環(huán)流，夏半年盛行偏南風，高溫、高濕、多雨，冬半年盛行偏北風，寒冷、干燥、少雨。當?shù)鼐哂邢拈L冬短、雨熱同季的氣候特點，光、溫、水氣候資源豐富，但地區(qū)差異較大，北部各縣具有較明顯的山地氣候特征。年總降雨量1345mm～1940mm，地區(qū)分布和季節(jié)變化較大。雨季一般始于4月下旬，終于9月上旬，期間降水量占全年降水量的70%以上。多年平均蒸發(fā)量1600mm～1700mm，自南向北漸減，南部超過1700mm，大于降雨量，為半濕半干狀態(tài)，而北部的降水量多超過蒸發(fā)量，氣候濕潤。柳州中心城區(qū)北、西、東三面環(huán)山，形成一個向南開口的簸箕形盆地。區(qū)內有低山丘陵、河流階地、巖溶盆地、孤峰平原、峰林谷地及峰叢洼地等地貌類型，巖溶地貌面積約占全區(qū)的59.3%，中心城區(qū)形成河流階地地貌和巖溶地貌迭加天然盆地[8]。柳州市地貌成因類型主要包括侵蝕堆積，溶蝕、侵蝕—溶蝕堆積及構造溶蝕一剝蝕等類型[9]。

3.2 排水分區(qū)的劃分

根據(jù)水系的分割、排水現(xiàn)狀、規(guī)劃的區(qū)位和豎向標高，將柳州市主城區(qū)分成6大排水分區(qū)：河北及白沙排水分區(qū)、河西排水區(qū)、雞喇排水區(qū)、陽和排水區(qū)、響水河排水區(qū)、河東排水區(qū)。

3.3 土壤滲透性能調查方法

項目依據(jù)《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）進行土工試驗，依據(jù)所劃分的排水分區(qū)，在各個分區(qū)進行均勻取樣，取樣點位見圖1。經(jīng)土工試驗后，可得各排水分區(qū)之土壤滲透性能。各分區(qū)土壤排水滲透性能匯總見表1。

表1 柳州市主城區(qū)土壤滲透特征

續(xù)表

圖1 土工試驗取樣點位

3.4 土壤垂直分布和地下水水位的調查

3.4.1 調查方法

項目設計前期對建設場地的勘察是必不可少的，考慮到經(jīng)濟高效的因素，本研究采用查閱已有建筑設計巖土工程勘察報告的研究方法。

3.4.2 調查點位的選取

在各排水分區(qū)中，隨機收集選取約20個已有勘測鉆探資料的具有代表性的點位，盡可能在范圍上涵蓋整個排水分區(qū)，在類型上涵蓋各種規(guī)劃用地類型，以期達到其反映所在排水分區(qū)的土質構成和地下水水位的目標。排水分區(qū)和所選取的地勘鉆探資料點位見圖2。

圖2 柳州市主城區(qū)排水分區(qū)和鉆探資料選取分布

3.4.3 指標選取

本研究主要目的是提供土壤和地下水資料，以便設計人員在柳州主城區(qū)進行海綿城市建設時選用低影響開發(fā)設施，故選取土層垂直分布構成以及地下水水位作為考察指標。土層構成情況及地下水水位的數(shù)據(jù)按排水分區(qū)總結見表2。

表2 柳州市主城區(qū)典型土層垂直分布和地下水位

4 結果分析與討論

4.1 地下水水位對選用滲透型LID措施的影響

廣西地方標準《低影響開發(fā)雨水控制及利用工程設計規(guī)范》（DBJ/T 45—013—2019）規(guī)定滲透面距地下水位的高差應大于1m，滲透面從最低處計。過淺的地下水埋深會導致滲透系統(tǒng)無法擁有足夠的蓄水容積，也難以防止被污染的雨水污染地下水。

