城市地质资源环境承载力要素监测体系建设实践

2020-07-07郑桂森卫万顺刘宗明齐如明于春林王继明徐吉祥李小龙

城市地质 2020年2期

郑桂森卫万顺刘宗明齐如明于春林王继明徐吉祥李小龙

摘要：城市地质资源环境承载力要素监测是城市发展中后期的重要基础性工作。监测体系建设的目标是全面掌握地质要素变化规律，为城市发展安全提供保证。该体系建设的总体思路是基础坚实、问题明确、平面分区、纵向分层、立体成网、全面采集、可靠传输、云端存储、抓住奇点、把握关联、构建模型、预测趋势、多级服务、有效应用。该体系的基础是数据采集系统，核心是分析系统，关键是应用系统。该体系的建设运行，可有效地提高城市地质安全保证水平。本文以北京市为例介绍了地质资源环境监测体系建设的实践。

关键词：城市地质;地质环境;地质资源;承载能力

Abstract： The environmental bearing capacity monitoring of urban geological resources is the important basic work in the later stage of urban development. The goal of this system is to understand the law of change of geological elements and to ensure the safety of urban development. It will be established into a comprehensive system with such characteristics as solid foundation， plane subdivision， vertical stratification， three-dimensional monitoring network， comprehensive collection， reliable transmission， cloud storage， selection of the strange key points， the relevance of things， model， forecast and trend， multiple types of services， effective applications. The foundation of the system is the data acquisition system， the core is the analysis system， and the key is the application system. The construction and operation of the system can effectively improve the level of geological security for urban development. This article introduces the construction of environmental monitoring system for geological resources in Beijing.

Keywords： Urban geology; Geological environment; Geological resources; Bearing capacity; Monitoring elements

1 前言

城市化迅猛发展使人类生活、生产空间环境越来越美好，推动了社会经济繁荣发展。与此同时，人类对地质资源环境掠夺式开发利用造成了资源短缺、环境污染、灾害频发等多种问题，使本底短缺的地质资源和脆弱的地质环境面临更大压力（郑桂森等，2018）。为有效解决这一关系城市可持续发展的重大问题，党的十八大提出了建设资源环境承载能力监测预警机制，城市发展须以区域资源环境承载力为依据，确定城市人口规模、开发边界和产业结构，协调人口、资源、环境相互关系。科学研究评价区域资源环境承载力的重要依据是对构成承载力的各项要素进行数据采集、分析工作;地质资源环境是自然资源环境中重要的组成部分，认识把握地质资源环境因素的变化规律，趋利避害成为城市发展过程中的重要研究内容，建设城市地质资源环境承载力要素监测体系应运而生。

城市地质资源环境承载力要素监测体系是一个由地上、地表、地下一定空间范围的立体监测网，对表层至地下一定深度各地质体多项地质要素开展实时监测，分析研究其变化过程、变化特征、变化规律，为决策部门提供可靠依据，为研究机构提供基础实时数据，为社会公众提供地学知识。可有效支持城市发展上限、耕地保护、生态环境保护三条红线划定。

1.1 研究现状

自新中国成立之初，地质部门相继开展了地下水和地面沉降等方面的监测工作。到20世纪90年代末期，随着我国经济发展和人口激增，引发了大量的城市地质环境问题。面对这样的危机，国内各城市相继开展了地下水、突发性地质灾害、缓变性地质灾害、矿山地质环境、浅层水土等方面的监测工作（邢丽霞等，2011）。其中北京市开展了地质资源环境承载力监测预警平台建设工作，包括8个监测网和1个信息平台（郭萌等，2015）;湖南省建立了以矿山地质环境和地下水专项监测网（戴长华，2015）;山东省建立了全面的地面沉降、崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害监测网（王元波等，2018）;淮安市洪泽盐盆地建立地面沉降、地下水监测网（张以高等，2011）;刘传正提出了对三峡库区地质灾害监测预警监测网的思路（刘传正等，2001）;周圆心对北京平原区地下空间建设地质安全监测网的布控提出了诸多见解（周圆心等，2019）。这些监测工作往往以专项监测为主，即针对某一特定地质环境问题开展专项监测网的建设工作。

1.2 存在不足

目前关于城市地质资源环境承载力要素监测体系建设主要问题是体系建设缺乏系统性，成果缺乏實用性。

（1）监测体系不系统

目前监测体系的构建往往针对性比较强，但是各地质要素之间是一个相互影响的整体，一项地质要素的改变必然会影响周边地质要素的变化，因此需要建立一套完整的监测体系。例如针对城市地裂缝通常会开展地表形变的专项监测，但是城市地裂缝往往受活动断层、地下水超采、地面塌陷等多因素的控制。因此地质资源环境监测网的设计中，应采用“系统论”的思路，构建一张针对各项地质要素全面监控的要素监测体系。

