國外發達國家城市地質工作總結及其經驗借鑒論文

引 言

　　人口、資源、環境與社會經濟的協調發展是21 世紀的重大科學命題。城市作為人口和現代工業集中的地區，在國家建設和人類生存環境水平提高中發揮著巨大作用，城市化的快速發展促使自然環境發生巨變，城市和地質環境不斷進行著相互作用。在過去的 30 多年中，隨著中國經濟的迅速發展，城市化進程迅速加快，社會和學術界對城市地質問題表現出前所未有的關心。我國進行比較系統的城市地質研究工作起步較晚，就其研究的廣度和深度以及全面性而言，與國外發達國家相比尚有較大差距。因此，本文對國外發達國家開展的主要城市地質工作進行了總結，以期能切實反映出城市地質研究工作的現狀和今后的發展趨勢，從而為我國城市地質工作的開展提供參考和借鑒。

1 城市地質的內涵

　　 城市地質是地球科學的一個較新的分支，對城市地質的定義和內涵，目前仍在研究和探索之中，關于它是不是一門獨立的學科，認識尚不統一。有的認為城市地質屬于傳統地質學的范疇，不是獨立的學科，而是各種地質工作在城市和城市化地區的應用； 有的認為它是工程地質學的分支，應稱為城市工程地質學； 有的認為它是環境地質學的分支，稱為城市環境地質學。

　　通過綜合諸家意見認為，城市地質已發展成為一門獨立的分支科學，有著特定的任務和工作內容。其任務是應用地質科學的理論和方法，以城市地區的地質結構為主要研究對象，將所獲得的地質資料和認識，應用于城市的規劃、建設和管理，其實質是地質科學和地質學家直接參與城市的規劃、建設和管理工作，為城市發展與控制提供可靠的科學依據。工作內容包括土地的合理利用、城市供水水源地的勘查和利用、區域地質環境安全性評價、城市礦產資源開發利用與論證、城市地質環境質量綜合評價與環境保護以及城市地質環境監測等。

　　城市地質學整合了城市管理和發展中所需的一系列地球科學分支，因此它是地球科學中綜合性最強的領域之一，涵蓋了部分工程地質學、環境地質學及土地管理學等，除此之外還有傳統的地層學、構造地質學、巖土力學、水文地質學等。因此，城市地質工作是在城市及其周圍地區或潛在城市化地區的特定空間范圍內，綜合考慮各種地質要素，研究其對城市發展所提供的資源、所施加的約束條件以及城市發展對其產生的影響，為城市規劃、建設和管理服務的地質工作[1].可見，城市地質作為一門應用性的地質學科，它并不是簡單的其他地質學分支學科資料的堆積，而是需要針對具體的城市地質問題，進行分析評估和綜合集成，并提出合理的解決辦法。

2 國外研究進展

　　城市地質的主體工作是主題應用填圖，為城市各類規劃、建設和管理提供決策支持[2].國外最早的城市地質工作大約是在 20 世紀 20 年代末開展的，具有代表性的是德國繪制了用于城市規劃的特殊土壤分布圖[3].30 年代末，德國出版了標示著各種土地利用適宜性的 1∶ 10 000 和 1∶ 5 000的地質圖，并用于 Bodenatlas 的城市擴建規劃[4];第二次世界大戰后，隨著人口增長和經濟復蘇，城市地質工作日益頻繁，特別是在歐洲和北美地區，如德國、捷克、斯洛伐克和荷蘭等國家實施了系統的城市地質填圖計劃，主要是對城市地區土壤和巖石的自然屬性進行填圖，用于指導城市規劃和建設[5],其中典型代表是 Prague 城市的1∶ 5 000地基填圖，包含建設層地基巖土的物理力學參數等工程地質信息，并且該城市大量的數據和圖件在不斷地更新[6].這一時期，德國有十多個城市完成了土地利用主題填圖[7].盡管這些圖件在城市規劃中發揮了重要作用，但總體來說其可讀性較差； 圖件及附注中包含了土壤自然屬性和土地利用適宜性的信息，但多為定性描述，這主要是由于土工實驗數據以及在原位或實驗室條件下水文地質測試數據的有效性較低。

