徐州城市地質調查成果及其在城市建設中的應用

姜素等

摘? 要：徐州是江蘇第4個開展城市地質調查的城市，也是我省地質環境最脆弱的城市。依據徐州城市地質調查，查明了基巖地質、第四紀地質、水文地質、工程地質、巖溶地質、采空區等地質條件;摸清了地下水、地下空間、富硒耕地、山體等地質資源稟賦特征;探求了區域穩定性、巖溶塌陷、采空塌陷、土壤環境等地質問題誘發因素;基于城市建設需求，劃定了巖溶水水位控制紅線，提出構建采空區地下水庫和調整城市“三線”等對策建議，將城市地質信息系統融合徐州“智慧城市”建設之中，為城市規劃建設提供地質依據。

關鍵詞：城市地質調查;巖溶水水位紅線;采空區地下水庫;對策建議

中圖分類號：P5? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2018）04-0001-07

隨著城市化及城鄉一體化進程加快，地質環境問題對城市建設的影響日益突出，開展城市地質調查，解決城市地質問題已成為當務之急。城市地質調查與城市發展階段密切相關，早期主要開展工程建設地質條件調查，中期主要調查工程建設與地下空間利用條件、地質資源、水土環境、地質災害等，后期主要開展城市更新改造和運行管理的相關地質調查（林良俊等，2017）。2002年上海、北京、天津、廣州、杭州、南京等城市開展城市地質調查試點工作，圍繞城市發展規劃和建設急需，針對城市地下三維地質結構與空間資源、地質災害與空間安全、地表水土體環境質量以及城市發展環境承載力方面開展調查與評價，建立城市地質數據庫和城市信息管理、服務系統，為城市生活規劃建設提供基礎數據和可視化決策平臺，為企事業單位和社會公眾提供城市地質信息服務（馮小銘等，2003;金江軍等，2007）。如北京圍繞戰略性資源開展的地下水資源調查評價，其成果應用于解決北京應急供水，為緩解北京水資源緊缺起到了重要作用;上海利用地面沉降監測井網，結合GPS、InSAR、GIS和自動化監測技術，建立了地面沉降預警預報系統，為城市防災減災提供了重要資料（李烈榮等，2012）。

徐州城市地質調查項目以服務徐州社會與經濟可持續發展為宗旨，圍繞城市發展戰略和目前面臨的緊迫地質資源保障與地質環境安全問題，旨在透視地下——支撐淮海經濟區中心城市建設。項目系統查明了城市規劃區基巖地質、第四紀地質、水文地質、工程地質、巖溶地質、煤田地質條件，詳細論述了城市區域的土地、礦產、地下水、地下空間、山體和地質遺跡等資源稟賦，全面摸清了巖溶塌陷、采空塌陷和滑坡崩塌地質災害的空間分布規律及成因機制，查清了農田土壤質量及水土污染狀況;評價了地下空間開發的適宜性、地質災害的易發性及采空區穩定性，論證了煤礦采空區地下水庫應急供水的可行性;構建了基巖地質、第四紀地質、水文地質、工程地質的三維地質結構模型，建立了三維可視化城市地質信息管理與服務系統，提供快捷、高效和直觀的社會化地質信息服務。

1 徐州城市地質工作概況

徐州城市地質調查以城市規劃建設、重大工程建設、城市防災減災、生態環境保護及“智慧徐州”構建等對地質工作需求為先導，從基礎地質、地質資源、地質環境、綜合研究、信息系統等5方面部署了徐州城市地質調查工作，緊密圍繞徐州市面臨的或亟待解決的關鍵地質問題，即：地下水資源約束與應急供水保障、巖溶區地下工程風險與災害防控、采空區建設用地的適宜性與風險評價、塌陷地復墾土地質量與生態安全、城市地質信息系統的構建與智慧徐州融合（花修權等，2015），使徐州城市地質調查成果實現社會化服務。

徐州城市地質調查項目全面收集城市規劃區內的各類地質資料，收集利用地質鉆孔資料6.5萬個，完成地質鉆探216孔（鉆探總進尺1.2×104m），地球物理勘探線長度11×104m，地質剖面測量長度6×104m，土樣、水樣和巖樣采集1.6萬件，取得了豐富的數據資料。項目圍繞查條件、摸資源、探問題、找對策、建系統，提交了9個專題研究成果和5個專項成果（圖1）。

