地球系统论视角下的我国城市地质调查范式与实现路径

陈建平　田毅

关键词：地球系统科学论;文献综述法;后城市化;城市地质调查范式

[第一作者简介]

陈建平，1959年生，男，中国地质大学（北京）教授、博士生导师，俄罗斯自然科学院院士，俄罗斯工程院院士，中国地质学会数学地质与地学信息专业委员会主任，北京市国土资源信息研究开发重点实验室主任。长期从事矿产勘查、城市地下空间资源定量评价与规划、遥感与GIS技术应用领域的教学和科研工作，主持完成各类科研项目100余项，获部省级科技成果一等奖1项、二等奖3项、三等奖3项，拥有国家发明专利6项、软件著作权19项，发表100余篇学术论文，出版10余部学术专著。E-mail：3s@cugb.edu.cn。

城市地质资源与环境以地球圈层为载体，是影响城市居民生活和生产活动的各种自然（包括人工干预下形成的第二自然）力量（物质和能量）及其作用的复合体，其对于城市的产生、发展甚至衰落等均有着巨大影响。通过全面、系统的城市地质调查，摸清城市地质资源与环境特征，可以明晰城市所处发展阶段、城市中人与自然交互作用机理，为城市生态化建设及城市可持续发展提供决策依据（住房和城乡建设部城乡规划司等，2010）。自20世纪70年代起，受“新城市主义”“传统邻里发展”“公交主导”“紧凑发展”“精明增长”等新型城市发展观影响，世界不少国家开始了后城市化时代的城市地质资源与环境综合调查探索，不少城市按照前瞻性、层次性、科学性原则，基于“临近性”胜于“可达性”思路，开展生态城市视角下的城市地质条件综合调查，为立体、综合的城市更新服务（Miyakeetal.，1993）。如瑞典斯德哥尔摩、法国巴黎、英国伦敦、日本东京、美国波士顿等城市通过城市地下空间资源调查与评价，探索利用其恒温、恒湿、恒压、稳定等特性，拓展城市发展空间，节约土地、水、能源等资源，缓解热岛、雾霾、交通拥堵等新型城市灾害，进而实现城市居住、生活、生产平衡发展，城市生态环境大大改善。

与国外不同，我国城市化开始晚、发展快，加之多种地质资源与环境高强度或不合理开发，使得我国很多城市环境具有高密度、高能量、多功能、变化快、不稳定等特征。同时，受自然条件影响，我国已发展、可发展的大型、特大型城市主要集中在“胡焕庸线”以东地区，客观要求我国多数城市只能依托其所在区地形、地貌、岩土、水资源条件等，兼顾季候风、构造断裂影响，在探明城市地质资源与环境特征基础上，建设韧性城市，促进城市生态修复与环境改善（刘英群，2000）。因此，无论是从城市生态格局、效应、服务功能，还是从城市生态安全看，地球系统理论支撑的城市地质资源与环境调查始终是我国城市生态文明建设的根基。

为此，以北京、深圳、上海、青岛、南京、成都、西安等城市为代表，我国自20世纪90年代就已经开始了不同目的、不同尺度、不同要素的城市地質调查，依托相关成果发展“数字城市”，促进城市生态文明建设工作，成效显著（童林旭，2002）。例如：北京通过“海绵城市”建设，大力发展城市湿地公园，储存夏季雨洪，不但有效减少了城市洪灾，还能很好地补给地下水、改善城市自然人文景观，同时也有效降低了城市地面沉降、雾霾、热岛影响;深圳针对城市地势东高西低、中心区花岗岩低丘台地地貌明显以及暴雨季造成水土流失的情况，通过城市河道疏通与自然景观建设，很好解决了城市水土保持问题。

考虑到我国城市地质综合调查兴起不久，本文力图在梳理已有研究基础上，从地球系统科学视角重新审视城市发展中的资源与环境问题，进而提出以“数字城市”为依托、以地下空间资源开发利用为重点的城市地质调查新范式，为我国城市可持续发展提供决策参考。

1研究方法与过程

基于城市环境研究对象的复杂性与研究过程的系统性考量，本文以CNKI数据库为平台，以“城市生态”“地质调查”为主题词检索该库1981—2021年相关文章，并对检索结果按学科领域筛选，概要归纳出城市地质研究的重点与热点。进而，以北京市中心城区为例，提出地球系统科学指导下的我国城市地质调查新范式及时实现路径建议。

