江淮地區城市地質調查研究
——以宿遷城市地質調查為例

李文博,許偉偉,金 洋,黃順生,馮麗敏

(1.江蘇省地質調查研究院,江蘇 南京 210018;2.自然資源部國土(耕地)生態監測與修復工程技術創新中心,江蘇 南京 210018)

0 引言

人口、資源和環境可持續發展,已成為21世紀全球關注的主題。隨著世界人口的增長和城市化進程的加快,與城市資源開發利用、環境保護、災害防治等有關的地質問題日益突出。因此,城市地質工作是城市可持續發展對資源、環境和地質信息的強烈需求[1-2],也是國家地質工作發展的新領域[3-4]。

城市地質學(Urban Geology)起源于20世紀初,發展于六七十年代,是伴隨著世界城市化進程而發展,在城市及其周邊地區或未來城市化地區的特定空間范圍內,將與地質有關的多學科應用到城市地區或潛在城市地區的一門綜合應用性的地質科學[5-10]。城市地質調查(Urban Geological Survey)以城市地質學為理論基礎[11-12],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各種地質要素所產生的影響,為城市規劃、建設和管理服務的一項基礎性、公益性地質工作[13-17]。

中國城市正處于迅速發展階段,城市化進程的速度達到同期世界城市化進程速度的兩倍,尤其是東部城市,獨特的區位優勢,發展更為迅速,從而加快帶來一系列人口、資源、環境問題,面臨著諸多影響經濟社會可持續發展的地質環境問題。根據國家地質工作部署,結合地方政府的迫切需求,21世紀初以來,中國地質調查局選擇我國東部環渤海、長江三角洲、珠江三角洲三大城市群中的北京、天津、上海、南京、杭州和廣州等代表性城市進行城市地質試點調查。江蘇省從試點調查之后至2021年,已完成全部13個設區市的城市地質調查工作。江淮地區的地質背景主要是受長江、淮河沖積形成的平原為主,海拔較低,水網交織,并且受地質構造和上升運動的影響,同時部分地區分布有多級階地、低山、崗地。該地區地質特點包括:分布有郯廬斷裂帶等多條斷裂裂隙,地下水位埋深淺,地熱梯度高,地熱水循環較好,土壤質地較為松散,但其膨脹性強,易形成板結,諸多特點決定了該區域城市地質調查的工作目標。

2018年5月,原江蘇省國土資源廳和宿遷市人民政府決定合作開展宿遷市城市地質調查工作,由江蘇省地質調查研究院承擔工作任務。通過近4年的努力,該項目于2022年順利完成最終驗收和資料匯交,取得了較為豐碩的地質成果,為宿遷城市建設和經濟發展做出了直接的貢獻。

1 宿遷城市概況

1.1 自然地理概況

宿遷位于江蘇省北部,西連全國交通樞紐的徐州市,東接中國八大港口之一的連云港市,交通便利,區域上屬于長三角經濟圈、東隴海產業帶、沿海經濟帶、沿江經濟帶的交叉輻射區,地理上屬徐淮黃泛平原腹地,地勢總體呈西北高、東南低的格局,最高點海拔高度73.0 m,最低點海拔高度2.8 m。宿遷市歷史悠久、文化繁榮,古稱下相、宿豫,京杭大運河穿境而過,北倚駱馬湖,南臨洪澤湖,自古是交通要道,交通十分便利。

1.2 地質背景

宿遷市位于華北陸塊南部與蘇魯造山帶結合部位,縱貫全區的郯廬斷裂帶是區內最為顯著的區域性構造。在不同巖石基底的基礎上,郯廬斷裂帶活動及其控制的新近紀以來的松散層沉積構成了區內雙層地質結構,其上廣泛分布的黃泛層沉積疊加塑造了工作區地質的基本面貌。區內前第四紀地層除白堊紀青山群、王氏群及新近紀宿遷組地層小面積出露外,其余均被第四系松散層覆蓋。

