伍法權(quán) 蘭恒星
(①中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 北京 100029) (②紹興文理學(xué)院 紹興 312000) (③中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 北京 100101)
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國際工程地質(zhì)與環(huán)境研究現(xiàn)狀及前沿
——第十二屆國際工程地質(zhì)大會(IAEG XII)綜述*
伍法權(quán)①②蘭恒星③
(①中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所北京100029) (②紹興文理學(xué)院紹興312000) (③中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所北京100101)
第十二屆國際工程地質(zhì)與環(huán)境大會(IAEG XII)于當(dāng)?shù)貢r間2014年9月15~19日在意大利都靈召開,此次大會也是國際工程地質(zhì)與環(huán)境協(xié)會成立50周年的紀(jì)念大會。本次大會傳遞的一個重要信息是工程地質(zhì)在人類社會發(fā)展中起著越來越重要的作用,特別是在人類活動對全球環(huán)境動態(tài)變化響應(yīng)方面。為了更好地了解目前國際工程地質(zhì)與環(huán)境研究的動態(tài)和前沿,本文對本次大會的8個主題進(jìn)行了綜合介紹,主要包括:(1)氣候變化與工程地質(zhì); (2)滑坡過程; (3)流域、水庫淤積與水資源; (4)海洋與海岸帶過程; (5)城市地質(zhì)、可持續(xù)規(guī)劃與景觀開發(fā); (6)大型工程項目應(yīng)用地質(zhì); (7)工程地質(zhì)教育、社會責(zé)任與公眾認(rèn)識和(8)文化遺產(chǎn)保護(hù)。
工程地質(zhì)與環(huán)境國際研究現(xiàn)狀國際研究前沿第十二屆IAEG大會8個主題
第十二屆國際工程地質(zhì)與環(huán)境大會(IAEG XII)于當(dāng)?shù)貢r間2014年9月15~19日在意大利都靈召開,此次大會也是國際工程地質(zhì)與環(huán)境協(xié)會成立50周年的紀(jì)念大會,來自60多個國家和地區(qū)的超過1000位代表出席了會議,提交了會議論文近1300篇。該會議是由國際工程地質(zhì)與環(huán)境協(xié)會(IAEG,International Association for Engineering Geology and the Environment)組織的工程地質(zhì)領(lǐng)域的大型國際學(xué)術(shù)會議,每4年召開一次。
大會主題分為8個專題,分別展開論述,包括氣候變化與工程地質(zhì)、滑坡過程、流域、水庫淤積與水資源、海洋與海岸帶過程、城市地質(zhì)、可持續(xù)規(guī)劃與景觀開發(fā)、大型工程項目應(yīng)用地質(zhì)、工程地質(zhì)教育、社會責(zé)任與公眾認(rèn)識和文化遺產(chǎn)保護(hù)。本文從這8個方面對國際工程地質(zhì)與環(huán)境研究的動態(tài)進(jìn)行介紹。
氣候變化與工程地質(zhì)逐漸成為國際研究的熱點問題。氣候變化不僅對如斜坡、河道、海岸及海洋、水文和凍土等自然過程和環(huán)境有著直接的影響,同時顯著影響著陸地規(guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),特別是在極端氣候區(qū)域。該專題包括105篇文章,研究重點從氣候變化機(jī)制和影響因素入手,分析在氣候變化導(dǎo)致的環(huán)境變化問題中,工程地質(zhì)可能發(fā)揮的作用及其可以提供的解決方案。重點是在氣候變化帶來的風(fēng)險評估、減災(zāi)過程和適應(yīng)措施等方面。根據(jù)具體的研究內(nèi)容,主要可以分為以下4部分:氣候變化與自然環(huán)境相互作用、氣候變化與冰川變化、氣候變化對地質(zhì)環(huán)境的影響和氣候變化下的工程地質(zhì)問題。
1.1氣候變化與自然環(huán)境相互作用
主要研究氣候變化下的環(huán)境響應(yīng),涉及水資源、水文地貌、永久凍土、邊坡穩(wěn)定性以及氣候變化的工程應(yīng)對措施。氣候變化會對自然環(huán)境產(chǎn)生各種影響,同時自然環(huán)境也會對氣候產(chǎn)生作用,兩者存在相互作用。研究兩者的相互作用規(guī)律,掌握自然環(huán)境受氣候變化影響的特征,對于采取有效的地質(zhì)工程進(jìn)行災(zāi)害防護(hù)和減弱不良的氣候影響具有重要的意義。氣候和自然環(huán)境之間的相互作用關(guān)系一直是學(xué)者關(guān)注的重點。
根據(jù)地貌類型和要素特征,自然環(huán)境可以分為不同的類型,如山地、盆地、流域、海岸環(huán)境,甚至某個類型的斜坡等。為了有效地反映這些不同尺度的區(qū)域和氣候的關(guān)系,需要研究不同對象間相互作用的尺度問題。Provenzale等學(xué)者從評估水循環(huán)變化的全球大跨度氣候模型影響,到區(qū)域氣候響應(yīng)的不確定性和水文或者生態(tài)系統(tǒng)自身的不確定性,對氣候變化和風(fēng)險預(yù)測進(jìn)行研究(Provenzale et al.,2015)。Bonanno等學(xué)者用長時間序列下高山冰舌波動和不同的氣候變化場景的相關(guān)性,來研究高山冰蓋對氣候的響應(yīng)情況(Bonanno et al.,2015)。在不同的研究角度,會議探討的氣候變化的主要影響是對地貌環(huán)境形態(tài)、水資源的影響。在地貌形態(tài)方面,表現(xiàn)為冰川消融增長,地形坡體變形; 在水資源方面,表現(xiàn)為冰川覆蓋的保有量變化、地表水和地下水的供給情況。在不良的地貌和適宜的水動力條件下,氣候?qū)ψ匀粸?zāi)害的影響往往表現(xiàn)為滑坡、泥石流等主要的地質(zhì)災(zāi)害形式。
1.2氣候變化和冰川變化
該方面的研究主要包括氣候模型的尺度問題和在既定尺度下山地冰川變化問題。氣候變化和山地環(huán)境的關(guān)系主要是氣候變化對山地冰川冰蓋層的影響,以及造山運動通過排放氣體對氣候產(chǎn)生的反作用。其中一個重要內(nèi)容是確定合適尺度下的氣候模型,在該模型條件下開展山地冰川和氣候間關(guān)系的研究。在研究兩者關(guān)系時,需要考慮全球氣候模型、區(qū)域氣候模型、水循環(huán)模型、生態(tài)模型中的一系列不確定因素。
Provenzale等人研究了不確定因素對覆蓋亞洲喀喇昆侖興都庫什地區(qū)氣候的模擬結(jié)果的影響,研究表明CRU、GHCN幾種氣候模型的模擬結(jié)果存在10℃的偏差,加上缺乏有效的可驗證數(shù)據(jù),模型模擬得出的結(jié)果會有很大的不確定性。因此,在應(yīng)用時需要在降尺度的條件下進(jìn)行偏差糾正處理。(Provenzale et al.,2015)
在確定研究尺度的情況下,使用溫度和降水作為氣候變化的定量表征,研究在不同的水熱條件下高山區(qū)域冰川的變化情況。高山區(qū)域冰川的變化最為顯著的特征是冰舌的消融和增長。使用回歸分析方法對高分辨率格網(wǎng)化的水熱數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,研究在50a間的長時間序列范圍內(nèi)冰舌和水熱分析結(jié)果的相關(guān)性。
Bonanno等人采用基于4種氣候變化模式的一種線性回歸模型,能夠解釋93%的氣候變化情況(Bonanno et al.,2015)。當(dāng)用于樣本外的估測時,全球和區(qū)域的氣候經(jīng)驗?zāi)P捅憩F(xiàn)出良好的預(yù)測能力,因而用于評估冰川對不同氣候模式(包括RCP4.5、RCP8.5,A1B)的響應(yīng)情況。該區(qū)域冰川的線性回歸模型模擬結(jié)果,表現(xiàn)出加速消退的現(xiàn)象。以當(dāng)前的位置為參考,到2050年,冰川的消退距離在300m和400m之間。在RCP8.5和A1B氣候情況下的回歸模擬結(jié)果則表明,冰川消退更為劇烈,對這種情況可以用冰舌更嚴(yán)重的消退路徑進(jìn)行驗證。
Tobler等人對誘導(dǎo)冰川邊緣區(qū)域大面積滑動過程的氣候因素開展預(yù)測研究(Tobler et al.,2015)。Bertotto等人集成多種空間信息技術(shù),對在意大利西部阿爾卑斯山氣候變化的條件下,冰川和冰緣的形態(tài)動力過程和相關(guān)災(zāi)害進(jìn)行評估(Bertotto et al.,2015)。此外,Arenson等人對采礦業(yè)所產(chǎn)生的沉積于冰川的塵埃,對冰川融化和河流徑流的影響,做了一系列的對比試驗和分析。結(jié)果表明,采礦業(yè)產(chǎn)生的塵埃對河流徑流的影響非常小,可以忽略不計,而厄爾尼諾現(xiàn)象是導(dǎo)致河流徑流發(fā)生顯著變化的重要原因(Arenson et al.,2015)。
