城市地质的研究内容和发展现状

2014-01-29郭培国戴志强聂道忠李海龙

资源环境与工程 2014年3期

郭培国，戴志强，聂道忠，李海龙

(湖北地矿建设工程承包集团有限公司，湖北武汉 430070)

0 引言

城市是区域经济、文化、政治的中心，城市发展将带动区域经济的发展和人民生活水平的提高。随着中国城市化的快速发展，因工程原因导致地质环境的改变日益增大，造成城市地质环境加速恶化，环境地质问题频繁发生，尤其城市地质灾害已呈现出多发趋势，对人民生命和财产安全构成极大威胁，严重制约了城市的发展步伐。为了适应城市化发展的步伐，提高城市发展的质量，开展城市地质学研究显得尤为重要。

1 城市地质学的概念

城市地质学不是一门独立的学科，对城市地质学的认识目前仍在研究和探索之中。有的学者认为属于传统地质学的范畴，有的认为它是工程地质学的分支，也有人认为它是环境地质学的分支。

“城市地质学”这一概念最早是由R.F.Iegget提出的，是一门关于在城市及周边地区或潜在城市化地区的特定空间范围内，综合考虑各种地质要素，研究这些要素为城市发展所提供的资源、施加的约束条件和城市发展对各种地质要素所产生的影响，为城市规划、建设和管理服务的学科［1］。

随着科技与社会的进步，城市地质学的概念不断在变化和拓展。城市地质学的核心部分仍是地质学，其他部分均为地质学的延伸或互相渗透，其内容可以延伸为城市地质结构与地质填图、城市资源结构、城市经济结构、城市缓变性地质灾害、城市突变性地质灾害、城市遥感地质等［2］。

2 城市地质研究内容

一般认为，城市地质学研究的具体任务包括以下几个主要方面:

(1)为城市规划建设进行区域地质、区域工程地质和水文地质等综合调查研究，进行地质环境质量的评价和地质环境区划。

(2)研究和评价城市各类大型工程建筑(如核电站、机场、码头、港口、大型桥梁、隧道、地下铁路等)、高层建筑群布设区和建筑场地的地基稳定性与安全性。

(3)研究各种自然的和由于城市工程建设与经济活动引起的地质灾害现象(如地震、火山、断裂错动、地面侵蚀、沉降或隆起、塌陷、崩塌、滑坡、泥石流、岩土体蠕动、海岸、湖岸或河岸变迁、洪水、海啸、天然气溢出、土地沼泽化或盐渍化等)的分布规律和成因、监测和预报可能造成不良影响或灾害的各种地质作用和现象的发展趋势，评价其可能对城市及其设施的危害程度，提出控制和防治的措施。

(4)对城市水资源(尤其是地下水资源)的质与量进行调查、评价和动态预测，对水资源进行合理开发、保护和管理。

(5)调查确定城市地区各种矿产资源，特别是天然建材资源(如水泥用灰岩、优质粘土、石英砂、卵砾石、花岗岩、大理岩等)和能源(煤、石油、天然气、地热等)的分布状况，评价各种资源的数量、质量及开发利用条件，分析资源的利用现状与潜力，确定城市所需地质资源从外部调入的合理流向，预测资源开发可能带来的环境问题。

(6)地质旅游资源(如溶洞、瀑布、名泉、奇峰、异石等)开发利用的调查评价，调查研究典型地貌景观、地质遗迹的分布、形成过程、开发前景，对地质旅游资源进行成因分析和科学解说，促进地学知识普及和地质旅游业的发展。

(7)进行城市水、土、岩石地球化学背景值和污染程度、污染源的调查和监测，研究原生地球化学场和次生环境与人体生理和疾病的关系。

(8)选择城市废物、垃圾的排放场地，监测废物排放场地对周围环境的影响，提出对城市废物进行地质处理的方法和措施。

(9)城郊农业地质调查和土地规划设计，研究开发或改良各种适宜地质环境的农作物，研究农业生产活动对地质环境产生的影响及对策，评价区域农业生态地质条件，揭示各种名、特、优农林生物产品的最佳生态地质环境，以及为发展区域农林产品，对地球表生带进行最佳改造和利用。

(10)编制各类地质资源的分布图、开发适应性评价图、地质资源利用现状图及规划图、各地质环境要素的质量评价图、脆弱性评价图和地质环境保护分区图等相关图件。

(11)利用现代信息技术与手段，建设城市地质空间数据库和地理信息系统，实现城市地质数字化、信息三维可视化，及时满足城市建设和发展对地学信息的需求。

由上可见，城市地质学研究的范围十分广泛，已不仅仅限于环境地质学的研究内容，实际上包括:①城市工程地质和城市环境工程地质研究;②城市水文地质和城市环境水文地质研究;③城市环境地球化学研究;④城市资源(矿产、建材、能源、景观等)地质研究。

