——走进北京智能化三维地质信息管理与服务系统 徐红燕  周楚军  段金平2008年12月12日,北京市地质调查研究院完成的《北京市多参数立体地质调查》项目,通过中国地质调查局与北京市地质矿产勘查开发局共同组织的专家评审.经过四年多努力,这一在全国率先启动的三维城市地质调查项目,出色地完成了项目任务,成果总体达到国际先进水平,在基岩复杂岩体建模、生活垃圾处置调查评价、地下水应急潜力研究、城市地质数据库管理与服务等方面达到国际领先水平。报告被专家评审组评为优秀级。至此,北京成为目前世界上第一个拥有智能化三维地质信息管理与服务系统的特大城市。地质工作如何服务于社会和经济发展,国土资源部门、地勘单位及相关科研院(所)一直在积极探索。基于基础地质调查成果。应用现代电脑网络技术开发的智能化三维地质信息管理与服务系统,形象而直观地把地质信息转化为可视化信息。拉近了地质成果与应用部门和普通百姓的距离。拓宽了地质工作服务社会和经济发展的渠道。像Google Eearth 的 “飞翔”功能那样畅游城市地下空间;像切开三明治蛋糕那样解剖我们脚下的土地;像B超体检一样随时探测城市地下的危险信号;…………坐在电脑前,轻轻触动鼠标,这一切如今都变成了现实。2008年12月12日,北京市地质调查研究院完成的《北京市多参数立体地质调查》项目评审会在京召开。在此项目研究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。在这部兼具科幻色彩和现实题材作品的“首映式”上,当一张张一目了然的图片、一段段解读清晰的语言出现在大屏幕时,立刻吸引了所有人的眼球。这里面有评审委员会专家和学者们的专业审视,也有媒体记者们的新闻捕捉,而在所有与会者目不转睛的背后,是生活在城市中的每一个人前所未有地感受到了城市地质的息息相关、如影随形。城市规划的一票否决权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.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“进一步加强首都城市地质工作建议”。与此同时.北京城市总体规划修编迫在眉睫.很快.北京市地勘局收到了一份来自北京市规划委员会的函,要求提供的资料只有8个字:地形、地貌、地质灾害。5年过去了.北京市地勘局副局长、项目技术负责人吕晓俭不仅清晰地记得这份函里的内容.对当时地勘局发出的回函更是记忆犹新:“我们提出了规划首先必须考虑问题:地下水的资源问题、生态环境问题、地灾防治问题等.我们还建议明确划分禁建区、限建区和适建的范围,并强调了规划与地质的紧密关系——决定城市规划的条件很多.但是客观地质条件是具有一票否决权的。”一石激起干层浪.回函很快引起了北京市委、市政府和有关部门的重视.调研组首先来到北京市地勘局。针对北京市地勘局回函中的内容,调研组经过细致调查和认真探讨。确定了5个方面的课题.并一一听取了意见。“北京市的规划是在充分利用地质资料的基础上进行的,建立在对城市资源环境承载力科学评估基础上。”吕晓俭告诉记者,地质先行使得北京城市总体规划更具先进性和战略性。然而.新的问题应运而生。原有地质资料年久残缺.无法作为可供决策的科学依据。此外,地质研究成果专业性强.需要专业解译后才能为社会发展提供服务。“要能建立北京市的三维可视化的地质信息管理与服务系统就好了。”这个想法在北京市地勘局一经提出,便开始变得日益强烈。2004年7月22日.国土资源部与北京市政府签署《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。据北京市地勘局局长魏连伟介绍.北京市多参数立体地质调查为全国六个城市地质调查试点项目之一,2003年在全国率先启动。项目分为城市三维地质结构调查、城市活动断裂及地壳稳定性调查、水土地球化学环境调查、地下水和地热资源潜力评价、奥运公园地区专项地质调查、地质信息管理与服务系统建设、综合研究等7个专题11个子项目。城市安全的监测网络地下管线是城市的重要基础设施。北京的地下管线星罗棋布,错综复杂,主要包括给水、排水、煤气、天然气、电力、热力、电信、地下交通、人民防空等,累计长度已经超过4万千米。它们担负着传递信息、运输能量的工作.是城市赖以生存和发展的物质基础.