北京城市地質條件適宜性評價體系研究

劉宗明 劉連剛 鄭桂森 齊如明 王繼明 趙勇 徐吉祥

摘 要：城市地質條件適宜性評價是支撐城市規(guī)劃建設區(qū)控制性詳細規(guī)劃編制和工程建設前期開展的專項地質調查工作。北京地區(qū)調查評價內容包括地形地貌、水文地質、工程地質等3項基礎地質條件，活動斷裂、地面沉降、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷、巖溶塌陷、砂土液化、地下水污染、土壤污染等11項地質環(huán)境要素，地下水資源、深層地熱資源、淺層地熱能等3項地質資源要素。在現(xiàn)有標準基礎上，結合北京地區(qū)城市地質工作實踐，新建了1∶10 000和1∶2000精度城市地質條件調查方法體系，并設定了工作布置參數(shù);構建了城市地質條件評價指標體系，包括61項評價指標，其中新增指標20項、修訂指標31項、引用現(xiàn)有標準指標10項。

關鍵詞：城市地質;地質條件適宜性評價;評價體系;評價指標;工作精度

Study on suitability evaluation system of urban geological conditions in Beijing

LIU Zongming1， LIU Liangang1， ZHENG Guisen1， QI Ruming1， WANG Jiming1，

ZHAO Yong2， XU Jixiang1

（1.Beijing Institute of Geology，Beijing 100195，China;

2.Beijing Institute of Geological Survey，Beijing 100195，China）

Abstract： Suitability evaluation of urban geological conditions shall be carried out in the early stage of regulatory planning preparation and key project construction.The survey and evaluation of geological conditions in Beijing includes 3 basic geological elements such as topography， hydrogeology， engineering geology， 11 geological environment elements such as active fault， land subsidence， ground fissure， rock fall， landslide， debris flow， mining collapse， karst collapse， sand liquefaction， groundwater pollution， soil pollution. It also includes 3 geological resources elements such as groundwater resources， deep geothermal resources， shallow geothermal energy. On the basis of the standards issued and combined with the urban geological practices in Beijing， the suitability evaluation system of urban geological conditions in Beijing has been established.The urban geological survey method system with the accuracy of 1：10 000 and 1：2000 is constructed， and work plan parameters are set up. The evaluation index system of urban geology is constructed including 61 indexes with 20 newly-added indexes， 31 modified indexes and 10 original indexes.

Keywords： urban geology; suitability evaluation of geological conditions; evaluation system; evaluation index; work precision

地質工作是調查研究自然因素演化發(fā)展的基礎性工作，對城市國土空間規(guī)劃體系建設起到重要的支撐作用（鄭桂森等，2016）。城市地下蘊含著種類豐富的礦產資源、維系生命的地下水資源、清潔低碳的深層地熱資源及淺層地熱能，這些地質資源是城市發(fā)展的動力源泉。在城市發(fā)展過程中，受天然因素及人為因素影響，形成了活動斷裂、地面沉降、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷、巖溶塌陷、砂土液化、水土污染等地質環(huán)境問題，制約了城市的健康發(fā)展。因此，在城市規(guī)劃建設前期，要開展城市地質調查評價工作，摸清自然因素分布特征及演化規(guī)律，合理利用地質資源，科學規(guī)避地質風險，因地制宜規(guī)劃開發(fā)城市國土空間，這對城市健康可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的現(xiàn)實意義。

為服務支撐城市經濟建設發(fā)展，國內外學者在地質調查評價方法體系方面開展了大量的研究工作。為確保城市地下空間資源合理開發(fā)利用，開展了地下空間資源地質調查評價工作（Tengborg et al.，2016;Wallace et al.，2016;周丹坤等，2019），建立了地下空間資源地質評價指標體系（夏友等，2014;何靜等，2020;何陽等，2021）。隨著自然資源部在2019年6月制定“資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價技術指南（試行）”，全國各省市開展了地質資源環(huán)境承載力評價工作（李念春，2016;李紅梅等，2018;林鐘揚等，2022），并不斷補充完善承載力評價指標體系（楊樂等，2014;劉宗明，2020;王卓卓，2021）。近年來，在北京地區(qū)開展了地質資源環(huán)境監(jiān)測網建設工作，逐步開展監(jiān)測預警指標體系研究工作（韓建超，2020;趙忠海，2020;王文文等，2020;鄭桂森等，2020;李勇等，2020），為城市可持續(xù)發(fā)展提供技術支持。在土地資源綜合評價體系中，也包含了諸多地質評價指標，如地下水質量、土壤質量指標（張獻忠等，2004;朱永恒等，2005;徐慶勇等，2021;張園園等，2021）。在服務城市規(guī)劃建設方面，開展了一系列調查評價工作，在雄安新區(qū)建設過程中，開展了地上、地下工程建設適宜性一體化評價工作（郝愛兵等，2018）;在北京城市副中心建設中，開展了城市地質條件適宜性評價工作（劉輝等，2017;鄭桂森等，2018）。