1.3氣候變化對地質(zhì)環(huán)境的影響
氣候變化通過降水變化、溫度變化等形式對地表環(huán)境產(chǎn)生作用。Terzic等學(xué)者結(jié)合Bokanjac-Policnik地區(qū)研究復(fù)雜巖溶區(qū)域的氣候預(yù)測和地下水保護(hù)問題(Terzic et al.,2015),García-Díaz等人則對西班牙中部某處區(qū)域最近幾十年來,氣候波動對土壤侵蝕過程的影響開展研究(García-Díaz et al.,2015)?;钴S造山帶的巖體變質(zhì)過程產(chǎn)生的CO2,仍在地球的碳循環(huán)中占有顯著位置。Costa等人使用化學(xué)和同位素方法對尼泊爾高海拔區(qū)域的冰泉(相對于熱泉)進(jìn)行分析研究(Costa et al.,2015)。該方法可以從碳循環(huán)的角度研究氣候變化背景下的水循環(huán)及其變化過程。
氣候變化時,降水也會相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)土地利用不當(dāng)時,則容易引發(fā)水文地質(zhì)災(zāi)害。Lonigro等人對氣候、土地使用引發(fā)的災(zāi)害進(jìn)行了研究。對意大利阿普利亞的研究表明,盡管該區(qū)域降水強(qiáng)度和降水區(qū)域范圍減小,但是在滑坡易發(fā)區(qū)受人類活動的影響所引發(fā)的水文地質(zhì)災(zāi)害卻有增大的趨勢。降水量在不同的氣候場景下會有所變化,也影響了水資源的可獲取性和洪水發(fā)生的可能性(Lonigro et al.,2015)。另外Lorenzo等人分析評估了既定氣候模式下的水資源可獲取性和發(fā)生洪水的可能性(Lorenzo et al.,2015)。
Routschek等人使用1989~2007年的精細(xì)的氣候測量數(shù)據(jù),模擬在不同的氣候模式下,未來一段時間的土壤流失情況。結(jié)果表明,受降水強(qiáng)影響,土壤侵蝕強(qiáng)度顯著增加,需要加強(qiáng)土地利用管理(Routschek et al.,2015)。
氣候變化可能導(dǎo)致海平面上升,引發(fā)沿海區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害問題。Yasuhara等人對亞太區(qū)域的沿海地質(zhì)災(zāi)害問題開展了研究,以期提供合適的災(zāi)害應(yīng)對方法(Yasuhara et al.,2015)。在海岸地貌方面,Niko等人研究了氣候和相應(yīng)海域?qū)恿魅牒H侵蕻a(chǎn)生的影響,研究認(rèn)為河流三角洲受到氣候和海域的共同作用(Niko et al.,2015)。Sappa等人研究表明氣候變化導(dǎo)致的降水和地表覆被的變化,會使沿海平原區(qū)域的地下水補(bǔ)給受到直接影響(Sappa et al.,2015)。同樣在沿海區(qū)域,Galeandro等人則對地中海沿海的成功填海區(qū)域進(jìn)行研究,認(rèn)為降水的減少有利于成功進(jìn)行填海造陸(Galeandro et al.,2015)。
氣候的變化往往是降水、溫度等氣象要素的變化,降水強(qiáng)度的增強(qiáng)則會增大滑坡發(fā)生的可能性。該專題對氣候變化和滑坡災(zāi)害進(jìn)行了研究,包括氣候變化情況下滑坡的易發(fā)性研究。同時Ravanel研究了氣候變暖和歐洲阿爾卑斯山勃朗峰滾石災(zāi)害發(fā)生的關(guān)系(Ravanel et al.,2015a,2015b),另外使用地面激光掃描技術(shù),可以研究大氣變暖情況下,永久凍土層的變化以及石質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性(Ravanel et al.,2015a,2015b)。Chiarle等人從高海拔區(qū)域垂直空間和季節(jié)溫度變化方面研究大氣變暖和滾石災(zāi)害間的關(guān)系(Chiarle et al.,2015)。Blais-Stevens等人開展了目前和未來永久凍土區(qū)的凍土層活動分離滑動及凍土消融型牽引式滑動的敏感性制圖分析,并給出了溫度升高條件下的滑動高易發(fā)性的潛在增加區(qū)域(Blais-Stevens et al.,2015)。
1.4氣候變化下的工程地質(zhì)問題
氣候變化會帶來一系列的工程地質(zhì)問題,特別是地質(zhì)災(zāi)害問題。工程地質(zhì)學(xué)在氣候變化下的地質(zhì)分析、災(zāi)害預(yù)防等方面發(fā)揮著重要作用。氣候變暖導(dǎo)致永久凍土融凍,導(dǎo)致冰川和巖體的位移,進(jìn)而引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。該領(lǐng)域研究的災(zāi)害主要包括滑坡、冰緣的崩塌等,采用遙感和數(shù)學(xué)建模等方法,研究有效的災(zāi)害風(fēng)險算法對災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險分析。Alvioli研究了基于滑坡物理機(jī)制和觸發(fā)條件下改進(jìn)邊坡穩(wěn)定性的相似性規(guī)律(Alvioli et al.,2015)。Rossi等人則從動力學(xué)角度研究邊坡和氣候之間的相互作用(Rossi et al.,2015)。
Marie等學(xué)者使用觀測法和統(tǒng)計降尺度方法對SIM進(jìn)行拓展分析研究(Marie et al.,2015),Zollo則使用復(fù)合降尺度技術(shù)對整個河流盆地的降水情況進(jìn)行評估(Zollo et al.,2015)。在水電工程方面,Dematteis則將氣候的降尺度數(shù)據(jù)用于微型水電站方案的設(shè)計中(Dematteis et al.,2015)。在參數(shù)研究方面,Hardenberg對歐洲區(qū)域的動態(tài)降尺度微觀物理和滲流參數(shù)的影響開展研究(Hardenberg et al.,2015)。
Shan等人側(cè)重分析在氣候變化情況下的高速路的環(huán)境和工程地質(zhì)問題(Shan et al.,2015)。Tataurov認(rèn)為在氣候變化條件下,永久凍土區(qū)的礦產(chǎn)開采也會導(dǎo)致各種工程環(huán)境問題(Tataurov et al.,2015)。另外其他學(xué)者開展了災(zāi)害的發(fā)生概率、災(zāi)害點誘發(fā)因素的監(jiān)測研究。如針對斜坡穩(wěn)定性有關(guān)的滑帶溫度、微斷裂活動情況的監(jiān)測以及凍土沉降和崩塌等進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測。
地球物理學(xué)在指導(dǎo)勘探、規(guī)劃、開采和監(jiān)測地?zé)崮艿阮I(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。研究熱液系統(tǒng)的物理和力學(xué)屬性,有助于采取針對性的工程措施,進(jìn)行開發(fā)管理。綜合使用地球物理學(xué)理論方法和調(diào)查技術(shù),有助于設(shè)計滿足需要的低焓地?zé)嵯到y(tǒng),Cardarelli等人在意大利博爾戈迪松佐-拉丁開展了實例研究(Cardarelli et al.,2015)。
工程地質(zhì)在滑坡過程研究的各個方面均發(fā)揮著重要的作用,包括滑坡現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取及監(jiān)測、滑坡發(fā)生的預(yù)測預(yù)報、區(qū)域滑坡編目、斜坡失穩(wěn)及其次生災(zāi)害危險性(如涌浪、海嘯、堰塞壩)的建模、滑坡危險性和風(fēng)險性評估、地震及降雨誘發(fā)滑坡分析、火山失穩(wěn)、滑坡治理和減災(zāi)措施、特殊工程地質(zhì)條件下的加固技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用等。該專題一共有388篇文章,主要集中于滑坡過程研究的技術(shù)創(chuàng)新、完善的實例研究、工程地質(zhì)和巖土勘察的關(guān)鍵步驟、水文和水文地質(zhì)勘察、遙感和地球物理技術(shù)、滑坡觸發(fā)、運移和復(fù)活過程模擬,巖土工程設(shè)計和施工、滑坡與結(jié)構(gòu)的相互作用及其鏈生效應(yīng)等。