（2）地质要素定量化研究程度不高

对单要素突变临界值研究不够，停留于描述现象层次，对突变机制，临界值认识不到位，定量化程度低;对多因素间相关性、发展演化趋势研究不够，预测能力差。

（3）成果实用性不强

由于对监测数据分析研究能力不足，指标定性评价居多，定量化程度较低以至于成果缺乏应用性价值，大多功能体系在基础数据供给层次，难以上升到决策支持和知识普及水平。

1.3 研究内容

本文着重研究了城市发展过程中对地质资源环境的依赖和对城市环境的负作用，提出城市发展中后期必须建设地质资源环境承载力要素监测预警体系，監测地质要素变化过程，突变阈值，寻找各要素变化趋势，破解各要素灾害形成机制，把握各项地质要素之间相互影响关系，抓住影响发展过程中的主控因素，从而做出地质资源环境承载力与发展水平的适应程度的评价，为城市发展全过程安全提出保证。城市地质资源环境承载力要素监测体系可分为3个部分：

（1）基础部分：包括监测要素的采集系统，即野外地质资源环境监测网建设;还包括数据传输存储系统，即获取得监测数据通过无线、有线等方式传输系统上传至数据中心（云平台）。

（2）分析部分：大量数据在此进行分析研究，包括单因素变化、单问题研究，各因素结合问题研究，多因素相互关系研究，综合区域地质资源环境变化趋势对主要问题事前预测，事后预警研究。

（3）应用部分：提供政府决策层使用产品，各数据、图件、各项要素临界阈值;提供社会使用的各种文字、图件、手册、规范、标准;提供公众应用的科学手册，APP安全观光欣赏产品。

2 城市地质资源环境承载力要素监测体系建设

城市地质资源环境承载力是保证城市发展安全的物质基础，承载力是支撑城市发展的物质力量，由各项地质要素共同作用构成。地质资源承载力是指城市发展一定文明水平前提下，资源可持续供给程度，地质环境承载力指城市发展过程中地质环境提供的空间安全保证水平及环境质量不产生恶化的能力。城市发展对资源环境的利用，不仅消化资源的存量，同时也对环境产生着巨大改变使地质因素产生了物理、化学变化，形成了多种问题，有些甚至非常严重，造成人为灾害或环境恶化导致不适宜生物生存，直至威胁人的生命安全，因此必须对相关地质要素开展监测工作（卫万顺等，2017）。

开展城市地质要素监测，必须详细了解城市地质背景条件，在一定程度工作基础上，圈定区域内主要敏感地质要素分布的位置，选择适宜的监测方法，仪器设备，确定观测步骤，采集及时可靠的数据，分析研究各要素变化特征，受扰因素、突变临界点，找出规律建立单要素变化模型。同时要研究多项要素之间相关性，认识自然变化规律，找出制约城市地质资源环境变化的主因，进而对其承载力做出有效的评价。

2.1 基础工作

区域地质资源调查和专项地质调查工作是地质资源环境要素监测体系建设的基础。当区域地质背景资料丰富，地质特征清晰，地质演化过程取得了较为一致的认识，即区域地质资源环境的调查研究工作基本完成，获得了地层、构造、岩石、地表及地下一定深度内的可靠资料，特别是在城市区域内开展大比例尺（1∶1万～1∶2.5万）专项地质调查工作，基本查清地质资源的品质、数量和地质环境问题的性质、规模、危险性、影响范围等项内容，对区域内主要地质资源禀赋及地质环境问题有了深刻把握。

2.2 数据采集系统

地质资源环境承载力要素监测数据采集系统，是要构建平面分区、纵向分层、立体成网、全面采集的数据釆集设施、设备、仪器布设安装系统。

（1）平面分区即在详细研究区域地质背景基础上，根据不同的地质单元在平面上进行分区，各分区中岩性、构造等地质要素差异较大的位置即监测点布设的理想位置。

（2）纵向分层即在纵向上将地表至地下深处，按岩性进行分层，不同的岩性具有不同的物理性质、化学性质和力学性质，如电性、密度、化学成分、颗粒度、固结程度、渗透性、吸附性、静压力、抗剪性等，不同的岩层是监测的重点部位，在不同深度上可开展各种要素监测。