現(xiàn)有研究成果從不同角度構建了地質調查評價方法體系，但也存在諸多不足。在地質調查方法體系方面，目前地質調查工作以1∶50 000～1∶250 000精度為主，而城市國土空間規(guī)劃體系建設工作以1∶2000～1∶10 000精度為主，兩者在精度方面并不匹配。在地質評價指標體系方面，現(xiàn)有評價指標以半定性、半定量評價相結合為主，特別是以文字描述為主的定性評價，不能滿足城市規(guī)劃建設的需求，同時指標分級標準不統(tǒng)一，分級由二級到五級不等，無法進行綜合評價。

本文在國內外大量研究成果基礎上，結合城市地質工作實踐，初步建立了北京城市地質條件適宜性評價體系，新建了1∶10 000和1∶2000精度城市地質條件調查方法體系，并構建了定量化的城市地質條件評價體系，服務支撐城市規(guī)劃建設區(qū)控制性詳細規(guī)劃編制和工程建設。從地質角度解答了“一塊土地適宜做什么”，根據(jù)評價成果，合理利用地質資源，科學規(guī)避地質風險，確保規(guī)劃建設的科學性。

1? 調查評價內容

城市地質條件調查評價內容應與城市規(guī)劃建設緊密相連，要解決控制性詳細規(guī)劃編制和工程建設中重點關注的地質問題，主要包括基礎地質條件、地質環(huán)境條件和地質資源條件三大類。

1.1? 基礎地質條件

基礎地質條件包括地形地貌、巖石地層構造、水文地質條件、工程地質條件等內容，這些是城市規(guī)劃建設首先要參考的基本要素。

1.2? 地質環(huán)境條件

1）活動斷裂

北京地質條件較為復雜，在平原區(qū)（含延慶盆地）發(fā)育隱伏斷裂88條，目前已完成專項調查的隱伏斷裂30條，其中包括全新世活動斷裂9條。全新世活動斷裂是指距今1.0萬年以來在地表或近地表有活動跡象的活動斷裂，亦稱“工程活動斷裂”。全新世活動斷裂兩側發(fā)育構造地裂縫、地面塌陷、差異性沉降等次生地質災害，對沿線建筑物造成危害或具有極大潛在威脅，城市建筑原則上以避讓為主。全新世活動斷裂具有不可抗拒性，是城市規(guī)劃布局最為關注的地質要素。

2）地面沉降

地面沉降是指因自然和人為活動引發(fā)松散地層壓縮所導致的地面高程降低的現(xiàn)象。地面沉降是北京主要地質災害之一，在平原區(qū)主要分為南北兩大集中沉降區(qū)域、7個沉降中心。地面沉降造成地面高程損失，嚴重威脅了軌道交通、生命線工程、地下管網等線性工程，影響了建筑物結構安全，降低了城市防洪排澇能力，引發(fā)了地表開裂、損壞井管、城市地面水準高程變化等問題。

3）地裂縫

地裂縫是指在自然或人為因素的作用下，地表巖土體開裂、差異錯動，在地面形成一定長度和寬度的裂縫并造成危害的現(xiàn)象。北京平原區(qū)地裂縫主要發(fā)育在順義區(qū)、昌平區(qū)、通州區(qū)等地，在成因機理上多為復合成因，即全新世活動斷裂控制地裂縫的分布，而地下水超采、地面沉降誘發(fā)了地裂縫的產生，這種地裂縫與全新世活動斷裂緊密關聯(lián)，具有不可抗拒性特點，城市建筑原則上以避讓為主。

