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  中国地质 2020, Vol. 47 Issue (6): 1668-1676  
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引用本文
林良俊, 马震, 郭旭, Zhang Zhenya, 李亚民. 2020. 城市地质学基础理论探讨[J]. 中国地质, 47(6): 1668-1676.  
Lin Liangjun, Ma Zhen, Guo Xu, Zhang Zhenya, Li Yamin. 2020. Research on basic theory of urban geology[J]. Geology in China, 47(6): 1668-1676. (in Chinese with English abstract).  

城市地质学基础理论探讨
林良俊1,2, 马震1,2, 郭旭1,2, Zhang Zhenya3, 李亚民4    
1. 中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 300170;
2. 中国地质调查局雄安城市地质研究中心, 北京 100037;
3. University of Tsukuba, Japan, 305-8577;
4. 中国地质环境监测院, 北京 100037
摘要:城市地质有近百年的研究历史,学科研究取得了很大的进展,但是总体上看,学科性质存在较多的争论,城市地质学基础理论难于满足现代城市管理的需求,无法为城市高质量发展提供系统完整的地学解决方案。本文系统梳理了国内外城市地质的发展历程和研究进展,进一步明确了城市地质学的学科性质,运用系统理论提出城市地质系统的概念,并基于这一概念,清晰地界定了城市地质学的研究对象,阐述了现代城市地质学的研究内容和技术框架,为今后形成完善的城市地质学理论体系提供研究基础。
关键词城市地质    学科性质    基础理论    系统科学    城市管理    地质调查工程    
中图分类号:P628            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2020)06-1668-09
Research on basic theory of urban geology
LIN Liangjun1,2, MA Zhen1,2, GUO Xu1,2, Zhang Zhenya3, LI Yamin4    
1. Tianjin Center of China Geological Survey, Tianjin 300170, China;
2. Xiong'an Urban Geological Research Center of China Geological Survey, Beijing 100037, China;
3. University of Tsukuba, Japan, 305-8577;
4. China Institute for Geo-Environmental Monitoring, Beijing 100081, China
Abstract: Urban geology has been developed for nearly one hundred years, and great progress has been made in subject property research. However, in general, there are many controversies about the subject property. In addition, it is difficult for the basic theory of urban geology to meet the needs of modern urban management and hence it can not provide a systematic and complete geoscience solution for high-quality urban development. In this paper, the development and research progress of urban geology were systematically studied. The subject property of urban geology was further clarified and a concept was put forward for urban geological system. On the basis of this concept, the research object of urban geology was clearly defined, and the research content and technical framework of modern urban geology were described. The result obtained by the authors provides a research basis for the formation of a perfect theoretical system of urban geology in the future.
Key words: urban geology    subject property    basic theory    system science    urban management    geological survey engineering    

1 引言

19世纪20年代德国出现用于城市规划的地质图,如果以此为城市地质研究的起点,那么至今城市地质已经走过了近百年的研究历史,在支撑服务城市规划建设和运行管理方面发挥了重要的作用,也积累了丰富的实践经验。中国随着新型城镇化战略的推进,城市地质调查研究工作得到了蓬勃发展,但是总体上城市地质研究和城市管理融合度不高,调查研究成果难于得到有效运用,其中重要的原因是对城市地质学科性质认识不清,有的学者认为城市地质属于传统地质学的范畴,是各种地质工作在城市和城市化地区的应用(张友枝等,2003罗国煜等,2004金江军等,2007);有的学者认为它是环境地质学的分支,称为城市环境地质学(方家骅,2000;何中发,2010)。由于学科性质的争论,导致城市地质研究的对象模糊,研究内容和方法五花八门,学科发展缓慢。解决这些城市地质基础理论问题,需要在具体工作实践的基础上,进行总结提炼升华,围绕解决城市管理的一系列重大问题去探索思考,不断为城市管理提供新的指导观念和发展思路,推动城市地质和城市管理的融合,不断获得自身发展的现实动力,最终确立自身的学科地位。

