國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家城市地質(zhì)工作總結(jié)及其經(jīng)驗(yàn)借鑒論文

引 言

　　人口、資源、環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展是21 世紀(jì)的重大科學(xué)命題。城市作為人口和現(xiàn)代工業(yè)集中的地區(qū)，在國(guó)家建設(shè)和人類(lèi)生存環(huán)境水平提高中發(fā)揮著巨大作用，城市化的快速發(fā)展促使自然環(huán)境發(fā)生巨變，城市和地質(zhì)環(huán)境不斷進(jìn)行著相互作用。在過(guò)去的 30 多年中，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程迅速加快，社會(huì)和學(xué)術(shù)界對(duì)城市地質(zhì)問(wèn)題表現(xiàn)出前所未有的關(guān)心。我國(guó)進(jìn)行比較系統(tǒng)的城市地質(zhì)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(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有較大差距。因此，本文對(duì)國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展的主要城市地質(zhì)工作進(jìn)行了總結(jié)，以期能切實(shí)反映出城市地質(zhì)研究工作的現(xiàn)狀和今后的發(fā)展趨勢(shì)，從而為我國(guó)城市地質(zhì)工作的開(kāi)展提供參考和借鑒。

1 城市地質(zhì)的內(nèi)涵

　　 城市地質(zhì)是地球科學(xué)的一個(gè)較新的分支，對(duì)城市地質(zhì)的定義和內(nèi)涵，目前仍在研究和探索之中，關(guān)于它是不是一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，認(rèn)識(shí)尚不統(tǒng)一。有的認(rèn)為城市地質(zhì)屬于傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)的范疇，不是獨(dú)立的學(xué)科，而是各種地質(zhì)工作在城市和城市化地區(qū)的應(yīng)用； 有的認(rèn)為它是工程地質(zhì)學(xué)的分支，應(yīng)稱(chēng)為城市工程地質(zhì)學(xué)； 有的認(rèn)為它是環(huán)境地質(zhì)學(xué)的分支，稱(chēng)為城市環(huán)境地質(zhì)學(xué)。

　　通過(guò)綜合諸家意見(jiàn)認(rèn)為，城市地質(zhì)已發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)立的分支科學(xué)，有著特定的任務(wù)和工作內(nèi)容。其任務(wù)是應(yīng)用地質(zhì)科學(xué)的理論和方法，以城市地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象，將所獲得的地質(zhì)資料和認(rèn)識(shí)，應(yīng)用于城市的規(guī)劃、建設(shè)和管理，其實(shí)質(zhì)是地質(zhì)科學(xué)和地質(zhì)學(xué)家直接參與城市的規(guī)劃、建設(shè)和管理工作，為城市發(fā)展與控制提供可靠的科學(xué)依據(jù)。工作內(nèi)容包括土地的合理利用、城市供水水源地的勘查和利用、區(qū)域地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)、城市礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用與論證、城市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)與環(huán)境保護(hù)以及城市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

　　城市地質(zhì)學(xué)整合了城市管理和發(fā)展中所需的一系列地球科學(xué)分支，因此它是地球科學(xué)中綜合性最強(qiáng)的領(lǐng)域之一，涵蓋了部分工程地質(zhì)學(xué)、環(huán)境地質(zhì)學(xué)及土地管理學(xué)等，除此之外還有傳統(tǒng)的地層學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、巖土力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)等。因此，城市地質(zhì)工作是在城市及其周?chē)貐^(qū)或潛在城市化地區(qū)的特定空間范圍內(nèi)，綜合考慮各種地質(zhì)要素，研究其對(duì)城市發(fā)展所提供的資源、所施加的約束條件以及城市發(fā)展對(duì)其產(chǎn)生的影響，為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理服務(wù)的地質(zhì)工作[1].可見(jiàn)，城市地質(zhì)作為一門(mén)應(yīng)用性的地質(zhì)學(xué)科，它并不是簡(jiǎn)單的其他地質(zhì)學(xué)分支學(xué)科資料的堆積，而是需要針對(duì)具體的城市地質(zhì)問(wèn)題，進(jìn)行分析評(píng)估和綜合集成，并提出合理的解決辦法。