被人们称为城市的“生命线”。然而地面沉降已经对“生命线”构成了威胁。   “地面沉降速率在空间上是不均匀的,对穿越不同沉降速率地下空间的线性城市基础设施的影响日益显现。”据吕晓俭介绍,项目通过对2000年以来城区内自来水供水管线破损开裂情况分析发现,有超过1/3的管线破损是由地基下沉造成的。而且.其分布也有一定的规律性,在地面沉降发育比较严重的朝阳区和位于沉降区边缘地带的东城区,供水管线破损开裂情况明显多于其他地区。而在因地基下沉或其他不明原因造成的2310份自来水供水管线破损记录中.地面沉降重灾区朝阳区就占总破损量的40 .04%,东城区、海淀区和西城区依次占总破损量的21. 86%、15 .45%、10. 17%,其他各区仅占总破损量的12.47%。“这足以说明,地面沉降已经对北京市地下管线造成了破坏,造成各类工程建筑如城市建筑、交通、农田和水利设施等直接受到损坏。”吕晓俭说。    据介绍,顺义橡胶二厂跨越地裂缝带的建筑物共7座,总共跨越墙体15面,这些建筑物及其墙体都受到了不同程度的破坏。顺义地裂缝和高丽营地裂缝,已造成上百间民房和厂房不同程度的破坏。除了绘制出北京市平原区。1955年至2006年累计沉降量图外。项目还完成了北京主要地裂缝位置图,为防止地面沉降和地裂缝等地质灾害的进一步发展,合理规划人居工程提供了地质资料。   “对于不便避让的线性工程(如大型输水管线、输气、输电等管线工程)采取工程措施尤为重要。可根据隐伏活动断层的特点,断层错动.将导致管道的主要破坏形式以铅直错断为主.水平拉张和扭曲变形为辅。通常采用柔性耗能接头以增强抗剪断性能,或为了防止管道与土层同步错动,采用悬空跨越。如预应力拱梁(拱梁放置于断层两盘的柱基上)管道置于拱顶,或悬空方式放置管道。”除了从工程措施上给予建议外,报告还对制定工程地质勘查和设计法规、设立隐伏活动断裂监测网系统提供了智力支持。圆梦奥运的地下英雄   “优先开展奥运场馆规划区大比例尺多参数立体地质调查.均奥运场馆的规划与建设提供科学依据。”《北京市多参数立体地质调查》项目评审意见中这句话的来之不易,所有参与此项目的人都有深刻体会。    当人们还沉浸在申奥成功的喜悦中时,“我们能为奥运做些什么?”这个简单而又复杂的问题摆到了北京地勘人的案头。北京奥运会拟新建场馆30余个,而场馆建设的前期规划选址工作正是地勘工作者的任务之一。    2003年.北京市地勘局先期启动了《奥林匹克公园地区活动断裂和隐伏岩溶潜在危险性调查》。在这一专项工作中,北京市地勘局抽调技术力量,展开了细致的地勘工作。在较短时间内完成地面调查20平方公里.大比例尺综合物探剖面6条,约40公里。通过调查.对黄庄至高丽营隐伏活动断裂的性质有了进一步认识,对断裂带在奥林匹克公园地区的位置有了较精确定位,提供了六对断点位置坐标,同时进一步圈定了洼里砾岩的分布范围和最浅埋深,对其潜在危险和应对措施向奥组委作了汇报,提出了避让建议。    为实现申奥时中国政府向全世界的庄严承诺——“绿色奥运、科技奥运、.人文奥运”三大理念。北京市地勘局地质勘察技术院实施的奥运村再生水热泵冷热源系统工程.让41 3万平方米的奥运村实现了中国政府对世界的诺言。2002年,地质勘察技术院在奥运公园地区开展了地热资源勘查论证。井成功钻凿了地热勘探井。2004年,经专家论证,奥运公园地区的地熟资源可以满足奥运村供暖及热水的需求。但奥运会时值夏季,需要较大的冷源,中低温地热水制冷效率较低。必须另外增设制冷系统才能满足奥运期间的制冷需要。    有没有更好的冷热源供应方式?北京市地质勘察技术院技术入员对奥运村周边可利用的清洁能源进行了系统的调查。他们提出浅层地温能利用——地下水、地埋管地源热泵.但是很快就被否定了。因为奥运公园地区处于基岩岩溶比较发达的区域。第四系地层薄,打井和地埋管施工可能引起岩溶塌陷。带来地质灾害。他们通过更大范围的寻找,并与市相关部门沟通,最终选中了北侧清河污水处理厂的再生水,2006年4月.奥运村再生水热泵冷热源项目正式开工建设.2007年6月30日,按计划完成外管线铺设、机房设备安装等主要工程。2007年8月,项目开始系统的制冷调试及试运行.同年9月6日,奥运村再生水冷热源项目为奥运村送来了第一股清新的凉风。2007年5月.受北京市国土资源局委托,北京市地质研究所还承办了北京市奥运期间突发性地质灾害风险评估工作。