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海绵城市建设与城市水文地质勘查探讨

学术杂志网   |   2019-07-05

摘要:海绵城市是构建“尊重自然、顺序自然、保护自然”建设生态城市的新型理念。目的是实现低影响开发雨水控制与利用,雨水资源化管理,减轻城市内涝,达到水生态与城市发展平衡的可持续发展建设模式。本文主要提出了城市水文地质勘查在城市海绵建设中的必要性,及城市水文地质勘查如何开展和服务于海绵城市建设。

关键词:海绵城市内涵;雨水入渗;低影响开发;城市水文地质

通过海绵城市建设让城市能够像海绵一样在适应变化和应对自然灾害等方面具有良好的缓冲和“弹性”。下雨时吸水、渗水、净水、蓄水、需要时将蓄存的水“释放”并加以利用,雨水径流及污染控制、构建从源头到末端的全过程控制雨水系统。通过城市规划、建设的管控,采用渗、滞、蓄、净、用、排六位一体的综合排水措施,控制雨水径流,就地消纳,实现城市良性水文循环特征。最大限度的减少城市建设对生态环境的影响。

1影响海绵城市建设的主要因素

(1)自然地理环境(位置、周边环境)、新建区、老城区;(2)气象、水文条件(降雨量、时段、自然水系);(3)地质条件(地貌、地层岩性、结构、厚度、包气带岩性、孔隙度、渗透系数、隔水层的岩性等);(4)水文地质条件。含水层径流或蓄水构造的空间结构、地下水的补给径流条件及变化、地下水的水位、水质、水量、地下水开发利用及海绵城市建成后引起的水生态变化等;(5)工程建设措施。在城市开发建设中合理控制开发强度,留足生态用地,增加水域面积,促进雨水积存、渗透、净化。减少地表水的径流入,减低或减轻暴雨时城市运行影响。

2如何在海绵规划设计前开展水文地质工作

海绵城市建设虽然是解决城市降水消纳问题,但不是就水论水,本质是要实现有效的径流控制、不仅要从形成雨水江流的源头着手,而且要考虑城市“海绵体”的岩土性质,其渗透能力(降雨渗透系数)、储存雨水能力(地下含水层储存空间大小)及储存雨洪的危险性(诱发环境地质问题)等。这些问题与水文地质勘查密切相关,不可或缺,是海绵城市规划、设计前的最基础工作。

2.1进行城市现状基础调查

(1)充分收集气象、水文、地质、水文地质、水资源开发利用现状、环境地质、社会经济发展等有关资料,进行分析整理和综合研究。(2)采用水文地质测绘、物探、钻探、水文地质试验、地下水动态监测、取样测试等综合手段。(3)调查工作应以地下水补给、径流、排泄、赋存为重点,加强地下水资源、生态与环境功能评价,提供地下水资源可持续开发利用方案。(4)结合国民经济发展需要,计划有开发前景地段的地下水资源量。

2.2开展场地雨水入渗及渗透能力研究

大气降水落于地表后的垂向(入渗),侧向运移、径流、蒸发等水文过程受地形地貌、土壤质地、地层结构等影响。由于城市建设改变了原有的水文循环过程,为最大限度恢复原有城市水生态环境,必须从大气降水入手,研究降水的渗透、运移及蓄存方式的改变对地下水的影响。同区域地质条件千差万别,因此必须对场地入渗渗透能力进行分析研究,以解决不同区域场地的降雨入渗问题。求得不同场地的渗透系数。研究方法主要有:注水试验、抽水试验和渗透试验。注水试验主要求得地下水埋深大,不便于抽水试验,或在干的透水岩层中求得岩土层的渗透性资料;渗水试验是测定包气带非饱和岩(土)层渗透系数的简易方法。(1)注水试验保持水头高度测量岩土层注入水量或测量水头高度与试验随时间的变化率,以确定岩土层的渗透系数。注水试验可分为钻孔常水头注水试验和钻孔降水头注水试验(见图1)。试验土层的渗透系数按以下公式计算:K=Q/AS式中:K为渗透系数(cm/s);Q为注入水量(cm3/s);A为形状系数(cm);S为试验水头高度(cm)。(2)渗水试验通过保持固定水头高度向试坑注水,量测深入土层的水量,主要量测包气带非饱和岩土层的渗透系数(见图2)。渗水试验可分为试坑法、单环法和双环法。试坑法是在表层干土中挖一试坑,求出单位时间内从坑底渗入的水量Q,除以坑底面积F,既得出平均渗透速度:V=Q/F当坑内水头高度不变(等于10cm)时,则K=v。通过注水和渗水试验,求得场地及下部不同地层渗透系数。

