基于“海绵体”原位试验的环境地质适宜性评价及应用--以河南省新乡市为例.pdf
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1、第32 卷第3期2023年6 月文章编号:16 7 1-1947(2 0 2 3)0 3-0 345-0 7D01I:10.13686/ki.dzyzy.2023.03.011地质与资源GEOLOGYANDRESOURCES中图分类号:P641.7;X143文献标志码:AVol.32No.3Jun.2023开放科学标志码(OSID):基于“海绵体”原位试验的环境地质适宜性评价及应用以河南省新乡市为例王帅伟,孙伟超,刘松波,王秀艳,刘长礼,孙琳中国地质科学院水文地质环境地质研究所/自然资源部地下水科学与工程重点实验室,河北石家庄0 50 0 6 1摘要:海绵城市是针对城市建设中解决城市雨洪问题提
2、出的生态理念,其本质是通过渗、蓄、净、排等手段解决城市水资源问题的综合治理。本研究从环境地质条件出发,考虑海绵城市建设中地质体的海绵属性,开展研究区原位双环渗水试验和工程钻孔,针对原始海绵地质条件的降雨人渗最大深度和地表土体渗水速度进行分析,提出海绵渗水、海绵蓄水两个指标.该指标可有效表示及概括海绵城市建设中环境地质适宜性,易得易懂,具有较强的普适性,易于推广.最后以中国中部城市新乡市为例,进行海绵城市建设环境地质适宜性评价关键词:海绵城市;海绵渗水;海绵蓄水;原位试验;环境地质;适宜性评价;河南省SUITABILITY EVALUATION OF ENVIRONMENTAL GEOLOGY
3、BASED ONSPONGY BODY IN-SITU TEST AND ITS APPLICATION:A Case Study of Xinxiang City,Henan ProvinceWANG Shuai-wei,SUN Wei-chao,LIU Song-bo,WANG Xiu-yan,LIU Chang-li,SUN LinInstitute of Hydrogeology and Environmental Geology,Chinese Academy of Geological Sciences/Key Laboratory of Groundwater Sciences
4、and Engineering,Ministry of Natural Resources,Shijiazhuang 050061,ChinaAbstract:Sponge city is an ecological concept proposed to solve the problem of rainfall flood in urban construction,aiming to realize the comprehensive treatment of urban water resources by means of seepage,storage,purification a
5、nddischarge.Starting with the environmental geological conditions and considering the sponge properties of geologicalbodies in sponge city construction,the study carries out the in-situ double-ring infiltration test and engineering drillingin the study area,analyzes the maximum rainfall infiltration
6、 depth and surface soil water seepage speed in the originalsponge geological conditions,and proposes two indexes of water seepage and storage which can effectively represent andsummarize the environmental geological suitability in sponge city construction,with strong universality,easy to spread.Fina
7、lly,Xinxiang City in central China is taken as an example to evaluate the environmental geological suitability ofsponge city constructionKey words:spongy city;sponge seepage capacity;sponge storage capacity;in-situ test;environmental geology;suitabilityevaluation;Henan Province收稿日期:2 0 2 1-12-2 9;修回
8、日期:2 0 2 2-0 3-0 1.编辑:张哲.基金项目:国家自然科学基金项目“低渗透透镜体中NAPLs残余的分形特征及形成机制研究”(42 0 0 7 17 1);河北省自然科学基金项目“水位循环变动及荷载作用下砂性土变形特性研究一黄河下游城市郑州为例(D2021504034);中国地质调查局项目“中原城市群北部城镇规划区1:5万环境地质调查(DD20160244).作者简介:王帅伟(198 9一),男,博士,助理研究员,主要从事工程地质灾害防治、水资源污染风险评价方面的研究,通信地址河北省石家庄市新华区中华北大街2 6 8 号,E-mail/通信作者:孙琳(198 5一),女,硕士,助理
