趙玉婷，劉洪華,3，江國(guó)會(huì)，閆君，董杰，王青，牟斌,徐紅兵

1.青島地質(zhì)工程勘察院(青島地質(zhì)勘查開(kāi)發(fā)局)，山東 青島 266000;2.山東省地礦局 城市地質(zhì)與地下空間資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266000;3.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266000；4.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺(tái) 264004

0 引言

青島是開(kāi)展城市地質(zhì)調(diào)查的示范城市之一，近幾年在城市空間規(guī)劃、資源開(kāi)發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和地質(zhì)災(zāi)害防治等領(lǐng)域開(kāi)展綜合研究。目前國(guó)內(nèi)城市地質(zhì)已經(jīng)具有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展水平和研究規(guī)模，研究范圍已由地表發(fā)展到地下空間，主要經(jīng)歷“基礎(chǔ)地質(zhì)為主、科學(xué)研究為導(dǎo)向”、“重視地震地質(zhì)”和“優(yōu)先研究巖土工程和地質(zhì)災(zāi)害”等3個(gè)發(fā)展歷程[1]，由支撐服務(wù)多元化逐步向精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變，即將邁入高效化和系統(tǒng)化的成熟發(fā)展階段。

城市地質(zhì)學(xué)屬于地球科學(xué)領(lǐng)域一支較新的地質(zhì)學(xué)分支學(xué)科，是一門關(guān)于在城市與周邊地區(qū)特定空間范圍內(nèi)，綜合調(diào)查城市空間、資源、環(huán)境和災(zāi)害等各種地質(zhì)要素，為城市建設(shè)、規(guī)劃和管理等服務(wù)的地質(zhì)應(yīng)用性學(xué)科[2--7]。2000年以后，城市地質(zhì)技術(shù)方法逐精準(zhǔn)化，國(guó)內(nèi)外先后運(yùn)用GIS--模糊綜合評(píng)判法、AHP--模糊綜合方法結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)、專家打分法和綜合分值法結(jié)合ArcGIS軟件、敏感因子--綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法，分別對(duì)天津、北京、武漢和鄭州等城市進(jìn)行地下空間資源開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)；繼加拿大之后的美國(guó)、法國(guó)等國(guó)家，運(yùn)用工程數(shù)學(xué)模型和GIS應(yīng)用相結(jié)合，建立了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估系統(tǒng)，并構(gòu)建GIS的3D地質(zhì)及地下結(jié)構(gòu)模型，為區(qū)域選擇最優(yōu)開(kāi)挖方式，有助于地下空間開(kāi)發(fā)利用和城市規(guī)劃[8--21]。

筆者主要基于2018年青島市主城區(qū)和藍(lán)色硅谷區(qū)域開(kāi)展城市地質(zhì)調(diào)查工作，以調(diào)查對(duì)象為要素重點(diǎn)開(kāi)展城市水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)與地下空間適宜性評(píng)價(jià)等研究，力求達(dá)到為青島市建設(shè)規(guī)劃服務(wù)。最后對(duì)城市地質(zhì)進(jìn)行了展望，為未來(lái)城市地質(zhì)調(diào)查指明方向。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

膠萊盆地是山東最大的中生代陸相沉積盆地，研究區(qū)地處膠萊盆地東部隆起區(qū)，根據(jù)盆地地質(zhì)、地貌特征，主要區(qū)域斷裂以NE、NEE走向?yàn)橹?；海岸帶大地?gòu)造位置位于即墨--滄口斷裂和青島--嶗山凸起(V1)(該凸起NW以滄口--溫泉斷裂為界，南部以黃海為界)的東南部[21--22](圖1)。

圖1 膠萊盆地構(gòu)造位置圖(據(jù)文獻(xiàn)[21])Fig.1 Tectonical location of Jiaolai Basin

城市地質(zhì)調(diào)查鉆遇的地層主要為中生界下白堊統(tǒng)萊陽(yáng)群(K1L)、青山群(K1Q)，上白堊統(tǒng)王氏群(K2W)、新生界第四系全新統(tǒng)(Q)及白堊紀(jì)嶗山序列侵入巖地層?；鶐r以火成巖為主，包括分布廣泛的花崗巖、部分安山巖和玄武巖類等巖漿巖，少量的火山角礫巖和凝灰?guī)r等碎屑巖。