2 徐州城市地質基礎性成果

2.1 查明地質條件

（1）厘定巖石地層單位，重新編繪基巖地質圖系

在1/5萬區域地質調查的基礎上，依據《江蘇省巖石地層》及相關文獻，通過剖面測制、填圖、采樣分析，將前第四紀地層由34個組厘定為29個組，首次將區內新元古代劃分為南華紀和震旦紀，重新編制了地質圖、基巖地質圖及碳酸巖地層和煤系地層分布圖，構建基巖地質結構模型。

（2）細化第四紀地層劃分，推演古地理沉積環境

在《徐淮第四紀地質》劃分的基礎上，分不同地貌單元分析第四紀地層結構特征，研究了第四紀以來的巖相古地理變化，古河道展布、海侵、黃河古河道及決口泛濫區域，構建第四紀地質結構模型。首次在全新世地層中發現海相層，揭示湖西平原經歷全新世海侵。

（3）查明水文地質條件，重新圈定巖溶水源地

在1/5萬城市供水勘察的基礎上，查明不同類型地下含水層的空間分布特征，構建水文地質結構模型;以巖溶地下水分水嶺及地表水滲漏補給線構成的地下水分流線為邊界，重新圈定丁樓—茅村、七里溝、張集、利國、汴塘、青山泉、金山橋、三堡和漢王等9個具有相對獨立徑流特征的巖溶水水源地。

（4）厘定工程地質層序，建立工程地質層序標準

以地質年代為主，巖性及工程地質特征為輔，采用“層組—層序—亞層”三級分層方案，將土體劃分14個工程地質地層層組和36個工程地質層序;巖體劃分3類工程地質巖類、7亞類、17個巖體工程地質巖組。摸清主要工程地質層的空間分布特征，構建工程地質結構模型。

（5）系統總結巖溶空間規律，劃分巖溶發育程度

基于不同巖溶層組類型的溶蝕試驗，結合鉆孔遇洞率和線巖溶率，總結平面及垂向上巖溶發育規律，水平上巖溶受可溶巖地層和斷裂構造控制，呈NNE、NW條帶狀展布，交互區域最發育。垂向上60m以淺為強巖溶發育帶，60～120m為中等巖溶發育帶，120m以深為弱巖溶發育帶。馬家溝組、張夏組灰巖是最發育的巖溶層組。巖溶發育程度劃分為極強、強、中等和弱4個區，巖溶發育極強區主要分布在廢黃河斷裂帶內。

（6）分析煤礦開采史，查明煤礦采空區分布特征

全面摸清九里山、閘河、賈汪、馬坡和利國5個煤田煤礦開采歷史和現狀，按照巖石地層單位、煤層傾角、開采時間、開采深度、開采層數、開采方式劃分采空區類型，勾畫了采空區分布特征，構建采空區分布三維結構模型。

2.2 摸清地質資源稟賦特征

（1）構建巖溶水的數值模型，評價巖溶水資源

在獲取巖溶區水文地質參數的基礎上，概化含水層結構與邊界條件，將巖溶水概化為非均質各向異性的三維地下水流動模型。首次以避免巖溶塌陷為約束條件，采用FEFLOW軟件進行地下水的數值模擬，模擬計算得出9個巖溶水水源地，每年允許開采量為1.68×108m3。其中，張集水源地0.49×108m3、七里溝水源地0.39×108m3、丁樓—茅村水源地0.30×108m3。

（2）分析地下空間開發的制約條件，評價適宜性

依據《城鄉規劃工程地質勘察規范》，從地質角度判別制約地下空間開發利用的主要因素有：采空區穩定性、巖溶和地質災害發育程度、水文和巖土體特征等因子，進行了一層、二層地下開挖地質環境適宜性及0～15m、15～30m地下空間開發利用適宜性評價。評價結果表明城市規劃區地下開挖地質環境適宜性較好，較適宜區面積達2800km2，適宜性差的面積為326 km2。

（3）確定山體資源劃分原則，摸清山體資源分布及損毀狀況

依據“區域連續性、內部同一性、概念一致性、公眾認知性和區域稀缺性”原則，以高清遙感影像為基礎數據源，通過數字地形圖數據分析和遙感解譯，厘定徐州城市規劃區山體分布的空間特征，611山體的分布面積265.67km2，僅占國土面積的8.50%，因采礦損毀面積達25.73km2，占山體資源總面積的9.68%。

