地球系統(tǒng)論視角下的我國城市地質(zhì)調(diào)查范式與實現(xiàn)路徑

陳建平　田毅

關(guān)鍵詞：地球系統(tǒng)科學(xué)論;文獻綜述法;后城市化;城市地質(zhì)調(diào)查范式

[第一作者簡介]

陳建平，1959年生，男，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）教授、博士生導(dǎo)師，俄羅斯自然科學(xué)院院士，俄羅斯工程院院士，中國地質(zhì)學(xué)會數(shù)學(xué)地質(zhì)與地學(xué)信息專業(yè)委員會主任，北京市國土資源信息研究開發(fā)重點實驗室主任。長期從事礦產(chǎn)勘查、城市地下空間資源定量評價與規(guī)劃、遙感與GIS技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作，主持完成各類科研項目100余項，獲部省級科技成果一等獎1項、二等獎3項、三等獎3項，擁有國家發(fā)明專利6項、軟件著作權(quán)19項，發(fā)表100余篇學(xué)術(shù)論文，出版10余部學(xué)術(shù)專著。E-mail：3s@cugb.edu.cn。

城市地質(zhì)資源與環(huán)境以地球圈層為載體，是影響城市居民生活和生產(chǎn)活動的各種自然（包括人工干預(yù)下形成的第二自然）力量（物質(zhì)和能量）及其作用的復(fù)合體，其對于城市的產(chǎn)生、發(fā)展甚至衰落等均有著巨大影響。通過全面、系統(tǒng)的城市地質(zhì)調(diào)查，摸清城市地質(zhì)資源與環(huán)境特征，可以明晰城市所處發(fā)展階段、城市中人與自然交互作用機理，為城市生態(tài)化建設(shè)及城市可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)（住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部城鄉(xiāng)規(guī)劃司等，2010）。自20世紀(jì)70年代起，受“新城市主義”“傳統(tǒng)鄰里發(fā)展”“公交主導(dǎo)”“緊湊發(fā)展”“精明增長”等新型城市發(fā)展觀影響，世界不少國家開始了后城市化時代的城市地質(zhì)資源與環(huán)境綜合調(diào)查探索，不少城市按照前瞻性、層次性、科學(xué)性原則，基于“臨近性”勝于“可達性”思路，開展生態(tài)城市視角下的城市地質(zhì)條件綜合調(diào)查，為立體、綜合的城市更新服務(wù)（Miyakeetal.，1993）。如瑞典斯德哥爾摩、法國巴黎、英國倫敦、日本東京、美國波士頓等城市通過城市地下空間資源調(diào)查與評價，探索利用其恒溫、恒濕、恒壓、穩(wěn)定等特性，拓展城市發(fā)展空間，節(jié)約土地、水、能源等資源，緩解熱島、霧霾、交通擁堵等新型城市災(zāi)害，進而實現(xiàn)城市居住、生活、生產(chǎn)平衡發(fā)展，城市生態(tài)環(huán)境大大改善。

與國外不同，我國城市化開始晚、發(fā)展快，加之多種地質(zhì)資源與環(huán)境高強度或不合理開發(fā)，使得我國很多城市環(huán)境具有高密度、高能量、多功能、變化快、不穩(wěn)定等特征。同時，受自然條件影響，我國已發(fā)展、可發(fā)展的大型、特大型城市主要集中在“胡煥庸線”以東地區(qū)，客觀要求我國多數(shù)城市只能依托其所在區(qū)地形、地貌、巖土、水資源條件等，兼顧季候風(fēng)、構(gòu)造斷裂影響，在探明城市地質(zhì)資源與環(huán)境特征基礎(chǔ)上，建設(shè)韌性城市，促進城市生態(tài)修復(fù)與環(huán)境改善（劉英群，2000）。因此，無論是從城市生態(tài)格局、效應(yīng)、服務(wù)功能，還是從城市生態(tài)安全看，地球系統(tǒng)理論支撐的城市地質(zhì)資源與環(huán)境調(diào)查始終是我國城市生態(tài)文明建設(shè)的根基。