2 城市地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

隨著科技進(jìn)步，青島城市地質(zhì)學(xué)的發(fā)展不但促進(jìn)了工程、水文、環(huán)境和海岸帶等地質(zhì)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，使各學(xué)科互相滲透、研究?jī)?nèi)容不斷延伸[1--7]，并且深入到自然資源、國(guó)土空間、生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害等國(guó)計(jì)民生相關(guān)領(lǐng)域[1--25]，具有跨時(shí)代意義。本次主要以水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為青島市城市規(guī)劃、建設(shè)等提供地質(zhì)依據(jù)，并對(duì)今后城市地質(zhì)調(diào)查指明方向。

截至2018年底，青島主要在主城區(qū)和藍(lán)色硅谷開(kāi)展工程地質(zhì)和水文地質(zhì)鉆探等工作，面積分別為363 m2和91 km2(圖2)，針對(duì)不同發(fā)展階段地區(qū)布置工程地質(zhì)鉆孔64口，水文地質(zhì)鉆孔14口，最深鉆孔200 m。以獲取地下數(shù)據(jù)，鉆井取芯，探查巖性、土地層及軟弱夾層等變化，進(jìn)行巖性、土體分層，劃分巖、土體結(jié)構(gòu)類型等。

圖2 研究區(qū)位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of location in study area

2.1 水文地質(zhì)條件

經(jīng)過(guò)水質(zhì)測(cè)試和分析，研究區(qū)水文地質(zhì)類型主要為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙水和基巖塊狀裂隙水。依據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848--2017)的地下水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法，地下水質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)按單因子評(píng)價(jià)結(jié)果最差的類別確定水質(zhì)綜合類別。研究區(qū)所取水樣經(jīng)評(píng)價(jià)顯示，地下水質(zhì)量主要為Ⅲ～Ⅴ類，水質(zhì)異常主要指標(biāo)為鎘、錳、全硬度、溶解性總固體和硝酸根等，個(gè)別出現(xiàn)揮發(fā)酚污染、鐵和鋅等超標(biāo)。目前，主要水文地質(zhì)問(wèn)題為水質(zhì)污染和海水入侵，主要污染原因是生活污水、工業(yè)污水的排放以及農(nóng)業(yè)污染，又為近海地帶海(咸)水入侵，使水質(zhì)進(jìn)一步惡化。

2.1.1 地下水動(dòng)態(tài)變化特征及富水性

受降水制約，水位季節(jié)性變化明顯，動(dòng)態(tài)曲線呈波狀起伏，總體年際間變化規(guī)律為：遇豐水年水位回升，枯水年水位下降。

松散巖類孔隙水集中在城陽(yáng)區(qū)西南部、李滄區(qū)西部和市南區(qū)北部地區(qū)，其單井涌水量為500～3 000 m3/d；藍(lán)色硅谷南部和北部地區(qū)亦發(fā)育，單井涌水量多<500 m3/d，水位年變幅1.45～3.60 m。

碎屑巖類孔隙裂隙水集中在藍(lán)色硅谷北部和東南角發(fā)育，單井涌水量主要集中在100～1 000 m3/d，水位年變幅1.45～3.60 m，變幅較大。新鉆井主城區(qū)9口水井單井的涌水量在7.20～331.00 m3/d；藍(lán)色硅谷城區(qū)5口水井單井的涌水量在36.42～224.09 m3/d。

基巖(巖漿巖)塊狀裂隙水集中在市北區(qū)、市南區(qū)中南部地區(qū)和藍(lán)色硅谷中部，單井涌水量多<100 m3/d，水位變幅1.5～5.0 m。

綜合監(jiān)測(cè)結(jié)果，青島地區(qū)第四紀(jì)松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙水的富水性良好，好于巖漿巖類孔隙水。

