江蘇徐州城市地質調查需求分析及關鍵問題

花修權，黃敬軍，魏永耀，繆世賢，徐士銀，姜 素，張 麗

(1.徐州市國土資源局，江蘇 徐州 221006;2.國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇 南京210018;3.江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210018)

0 引言

城市地質調查工作就是在城市及周邊地區或未來城市化地區的特定空間范圍內，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、建設和管理服務的地質工作(李友枝等，2003)。國外城市地質工作起源于20世紀20年代末期，到60年代末至70年代，歐美發達國家的城市地質工作取得了重大進展，如美國《加利福尼亞州城市地質總體規劃》、《舊金山灣地區土地潛力分析》、德國《下薩克森州和不萊梅市自然環境潛力地質科學圖系(1∶20萬)》、英國的《倫敦計算機化地下與地表地質(LOCUS)》等成果，工作內容涵蓋了廢棄物處置、水土污染防治、地質災害風險性評估、地下水脆弱性評價、多目標地球化學、生態地質調查等多種內容的綜合調查研究，直接為城市的規劃管理服務。

我國的城市地質工作開始于20世紀80年代，2002年后，上海、北京、天津、廣州、杭州、南京等城市陸續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)。

徐州是江蘇省重點規劃建設的三大都市圈(南京、蘇錫常、徐州都市圈)之一，是江蘇地質環境最復雜的地區，巖溶塌陷、采空塌陷地質災害和區域穩定性問題已影響徐州經濟社會的可持續發展。開展徐州城市地質調查工作，其目的是查明徐州城市地質環境條件和地質資源狀況，搭建城市三維地質結構模型和地質信息平臺，為徐州城市發展規劃、資源可持續利用和城市可持續發展提供系統的地質資料和技術保障。

1 城市發展對地質調查的需求分析

1.1 城市規劃建設對地質調查的需求

根據《徐州城市總體規劃(2007—2020)》，徐州將以老城區和徐州新區“雙心”為核心，銅山、利國、賈汪、大許、雙溝、鄭集為6個重點發展組團及柳新鎮、青山泉鎮、汴塘鎮、大吳鎮、茅村鎮、大彭鎮、漢王鎮、三堡鎮、棠張鎮、張集鎮10個鎮適度發展的“眾星拱月”的大都市空間結構，7條軌道交通成為連結主城區與外圍組團間的快速通道。顯然，如此巨大城市規劃建設，都應以城市的自然地理及地質環境條件為依據。只有精確的、最新的地學信息支持，才能以可持續的方式利用土地和資源，才能有針對性地開展城市規劃建設。首先，在徐州城市的布局規劃、主導產業選擇、農業區劃和市政建設規劃過程中，均需要地質資源(礦產資源、地下水資源、土地資源、地下空間資源等)作為支撐與優化，城市人口集中、工礦業集中，城市經濟與社會的可持續發展需要有足夠礦產資源、能源、水資源(莊育勛等，2003)，也需要地質環境安全(區域地殼穩定性、巖溶塌陷、采空塌陷、水土污染)等數據資料作保障。其次，徐州正處于由城市自由形成與發展的歷史階段轉變為城市依靠地學在內的自然和社會科學進行科學規劃與管理，實現可持續發展的大規模建設和快速發展的重要歷史轉折時期，在查明城市礦產資源、能源、水資源狀況及變化趨勢的基礎上，科學合理地進行城市的規劃。

