城市地質資源環境承載力要素監測體系建設實踐

鄭桂森 衛萬順 劉宗明 齊如明 于春林 王繼明 徐吉祥 李小龍

摘 要： 城市地質資源環境承載力要素監測是城市發展中后期的重要基礎性工作。監測體系建設的目標是全面掌握地質要素變化規律，為城市發展安全提供保證。該體系建設的總體思路是基礎堅實、問題明確、平面分區、縱向分層、立體成網、全面采集、可靠傳輸、云端存儲、抓住奇點、把握關聯、構建模型、預測趨勢、多級服務、有效應用。該體系的基礎是數據采集系統，核心是分析系統，關鍵是應用系統。該體系的建設運行，可有效地提高城市地質安全保證水平。本文以北京市為例介紹了地質資源環境監測體系建設的實踐。

關鍵詞：城市地質;地質環境;地質資源;承載能力

Abstract： The environmental bearing capacity monitoring of urban geological resources is the important basic work in the later stage of urban development. The goal of this system is to understand the law of change of geological elements and to ensure the safety of urban development. It will be established into a comprehensive system with such characteristics as solid foundation， plane subdivision， vertical stratification， three-dimensional monitoring network， comprehensive collection， reliable transmission， cloud storage， selection of the strange key points， the relevance of things， model， forecast and trend， multiple types of services， effective applications. The foundation of the system is the data acquisition system， the core is the analysis system， and the key is the application system. The construction and operation of the system can effectively improve the level of geological security for urban development. This article introduces the construction of environmental monitoring system for geological resources in Beijing.

Keywords： Urban geology; Geological environment; Geological resources; Bearing capacity; Monitoring elements

1 前言

城市化迅猛發展使人類生活、生產空間環境越來越美好，推動了社會經濟繁榮發展。與此同時，人類對地質資源環境掠奪式開發利用造成了資源短缺、環境污染、災害頻發等多種問題，使本底短缺的地質資源和脆弱的地質環境面臨更大壓力（鄭桂森等，2018）。為有效解決這一關系城市可持續發展的重大問題，黨的十八大提出了建設資源環境承載能力監測預警機制，城市發展須以區域資源環境承載力為依據，確定城市人口規模、開發邊界和產業結構，協調人口、資源、環境相互關系。科學研究評價區域資源環境承載力的重要依據是對構成承載力的各項要素進行數據采集、分析工作;地質資源環境是自然資源環境中重要的組成部分，認識把握地質資源環境因素的變化規律，趨利避害成為城市發展過程中的重要研究內容，建設城市地質資源環境承載力要素監測體系應運而生。

城市地質資源環境承載力要素監測體系是一個由地上、地表、地下一定空間范圍的立體監測網，對表層至地下一定深度各地質體多項地質要素開展實時監測，分析研究其變化過程、變化特征、變化規律，為決策部門提供可靠依據，為研究機構提供基礎實時數據，為社會公眾提供地學知識。可有效支持城市發展上限、耕地保護、生態環境保護三條紅線劃定。

1.1 研究現狀

自新中國成立之初，地質部門相繼開展了地下水和地面沉降等方面的監測工作。到20世紀90年代末期，隨著我國經濟發展和人口激增，引發了大量的城市地質環境問題。面對這樣的危機，國內各城市相繼開展了地下水、突發性地質災害、緩變性地質災害、礦山地質環境、淺層水土等方面的監測工作（邢麗霞等，2011）。其中北京市開展了地質資源環境承載力監測預警平臺建設工作，包括8個監測網和1個信息平臺（郭萌等，2015）;湖南省建立了以礦山地質環境和地下水專項監測網（戴長華，2015）;山東省建立了全面的地面沉降、崩塌、滑坡、泥石流等地質災害監測網（王元波等，2018）;淮安市洪澤鹽盆地建立地面沉降、地下水監測網（張以高等，2011）;劉傳正提出了對三峽庫區地質災害監測預警監測網的思路（劉傳正等，2001）;周圓心對北京平原區地下空間建設地質安全監測網的布控提出了諸多見解（周圓心等，2019）。這些監測工作往往以專項監測為主，即針對某一特定地質環境問題開展專項監測網的建設工作。

1.2 存在不足

目前關于城市地質資源環境承載力要素監測體系建設主要問題是體系建設缺乏系統性，成果缺乏實用性。

（1）監測體系不系統

目前監測體系的構建往往針對性比較強，但是各地質要素之間是一個相互影響的整體，一項地質要素的改變必然會影響周邊地質要素的變化，因此需要建立一套完整的監測體系。例如針對城市地裂縫通常會開展地表形變的專項監測，但是城市地裂縫往往受活動斷層、地下水超采、地面塌陷等多因素的控制。因此地質資源環境監測網的設計中，應采用“系統論”的思路，構建一張針對各項地質要素全面監控的要素監測體系。