為此，以北京、深圳、上海、青島、南京、成都、西安等城市為代表，我國自20世紀(jì)90年代就已經(jīng)開始了不同目的、不同尺度、不同要素的城市地質(zhì)調(diào)查，依托相關(guān)成果發(fā)展“數(shù)字城市”，促進城市生態(tài)文明建設(shè)工作，成效顯著（童林旭，2002）。例如：北京通過“海綿城市”建設(shè)，大力發(fā)展城市濕地公園，儲存夏季雨洪，不但有效減少了城市洪災(zāi)，還能很好地補給地下水、改善城市自然人文景觀，同時也有效降低了城市地面沉降、霧霾、熱島影響;深圳針對城市地勢東高西低、中心區(qū)花崗巖低丘臺地地貌明顯以及暴雨季造成水土流失的情況，通過城市河道疏通與自然景觀建設(shè)，很好解決了城市水土保持問題。

考慮到我國城市地質(zhì)綜合調(diào)查興起不久，本文力圖在梳理已有研究基礎(chǔ)上，從地球系統(tǒng)科學(xué)視角重新審視城市發(fā)展中的資源與環(huán)境問題，進而提出以“數(shù)字城市”為依托、以地下空間資源開發(fā)利用為重點的城市地質(zhì)調(diào)查新范式，為我國城市可持續(xù)發(fā)展提供決策參考。

1研究方法與過程

基于城市環(huán)境研究對象的復(fù)雜性與研究過程的系統(tǒng)性考量，本文以CNKI數(shù)據(jù)庫為平臺，以“城市生態(tài)”“地質(zhì)調(diào)查”為主題詞檢索該庫1981—2021年相關(guān)文章，并對檢索結(jié)果按學(xué)科領(lǐng)域篩選，概要歸納出城市地質(zhì)研究的重點與熱點。進而，以北京市中心城區(qū)為例，提出地球系統(tǒng)科學(xué)指導(dǎo)下的我國城市地質(zhì)調(diào)查新范式及時實現(xiàn)路徑建議。

研究過程：1）我國生態(tài)城市背景下的城市地質(zhì)調(diào)查發(fā)展歷史與現(xiàn)狀梳理。主要統(tǒng)計CNKI庫1981—2021年涉及“城市生態(tài)”“地質(zhì)調(diào)查”相關(guān)論文數(shù)量變化，明確我國生態(tài)城市背景下的城市地質(zhì)研究歷史與現(xiàn)狀。從研究趨勢看，我國此類研究始于20世紀(jì)80年代中期;20世紀(jì)90年代后，受工業(yè)化、城市化快速推進影響，相關(guān)研究逐步增多;進入21世紀(jì)后，隨著國家把生態(tài)文明建設(shè)納入中國特色社會主義事業(yè)總體戰(zhàn)略、國家4萬億經(jīng)濟振興計劃的推出，2008—2010年生態(tài)城市視角下的城市地質(zhì)研究進入第一個高峰期;此后增速趨緩，但總體仍呈增長態(tài)勢;2016年后，自然資源統(tǒng)一管理，國土空間規(guī)劃與生態(tài)修復(fù)不斷推進，相關(guān)工作又出現(xiàn)逐步加快趨勢。從研究重點看，分析1981—2021年2000余篇相關(guān)文獻關(guān)鍵詞可知，我國生態(tài)城市視角下的地質(zhì)調(diào)查研究呈百花齊放特點，先后有3500余個關(guān)鍵詞累計出現(xiàn)近9000次，出現(xiàn)頻數(shù)小于30次的關(guān)鍵詞約3100個，排名靠前的主要是生態(tài)格局、生態(tài)效應(yīng)、生態(tài)安全等詞匯。從研究領(lǐng)域看，雖然也有從工程巖土地質(zhì)、環(huán)境科學(xué)與資源利用、宏觀經(jīng)濟管理角度研究城市地質(zhì)資源與環(huán)境的，但從地球系統(tǒng)科學(xué)視角開展面向生態(tài)文明建設(shè)的城市地質(zhì)調(diào)查研究并不多見。2）地球系統(tǒng)理論支撐的城市地質(zhì)調(diào)查范式構(gòu)建與實現(xiàn)路徑研究。進一步分析國內(nèi)外生態(tài)城市相關(guān)地質(zhì)調(diào)查研究可知，與國外發(fā)達國家城市相比，我國此類研究仍有一定差距。隨著我國城市化不斷推進，針對城市發(fā)展中的現(xiàn)實問題，引入地球系統(tǒng)科學(xué)理論，開展城市地質(zhì)資源與地質(zhì)環(huán)境特征綜合調(diào)查，探索海綿城市、韌性城市、立體城市發(fā)展之路，是我國城市生態(tài)文明建設(shè)的必然。考慮到城市發(fā)展受自然、經(jīng)濟、人口、社會等因素影響，按照城市化程度可將一個城市發(fā)展分為萌芽起步、發(fā)展成熟、逐步衰退階段，不同階段要面臨的發(fā)展挑戰(zhàn)亦不同。因此，地球系統(tǒng)理論支撐的城市地質(zhì)調(diào)查范式構(gòu)建與實現(xiàn)路徑探索需要結(jié)合具體城市發(fā)展階段研判，明確城市的生態(tài)城市建設(shè)尺度與重點，進而提出地質(zhì)調(diào)查評價建議。