4）山區(qū)突發(fā)地質災害

北京山區(qū)多以中低山為主，山區(qū)主要發(fā)育崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷等突發(fā)地質災害，給當?shù)厝嗣竦纳敭a、交通水利、旅游設施和植被景觀等造成了一定的損失。北京突發(fā)地質災害呈數(shù)量多、類型全、面積廣、分布不均、規(guī)模小、險情差異大等特點。在山區(qū)、半山區(qū)開展規(guī)劃建設工作，突發(fā)地質災害是應重點考慮的地質要素。

5）砂土液化

砂土液化是指地表下一定深度內可液化的飽和土層在地震力作用下產生的震動液化，是一種由地震引起的典型突發(fā)地質災害。北京地區(qū)歷史上發(fā)生過多次強烈地震，據(jù)不完全統(tǒng)計，5級以上地震曾發(fā)生過31次，其中包括8級地震1次，7級地震2次。砂土液化會造成地表噴砂冒水，會導致地基失穩(wěn)、建筑物破壞現(xiàn)象，是工程建設應重點考慮的要素。

6）巖溶塌陷

巖溶塌陷是指可溶性巖石或巖層在水的作用下形成的塌落或沉陷現(xiàn)象。北京平原區(qū)大部分地區(qū)第四系厚度大于100 m，屬于巖溶塌陷穩(wěn)定區(qū)，僅在通州、昌平、順義等地深部鉆探工作中出現(xiàn)個別塌鉆、掉鉆事故。在山前局部巖溶發(fā)育地帶，存在一定的巖溶塌陷風險性，是規(guī)劃建設需要考慮的要素之一。

7）水土污染

隨著北京城市規(guī)模不斷擴大和人口增長，污水排放量不斷增加，雖然近年來水環(huán)境治理成效顯著，但受歷史上非正規(guī)垃圾填埋場、污水河、污灌區(qū)等點線面污染因素影響，淺層地下水（100 m以淺）出現(xiàn)大面積超標現(xiàn)象，超標指標主要為總硬度、鐵、錳、硝酸鹽氮等。同時，受工業(yè)污染“三廢”排放影響，局部地區(qū)出現(xiàn)土壤污染現(xiàn)象，威脅著城市居民的健康安全。

1.3? 地質資源條件

1）地下水資源

水是生命之源，是城市重要戰(zhàn)略性保障資源，北京是國際上為數(shù)不多的以地下水作為主要供水水源的超大型城市，南水北調進京后，地下水仍占水資源總量60%、供水量40%，而居民生活用水中地下水占比更高。自20世紀80年代開始，受多年地下水連續(xù)超采及干旱少雨等影響，在平原區(qū)形成地下水降落漏斗，并誘發(fā)地面沉降和地裂縫。2015年以來，受南水補給、地下水壓采、地下水回補、降雨量增加等因素影響，地下水資源緊張局勢得到緩解，地下水位逐年抬升。

2）清潔能源

地熱資源是能夠經濟地被人類所利用的地球內部的地熱能、地熱流體及其有用組分。在北京地區(qū)可利用的地熱資源主要包括通過鉆井開采利用的深層地熱資源和通過熱泵技術開采利用的淺層地熱能。地熱資源屬于清潔可再生能源，合理開發(fā)地熱資源對優(yōu)化城市能源結構，提升城市建設低碳標準，建設綠色韌性城市具有重要作用，是支撐北京市率先實現(xiàn)碳中和目標，堅定不移走生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳高質量發(fā)展道路的有效途徑。

1.4? 北京城市地質條件調查評價內容

按照要素功能進行分類，北京城市地質條件調查評價內容可分為基礎地質條件3項要素、地質環(huán)境條件11 項要素和地質資源條件3項要素。同時，北京在地形上東、西、北三面環(huán)山，東南為傾斜平原，按照地形特征進行分類，亦可分為覆蓋區(qū)（平原區(qū)）和基巖區(qū)（山區(qū)）。見表1。

2? 調查方法體系

2.1? 調查區(qū)范圍和精度

城市地質條件適宜性評價是支撐城市規(guī)劃建設區(qū)控制性詳細規(guī)劃編制和工程建設前期開展的專項地質調查工作，因此調查區(qū)范圍、調查內容、調查精度要和規(guī)劃建設工作環(huán)環(huán)相扣。根據(jù)地質條件復雜性將研究區(qū)分為一般調查區(qū)和重點調查區(qū)，并設定相應的工作精度和調查評價要素（表2）。

1）一般調查區(qū)

