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三维可视地质信息系统“听诊”哈尔滨城市地质

发布日期:2017-02-21 发表者:张玉敏 浏览次数:663次

哈尔滨市地处松嫩平原西南部,除在城市东南部存在一些低山丘陵外,其他区域地貌主要包括高平原、阶地以及漫滩区,而城市面临的主要地质灾害,目前以路面塌陷为主(图1)。2012年夏,全国多地普降暴雨,北京、上海、哈尔滨、石家庄等大城市,相继发生了多起路面塌陷事故。在哈尔滨,20天的时间内先后发生9起这样的事故,酿成2死2伤的惨剧。

黑龙江省地质矿产局在事发后对塌陷成因做了调查,结果表明暴雨为该类地质灾害的外因,地下水返渗、管道漏水导致周边土体松动,人防工事没有得到及时维护等原因也是路面塌陷的诱因。如此足可称得上“灾难性”的地面塌陷,也把众人的视线引向了与自己息息相关但却又关注甚少的城市地质领域。


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图1 哈尔滨地貌整体模型图


地质调查成果丰富,三维系统初步建成

        我国于2003年启动了北京、上海、杭州等六所城市的城市地质调查工作。2007年7月,黑龙江省地质调查研究总院开始负责实施的“哈尔滨城市地质调查”专题项目,是由黑龙江省国土资源厅和哈尔滨市人民政府针对城市可持续发展中存在的地质问题合作开展的基础性、应用性项目,也是首个由省市两级政府共同投资的城市地质调查。相比于第一批开展城市地质调查的六所城市项目而言,哈尔滨城市地质调查开展的更深入具体,进行了一些从宏观面到具体点的工作。如哈尔滨地质调查项目在进行地下水资源调查中,根据调查结果,不仅计算全区的地下水资源分布情况,还提出了四个后备水源地,水量完全可以满足大中型水源地的供水以及一些工农业用水的需求。

      “建成‘适宜人居、适宜创业、适宜人’的全面发展的、现代的、文明的、和谐的城市”是哈尔滨的城市发展目标。毫无疑问,开展“哈尔滨城市地质调查”对于此目标的实现有着极大的推动作用。黑龙江省地调总院通过哈尔滨城市地质调查项目对哈尔滨市基础地质、水文地质、工程地质、地质资源、遥感地质、环境地质与地质灾害、城市环境地球化学等方面进行调查研究与评价,并且取得了一定的成果。

首先,构建了地质环境安全的保障,系统地研究了区域地壳稳定性、断裂带类型、第四纪时期运动特征以及地震震中分布等方面,得出的结果表明:哈尔滨市地壳结构为块体结构,且为完整的、较稳定的。

       其次,构建城市地质资源保障,其中两个专题为水资源调查和土地资源调查,通过对第四系地层沉积特征的研究及水文钻探工作的开展,发现区内有四个湖盆富水,其水量满足在地表水发生突发水质问题或其他问题时,作为应急的后备水源地的需求。同时,对全区土壤质量进行了研究,查明了无公害和绿色食品区的分布(图2、3)。


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图2 绿色食品区划图


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图3 无公害食品区划图


       第三,作为哈尔滨城市地质调查项目专题之一的“哈尔滨城市地质基础信息与三维可视化信息系统建设”日渐完善。该系统建设采用基于新一代面向服务的悬浮倒挂式体系架构的MapGIS K9作为基础平台,以城市地质专业信息应用的MapGIS-TDE三维平台为开发平台,结合数据库技术、三维地质建模与可视化技术、地质数据定量分析技术、模型数学分析评价技术等关键技术,实现了哈尔滨城市地质调查评价多源、异构、海量地质数据的统一管理、规范处理与发布,成果以二维地质专题图表与地学数据的定量计算分析和三维动态显示相结合,完成了哈尔滨城市地质基础信息数据库、地质专业数据评价平台、地质信息服务网的一体化构建。


      三大子系统构筑稳固体系

      “哈尔滨城市地质基础信息与三维可视化信息系统”是一个面向城市地质工作集成的三维数字化工作环境,以空间数据库、二维GIS、三维GIS、WebGIS等软件技术为依托,可满足不同层次用户的城市地质信息服务需求。从软件的角度进行划分,该系统主要分为三个子系统(图4):数据管理与维护子系统、数据分析评价子系统、数据共享与社会化服务子系统。