2.1.2 地下水地化特征分析

圖3 2018年水文井水質(zhì)檢測(cè)分析圖Fig.3 Water quality monitoring and analysis charts of hydrological wells in 2018

2.2 工程地質(zhì)特征

根據(jù)青島市新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略對(duì)城市地質(zhì)調(diào)查工作的需求，地質(zhì)鉆探64口，鉆探進(jìn)尺5 418.15 m，鉆孔布設(shè)在空白區(qū)以及典型的地形地貌單元上，鉆探揭示部分工程地質(zhì)地層和特殊土類型。鉆遇基巖主要存在3種風(fēng)化類型，包括微風(fēng)化、中風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化3種類型，巖性主要為碎屑巖、安山巖和花崗巖等(圖4)。

圖4 研究區(qū)鉆孔巖芯Fig.4 Drilling cores in study area

2.2.1 巖石基本分級(jí)特征

按照鐵路隧道巖石基本分級(jí)，綜合考慮深部巖體節(jié)理發(fā)育程度、風(fēng)化程度和孔隙度等，巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度定性劃分主要依據(jù)錘擊聲清脆、錘擊聲有回彈、震手及不易擊碎等特點(diǎn)(表1)，再根據(jù)定量指標(biāo)圍巖縱波彈性速度基本>4.5 km/s，僅在個(gè)別鉆孔孔深120.0 m或126.5 m處出現(xiàn)1～2 m的聲速約3.9 km/s，因此判定研究區(qū)深部巖體屬于硬巖--極硬巖，巖體較完整--完整，工程地質(zhì)條件良好。

表1 研究區(qū)巖石(土)工程地質(zhì)特征統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of engineering geological characteristics of rocks (soil) in study area

2.2.2 巖石工程力學(xué)性質(zhì)分析

按照巖石強(qiáng)度分類(表2)，研究區(qū)巖樣單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc為35.28～94.75 MPa，對(duì)比發(fā)現(xiàn)測(cè)試的樣品屬與半堅(jiān)硬巖--堅(jiān)硬巖；經(jīng)測(cè)試密度為2.47～2.63 g/cm3，巖石屬于致密巖石(表3)。

表2 巖石強(qiáng)度分類表Table 2 Classification of rock strength

通常巖石的吸水率是由其中空隙的數(shù)量和大小、顆粒相互排列的方式，由是否容易潮濕和從空隙中排除空氣的情況等因素決定。吸水率愈小巖石愈緊密堅(jiān)硬，一般堅(jiān)硬的火成巖其吸水率往往不超過(guò)1%，一些密實(shí)的沉積巖為3%±，一些疏松的沉積巖則常達(dá)8%或8%以上。巖石的吸水率愈大，則其工程性質(zhì)就愈差。通過(guò)測(cè)試，研究區(qū)巖樣的吸水率為0.009%～1.212%，屬于密實(shí)堅(jiān)硬的巖石(表3)。

表3 研究區(qū)巖樣測(cè)試數(shù)據(jù)表Table 3 Test data of rock samples in study area

2.3 環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題

地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境相應(yīng)相生，現(xiàn)階段根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)和研究程度從地質(zhì)災(zāi)害角度闡明城市地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。經(jīng)核查區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)共366處，其中已治理106處，仍存在260處地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)。地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的穩(wěn)定狀態(tài)根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件和人類活動(dòng)進(jìn)行分類，可分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)三級(jí)(表4)，存在的地質(zhì)災(zāi)害類型有崩塌、滑坡和泥石流3種，其中崩塌226處，滑坡29處，泥石流5處。崩塌占地質(zhì)災(zāi)害隱患總量的87%，因此崩塌是構(gòu)成人民生命財(cái)產(chǎn)安全、影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)及社會(huì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的主要環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。

表4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)基本情況一覽表Table 4 Summary of basic conditions of geological disaster-prone areas

目前正在積極采用先進(jìn)技術(shù)手段對(duì)地質(zhì)災(zāi)害、氣象風(fēng)險(xiǎn)和資源環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將多方面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合至監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害或氣象風(fēng)險(xiǎn)潛發(fā)性等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[26--35]。

