国外发达国家城市地质工作总结及其经验借鉴论文

引 言

　　人口、资源、环境与社会经济的协调发展是21 世纪的重大科学命题。城市作为人口和现代工业集中的地区，在国家建设和人类生存环境水平提高中发挥着巨大作用，城市化的快速发展促使自然环境发生巨变，城市和地质环境不断进行着相互作用。在过去的 30 多年中，随着中国经济的迅速发展，城市化进程迅速加快，社会和学术界对城市地质问题表现出前所未有的关心。我国进行比较系统的城市地质研究工作起步较晚，就其研究的广度和深度以及全面性而言，与国外发达国家相比尚有较大差距。因此，本文对国外发达国家开展的主要城市地质工作进行了总结，以期能切实反映出城市地质研究工作的现状和今后的发展趋势，从而为我国城市地质工作的开展提供参考和借鉴。

1 城市地质的内涵

　　 城市地质是地球科学的一个较新的分支，对城市地质的定义和内涵，目前仍在研究和探索之中，关于它是不是一门独立的学科，认识尚不统一。有的认为城市地质属于传统地质学的范畴，不是独立的学科，而是各种地质工作在城市和城市化地区的应用； 有的认为它是工程地质学的分支，应称为城市工程地质学； 有的认为它是环境地质学的分支，称为城市环境地质学。

　　通过综合诸家意见认为，城市地质已发展成为一门独立的分支科学，有着特定的任务和工作内容。其任务是应用地质科学的理论和方法，以城市地区的地质结构为主要研究对象，将所获得的地质资料和认识，应用于城市的规划、建设和管理，其实质是地质科学和地质学家直接参与城市的规划、建设和管理工作，为城市发展与控制提供可靠的科学依据。工作内容包括土地的合理利用、城市供水水源地的勘查和利用、区域地质环境安全性评价、城市矿产资源开发利用与论证、城市地质环境质量综合评价与环境保护以及城市地质环境监测等。

　　城市地质学整合了城市管理和发展中所需的一系列地球科学分支，因此它是地球科学中综合性最强的领域之一，涵盖了部分工程地质学、环境地质学及土地管理学等，除此之外还有传统的地层学、构造地质学、岩土力学、水文地质学等。因此，城市地质工作是在城市及其周围地区或潜在城市化地区的特定空间范围内，综合考虑各种地质要素，研究其对城市发展所提供的资源、所施加的约束条件以及城市发展对其产生的影响，为城市规划、建设和管理服务的地质工作[1].可见，城市地质作为一门应用性的地质学科，它并不是简单的其他地质学分支学科资料的堆积，而是需要针对具体的城市地质问题，进行分析评估和综合集成，并提出合理的解决办法。

2 国外研究进展

　　城市地质的主体工作是主题应用填图，为城市各类规划、建设和管理提供决策支持[2].国外最早的城市地质工作大约是在 20 世纪 20 年代末开展的，具有代表性的是德国绘制了用于城市规划的特殊土壤分布图[3].30 年代末，德国出版了标示着各种土地利用适宜性的 1∶ 10 000 和 1∶ 5 000的地质图，并用于 Bodenatlas 的城市扩建规划[4];第二次世界大战后，随着人口增长和经济复苏，城市地质工作日益频繁，特别是在欧洲和北美地区，如德国、捷克、斯洛伐克和荷兰等国家实施了系统的城市地质填图计划，主要是对城市地区土壤和岩石的自然属性进行填图，用于指导城市规划和建设[5],其中典型代表是 Prague 城市的1∶ 5 000地基填图，包含建设层地基岩土的物理力学参数等工程地质信息，并且该城市大量的数据和图件在不断地更新[6].这一时期，德国有十多个城市完成了土地利用主题填图[7].尽管这些图件在城市规划中发挥了重要作用，但总体来说其可读性较差； 图件及附注中包含了土壤自然属性和土地利用适宜性的信息，但多为定性描述，这主要是由于土工实验数据以及在原位或实验室条件下水文地质测试数据的有效性较低。