1.3 城市發展與地質資源、地質環境矛盾

宿遷市地處長三角經濟圈(帶)、東隴海產業帶、沿海經濟帶和沿江經濟帶的交叉輻射區。建市近20年多來,城市規模不斷擴大,基礎設施建設、固定資產投入大幅增長。在取得巨大發展成就的同時,宿遷市也面臨著地質資源保障與地質環境安全的迫切形勢。

宿遷市坐落在中國東部最重要的活動構造帶——郯廬斷裂帶上,構造活動與區域穩定性是當地政府與人民最為關心的地質環境問題。其他在重大基礎設施項目選址、地質災害預防與監控、地下資源分布狀況、地質資源開發利用、水土質量評價、生態環境預警預報監控等方面也對地質工作提出了更迫切的需求。由此可見,城市的可持續發展,迫切需要開展系統的地質工作為支撐。

2 宿遷城市地質調查工作

2.1 目的與任務

宿遷城市地質調查是以服務于宿遷城市可持續發展為宗旨,圍繞宿遷城市發展戰略和面臨的地質問題,在充分利用、整合已有地質成果基礎上,綜合運用現代地質調查手段,開展城市地質調查,為宿遷市國土資源規劃和可持續利用提供基礎資料,為宿遷城市規劃、建設和發展提供管理決策依據。主要是以調查研究地質環境與城市發展之間的相互作用和影響為主線,圍繞城市發展所面臨的地質資源與環境問題,綜合運用地質調查、鉆探、物探、化探和遙感等多種技術手段,開展多學科、多目標、多用途的城市三維地質綜合調查工作,查明宿遷市基礎地質、水文地質、工程地質、環境地質、土地資源、礦產資源分布等三維地質情況,為城市規劃布局和重大工程建設服務。

2.2 工作內容和技術路線

項目以研究城市化、工業化與地質環境的相互作用和影響為主線,以服務于宿遷市社會與經濟可持續發展為宗旨,緊密圍繞工作區城市規劃和面臨的地質需求,針對宿遷地質資源特征和地質環境問題,在充分利用已有資料和前人調查研究成果的基礎上,綜合運用區域地質調查、水工環地質調查、生態地球化學、遙感技術和地球物理勘查等有關的現代勘查和信息技術,適當補充部分野外地質勘查實物工作,開展城市地質調查和環境評價工作。

部署原則上,以當前城鎮建設對地質工作的需求為切入點,結合城鄉統籌發展空間布局、生態文明建設、農業現代化建設等地方規劃,有重點地部署各項工作;技術方法上,充分收集和利用已有資料、多學科多方法相互融合,調查與評價并舉;要注重調查成果的實用性,提高成果的社會和經濟效益。項目實施過程中堅持“系統展開,重點先行,資料整合,數字集成”十六字方針原則。

在各種勘查手段的部署上將根據調查任務需要、地形地貌以及所屬地質單元不同,在全面覆蓋、加密控制前提下,向城市規劃與建設核心區適當集中,靈活布置;本著經濟節約原則,加強各專題間信息溝通,做到一孔多用;采用點、線、面、體相結合,“以點帶線,以線成面,以面構體”的方法,在三維地質結構調查、綜合評價研究、三維可視化地質結構模型和數據管理系統的構建等方面相互聯系、彼此依托、互為促進開展城市地質調查工作。

根據項目總體目標、具體研究內容和各項調查研究工作的內在相互聯系,兼顧專業分類和總體平衡的原則,把本項目的主要任務分解為基礎地質三維結構調查、活動性構造調查與區域穩定性評價、水文地質調查與地下水資源科學利用、工程地質調查與地下空間資源開發評價等7個方面的專題開展相應的地質環境調查評價與綜合研究工作。

2.3 主要成果與重要意義

本文在綜合分析研究工作區及其周邊地區長期積累的地質資料和研究成果的基礎上,針對工作區內存在的主要地質資源環境問題,綜合運用地質調查、鉆探、物探、地球化學勘查以及原位實驗與分析測試等多種技術手段,系統開展了城市多學科、多要素的三維地質綜合調查。構建了城市地下三維地質結構模型,全面總結了工作區地質資源保障程度與地質環境約束因素,并緊密結合城市建設規劃,在三維地質結構、地質資源保障、地質環境安全、城市開發建設地質論證等方面取得了相應成果,主要體現在以下方面。

