福州城市地质调查成果在城市发展中的应用

柳文广　郑志强　周国华　庄树裕

(福建省地质调查研究院，福州，350013)

据2016年联合国人居署统计，全球前600位城市居住着世界人口的五分之一，对全球国内生产总值的贡献高达60%[1]。城镇化的不断发展同时使得人口、资源和环境矛盾变得越来越尖锐，对地质工作提出了新的更高的要求。早在20世纪20年代，德国就已经开展了城市地质工作，首次绘制特殊土壤分布图以支撑城市规划工作。经过几十年的蓬勃发展，国外城市地质工作更注重环境和人类的和谐发展理念，在评价城市资源与城市宜居、环境承载力相结合等方面取得了较快的进展[2]。

近年来，我国在城市群、大城市和中小城镇等不同层面组织开展了大量的城市地质调查[3]，尤其是2004年开始在北上广等6个城市开展三维城市地质调查工作试点，开创了“政府主导、体制保障，科技支撑、机制推进，信息共享、服务决策”的地质工作服务地方经济社会发展的新模式，积累了宝贵经验。从2009年起，采用部、省、市的多方合作模式，陆续完成了福州、厦门、苏州、嘉兴、合肥、石家庄、济南等28个城市地质调查工作，其中福州为福建省首批开展该项工作的2个城市之一，已取得了丰富的成果，成功在城市规划、建设、管理等城市发展的各项领域得到了广泛的应用，并取得显著的社会经济效益。

1　主要成果

围绕着福州市城市地质调查的主要目标，确立“查明条件、评价性能，摸清资源、解决问题，汇总信息、实现可视”6大核心任务，归集空间、资源、环境、灾害等多要素属性，查明三维地层结构、工程地质结构和水文地质结构，开展主要断裂活动性、江海岸稳定性、应急水源地等专题调查，评价地下水源、地热资源、地下空间资源及水土环境等质量；优选垃圾卫生填埋场址；建立三维可视化城市地学信息管理服务系统。

1.1　查明城市地质条件

1.1.1第四纪地质

查明了第四纪地层结构、沉积特征，重新厘定了第四纪标准地层层序，建立了重点工作区三维第四纪地质结构模型，为含水系统结构模型、岩土体结构模型的建立奠定了基础。根据同一钻孔中发现的4次第四纪海侵证据，确认了晚更新世早期的海侵*福建省地质调查研究院，闽江口地区地质环境调查，2015。，编制了相应的岩相古地理图，提高了第四纪地质研究程度。

1.1.2工程地质

查明了工程地质条件，建立了重点工作区三维岩土体结构模型，分析了孤石、软土等主要工程地质问题；对福州市不同深度的地下空间开发利用适宜性进行了评价；编制了孤石发育分布图和隧道盾构推进难易程度分区图，为地铁隧道和地下空间开发利用提供了地质依据；实现了区域地质调查成果与重大工程规划建设需求的密切结合，增强了成果的实用性。

1.1.3水文地质

查明了12个主要平原、盆地的水文地质条件，建立了重点工作区三维含水系统结构模型；提交了全域水资源量与地下水质量等级，评价了地下水污染程度与防污性能；为福州中心城区及主要城镇的地下水资源的开发与保护提供了基础数据。采用探采结合的钻探模式大大加强了成果转化应用的时效性与实用性。

1.1.4土壤质量

分析了地表水、地下水、表层土壤等环境地球化学特征，评价了土壤养分丰缺与环境质量，圈定了富硒富锌土壤分布区、优质农业生产基地及重金属元素污染区，对区内的农业资源进行了综合分区，为永久基本农田和“三条红线”的划定提供了技术支撑。

1.1.5地质资源

基本摸清了固体矿产、地热、矿泉水、地质遗迹等地质资源家底和开发利用现状，尤其是查明了福州特有的国石“寿山石”、具有首批“温泉之都”美誉且位于城市中心的地热田等资源，为地质资源的合理开发利用提供了科学依据。

1.2　解决主要环境地质问题

1.2.1区域地壳稳定性

采用地面调查、遥感解译、物探等勘查手段，对金峰—古槐断裂的空间展布进行了确认；应用多因素定量模糊综合评价方法对福州城市区域地壳稳定性作出了定量化评价。

1.2.2地下空间开发利用适宜性

对福州城市地下空间开发常用的明挖法、隧道法2种开挖方式引发的主要环境岩土工程问题进行了分析研究，分析了影响地下空间开发利用的主要因素，应用模糊层次分析法分别针对0～-10 m和-10 m～-30 m的福州城市地下空间开发利用适宜性进行了评价。