1.2 重大工程建設對地質調查的需求

近幾年，城市重大工程建設引發安全事故的報道不斷，僅因地鐵施工導致的路面沉陷坍塌事故就在北京、上海、廣州、青島、沈陽、大連、杭州、深圳、南京、西安、鄭州、南昌等多個城市發生，對地質條件認識不清是主要因素。依據《徐州市城市軌道交通近期建設規劃(2013—2020)》，徐州近期規劃建設的3條地鐵線的一期工程，線路總長67 km，其中地下段60.6 km，地鐵沿線不僅地質構造復雜，而且經過的區域多數為隱伏巖溶區和煤礦采空區，是巖溶塌陷、采空塌陷地質災害高易發區。因此，迫切需要從地學角度論證巖溶地質環境和煤礦采空區對地鐵建設的影響及地鐵建設可能誘發或加劇的環境地質問題，為軌道交通的安全建設及運行提供科學依據。同樣，即將上馬或正在建設的觀音機場擴建、鄭徐客運專線鐵路、徐賈快速通道南延段、三環高架等重大工程建設項目，除經過隱伏巖溶區和采煤塌陷區外，還穿越活動性斷裂帶及廢黃河所形成的軟土及粉細砂層分布區，由此涉及到區域穩定性、砂土液化、地基不均勻沉降及巖溶塌陷、采空塌陷等地質災害與環境地質問題。針對上述具體問題，都必須在查明地質環境問題狀況及變化趨勢的基礎上做出科學評價，為每一項重大工程的勘察、設計、施工提供服務和技術參考。

1.3 城市防災減災對地質調查的需求

隨著城市化建設進程的不斷加快，城市建設在單位土地上的集聚程度比以往任何時候都高，如果發生災害將產生明顯的放大效應。徐州自1986年發生巖溶塌陷地質災害以來相繼發生了18起，不僅直接威脅周圍建筑物、重大工程及人民群眾的安全，而且給社會穩定造成了不良影響。雖然1996年開展巖溶塌陷地質災害勘查工作，初步查明塌陷發生、發展和分布規律，但由于勘查工作區僅局限于老城區270 km2，而徐州城市規劃區內有隱伏巖溶分布區1 800多km2，已有的成果難以為徐州城市規劃建設提供系統的巖溶地質信息。徐州是全國重要煤炭能源基地之一，經過130多年的開采，地表已形成170 km2的采煤塌陷地，城市化使過去處在郊野的采煤塌陷地已進入城市區域。雖然，針對采煤塌陷地進行了大規模的土地復墾和地質災害治理，實施了如銅山柳新、賈汪南湖和商湖等高效農業復墾示范工程，但徐州城市規劃區的賈汪、九里、閘河和利國4大煤田分布區域近700 km2，由于采煤歷史悠久及鄉鎮小煤窯的盲目開發利用，對地下采空區分布狀況、塌陷災害現狀及發展趨勢等迫切需要解決的問題難以提供確切的數據資料。顯然，現有的巖溶地質和采空區調查成果資料已無法滿足城市防災減災對地質調查的需求。

1.4 生態環境保護對地質調查的需求

能源產業、裝備制造業、冶金業、建材業、煤鹽化工業和食品及農副產品加工業是徐州市6大千億元主導工業產業，煤炭采掘業對生態環境的破壞眾所周知，其他生產加工業也對地下水及土壤環境造成污染隱患，另外大量的工礦廢棄地的復墾利用亟需查明地下水及土壤的污染狀況及成因。因此，生態環境保護壓力很大。煤炭聚集地及其他生產加工企業附近的耕地質量該如何保障、現代化農業發展該如何科學布局、城市規劃該如何趨利避害等，都需要土壤地球化學調查評價方面的科學證據。顯然，目前僅有的1∶25萬土壤地球化學調查成果已不能滿足城市環境保護、生態農業發展以及耕地保護方面的需要，缺少重要地區1∶5萬土壤環境地球化學調查系統資料，缺少針對生態市建設重點工程等特殊地區的系統環境地球化學調查資料，面對新一輪的生態環境保護要求，難以提出有效的對策建議。因此，查清徐州地區的水土環境質量，評價污染程度，研究地表水－土－氣－生元素分布與循環規律，全面掌握各種環境現狀及其對整體環境的影響，方能滿足生態環境保護的精細化要求。