2研究結(jié)果

2.1研究區(qū)概況

本文以北京中心城區(qū)為研究區(qū)，開展地球系統(tǒng)理論支撐的城市地質(zhì)調(diào)查范式構(gòu)建與實現(xiàn)路徑研究。該區(qū)地處華北大平原北端京津冀經(jīng)濟帶內(nèi)，是我國重要的政治、經(jīng)濟、文化、社會中心。中心城區(qū)位于燕山山前北京小平原，地勢西北高東南低，總體地勢平坦;山前區(qū)海拔80～150m，其他區(qū)海拔20～60m，坡降小于1‰。因地處溫暖帶半濕潤大陸季風(fēng)帶，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，春季干旱多風(fēng)沙，加之近40年受城市快速發(fā)展影響，城區(qū)交通擁堵、地面過度硬化、人口集中、地下水超采，霧霾、雨洪、地面沉陷等城市災(zāi)害頻發(fā)，自然景觀大大減少、生態(tài)斑塊破碎，生態(tài)環(huán)境問題復(fù)雜，大大制約著北京可持續(xù)性發(fā)展。已有研究表明，無論如何發(fā)展，作為城市多個發(fā)展軸、帶與次級中心交匯區(qū)的中心城區(qū)始終是北京生態(tài)環(huán)境發(fā)展核心壓力區(qū)。探究該區(qū)地球系統(tǒng)理論支撐的城市地質(zhì)調(diào)查范式，對于北京及華北地區(qū)生態(tài)文明建設(shè)均有著重要意義。

2.2基于地球系統(tǒng)理論的城市地質(zhì)調(diào)查范式構(gòu)建

2.2.1城市發(fā)展階段研判

從北京城市起源與發(fā)展看，北京有3000余年建城史、1000余年建都史（于德源，2008）。目前，北京已經(jīng)度過了基于特定地質(zhì)資源與地質(zhì)環(huán)境開發(fā)利用的城市萌芽起步期與緩慢發(fā)展期，正按照集約、節(jié)約、緊湊、綠色的發(fā)展理念，進入了全面推進城市化進程的發(fā)展成熟期。受此影響，有序更新、節(jié)約資源、保護環(huán)境，是北京今后10～30年城市發(fā)展的重點。北京中心城區(qū)則需要在做好城市用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化與內(nèi)部挖潛的基礎(chǔ)上，以城市河流綠地空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化、生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施完善為重點，基于城市地質(zhì)綜合調(diào)查結(jié)果，大力發(fā)展海綿城市、韌性城市，實現(xiàn)城市地上與地下的協(xié)同開發(fā)，促進城市生態(tài)文明建設(shè)。

