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地质、地理学与城市规划建设的关联 | 武汉城建基础篇

2019-12-19 点击:

地质、地理和城市规划建设具有极高的关联性,结合运用在一个特大城市进行分析研究,可谓罄竹难书。

 

笔者作为一名城建规划的爱好者,看着满城挖、满城建的武汉,总在思索:“为什么摩天不能建这里?为什么商务区要这么规划?为什么江南江北的城区地铁覆盖率相差这么大?为什么天河机场建在黄陂?为什么汉口滨江的房子卖得最贵?”

 

带着疑问,笔者参看了多个高校和机构的相关文献资料,逐渐对武汉的城建规划有了一个大致的理解。以下将从地质构造、地理环境分别与武汉城建规划的关联进行浅析。希望能抛砖引玉,让更多的人了解我们脚下的这片土地,也更理解武汉城建工作者的艰辛。如有错漏,请留言指出。

 

01

武汉地质概况

地质复杂 地壳稳定 淡水丰富

 

武汉是一个山水城市,地处华中腹地,位于长江与汉江交汇处,在江汉平原以东,素有“九省通衢”之称。

 

从土地资源承载力来看,武汉市国土面积仅次于北京、天津,是香港的八倍。城区地处江汉平原与鄂东北大别山区丘陵、山地的交接地带,地质构造比较复杂,同时也是一个地壳相对稳定的地区。

▲武汉的地理位置和周边地形 @地图帝

武汉城区基岩种类繁多,岩性变化较大,碳酸盐岩在一定范围内分布

 

武汉有古河道、古湖泊的分布,也有现代的填湖造地,长江、汉江冲积平原地区软土广泛分布,且厚度较大。

 

武汉的地表、地下水资源十分丰富,一级阶地地下水与长江、汉江水力联系密切,造成这些地区地下水动力条件季节性变化等等。

 

总体来看,武汉地理位置优越,地质构造复杂,地壳稳定,水资源丰富,十分宜居。

 

02

武汉面临的坏境地质问题

岩溶地陷 地基沉降 水土污染

 

1. 以岩溶地面塌陷为主的地质灾害;

 

2. 因软土引发的地基不均匀沉降等不良地质问题,甚至引起房屋倾斜、开裂和路基沉陷;

 

3. 水土污染问题;

 

4. 其它地质灾害:滑坡、崩塌、防洪、暴雨引起的城区渍水。

 

  • 岩溶地面塌陷问题

武汉市属鄂东南岩溶地面塌陷易发区,武汉地区碳酸盐岩分布面积1 100余平方公里,约占该市面积的13%。近几十年发生过多起岩溶地面塌陷灾害,大部分集中在沿长江一带。

▲发生在武昌白沙洲周边的塌陷地质灾害

岩溶地面塌陷不仅与下伏碳酸岩岩溶发育程度有关,还与上覆松散覆盖层的工程性质及岩溶裂隙水、孔隙承压水、地表水三者循环有关,循环的结果导致上部土体的潜蚀、吸蚀破坏,发展到一定程度就会导致地面塌陷。

 

地下工程施工过程中,不可避免地要进行地下水的降水、排水活动,无疑也是地面塌陷的诱因。武汉三镇局部存在古河道,埋藏较深,部分处于强发育状态。城市基础设施选址,必须避开强发育的岩溶和古河道地段。

 

武汉地区的碳酸盐岩分别为岩土体所覆盖,根据与碳酸盐岩关系密切的上覆岩土体的性状,可分为岩层、老黏土和砂性土层3种类型。

 

上覆厚层砂性土层的碳酸盐岩展布区的岩溶地面塌陷系由“沙漏”机理产生的,即砂颗粒在重力作用下沿竖向通道不断“漏”入下伏岩溶地层中的溶洞中,从而引起的地面塌陷。如果有向下的地下水活动,则在渗流力作用下易形成流沙,岩溶地面塌陷会发育得更快。砂性土层上方一般覆盖有5~10m 的软塑-可塑、局部流塑的全系统黏性土层,当下伏砂性土流失时,将会发生变形,导致地面塌陷。

 

根据上覆岩层、黏性土和砂性土层性状的差异,在剖面上,可划分出如下图的5个地质结构类型:

▲武汉地区熔岩地质结构类型图

Ⅰ型:上部为全新统砂性土层,包括砂性土层上部的黏性土层;下伏碳酸盐岩组。砂性土可直接通过溶隙、孔洞等通道漏失,引起地面塌陷,从而产生岩溶地质灾害。

 

Ⅱ型:上部为砂性土(包括砂性土层上部的黏性土层),中部为厚度大于3m 的老黏性土层(包括上更新统下部的含泥砂性土);下部为碳酸盐岩组。由于地下水长期频繁作用,在碳酸盐岩上方的老黏性土层中可能存在土洞。老黏性土层的连续性遭受破坏时可引起地面塌陷,如未封堵的钻孔连通砂性土层、土洞坍塌等。

