随着城市化进程的不断加快,当今我国的城市化建设中水问题日益突出,“海绵城市”的理念应运而生。而在具体选址与建设过程中,无不需要对城市所在的地质构造、工程地质、地形地貌和第四纪地层状况进行前期的安全评价。在常德市江北城区实施开展“海绵城市”项目的背景下,为了达到海绵城市建设辐射整个城区进而带动常德市所属县级市的海绵城市建设的目标,本文在阐述常德市地质构造特征的基础上,站在第四纪地质学的角度,从地震安全性和地层稳定性两方面,进一步完善常德地区第四纪地质环境安全评价,为未来常德市整体的海绵城市规划建设提供新的借鉴性资料。 With the acceleration of urbanization, the water problem in China’s urbanization construction is becoming increasingly prominent, and the concept of “sponge city” emerges as the times require. In the process of site selection and construction, it’s important to evaluate the geological structure, engineering geology, topography and Quaternary strata of the city. Under the background of im-plementing the project of sponge city in Jiangbei area of Changde City, in order to achieve the goal that the construction of sponge City radiates the whole urban area and then drives the construction of sponge city in county-level cities of Changde City, this paper, based on the description of the geological structure characteristics of Changde City, stands on the perspective of Quaternary ge-ology, further improves the Quaternary Geological Environment Safety Assessment in Changde Area from the aspects of seismic safety and stability of strata. It will provide new reference for the overall sponge city planning and construction in Changde City in the future.
程钰瑞,冯一帆,彭保发,李芊,林旭*
湖南文理学院资源环境与旅游学院,湖南 常德
收稿日期:2019年4月19日;录用日期:2019年5月3日;发布日期:2019年5月10日
随着城市化进程的不断加快,当今我国的城市化建设中水问题日益突出,“海绵城市”的理念应运而生。而在具体选址与建设过程中,无不需要对城市所在的地质构造、工程地质、地形地貌和第四纪地层状况进行前期的安全评价。在常德市江北城区实施开展“海绵城市”项目的背景下,为了达到海绵城市建设辐射整个城区进而带动常德市所属县级市的海绵城市建设的目标,本文在阐述常德市地质构造特征的基础上,站在第四纪地质学的角度,从地震安全性和地层稳定性两方面,进一步完善常德地区第四纪地质环境安全评价,为未来常德市整体的海绵城市规划建设提供新的借鉴性资料。
关键词 :常德,海绵城市,第四纪地质学
