面向未来守护城市安全的地质工作方略——中国科学院院士何满潮教授接受本刊专访.pdf

上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 1doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2023.03.001面向未来守护城市安全的地质工作方略中国科学院院士何满潮教授接受本刊专访【编者按】2023 年 8 月 7 日下午，中国科学院院士、中国岩石力学与工程学会理事长何满潮教授，接受了上海市地质调查研究院副院长、上海国土资源 期刊主编詹龙喜教授级高工的专访。何院士针对城市安全地质工作策略与路径，从地面沉降灾害防治、地下空间开发、地质大数据及科学开放共享几个方面，对面向未来、支撑城市安全的地质工作如何深化发展，发表了高屋建瓴的深刻见解。何院士指出：对于类似上海的超大城市，围绕城市安全战略预测预警是城市地质工作的生命力，工程荷载、第四系和基底基岩三大层体相互作用的基础性研究对城市安全预测预警至关重要，深部地质是未来地面沉降和地下空间研究的重点方向；加强地质调查研究，建立海量数据底座，构建地面沉降开放科学生态，实现数据共享、知识共享和合作机制，是实现学科水平量变到质变的重要路径。何院士同时寄希望于青年地学科技工作者，要在工程实践中去做真正的学问。关键词：城市地质；科学研究；工作方略；城市安全；地面沉降；地下空间；深部地质；开放科学；院士访谈中图分类号：P621；G311 文献标志码：A 文章编号：2095-1329(2023)03-0001-05本 刊：地下空间开发利用是当前的一个热点，地下空间的开发利用给城市地质工作的发展与进步带来哪些机遇和挑战？从事城市地质调查研究的地质工作者怎样抓住这次机遇？另外，上海地区的松散层有三四百米厚，我们现在主要关注与城市发展更为密切的层位，对于更深部的地下空间利用，尚不明确其可行性，从地质的角度，您觉得我们需要做哪些工作？何院士：21 世纪被称为人类的地下工程的世纪。我们国家的城市建设基本上是“摊大饼”的方式，像北京建设的六个环线，是不是将来要搞到七环？显然，这种“摊大饼”建设方式带来许多交通、居住、教育等问题。现在城市立体式、深入地下空间式的发展是非常好的，未来更多的商场和交通设施等都在上海国土资源 Shanghai Land&Resources2 2023Vol.44.3 地下空间。值得一提的是，深部地下空间提供城市安全方面可能讲的比较少。这有两方面安全。第一个安全，深部调洪排泄基准面工程保障城市安全。像最近北京的暴雨，看起来是一个城市的地面出现的一些问题，但实际上是一个城市通过深部空间能够解决的问题。在工程地质和水文地质学上，对于一个城市建设有一个基本原理排泄基准面决定城市安全。这个问题怎么理解？例如，山区城市为什么没有这样的问题？重庆为什么没有这样的问题？因为重庆的最低排泄基准面是长江，长江的水位远低于城市建筑的排泄基准面。所以排泄基准面是客观存在的。可以想象，对于平原城市和丘陵城市，就可能存在这个问题了。在平原地区，最低排泄基准面有可能高于地下室；在丘陵地区，最低排泄基准面也可能高于建筑物。这造成暴雨以后平原城市和丘陵城市排泄基准面太高。那怎么办呢？可以通过深部工程来解决。以上海为例，在深部 100 米和深部 200 米，可以设置纵贯南北或东西的“大动脉”。像许多国外城市那样，在地下 100200 米有一个综合管廊式的大通道。等到暴雨来临，这样的通道就成了城市的最低排泄基准面，把水排到相邻的大江大河，从而保证整个城市的安全。显然，上海还不具备这样的深部排泄基准面。城市越大，对深部排泄基准要求越高，这是城市安全的很重要的一个方面。像北京和郑州，实际上都有这样的问题不具备深部最低排泄基准面工程。未来城市预防暴雨灾害的安全，应该靠深部工程来解决。另一个安全，深部人防工程保障城市安全。战争对城市安全提出了新的要求，城市应该有地下人防工程。特别是，刚刚提到的深部综合调洪排泄基准面的工程，在战时可能是城市的庇护所和人防工程。人防工程必须具备一种能够对抗这种战争武器打击的韧性的结构，必须能够在武器打击的情况下，甚至在核爆的情况下确保城市安全。所以，这就使得我们要考虑未来在暴雨条件和极端军事条件等各种极端条件下城市怎样才能安全。这种安全要靠深部工程来解决，这给我们提供了机遇，也提出了挑战。深部工程对未来城市安全和建设是一个大文章，我们应该做好这篇文章。本 刊：目前上海地下空间调查已开展了较多的工作，您认为下一步更深入的工作如何开展？例如哪些关键技术和关键问题需要突破，积累的海量调查数据怎么利用？何院士：这个问题实际上是面向新时代城市的安全问题，像上海这样的超大型城市的安全问题。以上海为例，城市的安全牵涉几个很重要的方面。第一个方面，上海的地下水与地面沉降。