由城市規(guī)劃建設部門先期圈定的新城規(guī)劃區(qū)、舊城改造區(qū)、重大工程建設區(qū)等規(guī)劃建設區(qū)四面外延2000 m所覆蓋區(qū)域，可根據(jù)地質條件進行適當調整。一般調查區(qū)開展多要素地質調查評價工作，調查內容包括基礎地質條件3項要素、地質環(huán)境條件11項要素和地質資源條件3項要素，調查精度1∶10 000。

2）重點調查區(qū)

將一般調查區(qū)中，地質條件較為復雜的區(qū)域設定為重點調查區(qū)，調查內容包括對城市規(guī)劃建設具有重要影響的地質環(huán)境條件8項要素，調查精度1∶2000。

重點調查區(qū) 一般調查區(qū)中地質條件復雜的區(qū)域?? 1∶2000?????? 重要地質環(huán)境條件：崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷、活動斷裂、地裂縫、巖溶塌陷、土壤污染（8項）

2.2? 調查方法

城市地質條件調查方法主要包括以下幾個方面：

1）遙感解譯

采用多分辨、多時相遙感技術，選用衛(wèi)星、航空遙感影像資料。

2）地面調查（測繪）

在資料收集、遙感解譯基礎上開展地面調查（測繪）工作。

3）地球物理勘查

地球物理勘探方法主要包括高精度重力法、高精度磁法、電法、放射性法、地震法和測井法。其中電法包括自然電位法、電阻率測深法、高密度電阻率法、瞬變電磁法、可控源大地電磁測深法、地質雷達法等;放射性法包括氡氣法、汞氣法等;地震法包括淺層地震法、微動探測等;測井法包括電阻率、自然電位、天然伽瑪、井徑、井斜、三側向、溫度測量、井下電視視頻等。

4）地球化學勘查

包括氣體地球化學、地下水化學、土壤地球化學采樣分析等。

5）鉆探

在地面調查和物探工作基礎上，根據(jù)實際情況布置鉆孔。包括工程地質鉆孔、水文地質鉆孔、基巖地質鉆孔、地熱地質鉆孔等。

6）探槽

在地面調查、物探和鉆探工作基礎上，根據(jù)實際情況進行探槽布置。探槽應及時進行詳細編錄，并繪制大比例尺（一般為1∶20～1∶100）地層剖面圖。

7）試驗

主要包括土力學試驗、高壓固結試驗、孢粉和古地磁試驗、X衍射試驗、物理力學性質試驗、抗剪強度試驗、示蹤試驗、抽水試驗、灌水試驗、同位素試驗、標準貫入試驗、靜力觸探試驗、剪切波速測試、巖土熱響應試驗等。

2.3? 參數(shù)設定

現(xiàn)有標準中，對1∶50 000～1∶200 000精度地質調查工作布置已做了明確的規(guī)定，而開展更高精度的地質調查工作，最重要就是需要分別設定1∶10 000和1∶2000精度地質調查工作布置參數(shù)，便于開展野外地質調查工作。同時，各項地質調查工作要統(tǒng)一布設，避免重復。為此，在全面梳理地質調查標準基礎上，結合北京城市地質調查工作實踐，分別設定了1∶10 000和1∶2000精度城市地質條件調查工作布置參數(shù)（表3）。

3? 評價指標體系

3.1? 評價指標

建立城市地質條件適宜性評價指標體系，需要解決3個難點：一是在現(xiàn)有標準基礎上，補充增加一些指標，特別是城市規(guī)劃建設重點關注的指標;二是將文字描述為主的定性評價，根據(jù)工作實踐設定分級參數(shù)，轉為定量評價;三是將指標分級統(tǒng)一為四級評價。本次研究工作，對基礎地質條件3項要素、地質環(huán)境條件11項要素和地質資源條件3項要素，建立了61項評價指標體系，其中包括新增指標20項、修訂指標31項、引用現(xiàn)有標準指標10項（表4），現(xiàn)對部分新增指標進行論述。

1）活動斷裂指標

全新世活動斷裂具有一定周期活動性特征，研究斷裂活動周期對預判斷裂未來活動趨勢具有重要意義，因此新增“距古地震復發(fā)周期時間”指標。

2）地面沉降指標

從地面沉降造成的危害性角度出發(fā)，地面差異性沉降會對線性工程造成較大的危害，因此城市規(guī)劃建設更加關注地面差異性沉降較大的區(qū)域，即年地面沉降速率等值線較為密集的區(qū)域，又稱地面沉降梯度帶。新增“地面沉降梯度”指標，根據(jù)北京地區(qū)多年地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合地面沉降梯度對線性工程的影響，設定了分級參數(shù)。