（3）立体成网即表示对地质体形成三维监测，全面把握地质因素在不同部位和不同深度的变化特征，客观描述刻画地质体各项因素的空间实时变化特征。

（4）全面采集就是将在一个监测位置上地表至地下的各项地质因素数据尽可能详细采集，做到能采尽采，全面提升监测设施实用效率。在监测对象上可分为水资源、土地及地下空间资源、浅层地热能、深层地热4类地质资源，滑坡、泥石流、采空塌陷、崩塌、地面沉降、活动断层、地裂缝、岩溶塌陷、土壤地质环境、矿山地质环境10类地质环境问题，监测要素见表1、图1。

2.3 数据传输存储系统

在获取地质资源环境要素监测数据后，采用可靠的手段进行传输，并存储于政务云端，以方便数据的研究利用。

地质资源环境监测数据的采集方式可分为自动和人工两种方式，其中自动方式的监测仪器（如自动液位传感器、远程应力实时监测仪等）内置移动网络和北斗卫星网络双通道传输模块，将监测数据自动传输至政务云平台。而部分监测数据采用人工方式获得（如土壤、地下水样品等），采用电脑或手机APP以政务互联网访问云端服务器的方式进行数据传输。

为实现多源数据格式统一，需要建立基于多源异构的监测预警中心数据库。运用多源异构数据处理方式，将不同数据来源和类型的地质监测数据，采用不同的ETL工具将分散的异构数据源抽取到中间层后，进行清洗、转换、集成，最后加载到对应的数据库中。基本实现各类结构化、空间、非结构化的成果数据、监测数据、钻孔数据、物化探数据、调查数据、影像数据的全面融合和高效存储，为地质数据分析、处理、模拟、预警提供基础保证。

2.4 数据分析系统

数据分析中心是监测体系的核心，相当于人的大脑，各项地质因素经分析中心分析，获得规律性认识，形成系统性成果，提供各层次用户使用。数据分析要抓住奇点、把握关联、构建模型、预测预警。

抓住奇点，即对单项地质因素突变现象发生的机制深入分析，寻找单项因素突变的临界值和诱发条件，建立单因素突变模型。

把握关联，是指多项地质因素之间的相互关联性，时间上有先后性，相关上有正负性，逻辑上有因果性，正确把握各因素的关联性，对认识区域地质资源环境安全运行规律至关重要。如水通过浅表土壤渗入地下含水层的过程，可将部分元素或络合物带入地下水含水层产生水污染，而那些未被带入的元素或络合物吸附在黏土层或粉砂中。分析这个过程就得出了不同质地岩土体对元素吸附的特性，并以此来改变地质环境。

建设模型、预警预测，即在单因素临界值和各项因素关联性研究客观真实的基础上，对区域内主要地质资源环境问题建设概念模型、结构模型和预测模型，由此全面客观地把握了区域地质因素的演化规律，全面深化对城市地质资源环境系统认识水平，在全面客观认识地质因素演化规律的基础上，遵循人与自然和谐共处的发展理念，按照地质因素演化规律，预测地质因素演变趋势，有的放矢地加强防御，趋利避害、造福人类。

2.5 成果应用系统

城市地质资源环境承载力要素监测体系的主要产品有海量多要素地质数据、单要素突变临界值和变化模型、多要素关联性模型、多要素变化趋势模型，单要素专项报告、专项图件、科普书籍，各种相关电子产品等。这些产品可应用于城市发展各级层面，有效支持城市安全发展。

在政府决策方面，可强力支撑国土空间规划编制，为永久基本农田、生态保护和城市开发边界三条红线的划定提供基础依据，为水资源管理中合理开发利用水量，提升水效率和水功能保护三条红线提供保障;为城市区域土地利用规划提供土地质量和功能分区依据，为土地科学利用奠定基础等。

在生态环境保护方面，可有力支撑城市区域生态环保规划制定。城市环境主要是水、土、大气3项主要内容。此体系可提供水、土两项重要环境的各项本底和动态指标，同时可提供水环境、土壤环境变化趋势，有效支持蓝天、碧水、净土三大行动计划实施。对土壤品质的研究成果可指导农田业种植结构调整，充分发挥土壤功能，提高生产效率。如江西省丰城县利用富硒土壤种植了高品质水稻，极大的提高了产品价值。

在城市工程建设方面，可为各项工程建设提供区域地壳稳定性、岩土力学性质，活动断层影响深度、宽度、延伸方向，重大基础设施避开危险地带，降低成本和风险，在线性工程建设中可提供延线地质灾害发育现状数据，提前布置防范，减少损失。对城市中转型区域可提供土地品质特性数据支持。

