陳建平　田毅

關鍵詞：地球系統(tǒng)科學論;文獻綜述法;后城市化;城市地質調查范式

[第一作者簡介]

陳建平，1959年生，男，中國地質大學（北京）教授、博士生導師，俄羅斯自然科學院院士，俄羅斯工程院院士，中國地質學會數(shù)學地質與地學信息專業(yè)委員會主任，北京市國土資源信息研究開發(fā)重點實驗室主任。長期從事礦產(chǎn)勘查、城市地下空間資源定量評價與規(guī)劃、遙感與GIS技術應用領域的教學和科研工作，主持完成各類科研項目100余項，獲部省級科技成果一等獎1項、二等獎3項、三等獎3項，擁有國家發(fā)明專利6項、軟件著作權19項，發(fā)表100余篇學術論文，出版10余部學術專著。E-mail：3s@cugb.edu.cn。

城市地質資源與環(huán)境以地球圈層為載體，是影響城市居民生活和生產(chǎn)活動的各種自然（包括人工干預下形成的第二自然）力量（物質和能量）及其作用的復合體，其對于城市的產(chǎn)生、發(fā)展甚至衰落等均有著巨大影響。通過全面、系統(tǒng)的城市地質調查，摸清城市地質資源與環(huán)境特征，可以明晰城市所處發(fā)展階段、城市中人與自然交互作用機理，為城市生態(tài)化建設及城市可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)（住房和城鄉(xiāng)建設部城鄉(xiāng)規(guī)劃司等，2010）。自20世紀70年代起，受“新城市主義”“傳統(tǒng)鄰里發(fā)展”“公交主導”“緊湊發(fā)展”“精明增長”等新型城市發(fā)展觀影響，世界不少國家開始了后城市化時代的城市地質資源與環(huán)境綜合調查探索，不少城市按照前瞻性、層次性、科學性原則，基于“臨近性”勝于“可達性”思路，開展生態(tài)城市視角下的城市地質條件綜合調查，為立體、綜合的城市更新服務（Miyakeetal.，1993）。如瑞典斯德哥爾摩、法國巴黎、英國倫敦、日本東京、美國波士頓等城市通過城市地下空間資源調查與評價，探索利用其恒溫、恒濕、恒壓、穩(wěn)定等特性，拓展城市發(fā)展空間，節(jié)約土地、水、能源等資源，緩解熱島、霧霾、交通擁堵等新型城市災害，進而實現(xiàn)城市居住、生活、生產(chǎn)平衡發(fā)展，城市生態(tài)環(huán)境大大改善。

與國外不同，我國城市化開始晚、發(fā)展快，加之多種地質資源與環(huán)境高強度或不合理開發(fā)，使得我國很多城市環(huán)境具有高密度、高能量、多功能、變化快、不穩(wěn)定等特征。同時，受自然條件影響，我國已發(fā)展、可發(fā)展的大型、特大型城市主要集中在“胡煥庸線”以東地區(qū)，客觀要求我國多數(shù)城市只能依托其所在區(qū)地形、地貌、巖土、水資源條件等，兼顧季候風、構造斷裂影響，在探明城市地質資源與環(huán)境特征基礎上，建設韌性城市，促進城市生態(tài)修復與環(huán)境改善（劉英群，2000）。因此，無論是從城市生態(tài)格局、效應、服務功能，還是從城市生態(tài)安全看，地球系統(tǒng)理論支撐的城市地質資源與環(huán)境調查始終是我國城市生態(tài)文明建設的根基。

為此，以北京、深圳、上海、青島、南京、成都、西安等城市為代表，我國自20世紀90年代就已經(jīng)開始了不同目的、不同尺度、不同要素的城市地質調查，依托相關成果發(fā)展“數(shù)字城市”，促進城市生態(tài)文明建設工作，成效顯著（童林旭，2002）。例如：北京通過“海綿城市”建設，大力發(fā)展城市濕地公園，儲存夏季雨洪，不但有效減少了城市洪災，還能很好地補給地下水、改善城市自然人文景觀，同時也有效降低了城市地面沉降、霧霾、熱島影響;深圳針對城市地勢東高西低、中心區(qū)花崗巖低丘臺地地貌明顯以及暴雨季造成水土流失的情況，通過城市河道疏通與自然景觀建設，很好解決了城市水土保持問題。