該專題的研究內(nèi)容主要包括滑坡分類、滑坡機(jī)制、滑坡災(zāi)害評估、滾石及災(zāi)害評估等。其中關(guān)于滑坡危險性的評估中又從分類學(xué)的角度對滑坡危險性進(jìn)行初始的判斷和歸類。對滑坡機(jī)制的研究側(cè)重于大型滑坡的不穩(wěn)定性、滑坡的物質(zhì)組成和誘發(fā)機(jī)理進(jìn)行研究。在滑坡災(zāi)害評估方面,遙感技術(shù)和地質(zhì)學(xué)方法得到了結(jié)合應(yīng)用。
2.1滑坡分類
滑坡可以根據(jù)斜坡材料、條件和運動方式進(jìn)行分類。在過去國際減災(zāi)幾十年中,IAEG委員會共享了Cruden等人提出的滑坡分類系統(tǒng),目前這個分類得到國際的一致認(rèn)可。Cruden對該分類系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的擴(kuò)展,用于自然邊坡危險性的評估(Cruden et al., 2015)。對任何斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算的前提是要對斜坡進(jìn)行分類,并對其運動模式和過程做出假設(shè)。該假設(shè)認(rèn)為在類似的條件下,相似物質(zhì)組成的斜坡具有相似的失穩(wěn)破壞發(fā)生過程?;碌奈镔|(zhì)組分可能是巖石、碎屑和土,而土又可以進(jìn)一步分為沙土、淤泥或者黏土?;逻\動方式可能是崩塌(滾石)、傾倒、滑動、流動和側(cè)向滑擴(kuò)等。在發(fā)生錯位處的含水情況可能是從干燥到濕潤,濕潤到非常濕潤。在永久凍土區(qū)域,可能發(fā)生凍融位移。含水情況、物質(zhì)構(gòu)成以及運動模式可能決定斜坡發(fā)生位移的速度,特別是處于臨界狀態(tài)的斜坡的運動速度??梢詫?dǎo)致斜坡從慢速到高速運動,并帶來災(zāi)難性的后果?;逻\動類型表現(xiàn)出復(fù)雜性、綜合性、序列性及多重性等特征?;戮幠坑欣诮沂練v史滑坡災(zāi)害特征和規(guī)律,為滑坡進(jìn)行危險性評估提出合理的初始條件。
2.2滑坡機(jī)制
滑坡機(jī)制方面的研究近年來集中在地震誘發(fā)滑坡方面。中國的地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室提出幾種包括地震引發(fā)的重力滑坡模式,表現(xiàn)出與降雨誘發(fā)滑坡不同的典型特征(Huang,2015)。在地震力的作用下,斜坡的失穩(wěn)常常表現(xiàn)為突然的整體性失穩(wěn),產(chǎn)生大型高速滑坡,特別是由反傾斜層狀弱巖層或者低硬度巖石夾層組成的斜坡。傾倒角度與穩(wěn)定性、巖層的厚度和強(qiáng)度有關(guān)。巖層可能經(jīng)過大尺度柔性彎曲發(fā)生變形,在變形累積到某個臨界值時才會導(dǎo)致失穩(wěn)。并據(jù)此提出了形變區(qū)分類用于評估變形狀態(tài)和傾倒角度。
通過研究汶川地震的100多個同震滑坡,發(fā)現(xiàn)這些滑坡和普通的重力型滑坡存在明顯差異。同震滑坡的頂部削壁呈鋸齒狀,比較粗糙,由于拉張應(yīng)力而變得陡峭。這和由剪切應(yīng)力導(dǎo)致的重力滑坡的平滑弧狀削壁不同。研究發(fā)現(xiàn)拉伸開裂破碎和剪切是基本的失穩(wěn)要素。多數(shù)大型滑坡可以用一種或者幾種組合失穩(wěn)模式進(jìn)行解釋。為了更好理解斜坡對地震波的響應(yīng),余震監(jiān)測和大型振動臺測試開展了相應(yīng)的測試。研究發(fā)現(xiàn)距地震斷裂帶的距離、斜坡形狀類型、角度和高程是某個區(qū)域地震型滑風(fēng)險性的影響因子(Huang,2015)。
降雨誘發(fā)滑坡方面,Salciarini等人使用基于物理模型的方法評估淺層滑坡發(fā)生的降雨閾值(Salciarini et al.,2015)。該模型可以加入不飽和條件下的土壤方量信息。Karimov研究了山體滑坡從誘發(fā)到停止的過程,并通過流體的內(nèi)聚力和黏性摩擦力之間的關(guān)系分析了滑坡邊界范圍。他們還計算了弗勞德數(shù)、滑面上的動態(tài)應(yīng)力和滑坡體的運動速率,從而可以定量研究滑坡的運動規(guī)律(Karimov,2015)。
滑坡監(jiān)測是進(jìn)行滑坡機(jī)制研究的重要手段,需要監(jiān)測更詳盡的能反映滑體運動趨勢的信息。鉆孔測斜儀等滑坡監(jiān)測方法能提供連續(xù)的滑坡過程信息。Battaglio等人使用鉆孔放置實時監(jiān)測系統(tǒng),對意大利皮埃蒙特的M.Stregone滑坡進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果可以指示該滑坡體的連續(xù)運動狀態(tài)(包括運動方向),這對滑坡早期預(yù)警具有重要的指示意義(Battaglio et al.,2015)。
2.3滑坡堰塞壩成因及危險性
國內(nèi)開展了較多堰塞壩的研究,特別是汶川地震導(dǎo)致的堰塞壩和泥石流壩。對滑坡堰塞壩的成因及壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究。導(dǎo)致堰塞壩的滑坡一般由地震或者諸如氣候驅(qū)動的暴雨引發(fā),也可能與冰川消融有關(guān)。在山地區(qū)域滑坡和地震災(zāi)害評估中,揭示該區(qū)域史無前例的天然堤壩的成因具有重要作用。大多學(xué)者認(rèn)為,區(qū)分滑坡堰塞壩是由地震還是氣候因素誘發(fā)的,主要是看壩體冰磧物的物質(zhì)組成,然而這個觀點在用于帕米爾高原區(qū)域的壩體分析時一直存在爭議。可以通過研究產(chǎn)生堵塞河流的滑坡的邊坡失穩(wěn)條件和過程,來分析堰塞壩的成因(Strom,2015)。另外,有較大徑流區(qū)域的堰塞壩有潰壩的可能性,Wang等人研究了潰決的先兆現(xiàn)象,如通過一些傳感器獲取地下水流的深度、變化和渾濁程度等來分析堰塞壩的失穩(wěn)情況(Wang et al.,2015)。
2.4滑坡過程
滑坡過程的研究是國際工程地質(zhì)的一個重要研究內(nèi)容,然而很多滑坡從發(fā)生到終止仍然是一個比較模糊的過程。目前的趨勢是,在實驗監(jiān)測的基礎(chǔ)上,綜合地質(zhì)學(xué)家和工程師的經(jīng)驗知識進(jìn)行滑坡過程的建模和分析。經(jīng)驗表明,要獲取滑坡演化過程的基本機(jī)制過程,需要相關(guān)的野外測量、定點監(jiān)測和實驗調(diào)查,在此基礎(chǔ)上建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型驗證并提出滑坡的演化機(jī)制。這個復(fù)雜的過程需要具有不同研究背景的專家,如地質(zhì)學(xué)家、巖土工程師等參與(Picarelli, 2015)。
Picarelli的研究可以成功地解釋某些具有流體性質(zhì)的滑坡(或流滑)的發(fā)生。這些實驗在理論和數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)的基礎(chǔ)上,開展了整體的觀測、監(jiān)測、實驗測試以及物理建模和過程分析研究。這個過程需要具有不同學(xué)術(shù)背景的研究人員共同參與其中,形成一個緊密的研究組開展研究,有助于獲取與滑坡形成機(jī)制相關(guān)的綜合知識框架,從而獲取高水平的研究結(jié)果(Picarelli, 2015)。
流域問題主要涉及世界各地的水利工程和水文地質(zhì)研究。該專題有129篇文章,主要集中在地表水交換、徑流、沖刷侵蝕、河流形態(tài)學(xué)、河流管理、泥沙運動、泥石流、水資源評估、大壩運行、水利建設(shè)、洪水風(fēng)險與控制、河流污染、水質(zhì)管理等方面。主要研究問題包括流域水庫泥沙淤積、洪水災(zāi)害和應(yīng)對方法、流域地表水文過程的新興監(jiān)測技術(shù)方法、河流系統(tǒng)模擬和評估方法的改進(jìn)、科學(xué)的河流環(huán)境和水資源管理規(guī)劃和策略及相應(yīng)的實例研究。主題內(nèi)容可以分為流域水資源管理、水壩淤積及生態(tài)恢復(fù)、流域監(jiān)測技術(shù)方法。
3.1流域水資源管理
埃塞俄比亞的Tigray較干旱,人們采取了許多措施來解決這一問題,包括建立微型水壩、引水堰以及土工覆膜等水土保持措施。該區(qū)域降水量在500mm到1200mm之間,多集中在6~9月份。過去的5a中,淺層地表水灌溉被廣泛應(yīng)用。Woldearegay等人對其所采取的水土保持措施進(jìn)行研究評估(Woldearegay et al.,2015)。評估內(nèi)容包括淺層地下水灌溉、水土保持對地下水供給的益處、與淺層地下水發(fā)展和管理有關(guān)的可能挑戰(zhàn)。研究結(jié)果表明,該區(qū)域的幾千個淺層灌溉井的深度均不超過30m,淺層灌溉已經(jīng)擴(kuò)大到4000hm。水土保持使得多數(shù)的山谷區(qū)域變成了潛在的淺層地下水區(qū)域,這為地表水和地下水的應(yīng)用提供了可能。但對于三角洲地區(qū),地下水的過度抽取造成了較嚴(yán)重的水資源短缺問題,在水井設(shè)計、高昂的水泵和燃油成本管理方面具有挑戰(zhàn)。另外,淺層地下水灌溉忽視了農(nóng)民的利益。這些研究對于進(jìn)一步的指導(dǎo)與該區(qū)域有相似干旱性質(zhì)和人口組成的其他區(qū)域,進(jìn)行區(qū)域水資源調(diào)配,確保區(qū)域生態(tài)的良性發(fā)展提供了良好的借鑒。