柳州主城區(qū)部分區(qū)域潛水埋深較淺。從表3數(shù)據(jù)可知，以巖溶地貌為主要地質特點的柳州，地下水中的潛水多由巖溶水、巖溶裂隙水構成，其中河西排水分區(qū)、陽和排水分區(qū)以及河東排水分區(qū)3個分區(qū)的潛水最淺處埋深為1.80m、2.50m、3m，已接近規(guī)范限值。因此，在河西排水分區(qū)、陽和排水分區(qū)以及河東排水分區(qū)進行海綿城市建設時，應著重考慮地下水對滲透設施的影響，在選用大型滲透系統(tǒng)，尤其是大型的、深型的滲透設施，如滲透塘、滲水坑等時，應對建設場地地下水水位進行嚴格調查，若埋深不足1m不應選用。

4.2 土壤滲透性能對選用滲透型LID措施的影響

柳州市主城區(qū)松散土層主要是巖溶平原上廣泛分布的溶余堆積的黏性土，其次是河流沖積的黏土與礫砂。總結表1數(shù)據(jù)，可得本次研究中，柳州市主城區(qū)總體的幾種土壤的滲透系數(shù)和孔隙率的浮動范圍，如表3。

表3 柳州土壤滲透系數(shù)及土壤孔隙率

排空時間是滲透設施的設計和運行維護過程中的一個重要參數(shù)，其取值會影響到設施的用地面積、設施運行維護頻率、蚊蠅滋生和徑流控制效果等多個方面。確定蓄水深度后，排空時間通常被用來計算滲透設施的表面積，其和入滲系統(tǒng)的土壤滲透系數(shù)密切相關。為控制排空時間，生物滯留設施的種植層滲透系數(shù)宜為 12.50mm/h～25mm/h[10]。此外，廣西地方標準《低影響開發(fā)雨水控制及利用工程設計規(guī)范》（DBJ/T45—013—2019）規(guī)定，滲透設施日滲透能力不小于其匯水面2年一遇日降雨量，滲透時間不超過24h，入滲井、入滲池的滲透時間不超過72h；雨水入滲系統(tǒng)的土壤滲透系數(shù)應在1×10-6m/s～1×10-3m/s，并且土壤中的黏土含量應小于25%，粉砂含量應小于40%。綜合表3數(shù)據(jù)，可知，柳州的地下土壤以黏土為主，其土壤滲透系數(shù)偏低，若需要在建設場地進行滲透系統(tǒng)的設置，應采用一定的技術措施。下面列舉兩種應對建設場地土壤低滲透性的技術措施。

4.2.1 更換優(yōu)質土壤

針對建設場地內支持生物滯留設施中植物生長的土壤中有機質缺乏的問題，可以采用更換優(yōu)質土壤的方法進行應對。回填土選用質疏松、結構良好的土壤，可以改善土壤的滲透性并有利于植物生長[11]。

4.2.2 采用土壤改良劑

土壤改良劑的使用能有效改善土壤的滲透性。柳州市主城區(qū)土壤以黏性土為主，在黏性土中摻入滲透性良好的砂土可構成砂質壤土，可有效提高土壤的滲透性。將蛭石、石灰、珍珠巖等天然礦物質或秸稈、纖維素等水溶高分子物質按一定比例混合，可進一步提高土壤的滲透能力[12]。此外，研究表明，PAM土壤改良劑通過促使土壤大團聚體數(shù)量增加，提升大土壤表面粗糙度，降低土壤容重，進而增大土壤滲透系數(shù)[13]。

5 結語

柳州主城區(qū)部分地區(qū)地下水水位較高，在此類地區(qū)應嚴格明確地下水埋深后選用滲透型設施，尤其是大型、深型、滲透型海綿。柳州主城區(qū)內的土壤滲透系數(shù)偏低，較低的土壤滲透系數(shù)會導致滲透設施排空時間的不可控，在應對低滲透性能土壤帶來的負面作用時，可采用換土、施用土壤改良劑等方式改善土壤滲透性，以使用滲透型低影響開發(fā)設施，實現(xiàn)雨水控制的目標。