考慮到我國城市地質綜合調查興起不久，本文力圖在梳理已有研究基礎上，從地球系統(tǒng)科學視角重新審視城市發(fā)展中的資源與環(huán)境問題，進而提出以“數(shù)字城市”為依托、以地下空間資源開發(fā)利用為重點的城市地質調查新范式，為我國城市可持續(xù)發(fā)展提供決策參考。

1研究方法與過程

基于城市環(huán)境研究對象的復雜性與研究過程的系統(tǒng)性考量，本文以CNKI數(shù)據(jù)庫為平臺，以“城市生態(tài)”“地質調查”為主題詞檢索該庫1981—2021年相關文章，并對檢索結果按學科領域篩選，概要歸納出城市地質研究的重點與熱點。進而，以北京市中心城區(qū)為例，提出地球系統(tǒng)科學指導下的我國城市地質調查新范式及時實現(xiàn)路徑建議。

研究過程：1）我國生態(tài)城市背景下的城市地質調查發(fā)展歷史與現(xiàn)狀梳理。主要統(tǒng)計CNKI庫1981—2021年涉及“城市生態(tài)”“地質調查”相關論文數(shù)量變化，明確我國生態(tài)城市背景下的城市地質研究歷史與現(xiàn)狀。從研究趨勢看，我國此類研究始于20世紀80年代中期;20世紀90年代后，受工業(yè)化、城市化快速推進影響，相關研究逐步增多;進入21世紀后，隨著國家把生態(tài)文明建設納入中國特色社會主義事業(yè)總體戰(zhàn)略、國家4萬億經(jīng)濟振興計劃的推出，2008—2010年生態(tài)城市視角下的城市地質研究進入第一個高峰期;此后增速趨緩，但總體仍呈增長態(tài)勢;2016年后，自然資源統(tǒng)一管理，國土空間規(guī)劃與生態(tài)修復不斷推進，相關工作又出現(xiàn)逐步加快趨勢。從研究重點看，分析1981—2021年2000余篇相關文獻關鍵詞可知，我國生態(tài)城市視角下的地質調查研究呈百花齊放特點，先后有3500余個關鍵詞累計出現(xiàn)近9000次，出現(xiàn)頻數(shù)小于30次的關鍵詞約3100個，排名靠前的主要是生態(tài)格局、生態(tài)效應、生態(tài)安全等詞匯。從研究領域看，雖然也有從工程巖土地質、環(huán)境科學與資源利用、宏觀經(jīng)濟管理角度研究城市地質資源與環(huán)境的，但從地球系統(tǒng)科學視角開展面向生態(tài)文明建設的城市地質調查研究并不多見。2）地球系統(tǒng)理論支撐的城市地質調查范式構建與實現(xiàn)路徑研究。進一步分析國內外生態(tài)城市相關地質調查研究可知，與國外發(fā)達國家城市相比，我國此類研究仍有一定差距。隨著我國城市化不斷推進，針對城市發(fā)展中的現(xiàn)實問題，引入地球系統(tǒng)科學理論，開展城市地質資源與地質環(huán)境特征綜合調查，探索海綿城市、韌性城市、立體城市發(fā)展之路，是我國城市生態(tài)文明建設的必然。考慮到城市發(fā)展受自然、經(jīng)濟、人口、社會等因素影響，按照城市化程度可將一個城市發(fā)展分為萌芽起步、發(fā)展成熟、逐步衰退階段，不同階段要面臨的發(fā)展挑戰(zhàn)亦不同。因此，地球系統(tǒng)理論支撐的城市地質調查范式構建與實現(xiàn)路徑探索需要結合具體城市發(fā)展階段研判，明確城市的生態(tài)城市建設尺度與重點，進而提出地質調查評價建議。