上海的地面沉降问题还是比较严重的，它牵扯到上海的地层结构。上海地下有五层承压含水层，含水层的开采，尤其局部超量的开采，会形成不均匀的沉降。水位的变化、水压的变化和第四纪岩层不同的相互作用，会形成不同的沉降量和不均匀沉降，对城市安全有着很大的影响。第二个方面，上海地下工程与地面沉降。上海有着发达的地下交通系统，诸如地铁这种线性的地下工程的分布，对局部的沉降会产生影响。第三个方面，上海超高建筑与地面沉降。上海有着数量众多的超高层建筑，每一个大型建筑像一个盒子，对于城市的地层来讲都是一个负担，这种超大型建筑物的布局会产生局部的不均匀沉降的问题。第四个方面，上海第四系地层和基底与城市安全。上海市第四系厚度约三四百米，这样一个巨厚的地层，下面的基底是扬子地台和华北地台。两者之间是一个大的接合缝，这样一个接合缝对区域稳定性会有影响。将来万一发生地震，会不会沿着这种缝合带或者在缝合带中的断裂中分布？这是深部基底的上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 3稳定性，它与浅部岩层间的相互作用，都会决定上海的安全。所以，上海的城市安全在这样一个客观的地层结构情况下，未来发生地震的动荷载，或者未来发生一种核爆量级打击的情况下，会出现什么？这需要研究，也给未来提出了一个非常有挑战性的城市安全问题。城市安全面临这样的挑战，首先应该做好基础研究工作。目前对于三四百米地层的三维结构和四维的时空变化的全面掌握尚不清楚。上海地下建筑普遍浅于 100 米，虽然地下 100 米比较清楚了，但对于200 米以下的第四系深部并不清楚。如果未来开展地下 150 米、200 米的工程，开展深部城市最低排泄基准面工程，应该怎么做呢？所以，基础研究必须得坚持，要拓展到空白区。然而，仅仅做到第四系松散地层的基础研究还不够，因为地震涉及到了基底。一个地震的震源大约是 1015 千米左右，需要比较好的基础研究和基础资料去掌握基底情况。面临这样的挑战，应该开展大数据研究。刚才提到，第四系是三四百米，第四系之下是基底。基底就是托盘，托盘不稳定，托的东西就会有问题，所以每一层的基础大数据必须得清楚。除了地质的基础数据之外，还要有工程技术方面的数据。大型建筑的分布、大型工程的分布、线性工程的分布和各种地下工程的分布等等，都是作为不同的荷载形式在基底和第四系上，这构成了一个非常基础性的问题。另外，地下水空间的补迳排流动的问题。上海分布的江河水系，地表的水体和地下的水体之间是怎么互动的？不同的流域上游中游下游是怎么互动的？地表水和地下水补给关系是怎样的？这种互动的补迳排规律需要深入研究。总而言之，这些非常基础性的研究工作得进入大数据。面对这些非常基础性的问题，只有做好基础研究，才能开展面向重大城市安全需求的高层次高质量的分析。没有好的基础研究，面向安全需求的高水平高质量的分析是做不到的。所以，面向新时代，这些问题摆到议事日程上，基础研究永远是第一位的。地质基础、工程基础以及这些基础资料反映的水温场、岩性结构场、构造场和工程应用场之间相互作用，决定了上海城市未来的稳定性状态，必须做好基础研究。这样一个情况总结起来，一是加强基础研究，二是大数据挖掘，三是工程相互作用力学分析。三个方面构成了三项技术，缺一不可。否则，回答不了一个大型城市地质安全的重大需求，无法得到高水平分析结果。本 刊：长期以来基础性地质工作其实是默默无闻的，怎样提升这项工作的社会显示度？怎样让决策者来了解这项工作的重要性而加大投入？何院士：这听起来是一个很好的命题，但其实是个伪命题。提到基础研究，政府必须得投入，但从另外一个角度，政府又不一定要投入。说实话，政府已给地质工作投入几十年了，地质工作已经取得了很多量变的成果，我们应该根据现有的基础研究资料开展对未来的趋势性预测。以上海地面沉降研究为例，它已发展到了具备从量变到质变的可能性。基于几十万个钻孔数据，起码掌握了地下 100 米。然而，再专门投入几十万个钻孔去掌握 100 米以深的地下结构并不现实。我们可以先粗线条地“画虚线”，运用地质知识把地震情况下第四系和基底相互作用模式提出来，把风险预警模式提出来。有了紧迫性才会有必要的投入。所以，下一步应该追求质变的成果。质变是什么？质变是面向未来。预测风险能不能发生是科学要解决的问题，风险具体在哪里发生是靠工程来解决的问题。搞基础性研究就是搞科学，但搞科学不能只讲历史，更要针对现在和面向未来。利用现有地质资料，我们可以先对未来做一个看似不太准确但在科学上是一个准确的预测。例如，未来发生地震风险是多少？可以先通过“画出虚线”来回答有没有，告诉决策者研究的重要上海国土资源 Shanghai Land&Resources4 2023Vol.44.3 性。地震预测是基础研究工作，非常重要，关系到安全预警。另外，地震作用在一个城市能不能控制？要回答这个问题。