　　隨著第二次世界大戰后美國經濟的高速增長以及其后的城市擴張，大量的地質工作者開始展開對城市地質的研究工作。例如，20 世紀 60 年代末至 70 年代，僅洛杉磯就有 150 多名地質學家在從事城市地質研究工作[8].同期，由于 Legget 的出版，地質數據在加拿大城市規劃和管理中的應用取得了突破性進展[6,9].至此，工業化國家更加關注城市中自然環境的改變和大量廢棄物造成的污染，廢棄物處理場的選址成為城市地質工作者新的研究領域。應用地球化學解決廢物污染問題迅速地成為一種發展趨勢，最早在德國出現對土壤納污潛力和污染容量極限的研究，生成“地質潛力圖”來為城市規劃服務[10],這套填圖系統后來被其他許多國家應用。這一時期美國地質調查局繪制了許多城市地質圖件[11 -12]; 許多歐洲國家也開展了一些特殊研究，包括尋求最合適的方法在城市化地區的圖件上展現地質數據[13 -15].西班牙的許多城市地區開展了用于城市規劃的 1∶ 25 000巖石土壤填圖工作[16],初步查清了不同類型地表淺層 巖 土 的 分 布 范 圍，如 在 馬 德 里 開 展 了1∶ 400 000 到1∶ 100 000 的填圖工作[17].可見，這一時期歐美發達國家的城市地質工作取得了重大進展： 首先，城市地質工作內容延伸到水土污染調查評價、地質資源潛力及其開發利用評價、城市廢棄物的處置及應用地球化學方法進行污染治理等多個方面，體現了調查與治理的相結合； 其次，工作區域從單個城市擴展到城市群地區，同時注重城市地質為環境規劃和土地利用規劃服務，提高了成果的實用性； 再次，各種專業信息系統相繼建立，這一時期約有 300 個系統投入使用，以獲取和處理地質、地理、地形和水資源信息。

　　20 世紀 70 年代末至 80 年代初，隨著水文地質和巖土模型應用的加強，使得定量描述和預測人類活動對地球圈層的影響成為可能，這一時期城市地質工作的一大特點就是主題填圖從定性到定量的過渡。例如，荷蘭開展了由土地開墾造成的地面沉降的危害研究，并在一些城市地區開展了侵蝕和沉積作用的影響研究[18].電子數據技術的采用帶動了全新的主題填圖工作，從而使規劃者、決策者和工程師能夠比過去更加容易地獲取這些主題圖，并根據需要及時地提取有用信息。

　　主題圖的編制更多地采用了定量化指標，并盡量簡化了圖面內容，使得非地質專業的用戶更加容易地理解圖的信息[14].東南亞和太平洋地區從 20世紀 80 年代中期開始，啟動了城市地質的研究工作。這項工作主要是在亞太經社會委員會（ ES-CAP,United Nations） 的推動下開展的，到目前為止，已經出版了 9 卷城市地質文集，主要介紹了包括中國、孟加拉、斐濟、印度尼西亞、馬來西亞，尼泊爾、巴基斯坦、菲律賓、朝鮮、斯里蘭卡、泰國和越南在內的國家專門的城市地質研究和現狀報告。早在 70 年代，印度的 Calcutta 城市便開展了城市地質工作并出版了一系列的城市巖土研究報告。在非洲，除了多哥外，其他國家均未開展過重大的城市地質工作[19 -20].這一時期城市地質工作的另一大特點是對地質資源保護意識的增強。地下水資源研究從注重水量轉變為水質水量并重，解決含水層污染問題從調查治理轉變為預防與治理相結合。地下水可供能力、地下含水層脆弱性評價研究與編圖作為對地下水資源進行保護的重要措施得到高度重視，并成為 80 年代后期城市地質工作的主題。80 年代末，美國、意大利、荷蘭、德國、瑞典、英國、捷克等國家相繼出版了 1∶ 1 萬 ~1∶ 100 萬不同比例尺的地下水脆弱性圖，為政府官員、規劃者和管理者了解土地利用活動與地下水污染之間的關系，識別地下水易于污染的高風險區，制定地下水保護的方針政策和管理方案提供了依據[21].

