徐州城市地质调查成果及其在城市建设中的应用

摘  要：徐州是江苏第4个开展城市地质调查的城市，也是我省地质环境最脆弱的城市。依据徐州城市地质调查，查明了基岩地质、第四纪地质、水文地质、工程地质、岩溶地质、采空区等地质条件;摸清了地下水、地下空间、富硒耕地、山体等地质资源禀赋特征;探求了区域稳定性、岩溶塌陷、采空塌陷、土壤环境等地质问题诱发因素;基于城市建设需求，划定了岩溶水水位控制红线，提出构建采空区地下水库和调整城市“三线”等对策建议，将城市地质信息系统融合徐州“智慧城市”建设之中，为城市规划建设提供地质依据。

关键词：城市地质调查;岩溶水水位红线;采空区地下水库;对策建议

中图分类号：P5     文献标识码：A     文章编号：1007-1903（2018）04-0001-07

随着城市化及城乡一体化进程加快，地质环境问题对城市建设的影响日益突出，开展城市地质调查，解决城市地质问题已成为当务之急。城市地质调查与城市发展阶段密切相关，早期主要开展工程建设地质条件调查，中期主要调查工程建设与地下空间利用条件、地质资源、水土环境、地质灾害等，后期主要开展城市更新改造和运行管理的相关地质调查（林良俊等，2017）。2002年上海、北京、天津、广州、杭州、南京等城市开展城市地质调查试点工作，围绕城市发展规划和建设急需，针对城市地下三维地质结构与空间资源、地质灾害与空间安全、地表水土体环境质量以及城市发展环境承载力方面开展调查与评价，建立城市地质数据库和城市信息管理、服务系统，为城市生活规划建设提供基础数据和可视化决策平台，为企事业单位和社会公众提供城市地质信息服务（冯小铭等，2003;金江军等，2007）。如北京围绕战略性资源开展的地下水资源调查评价，其成果应用于解决北京应急供水，为缓解北京水资源紧缺起到了重要作用;上海利用地面沉降监测井网，结合GPS、InSAR、GIS和自动化监测技术，建立了地面沉降预警预报系统，为城市防灾减灾提供了重要资料（李烈荣等，2012）。

徐州城市地质调查项目以服务徐州社会与经济可持续发展为宗旨，围绕城市发展战略和目前面临的紧迫地质资源保障与地质环境安全问题，旨在透视地下——支撑淮海经济区中心城市建设。项目系统查明了城市规划区基岩地质、第四纪地质、水文地质、工程地质、岩溶地质、煤田地质条件，详细论述了城市区域的土地、矿产、地下水、地下空间、山体和地质遗迹等资源禀赋，全面摸清了岩溶塌陷、采空塌陷和滑坡崩塌地质灾害的空间分布规律及成因机制，查清了农田土壤质量及水土污染状况;评价了地下空间开发的适宜性、地质灾害的易发性及采空区稳定性，论证了煤矿采空区地下水库应急供水的可行性;构建了基岩地质、第四纪地质、水文地质、工程地质的三维地质结构模型，建立了三维可视化城市地质信息管理与服务系统，提供快捷、高效和直观的社会化地质信息服务。

1 徐州城市地质工作概况

徐州城市地质调查以城市规划建设、重大工程建设、城市防灾减灾、生态环境保护及“智慧徐州”构建等对地质工作需求为先导，从基础地质、地质资源、地质环境、综合研究、信息系统等5方面部署了徐州城市地质调查工作，紧密围绕徐州市面臨的或亟待解决的关键地质问题，即：地下水资源约束与应急供水保障、岩溶区地下工程风险与灾害防控、采空区建设用地的适宜性与风险评价、塌陷地复垦土地质量与生态安全、城市地质信息系统的构建与智慧徐州融合（花修权等，2015），使徐州城市地质调查成果实现社会化服务。

徐州城市地质调查项目全面收集城市规划区内的各类地质资料，收集利用地质钻孔资料6.5万个，完成地质钻探216孔（钻探总进尺1.2×104m），地球物理勘探线长度11×104m，地质剖面测量长度6×104m，土样、水样和岩样采集1.6万件，取得了丰富的数据资料。项目围绕查条件、摸资源、探问题、找对策、建系统，提交了9个专题研究成果和5个专项成果（图1）。