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第四纪一词(Quaternary)是1829年法国地质学家Desnysers所创立,是指2.58 Ma以来地球发展的最新阶段 [
形象的说来,“海绵城市”的理念是想借助于海绵的功能,在城市缺水的情况下,将“海绵体”里的水提取出来,缓解城市用水的压力;而在城市遭受洪水内涝的威胁时,发挥“海绵体”吸水的能力,短时间内排解城市的多余水体,从而对地表径流在城市部分的利用更加科学和高效。显然,这里的“海绵体”是涉及到各类以景观为载体的水生态基础建设 [
图1. 常德市江北城区城市发展规划图
在此背景下,如果要完成江北城区的海绵城市建设辐射整个城区,进而带动常德市所属县级市的海绵城市建设目标,尚缺乏系统的城市第四纪地质环境安全评价,这势必会阻碍常德市整体海绵城市建设的进度。因此,加强区域内第四纪地质环境安全评价,有助于更全面的认识城市所在区域内盆地和河流–湖泊的演化规律,预测其发展趋势,进而为海绵城市建设工程选址提供参考资料。因而,我们首次系统搜集研究材料对常德市第四纪地质环境进行安全评价,对未来常德市整体的海绵城市建设工作提供借鉴性资料。
常德,古称“武陵”,是湖南省中心城市之一,环洞庭湖生态经济圈核心城市之一,位于湖南省西北部,地处长江中游南岸,洞庭湖平原区的西部,介于E110˚28'10''~112˚17'22''、N28˚24'31''~30˚7'53''之间,东西长177 km,南北跨度191 km,面积18,189.8 km2 (图2)。东南部与益阳相接,西南部与怀化市毗邻,往西连通张家界,向北对接湖北省荆州市 [
常德市的地势由西向东倾斜,地貌类型以中山、中低山或低山–侵蚀剥蚀丘陵,岗地-流水堆积平原和湖积平原为主。常德市属于中亚热带湿润季风气候向北亚热带湿润季风气候过渡的地带 [
图2. 常德市地理位置与行政区划图(据湖南省标准地图改)
第四纪地质环境是一个由岩体、地层、地下水三个主要部分组成的具有一定空间概念的客观实体,组成成分之间、系统内部与系统外部的大气圈、水圈、生物圈之间不断进行着物质和能量的传递和转换 [
进而,本次第四纪地质环境安全评价从这些组成要素出发,针对海绵城市六位一体的治理措施及手段,主要考虑“海绵体”承载体的物性、包气带岩层岩性(即雨水入“渗”能力、地表“滞”留能力及雨水“净”化能力)、含水层储存空间(即储“蓄”雨水能力)以及区域地壳第四纪发生地震的可能性、地层的稳定性、地面下陷(即海绵城市建设诱发环境地质问题的可能性)等地质问题 [
常德市位于华南地震区,江汉地震带洞庭盆地的西缘。常德市地处三个不同大地构造单元的接壤地带,其地质构造复杂,活动断裂纵横交错,中部有太阳山断裂带自常德经临澧县至津市、澄县一带,北部有津市–石门澧水断裂,东部有汉寿–安乡–南县断裂,南部有常德–长沙断裂带以及陬市–桃花源断裂,西有漆河–陈家湾断裂等,具有孕育中强地震的地质构造条件,是湖南省重点监视防御区之一 [
从常德市市区断裂带的分布特征和地震发生的地点来看,城区北面的太阳山一带北北东向断裂带,属新华夏系构造活动带,是区域内主要诱发地震的断裂。历史上有文献记载的最强烈地震发生在1631年(崇祯4年),震中在太阳山一带,烈度为8度,常德市区一带为7度 [
图3. 洞庭盆地与林区第四纪构造格局及第四系等厚图 [
常德市水网密布,江、河、湖并存,沅江、穿紫河、柳叶湖三水穿城。江河、湖泊、湿地、水塘、水沟、沼泽等本应为海绵城市储蓄雨水的生态敏感区,随着城市化的快速发展,城市开发建设对局部水体的填埋,已被破坏或占用,自然水体系统循环不畅,难以满足海绵城市水循环的需要,这就促使调蓄池、生态滤池、地下蓄水池等人工生态湿地的应运而生,成为低影响开发设施之一,例如:常德市船码头泵站改造。而当进行人工湿地等“滞”“蓄”工程的改造或规划建设时,应充分考虑这些断层的分布位置,尽可能避免受其后期再活动的影响及诱发环境地质问题的可能;与此同时,合理利用地面下陷地区进行整治,使其成为吸纳径流,去污纳垢的人工湿地也可成为地质条件在海绵城市建设中的一大应用。