2 学科发展 2.1 城市地质学是以地质学理论为基础发展起来的应用性学科

城市地质学研究起源于城市发展的实际需求,并且随着城市的发展和技术的进步,其研究内容和服务方式在不断演化(表 1)。在学科萌芽阶段(1920s—1960s),针对城市规划建设的基础地质条件,运用普通地质学、工程地质学理论知识,以地面调查、简单试验测试为主,获取土壤、岩石以及土地利用状况等定性描述数据,编制各类城市地质图件,例如,德国编制了用于城市规划的特殊土壤分布图(Hoyningen-Huene P F Von.1931)和标示着各种土地利用适宜性的1:10 000、1:5 000的地质图(Brdning,1940吕敦玉等,2015),开展土壤和岩石的自然属性进行填图(Hageman,1963)。在学科初创阶段(1960s—1990s),Geology and our City(Kaye,1969),Cites and Geology(legget,1973)等专著发表,主要开展废弃物处置、水土污染防治、地质灾害风险性评估、地下水脆弱性评价、多目标地球化学等专题应用研究((Luttig,1978Hafdi,1987冯小铭等,2003),电子化信息提取和处理被用于成果编制和传播。在学科快速发展阶段(1990s—),城市地质工作走向更加综合,工作思路突出为城市发展提供整体解决方案,研究对象涉及了城市规划建设管理所需要的空间、资源、环境、生态等多种地质要素(程光华等,2014张茂省,2018)。GIS、RS、GPS技术以及数字建模技术逐步应用到城市地质领域(Johnson, et al, 2008刘映等,2009龚文峰,2014;屈红刚等,2015),数据采集和处理更加快速,实现了信息及时更新、动态评价和社会共享(图 1)。纵观整个历程可以看出,城市地质学是以地质学的理论为基础,以解决城市规划建设的基础地质条件、资源需求和环境问题为目标,逐渐发展起来的一门应用性学科。

表 1 城市地质不同发展阶段的主要特征 Table 1 Main characteristics of different development stages of urban geology
图 1 城市地质信息系统框架结构 Fig. 1 Framework of urban geological information system
2.2 城市地质学是地球科学与城市管理学融合发展的综合性学科

现代科学呈现出一种分化与综合并行的趋势。一些新兴学科不断分化产生的同时,学科与学科之间相互渗透,无法对其作严格区分,甚至自然科学和人文社会科学之间的界限也正在走向模糊。学科间界限的模糊性使得某些学科的划分实际上只具有相对的意义,但是,模糊化的思维方法能够真实地反映客观事物的复杂性,更有利于我们科学和深入地认识客观事物。城市地质学就是自然科学和人文社会交叉融合产生的。城市地质学不应只是一门纯粹的地质学分支学科,其研究内容还涉及城市管理方面的人文社会学科,特别是与城市规划学、土地科学、城市管理学等有着密切的关联,如果脱离了城市管理而仅从地质学的角度来开展研究,便很难给出符合管理逻辑且技术实用的研究成果。

进入21世纪以来,中国在促进城市地质与城市管理融合方面进行了大量的探索工作。2003年,上海市启动三维城市地质调查试点,通过地质资料集群化产业化,搭建共享服务平台,服务土地利用、工程建设、灾害防治、生态保护等方面取得良好成效(龚士良,2008魏子新等,2010陈华文,2010),探索了上海城市地质信息服务政府管理主流程工作机制(图 2)。2017年,为了更加有效地支撑服务国家城镇化战略,中国地质调查局启动了多要素城市地质调查,提出要聚焦城市规划、建设、运行、管理的重大问题,开展空间、资源、环境、灾害等多要素地质调查,针对一般区和重点区提出了相应的调查技术要求(表 2),出台了城市地质调查行业标准(郝爱兵等,2017)。随后陆续在雄安、武汉、成都、杭州、广州、青岛、西安、南昌、海口等城市,开展多要素城市地质调查试点,各地方也开展了大量的城市地质工作。在全新的城市地质调查思路指引下,城市地质工作加强了相关保障制度和协调机制建设,在空间规划、土地高效开发、资源协同利用、灾害风险管控、生态环境治理等方面,形成了许多研究成果(郝爱兵等,2018彭汉发等,2018高立等,2019闫文晓,2019;魏永耀等,2019),这些有益的实践探索取得了丰富的经验,推进了城市地质学科发展。

图 2 上海城市地质信息服务政府管理主流程框图 Fig. 2 Main schedule of government management of Shanghai urban geological information service
表 2 多要素城市地质调查内容及技术要求 Table 2 Contents and technical requirements of multi-factor urban geological survey
2.3 城市地质学是需要新的基础理论和研究方法的前沿性学科