3.2水壩淤積及生態(tài)恢復(fù)
水壩建成后,由于上游區(qū)域水流減緩,在庫區(qū)會形成泥沙沉積。為使水庫能正常運行,需要對庫區(qū)沉積泥沙進(jìn)行清淤處理。但是從庫區(qū)排除的淤泥在下游區(qū)域也會造成泥沙淤積,會對河流下游的水生生物產(chǎn)生消極的影響?,F(xiàn)有研究中,盡管有關(guān)上游淤積泥沙的疏散已有綜合的描述,但是很少關(guān)注河流下游對泥沙淤積的響應(yīng)過程。Grant對美國俄勒岡南叉河麥肯齊的美洲獅水庫的淤沙整理進(jìn)行了研究(Grant et al.,2015a,2015b)。在美洲獅水庫和麥肯齊河主干的上游和下游分別采取礫石樣本,并在和南叉河匯流的上游和下游也進(jìn)行了采樣進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明,即使黏土粒夾雜在沖洗的河水中,非常細(xì)小的黏土也會侵入到礫石中,從而會對河水水生物造成影響。
解決水庫淤積所帶來的各種問題的一種有效方式就是拆除水壩。相比國內(nèi)不斷的修建大型水壩,美國則選擇將水壩拆除以恢復(fù)生態(tài)環(huán)境。在過去,將大壩拆除的觀念被視為激進(jìn),現(xiàn)在作為恢復(fù)河流生態(tài)功能的一種方法逐漸得到認(rèn)可。在過去100a的時間中,美國有超過1000座水壩被拆除,超過一半的水壩是最近10a里拆除的。。
對水壩拆除的研究,大多側(cè)重于水壩拆除后的影響。Grant等人對美國西部區(qū)域大壩拆除效應(yīng)進(jìn)行了較開創(chuàng)性的研究,為今后分析預(yù)測河流在大壩拆除后的響應(yīng)規(guī)律提供了有益的參考。如對俄勒岡州中西部和東北部水壩拆除后的詳細(xì)案例的研究,發(fā)現(xiàn)水壩拆除后的綜合環(huán)境影響存在一定的一般性規(guī)律。Grant等人對水壩拆除后泥沙的沉積進(jìn)行了進(jìn)一步的分析研究(Grant et al.,2015a,2015b),特別是河流對大壩拆除后帶來的大量快速的泥沙沉積的響應(yīng)特性,并進(jìn)一步揭示了泥沙侵蝕類型和侵蝕率、泥沙輸送以及泥沙沉積的物理機(jī)制,為未來的大壩拆除提供方案參考。這也是水壩拆除研究的重要內(nèi)容和目的。
Grant針對美國拆除水壩的下游河流對泥沙淤積的響應(yīng)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。大壩拆除前的泥沙淤積量估算表明,截止到2006年,大部分被移除大壩的泥沙排放量小于105m3。最近將要拆除的Glines Canyon和Elwha大壩的泥沙淤積量超出了前面兩個數(shù)量級(Grant et al.,2015a,2015b)。Grant等人考慮水庫原始泥沙淤積總量VR、水壩拆除后第一年淤積泥沙疏導(dǎo)量FA和水壩拆除前的泥沙年沉積量VA構(gòu)建了如(1)的綜合度量模型(Grant et al.,2015a,2015b)。
(1)
使用該公式計算可以得到的不同水壩拆除后泥沙的遷移距離。
3.3流域監(jiān)測
遙感技術(shù)是流域監(jiān)測的重要方法之一,如使用多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)對河流流量進(jìn)行估算和洪水監(jiān)測。在小區(qū)域的監(jiān)測中可以使用示蹤法進(jìn)行滲水分析,另外,無人操作平臺半自動監(jiān)測系統(tǒng)也已嘗試應(yīng)用于流域環(huán)境監(jiān)測中。
Clemente等人使用了經(jīng)驗方程、吞吐測試法和雙示蹤法在意大利西北部皮埃蒙特的兩條水渠開展了灌溉渠道滲水問題對比研究(Clemente et al.,2015)。結(jié)果表明,吞吐測試方法高效易用。但是,在水渠的滲透量很小的情況下,該方法嚴(yán)重低估了水渠滲水總量,存在較大的儀器誤差,單獨使用該方法仍然存在局限。雙示蹤方法誤差小,是更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?。但是在滲流量小、沒有足夠示蹤劑擴(kuò)散量的情況下,該方法也存在不可靠的問題。
傳統(tǒng)的地質(zhì)水文方法能精確有效地探測灌溉渠道的滲水,但該方法成本高昂。相對而言,結(jié)合遙感技術(shù)的滲水探測方法具有快速、成本低的特點。Perotti等人在意大利的納維利奧展開滲水探測實驗。首先使用遙感技術(shù)進(jìn)行預(yù)分析,再使用水文地質(zhì)學(xué)方法進(jìn)行實地探測,獲取灌溉水渠滲流的定量測量數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上使用兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行大范圍的水渠網(wǎng)絡(luò)的滲水分析(Perotti et al.,2015)。
流域中泛洪區(qū)的探測及監(jiān)測也是一項重要的研究內(nèi)容。Chatelain統(tǒng)計了阿爾及利亞中部的KniessWadi流域每日的最大降水量,根據(jù)岡貝爾分布法則估算在回歸期時的最大降水量,并估算KnissWadi橫斷面區(qū)域的溢洪情況(Chatelain et al.,2015)。Tarpanelli等人集成了MODIS和雷達(dá)測高數(shù)據(jù),用于意大利北部的波河水流量的估測(Tarpanelli et al.,2015)。Lacava等人則從多源數(shù)據(jù)集成角度,開展了區(qū)域洪水監(jiān)測研究(Lacava et al.,2015)。遙感數(shù)據(jù)在時空維度可以提供多層次的快速數(shù)據(jù)支持,TeodosioLacava等人將多年MODIS中分辨率可見光數(shù)據(jù)和AMSR_E(先進(jìn)微波掃描輻射計對地觀測系統(tǒng))微波數(shù)據(jù),用于對德國易北河2002年發(fā)生洪水區(qū)域的土壤狀況進(jìn)行探測和準(zhǔn)實時監(jiān)測。應(yīng)用中使用了絕對環(huán)境變化指數(shù)來反映研究區(qū)的洪水蔓延過程。使用如下公式對德國易北河泛洪區(qū)進(jìn)行了計算。
(2)
就數(shù)據(jù)獲取角度而言,除了使用衛(wèi)星航天、航空攝影測量以及地面的氣象測量裝置外,也有人利用多用途的水文地質(zhì)和環(huán)境無人測量船對流域進(jìn)行監(jiān)測。該種設(shè)備可以到達(dá)危險區(qū)進(jìn)行半自動的環(huán)境測量,且具有操作簡單、運營成本低的優(yōu)點,有利于在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。
海岸帶是海洋和陸地交互作用的重要地帶。海洋在能源和礦物資源方面的貢獻(xiàn),在隨后的幾十年內(nèi)將越來越大。工程地質(zhì)學(xué)對海岸帶和海洋過程的勘察、管理、勘探開發(fā)和保護(hù)等各個環(huán)節(jié)有著重要作用。該專題一共43篇文章,研究主要集中在海岸帶開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、海岸帶管理與保護(hù)、海岸帶污染治理、海灘破壞與重塑、泥沙侵蝕、運輸和堆積、海平面變化效應(yīng)、地質(zhì)災(zāi)害分析、海底開發(fā)、海床制圖、深??碧?、海洋清潔能源開發(fā)、氣候和人類對海岸帶和海洋環(huán)境的影響等方面。以下主要從海岸帶工程地質(zhì)問題、海岸及近海監(jiān)測和海底災(zāi)害3個方面進(jìn)行介紹。
4.1海岸帶的工程地質(zhì)問題
與海岸帶相關(guān)的工程地質(zhì)問題包括海床沉積強(qiáng)度、海岸侵蝕指數(shù)評估、海岸脆弱性評估、滑坡、泥石流引發(fā)海嘯的編目、地震引發(fā)的滑坡造成大規(guī)模峽灣沉積變形及相關(guān)數(shù)值模擬研究、海岸侵蝕的無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、漁港災(zāi)害風(fēng)險評估和地質(zhì)工程分區(qū)、海岸洪水和氣候變化等。
