面向未來守護城市安全的地質工作方略

【編者按】

2023 年8 月7 日下午，中國科學院院士、中國巖石力學與工程學會理事長何滿潮教授，接受了上海市地質調查研究院副院長、《上海國土資源》期刊主編詹龍喜教授級高工的專訪。何院士針對城市安全地質工作策略與路徑，從地面沉降災害防治、地下空間開發、地質大數據及科學開放共享幾個方面，對面向未來、支撐城市安全的地質工作如何深化發展，發表了高屋建瓴的深刻見解。

何院士指出：對于類似上海的超大城市，圍繞城市安全戰略預測預警是城市地質工作的生命力，工程荷載、第四系和基底基巖三大層體相互作用的基礎性研究對城市安全預測預警至關重要，深部地質是未來地面沉降和地下空間研究的重點方向；加強地質調查研究，建立海量數據底座，構建地面沉降開放科學生態，實現數據共享、知識共享和合作機制，是實現學科水平量變到質變的重要路徑。何院士同時寄希望于青年地學科技工作者，要在工程實踐中去做真正的學問。

關鍵詞：城市地質；科學研究；工作方略；城市安全；地面沉降；地下空間；深部地質；開放科學；院士訪談

中圖分類號：P621；G311 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2023）03-0001-05

本 刊：地下空間開發利用是當前的一個熱點，地下空間的開發利用給城市地質工作的發展與進步帶來哪些機遇和挑戰？從事城市地質調查研究的地質工作者怎樣抓住這次機遇？另外，上海地區的松散層有三四百米厚，我們現在主要關注與城市發展更為密切的層位，對于更深部的地下空間利用，尚不明確其可行性，從地質的角度，您覺得我們需要做哪些工作？

何院士：21 世紀被稱為人類的地下工程的世紀。我們國家的城市建設基本上是“攤大餅”的方式，像北京建設的六個環線，是不是將來要搞到七環？顯然，這種“攤大餅”建設方式帶來許多交通、居住、教育等問題。現在城市立體式、深入地下空間式的發展是非常好的，未來更多的商場和交通設施等都在地下空間。值得一提的是，深部地下空間提供城市安全方面可能講的比較少。

這有兩方面安全。第一個安全，深部調洪排泄基準面工程保障城市安全。像最近北京的暴雨，看起來是一個城市的地面出現的一些問題，但實際上是一個城市通過深部空間能夠解決的問題。在工程地質和水文地質學上，對于一個城市建設有一個基本原理——排泄基準面決定城市安全。這個問題怎么理解？例如，山區城市為什么沒有這樣的問題？重慶為什么沒有這樣的問題？因為重慶的最低排泄基準面是長江，長江的水位遠低于城市建筑的排泄基準面。所以排泄基準面是客觀存在的。可以想象，對于平原城市和丘陵城市，就可能存在這個問題了。在平原地區，最低排泄基準面有可能高于地下室；在丘陵地區，最低排泄基準面也可能高于建筑物。這造成暴雨以后平原城市和丘陵城市排泄基準面太高。那怎么辦呢？可以通過深部工程來解決。以上海為例，在深部100 米和深部200 米，可以設置縱貫南北或東西的“大動脈”。像許多國外城市那樣，在地下100～200 米有一個綜合管廊式的大通道。等到暴雨來臨，這樣的通道就成了城市的最低排泄基準面，把水排到相鄰的大江大河，從而保證整個城市的安全。顯然，上海還不具備這樣的深部排泄基準面。城市越大，對深部排泄基準要求越高，這是城市安全的很重要的一個方面。像北京和鄭州，實際上都有這樣的問題——不具備深部最低排泄基準面工程。未來城市預防暴雨災害的安全，應該靠深部工程來解決。