这是第一次在北京市突发性地质灾害工作中,引入风险评估的概念。北京市地质研究所的地质工作者们对不同的地质灾害种类(风险源)进行了调查,对风险发生的可能性进行了评价。同时对居民点、交通干线、旅游景点等各类不同的受危害对象的风险承受能力和可能造成的后果进行了评估.确定了全市468处突发地质灾害隐患点的风险等级。地质灾害的预警先锋“北京是我国的首都.在经济社会发展中具有十分重要的战略地位。其发展必须立足于人口、资源、环境的协调和可持续发展。当前,地质环境脆弱、水资源短缺、地质灾害频发已成为北京城市发展的瓶颈。结合《北京城市总体规划》、《北京市“十一五”时期地质勘查发展规划》,建议今后北京城市规划发展应注意以下几个方面内容……”北京市地勘局副局长、项目负责人卫万顺自豪地说:“这样的底气和自信,源于项目成果的科学分析。”而在北京市地勘局看来,这只是万里长征的第一步。“《北京市多参数立体地质调查》项目,最大的成果是研发出我国也是世界上首个特大城市智能化三维地质信息管理与服务系统。”在吕晓俭看来,这一系统既将是积聚地质数据的“空间站”,也会成为提供成果图件和分析服务的“孵化器”。目前.这一系统集成了多专业丰富的基础地质数据近5万条,各类成果图件500余张.具有强大的数据管理、查询、检索、统计、分析等功能。可以生成各类统计图表、时序曲线图、调查点空间分布图,可以对图中的调查点、线、区进行属性查询。北京城市地质信息管理与服务系统的演示,也成为此次项目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平方公里,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,能够最大限度地增强地质分析的准确性,做出符合地质现象分布变化规律的工程设计与施工方案,从而减少对地质问题认识的盲目性以及地下工程设计、施工面临的巨大风险,为城市规划、建设管理和预测工程建设与地质环境的相互影响等提供支持。“例如在工程施土中。可以根据路线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。”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提供科学依据。促进城市地质资源合理开发利用和生态环境保护。   在此系统基础上,集成已有各类地质环境监测系统.开发相关应用评价及专家辅助决策功能。为城市运行和应急管理搭建城市地质安全监测与应急反应平台,并纳入城市运行指挥平台和监测平台。实现加强城市公共安全地质风险控制,确保市政设施运转良好。地质调查和地质环境保障有力,地质灾害应急处置快速高效.成为北京市地勘局的又一目标……环境整治的科学推手“北京市平原地区正在运营的386处垃圾处理场或转运站中,正规的垃圾处理场只有18家。有95%的处理场的相关审批程序不全,部分垃圾处理场正在或可能对城市地下水造成污染。这是记者昨天从我国首个城市生活垃圾地质环境调查成果——《北京城市生活垃圾处理现状及选址地质环境调查》中了解到的。”2005年3月30日《新京报》刊登的这则消息,如今还能在北京市环保局的网站中读到。报道中所说的《北京城市生活垃圾处理现状及选址地质环境调查》,正是继奥运公园地区专项地质调查项目后启动的子项目。“以传统的简单处理方式处理城市生活垃圾已经引发严重的环境问题,甚至上升为社会稳定问题。”吕晓俭介绍,调查发现,正在运行的垃圾处理场地中。目前仍然有相当一部分使用露天堆放或简易填埋等原始方式处理,不仅占用了大量土地,而且还污染了水体、土壤、大气,传染了疾病。尤其是城乡接合部、郊区乡镇等地区,尚未建立规范的垃圾管理系统。其中368处未经规划、环保部门审批的非正规垃圾处理场,主要由废弃的砂石坑、窑坑、低洼凹地和沟谷等构成.一直没有采取有效的工程防护措施,环境问题更为严重。已封场的104处垃圾处理场,除北天堂垃圾场有导气设施外,其他均未采取必要的防护措施。其中有的位于北京市地下水源地保护区范围内,垃圾场底部和侧部均未采取有效的工程防护措施。存在污染地下水的严重隐患,对城市供水安全构成严重威胁。2003年前后,看到因垃圾引发的各类社会问题频繁见诸报端,使得正在组织实施《北京市多参数立体地质调查》的决策层顿时有了轻重缓急的区分。