2研究結果

2.1研究區(qū)概況

本文以北京中心城區(qū)為研究區(qū)，開展地球系統(tǒng)理論支撐的城市地質調查范式構建與實現(xiàn)路徑研究。該區(qū)地處華北大平原北端京津冀經(jīng)濟帶內，是我國重要的政治、經(jīng)濟、文化、社會中心。中心城區(qū)位于燕山山前北京小平原，地勢西北高東南低，總體地勢平坦;山前區(qū)海拔80～150m，其他區(qū)海拔20～60m，坡降小于1‰。因地處溫暖帶半濕潤大陸季風帶，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，春季干旱多風沙，加之近40年受城市快速發(fā)展影響，城區(qū)交通擁堵、地面過度硬化、人口集中、地下水超采，霧霾、雨洪、地面沉陷等城市災害頻發(fā)，自然景觀大大減少、生態(tài)斑塊破碎，生態(tài)環(huán)境問題復雜，大大制約著北京可持續(xù)性發(fā)展。已有研究表明，無論如何發(fā)展，作為城市多個發(fā)展軸、帶與次級中心交匯區(qū)的中心城區(qū)始終是北京生態(tài)環(huán)境發(fā)展核心壓力區(qū)。探究該區(qū)地球系統(tǒng)理論支撐的城市地質調查范式，對于北京及華北地區(qū)生態(tài)文明建設均有著重要意義。

2.2基于地球系統(tǒng)理論的城市地質調查范式構建

2.2.1城市發(fā)展階段研判

從北京城市起源與發(fā)展看，北京有3000余年建城史、1000余年建都史（于德源，2008）。目前，北京已經(jīng)度過了基于特定地質資源與地質環(huán)境開發(fā)利用的城市萌芽起步期與緩慢發(fā)展期，正按照集約、節(jié)約、緊湊、綠色的發(fā)展理念，進入了全面推進城市化進程的發(fā)展成熟期。受此影響，有序更新、節(jié)約資源、保護環(huán)境，是北京今后10～30年城市發(fā)展的重點。北京中心城區(qū)則需要在做好城市用地結構優(yōu)化與內部挖潛的基礎上，以城市河流綠地空間結構優(yōu)化、生態(tài)基礎設施完善為重點，基于城市地質綜合調查結果，大力發(fā)展海綿城市、韌性城市，實現(xiàn)城市地上與地下的協(xié)同開發(fā)，促進城市生態(tài)文明建設。

具體而言，根據(jù)《北京城市總體規(guī)劃（2016—2035年）》可知，2020—2030年是北京按照新城市主義理念實現(xiàn)“精明增長”型的城市更新，建成國際化、現(xiàn)代化的“生態(tài)城市”關鍵期。本著尊重歷史與現(xiàn)狀，協(xié)調資源與環(huán)境、地上與地下、城市與周邊發(fā)展的思路，該期北京生態(tài)城市建設需要重點考慮：1）地上要優(yōu)化不同用地功能單元的空間結構、建設較開闊的生態(tài)隔離帶、交錯布局多種用地以及恢復城市自然河網(wǎng)水系，實現(xiàn)城市中心區(qū)的生活和就業(yè)單元混合、生態(tài)和生活用地平衡，控制城市蔓延，提升城市抵御自然災害風險的能力;2）地下要在已有“管線+民防+交通”發(fā)展模式基礎上，大力開發(fā)城市地下空間資源的承載功能（如地鐵、地下商場、地下管線等的建設）、容納功能（如地下水庫、油庫、圖書館等的建設）、生態(tài)功能（如污染過濾、空氣凈化、噪聲隔離設施等的建設）、能源功能（冬季地熱、夏季冷凝、地熱利用等基礎條件的建設），提升地下空間資源開發(fā)利用的層次與規(guī)模?；谝陨蟽煞矫娴墓ぷ?，開拓城市新的發(fā)展空間，釋放地表用地壓力，還藍天碧水給城市，從而徹底解決北京的多種城市病。

2.2.2城市建設尺度分析

基于上述研判，結合北京城市發(fā)展現(xiàn)狀可知，受多種因素影響，北京生態(tài)城市建設中面臨的典型城市病，很大程度上與該市地質條件關系密切。平面上：1）受區(qū)內地質構造與北東-南西向斷裂帶分布影響，北京中心城區(qū)城市尺度的用地格局在大尺度上條塊分布顯著;2）受北京小平原內部多個第四系盆地結構影響，區(qū)內的街道尺度生態(tài)環(huán)境本底條件差異顯著;3）受地熱、地下水、沙土結構、古河道分布及經(jīng)濟、社會、交通、區(qū)位等因素影響，區(qū)內街區(qū)尺度的土地利用類型、強度各異，城區(qū)內部具有多個生態(tài)環(huán)境高風險區(qū)，局部災害問題顯著?？v向上：該區(qū)地下物質成分復雜，深部有不同類型巖石、次淺部有不同質地與密度沙土及第四紀填充物、淺部或近地表有建筑殘留、垃圾及人類遺跡。加之這些地下物質水化學差異明顯，不同區(qū)域的地下物質有著明顯不同N、P、K構成及不同pH值，會對城市居民生產(chǎn)、生活產(chǎn)生氣、味及心理影響。