另一個安全，深部人防工程保障城市安全。戰爭對城市安全提出了新的要求，城市應該有地下人防工程。特別是，剛剛提到的深部綜合調洪排泄基準面的工程，在戰時可能是城市的庇護所和人防工程。人防工程必須具備一種能夠對抗這種戰爭武器打擊的韌性的結構，必須能夠在武器打擊的情況下，甚至在核爆的情況下確保城市安全。所以，這就使得我們要考慮未來在暴雨條件和極端軍事條件等各種極端條件下城市怎樣才能安全。這種安全要靠深部工程來解決，這給我們提供了機遇，也提出了挑戰。深部工程對未來城市安全和建設是一個大文章，我們應該做好這篇文章。

本 刊：目前上海地下空間調查已開展了較多的工作，您認為下一步更深入的工作如何開展？例如哪些關鍵技術和關鍵問題需要突破，積累的海量調查數據怎么利用？

何院士：這個問題實際上是面向新時代城市的安全問題，像上海這樣的超大型城市的安全問題。以上海為例，城市的安全牽涉幾個很重要的方面。

第一個方面，上海的地下水與地面沉降。上海的地面沉降問題還是比較嚴重的，它牽扯到上海的地層結構。上海地下有五層承壓含水層，含水層的開采，尤其局部超量的開采，會形成不均勻的沉降。水位的變化、水壓的變化和第四紀巖層不同的相互作用，會形成不同的沉降量和不均勻沉降，對城市安全有著很大的影響。

第二個方面，上海地下工程與地面沉降。上海有著發達的地下交通系統，諸如地鐵這種線性的地下工程的分布，對局部的沉降會產生影響。

第三個方面，上海超高建筑與地面沉降。上海有著數量眾多的超高層建筑，每一個大型建筑像一個盒子，對于城市的地層來講都是一個負擔，這種超大型建筑物的布局會產生局部的不均勻沉降的問題。

第四個方面，上海第四系地層和基底與城市安全。上海市第四系厚度約三四百米，這樣一個巨厚的地層，下面的基底是揚子地臺和華北地臺。兩者之間是一個大的接合縫，這樣一個接合縫對區域穩定性會有影響。將來萬一發生地震，會不會沿著這種縫合帶或者在縫合帶中的斷裂中分布？這是深部基底的穩定性，它與淺部巖層間的相互作用，都會決定上海的安全。所以，上海的城市安全在這樣一個客觀的地層結構情況下，未來發生地震的動荷載，或者未來發生一種核爆量級打擊的情況下，會出現什么？這需要研究，也給未來提出了一個非常有挑戰性的城市安全問題。

城市安全面臨這樣的挑戰，首先應該做好基礎研究工作。目前對于三四百米地層的三維結構和四維的時空變化的全面掌握尚不清楚。上海地下建筑普遍淺于100 米，雖然地下100 米比較清楚了，但對于200 米以下的第四系深部并不清楚。如果未來開展地下150 米、200 米的工程，開展深部城市最低排泄基準面工程，應該怎么做呢？所以，基礎研究必須得堅持，要拓展到空白區。然而，僅僅做到第四系松散地層的基礎研究還不夠，因為地震涉及到了基底。一個地震的震源大約是10～15 千米左右，需要比較好的基礎研究和基礎資料去掌握基底情況。

面臨這樣的挑戰，應該開展大數據研究。剛才提到，第四系是三四百米，第四系之下是基底。基底就是托盤，托盤不穩定，托的東西就會有問題，所以每一層的基礎大數據必須得清楚。除了地質的基礎數據之外，還要有工程技術方面的數據。大型建筑的分布、大型工程的分布、線性工程的分布和各種地下工程的分布等等，都是作為不同的荷載形式在基底和第四系上，這構成了一個非常基礎性的問題。另外，地下水空間的補逕排流動的問題。上海分布的江河水系，地表的水體和地下的水體之間是怎么互動的？不同的流域上游中游下游是怎么互動的？地表水和地下水補給關系是怎樣的？這種互動的補逕排規律需要深入研究。總而言之，這些非常基礎性的研究工作得進入大數據。