2 國(guó)外研究進(jìn)展

　　城市地質(zhì)的主體工作是主題應(yīng)用填圖，為城市各類(lèi)規(guī)劃、建設(shè)和管理提供決策支持[2].國(guó)外最早的城市地質(zhì)工作大約是在 20 世紀(jì) 20 年代末開(kāi)展的，具有代表性的是德國(guó)繪制了用于城市規(guī)劃的特殊土壤分布圖[3].30 年代末，德國(guó)出版了標(biāo)示著各種土地利用適宜性的 1∶ 10 000 和 1∶ 5 000的地質(zhì)圖，并用于 Bodenatlas 的城市擴(kuò)建規(guī)劃[4];第二次世界大戰(zhàn)后，隨著人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，城市地質(zhì)工作日益頻繁，特別是在歐洲和北美地區(qū)，如德國(guó)、捷克、斯洛伐克和荷蘭等國(guó)家實(shí)施了系統(tǒng)的城市地質(zhì)填圖計(jì)劃，主要是對(duì)城市地區(qū)土壤和巖石的自然屬性進(jìn)行填圖，用于指導(dǎo)城市規(guī)劃和建設(shè)[5],其中典型代表是 Prague 城市的1∶ 5 000地基填圖，包含建設(shè)層地基巖土的物理力學(xué)參數(shù)等工程地質(zhì)信息，并且該城市大量的數(shù)據(jù)和圖件在不斷地更新[6].這一時(shí)期，德國(guó)有十多個(gè)城市完成了土地利用主題填圖[7].盡管這些圖件在城市規(guī)劃中發(fā)揮了重要作用，但總體來(lái)說(shuō)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及在原位或?qū)嶒?yàn)室條件下水文地質(zhì)測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性較低。

　　隨著第二次世界大戰(zhàn)后美國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)以及其后的城市擴(kuò)張，大量的地質(zhì)工作者開(kāi)始展開(kāi)對(duì)城市地質(zhì)的研究工作。例如，20 世紀(jì) 60 年代末至 70 年代，僅洛杉磯就有 150 多名地質(zhì)學(xué)家在從事城市地質(zhì)研究工作[8].同期，由于 Legget 的出版，地質(zhì)數(shù)據(jù)在加拿大城市規(guī)劃和管理中的應(yīng)用取得了突破性進(jìn)展[6,9].至此，工業(yè)化國(guó)家更加關(guān)注城市中自然環(huán)境的改變和大量廢棄物造成的污染，廢棄物處理場(chǎng)的選址成為城市地質(zhì)工作者新的研究領(lǐng)域。應(yīng)用地球化學(xué)解決廢物污染問(wèn)題迅速地成為一種發(fā)展趨勢(shì)，最早在德國(guó)出現(xiàn)對(duì)土壤納污潛力和污染容量極限的研究，生成“地質(zhì)潛力圖”來(lái)為城市規(guī)劃服務(wù)[10],這套填圖系統(tǒng)后來(lái)被其他許多國(guó)家應(yīng)用。這一時(shí)期美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局繪制了許多城市地質(zhì)圖件[11 -12]; 許多歐洲國(guó)家也開(kāi)展了一些特殊研究，包括尋求最合適的方法在城市化地區(qū)的圖件上展現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)[13 -15].西班牙的許多城市地區(qū)開(kāi)展了用于城市規(guī)劃的 1∶ 25 000巖石土壤填圖工作[16],初步查清了不同類(lèi)型地表淺層 巖 土 的 分 布 范 圍，如 在 馬 德 里 開(kāi) 展 了1∶ 400 000 到1∶ 100 000 的填圖工作[17].可見(jiàn)，這一時(shí)期歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的城市地質(zhì)工作取得了重大進(jìn)展： 首先，城市地質(zhì)工作內(nèi)容延伸到水土污染調(diào)查評(píng)價(jià)、地質(zhì)資源潛力及其開(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)、城市廢棄物的處置及應(yīng)用地球化學(xué)方法進(jìn)行污染治理等多個(gè)方面，體現(xiàn)了調(diào)查與治理的相結(jié)合； 其次，工作區(qū)域從單個(gè)城市擴(kuò)展到城市群地區(qū)，同時(shí)注重城市地質(zhì)為環(huán)境規(guī)劃和土地利用規(guī)劃服務(wù)，提高了成果的實(shí)用性； 再次，各種專(zhuān)業(yè)信息系統(tǒng)相繼建立，這一時(shí)期約有 300 個(gè)系統(tǒng)投入使用，以獲取和處理地質(zhì)、地理、地形和水資源信息。