Luis等學(xué)者針對西班牙塞古拉河河口,開展了沉積和水深研究。西班牙塞古拉河一直以來是洪水泛濫區(qū)域,為此采取了一次河道清淤措施。收集了清淤前后的水深和沉積數(shù)據(jù),用于分析河口附近發(fā)生的變化,包括沉積分布、深水植被種類等。將1989和2006的沉積觀測結(jié)果進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明,直徑小于0.0039mm的泥沙大幅度減少,水深增加1m(Luis et al.,2014)。
Maslakov對楚科奇半島居民區(qū)的海岸災(zāi)害進(jìn)行了研究,得到了該區(qū)地質(zhì)工程穩(wěn)定性的地質(zhì)年代和地表制圖分析結(jié)果(Maslakov et al.,2014)。通過對比分析1960~1990年的超高分辨率衛(wèi)星影像以及規(guī)劃圖和地形圖等資料,他們認(rèn)為該區(qū)的地質(zhì)工程環(huán)境的惡化是由于氣候以及人類劇烈的活動導(dǎo)致的。并基于工程測量得到了一個穩(wěn)定的海岸帶長時間序列變化情況預(yù)測結(jié)果,給出了海岸保護(hù)的建議。
4.2海岸及近海監(jiān)測技術(shù)
潟湖是沿海的一種重要地貌形態(tài),對潟湖及其周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測對合理利用海洋資源、生態(tài)保護(hù)都具有重要意義。合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(INSAR)被廣泛應(yīng)用于地表形變探測中,在潟湖方面的研究應(yīng)用相對其他領(lǐng)域較少。INSAR技術(shù)存在時間和幾何失相關(guān)問題,用永久散射體干涉測量技術(shù)(PSI)能彌補(bǔ)這方面的缺陷,但存在空間覆蓋不足的問題。Kourkouli等人提出將InSAR和PSI技術(shù)結(jié)合獲取目標(biāo)要素,以提高在自然地貌中有效信息的覆蓋率。研究者在威尼斯?jié)暫透采w有鹽水沼澤區(qū)域,開展該方法可用性驗證,證明該集成方法具有較好的應(yīng)用潛力(Kourkouli et al.,2014)。
海岸沉積遷移過程的研究具有重要的意義。水壓、沉積測量、水深測量和物理模型方法被用于沉積變化的評估中。相對于傳統(tǒng)的物理、數(shù)值等方法,包含時空水動力過程信息的泥沙示蹤器提供了有效的理解沉積遷移過程的方法。計算流體力學(xué)在粒子和污染物變化和消退方面研究得到推廣應(yīng)用。示蹤技術(shù)常用于驗證水動力模型,以增強(qiáng)模型預(yù)測值的可信度。示蹤法也被應(yīng)用到沿海的泥沙沉積和遷移的研究中,并取得了良好的效果。相對其他示蹤方法,輻射示蹤器支持下的原位探測可以精確量化泥沙遷移速率,這種方法具有成本低、高效、安全的特點,且對環(huán)境影響很小。Bandeira等人使用放射性示蹤法對泰國宋卡府港口、巴西桑托斯灣、阿爾巴尼亞都拉斯海灣等地的泥沙遷移情況展開實例研究。研究結(jié)果表明,放射性示蹤法能有效地應(yīng)用于海岸的動態(tài)變化、污染評估等現(xiàn)象的研究,并有助于相關(guān)問題的解決(Bandeira et al.,2014)。
4.3海底災(zāi)害風(fēng)險
和陸地類似,海底也會發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。不穩(wěn)定的海岸或者島嶼如果發(fā)生大規(guī)模的泥石流或者滑坡,也會引發(fā)海水運動,甚至海嘯,從而對沿海居民區(qū)造成威脅。從災(zāi)害防治角度出發(fā),有必要開展海底災(zāi)害有關(guān)的風(fēng)險評估研究。
Casalbore等人以意大利伊奧利亞群島為例,使用高分辨率測深器對大規(guī)模海底運動進(jìn)行了測量分析(Casalbore et al.,2014)。高分影像數(shù)據(jù)可以獲取大范圍的與大規(guī)模海底運動有關(guān)的地貌特征要素。根據(jù)尺寸大小、幾何形狀和位置信息,識別出了大尺度的斷崖痕跡和兩組中尺度的海底滑坡。第1組具有100m大小縮進(jìn)島架的半圓形的斷崖,并在約100m深處覆蓋有沉積物,可以描述為溯源失穩(wěn)滑坡。在后一組中,Casalbore注意到頻繁的邊坡失穩(wěn)對斯特隆波里Sciara del Fuoco海底沉積物的影響,也注意到對歷史和現(xiàn)在的Banco del Bagno海底火山中心造成影響的嵌套滑痕。Casalbore從已被識別的大規(guī)模海底運動的誘發(fā)因素、發(fā)生次數(shù)以及發(fā)生海嘯的可能性等方面,對該區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害危險性進(jìn)行了分析。
隨著全球人口的急劇增加和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速,導(dǎo)致城市膨脹和新的超級城市中心的出現(xiàn)。城市發(fā)展遇到了許多問題,如人口增長、交通擁堵、供水緊張、市內(nèi)污染等。這些問題與城市地質(zhì)環(huán)境密切有關(guān)。這個全球化的趨勢使工程地質(zhì)面臨著機(jī)遇和挑戰(zhàn),特別是在城市地下空間開發(fā)方面。本專題一共265篇文章,工程地質(zhì)在城市環(huán)境、工程選址、用水供應(yīng)和污水處理、垃圾處理、與地質(zhì)和地貌條件有關(guān)的建筑問題、地下工程巖體質(zhì)量評價、地質(zhì)和地震災(zāi)害防范(如地面變形、液化、側(cè)向擴(kuò)展、放大效應(yīng)等)以及可持續(xù)土地利用規(guī)劃(用地保留、保護(hù)、開發(fā)和景觀影響等)等方面發(fā)揮著重要的作用。
5.1城市地質(zhì)災(zāi)害
滑坡等地質(zhì)災(zāi)害一直是城市地質(zhì)災(zāi)害中的重點內(nèi)容,大型滑坡對城市區(qū)域安全存在更大的威脅,需要在實際應(yīng)用層面上進(jìn)行長期的深入調(diào)查分析。除了從城市滑坡災(zāi)害監(jiān)測和防治角度開展研究外,還應(yīng)在城市規(guī)劃中關(guān)注地質(zhì)災(zāi)害問題,如城市地面沉降、邊坡崩塌、大型城建的建筑變形等。
Burns從滑坡的易發(fā)性、滑坡的防治角度對美國城市滑坡開展了研究。在美國,滑坡災(zāi)害每年約導(dǎo)致25~50人死亡,平均3.5億美元的損失,其中多數(shù)發(fā)生在城市區(qū)域。研究其發(fā)生原因以及如何預(yù)防,是地質(zhì)工程學(xué)家和工程師所面臨的挑戰(zhàn)。繪制城市區(qū)域的滑坡分布圖和滑坡風(fēng)險圖是很重要的防災(zāi)措施。水文規(guī)劃和古滑坡的識別也是防災(zāi)的重要步驟。對此,需要用水文規(guī)劃管理和LIDAR技術(shù)對以上問題開展研究(Burns,2015)。Burns等人認(rèn)為在一般性的房屋政策中,滑坡災(zāi)害的保險也是非常重要的。在有關(guān)的意外事件保險中,如果意外保險賠償不包括滑坡對房屋造成的損害補(bǔ)償?shù)脑?,對城市滑坡開展研究以有效避免財產(chǎn)損失就顯得尤為重要。
另外,研究比較多的城市地質(zhì)災(zāi)害是地表沉降。在世界多個城市都出現(xiàn)了地面沉降問題,在城市化快速推進(jìn)的區(qū)域,往往由于過度汲取地下水而導(dǎo)致地表沉降。中國的許多城市也出現(xiàn)了地面沉降這樣的地質(zhì)災(zāi)害。Kaitantzian對距希臘西部25千米的Thriassio平原進(jìn)行沉降研究。該區(qū)域受到快速城市化、工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)活動的顯著影響。研究者使用永久散射干涉測量技術(shù)對該區(qū)域1992~2003年間的沉降進(jìn)行監(jiān)測,結(jié)果顯示,該區(qū)域的沉降速率為3~10mm·a-1(Kaitantzian et al.,2015)。
5.2城市地質(zhì)監(jiān)測
在城市工程地質(zhì)問題的解決過程中用到了遙感、空間定位、傳感器等監(jiān)測技術(shù)。另外,無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)和技術(shù)也得到了發(fā)展應(yīng)用,特別是在災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測方面。
目前,城市內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測方式多以雷達(dá)干涉測量技術(shù)(InSAR和PSI)技術(shù)為主,同時也結(jié)合了其他技術(shù)。如使用InSAR和GPS結(jié)合對地面沉降進(jìn)行觀測。另外,也有以InSAR數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),集成地質(zhì)和水文地質(zhì)建模對地面沉降過程進(jìn)行分析。