3 国内外城市地质的发展现状

城市地质工作是新世纪地质工作的重要发展方向。目前世界各地正积极开展城市地质工作，其主要目的就是解决好城市地质对城市可持续发展的影响。中国正处于城市化快速发展阶段，现有的城市地质工作明显滞后于城市发展需要，相关的专业人士需要相互协作，共同研究，为中国城市可持续发展提供丰富的专业指导。

3.1 国外城市地质研究的现状

国外城市地质工作始于上世纪初，最早起源于加拿大，该国皇家协会发表过关于地质对城市中心的意义和重要性认识的论文。

上世纪20年代末期，德国率先出版了用于城市规划的特殊土壤图系，用以支持城市规划;二次大战后，德国、捷克、斯洛伐克和荷兰等国家，实施了系统的地质填图，以指导城市规划和建设。

上世纪六七十年代，是城市地质成果服务领域空前扩大时期。随着工业不断发展，处理城市废物造成的污染成为城市地质工作的重点，应用地球化学解决废物污染问题迅速成为一种发展趋势，德国首先绘制出描述土壤潜力与限制的“地质潜力图”，供城市规划者参考。多哥、印度尼西亚等国也采用了这套图件的编图方法。美国许多城市也出版了类似的城市地质图。

上世纪70年代，西班牙许多城市开展了用于城市规划的1∶2.5万的岩土填图工作。荷兰开展了土地复垦对地面沉降的研究。这一时期用于获取和处理的地质、地理、地形和水资源数字化信息系统相继建立，加拿大启动了旨在开发能够对地球科学信息进行编辑、处理和显示的计算机系统，实现了城市中心地区的有序和高效发展。

上世纪80年代，国外城市地质工作的典型特征是电子自动化带动了全新的地质填图工作，城市地质重点转向更加重视地质环境及相关资源的保护;1987年－1989年美、意、荷、德、英等国家相继出版了1∶1万、1∶100万不同比例尺地下水脆弱性图，为识别地下水污染难易程度和制定地下水保护政策提供了依据。

上世纪90年代初期英国地质调查局启动了“伦敦计算机化地下与地表项目”，该项目的目标是生产用于土地利用规划、土木工程建设以及解决地质和环境问题的各种主题图件。与此同时加拿大地质调查局刷新了首都地区的地球科学数据库，通过GIS系统完成了各类地图数字化。城市环境地质工作也转向重视城市经济可持续发展的综合研究，重视地质指标体系的研究，重视城市环境地质工作超前服务战略的研究。强调多科学、多种方法配合，尤其注重利用GIS、RS、GPS技术进行环境地质调查、地质灾害监测，建立GIS平台的地学信息空间数据库和自然灾害风险评估决策系统等，较好地实现了城市环境地质快速响应城市发展的需求。

东南亚和太平洋地区从上世纪80年代中期开始城市地质的研究工作。目前已出版了11卷城市地质文集，主要介绍了中国、孟加拉、斐济、印度尼西亚、马来西亚、尼泊尔、巴基斯坦、菲律宾、朝鲜、斯里兰卡、泰国、越南等国家特定城市的地质研究和现状报告，非洲只有多哥开展过城市地质工作。

2000年，英国地质调查局启动了“城市地球科学研究”项目，旨在为城市发展提供综合的地质信息。该项目划分为地表矿床特征、三维岩体特征和信息系统研发3类6个主题研究子项目。2003年，Quaternary International编辑部出版了《新西兰和澳大利亚东部城市与第四纪地质》以及《The shaping of Sydney by its urban geology》。报告论述了这些地区城市的地质条件和面临的问题，阐述了城市地质如何融入到城市规划、土地利用、防灾减灾中，指出城市空间布局和发展战略要适应地质资源和地质环境条件［3］。

2008年8月第33届国际地质大会在挪威奥斯陆召开，大会的主题是“地球系统科学——可持续发展的基石”。此次大会关于城市地质的内容也很多，其中国外城市地质成果介绍中最具代表性的为挪威国家地质调查局在奥斯陆地区开展城市地质调查项目，项目主要研究内容有10个方面:氡灾害、地面沉降、城市土壤污染、地热、砂矿资源、地下水、矿产地质、基底稳定性与监测、地质教育等。

3.2 中国国内城市地质研究的现状

中国的城市地质工作是从20世纪50年代的找水、供水开始的。六七十年代，在全国开展了水文地质普查，工作内容主要是查明地下水的形成条件和分布规律，掌握地下水的补、径、排条件和水文地球化学特征，进行地下水资源评价。70年代末—80年代，中国城市地质工作获得了空前发展。以城市为中心的水工环综合调查研究全面展开，工作区域从单个城市到国土综合开发区、大江大河流域。80年代后期对秦皇岛、南通、宁波、湛江和闽南金三角经济开发区进行了环境地质研究攻关，内容包括区域地壳稳定性、软土地基、江海岸稳定性、地下水资源、地下水污染、地面沉降等。90年代以来，随着可持续发展理论的深入和计算机的广泛使用，中国城市地质工作越来越多地考虑社会、经济、环境等因素，地下水资源研究从地下水资源评价提高到建立城市地下水资源管理模型。围绕地下水资源可持续利用、地面沉降、城市垃圾的处置等主题开展了首都地区、长江三角洲地区、环渤海经济区的地下水资源和环境地质调查评价;围绕土壤环境质量、农产品安全开展了珠江三角洲、江汉平原、成都平原、长春经济区、浙江省生态地球化学调查。应用“3S”技术进行基础地质、环境地质调查，建立GIS平台上的地质信息空间数据库和信息系统，也已经成为新一轮国土资源调查城市地质新的主流工作模式［4］。