　　20 世紀 90 年代至今，是國際城市地質工作新的發展時期，保障人類生命財產安全和促進城市社會、經濟、環境可持續發展的城市地質工作目標進一步明確，工作思路和工作方法也有所創新。

　　如 90 年代初期英國地質調查局啟動了“倫敦計算機化地下與地表項目（ LOCUS） ”.該項目的目標是繪制用于土地利用規劃、土木工程建設和解決地質環境問題的各種主題圖件。這項工作是基于包含 2 萬多份鉆孔描述資料的數字化數據庫和具有強大功能的 GIS 與模型技術完成的。德國地質調查局將工作重點由礦產勘查轉向環境調查研究，主要開展了城市及其周圍地區的環境地球化學調查、污染評價； 垃圾場污染的調查、評價及污染監控、治理等環境地質工作； 建立了城市行政機關、地質調查所的綜合數據庫，并獲取廣泛的其他地學知識，為城市規劃建設和地下水利用服務。

　　2000 年，英國地質調查局啟動了“城市地球科學研究”項目，旨在為城市發展提供綜合的地質信息。

　　該項目劃分為地表礦床特征、三維巖體特征和信息系統研發 3 類 6 個主題研究子項目。2003 年，Quaternary International 編輯部出版了 《新西蘭和澳大利亞東部城市與第四紀地質》（ Urban andQuaternary Geology,New Zealand and Eastern Aus-tralia） 以及 《The Shaping of Sydney by Its UrbanGeo-logy》。報告論述了這些地區城市的地質條件和面臨的問題，闡述了城市地質如何融入到城市規劃、土地利用、防災減災中，指出城市空間布局和發展戰略要適應地質資源和地質環境條件[22].2008 年 8 月第 33 屆國際地質大會在挪威奧斯陸召開，大會的主題是“地球系統科學---可持續發展的基石”.此次大會關于城市地質的內容也很多，其中國外城市地質成果介紹中最具代表性的為挪威國家地質調查局在奧斯陸地區開展城市地質調查項目，項目主要研究內容有 10 個方面： 氡災害、地面沉降、城市土壤污染、地熱、砂礦資源、地下水、礦產地質、基底穩定性與監測、地質教育等。

　　工作思路上在這一時期，一方面注重以整體觀點研究城市地質問題。城市地質工作從解決比較簡單的規劃建設問題深入到解決更為復雜的區域整體開發和決策問題。如美國于 1991 年開始實施水流域綜合保護計劃，將分散的水資源保護轉向使用水流域的研究，在統一的水文地質單元內共同解決水資源的可供能力、水資源污染和生態環境惡化問題，使管理者能夠從整個水流域全面地考慮影響水資源的各種作用[18].對于城市災害，則注重對群發或誘發的.災害系統研究，研究災害的影響面、易損性和對災害的反應。近年來在國際地科聯環境規劃地質科學委員會的倡導下，西方國家正著手建立反映地質過程和地質現象變化大小、頻率和趨向的地質指標體系，并將地質指標與城市的經濟、社會、環境指標結合起來，從整體來考慮城市的建設和發展。另一方面，實施全面保護城市地質環境、超前服務于城市可持續發展的戰略。這一戰略的確定正是對過去城市化過程中忽視環境、忽略地學信息，造成城市災害頻發的后果做出的深刻反思。如美國在地下水污染治理方面位居世界前列，最近十幾年內僅清理油滲漏造成的土壤和含水層污染的費用就高達數千億美元。由于對復雜的水文地質條件認識不足，所采用的抽取 - 處理技術并未達到預期效果。

　　如今美國科學家和立法者已經認識到，最成功的污染治理戰略將是對土壤和地下水污染場地及其周圍地區實施風險管理戰略。類似的如城市快速發展而防災、減災措施相對滯后導致的城市災害影響面擴大和易損性增強，已經影響或制約了城市的可持續發展。為此，地質災害風險性評估、水土污染風險識別、地下水可供能力、城市脆弱性評價以及建立環境變化的地質指標等作為對城市地質環境實施保護的超前服務工作，成了 90 年代至今城市地質工作的重點和熱點。

　　在技術方法上，多學科、多目標、多種技術方法的交叉配合，提高了城市地質工作的質量和效率，增強了其解決實際問題的能力。如利用探地雷達、高分辨率地震、層析成像等先進技術進行工程和地質災害勘察取得了顯著功效，尤其利用 GIS、RS、GPS 技術進行城市地質調查、地質災害監測與防治，采集多學科地學信息，建立 GIS平臺的地學信息空間數據庫和自然災害風險評估的決策支持系統，較好地滿足了城市地質快速適應城市發展的需求。