　　随着第二次世界大战后美国经济的高速增长以及其后的城市扩张，大量的地质工作者开始展开对城市地质的研究工作。例如，20 世纪 60 年代末至 70 年代，仅洛杉矶就有 150 多名地质学家在从事城市地质研究工作[8].同期，由于 Legget 的出版，地质数据在加拿大城市规划和管理中的应用取得了突破性进展[6,9].至此，工业化国家更加关注城市中自然环境的改变和大量废弃物造成的污染，废弃物处理场的选址成为城市地质工作者新的研究领域。应用地球化学解决废物污染问题迅速地成为一种发展趋势，最早在德国出现对土壤纳污潜力和污染容量极限的研究，生成“地质潜力图”来为城市规划服务[10],这套填图系统后来被其他许多国家应用。这一时期美国地质调查局绘制了许多城市地质图件[11 -12]; 许多欧洲国家也开展了一些特殊研究，包括寻求最合适的方法在城市化地区的图件上展现地质数据[13 -15].西班牙的许多城市地区开展了用于城市规划的 1∶ 25 000岩石土壤填图工作[16],初步查清了不同类型地表浅层 岩 土 的 分 布 范 围，如 在 马 德 里 开 展 了1∶ 400 000 到1∶ 100 000 的填图工作[17].可见，这一时期欧美发达国家的城市地质工作取得了重大进展： 首先，城市地质工作内容延伸到水土污染调查评价、地质资源潜力及其开发利用评价、城市废弃物的处置及应用地球化学方法进行污染治理等多个方面，体现了调查与治理的相结合； 其次，工作区域从单个城市扩展到城市群地区，同时注重城市地质为环境规划和土地利用规划服务，提高了成果的实用性； 再次，各种专业信息系统相继建立，这一时期约有 300 个系统投入使用，以获取和处理地质、地理、地形和水资源信息。

　　20 世纪 70 年代末至 80 年代初，随着水文地质和岩土模型应用的加强，使得定量描述和预测人类活动对地球圈层的影响成为可能，这一时期城市地质工作的一大特点就是主题填图从定性到定量的过渡。例如，荷兰开展了由土地开垦造成的地面沉降的危害研究，并在一些城市地区开展了侵蚀和沉积作用的影响研究[18].电子数据技术的采用带动了全新的主题填图工作，从而使规划者、决策者和工程师能够比过去更加容易地获取这些主题图，并根据需要及时地提取有用信息。

　　主题图的编制更多地采用了定量化指标，并尽量简化了图面内容，使得非地质专业的用户更加容易地理解图的信息[14].东南亚和太平洋地区从 20世纪 80 年代中期开始，启动了城市地质的研究工作。这项工作主要是在亚太经社会委员会（ ES-CAP,United Nations） 的推动下开展的，到目前为止，已经出版了 9 卷城市地质文集，主要介绍了包括中国、孟加拉、斐济、印度尼西亚、马来西亚，尼泊尔、巴基斯坦、菲律宾、朝鲜、斯里兰卡、泰国和越南在内的国家专门的城市地质研究和现状报告。早在 70 年代，印度的 Calcutta 城市便开展了城市地质工作并出版了一系列的城市岩土研究报告。在非洲，除了多哥外，其他国家均未开展过重大的城市地质工作[19 -20].这一时期城市地质工作的另一大特点是对地质资源保护意识的增强。地下水资源研究从注重水量转变为水质水量并重，解决含水层污染问题从调查治理转变为预防与治理相结合。地下水可供能力、地下含水层脆弱性评价研究与编图作为对地下水资源进行保护的重要措施得到高度重视，并成为 80 年代后期城市地质工作的主题。80 年代末，美国、意大利、荷兰、德国、瑞典、英国、捷克等国家相继出版了 1∶ 1 万 ~1∶ 100 万不同比例尺的地下水脆弱性图，为政府官员、规划者和管理者了解土地利用活动与地下水污染之间的关系，识别地下水易于污染的高风险区，制定地下水保护的方针政策和管理方案提供了依据[21].