1.5 “智慧徐州”對地質信息的需求

2007年建成的“數字徐州”使國土資源部門依托共享平臺與數字徐州地理空間框架數據，建成基于GIS的國土資源電子政務平臺，實現了全市國土資源批供用補查“一張圖”和“礦地一體化”管理。疊加城市地形地貌、宗地分布、地價等專題數據，整合公共服務平臺中的基礎地理、礦產資源利用、土地調查等成果。“數字徐州”已廣泛應用于城管、地稅、水務、規劃、軍隊等20多個部門，城管部門建立了數字化城市管理系統，通過與數字徐州公共平臺資源整合，實現了數字化城市管理的全覆蓋;水務部門建立了城市供排水管理地理信息系統，將水源、管網、用戶的地理位置與屬性信息相結合，對排水、供水、污水處理實時監控。但是，徐州市地質信息數字化明顯落后于其他基礎信息，不同時期、不同單位完成的地質調查成果的分散保存和管理，以及缺乏資料信息共享、綜合利用的機制和手段，使寶貴的地質資料信息無法發揮其真正的價值。

為豐富地理信息資源，拓展“數字徐州”成果應用，徐州市作為“智慧城市”試點城市，推進跨部門、跨縣區信息采集、交換、管理和應用，迫切需要將“徐州城市地質基礎信息平臺”納入其中，實現城市地質數據資料存儲管理、綜合分析、三維可視化與信息共享服務等功能，使已有勘查成果實現社會化服務，促進城市管理科學化、精細化，全力建設人口、產業、空間、土地、環境、社會生活和公共服務等領域智能化管理為目標的全新城市形態。

2 城市地質調查內容

徐州城市地質調查工作依據城市的地質問題和社會經濟發展的需求而定，即以“地質資源保障與地質環境安全”兩大重點部署地質調查工作，從基礎地質、地質資源、地質環境、綜合研究、信息系統這5個層面上展開，設置地質結構調查與區域穩定性評價、地下水資源調查與應急水源地評價、地下空間資源調查與開發適宜性評價、地質景觀資源調查與地質公園規劃、巖溶地質調查與巖溶塌陷防治、地下采空區調查與工程建設風險評價、水土環境調查與生態安全評價、資源環境承載力綜合評價及城市地質信息管理與服務系統建設9個專題研究(圖1)。

2.1 地質結構調查與區域穩定性評價

圍繞基巖地質、第四紀地質及區域穩定性等方面開展調查，查明基底及第四紀松散沉積物的地層巖性及空間分布特征，查明活動性斷裂的類型、活動強度及空間展布，查明隱伏巖溶區上覆古河道分布及所形成砂土的展布特征。在以往第四紀地質研究基礎上，建立第四系結構與第四紀沉積環境演化模式，構建三維地質結構模型。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。

2.2 地下水資源調查與應急水源地評價

圍繞水資源應急保障及誘發巖溶塌陷的水動力條件展開調查工作，查明擬作為應急供水的水源地的水文地質條件、資源賦存狀況，查明隱伏巖溶區巖溶水的補徑排條件。從地下水系統的角度建立三維水文地質結構模型，進行地下水資源評價，研究煤礦礦坑排水及塌陷對水文地質條件、地下水流場、水質的影響，結合城市供水規劃進行地下水應急水源地評價。

2.3 地下空間資源調查與開發適宜性評價

圍繞地下空間開發適宜性展開調查工作，查明地下50 m內的工程地質條件，查明軟土、砂土、巖溶、采空區等不良工程地質層的空間分布特征，構建三維工程地質結構模型。從城市建設角度評價工程建設適宜性，分層次進行地下空間資源開發適宜性評價，提出地下空間資源開發利用規劃建議。

圖1 徐州城市地質調查工作內容與專題設置結構圖Fig.1 Structure diagram showing work content and project setting during the urban geological survey in Xuzhou

2.4 地質景觀資源調查與地質公園規劃

圍繞地質遺跡及山體資源展開調查，查明地質景觀資源的分布、類型、規模與景觀特征、保存與保護現狀，查明采礦等人類工程活動對地質景觀資源的破壞程度，從地質景觀資源的科學性、美學性、科普性及可開發性等方面進行地質景觀資源評價。結合旅游規劃，進行地質公園建設可行性評價。