1.2.3应急水源地

查明了马鞍山、溪源溪等3处集中式应急水源地的水文地质条件，计算了应急开采资源量，评价了地下水质量，提出了应急开采方案。提交了97处分散式应急供水点，分别编制了“应急供水点手册”，初步划分了应急供水网络，建立了福州城市应急供水信息库，提出了因地制宜、多片式应急供水的决策建议。

1.2.4咸淡水分界

查明了海岸带的类型、闽江南北港冲淤动态变化、海水入侵现状。在闽江三江口至梅花水道、长门水道等地布设11条取样剖面，首次分3次在不同潮水位实施四维立体取样，基本查明了闽江咸潮上溯的范围及其动态特征。

1.2.5地热资源

调查了16处地热点，新圈定8个地热异常区，确定1个重点详查区、3个远景勘查区，新发现1处地热点，研究了福州市地下热水形成机理，为地热资源的合理开发利用提供了科学依据。

1.2.6生活垃圾场址

查明了城市垃圾填埋场处理现状及存在的主要问题，采用层次分析法对福州市垃圾填埋场址的适宜性进行了评价，优选了闽侯半山等9处生活垃圾处理场址，并对此进行了实地分析验证。

1.2.7专项工程地质调查

查明了闽江南北港4条岸线的类型及工程地质条件，分析了主要工程地质问题，编制了闽江和乌龙江“两江四岸”浅基础、桩基础工程建设适宜性分区图，评价了两江河道和沿岸地基条件。

查明了地铁规划沿线工程地质条件(2007年线网规划)，分析了各线路可能存在的主要工程地质问题，编制了7条线路的工程地质剖面图，并对各线路工程地质条件进行了综合分析评价。

1.2.8地质灾害

分析统计了福州市地质灾害发育类型、分布特征，总结了地灾分布特征与规律，对江岸和海岸分布进行了成灾机理研究。采用层次分析法对福州市的地质灾害危险性进行定量分析评价。

1.3　建立可视化模型

1.3.1地质数据库

建立了城市地质数据库(包括原始库、基础库、成果库)，其中收集项目资料5 500多份，钻孔数据20多万个，数据存储量达2.03 TB；基础库中存放具代表性的5 600多个钻孔数据、3 700个调查点数据；成果库中存放成果数据127幅，三维地质模型8个，为福州城市地质信息化建设提供了海量的基础数据。

1.3.2地质信息系统

以盆地分析和古沉积环境分析为基础，构造-地层骨架建模与构造-地层精细刻画相结合、地质知识驱动与系列剖面拓扑推理相结合、结构建模与属性建模相结合，所建立的三维地质模型直观、逼真(图1)，可用于后期的地质分析、预测模型构建；提出的基于体元模型的三维地质体模型动态更新技术，实现了模型的局部动态更新，为进一步开展地质科学研究、城市规划建设与管理以及社会公众服务提供了坚实的支撑平台。

图1　琅岐岛一带三维地层模型Fig.1　Miniature of the 3D earth layer around the Langqi island

2　成果应用

项目成果在城市各级规划的历次修订、重大工程选址、资源开发与保护、城市环境安全等方面得到了及时应用，具有显著的社会和经济效益。

2.1　信息管理服务

(1)资料收集工作贯穿于福州城市地质调查的各个阶段，海量资料几乎涵盖市域地质行业的各个时期、各个领域，各类钻孔及测试成果数量巨大。城市是工程建设相对集中的区域，前人工作成果是非常宝贵的信息资源，具有很高的重复利用价值[4]，建立庞大的地质数据库是福建省一项开创性的工作，是历年基础性、应用性地质资料的大汇总，为项目的实施奠定了坚实的基础，同时也为全市乃至全省后续地质工作的开展提供资料，能有效避免重复工作量的投入，节省大量的人力与资金。

(2)目前地质数据库中的各类成果资料已为地质灾害应急、重大工程选址、矿业权设置等项目提供了及时的信息查询。钻孔资料已为标准地层研究、专项工程地质调查等项目编绘地质剖面时直接引用，为企事业单位找水、温泉等资源提供地层信息的参考借鉴，测试资料已为第四纪地质科学研究、地下水情统计、环境监测等工作直接利用。

(3)地质数据库的应用前景十分广阔，在“互联网+”日新月异的大背景下，启动地质大数据项目建设时，无须二次归集整理，能直接作为基础数据利用，此外，可与数字办的信息发布系统进行数据与系统的双融合，推动福州“智慧城市”建设，为政府决策提供支持。在紧急状态时，地质数据库能及时提供周边地质信息供专业技术人员参考；针对企事业单位与社会公众的需求，在短时间内进行场地周边资料的二次开发，形成咨询简报，加快项目可行性研究的进度。