(1)構建了工作區松散沉積物三維結構模型。建立了工作區基底-松散層-淺表多層次、多尺度基礎地質結構和年代地層格架,揭示了工作區第四紀松散沉積物的空間展布特征,并開展了第四紀多重地層劃分與對比研究,編制了巖相古地理圖,恢復了第四紀以來重要時期的古地理環境,為水工環地質及城市規劃與設計等工作奠定了地質基礎。

(2)系統研究了工作區地下水層地質特征,構建了地下含水系統三維結構模型。利用收集和新打的鉆孔資料,從垂向上將工作區松散含水系統劃分為潛水、第Ⅰ承壓、第Ⅱ承壓、第Ⅲ承壓4個含水層次;空間上以郯廬斷裂帶東界為界,將工作區劃分為淮泗連平原(東部)和新沂-泗洪波狀平原(西部)兩個水文地質亞區,揭示了兩個水文地質亞區在賦存結構及富水性方面的差異;基于地下水平面與剖面分布特征,建立了工作區含水系統三維結構模型;同時,系統總結了各層地下水的水化學特征,為科學評價區內地下水資源奠定了基礎。

(3)開展了地熱資源調查評價,確立了資源開發利用潛力區。依據地質結構、水文地質條件、地熱地質條件與環境響應因素,淺層地熱能資源劃分為垂直地埋管開發利用適宜區、垂直地埋管開發利用較適宜區,除大型水體外,無垂直地埋管開發利用不適宜區。采用綜合指數法對宿遷水熱型地熱資源勘查條件進行了分區,良好區主要分布在郯廬斷裂帶內部,面積約483 km2。經資源量估算,整個工作區的地熱儲量折合標煤約1.5億噸,年地熱可利用熱量折合標煤達5萬噸。

(4)全面查明了工作區農用地土壤質量,為綠色生態農業建設發展提供了科學依據。綜合開展了農田土壤環境地球化學等級劃分、土壤地球化學質量等級評價和農田土壤養分元素質量分級評價,結果顯示,宿遷地區土壤質量總體優良,99.89%為清潔土壤,基本無污染。土地質量綜合評價結果顯示,優質土壤所占比例為45.65%,質量良好土壤等級所占比例50.62%,中等以下等級土壤占比不到3.8%。對現狀基本農田及一般耕地進行了環境質量評價,評價結果顯示,現有基本農田無重度污染的清潔地塊占99.94%;非基本農田一般耕地總量為181.78 km2,其中99.94%屬于無污染清潔地塊,可作為基本農田儲備用地。

(5)在對活動構造與區域地震規律分析研究的基礎上,結合地應力測試分析、區域深部地質結構研究,評價了區域地殼穩定性,認為總體以穩定區和次穩定區為主,次不穩定和不穩定區主要分布于郯廬斷裂帶內F5斷裂及其兩側影響區域內,呈條帶狀北東向分布,從防震減災角度提出了區域內開展工程建設時對活動性構造的防護與避讓建議。

(6)為保障地下水環境安全,評價了工作區淺層地下水防污性能,并在此基礎上參考各區域的敏感程度,將區內地下水環境防護級別分為重點防護區、次重點防護區、一般防護區,其中重點防護區分布最廣,主要位于工作區中部,面積約731 km2,并針對不同的防護級別提出不同的地下水監控保護措施。

(7)依據地質環境調查評價結果,以地下水環境、地質災害和可耕地土壤為主要監測對象,提出了地質環境監測網絡建設方案,為自然資源監測網絡的構建奠定了基礎,為更好地服務自然資源管理和生態文明建設提供了技術支撐。

3 認識與思考

在城市建設中堅持地質先行,不僅是一項查清城市資源環境家底的重要工作,也是為城市規劃、城市建設和管理提供科學依據的基礎性、先導性工作,對高起點、高標準推進城市建設具有非常重要的意義。本文在總結宿遷城市地質,以及過往完成的淮安、徐州、揚州、鎮江等地的城市地質工作基礎上,對我國江淮地區開展城市地質工作進行探討和思考。