2.3开展浅层地下水调查工作,服务于低影响开发雨水系统布局

海绵城市建设必须要以浅层地下水文地质条件为基础,在查明浅层地下水的入渗能力(包气带岩性、地下水位、孔隙度)和储水能力(含水层岩性、厚度)的基础上,研究极端降雨条件下的入渗能力及可能存在的环境地质问题。研究浅层地下水的补径排条件,尤其是土壤破坏后的补给、地下工程建设后的径流、排泄条件的变化。研究浅层地下水水化学空间分布及城市化后的水循环演变特征。评价浅层地下水含水层、包气带、蓄存雨水能力及开发条件下可激发的储存空间,为低影响开发雨水系统提供布局依据。

2.4开展浅表水土环境调查评价,服务于城市生态

系统的恢复和修复雨水渗透利用在增强径流雨水的自然渗透的同时,可能将抬高地下水位,浅表水及土壤污染日趋严重,在海绵城市建设背景下要开展污染源特征调查,开展城市各类废弃物场地地质调查,评价水土污染和自然修复能力,为海绵城市建设的城市生态系统的恢复和修复提供依据。

2.5加强城市不透水层(隔水层)空间分布特征调查

城市不透水层(隔水层)是控制雨水入渗、滞留、蓄存污染风险的天然屏障,不同区域隔水层埋深、厚度、渗透性相差较大,隔水层以上为降水入渗、蓄存提供了有效的储存空间,通过城市不透水层调查,可为低影响开发雨水系统建设布局提供可靠的适宜性区域。

3勘察成果如何服务于海绵城市建设

3.1海绵城市建设的规划和设计应在水文地质勘察

成果基础上进行规划和设计(1)对地下水位埋深较大或在地下水超采区,应优先考虑雨水下渗补充地下水。(2)对地下水位较高的地区要考虑地下水冻融对工程设施的破坏作用。(3)海绵城市建设的工程设施,应结合场地地形特点、地下水埋深等,合理布置,确保降水入渗控制在70%~80%以上。(4)海绵城市建设设施要结合勘察成果,充分考虑降水入渗和蓄存对地下水现状的改变、渗透后地下水位的抬高、地下水的运移和自然净化及地下水水质的变化情况等。都要通过长期的监测数据加以总结和认识。

3.2结合勘察成果因地制宜

(1)对于城市新建区应优先考虑通过透水铺装、下凹绿地、雨水花园、蓄水池等工程设施,将雨水入渗、蓄存并利用。(2)对城市改造区,由于受自然条件限制,场地条件并不充分,应考虑以垂向的渗透和蓄存为主。渗透、蓄存的层位应结合勘察成果确定入渗和蓄存位置。(3)要把平面的入渗蓄存与垂向上的入渗蓄存相互结合、并与城市排水管网相互融合。

4加强海绵城市建成后的监测和研究

海绵城市建成后,通过雨水的入渗、滞留、蓄存使得地下水位有一定的抬升。同时由于蓄存雨水的来源渠道不同,入渗渠道不同,势必造成地下水环境的改变和影响。这项工作要求通过城市地下水监测网点进行监测和评估加以解决,以便更好的促进和推进海绵城市建设的开展。监测井的布置:一般单项工程观测孔数量不少于3个,区内布置2眼,区外布置1眼。监测井的管径一般不小于146mm。监测井的深度按场地地质条件布置。隔水层上下均应设置监测手段。在海绵城市建设前、建成后每年应有两次水样的采集、化验、监测,并建立长期监测档案,更好的服务于海绵城市建设效果评价。

5结语

海绵城市建设是解决城市雨洪影响的最有效途径和措施。而水文地质勘查工作是海绵城市规划设计前的基础性工作,它为降水入渗、滞留、蓄存及风险提供了设计依据,并为海绵城市建设后对地质环境的影响、生态系统的恢复和修复提供依据。

参考文献:

[1]安守林,黄敬军,等.海绵城市建设下城市地质调查工作方向与支撑作用[J],城市地质,2015,(10).

[2]余乙民.海绵城市内涵和技术选择[J].福建质量管理.2017,(11).

[3]周栋,海绵城市建设中地层特性与蓄排水功能的相互关系研究[J].北京科技大学.2016

作者:韩天雷 单位:吉林省水文地质调查所

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