研究过程：1）我国生态城市背景下的城市地质调查发展历史与现状梳理。主要统计CNKI库1981—2021年涉及“城市生态”“地质调查”相关论文数量变化，明确我国生态城市背景下的城市地质研究历史与现状。从研究趋势看，我国此类研究始于20世纪80年代中期;20世纪90年代后，受工业化、城市化快速推进影响，相关研究逐步增多;进入21世纪后，随着国家把生态文明建设纳入中国特色社会主义事业总体战略、国家4万亿经济振兴计划的推出，2008—2010年生态城市视角下的城市地质研究进入第一个高峰期;此后增速趋缓，但总体仍呈增长态势;2016年后，自然资源统一管理，国土空间规划与生态修复不断推进，相关工作又出现逐步加快趋势。从研究重点看，分析1981—2021年2000余篇相关文献关键词可知，我国生态城市视角下的地质调查研究呈百花齐放特点，先后有3500余个关键词累计出现近9000次，出现频数小于30次的关键词约3100个，排名靠前的主要是生态格局、生态效应、生态安全等词汇。从研究领域看，虽然也有从工程岩土地质、环境科学与资源利用、宏观经济管理角度研究城市地质资源与环境的，但从地球系统科学视角开展面向生态文明建设的城市地质调查研究并不多见。2）地球系统理论支撑的城市地质调查范式构建与实现路径研究。进一步分析国内外生态城市相关地质调查研究可知，与国外发达国家城市相比，我国此类研究仍有一定差距。随着我国城市化不断推进，针对城市发展中的现实问题，引入地球系统科学理论，开展城市地质资源与地质环境特征综合调查，探索海绵城市、韧性城市、立体城市发展之路，是我国城市生态文明建设的必然。考虑到城市发展受自然、经济、人口、社会等因素影响，按照城市化程度可将一个城市发展分为萌芽起步、发展成熟、逐步衰退阶段，不同阶段要面临的发展挑战亦不同。因此，地球系统理论支撑的城市地质调查范式构建与实现路径探索需要结合具体城市发展阶段研判，明确城市的生态城市建设尺度与重点，进而提出地质调查评价建议。

2研究结果

2.1研究区概况

本文以北京中心城区为研究区，开展地球系统理论支撑的城市地质调查范式构建与实现路径研究。该区地处华北大平原北端京津冀经济带内，是我国重要的政治、经济、文化、社会中心。中心城区位于燕山山前北京小平原，地势西北高东南低，总体地势平坦;山前区海拔80～150m，其他区海拔20～60m，坡降小于1‰。因地处温暖带半湿润大陆季风带，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，春季干旱多风沙，加之近40年受城市快速发展影响，城区交通拥堵、地面过度硬化、人口集中、地下水超采，雾霾、雨洪、地面沉陷等城市灾害频发，自然景观大大减少、生态斑块破碎，生态環境问题复杂，大大制约着北京可持续性发展。已有研究表明，无论如何发展，作为城市多个发展轴、带与次级中心交汇区的中心城区始终是北京生态环境发展核心压力区。探究该区地球系统理论支撑的城市地质调查范式，对于北京及华北地区生态文明建设均有着重要意义。

2.2基于地球系统理论的城市地质调查范式构建

2.2.1城市发展阶段研判

从北京城市起源与发展看，北京有3000余年建城史、1000余年建都史（于德源，2008）。目前，北京已经度过了基于特定地质资源与地质环境开发利用的城市萌芽起步期与缓慢发展期，正按照集约、节约、紧凑、绿色的发展理念，进入了全面推进城市化进程的发展成熟期。受此影响，有序更新、节约资源、保护环境，是北京今后10～30年城市发展的重点。北京中心城区则需要在做好城市用地结构优化与内部挖潜的基础上，以城市河流绿地空间结构优化、生态基础设施完善为重点，基于城市地质综合调查结果，大力发展海绵城市、韧性城市，实现城市地上与地下的协同开发，促进城市生态文明建设。

