缔造“理想城市” ——北京市多参数立体地质调查项目侧记

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缔造“理想城市” ——北京市多参数立体地质调查项目侧记

http://www.chinamining.com.cn 2008年12月30日 作者:窦 涛 孙宇浩 段金平 中国矿业报

　　2008年的北京奥运会吸引了世界的目光。毋庸置疑，鸟巢是这座城市目前最耀眼的建筑。可是，如果把恢宏壮丽的鸟巢翻个底朝天，会发现一个怎样的地下世界呢？
　　透过地质学家的眼睛，你会看见：就在鸟巢周围奥运公园中心区的地下，赋予这座城市生命的地下水在缓缓渗流；一种特殊的“洼里砾岩”深藏其中，危害极大；数百米之外，潜伏着北京市著名的黄庄—高丽营活动断裂带；它北边的地层中，则蕴藏着丰富的清洁地热能……
　　出现在人们眼前的这幅令人惊叹的充满活力的景象，并非异想天开。不仅仅是鸟巢，北京整个城市的地下迷宫如今也可尽收眼底，这要归功于近日宣布完成的北京市多参数立体地质调查项目。由国土资源部和北京市政府历时4年合作开展的这一国土资源大调查项目，诞生了世界上首个特大型首都城市智能化三维地质信息管理与服务系统。　　　