现在有一个概念韧性城市，韧性就是要对抗和消减诸如地震等灾害的作用，确保城市安全。实际上，这是要回答地震是不是要可控的和如何控制到安全层面的问题。要讲清楚上海地震是否可控的道理，需要掌握地下第四纪地层和基底结构。地下两大地层再结合建筑工程层，三大层次相互作用，最后会发生什么？可以先做这样的预测工作，这样可能会获得政府的支持去开展更细的工作。科学的重要作用不在于仅描述历史，而在展望未来、预测未来，让决策者能明白明天会发生什么，我们应该做哪些工作来迎接未来，使明天更加安全，使后天更加美好，我认为是这样一个逻辑关系。大家都应该有积极的态度，互相主动合作，携起手来面向未来。本 刊：上海地面沉降防治是上海地质工作的一张名片，在国际上也取得了引领性示范性效果。经过几十年的工作开展，我们取得了丰富的量变成果。地面沉降研究如何面向未来？或者说，需要开展哪些工作来推动地面沉降研究质变飞跃？何院士：我认为有“三化”：第一，智能化。这些工作总是靠人去做要预测，太慢了！要智能化，用最先进的技术最智能化的系统来做监测，来做大数据的建设，来做未来风险图的绘制。第二，深部化。我们必须关注决定上海地面沉降的三四百米厚的第四系松散层。然而，掌握托住松散层的基底更是决定性的和战略性的。虽然目前上海深部比较稳定，但是一旦那种小概率的事件发生，将是毁灭性的。要及时地向决策者提出预警，这样才能获得战略性支持，并彻底扭转在决策中的位置。第三，韧性化。韧性城市在大的方面涉及两方面问题，一方面是地面建筑物问题，另一方面是地下结构问题。地面建筑韧性结构、地下的韧性结构，未来能不能适应上海复杂的地面沉降形势，是这个工作的最大考验。地面建筑实际上受地下结构制约，地下决定地上，而地下决定于基底，基底决定着工程地质。深部地质工作对于打造一个稳定的上海、韧性的上海至关重要。此外，还要补充的是，在地面沉降领域要建设开放科学的生态，这包括三个方面：第一个方面，我们积累了大量的经验数据，我们要开放共享。我们国家地面沉降涉及到了地下水、石油和矿产开采导致的沉降，涉及各个部门，不同部门间的数据交流和启发非常重要。我们要率先建立这方面的数据库，实现一种大数据的共享。第二个方面，实现各个行业关于地面沉降方面的合作。我们现在的研究还不是很开放，各个大学、各个行业都有“墙”，有着明显的边界。对于学者间的合作，这种边界是不行的。我们应该推动知识的共享、研究经验的共享，但目前我们做得不是很好。由于这两个因素，知识的积累，数据的积累和学者间研究经验不能共享，使得很多研究是低水平的重复。重复，高水平也变成了低水平了，这导致我们取得不了一个很好的研究成果。开放科学实际上是研究为什么是这样？开放科学生态建设的两个方面，一是大数据的共享、知识的共享，然后是研究者之间的合作。第三个方面，实现共享实质上是实现知识的量变到质变。要真正解决我们国家地面沉降问题，需要质变性成果。关于地面沉降研究，我们有了几十年的经验，国际上应该有上百年的历史。积累了这么多的经验数据，实际上这是量变，我们现在开始要做质变的飞跃，把地面沉降研究推进到一个新的水平。本 刊：在您领衔负责的中国矿业大学“深部岩土力学与地下工程国家重点实验室”的展厅墙上有上海国土资源Shanghai Land&Resources 2023Vol.44.3 5一段话令人印象深刻：“真正的学问，不在书本中，不在高楼里，而在科学实验中，在现场实际考察中！”您能否对“真正的学问”，再解释一下，让我们领会得更深一点。另外，加强基础地质研究离不开人才队伍的建设，您对青年地质工作者有怎样的期许？何院士：真正的学问就是要解决现在的学问解决不了的问题，那个学问不是书本上的学问，是老师没有做出来，学生也没做出来的学问。到哪去找答案？到实验室，到工程实践。只有这样才能够实现量变到质变。学为日益，不断地积累知识。积累知识是为了什么？是为了悟道，是为了量变到质变，质变就是真正的需要。真正的学问应该是能够解决国家面临的问题、城市面临的问题等等，这样的学问必须是实践出真知。所以，考核不能仅仅是写文章，写文章可能“纸上谈兵”，但是“打不了仗”，解决不了实际问题。真正能解决实际问题，那叫真正的本事，这是我们的理解。不管愿不愿意承认，地质基础工作决定了一个城市的未来。对于青年工作者而言，面向未来的城市安全，仅仅掌握过去传统的地质是没有未来的。面向未来的城市安全，涉及到了地质的基础和建筑的安全问题，以及受到一些力的打击和一些地震动荷载的作用下是否安全的问题。所以，青年地质工作者要想有所作为，除了地质学基础，必须要有力学基础。这样，才能分析清楚地质体和未来工程间的相互作用，才能回答能不能安全的问题。目前存在一个尴尬的现象，回答一个城市的安全，搞力学的不懂地质，搞地质的不懂力学。因此，当下青年地质工作者必须跨界学习，跨领域扩大自己的知识。另外，未来青年地质工作者要在计算机科学和信息科学上完善自己，因为未来的工作要靠智能化。