基于上述分析可知，地球系統(tǒng)科學視角下的城市地質調查應重點針對街道尺度、街區(qū)尺度的海綿城市、韌性城市建設要求，系統(tǒng)調查地下淺部（0～-10m）、次淺（-10～-30m）、次深（-30～-50m）、深部（-50～-100 m）物質成分與結構特征，以地表沉降、巖土穩(wěn)定性弱、地下水過采與污染、斷裂構造穩(wěn)定性弱等問題為驅動，評價城市資源環(huán)境特征。

2.2.3城市地質資源與環(huán)境聯(lián)合效應評價

現(xiàn)有的與城市生態(tài)環(huán)境問題相關的城市地質調查研究多側重城市地表景觀格局與生態(tài)效應影響研究、城市生態(tài)服務價值評價等（許力飛，2014;陳利頂?shù)龋?013;毛齊正等，2015）;而地球系統(tǒng)科學視角下的面向城市未來發(fā)展生態(tài)安全問題的城市地質調查研究則還需要兼顧城市地下的工程與水文地質工作，從城市平穩(wěn)發(fā)展與極端韌性發(fā)展兩方面，探索如何通過地質調查評價，探究城市資源環(huán)境問題解決之道。在此，可引入“地質場”理念（表1），根據(jù)這些問題的場論分析結果，開展城市地質調查，獲得城市不同地質資源環(huán)境場的成因、類型、規(guī)模、影響程度等信息，評價城市地質資源環(huán)境聯(lián)合效應，提出城市可持續(xù)發(fā)展建議（表2）。

具體調查評價時：1）對于城市生態(tài)系統(tǒng)格局與環(huán)境類問題，可使用樣帶分析法，研究城市化過程對景觀格局演變的影響;利用神經(jīng)網(wǎng)絡模型、元胞自動機、系統(tǒng)動力學模型等模擬城市景觀格局演變與城市形態(tài)擴展規(guī)律;利用最小累積阻力模型研究城市空間擴展約束因素與空間抑制機制（張亮，2018）。2）對于城市人居環(huán)境惡化、生態(tài)系統(tǒng)失衡類問題，可利用InVEST模型計算生態(tài)系統(tǒng)服務生物物理量和價值量，采用最小累計模型分析城市生物多樣性及城市生態(tài)服務價值及分區(qū)（吳蒙等，2013）;利用旅行成本法和條件價值法可評估城市非物質生態(tài)價值（如旅游地質資源價值），進行城市生態(tài)系統(tǒng)建設決策，提出基于古河道恢復、城市濕地公園建設建議（李想等，2019）。3）對于城市生態(tài)安全分類問題，可引入輻射傳輸模型法、單窗方法、劈窗算法、灰色系統(tǒng)分析法等，研究熱島與相關因素關聯(lián)關系（Onishi et al.，2010;Papangelis et al.，2012;朱麗等，2019;黃煥春等，2019）;基于DPSIR模型、空間動態(tài)面板模型、主成分回歸法等構建城市霧霾治理測度指數(shù)、提出治理方案（郭愛君等，2018;陳詩一等，2018;馬嫣然，2017）;采用歷史災情法、模型模擬法研究雨洪災害，提出治理建議（張會等，2019;焦士興等，2009;高珊等，2011）。

