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欧洲地质调查是如何支撑服务城市发展规划的

2018-7-23 8:50:39 来源:中国矿业报 作者:郑人瑞 夏烨 周平

全球范围内,城市作为经济增长引擎发挥着越来越重要的作用。联合国人类住区规划署预估,2050年全球2/3的人口将实现城镇化。全球城镇化速率的加快为城市社会、经济和环境的可持续发展带来巨大的挑战,也对城市规划提出了更高的要求。与城市地面信息所受到的关注相比,城市规划、开发和管理人员对地下空间重要性的关注明显不足,并且缺少地下空间统筹考虑和综合利用的政策。越来越多国家开始认识到充分利用地下空间和资源对城市的可持续发展具有重大影响。我国在新型城镇化建设的部署中,明确要求统筹城市地上地下建设,加强城市地质调查。

2013年,欧盟国家地质调查联盟(Group of EuroGeoSurveys)联合30多个国家地质调查机构和大学,以及23个城市,启动了一项名为“城市地下空间”(Sub-Urban)的计划,旨在提高对欧洲城市地下空间和资源的认识,弥合城市地下空间地球科学专家与城市决策者、规划者之间的知识鸿沟,为城市规划提供全面有效的支撑,同时致力于将知识和良好实践推广到整个欧洲和全球。本文从“城市地下空间”计划出发,重点分析欧洲地质调查工作如何有效支撑服务城市规划建设,以及所面临的重要挑战,梳理其探索形成的良好实践和技术方法,并介绍其未来的发展思路,以期为加快推进我国城市地质工作提供有益参考。

欧洲加快城市地下空间调查工作的背景

2013年启动伊始,“城市地下空间”计划首先对欧洲城市所面临的重要地质问题和地下空间工作现状进行了全面分析,以明确城市规划对地质工作的需求。计划选取了格拉斯哥、汉堡、赫尔辛基等12个城市,重点梳理各个城市地下空间工作现状,包括过去城市地质工作所取得的成果和当前地下空间工作存在的不足,以及城市规划对地下空间问题的重视程度和发展需求等。基于此,“城市地下空间”发布了一份题为《眼不见心不烦?城市规划应考虑地下空间问题》的报告,在其中指出欧洲城市地质工作在支撑服务城市规划中所存在的短板和不足,表现在欧洲地下空间调查工作对城市规划的支撑较为有限,工作成果尚未纳入城市规划的范畴,地质工作基础性、先行性的作用未能得到良好发挥,地质工作人员与城市规划者之间缺乏有效沟通。同时,报告针对地下空间受到重视程度不够的问题,呼吁要加快欧洲城市地下空间调查工作。

1.具有一定工作基础,但与城市规划的关联性普遍较差

欧洲许多主要城市都有数个世纪的发展历史,均已度过了快速发展阶段,目前经济繁荣,人口和经济增长率稳定,处于后工业化阶段。在“城市地下空间”计划前期调研的12个欧洲城市中,城市地下空间调查工作均有一定的基础,其中大部分城市开展过地下水监测和建模工作,地下水监测网络已建成或正在建设中;部分城市开展过土壤质量地球化学调查,且掌握一定的岩土工程数据;工作程度较高的城市,如都柏林和格拉斯哥,开展过城市地下空间的三维建模。然而,从地下空间工作与城市规划的关联性上看,由于目前所开展的城市地质工作内容单一、服务面窄,且存在地下数据整合共享难度大等问题,绝大部分城市的总体发展规划、计划中都没有专门考虑地质问题,城市地质工作也缺乏直接支撑城市总体规划的产品,大多还处在数据生成阶段,或者停留在服务特定市政工程、特定地下空间用途的层面,无法全面应对城市发展所面临的主要地质问题,也不能满足城市规划的需求。

2.“头痛医头,脚痛医脚”,地质工作先行性作用未能有效发挥

城市地质作为适应世界城镇化发展进程的新兴学科,目前已得到广泛和快速的发展。欧洲部分城市尝试开展的地下空间调查工作,往往是用于解决城市发展中的单一性问题,或是针对某一城市特定的地下空间利用需求,通常是小范围、低程度的。比如,科鲁那将地质和地下数据应用于特定市政工程和建筑项目的规划阶段;欧登塞、卢布尔雅那和南特对地下水进行了有力管理;格拉斯哥侧重对工业遗留问题的处理,包括土壤和水质监测,以及对矿山开采留下的隐患排查;奥斯陆和卑尔根利用地下数据对考古遗迹进行保护。欧洲这些经济发展水平较高的城市在制定发展规划时,不仅要考虑基础设施建设等基本规划问题,更多要考虑限制城市扩张、绿色和开放空间的保障、旧工业区的更新与改造等问题。由于缺乏对城市地上地下空间的综合考量和总体统筹,城市地质工作不能有效发挥其在城市发展规划制定过程中的先行性作用,无法提供全面科学的支撑。这也就导致了目前欧洲很多城市的地下空间调查工作及其成果未能被纳入城市规划的范畴。

