面向未來守護(hù)城市安全的地質(zhì)工作方略

【編者按】

2023 年8 月7 日下午，中國科學(xué)院院士、中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會理事長何滿潮教授，接受了上海市地質(zhì)調(diào)查研究院副院長、《上海國土資源》期刊主編詹龍喜教授級高工的專訪。何院士針對城市安全地質(zhì)工作策略與路徑，從地面沉降災(zāi)害防治、地下空間開發(fā)、地質(zhì)大數(shù)據(jù)及科學(xué)開放共享幾個(gè)方面，對面向未來、支撐城市安全的地質(zhì)工作如何深化發(fā)展，發(fā)表了高屋建瓴的深刻見解。

何院士指出：對于類似上海的超大城市，圍繞城市安全戰(zhàn)略預(yù)測預(yù)警是城市地質(zhì)工作的生命力，工程荷載、第四系和基底基巖三大層體相互作用的基礎(chǔ)性研究對城市安全預(yù)測預(yù)警至關(guān)重要，深部地質(zhì)是未來地面沉降和地下空間研究的重點(diǎn)方向；加強(qiáng)地質(zhì)調(diào)查研究，建立海量數(shù)據(jù)底座，構(gòu)建地面沉降開放科學(xué)生態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、知識共享和合作機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)學(xué)科水平量變到質(zhì)變的重要路徑。何院士同時(shí)寄希望于青年地學(xué)科技工作者，要在工程實(shí)踐中去做真正的學(xué)問。

關(guān)鍵詞：城市地質(zhì)；科學(xué)研究；工作方略；城市安全；地面沉降；地下空間；深部地質(zhì)；開放科學(xué)；院士訪談

中圖分類號：P621；G311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1329（2023）03-0001-05

本 刊：地下空間開發(fā)利用是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)，地下空間的開發(fā)利用給城市地質(zhì)工作的發(fā)展與進(jìn)步帶來哪些機(jī)遇和挑戰(zhàn)？從事城市地質(zhì)調(diào)查研究的地質(zhì)工作者怎樣抓住這次機(jī)遇？另外，上海地區(qū)的松散層有三四百米厚，我們現(xiàn)在主要關(guān)注與城市發(fā)展更為密切的層位，對于更深部的地下空間利用，尚不明確其可行性，從地質(zhì)的角度，您覺得我們需要做哪些工作？

何院士：21 世紀(jì)被稱為人類的地下工程的世紀(jì)。我們國家的城市建設(shè)基本上是“攤大餅”的方式，像北京建設(shè)的六個(gè)環(huán)線，是不是將來要搞到七環(huán)？顯然，這種“攤大餅”建設(shè)方式帶來許多交通、居住、教育等問題。現(xiàn)在城市立體式、深入地下空間式的發(fā)展是非常好的，未來更多的商場和交通設(shè)施等都在地下空間。值得一提的是，深部地下空間提供城市安全方面可能講的比較少。

這有兩方面安全。第一個(gè)安全，深部調(diào)洪排泄基準(zhǔn)面工程保障城市安全。像最近北京的暴雨，看起來是一個(gè)城市的地面出現(xiàn)的一些問題，但實(shí)際上是一個(gè)城市通過深部空間能夠解決的問題。在工程地質(zhì)和水文地質(zhì)學(xué)上，對于一個(gè)城市建設(shè)有一個(gè)基本原理——排泄基準(zhǔn)面決定城市安全。這個(gè)問題怎么理解？例如，山區(qū)城市為什么沒有這樣的問題？重慶為什么沒有這樣的問題？因?yàn)橹貞c的最低排泄基準(zhǔn)面是長江，長江的水位遠(yuǎn)低于城市建筑的排泄基準(zhǔn)面。所以排泄基準(zhǔn)面是客觀存在的?？梢韵胂?，對于平原城市和丘陵城市，就可能存在這個(gè)問題了。在平原地區(qū)，最低排泄基準(zhǔn)面有可能高于地下室；在丘陵地區(qū)，最低排泄基準(zhǔn)面也可能高于建筑物。這造成暴雨以后平原城市和丘陵城市排泄基準(zhǔn)面太高。那怎么辦呢？可以通過深部工程來解決。以上海為例，在深部100 米和深部200 米，可以設(shè)置縱貫?zāi)媳被驏|西的“大動脈”。像許多國外城市那樣，在地下100～200 米有一個(gè)綜合管廊式的大通道。等到暴雨來臨，這樣的通道就成了城市的最低排泄基準(zhǔn)面，把水排到相鄰的大江大河，從而保證整個(gè)城市的安全。顯然，上海還不具備這樣的深部排泄基準(zhǔn)面。城市越大，對深部排泄基準(zhǔn)要求越高，這是城市安全的很重要的一個(gè)方面。像北京和鄭州，實(shí)際上都有這樣的問題——不具備深部最低排泄基準(zhǔn)面工程。未來城市預(yù)防暴雨災(zāi)害的安全，應(yīng)該靠深部工程來解決。