2.2　应急水源地

(1)相比于地表水的丰枯变化、易污染、易破坏等脆弱性，地下水具有储存量稳定、水质不易受污染、水源不易遭破坏等优点，即使在遭遇极端自然灾害、环境污染、战争等特殊情况下，也能保证在一定时期内连续稳定供水，因此，地下水是最为理想的应急供水水源[5]。应急水源地专题成果提交了3处集中式供水水源点，97处分散式应急供水点，每个调查点均编制有“应急供水点手册”，记载有应急通道、应急开采方式和应急开采量等信息。针对福州地区的特殊水文地质条件，成果中还首次提出汇集孤山残丘发育的各类型地下水实施联网供水的新思路，因地制宜的纳入分散式应急供水点，采取分片组网的方法，构建福州特色的应急供水新模式。

(2)水文地质调查过程中已将成果为福州市江北城区山洪防治及生态补水工程的地下水环境评价工作提供技术支撑。采取探采结合的钻探模式，在福建省神学院、金山公园等地水文钻探后将成果移交给当地部门使用，大大加强了成果转化应用的时效性与实用性。小型农村集中式供水井、古井等作为应急供水点编制了“应急供水点手册”，采集水质分析样品，已将测试成果提供给有关部门，为水源与古迹的保护提供了科学依据。

(3)应急水源地专题的工作方法与示范作用具有显著的应用前景。东南沿海岛屿、半岛的缺水影响着岛上居民或驻军的日常生活，地下水不受雨季变化、铁锰含量高等不利条件影响，能有效解决或缓解这一困境，把水文地质调查的工作方法与断裂构造的富水性特征等运用于缺水地区的找水工作。福州市利用地下水历史悠久，以古井命名的地名遍布城乡，如七星井、八角井、三眼井等，水质普遍良好，部分水井至今仍在使用，专题的调查数据可以用于古井的开采与保护，并能在紧急状况下，及时启用这些应急供水点。

2.3　重大工程选址

(1)福州地铁线网规划至2050年(2012年修编)，福州市整体轨道交通线网将由9条线路组成，线网总长338 km，呈“有环放射式”结构[6]，能极大缓解中心城区交通拥堵。但福州城市工程地质条件复杂，线路施工期间遭遇孤石、过江软硬岩层突变等施工困难问题[7]，延缓了施工周期，增加了施工成本。地铁沿线专题成果中专门分析了各规划线路周边可能出现的主要工程地质问题，尤其是针对俗称盾构施工的“癌症”的孤石问题，推测了各地铁沿线隧道内孤石可能分布的范围(图2)，总结了发育规律，并提出解决建议，同时编制了沿线的工程地质剖面图，评价了各线路工程地质条件。闽江南北港及4条岸线是福州市重要的集滨江休闲、亲水景观、历史文化、商务办公等为一体的区域，“两江四岸”专题调查了沿江岸线类型及工程地质条件，分析了主要工程地质问题，提出了规划建议。

图2　福州地铁沿线孤石发育分布范围三维效果图Fig.2　3D graph of lonestone distributions along the Fuzhou metro routes

(2)地铁规划沿线专项成果已于2013年提交市直相关部门，在当年9月市轨道办进行线网规划调整时列入基础性参考资料直接利用，市地铁公司全程参与了专题的实施过程，正在施工的各条线路均得到应用。尤其是二号线施工前，由市地铁公司组织了管理、勘察、设计、施工、监理等全部参建单位的主要技术人员，召开了主要工程地质问题的专场对接会，相关建议已在后续的施工中得到采纳。因此该成果对于东南沿海丘陵地区，城市地铁规划建设地质调查与地质安全评价具有借鉴意义[8]。“两江四岸”专项成果在福州华侨城帝封江大型文化旅游综合体项目的场址可研方案、总平布局中的应用，尤其是现场调查及钻探成果在场地的地质灾害评估的应用。水文地质调查成果为福州市江北城区山洪防治及生态补水工程提供技术支撑。

(3)工程地质调查及“两江四岸”“地铁规划沿线”等专项工程地质调查等成果在尚未施工的多条地铁线路、交通体系建设的选址及沿江重大工程的可行性研究阶段具有广阔的应用前景。地铁隧道选线应综合考虑沿线工程地质条件，不同的地质背景对于施工成本和安全生产运营等都具有重要影响。利用三维可视化技术沿拟设地铁、隧道线路进行模拟动态开挖，提示沿线可能出现的主要工程地质问题，指导地铁隧道的线网布局[9]，能有效减少投入，加快施工进度。在沿江重大工程选址研究时，利用三维可视化技术沿任意绘制的剖面线截取工程地质剖面图，直观展现地层分布情况、岩性变化特征等，实现地上地下的一体化展示。此外，能为防洪堤、桥梁、亲水体验等建设项目提供岸线类型及工程地质特征等信息。