（4）查明土壤養分和重金屬分布特征，圈定富硒耕地資源

依據地球化學樣品分析，全面摸清養分元素空間分布受區域地質、地貌影響明顯，湖相沖積平原區為土壤氮高含量分布區，崗地地區含量偏低。土壤重金屬元素區域分布受地質地貌影響，局部受人為活動影響明顯;湖相沖積平原為土壤As、Cu、Zn高含量分布區，局部受采礦活動影響，如利國鐵礦開采區周邊土壤As、Cu 、Zn呈現點狀高異常。調查發現柳新、茅村、大吳、青山泉等地農田土壤硒含量達富硒土壤標準，面積約1萬hm2，土壤硒平均值0.30 mg/kg。

2.3 探求地質問題誘發因素

（1）概化巖溶塌陷地質及成因模式，評價易發性

徐州巖溶塌陷主要發生在城市中心區，塌陷受廢黃河斷裂帶控制、多發育于淺部巖溶強烈發育地段，集中分布在古河道和水位降落漏斗中心區內。巖溶塌陷發育的地質模式可概化為“單一透水型蓋層”和“透-阻型蓋層”（Cui Longyu et al，2017），巖溶水強徑流的天窗補給區、發育有向上開口的溶洞區是巖溶塌陷頻繁發生的內因，而超量開采巖溶水引起地下水位劇烈波動是巖溶塌陷的外部誘發因素（黃敬軍等，2017）。綜合考慮巖溶發育條件、覆蓋層條件、水動力條件，采用基于層次分析的模糊綜合評價法，進行巖溶塌陷易發性評價，易發區面積1360km2，其中，高易發區11.5km2，中易發區120.2km2，低易發區1228.3km2（武鑫等，2017）。

（2）摸清采空塌陷分布特征，評價采空區穩定性

采空塌陷也是徐州最嚴重的地質災害，尤其是采煤塌陷已成為全國的典型，主要分布在賈汪、九里、閘河、利國和馬坡煤田的煤礦區，采煤塌陷面積207.47km2，其中，長年積水或季節性積水的塌陷地135.07 km2。按照《煤礦采空區巖土工程勘察規范》，考慮采深采厚比、煤層傾角、開采方式、斷裂構造密度、開采層數、松散層厚度和終采時間等因子進行采空區穩定性評價，評價表明采空區穩定區80.8km2，基本穩定區35.7 km2，不穩定區23.2km2（張麗等，2017）。

（3）查明土壤環境、養分豐缺程度，評價了耕地質量

依據地球化學樣品資料評價表明：平原土壤偏堿性，崗地土壤偏酸性，土壤養分豐富，中等水平以上的面積比例超過80%。其中，氮（N）、磷（P）、鉀（K）、速效磷（SXP）、速效鉀（SXK）以豐富為主，堿解氮（JJN）、硼（B）、鉬（Mo）、錳（Mn）以較豐富為主。耕地質量地球化學調查發現除利國等鄉鎮局部地區存在砷、鎘、鉛等重金屬超標、古黃河沿岸農田土壤硼等養分偏缺外，其余廣大地區耕地土壤環境質量較好質量，99%的農田土壤重金屬元素含量為清潔或尚清潔（王玉軍等，2017）。

3 徐州城市地質成果應用

3.1 服務于城市防災減災

（1）鑒定斷裂活動特征，評價了區域地殼穩定性

在地殼活動與巖漿活動研究的基礎上，通過資料綜合分析、鉆探和物探等手段，對廢黃河斷裂、不老河斷裂、邵樓斷裂、班井斷裂、幕集-劉集斷裂5條斷裂的活動性進行了鑒定，研究表明，規劃區內主要斷裂在12萬年前已基本停止活動，目前處于相對穩定期。

（2）評價地質災害風險，構建防災減災體系

在摸清了地質災害分布特征的基礎上，基于地質災害孕災體（巖溶塌陷、采空塌陷和滑坡崩塌易發性）、致災體（交通干線密度、建筑密度、砂土液化、軟土觸變）和承災體（人口、工程建設），進行地質災害風險評價，建議地質災害高風險區（76.8km2）內優先實施工程治理，并把山腳以外30～50m范圍內逐步規劃為生態走廊。在完善地質災害群測群防體系的基礎上，建立地下水環境、地面形變監測網，提高城市公共安全應急保障能力。