近年與氣候變化有關(guān)的極端氣象事件時有發(fā)生,遙感技術(shù)經(jīng)常被用于相應(yīng)的應(yīng)急管理中。遙感具有空間覆蓋和時效性方面的優(yōu)勢。結(jié)合區(qū)域的地理信息,遙感有助于城市地質(zhì)災(zāi)害管理中各階段的信息挖掘以及快速災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)。Boccardo et al.(2015)使用遙感技術(shù)為包括自然災(zāi)害和人道主義危機(jī)事件在內(nèi)的應(yīng)急救援提供緊急制圖支持。
5.3城市地質(zhì)專題圖制作
城市基礎(chǔ)建設(shè)、發(fā)展規(guī)劃、災(zāi)害防治等工作都與城市地質(zhì)環(huán)境相關(guān),因此,獲取城市詳細(xì)的地質(zhì)資料,開展城市地質(zhì)專題圖的制作具有重要的意義。目前主要以鉆探的方式獲取基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù),并結(jié)合有關(guān)學(xué)科知識制作詳細(xì)的專題地質(zhì)圖,為地質(zhì)環(huán)境分析、工程建設(shè)等相關(guān)地質(zhì)工作的快速分析判斷,提供數(shù)據(jù)支持。
莫斯科有關(guān)研究部門開展了一項編制12個1︰10000 的莫斯科大區(qū)域工程地質(zhì)專題圖的研究。該工作是基于不同年間的85000口深達(dá)石炭紀(jì)沉積物的鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行。對于莫斯科而言,這是一項具有先導(dǎo)性的研究工作。除了大量鉆井樣本的分析和數(shù)字化外,還采用了基于現(xiàn)代地質(zhì)信息技術(shù)的理論方法開展研究。集成的工程地質(zhì)圖整合了區(qū)域構(gòu)造、地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)狀況、自然災(zāi)害分布和地質(zhì)過程及其現(xiàn)象方面的信息。研究中依照分類學(xué)將數(shù)據(jù)分成了4個級別。有助于進(jìn)行復(fù)雜工程地質(zhì)環(huán)境分析并應(yīng)用于地表和地下城市工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中。借助該圖可以做出初步的工程地質(zhì)分區(qū),如復(fù)雜工程地質(zhì)條件使用紅色表示,綠色則表示簡單的工程地質(zhì)條件,而黃色的表示一般的工程地質(zhì)條件(Osipov, 2015)。使用者可以利用該圖對某個區(qū)域的工程地質(zhì)條件和地質(zhì)環(huán)境狀況作出快速的評估判斷,促進(jìn)工程規(guī)劃的順利開展。
5.4城市地下發(fā)展與規(guī)劃
城市地下空間的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)有相當(dāng)長的歷史。城市地下空間的研究和發(fā)展,對于城市的可持續(xù)發(fā)展特別是處在惡劣氣候中的城市的可持續(xù)發(fā)展,具有重要意義。城市發(fā)展受到經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、地質(zhì)技術(shù)和法律因素的影響。Mulder等人對此進(jìn)行了簡要的探討,指出城市地下空間的發(fā)展要得到來自政界的前瞻性支持(Mulder et al.,2015)。在城市地下空間的發(fā)展方面,中國取得了顯著的進(jìn)步。同時城市地下空間的發(fā)展也面臨各種問題和挑戰(zhàn),工程地質(zhì)學(xué)家在這方面發(fā)揮著重要的作用。
在城市化的發(fā)展過程中,城市地表以下的規(guī)劃往往沒有得到足夠的重視,地窖和地下室往往被視為地面建筑的附屬設(shè)施。能源的供給、運輸、通訊等大型設(shè)施,往往由不同的機(jī)構(gòu)建設(shè)。這種缺乏系統(tǒng)化的做法,會限制城市地上和地下的協(xié)同發(fā)展。Brian認(rèn)為城市的地下發(fā)展過程與地質(zhì)工程密切相關(guān),地質(zhì)學(xué)家應(yīng)該提供與社會、經(jīng)濟(jì)相適應(yīng)的工程解決方法,并就城市地下發(fā)展的有關(guān)地質(zhì)問題,向公眾提供有效的解釋和宣傳服務(wù)(Brian,2015)。
重大工程對全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的作用,主要包括地下資源勘探開發(fā)(礦物、石油、地下水等)、能源(水利、地?zé)帷⒑四艿?、交通(鐵路和公路)、廢物處理及相關(guān)的環(huán)境管理問題。對于不同尺度的重大工程的研究,主要是采用多學(xué)科交叉的手段。工程地質(zhì)在工程地質(zhì)勘查、正確選址、建設(shè)規(guī)劃和維護(hù)等方面,發(fā)揮著重要的作用。該專題共195篇文章,主要研究復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的重大工程地質(zhì)問題,如水力發(fā)電廠的設(shè)計、重大工程地質(zhì)模型、放射性核廢料的工程選址等。
6.1重大工程地質(zhì)問題
重大工程的選址、設(shè)計、施工、運行及災(zāi)害防治過程等都涉及相關(guān)的工程地質(zhì)學(xué)問題。在基礎(chǔ)工程建設(shè)中,如道路建設(shè)就需要掌握規(guī)劃路線沿途的工程地質(zhì)特性、路線周圍的災(zāi)害分布及風(fēng)險情況。在施工階段,如隧道開挖,也需要掌握開挖區(qū)域的工程地質(zhì)特性,以制定合適的開挖策略。在運行過程,需要根據(jù)區(qū)域的不同地質(zhì)環(huán)境,采取不同的維護(hù)和監(jiān)測方法。
在復(fù)雜巖體和不良軟弱巖體中進(jìn)行工程建設(shè)時,往往面臨眾多挑戰(zhàn),如軟弱巖體的不穩(wěn)定性、巖體變形等問題。如在中國的西北部修筑蘭渝鐵路時,就面臨大尺度巖體隧道變形問題。導(dǎo)致此問題的主要原因是高地應(yīng)力、軟弱巖體有各向異性和快速的工程開挖。Wu等人對蘭渝鐵路的石板片狀巖隧道的大尺度變形開展了研究。研究認(rèn)為影響隧道大變形的主要因素包括地應(yīng)力、巖體自身特殊屬性及其由于開挖導(dǎo)致的軟化、巖體壓力及其強(qiáng)化效應(yīng)(Wu et al.,2015)。結(jié)果表明,隨著隧道的開挖,在約10d的時間內(nèi),隧道的最大形變量達(dá)到了530mm。因此,在軟弱巖體和復(fù)雜巖體中進(jìn)行重大工程時,需要充分考慮該區(qū)域的形變特點,采取必要的處理措施。Wu等人同時介紹了相關(guān)的隧道設(shè)計和地質(zhì)調(diào)查獲取的經(jīng)驗。
意大利國家公路公司針對道路設(shè)計和管理中常遇到不穩(wěn)定區(qū)域的識別和分析問題進(jìn)行了研究。在完成地質(zhì)地貌調(diào)查的基礎(chǔ)上,通過使用地形、巖土工程和干涉測量儀器進(jìn)行完備的現(xiàn)場調(diào)查,識別不穩(wěn)定區(qū)域。并分析這些區(qū)域的演化和位移機(jī)制,從而確定影響因子和不穩(wěn)定區(qū)域的關(guān)系,確保所修筑公路的安全(Scarano et al.,2015)。
重要建筑的地基形變過程研究也是該項研究的主要內(nèi)容。通常在建筑施工到結(jié)束都會對地基的形變做一個估測。這種變化可能是緩慢的,但是在某種含水層土體可能會有顯著的變形。Carlos等人開展兩組敏感性土體變形特性與含水量相關(guān)關(guān)系的研究。一組是亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的土體,具有易崩解的特點。另一組是膨脹土。Carlos等人同時分析探討了使用水力壓裂注漿加固方法和膨脹土水泥混合穩(wěn)定方法。研究表明這些方法可以對由于設(shè)計和施工導(dǎo)致的有缺陷建筑進(jìn)行加固(Carlos et al.,2015)
6.2地質(zhì)工程風(fēng)險管理