2 徐州城市地质基础性成果

2.1 查明地质条件

（1）厘定岩石地层单位，重新编绘基岩地质图系

在1/5万区域地质调查的基础上，依据《江苏省岩石地层》及相关文献，通过剖面测制、填图、采样分析，将前第四纪地层由34个组厘定为29个组，首次将区内新元古代划分为南华纪和震旦纪，重新编制了地质图、基岩地质图及碳酸岩地层和煤系地层分布图，构建基岩地质结构模型。

（2）细化第四纪地层划分，推演古地理沉积环境

在《徐淮第四纪地质》划分的基础上，分不同地貌单元分析第四纪地层结构特征，研究了第四纪以来的岩相古地理变化，古河道展布、海侵、黄河古河道及决口泛滥区域，构建第四纪地质结构模型。首次在全新世地层中发现海相层，揭示湖西平原经历全新世海侵。

（3）查明水文地质条件，重新圈定岩溶水源地

在1/5万城市供水勘察的基础上，查明不同类型地下含水层的空间分布特征，构建水文地质结构模型;以岩溶地下水分水岭及地表水渗漏补给线构成的地下水分流线为边界，重新圈定丁楼—茅村、七里沟、张集、利国、汴塘、青山泉、金山桥、三堡和汉王等9个具有相对独立径流特征的岩溶水水源地。

（4）厘定工程地质层序，建立工程地质层序标准

以地质年代为主，岩性及工程地质特征为辅，采用“层组—层序—亚层”三级分层方案，将土体划分14个工程地质地层层组和36个工程地质层序;岩体划分3类工程地质岩类、7亚类、17个岩体工程地质岩组。摸清主要工程地质层的空间分布特征，构建工程地质结构模型。

（5）系统总结岩溶空间规律，划分岩溶发育程度

基于不同岩溶层组类型的溶蚀试验，结合钻孔遇洞率和线岩溶率，总结平面及垂向上岩溶发育规律，水平上岩溶受可溶岩地层和断裂构造控制，呈NNE、NW条带状展布，交互区域最发育。垂向上60m以浅为强岩溶发育带，60～120m为中等岩溶发育带，120m以深为弱岩溶发育带。马家沟组、张夏组灰岩是最发育的岩溶层组。岩溶发育程度划分为极强、强、中等和弱4个区，岩溶发育极强区主要分布在废黄河断裂带内。

（6）分析煤矿开采史，查明煤矿采空区分布特征

全面摸清九里山、闸河、贾汪、马坡和利国5个煤田煤矿开采历史和现状，按照岩石地层单位、煤层倾角、开采时间、开采深度、开采层数、开采方式划分采空区类型，勾画了采空区分布特征，构建采空区分布三维结构模型。

2.2 摸清地质资源禀赋特征

（1）构建岩溶水的数值模型，评价岩溶水资源

在获取岩溶区水文地质参数的基础上，概化含水层结构与边界条件，将岩溶水概化为非均质各向异性的三维地下水流动模型。首次以避免岩溶塌陷为约束条件，采用FEFLOW软件进行地下水的数值模拟，模拟计算得出9个岩溶水水源地，每年允许开采量为1.68×108m3。其中，张集水源地0.49×108m3、七里沟水源地0.39×108m3、丁楼—茅村水源地0.30×108m3。

（2）分析地下空间开发的制约条件，评价适宜性

依据《城乡规划工程地质勘察规范》，从地质角度判别制约地下空间开发利用的主要因素有：采空区稳定性、岩溶和地质灾害发育程度、水文和岩土体特征等因子，进行了一层、二层地下开挖地质环境适宜性及0～15m、15～30m地下空间开发利用适宜性评价。评价结果表明城市规划区地下开挖地质环境适宜性较好，较适宜区面积达2800km2，适宜性差的面积为326 km2。

（3）确定山体资源划分原则，摸清山体资源分布及损毁状况

依据“区域连续性、内部同一性、概念一致性、公众认知性和区域稀缺性”原则，以高清遥感影像为基础数据源，通过数字地形图数据分析和遥感解译，厘定徐州城市规划区山体分布的空间特征，611山体的分布面积265.67km2，仅占国土面积的8.50%，因采矿损毁面积达25.73km2，占山体资源总面积的9.68%。