吕晓俭称,垃圾的填埋量越大,对地下水的污染就越严重,有些垃圾场附近地下水中,总硬度、溶解性总固体、亚硝酸盐氮、氨氮、铁、锰、氟化物、总大肠菌群、细菌总数等多项指标超过国家《地下水质量标准》中Ⅲ类标准。“项目采用遥感解译与地面调查相结合的方法,完成了北京平原区的生活垃圾场现状调查,共查出生活垃圾场490处.其中高污染风险场地125处,中等污染风险场地160处,低污染风险场地205处.总占地面积1077 3万平方米,总填埋量约3636万吨,查清了垃圾场地填埋、运行现状。”据了解,在此之前,包括市政和环卫局在内,北京市甚至没有一家单位知道垃圾场的准确数量。此外,项目调查结果最终为城市地下水安全管理提供了基础资料,依据相关法律、法规,结合北京城市总体规划,在野外调查的基础上,根据环境水文地质条件,采用层次分析法开展城市生活垃圾选址场地适宜性分区评价。划分出禁止填埋区、限制填埋区和适宜填埋区3类。“从地质学角度为垃圾场的科学处置指出了方向。”吕晓俭总结道。生命之源的安全使者北京地下水的水质和水量问题.作为《北京市多参数立体地质调查》重要子项目,在服务奥运期间就已经成为重点关注方面。“北京的水资源供给形势本来就严峻.奥运会召开期间压力还将会进一步增加。”魏连伟说,针对这一形势。北京市地勘局围绕水资源的安全供给。开展了应急水源地勘查。在怀柔应急备用水源地共完成了21对水源井和11眼观测井。2003年8月正式并网供水,年底向北京城区供水4000万立方米,2004年供水1 .2亿立方米.解决了150万人的饮用水。随后,又开展了平谷应急供水工程和房山张坊应急供水工程。前者的应急开采规模每年1亿立方米,解决了100万人的用水问题;后者重点建设基岩地下水水源地,作为密云水库的替代水源,确保燕化地区工业及生活用水。而且,正在建设中的房山地区岩溶水应急水源地,设计日开采能力10万立方米,并网供水5个月就已开采地下水380万立方米。此外,为减轻市政供水压力,北京市地勘局同时在供水盲区寻找到极具开采潜力的地下水源。奥运会之后怎么办?为供水形势紧张的北京.提出了“后奥运时代”合理利用地下水资源和保护地下水系统正常运转的建议,《北京市多参数立体地质调查》项目重新核算了北京地下水资源量。“北京市是世界上少有的以地下水为主要供水水源的大都市.地下水开采量占全市供水总量的2/3左右。1999年以来.北京连续9年干旱,由此加剧了北京城市水资源供给的紧缺。”吕晓俭告诉记者,南水北调工程有望从2014年开始为北京供水。初步测算是每年供水10亿立方米,将大大缓解北京干旱缺水的现状。“回顾北京城市供水历史,遭遇连续干旱引起的水资源危机都是通过增加地下水开采而得到有效缓解。尽管南水北调是缓解北京水资源紧张局面的有效措施.但是仍然存在一定的风险。”吕晓俭介绍说,在北京市地勘局专门对此所作的《南水北调进京后地下水蓄养战略研究》报告中指出,南水北调进京后,应进行地下水蓄养,充分利用地下巨大的储存空间。丰水年储存外来水和地表水,遇连续干旱、突发事件等发生时可取出利用,弥补供水不足,以提高北京的供水保障程度。“平原区是地下水的主要开采区,承担着90%的地下水源供给。伴随地下水长期超采。显现出的一系列地下水资源环境问题均产生在平原区,严重威胁着地下水资源的持续供给和地质环境的安全。外流域调水人京后,围绕着城市水源供给保障、地下水污染预防控制、地下水资源战略储备、地面沉降有效遏制、湿地重建等诸多问题,通过调整开采布局.控制开采量。实施地下水与地表水联合调蓄等人工干预,使地下水切实得到逐步蓄养。”    此外.北京地下水质问题也是项目调查的重点。“大家看到的淡蓝色是水质优良区,淡绿色是水质良好区,淡粉色是水质较差区……”项目评审会上.三张关于北京市平原区浅、中、深层地下水水质分区图分别出现在大屏幕上。吕晓俭介绍道:“项目调查结果显示,北京应以城市供水、新城建设、重要市政建设和城市交通建设为重点。面向重大战略地质问题,研究城市地下水环境。此外.还应继续开展专项地下水环境调查、开展污染源调查和污染机理研究.建立地下水污染的长期监测机制等。”        (2009.1.16,中国国土资源报,3版,)

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