石家庄市城市地质调查项目取得的主要科技创新

1. 项目背景

石家庄是河北省省会, 华北浅层地下水严重超采区, 人口495万人, 都市区规划面积2657km2, 在建轨道交通规模进一步扩大, “数字石家庄”是未来发展目标。

本研究以市政府提出的建设“数字石家庄”及其对城市地质环境安全与资源利用保障的重大需求为驱动力, 针对轨道交通建设、地下空间利用、替代燃煤资源和饮用水保障等, 四年来国家、省厅和地方投入4250万元, 在梳理整合50多年积累地质资料成果基础上, 充分借鉴国内外先进经验[1,2,3,4,5,6], 开展了1:5万/1:1万水文地质、工程地质和基础地质调查评价, 以及三维地质结构、城市地质资源、城市地质环境和信息系统建设等15个专题研究, 取得重大成果。项目受到河北省和石家庄市政府高度重视, 14个部门配合支持项目实施。

2. 研究目标

以“数字石家庄”对城市地质环境安全与资源利用保障的重大需求为目标, 通过深入开展石家庄都市区城市三维地质结构、地质资源、地质环境等综合地质调查, 建立三维可视化信息系统, 综合评价城市发展的资源保障、环境承载能力与城市安全性, 为城市规划、建设和管理提供地质信息和为城市可持续发展提供基础保障。

3. 取得的主要科技创新

3.1 针对“数字石家庄”城市发展的重大需求, 创建了石家庄市城市地质数据库和多尺度、多层次的三维地质结构模型及其可视化信息系统

3.1.1针对“数字石家庄”城市发展与建设中不同具体需求, 遵循有限调查经费高效投入的原则, 采用1:10万、1:5万和1:1万不同精度调查, 深入开展了石家庄都市区水文地质、工程地质和基础地质综合调查与评价, 调查面积2657km2, 钻探进尺21543m, 获取2.4万个钻孔原始资料与数据, 深入研究了1980个钻孔和148条剖面, 强力奠定“数字石家庄”地质环境数字化基础。

3.1.2根据166个基岩钻孔地层分层数据、12条地质剖面及地球物理勘探成果, 将平原区地层结构划分为8层。依据1787个钻孔、115条剖面所揭露的石家庄都市区地下80m范围内地层情况, 按沉积时代、成因类型与岩土类别、综合岩性与工程特征三类控制要素, 首次构建了10个工程地质层组和32个工程地质层序的城市工程地质基础体系, 查明 (4) -3中粗砂可作为多层建筑桩端较好持力层、 (6) -2中粗砂可作为小高层或高层建筑较好桩端持力层、 (8) -1含卵石中粗砂或 (8) -3卵砾石可作为高层、超高层建筑或桥梁桩端较好持力层、 (9) -1卵砾石可作为桥梁桩基持力层, 创造三维地质结构模型的概念模型条件。

3.1.3根据地层时代、含水层与隔水层的组合特征, 构建了第四系孔隙水含水岩组体系。在上述工作基础上, 依据21条剖面、97个钻孔及水文地质参数, 建立了研究区三维水文地质结构体系, 包括86个含水岩性层和22个隔水层, 共计108层单元, 查明生活用水及部分工业用水的主要供给和保障含水层层组, 支撑了三维地质结构模型的多功能构建。

3.1.4首次构建了河北省省会“数字石家庄”建设所需求的海量数据库 (数据总量达220G) , 查明了石家庄市平原区三维基础地质结构、三维水文地质结构和三维工程地质结构, 创建了石家庄都市区三维地质结构模型及其可视化系统, 为石家庄市城市总体规划及专项规划编制、石家庄地铁选线、优化空间布局及工程环境安全提供了技术依据。作为“数字石家庄”建设的重要构件, 为统筹利用城市地质资源、改善城市地质环境、保障城市安全提供了大数据支撑及信息平台。