另一個(gè)安全，深部人防工程保障城市安全。戰(zhàn)爭對城市安全提出了新的要求，城市應(yīng)該有地下人防工程。特別是，剛剛提到的深部綜合調(diào)洪排泄基準(zhǔn)面的工程，在戰(zhàn)時(shí)可能是城市的庇護(hù)所和人防工程。人防工程必須具備一種能夠?qū)惯@種戰(zhàn)爭武器打擊的韌性的結(jié)構(gòu)，必須能夠在武器打擊的情況下，甚至在核爆的情況下確保城市安全。所以，這就使得我們要考慮未來在暴雨條件和極端軍事條件等各種極端條件下城市怎樣才能安全。這種安全要靠深部工程來解決，這給我們提供了機(jī)遇，也提出了挑戰(zhàn)。深部工程對未來城市安全和建設(shè)是一個(gè)大文章，我們應(yīng)該做好這篇文章。

本 刊：目前上海地下空間調(diào)查已開展了較多的工作，您認(rèn)為下一步更深入的工作如何開展？例如哪些關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵問題需要突破，積累的海量調(diào)查數(shù)據(jù)怎么利用？

何院士：這個(gè)問題實(shí)際上是面向新時(shí)代城市的安全問題，像上海這樣的超大型城市的安全問題。以上海為例，城市的安全牽涉幾個(gè)很重要的方面。

第一個(gè)方面，上海的地下水與地面沉降。上海的地面沉降問題還是比較嚴(yán)重的，它牽扯到上海的地層結(jié)構(gòu)。上海地下有五層承壓含水層，含水層的開采，尤其局部超量的開采，會形成不均勻的沉降。水位的變化、水壓的變化和第四紀(jì)巖層不同的相互作用，會形成不同的沉降量和不均勻沉降，對城市安全有著很大的影響。

第二個(gè)方面，上海地下工程與地面沉降。上海有著發(fā)達(dá)的地下交通系統(tǒng)，諸如地鐵這種線性的地下工程的分布，對局部的沉降會產(chǎn)生影響。

第三個(gè)方面，上海超高建筑與地面沉降。上海有著數(shù)量眾多的超高層建筑，每一個(gè)大型建筑像一個(gè)盒子，對于城市的地層來講都是一個(gè)負(fù)擔(dān)，這種超大型建筑物的布局會產(chǎn)生局部的不均勻沉降的問題。

第四個(gè)方面，上海第四系地層和基底與城市安全。上海市第四系厚度約三四百米，這樣一個(gè)巨厚的地層，下面的基底是揚(yáng)子地臺和華北地臺。兩者之間是一個(gè)大的接合縫，這樣一個(gè)接合縫對區(qū)域穩(wěn)定性會有影響。將來萬一發(fā)生地震，會不會沿著這種縫合帶或者在縫合帶中的斷裂中分布？這是深部基底的穩(wěn)定性，它與淺部巖層間的相互作用，都會決定上海的安全。所以，上海的城市安全在這樣一個(gè)客觀的地層結(jié)構(gòu)情況下，未來發(fā)生地震的動荷載，或者未來發(fā)生一種核爆量級打擊的情況下，會出現(xiàn)什么？這需要研究，也給未來提出了一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的城市安全問題。