抚摸北京地下万象
　　城市是人类对地球认识、改造过程中产生的集中居住地。在北京市多参数立体地质调查项目技术负责人、北京市地勘局副局长吕晓俭看来，要想真正地了解北京这座城市，最好懂一点地质，了解她脚下大地的秉性和脾气。
　　城市三维立体地质调查在2001年北京申奥成功后，即进入地质专家的视线。随着大规模城市建设的全面展开，迫切需要查明城市的三维地质结构。不仅如此，北京城区周边矿山地质环境恢复治理、城市地质灾害监测防治、地下水环境监测、新兴绿色能源浅层地温能开发、城市地下轨道交通等地下空间建设等这些关乎城市地质安全的重要问题，也日益有赖于地质专业的解决途径。2002年10月，北京市地勘局向北京市政府提出了“进一步加强首都城市地质工作建议”。
　　2003年启动修编的北京城市总体规划目标的实现，也迫切需要地质数据的支持。随后，国土资源部与北京市政府在2004年签署了《北京市多参数立体地质调查》项目协议，决定投入4450万元启动我国首个省部合作实施城市地质立体调查项目。
　　毫无疑问，这是一项浩大的工程。经过4年多的努力，北京市地勘局的地质专家们踏遍了8400平方千米的工作区，野外调查点逾5万个，绘制1∶25万北京地理底图等135幅地图，调查总体数据量超过453万个……
　　在项目研究最终集大成之作的智能化三维地质信息管理与服务系统中，人们可以清晰地触摸自然界赋予北京城市生存与发展之根——水、土、灾害、环境、能源系统，洞悉人类活动与其相互作用所带来的种种挑战。不仅仅是鸟巢所在的奥林匹克公园区，CBD、通州新城、亦庄新城……北京城市地下万象，尽可收入眼底，甚至像Google Earth那样实现“飞翔”功能，畅游地下空间。
解剖城市地质结构
　　多参数立体地质调查项目所要做的，就是“解剖”城市真实的物理基础——复杂的地下地质世界，求解它的物质组成和地质结构，认清进行人类工程活动的地质条件约束，服务城市规划、建设以及管理等需要，同时还要兼顾更新对于北京市基础地质的认识。
　　与传统地质调查不同的是，此次开展的三维地质结构调查是对历史上较少开展工作的北京平原区的新生代沉积物及下伏基岩的分布、空间形态、岩性、厚度与构造的关系进行“摸底”。
　　吕晓俭比喻说，城市三维地质结构调查就像切蛋糕一样“切开”北京大地，解剖它的真实“肌理”与“骨骼”。
　　根据《北京城市总体规划》和已有地质工作程度，项目组提出“三圈三层”的平原区三维地质结构调查，即：面上工作区分为一般区、六环路以内区和重点区，垂直上划分新生界层、工程建设层（0米-50米）和基岩层三层。通过“三圈三层”不同尺度的地层结构空间分布的详细调查研究，查明了不同尺度下北京平原区地层结构的空间分布规律。利用数字可视化技术，采用地质钻孔与地质剖面相结合的方法，建立了前新生代地层、新生代地层和工程建设层的地层三维结构数字模型。同时，他们还结合北京城市大规模奥运场馆建设和新城规划进行了专项研究；完成了北京市平原区、亦庄新城区、顺义新城区、通州新城区、奥运公园区和CBD重点区共计6个三维地质结构模型，建立了不同研究区域的三维地质结构模型，深度刻划了北京市平原区和各新城区、重点区的地层结构，为城市规划、土地利用和工程建设管理提供了充分的依据。
　　“在项目研究区，如果政府想在任一地方规划工程建设项目，都可以立即查询这项成果，了解这一地层是否适合大型工程施工，以及施工过程中可能出现的工程地质问题。而且这一查询过程通过三维地质结构模型模拟，可以变得像切蛋糕一样容易和有趣。”吕晓俭告诉记者。　　　　
守护城市地质安全
      北京市地勘局实施的三维城市地质调查的一项重要内容，就是查明在城市及周边地区或潜在城市化地区的特定空间范围内，保障一个城市的经济、人民生活和社会经济可持续发展所必需的安全的地质条件。
      2003年9月，北京市地勘局先期紧急启动了多参数立体地质调查项目的子课题——奥运场区专项地质调查。经过精确勘察研究，调查人员发现，北京奥运公园和五棵松体育馆的场址位于黄庄-高丽营断裂带附近，该断裂属于活动断裂，高层建筑物如果横跨断裂带则对建筑物安全构成一定威胁。在对奥运场馆周边地区的调查中，地质人员重点对该断裂带的准确位置、宽度和断裂活动进行了勘察研究，并将潜在危险性的精确数据提交到奥组委和规划委等有关部门。最终确定的规划方案中，奥运场馆的建筑物成功避让了横跨断裂带，安全性得到了保证。
      为了解奥运公园运动员村一带岩溶的分布情况，调查人员精心布设了一条物探试验剖面，长度约1千米，采用高密度电法和高分辨率浅层地震方法进行了试验，根据试验结果，调查人员对洼里地区岩溶塌陷危险性进行了分区，并从地下水开发利用、工程建设等方面提出了防治措施。     　　　　
构筑城市资源新体系
　　“在城市发展和资源环境之间必须建立健康、可持续的互动，只有这样才能为我们的后代保持一个宜居的家园。”吕晓俭说。
　　北京的地下水资源量还有多少，关系着这座国际化大都市的可持续发展。在多参数立体地质调查的一系列成果中，对维系北京生存与发展的地下水的研究与认识，达到了前所未有的深度。
　　根据三维地层结构研究的成果，项目组对北京地下水进行了系统研究，划分出山区基岩裂隙水、山区岩溶裂隙水、山前岩溶裂隙水、平原区第四系松散孔隙水和平原区隐伏岩溶裂隙水等5个子系统，综合研究和评价得出北京平原区地下水开采量年均为21亿立方米。
　　在摸清地下水资源家底的同时，为了提高城市供水保证程度，减少新的环境地质问题，项目组提出，应在不影响正常地下水开采的条件下，优化地下水开采空间布局，开采城市外围有余量的水源，在尚有应急潜力的地区建立应急供水水源地，以保证城市供水要求。
　　2010年南水北调全线贯通后，北京市的供水水源结构将发生变化，南水北调工程将每年提供10亿立方米水量，将对减轻地下水的供水压力、养蓄地下水起到重要作用。项目组建议应以此为契机建立地下水战略储备体系，实现北京地下水、地表水的联合调度和联合调蓄，进而使地下水环境得到改善，减缓地面沉降、水质恶化等不良环境地质问题的继续恶化，使地下水资源做到可持续利用，确保首都供水安全。      
搭建城市地质信息平台
　　项目组研发出我国也是世界上首个特大首都城市智能化三维地质信息管理与服务系统，是北京市多参数立体地质调查成果评审会上的最大亮点。
　　利用现代数据库技术、GIS技术、三维可视化技术及计算机网络技术设计开发出来的这一数字平台，包括基岩地层三维地质结构模型、新生界地层三维地质结构模型、城市工程建设层三维地质结构模型以及城市地下水流模型与仿真显示。
　　以基岩地层三维地质结构模型为例，利用贯穿北京城区的17条地质剖面，项目研究人员将地层按以系为单位划分为14个地质对象，生成92个地质体，33个断层，面积约1209平方千米。该模型的神奇之处在于，它把以往仅仅蕴含在地质学者脑海中的北京市地下地质体及其形态构造，直观形象地展现在城市管理者、规划设计师和岩土工程师的面前。
　　工作人员向记者演示了北京市城市地质信息管理与服务系统的“妙用”：在工程施工中，可以根据工程路线的走向勾画出地质剖面图，模拟生成地下空间中的三维地质结构和水文条件变化等，规避活动断裂带等不良地质条件。
　　北京市地勘局副局长吕晓俭介绍说，借助这个三维数字化平台，可以清晰地透视北京城市的“地下迷宫”，为城市规划决策、重大工程前期论证、市政工程建设和城市地质灾害应急反应指挥等提供科学依据，促进城市地质资源的合理开发利用和生态环境的保护。

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