具體而言，根據(jù)《北京城市總體規(guī)劃（2016—2035年）》可知，2020—2030年是北京按照新城市主義理念實現(xiàn)“精明增長”型的城市更新，建成國際化、現(xiàn)代化的“生態(tài)城市”關(guān)鍵期。本著尊重歷史與現(xiàn)狀，協(xié)調(diào)資源與環(huán)境、地上與地下、城市與周邊發(fā)展的思路，該期北京生態(tài)城市建設(shè)需要重點考慮：1）地上要優(yōu)化不同用地功能單元的空間結(jié)構(gòu)、建設(shè)較開闊的生態(tài)隔離帶、交錯布局多種用地以及恢復(fù)城市自然河網(wǎng)水系，實現(xiàn)城市中心區(qū)的生活和就業(yè)單元混合、生態(tài)和生活用地平衡，控制城市蔓延，提升城市抵御自然災(zāi)害風(fēng)險的能力;2）地下要在已有“管線+民防+交通”發(fā)展模式基礎(chǔ)上，大力開發(fā)城市地下空間資源的承載功能（如地鐵、地下商場、地下管線等的建設(shè)）、容納功能（如地下水庫、油庫、圖書館等的建設(shè)）、生態(tài)功能（如污染過濾、空氣凈化、噪聲隔離設(shè)施等的建設(shè)）、能源功能（冬季地?zé)帷⑾募纠淠⒌責(zé)崂玫然A(chǔ)條件的建設(shè)），提升地下空間資源開發(fā)利用的層次與規(guī)模。基于以上兩方面的工作，開拓城市新的發(fā)展空間，釋放地表用地壓力，還藍(lán)天碧水給城市，從而徹底解決北京的多種城市病。

2.2.2城市建設(shè)尺度分析

基于上述研判，結(jié)合北京城市發(fā)展現(xiàn)狀可知，受多種因素影響，北京生態(tài)城市建設(shè)中面臨的典型城市病，很大程度上與該市地質(zhì)條件關(guān)系密切。平面上：1）受區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造與北東-南西向斷裂帶分布影響，北京中心城區(qū)城市尺度的用地格局在大尺度上條塊分布顯著;2）受北京小平原內(nèi)部多個第四系盆地結(jié)構(gòu)影響，區(qū)內(nèi)的街道尺度生態(tài)環(huán)境本底條件差異顯著;3）受地?zé)帷⒌叵滤⑸惩两Y(jié)構(gòu)、古河道分布及經(jīng)濟、社會、交通、區(qū)位等因素影響，區(qū)內(nèi)街區(qū)尺度的土地利用類型、強度各異，城區(qū)內(nèi)部具有多個生態(tài)環(huán)境高風(fēng)險區(qū)，局部災(zāi)害問題顯著。縱向上：該區(qū)地下物質(zhì)成分復(fù)雜，深部有不同類型巖石、次淺部有不同質(zhì)地與密度沙土及第四紀(jì)填充物、淺部或近地表有建筑殘留、垃圾及人類遺跡。加之這些地下物質(zhì)水化學(xué)差異明顯，不同區(qū)域的地下物質(zhì)有著明顯不同N、P、K構(gòu)成及不同pH值，會對城市居民生產(chǎn)、生活產(chǎn)生氣、味及心理影響。

基于上述分析可知，地球系統(tǒng)科學(xué)視角下的城市地質(zhì)調(diào)查應(yīng)重點針對街道尺度、街區(qū)尺度的海綿城市、韌性城市建設(shè)要求，系統(tǒng)調(diào)查地下淺部（0～-10m）、次淺（-10～-30m）、次深（-30～-50m）、深部（-50～-100 m）物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)特征，以地表沉降、巖土穩(wěn)定性弱、地下水過采與污染、斷裂構(gòu)造穩(wěn)定性弱等問題為驅(qū)動，評價城市資源環(huán)境特征。