城市安全面臨這樣的挑戰(zhàn)，首先應(yīng)該做好基礎(chǔ)研究工作。目前對于三四百米地層的三維結(jié)構(gòu)和四維的時(shí)空變化的全面掌握尚不清楚。上海地下建筑普遍淺于100 米，雖然地下100 米比較清楚了，但對于200 米以下的第四系深部并不清楚。如果未來開展地下150 米、200 米的工程，開展深部城市最低排泄基準(zhǔn)面工程，應(yīng)該怎么做呢？所以，基礎(chǔ)研究必須得堅(jiān)持，要拓展到空白區(qū)。然而，僅僅做到第四系松散地層的基礎(chǔ)研究還不夠，因?yàn)榈卣鹕婕暗搅嘶住Ｒ粋€(gè)地震的震源大約是10～15 千米左右，需要比較好的基礎(chǔ)研究和基礎(chǔ)資料去掌握基底情況。

面臨這樣的挑戰(zhàn)，應(yīng)該開展大數(shù)據(jù)研究。剛才提到，第四系是三四百米，第四系之下是基底?；拙褪峭斜P，托盤不穩(wěn)定，托的東西就會有問題，所以每一層的基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)必須得清楚。除了地質(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之外，還要有工程技術(shù)方面的數(shù)據(jù)。大型建筑的分布、大型工程的分布、線性工程的分布和各種地下工程的分布等等，都是作為不同的荷載形式在基底和第四系上，這構(gòu)成了一個(gè)非?；A(chǔ)性的問題。另外，地下水空間的補(bǔ)逕排流動的問題。上海分布的江河水系，地表的水體和地下的水體之間是怎么互動的？不同的流域上游中游下游是怎么互動的？地表水和地下水補(bǔ)給關(guān)系是怎樣的？這種互動的補(bǔ)逕排規(guī)律需要深入研究。總而言之，這些非常基礎(chǔ)性的研究工作得進(jìn)入大數(shù)據(jù)。

面對這些非?；A(chǔ)性的問題，只有做好基礎(chǔ)研究，才能開展面向重大城市安全需求的高層次高質(zhì)量的分析。沒有好的基礎(chǔ)研究，面向安全需求的高水平高質(zhì)量的分析是做不到的。所以，面向新時(shí)代，這些問題擺到議事日程上，基礎(chǔ)研究永遠(yuǎn)是第一位的。地質(zhì)基礎(chǔ)、工程基礎(chǔ)以及這些基礎(chǔ)資料反映的水溫場、巖性結(jié)構(gòu)場、構(gòu)造場和工程應(yīng)用場之間相互作用，決定了上海城市未來的穩(wěn)定性狀態(tài)，必須做好基礎(chǔ)研究。這樣一個(gè)情況總結(jié)起來，一是加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，二是大數(shù)據(jù)挖掘，三是工程相互作用力學(xué)分析。三個(gè)方面構(gòu)成了三項(xiàng)技術(shù)，缺一不可。否則，回答不了一個(gè)大型城市地質(zhì)安全的重大需求，無法得到高水平分析結(jié)果。

本 刊：長期以來基礎(chǔ)性地質(zhì)工作其實(shí)是默默無聞的，怎樣提升這項(xiàng)工作的社會顯示度？怎樣讓決策者來了解這項(xiàng)工作的重要性而加大投入？

何院士：這聽起來是一個(gè)很好的命題，但其實(shí)是個(gè)偽命題。提到基礎(chǔ)研究，政府必須得投入，但從另外一個(gè)角度，政府又不一定要投入。說實(shí)話，政府已給地質(zhì)工作投入幾十年了，地質(zhì)工作已經(jīng)取得了很多量變的成果，我們應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)有的基礎(chǔ)研究資料開展對未來的趨勢性預(yù)測。以上海地面沉降研究為例，它已發(fā)展到了具備從量變到質(zhì)變的可能性?；趲资f個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)，起碼掌握了地下100 米。然而，再專門投入幾十萬個(gè)鉆孔去掌握100 米以深的地下結(jié)構(gòu)并不現(xiàn)實(shí)。

我們可以先粗線條地“畫虛線”，運(yùn)用地質(zhì)知識把地震情況下第四系和基底相互作用模式提出來，把風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模式提出來。有了緊迫性才會有必要的投入。所以，下一步應(yīng)該追求質(zhì)變的成果。質(zhì)變是什么？質(zhì)變是面向未來。預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)能不能發(fā)生是科學(xué)要解決的問題，風(fēng)險(xiǎn)具體在哪里發(fā)生是靠工程來解決的問題。搞基礎(chǔ)性研究就是搞科學(xué)，但搞科學(xué)不能只講歷史，更要針對現(xiàn)在和面向未來。利用現(xiàn)有地質(zhì)資料，我們可以先對未來做一個(gè)看似不太準(zhǔn)確但在科學(xué)上是一個(gè)準(zhǔn)確的預(yù)測。