3）地裂縫指標

現(xiàn)有標準中關于地裂縫評價多以定性描述為主，本次研究根據(jù)北京平原區(qū)地裂縫特征（田苗壯等，2019;孔祥如等，2021），新增了“地裂縫密度”“單個地裂縫長度”“地裂縫（帶）寬度”3項定量評價指標來評價地裂縫發(fā)育現(xiàn)狀。

4）山區(qū)突發(fā)地質災害指標

經研究，山區(qū)突發(fā)地質災害和降雨緊密相關，大部分突發(fā)地質災害發(fā)生在降雨中或降雨后（王海芝等，2020;羅守敬等，2021），因此降雨量是研究突發(fā)地質災害發(fā)育、發(fā)生、發(fā)展的重要指標。根據(jù)多年研究成果，新增“三日最大降雨量”“場次降雨量”“最大小時降雨強度”3項指標。

5）深層地熱資源指標

目前北京地區(qū)地熱井開采政策為“用熱不用水”，即開采地熱水只利用溫度，熱水循環(huán)梯級降溫后，冷水灌入回灌井回補熱儲層。為此，深層地熱資源評價中，新增“地熱水資源年均可采熱量模數(shù)”指標，其含義是指單位面積上的地熱水資源每年可開采熱量，開采熱量是綜合地熱井出水量和出水溫度的指標，用該指標評價地熱資源更符合北京地區(qū)地熱水開發(fā)模式。

6）淺層地熱能指標

淺層地熱能開發(fā)模式上可分為地下水換熱方式和地埋管換熱方式，根據(jù)多年研究成果，新建了“地下水換熱方式淺層地熱資源年均可開采熱量模數(shù)”“地埋管換熱方式淺層地熱資源年均可開采熱量模數(shù)”2項指標。同時，新增了“淺層地熱能利用溫差”指標，來評判淺層地熱能開發(fā)效率。

3.2? 評價流程

北京城市地質條件適宜性評價工作流程見圖1。

1）一般調查區(qū)

基礎地質條件：按照“短板理論”，首先將各基礎地質條件評價因子的評價指標整合，得到“基礎地質條件適宜性單因子評價”。

地質環(huán)境條件：首先將各地質環(huán)境條件評價因子的評價指標整合，得到“地質環(huán)境條件適宜性單因子評價”，再將“基礎地質條件適宜性單因子評價”和“地質環(huán)境條件適宜性單因子評價”成果整合，得到“地質環(huán)境條件適宜性綜合評價”。

地質資源條件：綜合資源的數(shù)量和品質進行評價，將各地質資源條件評價因子的評價指標整合，得到“地質資源條件適宜性單因子評價”。

2）重點調查區(qū)

在一般調查區(qū)地質環(huán)境條件綜合評價基礎上，對重點調查區(qū)內重要約束性地質條件進行評價，依次得到“重要地質環(huán)境條件適宜性單因子評價”“重要地質環(huán)境條件適宜性綜合評價”，其成果對規(guī)劃建設起到重要作用。

4? 結論

1）城市地質條件適宜性評價是支撐城市規(guī)劃建設區(qū)控制性詳細規(guī)劃編制和工程建設前期開展的專項地質調查工作。

2）根據(jù)北京地質條件特征，調查評價內容包括基礎地質條件3項要素、地質環(huán)境條件11項要素和地質資源條件3項要素。

2）根據(jù)地質條件的復雜程度，將研究區(qū)分為一般調查區(qū)和重點調查區(qū)，一般調查區(qū)開展多要素地質調查評價工作，重點調查區(qū)開展對城市規(guī)劃建設具有重要影響的地質要素調查評價工作。

3）新建了1∶10 000和1∶2000精度城市地質調查方法體系，設定了工作布置參數(shù)。

4）構建了城市地質評價指標體系，包括61項評價指標，其中新增指標20項、修訂指標31項、引用現(xiàn)有標準指標10項，并將分級統(tǒng)一為四級評價。

目前此項工作處于探索階段，希望同行共同探討，推進完善評價體系。

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