在城市运行方面，可以有效地支持防治地质灾害专项规划制定，利用主要地质环境因素渐变趋势，可有效预防环境问题形成危害，对城市运行中突发事件的应急处置提供基础资料，利用相关地质因素的演化规律，指导应急抢险工作开展。在智慧城市建设中可提供自然因素变化特征，是智慧城市建设的自然资源环境之基础。

在低碳城市建设方面，利用清洁可再生能源替代部分化石燃料，降低碳排放，利用监测系统数据可以有效控制电能使用，创建适宜的居室环境，提高能源利用效率。

充分利用该体系科普产品，向大众宣传普及地学知识，增强公民爱护地球、注重环保和防灾减灾;通过科普宣传使公众从观光景观到了解景观成因，再提升至欣赏自然景观，热爱自然景观，达到人和自然共生共美之境界。

3 北京地质资源环境承载力要素监测体系建设实践

3.1 基础工作条件及主要问题

北京市地域面积16410km2，平原区为6338km2，山区10072km2。西部为太行山脉，北部为燕山山脉，平原区地形呈西北高、东南低的扇形展布。区域内地质基础工作扎实，北京西山是中国地质工作的摇篮，造就了新中国第一批地质专家。北京地区先后开展了两轮1∶5万区域地质调查工作，查清了岩石、地层、构造等基础地质特征;大量专项地质调查，查明了水文地质、环境地质问题，岩土体性质及工程地质条件分区特征。特别是浅层地热能、土壤环境地球化学、山区突发性地质灾害、地下水环境污染等专项调查工作，充分掌握区域内水土环境，清洁能源禀赋和地质灾害分布特征及危险性。这些工作成果详细刻画了北京市域的地质资源环境特征。

北京市域面積较小，资源品种虽多，但均不成大器，铁矿、煤矿和非金属资源是主要矿产资源，但自20世纪90年代以来，北京市坚持绿色发展理念，95%矿山场已关闭，因此北京市是矿产资源匮乏城市;人均水资源量仅为100m3/a，属极度缺水城市;土地资源在减量发展的规划要求下形势严峻。

北京市山区为平原区的生态屏障，主要地质环境问题包括崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害，以及矿山开采区域存在的水土污染和采空塌陷;平原区主要存在活动断层、地面沉降、土壤污染和水污染等地质环境问题。

由上述可见，北京市地质环境问题十分突出，水资源匮乏和水污染恶化，土地资源紧张和品质不清，活动断层、地面沉降及山区突发性地质灾害等地质环境问题严重制约了城市的安全发展。

3.2 构建平面分区、纵向分层的监测网络

北京市地质资源环境监测体系建设在平面上分为山区和平原区，分界线是黄庄-高丽营断裂和南口山前断裂。山区内分西山和北山，以昌平关沟为地理界线;平原区内根据冲洪积物颗粒分布划分为扇根区、扇中区、扇缘区。在纵向上山区由高山—中低山—丘陵按地形高度划分层级，平原区由地表至地下4000m划分为松散层、基岩。在每个分区分层内对地质体实施监测。

山区重点是崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害监测，现已建成实时监测沟域300余条，可远程指挥观察灾地场景;第二是矿山地质环境监测，主要是水土化学成分污染和采空塌陷问题。

平原区内，在地表开展位移监测、土壤地球化学元素及营养元素监测;在松散层内开展地下水资源与环境监测、黏土层压缩量监测、地下水位、水温监测;在基岩层开展垂直、水平位移、地应力、地热增温、地热水量监测。

3.3 地质资源环境承载力监测体系建设情况

北京市地质资源环境监测体系建设是由专项监测逐步演变而来而来的。最早的监测工作是由原地矿部水文地质工程地质大队从1955年开始的北京地下水监测开始，此后是20世纪90年代开始的地热利用监测，此阶段监测工作属于单点动态调查，不成体系，获取数据分散无系统。进入21世纪，先后建设了地面沉降监测网、地下水监测网、浅层地热能开发利用地质环境影响监测网、土壤地质环境监测网、山区突发性地质灾害监测网、矿山地质环境监测网。目前正在建设活动断层监测网、地下空间地质安全监测网、重大线性工程地质安全监测网等专项监测网。