随着中国城市地质工作的大力推进,调查评价方面的技术研究较多,学科方面的基础理论研究相对较少。孙培善(2004)在《城市地质工作概论》中提出了城市地质工作定义和主要工作任务,指出了城市地质作用的特点;《中国城市地质》对城市地质主要任务、研究内容、城市地质与其他学科关系做了概要论述(中国地质学会城市地质研究会,2005年)。李烈荣等(2012)回顾了进入21世纪以来中国学者对城市地质问题的认识和思考,认为在理论体系上逐步完善,但是这个理论体系侧重在工作理念和勘查评价技术层面。卫万顺等(2008, 2013, 2016, 2018)认为,近10年来城市地质学理论创新取得明显进展,主要表现在创新了城市地质工作发展理念、创立了浅层地温能地质学理论体系、构建了城市地质调查与区域工程地质勘查评价体系三个方面。郑桂森等提出,可持续发展理论是城市地质学的指导理论,围绕城市选址安全、城市规模上限、城市发展保障等三个方面,明确了相应的城市地质核心研究内容,进而提出城市地质基础理论是城市区域地质条件适宜性评价理论、城市区域地质资源环境承载能力评价理论、城市地质作用研究。郝爱兵等(2017)林良俊等(2017)提出多要素城市地质调查的概念,明确城市地质调查工作内容包括构建三维可视化城市地质模型、完善空天地一体化的地质资源环境监测网络、建立开放共享、动态更新的城市地质信息服务与决策支持系统,并指出未来需要突破的城市地质理论和技术。总体上看,目前的城市地质理论体系总体上呈现松散的理论堆积状态,逻辑性还不够严密,对城市地质学科发展的指引性不够。

3 研究对象与内涵

一门学科的研究对象,是由这门学科所研究的现象的特殊本质所决定的。对城市地质研究的现象进行抽象化和本质化,不同的学者有不同的认识,国内有不少关于城市地质研究对象的论述。孙培善(2004)认为,城市地质学研究城市地区或潜在城市化地区资源环境对城市发展的保障与约束,以及城市发展对资源环境的负作用;中国地质学会城市地质研究会(2005)提出,城市地质学的研究对象是城市与地质环境关系及互相作用。这两个表述比较接近城市地质学研究对象的本质,但是还不够准确。基于近十多年来中国城市地质工作的实践,笔者认为,城市地质学研究对象的准确表述应该是城市人类活动与地球表层相互作用的复杂系统(简称“城市地质系统”)。

系统是由相互作用、相互依赖的若干组成部分(要素)按照特定的结构组成的具有特定功能的统一的有机整体。按照这个系统的概念,城市地质系统通过某些特定的规则或者法则将相关的城市地质要素有机组合起来具有特定功能的系统,而不是一个城市区域内所有人类活动要素和地球表层要素简单聚合,因为这种简单的聚合没有研究的意义。从城市管理的角度来看,城市地质系统一般具有4个大的方面的功能(目标),也就是空间利用、资源开发、生态保护、灾害防治。按照城市地质系统功能(目标),梳理出与功能相关的地球表层要素和人类活动要素,以及将这些要素有机组合在一起的相互作用机理认识、管理制度机制等,共同构成一个统一的整体(图 3)。这4个功能系统之间并不是绝对独立的、封闭的,而是存在着互相的联系,互相之间有影响。同时,通过以上分析看出,城市地质功能系统的要素,包括实体要素和概念要素。“实体”要素是指地下水、土壤、岩石等自然要素构成的地球表层要素,以及地表、地下各种工程建筑物等人为要素构成的人类活动要素。“概念”要素是指用于理解系统要素、结构、功能的各类概念、原理、知识,以及调节和管理人地相互作用关系而制定的各类法规、规划方案、技术标准、应急预案等。

图 3 城市地质系统功能框架 Fig. 3 Framework of urban geological system function
4 研究内容与方法 4.1 基础研究

城市地质基础研究的目的是了解城市区域内的地球表层系统的演化和发展规律、人类活动对地球表层系统的作用机理以及有效管理和调节人地相互作用的机制和制度。

4.1.1 地球表层系统研究

研究城市地区地球表层要素,也就是研究城市所处地球表层岩石、土壤、地下水、地热、微生物等地质要素的分布规律和演化特征,这是地质学者的传统研究方向。每个城市所处的都是一个独特的地球表层系统,这个系统包含着地下水水动力场、土壤和地下水化学场、地下热力场、地应力场等,各种场之间互相联系且相互影响,需要运用地球系统科学的理念加以研究,而不能将每一个要素割裂开来进行独立的研究,这样才可能全面掌握地质资源环境要素的基本特征、变化规律、成因机理、发展趋势。