例如，未來發(fā)生地震風(fēng)險(xiǎn)是多少？可以先通過“畫出虛線”來回答有沒有，告訴決策者研究的重要性。地震預(yù)測是基礎(chǔ)研究工作，非常重要，關(guān)系到安全預(yù)警。另外，地震作用在一個(gè)城市能不能控制？要回答這個(gè)問題?，F(xiàn)在有一個(gè)概念——韌性城市，韌性就是要對抗和消減諸如地震等災(zāi)害的作用，確保城市安全。實(shí)際上，這是要回答地震是不是要可控的和如何控制到安全層面的問題。要講清楚上海地震是否可控的道理，需要掌握地下第四紀(jì)地層和基底結(jié)構(gòu)。地下兩大地層再結(jié)合建筑工程層，三大層次相互作用，最后會發(fā)生什么？可以先做這樣的預(yù)測工作，這樣可能會獲得政府的支持去開展更細(xì)的工作?？茖W(xué)的重要作用不在于僅描述歷史，而在展望未來、預(yù)測未來，讓決策者能明白明天會發(fā)生什么，我們應(yīng)該做哪些工作來迎接未來，使明天更加安全，使后天更加美好，我認(rèn)為是這樣一個(gè)邏輯關(guān)系。大家都應(yīng)該有積極的態(tài)度，互相主動合作，攜起手來面向未來。

本 刊：上海地面沉降防治是上海地質(zhì)工作的一張名片，在國際上也取得了引領(lǐng)性示范性效果。經(jīng)過幾十年的工作開展，我們?nèi)〉昧素S富的量變成果。地面沉降研究如何面向未來？或者說，需要開展哪些工作來推動地面沉降研究質(zhì)變飛躍？

何院士：我認(rèn)為有“三化”：

第一，智能化。這些工作總是靠人去做要預(yù)測，太慢了！要智能化，用最先進(jìn)的技術(shù)最智能化的系統(tǒng)來做監(jiān)測，來做大數(shù)據(jù)的建設(shè)，來做未來風(fēng)險(xiǎn)圖的繪制。

第二，深部化。我們必須關(guān)注決定上海地面沉降的三四百米厚的第四系松散層。然而，掌握托住松散層的基底更是決定性的和戰(zhàn)略性的。雖然目前上海深部比較穩(wěn)定，但是一旦那種小概率的事件發(fā)生，將是毀滅性的。要及時(shí)地向決策者提出預(yù)警，這樣才能獲得戰(zhàn)略性支持，并徹底扭轉(zhuǎn)在決策中的位置。

第三，韌性化。韌性城市在大的方面涉及兩方面問題，一方面是地面建筑物問題，另一方面是地下結(jié)構(gòu)問題。地面建筑韌性結(jié)構(gòu)、地下的韌性結(jié)構(gòu)，未來能不能適應(yīng)上海復(fù)雜的地面沉降形勢，是這個(gè)工作的最大考驗(yàn)。地面建筑實(shí)際上受地下結(jié)構(gòu)制約，地下決定地上，而地下決定于基底，基底決定著工程地質(zhì)。深部地質(zhì)工作對于打造一個(gè)穩(wěn)定的上海、韌性的上海至關(guān)重要。

此外，還要補(bǔ)充的是，在地面沉降領(lǐng)域要建設(shè)開放科學(xué)的生態(tài)，這包括三個(gè)方面：

第一個(gè)方面，我們積累了大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們要開放共享。我們國家地面沉降涉及到了地下水、石油和礦產(chǎn)開采導(dǎo)致的沉降，涉及各個(gè)部門，不同部門間的數(shù)據(jù)交流和啟發(fā)非常重要。我們要率先建立這方面的數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)一種大數(shù)據(jù)的共享。