9、研究员,主要从事环境地质、水文地质方面研究,通信地址河北省石家庄市新华区中华北大街2 6 8 号,E-mail/3460前言目前我国正在并将持续经历一段城市化急剧发展时期.城市化建设一方面推动国家现代化,促进经济飞速发展,同时由于城市化建设发展的不成熟产生一系列“城市疾病”,主要表现为:城市内涝、水资源短缺、水资源污染和水生态退化1-4.由于我国城市水问题较为复杂,且海绵城市建设处于起步阶段,海绵城市建设原则、开发模式、指标体系等诸多标准还未健全,整体上仍处于在摸索中前进5.20世纪9 0 年代初,美国率先提出“低影响开发”(low impact development,LID)理念6-8 :
10、在场地建设阶段通过控制场地降雨径流量,达到控制城市雨水径流量和污染负荷的目的.该理念很快被澳大利亚、新西兰以及欧洲一些国家接受并发展延伸,并在LID基础上提出“水敏感城市规划”“可持续排水系统”“绿色基础设施”9-14.其中瑞典和丹麦15-16 推行的“雨水最佳管理实践”研究,融合水文特征参数、景观设计、环境控制、管理制度等措施,综合管理雨水及防治洪水.该模式因其处理成本低、处理效果好而被广泛接受,其亦可以在国内中小城市进行前期实践,作为探索现阶段适应我国城市雨水管理的方向之一。区别于“快排式”的传统雨水模式,我国众多专家学者对海绵城市本质进行了新的解释,指出海绵城市根本问题是水系统治理问题,
11、其核心是城市水安全,海绵城市建设应多学科、多部门共同协作,深人研究,强化沟通,科学定位海绵城市,提出新的构建理念及模式17-18 .研究者认为,海绵城市应基于生态环境、低碳排放、景观规划、市政设计等技术手段,统筹内涝防治、水质污染、水资源利用和水生态修复等多元化耦合目标建设海绵城市19-2 1.还有学者从实例出发,分析径流系数、径流总量、排水系统及雨水资源循环现状等主要问题,解决海绵城市构建模式、理念等重要问题2-2 4.地方性法规中,有北京、南宁等市要求各地区新建、改建、扩建工程对海绵城市建设中的雨水利用有了指引性的设计模式和工程要求,制定了城市雨水资源化的诸多措施2 5-2 6 ,海绵城市
12、建设本质是解决城市水问题,它不仅仅包括渗、滞、蓄、净、排等措施的合理和有效性,还需考虑“海绵体”承载体(岩土)的物性,以及储存雨水的危险性(诱发环境地质问题)等,这些核心内容与环境地地质与资源质、水文地质密切相关.目前国内外专家学者对海绵城市的研究多为建设方式、技术手段的“工程性措施”研究2 7 ,而忽略海绵能力(渗、蓄)的地质体属性,并未整体性考虑海绵城市建设区或规划区的环境地质适宜性评价,同时由于缺乏资金,大多研究仅停留在理论研究阶段,未付诸实地实践.因此本研究在大量调查我国中原城市群水文地质、工程地质基础上,从地质角度出发,主要考虑海绵城市建设地下环境承载力,开展海绵城市建设环境地质适宜
13、性评价,可有效节约建设成本,减少建设工作量,实现海绵城市建设规划有的放矢.1海绵城市建设环境地质适宜性评价环境地质适宜性评价是海绵城市建设的前提,海绵城市建设中地质体的海绵能力大小直接影响到海绵城市建设的城市规划、方案设计及现场施工的难易复杂程度2 5.因此开展海绵城市建设适宜性评价,主要考虑地下环境承载力,从环境、水文地质角度出发,针对原始海绵地质条件的降雨人渗最大深度及地表土体渗水速度进行研究分析.基于大量实际钻孔及原位渗水试验,选择海绵渗水、海绵蓄水两个指标对海绵城市建设中环境地质适宜性进行评价,该指标能够有效地代表及概括海绵城市建设中环境地质适宜性,且易得易懂,具有较强的普适性,易于推
14、广,可减少城市规划勘察、设计及施工难度及工作量.1.1海绵城市建设评价指标海绵城市建设中针对城市“海绵体”对降雨量的海绵能力,包括渗透能力(雨水渗透系数)、蓄存雨水能力(浅层地质“海绵体”储水空间),采用提出海绵渗水、海绵蓄水两个指标,表达环境地质条件对于有效解决城市雨水问题的能力大小.1)海绵蓄水能力:假定理想状态下(一个大气压,水力梯度为1,只考虑垂直人渗),在整个降雨人渗过程中,由于渗透雨水总量相等,地表水渗水速度等于包气带渗透速度,降雨量Q完全人渗需要时间为to,则人渗最大深度hmx为:Axn其中,A一区域面积;Q一30 a内最大降雨量;Vs一雨水入渗速度;hmax一降雨最大人渗深度;
15、hcw一地下水2023年第3期位埋深;to一降雨完全人渗时间;n一渗透深度内加权有效孔隙率;ho一区域面积降雨量高度(图1).王帅伟等:基于“海绵体”原位试验的环境地质适宜性评价及应用347nld234VV0t4T/s图2 不同土性对应渗透曲线Fig.2 Rainfall infiltration curves for different soil formations1一粗砂、砾石(coarse sand&gravel);2 一中砂、细砂(medium&fine图1理想状态下降雨渗透曲线Fig.1Rainfall infiltration curves under perfect condi