2.4 城市地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的認(rèn)識(shí)

通過(guò)研究區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)的基礎(chǔ)勘查和綜合評(píng)價(jià)，得到以下認(rèn)識(shí)：①地下水可劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和巖漿巖類孔隙裂隙水，開(kāi)發(fā)潛力大。一般松散巖類孔隙含水巖組的單井涌水量300～3 000 m3/d、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組的單井涌水量<100～1 000 m3/d、巖漿巖類孔隙裂隙含水巖組的單井涌水量<100 m3/d。青島地區(qū)第四紀(jì)松散巖類孔隙水的富水性最好。青島現(xiàn)在急需尋找并保護(hù)水源地。②淺層較新鮮的巖體為大多數(shù)為塊狀層狀結(jié)構(gòu)，致密、堅(jiān)硬；強(qiáng)風(fēng)化巖石呈碎裂、散體結(jié)構(gòu)，為半堅(jiān)硬--軟弱巖體；巖體結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度呈對(duì)應(yīng)關(guān)系；研究區(qū)巖體工程地質(zhì)性質(zhì)良好。③地質(zhì)災(zāi)害與地質(zhì)環(huán)境相應(yīng)相生，現(xiàn)階段地質(zhì)災(zāi)害亦是城市地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題之一。其崩塌占地質(zhì)災(zāi)害隱患總量的87%，因此崩塌是構(gòu)成人民生命財(cái)產(chǎn)安全、影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)及社會(huì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的主要環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。

3 城市地下空間適宜性評(píng)價(jià)

國(guó)內(nèi)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家在開(kāi)發(fā)利用城市空間方面己經(jīng)取得了突破性進(jìn)展[34--35]，城市地下空間開(kāi)發(fā)利用已具有相當(dāng)?shù)乃胶鸵?guī)模，進(jìn)入了系統(tǒng)化的成熟發(fā)展階段：由單項(xiàng)功能向地下綜合體地下城轉(zhuǎn)變，把0～100 m規(guī)劃為淺層(0～15 m)、次淺層(15～30 m)和深層(30～100 m)的三層地下空間，包括地下交通層、商務(wù)區(qū)、科教或金融服務(wù)區(qū)、物流服務(wù)區(qū)、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施和垃圾收運(yùn)系統(tǒng)等；個(gè)別城市開(kāi)始嘗試開(kāi)發(fā)深層智慧型地下空間系統(tǒng)[23--32]。

3.1 適宜性評(píng)價(jià)方法

目前適宜性評(píng)價(jià)中應(yīng)用方法和理論較多，根據(jù)青島地區(qū)建設(shè)工程和地下空間利用的特點(diǎn)，并對(duì)研究區(qū)內(nèi)調(diào)查的地形地貌、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)和人類活動(dòng)等進(jìn)行全面分析；利用層次分析法進(jìn)行因子權(quán)重確定，進(jìn)行因子量化處理，得出相對(duì)權(quán)重值，根據(jù)這些權(quán)重進(jìn)行判斷；選用專家聚類法與模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法相結(jié)合的方法進(jìn)行城市建設(shè)和地下空間利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)，其中采用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法一級(jí)評(píng)價(jià)，采用專家聚類法進(jìn)行二級(jí)評(píng)判(表5)。

表5 城市地下空間資源開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境影響因素分級(jí)Table 5 Classification of influencing factors of geological environment for urban underground space resource development

3.2 適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)量化

對(duì)于評(píng)價(jià)中各個(gè)因子，依據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專家咨詢以及《巖土工程勘察規(guī)范》( GB 500071--2001，2009年版)、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007--2011)、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011--2010 2016年版)、《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50218--2014等規(guī)范與規(guī)程，依據(jù)地下空間資源各影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建青島城市地下空間資源潛力模糊綜合評(píng)價(jià)的因素集和評(píng)語(yǔ)集，采用模糊定性方法確定隸屬度，通過(guò)地形地貌、工程地質(zhì)、不良地質(zhì)作用和人為因素等因素指標(biāo)量化。目標(biāo)層A為地下開(kāi)發(fā)空間利用適宜性的結(jié)果，根據(jù)精度和實(shí)用性，將適宜性劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，共4級(jí)。