常德市位于洞庭湖平原西部的安乡凹陷南部。安乡凹陷内部第四纪沉积厚度变化较大,除了北部安福异地厚度相对较大外,总体上北部厚度小,南部常德一带厚度大(图4)。
早更新世早期阶段,安乡凹陷发育一套杂色粘土、含粉砂粘土沉积,总体上属于河流与湖泊沉积。早更新世晚期主要为一套细–粗砂层、含砾沙层,夹粉砂质粘土,沉积环境为河流–湖泊和天然堤外侧洼地湖泊环境。中更新世凹陷内开始出现以河流沉积为主,湖泊沉积为辅的砂砾石层和粉砂粘土为主的沉积环境。晚更新世凹陷主要以砂砾石层、砂层和粘土、含粉砂质粘土沉积为主。全新统为粉砂质粘土、含粉砂质粘土 [
常德市市区的武陵区广泛分布杂色填土,主要由建筑垃圾、生活垃圾组成,有较多的砖瓦渣、煤灰,少量的砂卵石组成,一般下部含淤泥或淤泥质土,工程性质差。在德山一带零星分布,厚度在1~2 m,部分3~4 m,少有压实。在武陵区的西南门一带以及城区内河两侧,临江公园等地,分布有1~2 m不等的淤泥及淤泥质土,含水饱和到过饱和,土质很软,呈软-流塑状。德山一带广泛分布有杂色亚粘土,一般厚4~6 m,其土质固结紧,粘性好,含少量锰铁结核;同时区域内的二级河流阶地中还分布厚0.5~1 m的高岭土,该土层膨胀现象明显,浸泡后易变软。砖红色、紫红色、棕红色和黄褐色的粘土和亚粘土主要分布在德山等地的河流阶地中,厚度不稳定。在武陵区粉砂-细砂普遍分布,成分以石英为主,次为长石、云母等,下部以细砂为主,夹粉砂透镜体,砂层中一般含水饱和,一般厚1~2 m,在德山一带零星出露。圆砾-卵石层一般泥砂充填,部分地段夹砂层透镜,砾石大小混杂,2~4 cm者居多,在武陵区广泛分布,厚度在30~40 m,局部可能更厚。除此之外,城区第四纪堆积物之下,均为第三系剪家溪组紫红色、砖红色、灰绿色泥质粉砂岩、砂岩、砂砾岩等。
海绵城市建设各项措施的实施成效都与地质条件相关,从降水(大气水)形成地表产流(地表水),通过包气带入渗(土壤水)储蓄于含水层(地下水),再排泄于地表水的四水转化都是在与地质介质相互作用下进行的 [
一方面,“渗”是指雨水的下渗能力。影响降雨入渗量的因素除降雨强度与降雨历时外,主要体现在包气带岩性、厚度和地下水位等地质条件,砂性土包气带透水性好,利于雨水入渗进入地下水;粘性土包气带透水性差,不利用雨水入渗进入地下水。包气带厚度小于潜水蒸发极限深度条件下,随着包气带增厚,降水入渗速率和补给量减小;包气带厚度大于潜水蒸发极限深度条件下,随着包气带增厚,降水入渗速率趋于稳定 [
图4. 安乡凹陷及周边第四纪地质地貌 [
这就引出了另一方面的问题——雨水初期形成的地表径流中往往汇集了降水对城市地标冲刷形成的面源污染物 [
因此,由于常德市市区原来的沙洲、河漫滩、水塘、水沟、沼泽等分布较多,经过后来的改造,大部分都埋藏于地下,加上岩性变化复杂。不同的特定地质环境,出现了比较复杂的工程地质条件,海绵城市建设适宜性也截然不同,应通过地质条件不断考察,判定并圈定适宜建设区、控制建设区、不宜建设区等,进一步规划海绵城市的建设。
1) 海绵城市建设中“渗、滞、蓄、净”四方面与地质条件的响应较为明显,应根据地质条件的不同,采取不同手段,因地制宜地改造或开展海绵城市项目建设。
2) 复杂地质构造和大量断裂带是常德市海绵城市建设中必须充分考虑的重要因素,在建设前分析其诱发环境地质问题的可能。
3) 常德市特定的地质环境,出现了比较复杂的工程地质条件,海绵城市建设适宜性也截然不同,应通过地质条件不断考察,判定并圈定适宜建设区、控制建设区、不宜建设区等,对海绵城市的建设做进一步规划 [
国家自然科学基金(41702178)与湖南省自然科学面上基金(2019JJ40198)共同资助。
程钰瑞,冯一帆,彭保发,李芊,林旭. 论第四纪地质学在海绵城市建设中的应用——以常德市为例 Application of Quaternary Geology in the Construction of Sponge City—Taking Changde City as an Example[J]. 自然科学, 2019, 07(03): 120-128. https://doi.org/10.12677/OJNS.2019.73018