3.1 必要性——現有的城市地質工作明顯滯后于城市發展,城市的可持續發展需要地質工作先行

城市地質工作的開展已成為科學規劃和合理開發利用城市地質環境空間和國土資源的重要手段,只有盡快、更好地完成城市地質調查工作,才能創造出良好的城市生存環境,促進城市的可持續發展,在發展中不造成各種隱患,使得城市地質環境安全有保證。

目前,我國東部平原城市經濟在高速發展,城市規模在不斷擴大,但是在城市的選址、規劃、建設以及地質環境安全等諸多方面,出現了與地質、地球物理和地球化學有關的問題亟需解決(例如:地質災害防治、城市抗震減災、城市信息化建設、可再生能源開發利用、城市資源與環境承載力研究),因此,迫切需要系統開展城市地質工作。

3.2 針對性——明確重點,有針對性地開展城市地質工作

在系統開展工作的基礎上,有針對性地部署工作,開設專題有的放矢、重點突出,力戒面面俱到。城市地質工作的目標任務多,綜合性強,在摸清地質資源與地質環境的基礎上,需要重點弄清城市規劃、建設和管理對地質信息的需求。建議緊緊抓住城市地質工作的關鍵和重點,按照其重要性具體部署和開展工作。

一是要抓關鍵,抓住決定城市生存的關鍵地質資源或地質環境問題:有的城市可能是數量性水資源短缺問題,有的城市可能是水質性水資源重短缺,有的城市可能是生態環境的保護,有的城市可能是港口資源的保護,有的城市可能是地質景觀的開發。例如,我國東部城市大都處于數量性缺水情況,其中北京、天津、上海等特大城市均屬于極度缺水城市,而珠江三角洲地區城市多處于數量性和水質性水資源雙重短缺。

二是突出重點,重點把握影響和制約城市規劃、建設和管理的主導地質因素。有的城市,地基的巖性結構可能是關鍵因素;有的城市,地貌地形可能是決定因素;有的城市,地質災害是壓倒一切的主要因素。例如,地面沉降是北京、上海、宿遷、無錫、常州、杭州、天津、廣州等東部大部分城市主要的地質災害,軟土層的分布和地下水資源的開采是其主要控制因素[18]。

3.3 實用性——集中攻關,提高地質成果的實用性

成果表達與應用,要緊扣城市建設、規劃和管理的需要。提高成果表達的實用性主要體現在3個方面:一是采用三維可視化表達方式,自動生成圖表、提供自動查詢服務;二是把專業成果轉化成城市規劃、土地利用規劃、地下空間規劃、城市承載力評價等可以直接利用的成果;三是編制專業性地質圖類、非專業性簡明地質圖類和概念性管理型地質圖類等3類圖件,滿足專業地質人員、城市建設規劃、工程設計、施工工程技術人員和政府決策者、管理部門工作人員需求。

3.4 理順關系,促進地質工作與城市建設的有機融合,最大程度發揮城市地質工作的作用

目前,城市地質工作的開展與成果應用在許多方面有待加強。不少城市的選址和規劃,缺乏事先的地質調查。即使已經進行了地質工作,成果往往也未能及時地被城市規劃部門所重視和應用。在一些地方,城市地質與城市建設仍然是“兩張皮”,這給城市建設帶來地質安全和生態環境的隱患,無謂地增加了城市建設的經濟投入。改變城市地質與城市建設“兩張皮”的現狀,促進城市地質與城市建設的有機融合,必須理順關系,解決認識、法規、體制、機構等一系列問題。

4 結語

隨著城市地質工作的不斷深入,目前該項工作形成了國家有政策、地方有需求、技術有保障、應用有前景、借鑒有經驗、資金有保障、組織有保證的優勢局面。因此,在我國江淮地區其他城市適時適地開展城市地質調查工作,利用已完成城市地質調查的成果,借鑒發達國家城市地質工作的成功經驗模式,結合江淮地區城市發展及地質需求,有條不紊地推進開展城市地質工作,可以更好地促進城市的可持續發展,以及人與自然的和諧發展。