具体而言，根据《北京城市总体规划（2016—2035年）》可知，2020—2030年是北京按照新城市主义理念实现“精明增长”型的城市更新，建成国际化、现代化的“生态城市”关键期。本着尊重历史与现状，协调资源与环境、地上与地下、城市与周边发展的思路，该期北京生态城市建设需要重点考虑：1）地上要优化不同用地功能单元的空间结构、建设较开阔的生态隔离带、交错布局多种用地以及恢复城市自然河网水系，实现城市中心区的生活和就业单元混合、生态和生活用地平衡，控制城市蔓延，提升城市抵御自然灾害风险的能力;2）地下要在已有“管线+民防+交通”发展模式基础上，大力开发城市地下空间资源的承载功能（如地铁、地下商场、地下管线等的建设）、容纳功能（如地下水库、油库、图书馆等的建设）、生态功能（如污染过滤、空气净化、噪声隔离设施等的建设）、能源功能（冬季地热、夏季冷凝、地热利用等基础条件的建设），提升地下空间资源开发利用的层次与规模。基于以上两方面的工作，开拓城市新的发展空间，释放地表用地压力，还蓝天碧水给城市，从而彻底解决北京的多种城市病。

2.2.2城市建设尺度分析

基于上述研判，结合北京城市发展现状可知，受多种因素影响，北京生态城市建设中面临的典型城市病，很大程度上与该市地质条件关系密切。平面上：1）受区内地质构造与北东-南西向断裂带分布影响，北京中心城区城市尺度的用地格局在大尺度上条块分布显著;2）受北京小平原内部多个第四系盆地结构影响，区内的街道尺度生态环境本底条件差异显著;3）受地热、地下水、沙土结构、古河道分布及经济、社会、交通、区位等因素影响，区内街区尺度的土地利用类型、强度各异，城区内部具有多个生态环境高风险区，局部灾害问题显著。纵向上：该区地下物质成分复杂，深部有不同类型岩石、次浅部有不同质地与密度沙土及第四纪填充物、浅部或近地表有建筑残留、垃圾及人类遗迹。加之这些地下物质水化学差异明显，不同区域的地下物质有着明显不同N、P、K构成及不同pH值，会对城市居民生产、生活产生气、味及心理影响。

基于上述分析可知，地球系统科学视角下的城市地质调查应重点针对街道尺度、街区尺度的海绵城市、韧性城市建设要求，系统调查地下浅部（0～-10m）、次浅（-10～-30m）、次深（-30～-50m）、深部（-50～-100 m）物质成分与结构特征，以地表沉降、岩土稳定性弱、地下水过采与污染、断裂构造稳定性弱等问题为驱动，评价城市资源环境特征。

2.2.3城市地质资源与环境联合效应评价

现有的与城市生态环境问题相关的城市地质调查研究多侧重城市地表景观格局与生态效应影响研究、城市生态服务价值评价等（许力飞，2014;陈利顶等，2013;毛齐正等，2015）;而地球系统科学视角下的面向城市未来发展生态安全问题的城市地质调查研究则还需要兼顾城市地下的工程与水文地质工作，从城市平稳发展与极端韧性发展两方面，探索如何通过地质调查评价，探究城市资源环境问题解决之道。在此，可引入“地质场”理念（表1），根据这些问题的场论分析结果，开展城市地质调查，获得城市不同地质资源环境场的成因、类型、规模、影响程度等信息，评价城市地质资源环境联合效应，提出城市可持续发展建议（表2）。

具体调查评价时：1）对于城市生态系统格局与环境类问题，可使用样带分析法，研究城市化过程对景观格局演变的影响;利用神经网络模型、元胞自动机、系统动力学模型等模拟城市景观格局演变与城市形态扩展规律;利用最小累积阻力模型研究城市空间扩展约束因素与空间抑制机制（张亮，2018）。2）对于城市人居环境恶化、生态系统失衡类问题，可利用InVEST模型计算生态系统服务生物物理量和价值量，采用最小累计模型分析城市生物多样性及城市生态服务价值及分区（吴蒙等，2013）;利用旅行成本法和条件价值法可评估城市非物质生态价值（如旅游地质资源价值），进行城市生态系统建设决策，提出基于古河道恢复、城市湿地公园建设建议（李想等，2019）。3）对于城市生态安全分类问题，可引入辐射传输模型法、单窗方法、劈窗算法、灰色系统分析法等，研究热岛与相关因素关联关系（Onishi et al.，2010;Papangelis et al.，2012;朱丽等，2019;黄焕春等，2019）;基于DPSIR模型、空间动态面板模型、主成分回归法等构建城市雾霾治理测度指数、提出治理方案（郭爱君等，2018;陈诗一等，2018;马嫣然，2017）;采用历史灾情法、模型模拟法研究雨洪灾害，提出治理建议（张会等，2019;焦士兴等，2009;高珊等，2011）。