（4）查明土壤养分和重金属分布特征，圈定富硒耕地资源

依据地球化学样品分析，全面摸清养分元素空间分布受区域地质、地貌影响明显，湖相冲积平原区为土壤氮高含量分布区，岗地地区含量偏低。土壤重金属元素区域分布受地质地貌影响，局部受人为活动影响明显;湖相冲积平原为土壤As、Cu、Zn高含量分布区，局部受采矿活动影响，如利国铁矿开采区周边土壤As、Cu 、Zn呈现点状高异常。调查发现柳新、茅村、大吴、青山泉等地农田土壤硒含量达富硒土壤标准，面积约1万hm2，土壤硒平均值0.30 mg/kg。

2.3 探求地质问题诱发因素

（1）概化岩溶塌陷地质及成因模式，评价易发性

徐州岩溶塌陷主要发生在城市中心区，塌陷受废黄河断裂带控制、多发育于浅部岩溶强烈发育地段，集中分布在古河道和水位降落漏斗中心区内。岩溶塌陷发育的地质模式可概化为“单一透水型盖层”和“透-阻型盖层”（Cui Longyu et al，2017），岩溶水强径流的天窗补给区、发育有向上开口的溶洞区是岩溶塌陷频繁发生的内因，而超量开采岩溶水引起地下水位剧烈波动是岩溶塌陷的外部诱发因素（黄敬军等，2017）。综合考虑岩溶发育条件、覆盖层条件、水动力条件，采用基于层次分析的模糊综合评价法，进行岩溶塌陷易发性评价，易发区面积1360km2，其中，高易发区11.5km2，中易发区120.2km2，低易发区1228.3km2（武鑫等，2017）。

（2）摸清采空塌陷分布特征，评价采空区稳定性

采空塌陷也是徐州最严重的地质灾害，尤其是采煤塌陷已成为全国的典型，主要分布在贾汪、九里、闸河、利国和马坡煤田的煤矿区，采煤塌陷面积207.47km2，其中，长年积水或季节性积水的塌陷地135.07 km2。按照《煤矿采空区岩土工程勘察规范》，考虑采深采厚比、煤层倾角、开采方式、断裂构造密度、开采层数、松散层厚度和终采时间等因子进行采空区稳定性评价，评价表明采空区稳定区80.8km2，基本稳定区35.7 km2，不稳定区23.2km2（张丽等，2017）。

（3）查明土壤环境、养分丰缺程度，评价了耕地质量

依据地球化学样品资料评价表明：平原土壤偏碱性，岗地土壤偏酸性，土壤养分丰富，中等水平以上的面积比例超过80%。其中，氮（N）、磷（P）、钾（K）、速效磷（SXP）、速效钾（SXK）以丰富为主，碱解氮（JJN）、硼（B）、钼（Mo）、锰（Mn）以较丰富为主。耕地质量地球化学调查发现除利国等乡镇局部地区存在砷、镉、铅等重金属超标、古黄河沿岸农田土壤硼等养分偏缺外，其余广大地区耕地土壤环境质量较好质量，99%的农田土壤重金属元素含量为清洁或尚清洁（王玉军等，2017）。

3 徐州城市地质成果应用

3.1 服务于城市防灾减灾

（1）鉴定断裂活动特征，评价了区域地壳稳定性

在地壳活动与岩浆活动研究的基础上，通过资料综合分析、钻探和物探等手段，对废黄河断裂、不老河断裂、邵楼断裂、班井断裂、幕集-刘集断裂5条断裂的活动性进行了鉴定，研究表明，规划区内主要断裂在12万年前已基本停止活动，目前处于相对稳定期。

（2）评价地質灾害风险，构建防灾减灾体系

在摸清了地质灾害分布特征的基础上，基于地质灾害孕灾体（岩溶塌陷、采空塌陷和滑坡崩塌易发性）、致灾体（交通干线密度、建筑密度、砂土液化、软土触变）和承灾体（人口、工程建设），进行地质灾害风险评价，建议地质灾害高风险区（76.8km2）内优先实施工程治理，并把山脚以外30～50m范围内逐步规划为生态走廊。在完善地质灾害群测群防体系的基础上，建立地下水环境、地面形变监测网，提高城市公共安全应急保障能力。