面對這些非常基礎性的問題，只有做好基礎研究，才能開展面向重大城市安全需求的高層次高質量的分析。沒有好的基礎研究，面向安全需求的高水平高質量的分析是做不到的。所以，面向新時代，這些問題擺到議事日程上，基礎研究永遠是第一位的。地質基礎、工程基礎以及這些基礎資料反映的水溫場、巖性結構場、構造場和工程應用場之間相互作用，決定了上海城市未來的穩定性狀態，必須做好基礎研究。這樣一個情況總結起來，一是加強基礎研究，二是大數據挖掘，三是工程相互作用力學分析。三個方面構成了三項技術，缺一不可。否則，回答不了一個大型城市地質安全的重大需求，無法得到高水平分析結果。

本 刊：長期以來基礎性地質工作其實是默默無聞的，怎樣提升這項工作的社會顯示度？怎樣讓決策者來了解這項工作的重要性而加大投入？

何院士：這聽起來是一個很好的命題，但其實是個偽命題。提到基礎研究，政府必須得投入，但從另外一個角度，政府又不一定要投入。說實話，政府已給地質工作投入幾十年了，地質工作已經取得了很多量變的成果，我們應該根據現有的基礎研究資料開展對未來的趨勢性預測。以上海地面沉降研究為例，它已發展到了具備從量變到質變的可能性。基于幾十萬個鉆孔數據，起碼掌握了地下100 米。然而，再專門投入幾十萬個鉆孔去掌握100 米以深的地下結構并不現實。

我們可以先粗線條地“畫虛線”，運用地質知識把地震情況下第四系和基底相互作用模式提出來，把風險預警模式提出來。有了緊迫性才會有必要的投入。所以，下一步應該追求質變的成果。質變是什么？質變是面向未來。預測風險能不能發生是科學要解決的問題，風險具體在哪里發生是靠工程來解決的問題。搞基礎性研究就是搞科學，但搞科學不能只講歷史，更要針對現在和面向未來。利用現有地質資料，我們可以先對未來做一個看似不太準確但在科學上是一個準確的預測。

例如，未來發生地震風險是多少？可以先通過“畫出虛線”來回答有沒有，告訴決策者研究的重要性。地震預測是基礎研究工作，非常重要，關系到安全預警。另外，地震作用在一個城市能不能控制？要回答這個問題。現在有一個概念——韌性城市，韌性就是要對抗和消減諸如地震等災害的作用，確保城市安全。實際上，這是要回答地震是不是要可控的和如何控制到安全層面的問題。要講清楚上海地震是否可控的道理，需要掌握地下第四紀地層和基底結構。地下兩大地層再結合建筑工程層，三大層次相互作用，最后會發生什么？可以先做這樣的預測工作，這樣可能會獲得政府的支持去開展更細的工作。科學的重要作用不在于僅描述歷史，而在展望未來、預測未來，讓決策者能明白明天會發生什么，我們應該做哪些工作來迎接未來，使明天更加安全，使后天更加美好，我認為是這樣一個邏輯關系。大家都應該有積極的態度，互相主動合作，攜起手來面向未來。

本 刊：上海地面沉降防治是上海地質工作的一張名片，在國際上也取得了引領性示范性效果。經過幾十年的工作開展，我們取得了豐富的量變成果。地面沉降研究如何面向未來？或者說，需要開展哪些工作來推動地面沉降研究質變飛躍？

何院士：我認為有“三化”：

第一，智能化。這些工作總是靠人去做要預測，太慢了！要智能化，用最先進的技術最智能化的系統來做監測，來做大數據的建設，來做未來風險圖的繪制。

第二，深部化。我們必須關注決定上海地面沉降的三四百米厚的第四系松散層。然而，掌握托住松散層的基底更是決定性的和戰略性的。雖然目前上海深部比較穩定，但是一旦那種小概率的事件發生，將是毀滅性的。要及時地向決策者提出預警，這樣才能獲得戰略性支持，并徹底扭轉在決策中的位置。