3.地下空间调查开始受到重视,但与城市发展规划存在需求对接不畅的问题

欧洲已逐渐开始重视城市地下空间工作,目的是为城市的规划提供更好的支撑,以期使城市发展能最大程度地从地下资源和空间获益,同时尽可能降低各类风险,像地质灾害等。但目前城市地下空间调查与城市规划存在需求对接不畅的问题,突出表现在地球科学研究人员与城市规划人员之间存在着沟通上的鸿沟,主要体现在两个方面:一是全社会对地下和地质问题的认知度较低。提高认知度是一个重要的先决条件,不仅是针对专业人士(规划人员和地球科学研究人员),更重要的是政府机构和社会大众,从而推动城市规划人员和地球科学研究人员之间产生合作需求。二是规划人员和地球科学研究人员之间的沟通和相互理解亟待加强。两个群体间需要在合作中建立一种能够促进双方相互理解并进行有效沟通的机制,使得规划专家能够清楚地说出他们需要什么(数据、信息、专业知识),知道哪些是已有的,哪些是没有的;地球科学专家能够清楚地理解规划专家的需求,知道哪些是他们能提供的,或经一定工作后能提供的。

主要进展与经验

计划实施的4年中,在17个地质调查组织和22个研究机构,以及23座城市的积极参与下,“城市地下空间”计划取得一系列重要进展:建立了城市地球科学家/地下空间专家(主要来自欧洲地质调查机构和高等院校)和城市规划者、政策制定者及其他决策者之间知识的交流;探索形成良好的城市地下空间调查工作经验和一系列技术方法;开发整合地下与地上信息的地质模型,实现地下水动态、热量、岩性、可持续排水系统和工程性能的预测建模,可用于城市整体规划、确定地下发展机遇、减少地质条件的不确定性从而降低成本;创新方法以推动地下空间数据的共享与传播。

欧洲城市地下空间计划的实施,以及所取得的重要进展,突出表现在以下几个方向:

1.积极开展多方面探索,打造形成良好实践经验与可推广的技术方法。

在23个大小规模不同的欧洲城市所开展的专门服务于城市发展规划的地下空间调查工作中,由于各个城市在地质、土地利用、气候和历史,以及可获得数据方面都不尽相同,他们通常探索采取不同的技术手段和方法来解决所面临的最紧要的地下空间、资源利用问题,以满足城市规划制定的需求。计划在推进中,非常重视对相关探索实践和技术方法进行评估,以形成良好实践经验。同时,致力于构建一套系统的方法,形成一些可广泛推广的方法和技术,以指导未来更多的城市开展地下空间调查。目前,这些技术和方法主要分为以下几类:地下信息及规划、数据采集与管理、三维城市地下建模和可视化、地下水、地热监控和建模、岩土数据和危害、地下地球化学和文化遗迹等。

这方面工作成效最为显著的是英国格拉斯哥市。英国地质调查局在该市开展了地下水水位和流量的建模工作,并建立了地下水监测网络;编制了该市的区域沉积物和基岩数字地图,开发了沉积物和基岩的综合三维地下模型;开展了土壤和沉积物地球化学调查。作为在英国的首次尝试,格拉斯哥市议会基于英国地质调查局的三维模型,正逐步开发一套城市地下开发利用规划体系,同时积极推动地下空间数据共享。这表明,格拉斯哥市政厅和英国地质调查局已开始初步建立地下空间数据信息共享渠道,并为城市规划人员和地质工作者搭起了沟通的桥梁,从而推动城市地下空间调查工作逐步纳入城市规划中。

2.开发专门应用服务产品,不断满足城市规划需求。

城市规划者在制定决策时,需要大量的基础数据作为规划依据,包括城市人口、商业发展、社区流动性、健康发展、能源需求、土地利用条件和地下空间等,但是这些本应相互关联的数据往往是孤立和分散的。为了最大限度地发挥各类数据的效用,需要将它们整合到一个具有整体性、地上和地下统筹的系统中。目前已有的信息模型如“建筑信息模型”(Building Information Modelling,简称“BIM”)和“城市信息模型”(Civil Information Model,简称“CIM”)均存在一定的局限性。BIM综合了城市开发项目中的相关数据,但使用上主要针对的是单个项目层面的设计、建造和管理阶段,在更广阔的城市层面上缺乏有效支撑。而CIM则可以看作是土木工程师和城市基础设施专业人士对BIM在横向应用上的拓展,不再是单一项目视角,而是扩展到城市基建的范畴。这两种模型都是2D-2.5D视图,且不包含地下空间和地下建筑的信息。