3.2 攻克了三维水文地质结构模型的“钻孔+剖面约束”自动建模关键技术, 创新研发了模型的地下水分析评价功能

三维水文地质结构建模以往主要有两种方式:一为采用钻孔构建单元格人工拼接方式, 二为钻孔+交叉剖面约束交互式。二者均需对钻孔、剖面进行标准化。前者能反映出同一含水层在水平方向上的岩性变化, 但建模过程费时费力、更新性差 (如北京[7]) ;后者建模速度快, 但对钻孔和剖面的标准化要求极高, 对水平方向上含水层岩性单一的地区适宜 (如上海[8]、天津[9]) , 对山前冲洪积扇这样的含水层岩性水平方向变化较大的地区, 难以建至具体岩性层并实现地下水分析评价功能[10]。

石家庄市地处山前冲洪积平原, 含水层岩性水平方向变化较大, 三维水文地质建模难度大。三维水文地质结构建模及分析评价功能的主要技术难题: (1) 钻孔+交叉剖面如何约束交互; (2) 如何实现钻孔、剖面的标准化, 客观反映同一含水层在水平方向上的岩性变化; (3) 如何实现地下水分析评价功能。

本研究建模范围为石家庄都市区 (平原区) , 面积2400km2。

(1) 依据该市特有的三维水文地质结构特征和已有工作程度, 收集了119个水文地质孔, 对其中97个钻孔和21条水文地质剖面进行了标准化, 其中纵剖面9条, 横剖面12条;建模层级共4级, 其中四级模型为岩性层, 含水层进一步分为卵石、砾石、粗砂、中砂、细砂、粉砂, 共108层。

(2) 攻克了三维水文地质结构模型的“钻孔+剖面约束”自动建模关键技术, 将建模层序细化到岩性层, 按含水组和岩性对岩性层逐一赋予出水率、渗透系数、给水度等水文地质属性参数, 通过设定计算模型、关联等水位线图、水质分区图, 创新理念与关键技术, 研发了模型的虚拟供水井水量、水位、水质预测、渗透系数与储存资源计算等地下水分析评价功能的应用技术体系。

对于区域地下水资源评价、城市供水规划与水源地建设具有较高实用价值, 已应用于滹沱河地下水库研究[11]、相关县市区水资源评价与保护方案编制、正定新区供水规划与应急水源地建设。

3.3 首次依据城市地质资源开发目的层设定三维基岩地质结构模型的建模层位, 攻克了三维基岩地质结构模型的“地层等值线+钻孔约束”交互式建模关键技术, 创新研发了模型的地热分析评价功能和矿泉水分析评价功能

寻找烟煤的替代资源和进一步提高饮用水保障能力, 是石家庄都市区未来发展的重要需求。近几年该地区雾霾、地下水超采与地下水环境污染日趋严重, 制约着“数字石家庄”建设和城市现代化发展。该区为非油田区, 基岩埋深较大, 深钻孔较少, 地热矿泉水资源潜力评价难度较大。

3.3.1大量调查成果查明, 石家庄地区地质资源开发目的层位特征是:古元古界及太古界构成了华北断拗的结晶基底, 为区域隔水层;新近系馆陶组为孔隙裂隙型区域热储层, 下古生界和中新元古界为岩溶型区域热储层, 在山前地带为供水层位;新近系明化镇组为部分地区的供水层位和区域优质饮用天然矿泉水赋存地层;第四系为区内主要供水目的层。

3.3.2攻克了“地层等值线+钻孔约束”交互式建模关键技术, 充分利用已获取的重力、大地电磁、地震等资料, 结合基岩控制钻孔提供信息, 逐层编制了建模层位带断裂分布的等值线图, 对建模层逐一赋予地热、矿泉水属性;依据城市地质资源开发目的层, 确定三维基岩地质结构模型的8个建模层位:第四系、新近系明化镇组、新近系馆陶组、古近系、中生界及上古生界、下古生界、中新元古界、古元古界及太古界;研发了模型的地温等值线生成、分区属性查询、资源储量计算等地热、矿泉水方面的分析评价功能, 可查询任意地点、任意层位的地热、矿泉水开发前景。