（2）地質要素定量化研究程度不高

對單要素突變臨界值研究不夠，停留于描述現象層次，對突變機制，臨界值認識不到位，定量化程度低;對多因素間相關性、發展演化趨勢研究不夠，預測能力差。

（3）成果實用性不強

由于對監測數據分析研究能力不足，指標定性評價居多，定量化程度較低以至于成果缺乏應用性價值，大多功能體系在基礎數據供給層次，難以上升到決策支持和知識普及水平。

1.3 研究內容

本文著重研究了城市發展過程中對地質資源環境的依賴和對城市環境的負作用，提出城市發展中后期必須建設地質資源環境承載力要素監測預警體系，監測地質要素變化過程，突變閾值，尋找各要素變化趨勢，破解各要素災害形成機制，把握各項地質要素之間相互影響關系，抓住影響發展過程中的主控因素，從而做出地質資源環境承載力與發展水平的適應程度的評價，為城市發展全過程安全提出保證。城市地質資源環境承載力要素監測體系可分為3個部分：

（1）基礎部分：包括監測要素的采集系統，即野外地質資源環境監測網建設;還包括數據傳輸存儲系統，即獲取得監測數據通過無線、有線等方式傳輸系統上傳至數據中心（云平臺）。

（2）分析部分：大量數據在此進行分析研究，包括單因素變化、單問題研究，各因素結合問題研究，多因素相互關系研究，綜合區域地質資源環境變化趨勢對主要問題事前預測，事后預警研究。

（3）應用部分：提供政府決策層使用產品，各數據、圖件、各項要素臨界閾值;提供社會使用的各種文字、圖件、手冊、規范、標準;提供公眾應用的科學手冊，APP安全觀光欣賞產品。

2 城市地質資源環境承載力要素監測體系建設

城市地質資源環境承載力是保證城市發展安全的物質基礎，承載力是支撐城市發展的物質力量，由各項地質要素共同作用構成。地質資源承載力是指城市發展一定文明水平前提下，資源可持續供給程度，地質環境承載力指城市發展過程中地質環境提供的空間安全保證水平及環境質量不產生惡化的能力。城市發展對資源環境的利用，不僅消化資源的存量，同時也對環境產生著巨大改變使地質因素產生了物理、化學變化，形成了多種問題，有些甚至非常嚴重，造成人為災害或環境惡化導致不適宜生物生存，直至威脅人的生命安全，因此必須對相關地質要素開展監測工作（衛萬順等，2017）。

開展城市地質要素監測，必須詳細了解城市地質背景條件，在一定程度工作基礎上，圈定區域內主要敏感地質要素分布的位置，選擇適宜的監測方法，儀器設備，確定觀測步驟，采集及時可靠的數據，分析研究各要素變化特征，受擾因素、突變臨界點，找出規律建立單要素變化模型。同時要研究多項要素之間相關性，認識自然變化規律，找出制約城市地質資源環境變化的主因，進而對其承載力做出有效的評價。

2.1 基礎工作

區域地質資源調查和專項地質調查工作是地質資源環境要素監測體系建設的基礎。當區域地質背景資料豐富，地質特征清晰，地質演化過程取得了較為一致的認識，即區域地質資源環境的調查研究工作基本完成，獲得了地層、構造、巖石、地表及地下一定深度內的可靠資料，特別是在城市區域內開展大比例尺（1∶1萬～1∶2.5萬）專項地質調查工作，基本查清地質資源的品質、數量和地質環境問題的性質、規模、危險性、影響范圍等項內容，對區域內主要地質資源稟賦及地質環境問題有了深刻把握。

2.2 數據采集系統

地質資源環境承載力要素監測數據采集系統，是要構建平面分區、縱向分層、立體成網、全面采集的數據釆集設施、設備、儀器布設安裝系統。

（1）平面分區即在詳細研究區域地質背景基礎上，根據不同的地質單元在平面上進行分區，各分區中巖性、構造等地質要素差異較大的位置即監測點布設的理想位置。

（2）縱向分層即在縱向上將地表至地下深處，按巖性進行分層，不同的巖性具有不同的物理性質、化學性質和力學性質，如電性、密度、化學成分、顆粒度、固結程度、滲透性、吸附性、靜壓力、抗剪性等，不同的巖層是監測的重點部位，在不同深度上可開展各種要素監測。