　　20 世紀(jì) 70 年代末至 80 年代初，隨著水文地質(zhì)和巖土模型應(yīng)用的加強(qiáng)，使得定量描述和預(yù)測(cè)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地球圈層的影響成為可能，這一時(shí)期城市地質(zhì)工作的一大特點(diǎn)就是主題填圖從定性到定量的過(guò)渡。例如，荷蘭開(kāi)展了由土地開(kāi)墾造成的地面沉降的危害研究，并在一些城市地區(qū)開(kāi)展了侵蝕和沉積作用的影響研究[18].電子數(shù)據(jù)技術(shù)的采用帶動(dòng)了全新的主題填圖工作，從而使規(guī)劃者、決策者和工程師能夠比過(guò)去更加容易地獲取這些主題圖，并根據(jù)需要及時(shí)地提取有用信息。

　　主題圖的編制更多地采用了定量化指標(biāo)，并盡量簡(jiǎn)化了圖面內(nèi)容，使得非地質(zhì)專(zhuān)業(yè)的用戶(hù)更加容易地理解圖的信息[14].東南亞和太平洋地區(qū)從 20世紀(jì) 80 年代中期開(kāi)始，啟動(dòng)了城市地質(zhì)的研究工作。這項(xiàng)工作主要是在亞太經(jīng)社會(huì)委員會(huì)（ ES-CAP,United Nations） 的推動(dòng)下開(kāi)展的，到目前為止，已經(jīng)出版了 9 卷城市地質(zhì)文集，主要介紹了包括中國(guó)、孟加拉、斐濟(jì)、印度尼西亞、馬來(lái)西亞，尼泊爾、巴基斯坦、菲律賓、朝鮮、斯里蘭卡、泰國(guó)和越南在內(nèi)的國(guó)家專(zhuān)門(mén)的城市地質(zhì)研究和現(xiàn)狀報(bào)告。早在 70 年代，印度的 Calcutta 城市便開(kāi)展了城市地質(zhì)工作并出版了一系列的城市巖土研究報(bào)告。在非洲，除了多哥外，其他國(guó)家均未開(kāi)展過(guò)重大的城市地質(zhì)工作[19 -20].這一時(shí)期城市地質(zhì)工作的另一大特點(diǎn)是對(duì)地質(zhì)資源保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)。地下水資源研究從注重水量轉(zhuǎn)變?yōu)樗|(zhì)水量并重，解決含水層污染問(wèn)題從調(diào)查治理轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)防與治理相結(jié)合。地下水可供能力、地下含水層脆弱性評(píng)價(jià)研究與編圖作為對(duì)地下水資源進(jìn)行保護(hù)的重要措施得到高度重視，并成為 80 年代后期城市地質(zhì)工作的主題。80 年代末，美國(guó)、意大利、荷蘭、德國(guó)、瑞典、英國(guó)、捷克等國(guó)家相繼出版了 1∶ 1 萬(wàn) ~1∶ 100 萬(wàn)不同比例尺的地下水脆弱性圖，為政府官員、規(guī)劃者和管理者了解土地利用活動(dòng)與地下水污染之間的關(guān)系，識(shí)別地下水易于污染的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，制定地下水保護(hù)的方針政策和管理方案提供了依據(jù)[21].