为了解决现有信息模型的缺陷,“城市地下空间”计划提出了“城市地质信息模型”(Geo City Information Modelling,简称“GeoCIM”)的概念,在BIM和CIM的基础上进行拓展,将城市地表以上和以下的数据根据城市规划和管理的明确需求进行整合。

GeoCIM的建模过程涵盖了多个层面的物理和功能数据的生成、共享、集成和管理,主要包括表层(天然和人为的地表特征)、人工地下层(人造地坪、地下基础设施、地基)、自然地下层(地质单元、灾害和过程)。GeoCIM采用3D或4D数字表达,支持数据更新,并且能够满足不同规模的需求,其成果的输出形式灵活多样。GeoCIM的主要目标用户包括地下空间研究人员、城市规划人员、政策制定者和普通大众,可供个人、企业、政府机构和研究人员用于可持续地规划、设计、建造、运营和维护各种基础设施和城市资源,包括水、热能、生态系统、电力设施、通信设施、交通网络和建筑等。当前该模型的建立还处于探索阶段,还没有一个城市在GeoCIM建模上的实践能达到完全符合GeoCIM概念设计,但一些城市在GeoCIM建模的某些方面取得了良好的进展。

3.推动地质工作向全链条延伸,更加有效支撑服务规划制定。

不可预见的地质条件是继市场机制之后城市基础设施项目中最大的不确定性因素。从对城市发展规划、政策制定的影响程度而言,以往的地质调查工作更多地集中于获取数据、绘制地图等初级工作,以提交地质调查数据和简单的分析结果为主,通常对城市规划的制定影响程度较小,更多是一种参考性因素。而目前所推进的城市地下空间调查,直接的目的就是从根本上影响城市规划的制定,推动城市地下空间问题纳入规划决策中。因此,在调查工作中更加注重形成具有决策影响力的信息和产品,包括4D和定制模型、地下空间资源多要素分析和地上地下综合信息模型,这就推动地质工作向数据管理、3D模型开发、知识开发、知识应用、知识传播与集成等后端流程延伸,不断提高地质工作知识密集程度。

4.强调地质工作者与城市规划者之间的沟通协调。

“城市地下空间”计划的实施,通过地下空间专家和规划者之间的协作,努力形成了一个重要共识,即在规划过程中及早交付地球科学数据和知识,将有效减少城市建设中存在的较大的不确定性。为了解决过去存在的地质工作只管提交专业报告、规划者无法充分使用,或者需求不能有效对接的困境,在计划实施中,首先强调建立地下空间调查者和专家与城市规划者之间要建立密切的合作关系和协调对接,尤其是在规划制定的早期阶段。不同发展阶段,不同建设需求,以及不同地质背景的城市,也使得城市地质工作者与规划决策者之间的沟通与合作向着深入化和个性化发展,迫切需要满足不同城市规划需求的定制化产品。奥斯陆要求明确城市规划发展对地下信息的具体需求,格拉斯哥探索鼓励地下空间专家参与城市规划,鹿特丹市政府引导加强城市规划者和地下空间专家之间开展交流,这些工作的目的都是不断推进地质工作者与城市规划者之间的沟通向着更深层次且更加有效的方向发展。

下一步重点工作内容

在目前的工作进程中,随着对城市规划建设的参与程度在不断加深,地下空间调查的需求也在不断深化,这也成为欧洲城市地下空间调查下一步重点关注的方向和领域,主要表现在以下几个方面:

1.地下信息和规划

一是形成恰当比例尺的地质和岩土信息图件,诸如滑坡灾害图、基岩深度图等,以更好地应用于战略规划。二是明确国家地质调查机构在支撑城市规划的城市地下空间调查中的角色和定位。三是从现有城市地下空间总体规划的更新或修改中获得经验。四是探索在具有限资源(如数据、时间和经济资源)的城市,将地下信息应用到城市规划的方法。五是加强城市地下空间管理,由于新建隧道、地铁线路、文化遗迹、地下停车场和大楼地基与已经存在的地下基础设施间的影响正变得越来越紧迫,必须加强地下空间不同利用方式间的协调。

2.数据采集和管理

一是明确与数据采集和管理政策有关的法规。二是采用标准命名规范,使用标准化术语。三是开发专用的数据交换和验证工具。四是最大程度地利用公开的数据平台。五是获取多元数据以提高数据挖掘和发现能力,克服数据应用上的限制。