第三，韌性化。韌性城市在大的方面涉及兩方面問題，一方面是地面建筑物問題，另一方面是地下結構問題。地面建筑韌性結構、地下的韌性結構，未來能不能適應上海復雜的地面沉降形勢，是這個工作的最大考驗。地面建筑實際上受地下結構制約，地下決定地上，而地下決定于基底，基底決定著工程地質。深部地質工作對于打造一個穩定的上海、韌性的上海至關重要。

此外，還要補充的是，在地面沉降領域要建設開放科學的生態，這包括三個方面：

第一個方面，我們積累了大量的經驗數據，我們要開放共享。我們國家地面沉降涉及到了地下水、石油和礦產開采導致的沉降，涉及各個部門，不同部門間的數據交流和啟發非常重要。我們要率先建立這方面的數據庫，實現一種大數據的共享。

第二個方面，實現各個行業關于地面沉降方面的合作。我們現在的研究還不是很開放，各個大學、各個行業都有“墻”，有著明顯的邊界。對于學者間的合作，這種邊界是不行的。我們應該推動知識的共享、研究經驗的共享，但目前我們做得不是很好。由于這兩個因素，知識的積累，數據的積累和學者間研究經驗不能共享，使得很多研究是低水平的重復。重復，高水平也變成了低水平了，這導致我們取得不了一個很好的研究成果。開放科學實際上是研究為什么是這樣？開放科學生態建設的兩個方面，一是大數據的共享、知識的共享，然后是研究者之間的合作。

第三個方面，實現共享實質上是實現知識的量變到質變。要真正解決我們國家地面沉降問題，需要質變性成果。關于地面沉降研究，我們有了幾十年的經驗，國際上應該有上百年的歷史。積累了這么多的經驗數據，實際上這是量變，我們現在開始要做質變的飛躍，把地面沉降研究推進到一個新的水平。

本 刊：在您領銜負責的中國礦業大學“深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室”的展廳墻上有一段話令人印象深刻：“真正的學問，不在書本中，不在高樓里，而在科學實驗中，在現場實際考察中！”您能否對“真正的學問”，再解釋一下，讓我們領會得更深一點。另外，加強基礎地質研究離不開人才隊伍的建設，您對青年地質工作者有怎樣的期許？

何院士：真正的學問就是要解決現在的學問解決不了的問題，那個學問不是書本上的學問，是老師沒有做出來，學生也沒做出來的學問。到哪去找答案？到實驗室，到工程實踐。只有這樣才能夠實現量變到質變。學為日益，不斷地積累知識。積累知識是為了什么？是為了悟道，是為了量變到質變，質變就是真正的需要。真正的學問應該是能夠解決國家面臨的問題、城市面臨的問題等等，這樣的學問必須是實踐出真知。所以，考核不能僅僅是寫文章，寫文章可能“紙上談兵”，但是“打不了仗”，解決不了實際問題。真正能解決實際問題，那叫真正的本事，這是我們的理解。

不管愿不愿意承認，地質基礎工作決定了一個城市的未來。對于青年工作者而言，面向未來的城市安全，僅僅掌握過去傳統的地質是沒有未來的。面向未來的城市安全，涉及到了地質的基礎和建筑的安全問題，以及受到一些力的打擊和一些地震動荷載的作用下是否安全的問題。所以，青年地質工作者要想有所作為，除了地質學基礎，必須要有力學基礎。這樣，才能分析清楚地質體和未來工程間的相互作用，才能回答能不能安全的問題。目前存在一個尷尬的現象，回答一個城市的安全，搞力學的不懂地質，搞地質的不懂力學。因此，當下青年地質工作者必須跨界學習，跨領域擴大自己的知識。另外，未來青年地質工作者要在計算機科學和信息科學上完善自己，因為未來的工作要靠智能化。未來地質學要變成熱門，變成對社會更有用，青年地質工作者就必須要學習計算機科學來武裝自己，成為新時期我們城市安全的守護者。能為城市安全做出貢獻，未來的青年才有未來。