2.5 巖溶地質調查與巖溶塌陷防治

圍繞巖溶塌陷誘發的3大要素展開調查，查明巖溶發育特征及巖溶塌陷現狀、上覆第四紀土層結構特征、巖溶水開采及水位演變特征，研究巖溶塌陷與巖溶發育程度、上覆土層巖性、巖溶水水位之間的關系。進行巖溶塌陷易發性評價，結合城市發展規劃，提出巖溶塌陷地質災害防治對策建議。

2.6 地下采空區調查與工程建設風險評價

圍繞賈汪、九里、閘河及利國煤田展開調查工作，查明煤礦采空區的空間分布特征、采空塌陷時空演變及其危害，構建采空區三維地質結構模型。在采空區穩定性分析的基礎上進行采空塌陷風險性評價，提出采空塌陷地質災害防治對策建議。

2.7 水土環境調查與生態安全評價

圍繞地下水及土壤環境展開調查，查明土壤、淺層地下水地球化學特征及存在的主要環境地球化學問題。以農田生態地球化學調查數據為基礎，開展耕地質量地球化學評價及重要農業規劃區水土環境適宜性區劃評價，為水土污染防治、耕地質量管護、特色生態農業發展提供技術支撐和科學依據。

2.8 資源環境承載力綜合評價

系統分析城市資源稟賦與環境本底，進行資源環境承載力綜合評價研究和探索。資源環境承載力綜合評價是以相關資源、環境要素為主要限制因素，確定地質資源、環境承載能力綜合評價對象，建立資源環境承載力評價指標體系與評價方法，在土地資源、水資源、礦產資源、水土污染、地質環境等單要素承載力基礎上，開展資源環境承載力綜合評價。從地質資源環境承載能力角度，結合徐州城市規劃區經濟社會發展現狀與趨勢，提出國土資源優化配置對策建議。

2.9 城市地質信息管理與服務系統建設

利用GIS的三維空間建模技術和大型數據庫技術實現對所有信息的標準化存儲，集中管理，同時基于海量數據庫開發地質信息的開發應用平臺，進而通過硬件配套建立三維城市地質信息管理與服務系統。采用系統工程、面向對象軟件工程、原型法等設計思想和設計方法，以先進性、實用性、安全可靠性、開放性、易維護性及可擴展性等為開發原則，實現系統的標準化、可視化、網絡化、集成化。

3 城市地質調查中的關鍵問題

3.1 地下水資源約束與應急供水保障

徐州是全國40座嚴重缺水的城市之一，地表水以降雨為補給水源，河流大多為非暢流型的人工控制蓄水河道，全市多年平均水資源總量為35.3億m3，人均403.1 m3，正常年份全市缺水15億 m3，干旱年份缺水達40億m3，水資源短缺已成為徐州社會經濟發展的重要制約因素。鑒于此，徐州一直將地下水作為城市供水水源，是江蘇省唯一仍將地下水作為城市供水的城市。但是，巖溶地下水的不合理開采，導致巖溶塌陷地質災害瀕發，直接經濟損失達3 000萬元。同時，由于巖溶水直接接受降雨和地表水作為補給，大量的工業廢水通過溝渠直接滲入巖溶含水層中或先滲入到低洼地段的潛水層中，隨后通過補給天窗滲漏到下覆巖溶含水層，造成巖溶地下水污染。如南郊七里溝水源地自2000年受徐州市農藥廠四氯化碳污染以來，至2001年，水源地內53口水井中發現四氯化碳，污染面積達17.5 km2，四氯化碳體積質量最高達3 909.2 μg/L(國家飲用水質衛生規范要求低于3 μg/L)(韓寶平等，2004)，造成該水源地關停至今未再利用。因此，徐州城市地質調查不僅要從地下水類型、水量、水質、分布特征及可利用程度等方面開展地下水資源調查工作，查明各含水層的水文地質條件、地下水資源賦存空間的分布特征，分析地下水水位、水質動態變化規律，評價地下水資源，而且要建立巖溶地下水溶質運移模型，找出其遷移規律，污染物遷移速率，并結合城市規劃區供水規劃方案，論證七里溝等水源地應急供水狀態下，巖溶塌陷或水質污染的防控對策，為徐州城市供水安全提供保障。