未来地质学要变成热门，变成对社会更有用，青年地质工作者就必须要学习计算机科学来武装自己，成为新时期我们城市安全的守护者。能为城市安全做出贡献，未来的青年才有未来。Geological work strategy for protecting urban safety in the futureInterview with Professor HE Manchao,Academician of the Chinese Academy of SciencesAbstract:In the afternoon of August 7,2023,Professor HE Manchao,an academician at the Chinese University of Mining&Technology-Beijing,member of the Chinese Academy of Sciences,and chairman of the Chinese Society of Rock Mechanics and Engineering,was interviewed by Professor ZHAN Longxi,vice president of the Shanghai Institute of Geological Survey and editor-in-chief of the journal of Shanghai Land&Resources.Academician HEs research concerning the strategy and path of urban safety has provided profound insights in the development of future-oriented geological studies and urban safety from the aspects of ground subsidence disaster prevention,underground space development,geological big data,and open sharing of scientific data.In the interview,Academician HE explained that for megacities like Shanghai,urban safety strategies that include prediction and early warning are central to urban geology research.Academician HE also pointed out that basic studies on the interaction of engineering loads,Quaternary stratigraphic systems,and basement rock layers are crucial to urban safety prediction and early warning,and that deep geology is the key direction of future research on land subsidence and underground space.Strengthening geological investigation and research,establishing a massive database,constructing an open scientific ecology of land subsidence,and realizing data sharing,knowledge sharing,and cooperation mechanisms are important paths to realize quantitative to qualitative changes in the discipline.Academician HE expressed his hope that engineering practices will be part of the training of young geoscientists and scientists.Key words:urban geology;scientific research;working strategy;urban security;land subsidence;underground space;deep geology;open science;academician interview