以往建立的三维基岩地质结构模型多处于矿区等基岩勘探程度较高的地区, 用于矿区地层和矿床的三维空间分析、储量评价等 (如大港油田[12]) , 油田分布区以往有建立三维地热地质结构模型进行地热资源储量评价 (如辽河油田[13]) , 但建模层位较少、目的单一;对于基岩钻孔较少的城市区, 多利用钻孔和基岩地质剖面, 采用单元格人工拼接方式建模, 建模层位多, 建模过程费时费力 (如北京[7]) , 且以往在城市区建立的三维基岩地质结构模型多不具备地热、矿泉水分析评价功能。

该成果对于石家庄市地热、矿泉水资源规划与开发具有较高的实用价值, 已应用于正定新区地热、矿泉水开发, 相关技术已应用于石家庄市正定新区、霸州市、辛集市地热资源勘查及开发利用规划。

3.4 针对石家庄都市区地下有轨交通建设和地下空间开发利用需求, 创建该区地下水数值模型, 预测了南水北调来水后地下水位变化对城市地下空间建筑物安全的影响状况

自2014年以来石家庄都市区开展有序、分阶段建设地下有轨交通体系, 解决城市交通严重拥堵问题, 同时, 城区高层建筑物的高度不断提高, 地下空间开发利用规模不断扩大, 建筑物桩基、桥梁桩基、独立塔基、地下室、地下车库、地下商业街、轨道交通、入地国铁、地下管网、水井、浅层地温能换热井和古建筑等地下空间利用类型错综复杂, 科学合理开发利用城市地下空间, 已成为石家庄都市区发展中急需解答的重大问题之一。

本项目在查明了上述12种类型的地下空间开发利用现状基础上, 采用Viusa LModf Low技术, 建立了石家庄都市区地下水数值模拟模型, 考虑需水量、来水与降水频率组合、调蓄量等多种因素, 设定了南水北调来水后14种可能工况, 同时考虑极端情况 (50年一遇洪水) 叠加, 模拟预测了不同地段地下水位的极端最高值, 阐明石家庄高铁新客站、地铁站、怀特华堂聚瑞小区等深基础建筑, 在极端工况下地下水位可能接近建筑基础底板, 提出:当地下水位接近或淹没建筑基础时, 除对基础结构进行抗浮加固等工程措施外应采的应急措施[14]。

研究成果对于未来地下空间开发利用和城市安全预警系统建设具有重要的指导意义, 已应用于石家庄市地铁规划与建设。

3.5 针对研究区雾霾日益严重急需烟煤替代资源问题, 突破传统认识的束缚, 利用本项目创建的三维基岩地质结构模型及其地热分析评价功能关键技术, 揭示凹陷区馆陶组热储地热赋存机理, 在石家庄都市区传统认识的地热匮乏区探明一处大型地热田及其地热资源量, 并打出了高产地热井, 为石家庄都市区解决替代烟煤的清洁能源提供保障

“数字石家庄”发展目标中包括“低碳、生态、智慧”的城市建设理念, 急需清洁能源替代烟煤, 由此对地热资源开发利用具有强烈的需求。

3.5.1通过大量调查, 查明在太行山山前的石家庄凹陷内地表至200m深度范围, 没有地热异常显示, 地温梯度小于2.2℃/100m。按传统的地热形成理论, 在这一地区根本无法找到有利用价值的地热[15,16], 以往经历了多次地热勘查公认为“石家庄地区是地热资源匮乏区”。

本研究突破传统认识的束缚, 利用本项目创建的三维基岩地质结构模型及其地热分析评价功能关键技术, 揭示凹陷区馆陶组热储地热赋存机理, 在石家庄都市区传统认识的无地热禁区, 探明一处大型地热田及其地热资源量[17], 发现研究区正因为受山前冷水补给, 浅部地温梯度才低, 而在石家庄都市区的正定新区一带的凹陷中心馆陶组底界埋深1400-1600m, 通过探查发现地温梯度达2.5℃/100m的异常, 通过缜密计算和分析判定, 该区可钻出水温度40℃的地热井。采用大地电磁测深技术, 确定了最佳井位和合理取水段, 创新成井工艺, 2012年9月份成功打出了水温45℃、水量80m3/h的地热井, 超预期实现设计目标, 填补了石家庄地区地热开发的空白。