3.2 服务于城市供水规划

（1）以岩溶塌陷为约束，划定岩溶水位控制红线

随着最严格水资源管理制度的实施，地下水管理由单纯的开采量控制转向开采量和水位“双控制”的管理模式，水位控制直观，有助于判识总量指标的合理性，而划定水位控制红线成为解决问题的关键。岩溶水位控制红线是基于渗透变形机理，控制覆盖层中的水力梯度小于土体自身的临界水力梯度，不允许土体发生渗透变形。在分析七里沟、丁楼—茅村、张集等主要水源地岩溶水水文地质条件、覆盖层特征、水位降落漏斗演变的基础上，计算了各水源地的临界水力梯度，划定了的水位控制红线，为地下水开采管理提供了依据。

（2）摸清采空区蓄水条件，构建采空区地下水库

全面摸清旗山、韩桥、权台、白集、大黄山、青山泉、九里山、垞城、庞庄、卧牛山、新河、义安、张集等14个煤矿采空区的储水条件，储水总量高达7583×104m3。从构建采空区地下水库的库址、库容、水源与水质等基本条件着手，分析徐州周邊采空区地下水库构建的可行性，遴选出7个煤矿采空区地下水库可利用等级，其中新河、卧牛山、大黄山等为I级采空区地下水库，储水量超1000×104m3;韩桥、庞庄、权台和青山泉矿等为II级采空区地下水库，储水量近4000×104m3。

3.3 服务于城市生态安全

（1）调整生态保护红线，增加了地质遗迹保护区

依据城市地质调查成果，提出生态保护红线调整建议。一是增加地质遗迹保护区，将区内全国罕见的一处具有观赏价值、典型地质学意义的叠层石地质遗迹分布区划入生态保护红线，增加生态保护红线区2.24 km2（一级管控区0.87km2、二级管控区1.37 km2）;二是调整地下水饮用水水源保护区，将岩溶水防污性能差或较差的易污染区和岩溶水补给区（裸露岩溶区和天窗补给区）划入一级保护区，据此，地下水饮用水水源保护区由432.78 km2减至431.35 km2，减少1.43 km2，但一级保护区由14.74 km2增至58.00 km2，增加了43.26 km2。

（2）评价地下空间开发难度，提出优先利用方案

徐州属于黄泛平原区，粉砂土分布广泛，地下水埋藏浅，且岩溶发育。浅层地下空间资源开发的难度表明：南部平原区地质条件相对简单，利于地下空间施工;废黄河沿线岩溶发育、砂性土厚、富水性强，地下空间开发难度大，易产生流砂和岩溶塌陷问题;西部和东北部煤矿采空区，地下空间开发难度最大。结合区位条件、人口、交通、地价等社会经济条件，进行地下空间资源综合质量评价，提出优先开发15m以浅地下空间，但应避让地下文化层、远期开发15m以深地下空间、优先开发新城区等建议。

（3）评价叠层石地质遗迹，建设国家级地质公园

2013年批准建设的江苏贾汪叠层石地质公园是区内唯一的省级地质公园，是全国罕见的一处具有观赏价值、典型地质学意义的叠层石地质遗迹分布区，已成为贾汪旅游开发的名片。调查发现吕梁山具有贾汪叠层石省级地质公园不具备的贾园组、倪园组剖面与九顶山组等标准地层剖面，是研究新元古代海盆变迁保留唯一的地层剖面对比标准。从地质遗迹的科学性、美学性、科普性及可开发性等方面进行评价，结合旅游规划，提出联合申报国家级地质公园，使之成徐州旅游开发的品牌。

3.4 服务于城市规划建设

（1）调整永久基本农田，开发利用富硒土壤资源

依据城市地质调查成果，从两方面提出永久基本农田调整建议。一是基于耕地质量管控，确保农产品质量及生态安全，将土壤轻度—中度污染的永久基本农田图斑调出，调出面积7.27 hm2;二是基于特色土地资源开发，提高农业生产经济效益，将土壤富硒且养分丰富的非永久基本农田图斑调入。可调入面积263.27 hm2，主要分布在柳新—拾屯—茅村—大吴—柳泉一带。永久基本农田实际调整时，调入与调出面积保持一致。针对茅村、柳新等地调查发现的10000 hm2的富硒土壤，提出开发富硒特色农业、高效生态农业规划建议。