3.2 服務于城市供水規劃

（1）以巖溶塌陷為約束，劃定巖溶水位控制紅線

隨著最嚴格水資源管理制度的實施，地下水管理由單純的開采量控制轉向開采量和水位“雙控制”的管理模式，水位控制直觀，有助于判識總量指標的合理性，而劃定水位控制紅線成為解決問題的關鍵。巖溶水位控制紅線是基于滲透變形機理，控制覆蓋層中的水力梯度小于土體自身的臨界水力梯度，不允許土體發生滲透變形。在分析七里溝、丁樓—茅村、張集等主要水源地巖溶水水文地質條件、覆蓋層特征、水位降落漏斗演變的基礎上，計算了各水源地的臨界水力梯度，劃定了的水位控制紅線，為地下水開采管理提供了依據。

（2）摸清采空區蓄水條件，構建采空區地下水庫

全面摸清旗山、韓橋、權臺、白集、大黃山、青山泉、九里山、垞城、龐莊、臥牛山、新河、義安、張集等14個煤礦采空區的儲水條件，儲水總量高達7583×104m3。從構建采空區地下水庫的庫址、庫容、水源與水質等基本條件著手，分析徐州周邊采空區地下水庫構建的可行性，遴選出7個煤礦采空區地下水庫可利用等級，其中新河、臥牛山、大黃山等為I級采空區地下水庫，儲水量超1000×104m3;韓橋、龐莊、權臺和青山泉礦等為II級采空區地下水庫，儲水量近4000×104m3。

3.3 服務于城市生態安全

（1）調整生態保護紅線，增加了地質遺跡保護區

依據城市地質調查成果，提出生態保護紅線調整建議。一是增加地質遺跡保護區，將區內全國罕見的一處具有觀賞價值、典型地質學意義的疊層石地質遺跡分布區劃入生態保護紅線，增加生態保護紅線區2.24 km2（一級管控區0.87km2、二級管控區1.37 km2）;二是調整地下水飲用水水源保護區，將巖溶水防污性能差或較差的易污染區和巖溶水補給區（裸露巖溶區和天窗補給區）劃入一級保護區，據此，地下水飲用水水源保護區由432.78 km2減至431.35 km2，減少1.43 km2，但一級保護區由14.74 km2增至58.00 km2，增加了43.26 km2。

（2）評價地下空間開發難度，提出優先利用方案

徐州屬于黃泛平原區，粉砂土分布廣泛，地下水埋藏淺，且巖溶發育。淺層地下空間資源開發的難度表明：南部平原區地質條件相對簡單，利于地下空間施工;廢黃河沿線巖溶發育、砂性土厚、富水性強，地下空間開發難度大，易產生流砂和巖溶塌陷問題;西部和東北部煤礦采空區，地下空間開發難度最大。結合區位條件、人口、交通、地價等社會經濟條件，進行地下空間資源綜合質量評價，提出優先開發15m以淺地下空間，但應避讓地下文化層、遠期開發15m以深地下空間、優先開發新城區等建議。

（3）評價疊層石地質遺跡，建設國家級地質公園

2013年批準建設的江蘇賈汪疊層石地質公園是區內唯一的省級地質公園，是全國罕見的一處具有觀賞價值、典型地質學意義的疊層石地質遺跡分布區，已成為賈汪旅游開發的名片。調查發現呂梁山具有賈汪疊層石省級地質公園不具備的賈園組、倪園組剖面與九頂山組等標準地層剖面，是研究新元古代海盆變遷保留唯一的地層剖面對比標準。從地質遺跡的科學性、美學性、科普性及可開發性等方面進行評價，結合旅游規劃，提出聯合申報國家級地質公園，使之成徐州旅游開發的品牌。

3.4 服務于城市規劃建設

（1）調整永久基本農田，開發利用富硒土壤資源

依據城市地質調查成果，從兩方面提出永久基本農田調整建議。一是基于耕地質量管控，確保農產品質量及生態安全，將土壤輕度—中度污染的永久基本農田圖斑調出，調出面積7.27 hm2;二是基于特色土地資源開發，提高農業生產經濟效益，將土壤富硒且養分豐富的非永久基本農田圖斑調入。可調入面積263.27 hm2，主要分布在柳新—拾屯—茅村—大吳—柳泉一帶。永久基本農田實際調整時，調入與調出面積保持一致。針對茅村、柳新等地調查發現的10000 hm2的富硒土壤，提出開發富硒特色農業、高效生態農業規劃建議。