　　20 世紀(jì) 90 年代至今，是國(guó)際城市地質(zhì)工作新的發(fā)展時(shí)期，保障人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)安全和促進(jìn)城市社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的城市地質(zhì)工作目標(biāo)進(jìn)一步明確，工作思路和工作方法也有所創(chuàng)新。

　　如 90 年代初期英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局啟動(dòng)了“倫敦計(jì)算機(jī)化地下與地表項(xiàng)目（ LOCUS） ”.該項(xiàng)目的目標(biāo)是繪制用于土地利用規(guī)劃、土木工程建設(shè)和解決地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的各種主題圖件。這項(xiàng)工作是基于包含 2 萬(wàn)多份鉆孔描述資料的數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)和具有強(qiáng)大功能的 GIS 與模型技術(shù)完成的。德國(guó)地質(zhì)調(diào)查局將工作重點(diǎn)由礦產(chǎn)勘查轉(zhuǎn)向環(huán)境調(diào)查研究，主要開(kāi)展了城市及其周?chē)貐^(qū)的環(huán)境地球化學(xué)調(diào)查、污染評(píng)價(jià)； 垃圾場(chǎng)污染的調(diào)查、評(píng)價(jià)及污染監(jiān)控、治理等環(huán)境地質(zhì)工作； 建立了城市行政機(jī)關(guān)、地質(zhì)調(diào)查所的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，并獲取廣泛的其他地學(xué)知識(shí)，為城市規(guī)劃建設(shè)和地下水利用服務(wù)。

　　2000 年，英國(guó)地質(zhì)調(diào)查局啟動(dòng)了“城市地球科學(xué)研究”項(xiàng)目，旨在為城市發(fā)展提供綜合的地質(zhì)信息。

　　該項(xiàng)目劃分為地表礦床特征、三維巖體特征和信息系統(tǒng)研發(fā) 3 類(lèi) 6 個(gè)主題研究子項(xiàng)目。2003 年，Quaternary International 編輯部出版了 《新西蘭和澳大利亞?wèn)|部城市與第四紀(jì)地質(zhì)》（ Urban andQuaternary Geology,New Zealand and Eastern Aus-tralia） 以及 《The Shaping of Sydney by Its UrbanGeo-logy》。報(bào)告論述了這些地區(qū)城市的地質(zhì)條件和面臨的問(wèn)題，闡述了城市地質(zhì)如何融入到城市規(guī)劃、土地利用、防災(zāi)減災(zāi)中，指出城市空間布局和發(fā)展戰(zhàn)略要適應(yīng)地質(zhì)資源和地質(zhì)環(huán)境條件[22].2008 年 8 月第 33 屆國(guó)際地質(zhì)大會(huì)在挪威奧斯陸召開(kāi)，大會(huì)的主題是“地球系統(tǒng)科學(xué)---可持續(xù)發(fā)展的基石”.此次大會(huì)關(guān)于城市地質(zhì)的內(nèi)容也很多，其中國(guó)外城市地質(zhì)成果介紹中最具代表性的為挪威國(guó)家地質(zhì)調(diào)查局在奧斯陸地區(qū)開(kāi)展城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容有 10 個(gè)方面： 氡災(zāi)害、地面沉降、城市土壤污染、地?zé)帷⑸暗V資源、地下水、礦產(chǎn)地質(zhì)、基底穩(wěn)定性與監(jiān)測(cè)、地質(zhì)教育等。