16、tion1一地面雨水渗透曲线(surfacerainwaterinfiltrationcurve);2 一包气带渗透曲线(vadose zonepermeabilitycurve);3一雨水渗透最大深度(maximum penetration depth of rainwater);4地下水位线(groundwaterlevel)那么定义海绵蓄水能力:P=hechmx当P1时,hewho,表示地质环境(包气带厚度)完全能承受30 a内最大降雨量Q,则表示城市海绵体”对降雨量有足够的蓄存能力、释水能力;当P=1时,hcw=ho,表示地质环境刚好能承受降雨量Q,此时为临界状态,若要进行海绵城市建设
17、需保持天然地质环境或稍加措施处理即可;当P1时,hcwho,表示地质环境不能承受降雨量Q,则表示城市“海绵体”对降雨量有足够的蓄存能力2)海绵渗水能力:假定理想状态下(一个大气压,水力梯度为1,只考虑垂直人渗),在整个降雨人渗过程中,同等降雨量Q条件下不同土性地层完全人渗过程中渗水速度V;为:V-ltsand);3一粉土、黄土(silt&loess);4粉黏、黏土(siltyclay&clay)1.2原位渗水试验对照降雨量分级本研究针对中原地域河南平原区新乡市不同土性开展野外原位渗水试验50 组,地面调查、水位统测和收集资料共12 0 个钻孔点及16 3个调查取样点(图3),通过大量野外渗水试
18、验(图4),得到不同类型土质渗水参数与降雨级别的对应关系(表1).新乡市枣园村新乡县3044kmL式中,V一不同土性地层渗水速度;t一不同土性地层完全人渗时间(图2).设V一小雨降水速度;Vm一中雨降水速度;V一大雨降水速度.那么定义海绵渗水能力V:当VV。时,地表土层仅能接受小雨程度降水;当VVV.时,地表土层能接受中雨程度降水;当VmVV.时,地表土层能接受大雨以上级别程度降水.图3研究区调查点分布Fig.3 Distribution of survey points in the study area1一调查点(survey point);2 一钻孔(borehole);3一渗水实验点(
19、seepage由表1降雨级别确定对应渗水速度临界值:当V0.6x10时,地表土层仅能接受小雨程度降水;当0.6 x10-3V1.210-3时,地表土层能接受中雨test point)348地质与资源2023年图4不同降雨级别对应渗透曲线Fig.4 Infiltration curves corresponding to different rainfall levelsa一小雨级别(light rain);b 一中雨级别(moderate rain);c 一大雨及以上级别(heavy rain and above level)表1渗水试验结果与降雨等级对应表Table 1 Infiltrati
20、on test results and corresponding rainfall levels土质类型黏土粉黏粉土黄土粉砂细砂中砂粗砂砾石注:降雨不产生径流.程度降水;当1.2 10-3V6.0 x10时,地表土层能接受大雨程度降水;当V6.010-时,地表土层能接受大雨以上级别程度降水.2案例分析新乡市位于河南省北部,地处黄河、海河两大流域,地势北高南低,北部主要是太行山山地和丘陵岗地,南部为黄河冲积扇平原,平原占全市土地总面积的78%,年平均降水量57 3.4mm,其中6 一9月份降水量最多,占全年降水的7 2%,年蒸发量17 48.4mm.新乡市共有3个国家级开发区和2 个省级开发区
21、,整体处于城市化急剧建设发展时期.渗水速度/(mm/d)4.125.186.616.7318.3622.7531.7657.8681.3287.46125.23289.26342.32渗透系数/(cm/s)1.210-3,达到大雨级别以上.雨季时雨水可直接渗透表层“海绵体”补给浅层地下水,不会形成地表径流及地面积水.此区域可直接用来海绵城市渗水工程建设.降雨级别小雨小雨小雨小雨中雨大雨暴雨大暴雨特大暴雨降水量/(mm/d)0.19.90.19.90.19.90.19.91024.92549.95099.9100249.9大于2 50第3期表2 研究区“海绵体”海绵能力计算结果Table 2Ca
22、lculation results of sponge capacity ofsponge body in the study area点号包气带厚度/m渗水能力V/106XXSL01-0111.88XXSL01-0213.02XXSL01-0312.91XXSL01-0412.26XXSL01-0512.28XXSL01-0612.19XXSL02-0111.38XXSL02-0210.31XXSL02-038.41XXSL02-048.35XXSL02-059.11XXSL03-0113.41XXSL14-094.34XXSL14-104.27王帅伟等:基于“海绵体”原位试验的环境地质适宜
23、性评价及应用蓄水能力P37.36731.4630541874.906821.6034482768.492571.5899014785.095541.5098522174.246281.5123152713.821661.5012315275.94481.4014778336.369431.2697044331.426751.0357142860.3397031.0283251231.019111.1219211820.8152871.6514778331.222930.5344827590.5095540.525862069349成地表径流或地面积水.在海绵城市建设初期需进行透水铺装,或增设植
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