（2）調整城市開發邊界，調出規劃強限制性區域

依據城市地質調查成果，基于總量平衡原則、完整性原則、一致性原則，分步進行城市開發邊界的調整。首先，確定影響徐州城市規劃建設主要的地質資源和地質環境，評價各要素對城市規劃建設的限制性等級。其次，進行城市規劃建設的限制性評價，對強限制因素和較強限制因素進行空間疊加，劃定強限制區和較強限制區。第三，依據評價結果進行城市開發邊界調整，將城市邊界線內強限制性的區域調出，將相鄰城市規劃建設適宜性好的區域調入，調出與調出面積相一致，拾屯采空區塊（22.26km2）、大黃山采空區塊（34.04km2）調出;漢王區塊（10.58km2）、棠張區塊（24.42km2）、徐莊區塊（21.62km2）調入（黃敬軍等，2018）。

（3）基于承載能力和狀態及壓力，構建指標體系

在分析徐州城市規劃區各類自然資源賦存及環境狀況的基礎上，從地質資源保障與地質環境安全角度出發，基于承載能力和狀態及壓力，構建了土地資源（建設用地、農用地）、地下水資源的資源承載力和地下水環境、土壤環境、地質環境的環境承載力評價指標體系及包含前述資源與環境的綜合承載力評價指標體系，并進行了建設用地、農用地、地下水資源、地下水環境、土壤環境、地質環境及綜合承載力評價，為徐州制定資源環境保護規劃和管理政策提供科學依據（黃敬軍等，2015）。

3.5 服務于智慧城市建設

（1）建立城市地質數據中心，豐富智慧徐州建設

建立了徐州城市地質數據中心，實現對所有信息的標準化存儲和集中管理。在地質結構人工智能交互建模、多源異構數據動態識別、多維關聯等方面取得創新性突破，實現了地質成果一張圖展示、城市地下三維透視、分析決策等功能，豐富了智慧徐州建設，為政府土地資源管理、地質環境保護和城市規劃建設管理決策提供技術支持。

（2）研發城市地質信息服務平臺，三維可視化地質結構

圍繞“資源”和“環境”兩大主題，研發了一個集地下空間、耕地、地下水、礦產及地質景觀資源管理和地質災害防治、區域地殼穩定性評價、水土環境保護等地質數據一體化管理及可視化展示的城市地質信息服務應用平臺，實現地質成果的信息化服務。應用GIS技術，構建城市地質三維分析評價子系統，系統開發高精度的多專題三維模型，通過三維可視化技術，使具有時空分布特征的地質數據得到直觀形象的展現，并為地質資源調查及地質環境調查提供基礎資料。

（3）建立信息共享平臺，支撐政府管理公眾查詢

城市信息共享平臺是基于地質數據中心，并服務于信息傳播的平臺，提供地質數據共享、地質信息數據的查看和調查成果宣傳及地學知識科普宣傳服務。共享平臺的總體模塊體系分新聞動態模塊、在線留言系統和地質數據成果發布模塊。地質數據成果發布模塊指針對各職能部門對系統專業分析成果應用需求，依據OGC服務標準將成果數據Web發布，實現成果數據部門共享。

4 結論

（1）徐州城市地質調查成果項目查明了基巖地質、第四紀地質、水文地質、工程地質、巖溶地質、采空區等地質條件，建立了基巖地質、第四紀地質、水文地質和工程地質4個結構模型;摸清了地下空間資源、地下水資源、山體資源、富硒耕地資源賦特征，評價了地下水資源量、地下空間開發適宜性、區域地殼穩定性、巖溶塌陷易發性和采空塌陷穩定性，是徐州建城以來系統性最強、內容最全、精度最高的地質調查成果。

（2）基于城市建設需求，徐州城市地質調查劃定了巖溶水水位紅線，提出“生態保護紅線”“永久基本農田”“城市開發邊界”等城市“三線”調整和構建采空區地下水庫的建議，為優化城市“三生”空間結構提供科學依據;建立的徐州城市地質調查信息系統，實現了地質成果一張圖展示、城市地下三維透視、分析決策等功能，實現地質成果的信息化服務和成果數據部門共享，豐富了智慧徐州建設，為政府國土資源管理、地質環境保護和城市規劃建設管理決策提供技術支持。

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