3.2 巖溶區地下工程風險與災害防控

隨著城市發展規模的不斷擴大，城市建設用地資源供給與需求的矛盾日益凸現，城市建設呈現“上天”、“入地”的趨勢，“上天”指各類高大建筑不斷興建，“入地”指地下空間大規模開發利用。但是，在城市地下空間開發建設過程中，肯定會引起周邊地質環境的變化，當這種變化達到一定程度就形成各種城市地質災害(李安寧等，2011)。徐州城市規劃區地質條件復雜，隱伏巖溶分布區1 800 km2，在以往的城市建設中，隱伏巖溶給建筑工程的地基處理帶來很大影響，輕則造成漏漿現象(1998年白云大夏施工時遇溶洞漏漿，單孔注入水泥400多t)，重則造成基樁下沉(1996年徐州電業局大樓施工時鉆孔坍塌，緊鄰已建大樓基樁瞬間下沉10多cm)。徐州自20世紀90年代后期開始建設地下過街通道，目前已建成一定數量、規模較大的地下商業街、道路、隧道、停車庫、娛樂場等，地下空間的利用已達到一定的規模，隨著徐州城市軌道交通開工建設，隱伏巖溶區的工程建設將帶來更多意想不到的工程地質問題。因此，徐州城市地質調查不僅要從巖土體類型、物理力學性質、特殊土體的分布特征及地下空間利用等方面開展地下空間資源調查工作，查明各工程地質巖組的工程地質條件，分析不良工程地質層的發育程度及空間分布規律，進行工程地質條件評價。而且要從巖溶地質環境條件、巖溶塌陷發育分布特征及人類工程活動等方面開展巖溶地質調查工作，查明巖溶發育特征、水平與垂向分布規律，研究巖溶發育對不同層次的地下空間開發利用的影響，結合城市發展規劃及地鐵等重大工程建設，分層次進行地下空間資源開發適宜性及巖溶塌陷風險評價，為地下空間資源開發利用安全提供基礎數據。

3.3 采空區建設用地適宜性與風險評價

徐州是全國重要煤炭能源基地之一，煤炭資源為江蘇及周邊地區經濟發展作出了重大貢獻，但煤炭資源的大規模開發利用也給徐州城市規劃區留下了170 km2的采煤塌陷地。由于土地資源利用愈來愈緊張，一些地區工業廠房和住宅樓不得不選擇在老采空區上方建設。但是在地面建筑物荷載作用下，有可能使原本處于平衡狀態的冒落裂縫帶巖體重新“活化”，使巖體再次被壓密，殘留空洞再次冒落，導致地表產生殘余移動和變形，依據殘余移動和變形的大小，地表新建建筑物將會產生不同程度的破壞(李斌等，2012)，塌陷地穩定性評價是對塌陷地進行開發利用的前提條件。因此，徐州城市地質調查要從采空區形成的資源條件、礦產資源開發利用及采空塌陷的分布特征等方面開展地下采空區調查工作，查明地下采空區的空間分布、采空塌陷的時空分布特征及其影響范圍、危害及造成的損失。要從采空區失穩破壞及導致地面塌陷的機制入手，進行采空塌陷易發性評價，并結合城市規劃，針對城市未來建設發展重點區域，在采空區穩定性分析的基礎上進行采空塌陷風險性評價，建立采空區及采空塌陷信息管理系統和監測網，為礦區災害綜合治理、土地綜合利用等提供對策依據。