（3）立體成網即表示對地質體形成三維監測，全面把握地質因素在不同部位和不同深度的變化特征，客觀描述刻畫地質體各項因素的空間實時變化特征。

（4）全面采集就是將在一個監測位置上地表至地下的各項地質因素數據盡可能詳細采集，做到能采盡采，全面提升監測設施實用效率。在監測對象上可分為水資源、土地及地下空間資源、淺層地熱能、深層地熱4類地質資源，滑坡、泥石流、采空塌陷、崩塌、地面沉降、活動斷層、地裂縫、巖溶塌陷、土壤地質環境、礦山地質環境10類地質環境問題，監測要素見表1、圖1。

2.3 數據傳輸存儲系統

在獲取地質資源環境要素監測數據后，采用可靠的手段進行傳輸，并存儲于政務云端，以方便數據的研究利用。

地質資源環境監測數據的采集方式可分為自動和人工兩種方式，其中自動方式的監測儀器（如自動液位傳感器、遠程應力實時監測儀等）內置移動網絡和北斗衛星網絡雙通道傳輸模塊，將監測數據自動傳輸至政務云平臺。而部分監測數據采用人工方式獲得（如土壤、地下水樣品等），采用電腦或手機APP以政務互聯網訪問云端服務器的方式進行數據傳輸。

為實現多源數據格式統一，需要建立基于多源異構的監測預警中心數據庫。運用多源異構數據處理方式，將不同數據來源和類型的地質監測數據，采用不同的ETL工具將分散的異構數據源抽取到中間層后，進行清洗、轉換、集成，最后加載到對應的數據庫中。基本實現各類結構化、空間、非結構化的成果數據、監測數據、鉆孔數據、物化探數據、調查數據、影像數據的全面融合和高效存儲，為地質數據分析、處理、模擬、預警提供基礎保證。

2.4 數據分析系統

數據分析中心是監測體系的核心，相當于人的大腦，各項地質因素經分析中心分析，獲得規律性認識，形成系統性成果，提供各層次用戶使用。數據分析要抓住奇點、把握關聯、構建模型、預測預警。

抓住奇點，即對單項地質因素突變現象發生的機制深入分析，尋找單項因素突變的臨界值和誘發條件，建立單因素突變模型。

把握關聯，是指多項地質因素之間的相互關聯性，時間上有先后性，相關上有正負性，邏輯上有因果性，正確把握各因素的關聯性，對認識區域地質資源環境安全運行規律至關重要。如水通過淺表土壤滲入地下含水層的過程，可將部分元素或絡合物帶入地下水含水層產生水污染，而那些未被帶入的元素或絡合物吸附在黏土層或粉砂中。分析這個過程就得出了不同質地巖土體對元素吸附的特性，并以此來改變地質環境。

建設模型、預警預測，即在單因素臨界值和各項因素關聯性研究客觀真實的基礎上，對區域內主要地質資源環境問題建設概念模型、結構模型和預測模型，由此全面客觀地把握了區域地質因素的演化規律，全面深化對城市地質資源環境系統認識水平，在全面客觀認識地質因素演化規律的基礎上，遵循人與自然和諧共處的發展理念，按照地質因素演化規律，預測地質因素演變趨勢，有的放矢地加強防御，趨利避害、造福人類。

2.5 成果應用系統

城市地質資源環境承載力要素監測體系的主要產品有海量多要素地質數據、單要素突變臨界值和變化模型、多要素關聯性模型、多要素變化趨勢模型，單要素專項報告、專項圖件、科普書籍，各種相關電子產品等。這些產品可應用于城市發展各級層面，有效支持城市安全發展。

在政府決策方面，可強力支撐國土空間規劃編制，為永久基本農田、生態保護和城市開發邊界三條紅線的劃定提供基礎依據，為水資源管理中合理開發利用水量，提升水效率和水功能保護三條紅線提供保障;為城市區域土地利用規劃提供土地質量和功能分區依據，為土地科學利用奠定基礎等。

在生態環境保護方面，可有力支撐城市區域生態環保規劃制定。城市環境主要是水、土、大氣3項主要內容。此體系可提供水、土兩項重要環境的各項本底和動態指標，同時可提供水環境、土壤環境變化趨勢，有效支持藍天、碧水、凈土三大行動計劃實施。對土壤品質的研究成果可指導農田業種植結構調整，充分發揮土壤功能，提高生產效率。如江西省豐城縣利用富硒土壤種植了高品質水稻，極大的提高了產品價值。