3.5.2基于三维地热地质结构模型, 采用热储法、解析法和GMS技术, 评价出馆陶组地热田面积276km2, 地热流体量115×108m3, 用于供暖尾水全部回灌后, 可采地热流体量为1.2×108m3/a, 相当于标准煤49×104t/a, 折合热能840MW。

该地热田现已投入开发建设, 施工地热井4眼, 首眼开采井水量104m3/h, 水温49℃。项目成果推广后, 可在一定程度上改善城市能源结构, 替代部分燃煤采暖, 对大气污染防治、还省会一个蓝天具有重大意义。

3.6 首次构建石家庄都市区地下空间资源利用安全合理利用的地学支撑体系, 查明了该区复合地基承载力和工程建设用地适宜性区划分布特征

石家庄市未来以发展小高层、高层建筑为主, 地下室多为2层, 结合石家庄工程地质条件的实际情况, 充分考虑影响石家庄市工程建设用地的各项因素, 利用yaahp软件、arcgis软件以及matlab软件平台, 采用层次分析法确定各指标因素的权重, 结合模糊综合评判法, 建立多指标的参数综合评价模型。

首次构建石家庄市工程建设用地适宜性综合评判体系, 将地表下8m深度切面承载力特征值作为地基土承载力分析的主要依据[18, 19], 查明: (1) 适宜区, 分布在正定县城规划区、正定新区、老城区东部、东部产业区、藁城市规划区以及栾城县规划区一带, 宜发展多层、小高层、高层建筑物; (2) 基本适宜区, 分布在鹿泉市杜章-石家庄市区西三教、栾城县南赵村一带, 可发展多层、小高层、高层建筑物, 应注意黄土湿陷性、桩端持力层的选择、干湿交替环境下对钢筋混凝土中的钢筋腐蚀性; (3) 山前适宜性差区分布在鹿泉市县城-台头一带, 工程建设时需进行湿陷性黄土地基处理、工程降水, 在岩土工程勘察时勘察点的间距应适当减小, 查明土层分布、均匀性; (4) 滹沱河适宜性差区分布在滹沱河一带, 历史上洪水灾害较频繁, 不适宜工程建设, 建议开发生态旅游资源。

按施工方式和开发利用深度, 分0-6m基坑、0-12m基坑、0-20m基坑、10-20m隧道、20-30m隧道共计五种类型, 分别进行地下空间开发地质环境适宜性评价[20]。其中10-20m隧道工程适宜区分布在老城区东北部、全部东部产业区以及正定新区大部, 适宜进行盾构施工, 采用土压盾构即可;较适宜分布在老城区北部以及正定新区中、南部, 一般采用土压盾构即可, 部分砂粒含量高于60%地区需采用泥水盾构;适宜性较差区分布在老城区西南部, 一般需采用泥水盾构, 施工较为困难。

研究成果已应用于石家庄市城市总体规划及轨道交通等相关专项规划, 为规划编制、轨道交通建设提供了工程地质技术支撑。

4. 结论

石家庄市城市地质调查, 通过三年多的工作, 取得了如下六项创新成果:创建了石家庄市城市地质数据库和多尺度、多层次的三维地质结构模型及其可视化信息系统;攻克了三维水文地质结构模型的“钻孔+剖面约束”自动建模关键技术, 研发了模型的地下水分析评价功能;攻克了三维基岩地质结构模型的“地层等值线+钻孔约束”交互式建模关键技术, 研发了模型的地热分析评价功能和矿泉水分析评价功能;预测了南水北调来水后地下水位变化对城市地下空间建筑物安全的影响;揭示了构造凹陷区馆陶组热储地热赋存机理, 在石家庄都市区传统认识的地热匮乏区探明一处大型地热田及其地热资源量, 并打出了高产地热井;采用层次分析与模糊综合评判相结合评价了地表下8m深度切面的复合地基承载力和工程建设用地适宜性。取得的创新成果为石家庄市城市规划、建设与管理提供了重要支撑, 对于其它山前平原大中型城市开展城市地质工作也具有借鉴意义。