（2）调整城市开发边界，调出规划强限制性区域

依据城市地质调查成果，基于总量平衡原则、完整性原则、一致性原则，分步进行城市开发边界的调整。首先，确定影响徐州城市规划建设主要的地质资源和地质环境，评价各要素对城市规划建设的限制性等级。其次，进行城市规划建设的限制性评价，对强限制因素和较强限制因素进行空间叠加，划定强限制区和较强限制区。第三，依据评价结果进行城市开发边界调整，将城市边界线内强限制性的区域调出，将相邻城市规划建设适宜性好的区域调入，调出与调出面积相一致，拾屯采空区块（22.26km2）、大黄山采空区块（34.04km2）调出;汉王区块（10.58km2）、棠张区块（24.42km2）、徐庄区块（21.62km2）调入（黄敬军等，2018）。

（3）基于承载能力和状态及压力，构建指标体系

在分析徐州城市规划区各类自然资源赋存及环境状况的基础上，从地质资源保障与地质环境安全角度出发，基于承载能力和状态及压力，构建了土地资源（建设用地、农用地）、地下水资源的资源承载力和地下水环境、土壤环境、地质环境的环境承载力评价指标体系及包含前述资源与环境的综合承载力评价指标体系，并进行了建设用地、农用地、地下水资源、地下水环境、土壤环境、地质环境及综合承载力评价，为徐州制定资源环境保护规划和管理政策提供科学依据（黄敬军等，2015）。

3.5 服务于智慧城市建设

（1）建立城市地质数据中心，丰富智慧徐州建设

建立了徐州城市地质数据中心，实现对所有信息的标准化存储和集中管理。在地质结构人工智能交互建模、多源异构数据动态识别、多维关联等方面取得创新性突破，实现了地质成果一张图展示、城市地下三维透视、分析决策等功能，丰富了智慧徐州建设，为政府土地资源管理、地质环境保护和城市规划建设管理决策提供技术支持。

（2）研发城市地质信息服务平台，三维可视化地质结构

围绕“资源”和“环境”两大主题，研发了一个集地下空间、耕地、地下水、矿产及地质景观资源管理和地质灾害防治、区域地壳稳定性评价、水土环境保护等地质数据一体化管理及可视化展示的城市地质信息服务应用平台，实现地质成果的信息化服务。应用GIS技术，构建城市地质三维分析评价子系统，系统开发高精度的多专题三维模型，通过三维可视化技术，使具有时空分布特征的地质数据得到直观形象的展现，并为地质资源调查及地质环境调查提供基础资料。

（3）建立信息共享平台，支撑政府管理公众查询

城市信息共享平台是基于地质数据中心，并服务于信息传播的平台，提供地质数据共享、地质信息数据的查看和调查成果宣传及地学知识科普宣传服务。共享平台的总体模块体系分新闻动态模块、在线留言系统和地质数据成果发布模块。地质数据成果发布模块指针对各职能部门对系统专业分析成果应用需求，依据OGC服务标准将成果数据Web发布，实现成果数据部门共享。

4 结论

（1）徐州城市地质调查成果项目查明了基岩地质、第四纪地质、水文地质、工程地质、岩溶地质、采空区等地质条件，建立了基岩地质、第四纪地质、水文地质和工程地质4个结构模型;摸清了地下空间资源、地下水资源、山体资源、富硒耕地资源赋特征，评价了地下水资源量、地下空间开发适宜性、区域地壳稳定性、岩溶塌陷易發性和采空塌陷稳定性，是徐州建城以来系统性最强、内容最全、精度最高的地质调查成果。

（2）基于城市建设需求，徐州城市地质调查划定了岩溶水水位红线，提出“生态保护红线”“永久基本农田”“城市开发边界”等城市“三线”调整和构建采空区地下水库的建议，为优化城市“三生”空间结构提供科学依据;建立的徐州城市地质调查信息系统，实现了地质成果一张图展示、城市地下三维透视、分析决策等功能，实现地质成果的信息化服务和成果数据部门共享，丰富了智慧徐州建设，为政府国土资源管理、地质环境保护和城市规划建设管理决策提供技术支持。

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