　　工作思路上在這一時(shí)期，一方面注重以整體觀(guān)點(diǎn)研究城市地質(zhì)問(wèn)題。城市地質(zhì)工作從解決比較簡(jiǎn)單的規(guī)劃建設(shè)問(wèn)題深入到解決更為復(fù)雜的區(qū)域整體開(kāi)發(fā)和決策問(wèn)題。如美國(guó)于 1991 年開(kāi)始實(shí)施水流域綜合保護(hù)計(jì)劃，將分散的水資源保護(hù)轉(zhuǎn)向使用水流域的研究，在統(tǒng)一的水文地質(zhì)單元內(nèi)共同解決水資源的可供能力、水資源污染和生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題，使管理者能夠從整個(gè)水流域全面地考慮影響水資源的各種作用[18].對(duì)于城市災(zāi)害，則注重對(duì)群發(fā)或誘發(fā)的.災(zāi)害系統(tǒng)研究，研究災(zāi)害的影響面、易損性和對(duì)災(zāi)害的反應(yīng)。近年來(lái)在國(guó)際地科聯(lián)環(huán)境規(guī)劃地質(zhì)科學(xué)委員會(huì)的倡導(dǎo)下，西方國(guó)家正著手建立反映地質(zhì)過(guò)程和地質(zhì)現(xiàn)象變化大小、頻率和趨向的地質(zhì)指標(biāo)體系，并將地質(zhì)指標(biāo)與城市的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境指標(biāo)結(jié)合起來(lái)，從整體來(lái)考慮城市的建設(shè)和發(fā)展。另一方面，實(shí)施全面保護(hù)城市地質(zhì)環(huán)境、超前服務(wù)于城市可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。這一戰(zhàn)略的確定正是對(duì)過(guò)去城市化過(guò)程中忽視環(huán)境、忽略地學(xué)信息，造成城市災(zāi)害頻發(fā)的后果做出的深刻反思。如美國(guó)在地下水污染治理方面位居世界前列，最近十幾年內(nèi)僅清理油滲漏造成的土壤和含水層污染的費(fèi)用就高達(dá)數(shù)千億美元。由于對(duì)復(fù)雜的水文地質(zhì)條件認(rèn)識(shí)不足，所采用的抽取 - 處理技術(shù)并未達(dá)到預(yù)期效果。

　　如今美國(guó)科學(xué)家和立法者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，最成功的污染治理戰(zhàn)略將是對(duì)土壤和地下水污染場(chǎng)地及其周?chē)貐^(qū)實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)管理戰(zhàn)略。類(lèi)似的如城市快速發(fā)展而防災(zāi)、減災(zāi)措施相對(duì)滯后導(dǎo)致的城市災(zāi)害影響面擴(kuò)大和易損性增強(qiáng)，已經(jīng)影響或制約了城市的可持續(xù)發(fā)展。為此，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估、水土污染風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、地下水可供能力、城市脆弱性評(píng)價(jià)以及建立環(huán)境變化的地質(zhì)指標(biāo)等作為對(duì)城市地質(zhì)環(huán)境實(shí)施保護(hù)的超前服務(wù)工作，成了 90 年代至今城市地質(zhì)工作的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

　　在技術(shù)方法上，多學(xué)科、多目標(biāo)、多種技術(shù)方法的交叉配合，提高了城市地質(zhì)工作的質(zhì)量和效率，增強(qiáng)了其解決實(shí)際問(wèn)題的能力。如利用探地雷達(dá)、高分辨率地震、層析成像等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行工程和地質(zhì)災(zāi)害勘察取得了顯著功效，尤其利用 GIS、RS、GPS 技術(shù)進(jìn)行城市地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治，采集多學(xué)科地學(xué)信息，建立 GIS平臺(tái)的地學(xué)信息空間數(shù)據(jù)庫(kù)和自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的決策支持系統(tǒng)，較好地滿(mǎn)足了城市地質(zhì)快速適應(yīng)城市發(fā)展的需求。