3.4 塌陷地復墾土地質量與生態安全

采煤塌陷地是徐州重要的土地后備資源，復墾和綜合利用是保持耕地總量動態平衡的重要手段。徐州自20世紀80年代起進行復墾治理和利用，針對無積水淺層塌陷的旱地塌陷區，利用機械施工進行推高墊低、修復整平并改進水利條件，恢復耕作條件進行種植，建造農業示范區;針對少量積水的大面積塌陷區，利用機械施工進行挖深墊淺、治理平整，連片開發，建設農業綜合開發區(崔文靜等，2007)，至2005年共復墾采煤塌陷地47.28 km2，土地復墾率28.35%。但塌陷地通常采用“以廢治廢”的復墾方式，存在二次污染問題，如利用煤矸石回填復墾，由于煤矸石中含有大量的S元素，容易與水作用產生與礦井水類似的酸性水，造成土壤pH值過低，影響植物生長;利用粉煤灰回填復墾，可能造成土壤中Cu、Pb、Cr、Hg等重金屬污染;城市垃圾、江河湖塘污泥充填復墾雖可改良土壤，但含有重金屬(Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Cr、Hg、Cd、Mo 等)、毒性有機物(多環芳烴、氰化物等)和細菌等微生物，使用前的無害化處理不當或用量控制不嚴，易造成環境二次污染(黃敬軍等，2009)。因此，徐州城市地質調查必須從水土地球化學背景、污染狀況等方面針對塌陷地復墾土地開展水土環境調查工作，查明不同塌陷地復墾土地的土壤及淺層地下水地球化學特征，研究塌陷地內煤矸石等回填物對土壤及地下水的影響，進行塌陷地復墾土地的耕地質量評價，為徐州耕地質量管護、特色生態農業的發展提供技術支撐。

3.5 信息系統構建與“智慧徐州”融合

信息化已經成為城市地質工作的主流模式，其中重要內容就是建立一個集基礎地理、基礎地質、工程地質、水文地質、環境地質等多源、多尺度、多參數三維地質數據輸入、管理、分析、可視化、網絡發布等功能于一體的城市三維地質平臺，滿足城市三維地質調查數據管理、分析、評價等多方面的需求，為工程技術人員提供一個數字化、網絡化、智能化、可視化的城市地質信息平臺，為城市規劃、建設與管理以及企事業單位用戶對地質信息的需求提供一個基礎服務平臺(金江軍等，2006)。因此，徐州城市地質調查將建立城市地質數據庫和城市信息管理與服務系統。同時將“徐州城市地質基礎信息平臺”納入“智慧徐州”建設中，建立徐州的“數字地質”，使“數字徐州”由地表進入地下，可以自由地對地下地質結構、空間信息進行瀏覽、查詢、檢索、分析和綜合，并利用系統所提供的一整套國土資源綜合管理、評價、決策模型和城市經濟建設規劃決策模型，可以多層次、高質量、高效率地獲得相關的信息服務及決策支持，從而實現城市國土資源管理與開發利用決策的科學化、智能化和高速化(吳沖龍等，2003)。

4 結論

解決環境問題已成為城市化和城市建設面臨的一個熱點問題，城市地質面臨著新的發展要求和挑戰(羅國煜，2005)。徐州作為江蘇地質環境最復雜的地區，無論是城市規劃及重大工程建設，還是防災減災及生態環境保護都需要摸清地質環境狀況，構建城市三維地質結構模型和地質信息平臺，建立徐州市的“數字地質”，為徐州城市可持續發展提供系統的地質資料和技術保障。

徐州城市地質調查擬在基礎地質、地質資源及地質環境調查的基礎上，進行地質資源環境承載力綜合評價，并建立三維城市地質信息管理與服務系統，解決徐州市水資源短缺、防治隱伏巖溶區塌陷、采空區土地資源利用等地質問題，實現城市地質與城市國民經濟系統的融合，全面保護城市地質環境，超前服務于城市可持續發展。

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