2.3城市地质调查范式北京中心城区应用探索

根据北京城市发展相关研究可知，预计2030年后随着网络技术、3D-GIS建模技术、地球深部探测技术、多介质地下防渗漏防坍塌等技术全面推广普及，北京将进入以“智慧城市”为依托的后城市化时代。受此影响，北京中心城区城市地质调查工作应突出“数字地球”支持，充分发挥城市地质资源地质环境优势，加大城市地上与地下一体式发展的调查与评价，形成基于地球系统理论的北京中心城区城市地质综合调查工作体系，为城市可持续发展服务。具体可优先开展以下几方面工作：

1）城市基础设施类的地质调查与评价。选择岩土工程结构较稳定、地热资源丰富地区大力开展“地下城”建设相关的地质调查与评价，如在北京奥运村、小汤山地区，根据地热利用与地下水资源保护协调利用的要求，综合考虑地下勘察技术、盾构掘进技术、地下工程衬砌自动控制技术等的优缺点，优化施工功法，把输水、排（污）水、电力、煤（燃）气、通信、供热等多种基础设施全部纳入地下，解决壅塞、雨洪与热岛等问题。

2）城市老城更新类的地质调查与评价。利用地下空间资源在文物保护中有防护性、抗震性、环境稳定性与外界隔离性特点，在二环以里老城区进行文物保护与基础设施更新、居民生活条件改善、旅游资源开发等协调规划类的地质调查与评价，探索如何发展地下文物储藏中心、地下图书馆、地下车库等，实现老城区全面保护与城市宜居水平的大幅度提升。

3）城市水资源约束破解的地质调查与评价。在海淀区洼里地区、蓟门桥元大都遗址公园、朝阳区奥森公园等地表低洼、砂黏土为主区，大力开展“海绵城市”相关的土壤地质、工程地质、水文地质调查与评价，探索如何利用土壤过滤收集雨水，在洼里、莲花池等地下水源补养地，通过地下水循环建立地下“水银行”，按排、汇、渗、蓄、储一条龙式方式缓解城市供水问题。

3结论与讨论

综合而言，随着科学技术的进步和国家生态文明建设政策导向的影响，我国已进入生态城市快速发展期。本文结合北京中心城区实际情况，研究认为我国城市地质调查应该以地球系统科学为基础，针对城市典型生态环境问题，开展城市地上地下一体化的多维、多源、多要素的“地质资源环境场”调查，以此为依托为海绵城市、共同沟、地下城建设等服务。这种调查是一种有效发挥城市地质资源与地质环境优势，体现后现代时代城市价值观、环境观、经济观、制度观、层次观等的协同发展理念，实现城市可持续发展的城市地质工作新范式。

考虑到城市地质资源与环境構成及演替的复杂性，这一范式应用时需要兼顾一个城市的自然、经济、技术、人文条件，优化实施方案，包括：1）调查范围与单元的选择应结合目标城市发展历程、现状、未来机遇与挑战，选择兼容构造、岩土、景观等不同特征的自然单元，结合区域资源环境综合承载力分析结果，确定调查范围，确保调查更有针对性;2）生态城市建设下的城市地质调查范式所依托的关键技术选择，要综合考虑城市科技发展、地区经济实力、民众可接受度进行方法集成，确保调查工作经济高效;3）调查内容选择要兼顾城市自然、市政、人防、交通、园林等多部门管理要求，统筹规划、政策保障、经济引导，不超前也不明显滞后。当满足上述几条后，城市地质工作就可以为我国城市分期、分批、分街区精细建设城市微生态系统，确保城市更新更科学、更经济、更合理，为全面落实城市生态文明战略服务。