2013年，党的十八大提出在生态文明建设中要建立地质资源环境承载能力监测机制，以区域资源环境承载力为依据，制定区域发展规划。原北京市地勘局适时提出了建设北京市地质资源环境承载力监测预警平台的城市地质工作构想。用现有工作成果，编制了北京市城市地质资源环境承载力监测预警平台工程分布图，2014年2月在前门规划馆展出。2015年城市副中心建设工作前期，开展了城市副中心行政办公区启动区的区域地质条件适宜性评价工作（郑桂森等，2017），推动了地质成果的应用，同时也对地质工作提出了高要求，数据及时、定量、可靠成为城市地质工作的重大课题。破解这一课题，必须有动态高效的数据采集系统、分析能力强大研究系统，建设城市副中心地质资源环境承载力分平台就提到了日程。经认真分析研究监测要素参数，先期完成的多项监测系统中大量参数是相同的，只是选择监测位置不同显示了不同的数值，以用于不同功能，形成工作单兵作战、分散突击的格局。

把握地质体要素变化规律，统一部署、分步实施地质资源环境监测体系建设工作，将工作成果提供多层、多功能服务的建设思想逐渐形成。目前正在开展各项系统间的融合工作，运用同组数据研究不同对象和同一对象在不同数据中的体现研究地质体中各要素的时空关联，推演变化趋势。

3.4 北京市地质资源环境要素监测体系功能

北京市地质资源环境承载力要素监测体系主要功能包括：基础支撑，单项预警，综合预防，科普惠民。

基础支撑是该体系基本功能，海量的数据、文字、图件可以支持政府部门，社会各界多方面应用，如北京城市地质图集已成为北京建设工程师必备手册。

专项监测工作提供预警，依据单因素专项监测系统提供基础数据和预警成果，地质资源环境监测中每个专项监测体系获取的基础数据可以提供其他专项监测网使用。专项研究地质要素变化临界点是预警工作的基础，在房山区王家台2016年崩塌监测中，监测危岩裂隙开裂速度变化，提出人员撤离预警，避免了人员损失。长期以来地下水资源水环境监测成果已成水资源管理的重要基础支撑，同时也是北京新城市规划中“以水定域、以水定人、以水定产”的基础依据。地面沉降监测数据，沉降中心发展规律为重大基础设施建设提供了基础依据，如京沈客专在通过地面沉降中心区域采取高架桥形式通过，最大程度减少地面沉降对轨道的影响。

城市地质资源环境监测体系提供预防、决策依据。城市地质资源环境监测体系工程，全面研究分析区域内各项地质因素之间关联性，预测地质环境演化趋势是其最大功能，由此可以实现对地质资源环境问题的预防，制定防预措施，控制恶化趋势。北京市地面沉降发展随城市扩张而加快，其原因有多种，目前一致认为原因是地下水超采，可压缩层水压减少使可压缩层收缩形成地面沉降，以此为依据制定地下水限采措施和地表水回灌方案，延缓地面沉降，取得了较好效果。

浅层地热能在用友软件园应用中，通过对地面户外温度、地下水温度、地下水流向控制满足居室内舒适的温度设置22℃～26℃，并以此进行电力消耗调解，即節约了资源，又提升了效率。

在社会公众普及地学知识，使民众更加了解地球关爱地球，提高生活品质;用已建监测体系开辟了旅游观光平台，将市域内地质公园位置、风景、地学知识、路线、沿途景观、地质灾害危险点公布和避险场所、天气情况相融合，并制定成手机APP，通过首都之窗对公众发布，取得良好的社会效益。

4 结论

（1）城市发展中后期，地质生态环境安全是可持续发展关键，建立地质资源环境承载力要素监测预警体系，是重要的基础性工作。

（2）城市地质资源环境承载力要素监测体系建设是一项系统复杂的基础工程，必须统一部署，分步实施，持续完善，才能使体系平稳运行，获得地质要素变化数据。

（3）建设地质资源环境承载力要素监测预警体系关键在于对区域地质资源环境主要问题的认知程度。该系统的基础是数据采集系统，核心是分析系统，关键是应用系统，这3个系统功能的有效发挥，方可发挥该体系的重要作用。

（4）把握要素监测的目标是利用有效探测设施设备，获取及时可靠海量地质数据，为各项应用奠定坚实基础，以专项监测建设为主的城市，全面建设过程中需补齐空白地质要素。

参考文献：

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郭萌，张金玲，孙小华，2015. 北京市地质环境监测体系研究[J]. 综合研究，10（S1）： 24-28.

刘传正，杨冰，2001. 三峡库区地质灾害调查评价与监测预警新思维[J]. 工程地质学报，9（2）： 121-126.

卫万顺，郑桂森，于春林，等，2017. 未来10～15年我国城市地质工作战略构想[J]. 城市地质，12（3）： 1-8.