在城市工程建設方面，可為各項工程建設提供區域地殼穩定性、巖土力學性質，活動斷層影響深度、寬度、延伸方向，重大基礎設施避開危險地帶，降低成本和風險，在線性工程建設中可提供延線地質災害發育現狀數據，提前布置防范，減少損失。對城市中轉型區域可提供土地品質特性數據支持。

在城市運行方面，可以有效地支持防治地質災害專項規劃制定，利用主要地質環境因素漸變趨勢，可有效預防環境問題形成危害，對城市運行中突發事件的應急處置提供基礎資料，利用相關地質因素的演化規律，指導應急搶險工作開展。在智慧城市建設中可提供自然因素變化特征，是智慧城市建設的自然資源環境之基礎。

在低碳城市建設方面，利用清潔可再生能源替代部分化石燃料，降低碳排放，利用監測系統數據可以有效控制電能使用，創建適宜的居室環境，提高能源利用效率。

充分利用該體系科普產品，向大眾宣傳普及地學知識，增強公民愛護地球、注重環保和防災減災;通過科普宣傳使公眾從觀光景觀到了解景觀成因，再提升至欣賞自然景觀，熱愛自然景觀，達到人和自然共生共美之境界。

3 北京地質資源環境承載力要素監測體系建設實踐

3.1 基礎工作條件及主要問題

北京市地域面積16410km2，平原區為6338km2，山區10072km2。西部為太行山脈，北部為燕山山脈，平原區地形呈西北高、東南低的扇形展布。區域內地質基礎工作扎實，北京西山是中國地質工作的搖籃，造就了新中國第一批地質專家。北京地區先后開展了兩輪1∶5萬區域地質調查工作，查清了巖石、地層、構造等基礎地質特征;大量專項地質調查，查明了水文地質、環境地質問題，巖土體性質及工程地質條件分區特征。特別是淺層地熱能、土壤環境地球化學、山區突發性地質災害、地下水環境污染等專項調查工作，充分掌握區域內水土環境，清潔能源稟賦和地質災害分布特征及危險性。這些工作成果詳細刻畫了北京市域的地質資源環境特征。

北京市域面積較小，資源品種雖多，但均不成大器，鐵礦、煤礦和非金屬資源是主要礦產資源，但自20世紀90年代以來，北京市堅持綠色發展理念，95%礦山場已關閉，因此北京市是礦產資源匱乏城市;人均水資源量僅為100m3/a，屬極度缺水城市;土地資源在減量發展的規劃要求下形勢嚴峻。

北京市山區為平原區的生態屏障，主要地質環境問題包括崩塌、滑坡、泥石流等突發性地質災害，以及礦山開采區域存在的水土污染和采空塌陷;平原區主要存在活動斷層、地面沉降、土壤污染和水污染等地質環境問題。

由上述可見，北京市地質環境問題十分突出，水資源匱乏和水污染惡化，土地資源緊張和品質不清，活動斷層、地面沉降及山區突發性地質災害等地質環境問題嚴重制約了城市的安全發展。

3.2 構建平面分區、縱向分層的監測網絡

北京市地質資源環境監測體系建設在平面上分為山區和平原區，分界線是黃莊-高麗營斷裂和南口山前斷裂。山區內分西山和北山，以昌平關溝為地理界線;平原區內根據沖洪積物顆粒分布劃分為扇根區、扇中區、扇緣區。在縱向上山區由高山—中低山—丘陵按地形高度劃分層級，平原區由地表至地下4000m劃分為松散層、基巖。在每個分區分層內對地質體實施監測。

山區重點是崩塌、滑坡、泥石流等突發性地質災害監測，現已建成實時監測溝域300余條，可遠程指揮觀察災地場景;第二是礦山地質環境監測，主要是水土化學成分污染和采空塌陷問題。

平原區內，在地表開展位移監測、土壤地球化學元素及營養元素監測;在松散層內開展地下水資源與環境監測、黏土層壓縮量監測、地下水位、水溫監測;在基巖層開展垂直、水平位移、地應力、地熱增溫、地熱水量監測。

3.3 地質資源環境承載力監測體系建設情況

北京市地質資源環境監測體系建設是由專項監測逐步演變而來而來的。最早的監測工作是由原地礦部水文地質工程地質大隊從1955年開始的北京地下水監測開始，此后是20世紀90年代開始的地熱利用監測，此階段監測工作屬于單點動態調查，不成體系，獲取數據分散無系統。進入21世紀，先后建設了地面沉降監測網、地下水監測網、淺層地熱能開發利用地質環境影響監測網、土壤地質環境監測網、山區突發性地質災害監測網、礦山地質環境監測網。目前正在建設活動斷層監測網、地下空間地質安全監測網、重大線性工程地質安全監測網等專項監測網。