　　20 世纪 90 年代至今，是国际城市地质工作新的发展时期，保障人类生命财产安全和促进城市社会、经济、环境可持续发展的城市地质工作目标进一步明确，工作思路和工作方法也有所创新。

　　如 90 年代初期英国地质调查局启动了“伦敦计算机化地下与地表项目（ LOCUS） ”.该项目的目标是绘制用于土地利用规划、土木工程建设和解决地质环境问题的各种主题图件。这项工作是基于包含 2 万多份钻孔描述资料的数字化数据库和具有强大功能的 GIS 与模型技术完成的。德国地质调查局将工作重点由矿产勘查转向环境调查研究，主要开展了城市及其周围地区的环境地球化学调查、污染评价； 垃圾场污染的调查、评价及污染监控、治理等环境地质工作； 建立了城市行政机关、地质调查所的综合数据库，并获取广泛的其他地学知识，为城市规划建设和地下水利用服务。

　　2000 年，英国地质调查局启动了“城市地球科学研究”项目，旨在为城市发展提供综合的地质信息。

　　该项目划分为地表矿床特征、三维岩体特征和信息系统研发 3 类 6 个主题研究子项目。2003 年，Quaternary International 编辑部出版了 《新西兰和澳大利亚东部城市与第四纪地质》（ Urban andQuaternary Geology,New Zealand and Eastern Aus-tralia） 以及 《The Shaping of Sydney by Its UrbanGeo-logy》。报告论述了这些地区城市的地质条件和面临的问题，阐述了城市地质如何融入到城市规划、土地利用、防灾减灾中，指出城市空间布局和发展战略要适应地质资源和地质环境条件[22].2008 年 8 月第 33 届国际地质大会在挪威奥斯陆召开，大会的主题是“地球系统科学---可持续发展的基石”.此次大会关于城市地质的内容也很多，其中国外城市地质成果介绍中最具代表性的为挪威国家地质调查局在奥斯陆地区开展城市地质调查项目，项目主要研究内容有 10 个方面： 氡灾害、地面沉降、城市土壤污染、地热、砂矿资源、地下水、矿产地质、基底稳定性与监测、地质教育等。

　　工作思路上在这一时期，一方面注重以整体观点研究城市地质问题。城市地质工作从解决比较简单的规划建设问题深入到解决更为复杂的区域整体开发和决策问题。如美国于 1991 年开始实施水流域综合保护计划，将分散的水资源保护转向使用水流域的研究，在统一的水文地质单元内共同解决水资源的可供能力、水资源污染和生态环境恶化问题，使管理者能够从整个水流域全面地考虑影响水资源的各种作用[18].对于城市灾害，则注重对群发或诱发的.灾害系统研究，研究灾害的影响面、易损性和对灾害的反应。近年来在国际地科联环境规划地质科学委员会的倡导下，西方国家正着手建立反映地质过程和地质现象变化大小、频率和趋向的地质指标体系，并将地质指标与城市的经济、社会、环境指标结合起来，从整体来考虑城市的建设和发展。另一方面，实施全面保护城市地质环境、超前服务于城市可持续发展的战略。这一战略的确定正是对过去城市化过程中忽视环境、忽略地学信息，造成城市灾害频发的后果做出的深刻反思。如美国在地下水污染治理方面位居世界前列，最近十几年内仅清理油渗漏造成的土壤和含水层污染的费用就高达数千亿美元。由于对复杂的水文地质条件认识不足，所采用的抽取 - 处理技术并未达到预期效果。

　　如今美国科学家和立法者已经认识到，最成功的污染治理战略将是对土壤和地下水污染场地及其周围地区实施风险管理战略。类似的如城市快速发展而防灾、减灾措施相对滞后导致的城市灾害影响面扩大和易损性增强，已经影响或制约了城市的可持续发展。为此，地质灾害风险性评估、水土污染风险识别、地下水可供能力、城市脆弱性评价以及建立环境变化的地质指标等作为对城市地质环境实施保护的超前服务工作，成了 90 年代至今城市地质工作的重点和热点。

　　在技术方法上，多学科、多目标、多种技术方法的交叉配合，提高了城市地质工作的质量和效率，增强了其解决实际问题的能力。如利用探地雷达、高分辨率地震、层析成像等先进技术进行工程和地质灾害勘察取得了显着功效，尤其利用 GIS、RS、GPS 技术进行城市地质调查、地质灾害监测与防治，采集多学科地学信息，建立 GIS平台的地学信息空间数据库和自然灾害风险评估的决策支持系统，较好地满足了城市地质快速适应城市发展的需求。