第二個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)各個(gè)行業(yè)關(guān)于地面沉降方面的合作。我們現(xiàn)在的研究還不是很開放，各個(gè)大學(xué)、各個(gè)行業(yè)都有“墻”，有著明顯的邊界。對于學(xué)者間的合作，這種邊界是不行的。我們應(yīng)該推動知識的共享、研究經(jīng)驗(yàn)的共享，但目前我們做得不是很好。由于這兩個(gè)因素，知識的積累，數(shù)據(jù)的積累和學(xué)者間研究經(jīng)驗(yàn)不能共享，使得很多研究是低水平的重復(fù)。重復(fù)，高水平也變成了低水平了，這導(dǎo)致我們?nèi)〉貌涣艘粋€(gè)很好的研究成果。開放科學(xué)實(shí)際上是研究為什么是這樣？開放科學(xué)生態(tài)建設(shè)的兩個(gè)方面，一是大數(shù)據(jù)的共享、知識的共享，然后是研究者之間的合作。

第三個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)共享實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)知識的量變到質(zhì)變。要真正解決我們國家地面沉降問題，需要質(zhì)變性成果。關(guān)于地面沉降研究，我們有了幾十年的經(jīng)驗(yàn)，國際上應(yīng)該有上百年的歷史。積累了這么多的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)際上這是量變，我們現(xiàn)在開始要做質(zhì)變的飛躍，把地面沉降研究推進(jìn)到一個(gè)新的水平。

本 刊：在您領(lǐng)銜負(fù)責(zé)的中國礦業(yè)大學(xué)“深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的展廳墻上有一段話令人印象深刻：“真正的學(xué)問，不在書本中，不在高樓里，而在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，在現(xiàn)場實(shí)際考察中！”您能否對“真正的學(xué)問”，再解釋一下，讓我們領(lǐng)會得更深一點(diǎn)。另外，加強(qiáng)基礎(chǔ)地質(zhì)研究離不開人才隊(duì)伍的建設(shè)，您對青年地質(zhì)工作者有怎樣的期許？

何院士：真正的學(xué)問就是要解決現(xiàn)在的學(xué)問解決不了的問題，那個(gè)學(xué)問不是書本上的學(xué)問，是老師沒有做出來，學(xué)生也沒做出來的學(xué)問。到哪去找答案？到實(shí)驗(yàn)室，到工程實(shí)踐。只有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)量變到質(zhì)變。學(xué)為日益，不斷地積累知識。積累知識是為了什么？是為了悟道，是為了量變到質(zhì)變，質(zhì)變就是真正的需要。真正的學(xué)問應(yīng)該是能夠解決國家面臨的問題、城市面臨的問題等等，這樣的學(xué)問必須是實(shí)踐出真知。所以，考核不能僅僅是寫文章，寫文章可能“紙上談兵”，但是“打不了仗”，解決不了實(shí)際問題。真正能解決實(shí)際問題，那叫真正的本事，這是我們的理解。

不管愿不愿意承認(rèn)，地質(zhì)基礎(chǔ)工作決定了一個(gè)城市的未來。對于青年工作者而言，面向未來的城市安全，僅僅掌握過去傳統(tǒng)的地質(zhì)是沒有未來的。面向未來的城市安全，涉及到了地質(zhì)的基礎(chǔ)和建筑的安全問題，以及受到一些力的打擊和一些地震動荷載的作用下是否安全的問題。所以，青年地質(zhì)工作者要想有所作為，除了地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)，必須要有力學(xué)基礎(chǔ)。這樣，才能分析清楚地質(zhì)體和未來工程間的相互作用，才能回答能不能安全的問題。目前存在一個(gè)尷尬的現(xiàn)象，回答一個(gè)城市的安全，搞力學(xué)的不懂地質(zhì)，搞地質(zhì)的不懂力學(xué)。因此，當(dāng)下青年地質(zhì)工作者必須跨界學(xué)習(xí)，跨領(lǐng)域擴(kuò)大自己的知識。另外，未來青年地質(zhì)工作者要在計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)上完善自己，因?yàn)槲磥淼墓ぷ饕恐悄芑Ｎ磥淼刭|(zhì)學(xué)要變成熱門，變成對社會更有用，青年地質(zhì)工作者就必須要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)來武裝自己，成為新時(shí)期我們城市安全的守護(hù)者。能為城市安全做出貢獻(xiàn)，未來的青年才有未來。