2.2.3城市地質(zhì)資源與環(huán)境聯(lián)合效應(yīng)評價

現(xiàn)有的與城市生態(tài)環(huán)境問題相關(guān)的城市地質(zhì)調(diào)查研究多側(cè)重城市地表景觀格局與生態(tài)效應(yīng)影響研究、城市生態(tài)服務(wù)價值評價等（許力飛，2014;陳利頂?shù)龋?013;毛齊正等，2015）;而地球系統(tǒng)科學(xué)視角下的面向城市未來發(fā)展生態(tài)安全問題的城市地質(zhì)調(diào)查研究則還需要兼顧城市地下的工程與水文地質(zhì)工作，從城市平穩(wěn)發(fā)展與極端韌性發(fā)展兩方面，探索如何通過地質(zhì)調(diào)查評價，探究城市資源環(huán)境問題解決之道。在此，可引入“地質(zhì)場”理念（表1），根據(jù)這些問題的場論分析結(jié)果，開展城市地質(zhì)調(diào)查，獲得城市不同地質(zhì)資源環(huán)境場的成因、類型、規(guī)模、影響程度等信息，評價城市地質(zhì)資源環(huán)境聯(lián)合效應(yīng)，提出城市可持續(xù)發(fā)展建議（表2）。

具體調(diào)查評價時：1）對于城市生態(tài)系統(tǒng)格局與環(huán)境類問題，可使用樣帶分析法，研究城市化過程對景觀格局演變的影響;利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、元胞自動機、系統(tǒng)動力學(xué)模型等模擬城市景觀格局演變與城市形態(tài)擴展規(guī)律;利用最小累積阻力模型研究城市空間擴展約束因素與空間抑制機制（張亮，2018）。2）對于城市人居環(huán)境惡化、生態(tài)系統(tǒng)失衡類問題，可利用InVEST模型計算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)生物物理量和價值量，采用最小累計模型分析城市生物多樣性及城市生態(tài)服務(wù)價值及分區(qū)（吳蒙等，2013）;利用旅行成本法和條件價值法可評估城市非物質(zhì)生態(tài)價值（如旅游地質(zhì)資源價值），進行城市生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)決策，提出基于古河道恢復(fù)、城市濕地公園建設(shè)建議（李想等，2019）。3）對于城市生態(tài)安全分類問題，可引入輻射傳輸模型法、單窗方法、劈窗算法、灰色系統(tǒng)分析法等，研究熱島與相關(guān)因素關(guān)聯(lián)關(guān)系（Onishi et al.，2010;Papangelis et al.，2012;朱麗等，2019;黃煥春等，2019）;基于DPSIR模型、空間動態(tài)面板模型、主成分回歸法等構(gòu)建城市霧霾治理測度指數(shù)、提出治理方案（郭愛君等，2018;陳詩一等，2018;馬嫣然，2017）;采用歷史災(zāi)情法、模型模擬法研究雨洪災(zāi)害，提出治理建議（張會等，2019;焦士興等，2009;高珊等，2011）。

2.3城市地質(zhì)調(diào)查范式北京中心城區(qū)應(yīng)用探索

根據(jù)北京城市發(fā)展相關(guān)研究可知，預(yù)計2030年后隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、3D-GIS建模技術(shù)、地球深部探測技術(shù)、多介質(zhì)地下防滲漏防坍塌等技術(shù)全面推廣普及，北京將進入以“智慧城市”為依托的后城市化時代。受此影響，北京中心城區(qū)城市地質(zhì)調(diào)查工作應(yīng)突出“數(shù)字地球”支持，充分發(fā)揮城市地質(zhì)資源地質(zhì)環(huán)境優(yōu)勢，加大城市地上與地下一體式發(fā)展的調(diào)查與評價，形成基于地球系統(tǒng)理論的北京中心城區(qū)城市地質(zhì)綜合調(diào)查工作體系，為城市可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。具體可優(yōu)先開展以下幾方面工作：

1）城市基礎(chǔ)設(shè)施類的地質(zhì)調(diào)查與評價。選擇巖土工程結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定、地?zé)豳Y源豐富地區(qū)大力開展“地下城”建設(shè)相關(guān)的地質(zhì)調(diào)查與評價，如在北京奧運村、小湯山地區(qū)，根據(jù)地?zé)崂门c地下水資源保護協(xié)調(diào)利用的要求，綜合考慮地下勘察技術(shù)、盾構(gòu)掘進技術(shù)、地下工程襯砌自動控制技術(shù)等的優(yōu)缺點，優(yōu)化施工功法，把輸水、排（污）水、電力、煤（燃）氣、通信、供熱等多種基礎(chǔ)設(shè)施全部納入地下，解決壅塞、雨洪與熱島等問題。