       数据管理与维护子系统主要是针对地质数据进行多元数据管理、初步编辑、更新、数据格式转化以及数据导入和导出,可面向系统管理人员提供原始数据、基础数据、成果资料及系统信息的维护管理;数据分析评价子系统对本次哈尔滨城市地质调查各个专题成果数据进行二三维可视化表达,今后也可面向专业人员提供对城市地质及相关数据的二维、三维可视化处理和专业分析功能。并且,基于此系统建立了哈尔滨市第四纪地质三维模型、工程地质三维模型、水文地质三维模型、地面沉降三维模型、地下管线三维模型、断裂模型、地形模型,反映哈尔滨市地质情况,直观表达各专业调查成果;数据共享与社会化服务子系统可面向各类用户提供地质信息共享和资料检索查询服务,并可发布基于以往和本次调查工作基础形成的三维模型成果。


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图4 系统软件体系


      可视化的地质“活”信息

      哈尔滨城市地质基础信息与三维可视化信息系统不仅将黑龙江省地质调查研究总院开展的哈尔滨城市地质调查的资料数据进行了数字化和全面整合,还将以往那些仅为专业人员使用、较为枯燥、专业性强的资料,在这一平台的支撑下变成了与经济社会发展紧密结合、与大众生活相关的可视化的地质“活”信息。

      从城市建设可持续发展角度来说,一个合理的城市建设、规划应先建设地下再建设地上,在地下稳固之后,地上才能够有所保障。其优势在于极大的减少重复开发带来的建筑成本,而且也保证了建筑物的稳定性。同时这也可以有效地减少城市地面塌陷的可能性。目前,哈尔滨市发展迅猛,对于地下空间资源的需求也逐渐加大。如地下停车位,当地上车位有限时,建筑商就开始着眼于地下停车场的建设。因此无论从城市建设还是民众需求,我们都可以看到地下空间资源是今后城市建设开发的重点方向。以往工作中,我们对地下空间的认知一般是通过布设钻孔并通过岩芯对地下地层信息进行了解;而如今,基于哈尔滨城市地质基础信息与三维可视化信息系统中建立的地下三维结构模型,可以更全面、直观、多视角地分析地质结构对地下空间开发的影响,快速了解规划工程的地质情况,对工程可行性进行评估。且可以通过三维环境下的模拟分析功能,如三维剖切、三维编辑、模拟隧道开挖等,详细分析地质条件对地铁隧道及其他地下建筑建设的影响。

       通过对三维地质模型的分析可以快速了解地下规划工程的地质条件情况、对重大工程前期论证和工程可行性进行综合评估;对于地下工程建设者来说,可利用系统模拟隧道开挖,并通过模拟漫游,让建设人员提前身临其境,了解、分析地质条件对地铁及其他隧道工程等建设的影响(图5)。可以说,这十分有利于政府规划部门对工程建设进行科学决策,更节省相关费用。


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图5 轨道交通线三维示意


       此外,对于城市规划与建设、地下水资源利用、土地质量应用等方面,此系统均可发挥重要作用。例如,用户可以查询工程地质钻孔的分层信息、各种测试数据,而且可以对指定区域内的钻孔进行指标统计,绘制钻孔柱状图、工程地质剖面图等等,也可以建立拟建场区三维地质模型,从而为城市规划、建设和管理工作提供地质依据;还可以查询到各含水层分布、特征等信息,统计地下水开采、地下水位变化、水质变化数据,制作统计图表等,并及时掌握地下水环境变化信息,为地下水资源合理开发利用提供决策依据(图6)。


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图6 哈尔滨三维水文地质模型


      成果推广将是重头戏

      目前整个系统不可避免的还存在一些问题,没有达到最理想的目标,但瑕不掩瑜,整个系统可以说已经进一步拓宽了城市地质服务于经济社会的领域,满足了城市建设对各种基础地学信息的需要。

      毫不夸张地讲,如果一项调查完成了成果却没有得到推广、应用,那其实就意味着浪费,而这也是很多非职能部门在后期面临的一个很大的难题,所以省地调总院也在着力解决成果推广这一问题。在哈尔滨市国土资源局、黑龙江省国土资源厅以及“哈尔滨城市地质调查领导小组”成员单位领导的共同协商、协作下,我们会根据社会需求及民众需求,设定相应权限,发布本次城市地质调查的成果,促成与规划、电力、管网、城管、农委、环保以及铁路等等各个部门的合作,结合他们自身发展来推进上述职能部门后期成果的应用,最大程度地发挥哈尔滨城市地质调查成果对哈尔滨市建设、规划作用,最终为打造现代、和谐、文明的冰城奠定坚实基础。

 

      作者简介:

      张玉敏:黑龙江省地质调查研究总院第二项目部技术负责人,主要从事水文地质、工程地质、环境地质以及城市地质相关工作。