摘要：围绕省市政府提出的建设“数字石家庄”及其对城市地质环境安全与资源利用保障的重大需求, 充分借鉴国内外先进经验, 综合运用现代地质调查手段, 综合研究1980眼钻孔和148条剖面资料, 取得了三维水文地质结构模型的“钻孔+剖面约束”自动建模关键技术和模型的地下水分析评价功能等六项科技创新, 为石家庄市城市规划、建设与管理提供了重要支撑, 并可为其它类似城市开展城市地质工作提供借鉴。

关键词：石家庄,城市地质,科技创新

参考文献

[1] 程光华, 翟刚毅, 庄育勋等.中国城市地质调查与技术方法[M].北京:科学出版社, 2013.

[2] 程光华, 翟刚毅, 庄育勋等.中国城市地质调查工作指南[M].北京:科学出版社, 2013.

[3] 李明朗, 刘玉海, 王秉忱等.中国城市地质[M].北京:中国大地出版社, 2005.

[4] 魏子新, 翟刚毅, 严学新等.上海城市地质[M].北京:地质出版社, 2010.

[5] 万卫顺, 吕晓检, 蔡向民等.北京城市地质[M].北京:中国大地出版社, 2008.

[6] 程光华, 翟刚毅, 庄育勋等.城市地质与城市可持续发展[M].北京:科学出版社, 2013.

[7] 张院, 刘殷, 许苗娟, 孙颖, 郑菲菲, 宋国玺.北京三维地质建模研究与实践[J].工程勘察, 2015, (06) :60-65.

[8] 陈勇, 刘映, 杨丽君, 徐俊杰, 刘曦.上海三维城市地质信息系统优化[J].上海地质, 2010, (03) :23-28.

[9] 李继军.天津城市三维地质结构调查工作方法的应用[J].地质调查与研究, 2006, (03) :233-240.

[10] 刘天霸, 张永波, 费宇红, 程丹.华北平原三维水文地质建模及其可视化研究[J].水科学与工程技术, 2007, (02) :44-46.

[11] 崔秋苹, 张增勤, 徐丹梅, 等.滹沱河地下水库建设条件分析[J].水文地质工程地质, 2011, 38 (3) :19-23.

[12] 陈文杰.SKUA基岩三维地质建模[J].城市地质, 2015, (02) :72-78.

[13] 邓春来.辽河油田地热资源评价及其配套技术研究[D].中国地质大学 (北京) , 2008.

[14] 赵志超, 冯创业, 张敬滨, 等.滹沱河地下水库调蓄引江水对城市地下空间的影响预测[J].南水北调与水利科技, 2013 (s2) :116-119.

[15] 胡君春, 郭纯青.石家庄地热地质条件及开发远景[J].地下水, 2007, (02) :110-114.

[16] 张德忠, 刘志刚, 卢红柳等.河北地热[M].北京:地质出版社, 2013.

[17] 李岩.正定新区发现一处大型地热田[N].中国矿业报, 2016-05-21 (003) .

[18] Li X M, Zhang Z Q, Song Z F, et al.A City’s Composite Foundation Building Land Suitability Evaluation[J].Communications in Computer&Information Science, 2013, 398:16-24.

[19] Zhang Z Q, Feng C Y, Li X M, et al.The Adaptability of a City’S Natural Foundation of Fuzzy Comprehensive Evaluation[M]//GeoInformatics in Resource Management and Sustainable Ecosystem.Springer Berlin Heidelberg, 2013:25-32.

[20] 岳志辉.石家庄城市地下空间开发及利用适宜性灰色综合评价[D].河北工业大学, 2013.