3.3D地质地下建模

一是充分认识城市地下空间的复杂性。由于不同城市的规划对地质资料需求的详细程度不尽相同,加之在城市中收集、获取新数据存在一定困难性,要求地质工作者跳出传统数据获取来源(例如钻孔、浅层地球物理),转而更多地利用第三方数据。二是人工堆积物和自然沉积物的小规模综合3D属性建模要求新的建模方法。欧登赛的综合方法取得一定效果,但仍需在其它城市进行测试。三是城市地下空间的特征和功能常常发生改变,要求城市地下空间建模保持更新,以便快速添加信息,并适应新的应用要求(如灾害管理)。四是开发动态(4D)城市地下空间模型,对地下属性进行实时监测。五是建立一个基础性的地质框架模型,作为城市各种专用模型的一个共同基础,以节省成本。六是力促在合适的时间,按照恰当的形式,提供准确的城市地下信息,从而推动地下空间调查纳入城市规划和管理中。

4.地下水监测和建模

一是以正式的法律或法规形式明确地下水监测基础设施的规范。二是系统设计地下水监测网,由于城市地下水监测系统是逐步开发,具有临时安排性质,通常无法满足目前的监测需要。三是重点解决缺少地下水历史资料且没有监测基础设施的城市建立地下水监测网络所面临的困难。四是加强对人工堆积物和地下基础设施的含水层特性的认识,探索在地下水建模中如何有效考虑这些因素。五是对沿海城市地下水位与海平面变化之间关系进行建模。六是将实时监测数据整合到地下水模型中,便于进行城市规划的预测和预报。

5.地热监测和建模

一是基于当地和区域风险最小化,同时考虑中长期开发,将一系列地下热水利用系统整合到一个网络中。二是有效协调不同系统整合的复杂性,并将其融入城市规划中。三是不断优化地下热水利用系统。四是研究地下热水利用所产生的热、化学以及微生物影响,以及它们对未来地下水利用的影响。

6.岩土建模和灾害

一是提高城市规划者和利益相关者对岩土建模和灾害调查编录重要性的认识。二是推动岩土建模和地质灾害数据纳入城市规划的早期阶段。三是鼓励私人公司、地质勘查机构与市政府分享岩土数据,这可能需要通过一系列规范推动相关资料汇交至地质档案馆,或通过互利合作方式进行。四是确定2D/3D岩土模型与城市3D模型进行整合的最佳框架/标准。

7.地下地球化学

一是开发3D和4D填图技术。二是加强地球化学数据采集和管理。三是推动实现地球化学的3D呈现和应用。

8.文化遗迹

一是评估现存遗迹遭到破坏的风险,破坏因素可以来自诸多方面,包括自然因素、政治或管理决策、土壤特征、历史活动、水循环、人类活动等,正确认识这些影响遗迹的自然和人为的环境及过程,从而提高遗迹现场保护、迁移设计和科学管理的能力。在城市规划过程中,需要将文化遗迹资源作为一个整体加以考虑。二是改变过去考古遗迹在城市规划过程中往往受到忽视或没来得及保护的困境,充分认识和利用地下环境作为考古遗迹的载体或为地面遗迹提供支撑的作用。三是构建现代可持续水管理系统,推动其对文化遗迹的保护,并产生更多效益。

9.地下数据标准化建设

一是构建开放、高效、共享的数据平台,加快推进欧洲地下数据的标准化建设,包括数据记录、采集、传输和归档的标准化,指导众多地调机构、第三方机构采用标准化的数据格式生产新的数据。二是解决数据的整合难度大的问题,城市规划所需数据来源广泛,包括地质/岩土工程钻井、地下水和地热监测、原位和实验室测试、地球化学调查、制图和基础设施建设等,目前不同的数据分散在不同的机构。三是对老的数据进行系统的电子化处理,解决封存在档案里的数据无法有效利用的问题。

10.成果综合集成工具

一是开发并完善在线知识成果集成工具——“城市地下空间工具箱”,不断整合计划实施中所形成的各种资产(报告和出版物等)、良好实践案例和推荐的技术方法等,以更加快速有效地推广城市地下空间调查所取得的良好实践和技术方法。二是提高“工具箱”支撑服务功能,重点在地下空间和资源的合理开发利用、城市地下生态系统保护、地下空间利用方式的有效管理等方面发挥指导作用。

尽管欧洲地下空间调查在支撑服务城市发展规划中已经做了大量的探索性工作,也取得了一定的成效,但一个为期4年的计划是远远不够的。该计划的一个长期目标是推动地质和地下空间调查真正纳入城市规划中,进而推动全球城市可持续发展。因此,未来该计划将开展更为广泛的国际合作:一是加强与欧洲内外对地下空间资源利用感兴趣的组织(国际隧道协会(ITA)、国际地下空间联合研究中心(ACUUS)、“智慧城市”)之间的知识成果交流和经验共享,并协同行动;二是在中国《“十三五”国家科技创新规划》的引导下,加强与中国城市在地下空间调查、开发和利用等方面的协作,与中国建立密切的合作关系并共享知识经验;三是通过欧洲一些国家的国际开发项目,获取世界快速城市化地区(亚洲和非洲)城市地下空间相关知识和实践经验。□

(作者单位:自然资源部中国地质调查局发展研究中心)

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