2.3城市地質調查范式北京中心城區(qū)應用探索

根據(jù)北京城市發(fā)展相關研究可知，預計2030年后隨著網(wǎng)絡技術、3D-GIS建模技術、地球深部探測技術、多介質地下防滲漏防坍塌等技術全面推廣普及，北京將進入以“智慧城市”為依托的后城市化時代。受此影響，北京中心城區(qū)城市地質調查工作應突出“數(shù)字地球”支持，充分發(fā)揮城市地質資源地質環(huán)境優(yōu)勢，加大城市地上與地下一體式發(fā)展的調查與評價，形成基于地球系統(tǒng)理論的北京中心城區(qū)城市地質綜合調查工作體系，為城市可持續(xù)發(fā)展服務。具體可優(yōu)先開展以下幾方面工作：

1）城市基礎設施類的地質調查與評價。選擇巖土工程結構較穩(wěn)定、地熱資源豐富地區(qū)大力開展“地下城”建設相關的地質調查與評價，如在北京奧運村、小湯山地區(qū)，根據(jù)地熱利用與地下水資源保護協(xié)調利用的要求，綜合考慮地下勘察技術、盾構掘進技術、地下工程襯砌自動控制技術等的優(yōu)缺點，優(yōu)化施工功法，把輸水、排（污）水、電力、煤（燃）氣、通信、供熱等多種基礎設施全部納入地下，解決壅塞、雨洪與熱島等問題。

2）城市老城更新類的地質調查與評價。利用地下空間資源在文物保護中有防護性、抗震性、環(huán)境穩(wěn)定性與外界隔離性特點，在二環(huán)以里老城區(qū)進行文物保護與基礎設施更新、居民生活條件改善、旅游資源開發(fā)等協(xié)調規(guī)劃類的地質調查與評價，探索如何發(fā)展地下文物儲藏中心、地下圖書館、地下車庫等，實現(xiàn)老城區(qū)全面保護與城市宜居水平的大幅度提升。

3）城市水資源約束破解的地質調查與評價。在海淀區(qū)洼里地區(qū)、薊門橋元大都遺址公園、朝陽區(qū)奧森公園等地表低洼、砂黏土為主區(qū)，大力開展“海綿城市”相關的土壤地質、工程地質、水文地質調查與評價，探索如何利用土壤過濾收集雨水，在洼里、蓮花池等地下水源補養(yǎng)地，通過地下水循環(huán)建立地下“水銀行”，按排、匯、滲、蓄、儲一條龍式方式緩解城市供水問題。

3結論與討論

綜合而言，隨著科學技術的進步和國家生態(tài)文明建設政策導向的影響，我國已進入生態(tài)城市快速發(fā)展期。本文結合北京中心城區(qū)實際情況，研究認為我國城市地質調查應該以地球系統(tǒng)科學為基礎，針對城市典型生態(tài)環(huán)境問題，開展城市地上地下一體化的多維、多源、多要素的“地質資源環(huán)境場”調查，以此為依托為海綿城市、共同溝、地下城建設等服務。這種調查是一種有效發(fā)揮城市地質資源與地質環(huán)境優(yōu)勢，體現(xiàn)后現(xiàn)代時代城市價值觀、環(huán)境觀、經(jīng)濟觀、制度觀、層次觀等的協(xié)同發(fā)展理念，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的城市地質工作新范式。

考慮到城市地質資源與環(huán)境構成及演替的復雜性，這一范式應用時需要兼顧一個城市的自然、經(jīng)濟、技術、人文條件，優(yōu)化實施方案，包括：1）調查范圍與單元的選擇應結合目標城市發(fā)展歷程、現(xiàn)狀、未來機遇與挑戰(zhàn)，選擇兼容構造、巖土、景觀等不同特征的自然單元，結合區(qū)域資源環(huán)境綜合承載力分析結果，確定調查范圍，確保調查更有針對性;2）生態(tài)城市建設下的城市地質調查范式所依托的關鍵技術選擇，要綜合考慮城市科技發(fā)展、地區(qū)經(jīng)濟實力、民眾可接受度進行方法集成，確保調查工作經(jīng)濟高效;3）調查內容選擇要兼顧城市自然、市政、人防、交通、園林等多部門管理要求，統(tǒng)籌規(guī)劃、政策保障、經(jīng)濟引導，不超前也不明顯滯后。當滿足上述幾條后，城市地質工作就可以為我國城市分期、分批、分街區(qū)精細建設城市微生態(tài)系統(tǒng)，確保城市更新更科學、更經(jīng)濟、更合理，為全面落實城市生態(tài)文明戰(zhàn)略服務。