4.1.2 相互作用机理研究

研究城市人类活动与地球表层的相互作用机理,这是目前研究的热点方向,可以分为两个方面,一是研究自然状态下地质条件对城市规划建设的支撑和制约作用,地质条件包括地形地貌、水文地质、工程地质、土壤和水文地球化学、地热地质等基础条件,研究这些条件对不同的空间利用、工程建设的影响机理;二是研究人类活动对地球地质环境的影响,工程建设活动、地质资源开发、企业生产活动、园艺种植等对地质环境都会造成影响,有物理的影响,比如可能造成地面沉降、地面塌陷等地质灾害,也有化学的影响,比如土壤与地下水污染,也有生态的影响,比如湿地退化、植被破坏等。研究不同活动形式对不同地质环境的影响机理。

4.1.3 功能调节机制研究

针对城市地质系统的不同功能,研究各类功能的调节机制,这是目前研究的弱项,很多时候被忽视,但是这方面恰恰是城市地质研究成果能够发挥作用的重要内容。毫无疑问,只要是城市人类活动,就会对地球表层会产生影响,核心是影响的程度要是可接受的范围,不至于从总体上影响到城市的可持续发展。如何调节城市人类活动,这就涉及到很多社会科学的内容,包括城市规划学、土地管理学、矿产管理学、公共管理学等。需要统筹考虑城市地质资源和环境的自然属性和社会属性,研究现有城市空间治理、资源开发、生态保护、灾害防治的有关制度的不足,充分运用现代管理的思维方式,研究科学有效的制度办法、技术标准和工作机制。

4.2 应用研究

城市地质应用研究的目的是针对具体城市管理需求,通过一定的法制、机制和标准规范的设计,将相关的“实体”要素和“概念”要素进行有机整合,形成一个具有相应功能的城市地质系统,并且能够有效运转。根据每一个具体城市规划建设和管理的需求以及地质资源环境禀赋特征,结合城市地球表层系统、相互作用机理、功能调节机制等基础研究成果,以实现优化利用空间、高效开发资源、保护生态环境、防治地质灾害为目标,设计出具体城市地质的功能系统。针对不同的城市地质功能系统,在不同城市管理阶段,应该有明确而具体的研究内容,形成一个具有可操作性的研究技术框架(表 3),三个阶段的研究内容相互联系,逐步推进,以保证在城市规划、建设、运行等每个管理阶段,能够有效调节的城市地质系统功能,实现趋利避害。

表 3 城市地质系统功能实现技术框架 Table 3 Technical framework of urban geological system research

在城市规划阶段,重点研究潜在的人地相互作用关系,包括地球表层系统的因素及其对国土空间利用的限制性作用,以及国土开发活动可能对地球表层系统的影响,结合城市规划研究成果,提出地质研究成果与空间规划融合的技术和法律的制度。在城市建设阶段,重点研究正在进行的人地相互作用关系,包括支撑城市建设的地球表层系统要素,以及开发活动对地球表层系统的影响,提出这一阶段调节相互作用关系的工程勘察、矿业权管理、灾害防治、水土保护等制度。在运行阶段,重点研究人地相互作用的系统动态变化,及时发现问题隐患,同时可能的突然事件的应急预案。

5 结语

国内外长期城市地质研究取得了丰富的研究成果,在城市地质研究成果运用到城市管理的方面,探索形成了一些机制、体制与制度。然而,针对城市地质学基本理论的研究尚不够系统,城市人类活动和地球表层相互作用规律的探索尚显不足,融入城市管理主流程比较困难。由于没有统一的研究理论体系,城市地质学显得底气不足,学科发展也缺乏基础。

笔者基于国内城市地质工作的一些成功经验,提出了城市地质系统的概念,从城市地质系统功能的角度,阐述了城市地质的研究对象、研究内容和技术方法,主要观点有:①城市地质学是以地质学理论为基础发展起来的、逐渐与城市管理学融合发展的综合性应用学科,迫切需要新的基础理论和研究方法。②城市地质学研究对象是城市人类活动与地球表层相互作用的复杂系统(简称“城市地质系统”),具有空间利用、资源开发、生态保护、灾害防治4个方面功能。③城市地质基础研究重点揭示基本原理和规律,包括了解城市区域内的地球表层系统的演化和发展规律、人类活动对地球表层系统的作用机理以及有效管理和调节人地相互作用的机制和制度。④城市地质应用研究应针对具体城市的情况,以实现优化利用空间、高效开发资源、保护生态环境、防治地质灾害为目标,设计出城市地质功能系统,结合不同城市管理阶段,明确相应的研究内容,形成一个具有可操作性的研究技术框架。

致谢: 本文形成过程中,中国地质调查局发展研究中心王学明教授级高级工程师对文章结构和内容提出了建议,在此表示感谢。

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