3.3 地下空間適宜性評(píng)價(jià)

目前青島藍(lán)色硅谷核心區(qū)淺層做了較詳細(xì)的地下空間適宜性評(píng)價(jià)，將地下空間資源開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性分為即適宜性優(yōu)區(qū)(Ⅰ)、適宜性良區(qū)(Ⅱ)、適宜性差區(qū)(Ⅲ)和不適宜區(qū)(Ⅳ)4級(jí)，在圖中以深綠、綠、黃、紫4種顏色表示(圖5)。按照目前的評(píng)價(jià)因子和權(quán)重青島藍(lán)色硅谷核心區(qū)地下空間并沒(méi)有不適宜區(qū)，在東側(cè)沿海一線個(gè)別區(qū)域存在適宜性差區(qū)。這一認(rèn)識(shí)將為今后核心區(qū)規(guī)劃布局的優(yōu)化、空間轉(zhuǎn)型的升級(jí)奠定客觀基礎(chǔ)并提供地質(zhì)依據(jù)。

圖5 青島藍(lán)色硅谷核心區(qū)淺層(0～15 m)地下空間資源開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)示意圖Fig.5 Schematic diagram of zoning of geological environment suitability for shallow (0～15 m) underground space resource development in core area of Qingdao Blue Silicon Valley

目前，中國(guó)適合濱?；鶐r城市的地下空間適宜性評(píng)價(jià)體系處于探討階段，對(duì)地下空間評(píng)價(jià)要素分類、評(píng)價(jià)因子賦值等都有待進(jìn)一步系統(tǒng)化，這將是今后工作的重要方向。

4 城市地質(zhì)展望

新時(shí)期應(yīng)該以全新的思路開(kāi)展城市地質(zhì)調(diào)查，借鑒國(guó)內(nèi)外成熟的研究方法和技術(shù)，今后研究重點(diǎn)集中體現(xiàn)在3S和三維等信息技術(shù)。結(jié)合青島區(qū)域特點(diǎn)，未來(lái)城市地質(zhì)調(diào)查的重點(diǎn)是利用前期獲取的基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)，注重城市信息化平臺(tái)建設(shè)，不斷完善地下空間開(kāi)發(fā)利用、海岸帶環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題、地下水應(yīng)急后備水源地調(diào)查、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和三維地質(zhì)建模技術(shù)等，具體圍繞以下幾點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)查明城市地質(zhì)環(huán)境條件與資源狀況，確定適合區(qū)域地質(zhì)等特征的地下空間適宜性評(píng)價(jià)方法，科學(xué)評(píng)價(jià)地下空間資源開(kāi)發(fā)利用潛力和環(huán)境承載能力，綜合利用城市地下空間資源。

(2)開(kāi)展地下水應(yīng)急后備水源地調(diào)查，提出應(yīng)急水源地規(guī)劃方案和應(yīng)急供水方案，分析地下水資源，為城市安全供水保障提供科學(xué)依據(jù)。

(3)查明海岸帶地下水咸化及污染等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題、海岸帶重大工程規(guī)劃區(qū)地質(zhì)安全問(wèn)題和臨港工業(yè)區(qū)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，開(kāi)展陸海統(tǒng)籌海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查。

(4)提高地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，逐步建立城市地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)預(yù)警和趨勢(shì)預(yù)警信息系統(tǒng)，前期重點(diǎn)是完善數(shù)據(jù)庫(kù)管理、提高地質(zhì)災(zāi)害和氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)。

總之，建設(shè)生態(tài)文明是城市永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)，隨著城市地質(zhì)調(diào)查勘探技術(shù)的成熟、勘探程度的深入和技術(shù)方法的創(chuàng)新，濱?；鶐r城市地質(zhì)調(diào)查工作日益走向自主化和系統(tǒng)化，逐步實(shí)現(xiàn)共生、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、統(tǒng)一和文明的生態(tài)圈。