近年来，在中国地质调查局的推动下，城市地质调查方法、城市地质立体填图技术等方面的研究逐渐兴起。2002年秋在南京召开的“东部城市集中区立体填图试点工作研讨会”、2004年召开的城市地质工作会议和2005年12月在上海召开的“城市地质研讨会”都对这些方面进行了讨论。计算机技术在地质调查、地质填图方面的应用越来越广泛，越来越深入，三维地质建模技术成为研究的热门领域。随着城市地下空间开发的兴起，城市工程地质环境问题越来越受到关注。2006年初举办了“城市地质环境与工程”学术论坛，与会者讨论了城市工程建设中遇到的地质环境问题，如边坡稳定性、建筑地基安全、地下工程施工中的塌陷和突水问题等。2012年10月在上海召开的“城市地质国际学术研讨会”，会议从城市地质理论，城市地质调查技术方法，城市地质成果与应用，城市地质信息系统与社会化服务等方面进行了探讨和研究。

当前中国正处于城镇化发展的高峰期，城市建设引发的地质环境问题越来越严重，迫切需要开展地质环境承载力方面的研究，为制定合理的城市发展规划和健全城镇化政策提供科学依据。

4 城市地质的发展未来

目前，中国城镇化已经受到地质资源和地质环境的制约。越来越多的城市地质资源枯竭，迫使矿业城市转型。地质灾害频繁发生、水土污染严重，严重威胁城市安全和市民健康，并造成巨额经济损失。

由于城市地质工作专业性较强，城市规划和建设部门缺少相关专业人才，导致城市地质工作和城市建设不能有效统一。在编制城市规划时，许多规划师们只注重城市地表的空间布局，很少考虑城市地下的地质情况。城市地质工作明显滞后于城市建设，城市建设过程中缺乏事先的地质调查和必要的地质环境论证，给城市建设带来了许多隐患。中国城市地质工作涉及部门和行业众多，各行业工作标准不统一，工作内容各有侧重，相互之间缺乏沟通，造成工作重复和成果不一致，不利于城市规划和建设管理的应用。另外，中国城市地质工作的研究方法比较传统和落后，即使是一些发达的大中型城市都未建立城市地质空间数据库和地质环境监测网络信息及评价系统。因此，开展城市及周边地区或潜在城市化地区的地质调查和评价，对于合理编制城市规划，保障城市安全，建设“宜居城市”等都具有重要意义。

从世界上第一条地铁建成开始，地下空间的发展已经成为世界各大城市发展的新方向，从大型建筑物向地下的自然延伸发展到复杂的地下综合体，再到地下城。地下市政设施也从地下供、排水管网发展到地下大型供水系统，地下大型能源供应系统，地下大型排水及污水处理系统，地下生活垃圾的清除、处理和回收系统等等。地下空间利用规划从专项规划入手，逐步形成系统的规划，其中以地铁规划和市政基础设施规划最为突出。一些地下空间利用较早和较为充分的国家，正从城市中某个区域的综合规划走向整个城市和某些系统的综合规划。

随着中国城市人口的不断膨胀、城区用地规模的不断扩大、地面交通流量的大幅增加，不少城市面临人口拥挤、土地紧张等影响城市可持续发展的难题。由于城市土地资源有限而且不可再生，城市地下空间的开发利用倍受人们青睐。城市地下空间的开发利用不仅可以缓解城市人口增长带来的城市交通压力，保护城市的历史文化景观，而且可以带动沿线经济活动的繁荣。

开展城市调查工作，摸清城市地质情况，是开展城市地下空间开发利用的前提。要分析城市地质条件是否适合地下空间开发，能否进行深层地下空间开发，如何顺应地质条件编制地下空间开发利用规划，地下空间开发会产生什么样的地质环境问题，地下空间开发过程中要解决什么样的工程地质问题，等等。这些都需要城市地质学知识。

地下水在中国城市供水中占有很重要的地位，在城市用水总量中，地下水占30%，其中华北、西北城市利用地下水的比例分别高达72%和66%。2012年2月水利部就日益严重的水资源短缺问题发出严厉警告，称形势一天比一天严重，全国逾2/3的城市不同程度缺水。由于工业废水的肆意排放，导致80%以上的地表水、地下水被污染。一些城市已经出现水资源危机。日益严重的地下水污染加剧了城市缺水问题，迫切需要开展城市地下水资源承载力评价和脆弱性评价，加强城市地下水资源勘察与管理，通过合理的规划布局来保护好城市水源地。