2013年，黨的十八大提出在生態文明建設中要建立地質資源環境承載能力監測機制，以區域資源環境承載力為依據，制定區域發展規劃。原北京市地勘局適時提出了建設北京市地質資源環境承載力監測預警平臺的城市地質工作構想。用現有工作成果，編制了北京市城市地質資源環境承載力監測預警平臺工程分布圖，2014年2月在前門規劃館展出。2015年城市副中心建設工作前期，開展了城市副中心行政辦公區啟動區的區域地質條件適宜性評價工作（鄭桂森等，2017），推動了地質成果的應用，同時也對地質工作提出了高要求，數據及時、定量、可靠成為城市地質工作的重大課題。破解這一課題，必須有動態高效的數據采集系統、分析能力強大研究系統，建設城市副中心地質資源環境承載力分平臺就提到了日程。經認真分析研究監測要素參數，先期完成的多項監測系統中大量參數是相同的，只是選擇監測位置不同顯示了不同的數值，以用于不同功能，形成工作單兵作戰、分散突擊的格局。

把握地質體要素變化規律，統一部署、分步實施地質資源環境監測體系建設工作，將工作成果提供多層、多功能服務的建設思想逐漸形成。目前正在開展各項系統間的融合工作，運用同組數據研究不同對象和同一對象在不同數據中的體現研究地質體中各要素的時空關聯，推演變化趨勢。

3.4 北京市地質資源環境要素監測體系功能

北京市地質資源環境承載力要素監測體系主要功能包括：基礎支撐，單項預警，綜合預防，科普惠民。

基礎支撐是該體系基本功能，海量的數據、文字、圖件可以支持政府部門，社會各界多方面應用，如北京城市地質圖集已成為北京建設工程師必備手冊。

專項監測工作提供預警，依據單因素專項監測系統提供基礎數據和預警成果，地質資源環境監測中每個專項監測體系獲取的基礎數據可以提供其他專項監測網使用。專項研究地質要素變化臨界點是預警工作的基礎，在房山區王家臺2016年崩塌監測中，監測危巖裂隙開裂速度變化，提出人員撤離預警，避免了人員損失。長期以來地下水資源水環境監測成果已成水資源管理的重要基礎支撐，同時也是北京新城市規劃中“以水定域、以水定人、以水定產”的基礎依據。地面沉降監測數據，沉降中心發展規律為重大基礎設施建設提供了基礎依據，如京沈客專在通過地面沉降中心區域采取高架橋形式通過，最大程度減少地面沉降對軌道的影響。

城市地質資源環境監測體系提供預防、決策依據。城市地質資源環境監測體系工程，全面研究分析區域內各項地質因素之間關聯性，預測地質環境演化趨勢是其最大功能，由此可以實現對地質資源環境問題的預防，制定防預措施，控制惡化趨勢。北京市地面沉降發展隨城市擴張而加快，其原因有多種，目前一致認為原因是地下水超采，可壓縮層水壓減少使可壓縮層收縮形成地面沉降，以此為依據制定地下水限采措施和地表水回灌方案，延緩地面沉降，取得了較好效果。

淺層地熱能在用友軟件園應用中，通過對地面戶外溫度、地下水溫度、地下水流向控制滿足居室內舒適的溫度設置22℃～26℃，并以此進行電力消耗調解，即節約了資源，又提升了效率。

在社會公眾普及地學知識，使民眾更加了解地球關愛地球，提高生活品質;用已建監測體系開辟了旅游觀光平臺，將市域內地質公園位置、風景、地學知識、路線、沿途景觀、地質災害危險點公布和避險場所、天氣情況相融合，并制定成手機APP，通過首都之窗對公眾發布，取得良好的社會效益。

4 結論

（1）城市發展中后期，地質生態環境安全是可持續發展關鍵，建立地質資源環境承載力要素監測預警體系，是重要的基礎性工作。

（2）城市地質資源環境承載力要素監測體系建設是一項系統復雜的基礎工程，必須統一部署，分步實施，持續完善，才能使體系平穩運行，獲得地質要素變化數據。

（3）建設地質資源環境承載力要素監測預警體系關鍵在于對區域地質資源環境主要問題的認知程度。該系統的基礎是數據采集系統，核心是分析系統，關鍵是應用系統，這3個系統功能的有效發揮，方可發揮該體系的重要作用。

（4）把握要素監測的目標是利用有效探測設施設備，獲取及時可靠海量地質數據，為各項應用奠定堅實基礎，以專項監測建設為主的城市，全面建設過程中需補齊空白地質要素。

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