2.4　城市规划

(1)有关调查表明，我国东部地区的京津冀、长三角、珠三角等大型城市群的49个城市中，有21个城市国土开发过度。其中，上海、天津、深圳等城市国土开发程度已经超过30%的国际警戒线，北京、广州、南京等14个城市为20%～30%，处于过度开发状态，中西部城市武汉和成都分别达到22%和21.9%。城市的无序扩张，必将带来人口膨胀、交通拥堵、环境恶化、资源破坏等一系列问题，这加剧城市负担、制约城市发展，因此做好城市各项规划十分重要。城市总体规划的各个修订阶段、各组团(新城)的总体规划以及众多的专项规划均需要掌握规划区的自然地理(历史地理，江湖河海岸线变迁，古河道、暗湖的分布及其演变等)资料、地震地质资料、自然资源(矿产、地下水、地质遗迹等)资料、地下工程设施(地铁、人防工程等)与地下采空区地质资料、土壤质量等资料。而福州城市地质调查成果报告将上述内容全部涵盖，在应急水源地、地壳稳定性、“两江四岸”、水土污染评价等专题成果中还编绘了地壳稳定性评价分区，农业资源分区，地质灾害易发性分区，工程地质分区，应急水源地开发利用分区等成果图件，能直接为城市各级规划提供技术支撑。

(2)针对福州市政府对马尾新城的规划需求，在“两江四岸”专题成果的基础上，及时编写了“福州市马尾新城工程地质报告”及相关图件，为马尾新城的规划建设提供基础性技术服务，目前马尾新城规划已公布实施。

(3)总项目成果在服务于城市各级规划的不同修订阶段、不同专项规划等方面具有良好的应用前景，新一轮福州城市总体规划(2018-2035年)、福州滨海新城总体规划、福州新区总体规划以及地下空间专项规划、排水防涝专项规划等将相继启动编制或修编。

2.5　咸淡水分界

(1)近几年来，闽江水位呈现出逐渐下降的趋势，咸淡水分界线往上游移动了10多km[10]，咸潮上溯至福州东南水厂、义序水厂、长乐炎山等水源地已成为现实。如长乐炎山取水口2013年10月6日受咸潮影响，氯化物显著升高，对长乐生活及生产用水造成不小的影响；城门水厂2009年2月以来多次受咸潮上溯而被迫停止供水。而沿海区域地下水中咸淡水分界却是朝海洋方向消退，如解放前长乐鹤上东平一带地下水明显为咸水，2012年调查时已逐渐消退为淡水。海水入侵专题成果均针对上述情况进行了充分的调查，通过不同季节在闽江四维立体取样与滨海一带水井取样，统计了陆域咸淡水分界线的位置变化与水体咸潮上溯的位置和时段，分析其形成原因。

(2)城门水厂多次遭遇咸潮上溯后被迫停产，海水入侵专题成果在市自来水公司邀请水利、地质、海洋等行业专家商议对策时，相关监测数据被引用。

(3)长乐滨海一带咸淡水分界的研究成果是针对该现象第一次进行专门取样分析，获得多维度的数据支撑，为进一步科学研究咸淡水分界走势奠定了基础，将来可为水厂合理避开解决咸潮上溯问题提供技术服务，也可为地下基础施工中地下水的腐蚀性提供数据，为当地打井取水提供水质方面的背景数据。

3　结论

(1)福州城市地质调查取得丰富的成果，在项目实施过程中就十分重视成果应用转化的时效性与实用性，项目在运行时就不断推动成果应用与转化，先后应用于马尾新城规划、地铁规划建设、华侨城重大项目建设、应急供水保障、地质灾害排查、矿业权设置等方面，在全国城市地质调查成果应用上具有重要的示范意义。

(2)我国正在大力推进新型城镇化建设，提出了集约、智能、绿色、低碳的城市发展理念，要求转变城市发展方式，优化城市结构布局，拓展城市发展空间，提高城市安全保障水平，着力解决城市病等突出问题，提高城镇化水平。城市地质调查成果将在城市发展过程中逐步得到应用，尤其在基础科学研究、城市规划建设、地下空间开发利用、自然资源保障、空间一体化环境监测、地质信息管理服务等领域将发挥越来越大的作用，具有十分广泛的应用前景。