2）城市老城更新類的地質(zhì)調(diào)查與評價。利用地下空間資源在文物保護中有防護性、抗震性、環(huán)境穩(wěn)定性與外界隔離性特點，在二環(huán)以里老城區(qū)進行文物保護與基礎(chǔ)設(shè)施更新、居民生活條件改善、旅游資源開發(fā)等協(xié)調(diào)規(guī)劃類的地質(zhì)調(diào)查與評價，探索如何發(fā)展地下文物儲藏中心、地下圖書館、地下車庫等，實現(xiàn)老城區(qū)全面保護與城市宜居水平的大幅度提升。

3）城市水資源約束破解的地質(zhì)調(diào)查與評價。在海淀區(qū)洼里地區(qū)、薊門橋元大都遺址公園、朝陽區(qū)奧森公園等地表低洼、砂黏土為主區(qū)，大力開展“海綿城市”相關(guān)的土壤地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查與評價，探索如何利用土壤過濾收集雨水，在洼里、蓮花池等地下水源補養(yǎng)地，通過地下水循環(huán)建立地下“水銀行”，按排、匯、滲、蓄、儲一條龍式方式緩解城市供水問題。

3結(jié)論與討論

綜合而言，隨著科學(xué)技術(shù)的進步和國家生態(tài)文明建設(shè)政策導(dǎo)向的影響，我國已進入生態(tài)城市快速發(fā)展期。本文結(jié)合北京中心城區(qū)實際情況，研究認(rèn)為我國城市地質(zhì)調(diào)查應(yīng)該以地球系統(tǒng)科學(xué)為基礎(chǔ)，針對城市典型生態(tài)環(huán)境問題，開展城市地上地下一體化的多維、多源、多要素的“地質(zhì)資源環(huán)境場”調(diào)查，以此為依托為海綿城市、共同溝、地下城建設(shè)等服務(wù)。這種調(diào)查是一種有效發(fā)揮城市地質(zhì)資源與地質(zhì)環(huán)境優(yōu)勢，體現(xiàn)后現(xiàn)代時代城市價值觀、環(huán)境觀、經(jīng)濟觀、制度觀、層次觀等的協(xié)同發(fā)展理念，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的城市地質(zhì)工作新范式。

考慮到城市地質(zhì)資源與環(huán)境構(gòu)成及演替的復(fù)雜性，這一范式應(yīng)用時需要兼顧一個城市的自然、經(jīng)濟、技術(shù)、人文條件，優(yōu)化實施方案，包括：1）調(diào)查范圍與單元的選擇應(yīng)結(jié)合目標(biāo)城市發(fā)展歷程、現(xiàn)狀、未來機遇與挑戰(zhàn)，選擇兼容構(gòu)造、巖土、景觀等不同特征的自然單元，結(jié)合區(qū)域資源環(huán)境綜合承載力分析結(jié)果，確定調(diào)查范圍，確保調(diào)查更有針對性;2）生態(tài)城市建設(shè)下的城市地質(zhì)調(diào)查范式所依托的關(guān)鍵技術(shù)選擇，要綜合考慮城市科技發(fā)展、地區(qū)經(jīng)濟實力、民眾可接受度進行方法集成，確保調(diào)查工作經(jīng)濟高效;3）調(diào)查內(nèi)容選擇要兼顧城市自然、市政、人防、交通、園林等多部門管理要求，統(tǒng)籌規(guī)劃、政策保障、經(jīng)濟引導(dǎo)，不超前也不明顯滯后。當(dāng)滿足上述幾條后，城市地質(zhì)工作就可以為我國城市分期、分批、分街區(qū)精細(xì)建設(shè)城市微生態(tài)系統(tǒng)，確保城市更新更科學(xué)、更經(jīng)濟、更合理，為全面落實城市生態(tài)文明戰(zhàn)略服務(wù)。