地質(zhì)工程的不確定性往往貫穿工程的整個過程,需要進(jìn)行充分的風(fēng)險管理研究。Palmieri等人綜述了與地質(zhì)工程風(fēng)險有關(guān)要素,如工程可行性、風(fēng)險定位和融資可行性等。研究者分析了不同項目結(jié)構(gòu)的金融處理方法,強(qiáng)調(diào)了相似工程的應(yīng)用。并指出項目風(fēng)險管理的兩個關(guān)鍵措施,即巖土工程基準(zhǔn)報告和工程風(fēng)險等級方法,并對其聯(lián)合使用做了說明(Palmieri,2015)。Palmieri等人參考水電部門的概念,對工程周期中(規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)和運行)的不確定性進(jìn)行了詳盡的說明。并給出了風(fēng)險控制的一般流程,按照風(fēng)險控制方法開展工程項目,可以成功的對項目成本和項目規(guī)劃進(jìn)行控制。
工程地質(zhì)學(xué)在社會的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用。工程地質(zhì)工作者在其研究、設(shè)計和實踐中不可避免地面臨再教育問題,包括:選題、技術(shù)、方法、發(fā)現(xiàn)等方面。需要充分發(fā)揮工程地質(zhì)學(xué)家的專業(yè)作用,并積極與其他領(lǐng)域的專家互動,進(jìn)行工程地質(zhì)學(xué)的高等教育研究(包括教育模式、資源共享等)。特別是工程地質(zhì)的位置、職業(yè)道德和交流、專業(yè)發(fā)展、爭端(訴訟)風(fēng)險管理、工程的地質(zhì)責(zé)任等方面的教育。提高公眾對工程地質(zhì)專業(yè)的認(rèn)知程度,提高其對社會、經(jīng)濟(jì)和文化的貢獻(xiàn)。該專題一共有54篇文章,相對于其他專題,研究內(nèi)容比較少,但卻是工程地質(zhì)領(lǐng)域需要引起關(guān)注的方面。
工程地質(zhì)教育涵蓋地質(zhì)理論、地緣倫理與自然災(zāi)害、地質(zhì)工程與信息交流、教育與科學(xué)實踐互動等方面的內(nèi)容。從災(zāi)害防治角度,強(qiáng)調(diào)提高民眾的災(zāi)害意識,加強(qiáng)風(fēng)險協(xié)作和災(zāi)害知識分享,注重從環(huán)境保護(hù)角度優(yōu)化大型土木工程,強(qiáng)調(diào)制定工程地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則對工程實踐的重要意義。
在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,人們?nèi)菀讉鬟f片面性的信息,因此,在網(wǎng)絡(luò)上建立可信的信息傳播途經(jīng)往往變得十分復(fù)雜。Solarino等人針對網(wǎng)絡(luò)上倫理道德問題展開了論述,并結(jié)合實例,探討在網(wǎng)絡(luò)中獲取更多地緣倫理的可能方法(Solarino,2014)。
Goldsmith等人從工程地質(zhì)顧問的角度,討論了工程地質(zhì)學(xué)家應(yīng)該具備的素質(zhì)。他認(rèn)為和工程師一起工作需要具有調(diào)查、分析、交流、談判和應(yīng)用方面的技能。工程地質(zhì)學(xué)家同時要有涉及從土壤侵蝕到巖體機(jī)制等不同研究內(nèi)容的知識儲備,重要的是需要具備細(xì)致的觀察、廣泛的實地調(diào)查、處理大量的歷史數(shù)據(jù)和新數(shù)據(jù)的能力,從而達(dá)到合理理解研究對象的目的(Goldsmith,2014)。
工程地質(zhì)學(xué)對于工程項目的優(yōu)化、效率的提高、早期干預(yù)及其決策發(fā)揮著重要的作用(Oliveira,2014)。土木工程項目無一例外地會對環(huán)境產(chǎn)生影響,同時也會對當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大的現(xiàn)實意義。但媒體和環(huán)保主義者往往偏向于夸大工程的不良影響,而忽略工程的優(yōu)點。因而需要提高公眾的認(rèn)知程度,加強(qiáng)對日益受關(guān)注的工程項目的科學(xué)宣傳,加強(qiáng)具有最小環(huán)境影響的解決方案的研究,并由具有合適資質(zhì)的人員負(fù)責(zé)運營。Oliveira等人從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā),對幾種類型的工程優(yōu)化過程進(jìn)行了討論,包括建材、水力發(fā)展、線狀工程(如公路、鐵路、航站、水道等)、地下工程、海事工程、橋梁、高架橋、自然和開發(fā)邊坡等(Oliveira,2014)。
工程地質(zhì)自1972年的世界遺產(chǎn)大會后,在文化遺產(chǎn)保護(hù)方面發(fā)揮著越來越重要的作用。本專題一共有103篇文章,研究的重點包括古跡遺址巖土工程保護(hù)、先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)、文化景觀勘察、文化遺產(chǎn)分類地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、人類活動、自然景觀演變和文化遺產(chǎn)的相互作用、古跡的巖石風(fēng)化和退變、古遺址的自然災(zāi)害風(fēng)險等。介紹了文化遺產(chǎn)保護(hù)的實例研究和多學(xué)科交叉的國際項目研究,特別探討了文化遺產(chǎn)保護(hù)和區(qū)域地質(zhì)的關(guān)系以及文化遺產(chǎn)保護(hù)存在的工程地質(zhì)問題,強(qiáng)調(diào)需要考慮區(qū)域的地質(zhì)特點以采取有效的保護(hù)措施。
文化遺產(chǎn)是人類文明發(fā)展的重要遺跡,可以是有形和無形的。有形的文化遺產(chǎn)各式各樣,包括歷史地貌、人類改造的景觀圣地等。這些重要的遺跡面臨著來自人類活動和外界自然力的侵蝕作用。巖石的長期風(fēng)化和自然災(zāi)害就是自然力對文化遺跡侵蝕的例子。文化遺產(chǎn)保護(hù)需要來自地質(zhì)工程和地球科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者共同參與,以發(fā)揮其重要作用,同時要符合遺跡的藝術(shù)、歷史和文化要求,建立和完善遺跡保護(hù)和管理法規(guī)。國外在這方面有較多的研究,這些研究對充分挖掘自然遺產(chǎn)的價值,向人們展現(xiàn)歷史風(fēng)貌,具有重要的意義。
文化遺產(chǎn)保護(hù)的對象包括土樓結(jié)構(gòu)、土墩、水壩、石質(zhì)紀(jì)念碑和巖穴遺產(chǎn)等。對其進(jìn)行保護(hù)需要充分掌握保護(hù)區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點,以防止自然風(fēng)化侵蝕或者災(zāi)害對重要文化遺跡產(chǎn)生破壞。文化遺址保護(hù)研究的地質(zhì)問題包括巖體破壞機(jī)制(如開裂、風(fēng)化)、地震危險性等,如中國西北部的地震、風(fēng)化、降水侵蝕,西南部的滾石等。對文化遺跡造成威脅的自然災(zāi)害研究最多的是滑坡,其次是滾石和土壤侵蝕。需要對危險區(qū)的文化遺跡進(jìn)行風(fēng)險評估,進(jìn)而制定合適的文化遺產(chǎn)保護(hù)策略。
Lopes等學(xué)者強(qiáng)調(diào)將地質(zhì)科學(xué)和地質(zhì)遺產(chǎn)研究相結(jié)合,將多學(xué)科集成的方法用到古代廢棄的礦山遺址景觀的修復(fù)工作中(Lopes et al.,2015)。另外,對文化遺跡的保護(hù)所進(jìn)行的監(jiān)測、有關(guān)的建模和管理也是該專題研究的重點。其中,使用遙感技術(shù)如InSAR和PSI對文化遺跡進(jìn)行監(jiān)測,是主要的方法之一,另外,對于滾石區(qū)也使用二維和三維滾石軌跡模擬方法進(jìn)行災(zāi)害評估和遺跡保護(hù)。
最近幾十年,眾多文化遺址遭受到不可逆的自然和人為破壞。Margottini等人介紹了有聯(lián)合國教科文組織發(fā)起的旨在保護(hù)歷史文化遺產(chǎn)的一些研究,研究對象主要是近年來卷入戰(zhàn)爭沖突的國家。認(rèn)為在這些地區(qū)需要采用國際援助和合作研究的方法共同保護(hù)的大量受威脅的紀(jì)念碑及相關(guān)文化遺產(chǎn)。
該專題在文化遺產(chǎn)防護(hù)和修復(fù)方面,提出了多種工程方法,并在多個文化遺產(chǎn)保護(hù)中得到應(yīng)用。Margottini等人從文化遺跡的原狀、變化過程、地質(zhì)條件勘探分析、制定保護(hù)和管理策略的角度對阿富汗的宣禮塔、意大利奧爾維耶托(建筑石料軟化)、阿富汗的巴米揚(yáng)(建在軟石上的古老居住區(qū))、秘魯?shù)鸟R丘比丘(建立在硬質(zhì)巖石上)、智利復(fù)活節(jié)島(硬質(zhì)巖)等文化遺址的工程保護(hù),進(jìn)行了詳細(xì)的介紹(Margottini,2015)。實例研究包括位于阿富汗Hari河邊的宣禮塔周邊進(jìn)行的工程加固和位于意大利奧維多的巖壁進(jìn)行的工程處理。
由于第十二屆國際工程地質(zhì)大會(IAEG XII)會議專題眾多,論文數(shù)目龐大,受篇幅所限,本文不能進(jìn)行非常詳細(xì)的介紹。但是通過對該會議8個專題的介紹,可以對目前國際工程和環(huán)境研究的現(xiàn)狀和趨勢有一個總體的把握,也對我國工程地質(zhì)和環(huán)境的研究有一定的啟示。
氣候變化帶來的工程地質(zhì)問題研究,已經(jīng)引起了國際上的高度重視,特別是在不同氣候模式下各類工程地質(zhì)問題的響應(yīng)機(jī)制。相比而言,國內(nèi)對于氣候變化和工程地質(zhì)方面的研究相對薄弱。
滑坡過程研究專題的論文最多(388篇),說明有關(guān)滑坡的研究仍是目前國際上的研究重點,中國在此專題的研究也非?;钴S。從研究內(nèi)容來看,研究的重點仍然是滑坡的形成機(jī)制、監(jiān)測和建模分析等方面,并對一些大型滑坡進(jìn)行了詳細(xì)的實例研究。相比國際研究而言,國內(nèi)關(guān)于滑坡過程的研究,往往是任務(wù)驅(qū)動,在深度和系統(tǒng)性方面需要進(jìn)一步加強(qiáng),繼續(xù)進(jìn)行滑坡過程理論上的系統(tǒng)性研究和長期可持續(xù)的實例深入研究。
在大型工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境問題方面的研究,國內(nèi)和國際上表現(xiàn)出不同的研究趨勢,特別是在流域、海洋和海岸帶工程方面。國外在這方面更多注重生態(tài)效應(yīng)的評估,以水庫大壩為例,美國近期持續(xù)拆除近500多座水壩以恢復(fù)原始的水文生態(tài)環(huán)境,并開展了水壩拆除前后河流泥沙沉積、泥沙輸送等方面的研究工作。對比國內(nèi)情況,目前我國仍在大力推進(jìn)水壩的建設(shè),包括一些復(fù)雜地質(zhì)條件區(qū)域的水壩建設(shè)。同時我國對于水壩的建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響方面的研究相對缺乏。中國目前修建的一些水壩,除了會帶來生態(tài)環(huán)境問題,還有不少已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重老化現(xiàn)象,難以較好發(fā)揮水壩的蓄水、調(diào)控和防災(zāi)等的功效。需要借鑒一些發(fā)達(dá)國家在這方面的研究經(jīng)驗,加強(qiáng)重大工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面的研究,降低大規(guī)模工程建設(shè)的環(huán)境風(fēng)險。
在城市開發(fā)、重大工程建設(shè)和文化遺產(chǎn)保護(hù)等方面的研究,均強(qiáng)調(diào)了工程地質(zhì)研究的重要性。我國是城市化進(jìn)程最為顯著的國家之一,城市地下空間的建設(shè)進(jìn)程很快,劇烈的工程建設(shè)會帶來一系列的工程地質(zhì)問題(如災(zāi)害、污染等)。工程地質(zhì)學(xué)家應(yīng)該在城市規(guī)劃建設(shè)的系統(tǒng)性、長期性和重要城市地質(zhì)問題的風(fēng)險評估管理等方面發(fā)揮更為重要的作用。
在工程地質(zhì)勘察監(jiān)測技術(shù)方面,多學(xué)科、多源監(jiān)測技術(shù)的交叉和集成是目前的研究趨勢。除了傳統(tǒng)的監(jiān)測手段外,遙感作為重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取手段得到了廣泛的應(yīng)用,包括光學(xué)遙感和微波遙感。對于重點小范圍的區(qū)域,無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)也得到了快速發(fā)展,并形成了系統(tǒng)完備的監(jiān)測系統(tǒng)。相比而言,國內(nèi)對于一些重點區(qū)域(如地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū))監(jiān)測的多源數(shù)據(jù)的集成、系統(tǒng)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和專業(yè)模型集成等方面仍需要加強(qiáng)研究。
中國在工程地質(zhì)教育方面做的相對較好,但對提高工程地質(zhì)工作者的社會責(zé)任感和公眾對工程地質(zhì)科學(xué)的作用和貢獻(xiàn)的認(rèn)知等方面還需要進(jìn)行大量的工作。
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INTERNATIONAL RESEARCH STATUS AND FRONTIERS ON ENGINEERING GEOLOGY AND THE ENVIRONMENT—A REVIEW ON IAEG XII CONGRESS
WU Faquan①②LAN Hengxing③
(①InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029) (②ShaoxingUniversity,Shaoxing312000) ③LREIS,InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101)
The IAEG XII Congress was held on September 15-19, 2014 at Torino, Italy. It was also a vital event for celebrating the 50thAnniversary of the IAEG foundation. An important message of this congress is that engineering geology plays an increasing important role in our changing world, especially in characterizing human responses to the dynamic changes of geo-environment. This paper summarizes the research status and frontiers for eight main topics of IAEG XII congress:(1)Climate Change and Engineering Geology; (2)Landslide Processes; (3)River basins, Reservoir Sedimentation and Water Resources; (4)Marine and Coastal Processes; (5)Urban Geology, Sustainable Planning and Landscape Exploitation; (6)Applied Geology for Major Engineering Projects; (7)Education, Professional Ethics and Public Recognition of Engineering Geology and (8)Preservation of Cultural Heritage.
Engineering geology and the environment, International research status, International research frontiers, IAEG XII congress, Eight main topics
10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.015
2015-12-02;
2015-12-16.
國家自然科學(xué)基金(41272354, 41472282),中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項目(NO.12120113038000)資助.
伍法權(quán)(1955-),男,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,從事工程地質(zhì)與巖體力學(xué)的理論與應(yīng)用研究. Email: wufaquan@mail.iggcas.ac.cn
簡介: 蘭恒星(1972-),男,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事工程地質(zhì)力學(xué)與GIS建模研究. Email: Lanhx@igsnrr.ac.cn
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