 

Ⅲ型:上部为砂性土(包括粉细砂层上部的黏性土层),中部为厚度大于3m 的红层(侏罗系或白垩系-古近系地层),下部为碳酸盐岩组。红层遭受破坏可引起地面塌陷,如未封堵的钻孔连通砂性土层时。

 

Ⅳ型:上部为厚层的老黏性土层,下部为碳酸盐岩组。由于地下水长期频繁作用,在老黏性土层中可能存在土洞,土洞进一步发展可能引起地面塌陷。

 

Ⅴ型:上部为红层(侏罗系或白垩系-古近系地层),下部为碳酸盐岩。这类结构基本不会发生岩溶地面塌陷。

 

根据碳酸盐岩条带和地质结构类型的分布,可将武汉地区岩溶地质灾害划分为高危险区、中等危险区和低危险区3个区:

▲武汉城区的碳酸盐岩条带和地质结构类型的分布图

高危险区为第Ⅰ型地质结构分布区主要位于:白沙洲条带(L3)和汉南条带(L6)长江两岸全新统地层覆盖区,粉细砂直接位于碳酸盐岩地层之上。本区约占碳酸盐岩分布面积的3.6%。

 

由于全新统粉细砂的凝聚力很小或等于零,很容易在重力和渗透力作用下进入下伏的岩溶通道中, 从而产生岩溶地面塌陷。武昌区阮家巷(丁公庙)、陆家街中学、司法学校、洪山区毛担港小学、烽火村(乔木湾)、光霞村、白沙洲高架桥所发生的岩溶地面塌陷位于白沙洲条带(L3)南岸,汉阳区汉阳轧钢厂岩溶地面塌陷位于北岸;汉南区陡埠村岩溶地面塌陷位于汉南条带(L6)的长江北岸江边。这10余次岩溶地质灾害都具备Ⅰ型地质结构。

 

中等危险区为第Ⅱ、第Ⅲ型地质结构分布区,其特点是中部为厚度大于3m 的老黏土或红层,其上为全新统粉细砂,下部为碳酸盐岩地层。本区约占碳酸盐岩分布面积的4.5%。

 

在长江及其支流两岸一级阶地展布区,地表水侵蚀后, 在全新统地层下残留有老黏土或红层时,即形成第Ⅱ和第Ⅲ型地质结构。因此,中等危险区主要位于高危险区的后缘地带。分布一般较局限。研究表明,天兴洲条带(L1)、白沙洲条带(L3)、沌口条带(L4)及汉南条带(L6)近江、河地带局部有分布。

 

低危险区为第Ⅳ、第Ⅴ型地质结构分布区,其特点是碳酸盐岩地层上方直接覆盖厚层老黏土或红层,基本不会产生岩溶地质灾害。本区约占碳酸盐岩分布面积的88.8%。

 

分区结果:武汉地区碳酸盐岩分布面积1100余km2,其中高危险区所占比例最小,约为3.6%;其次为中等危险区,为4.5%;低危险区所占比例接近90%。

 

武汉地区低危险区分布范围较广,6个碳酸盐岩条带均以低危险区为主,这对武汉地区的工程建设有利。

 

  • 建筑不均匀沉降问题

武汉局部存在软土、老黏土、填土、放射性岩土等特殊土,对工程建设不利,如软土易引起建筑物不均匀沉降,基坑滑塌、桩基承载力低等一系列岩土工程问题。

▲武汉某小区因沉降导致的路面开裂

上世纪90年代后,武汉的城市扩张和大规模的填湖造地不仅恶化了当地的水资源环境,也产生很多的建筑沉降区域,近年来大规模的城市基建更是加剧了问题区域内的建筑沉降。

▲以上为武汉各个历史时期的城区图

以下为武汉1995年、1999年、2017年的主城区地图:

▲1995年的武汉主城区地图

▲1999年的武汉主城区地图

▲2017年的武汉主城区地图

  • 水土污染问题

 

一座城市的空气污染的严重程度上取决于其所在地域的环境容量的大小,取决于城市地理位置制约下的自然环境背景,如位于向风海岸、山地迎风坡的城市,大气易于交流和扩散,其环境容量必然大于位处内陆、峡谷的城市。

 

地质环境质量的优劣、容量的大小及其变化,直接影响着城市发展。良好的地质环境为城市的发展与繁荣提供了必需的物质基础,而恶劣的地质环境则将制约城市的发展。

 

武汉虽处内陆,但地处江汉平原,周边地势开阔,大气流通较好,其所在的地理位置和环境容量都比较优良。

 

武汉作为全国老工业基地之一,随着城市化进程的加快,大量的工业企业迁出主城区,但外迁之后留下的毒地问题却频频出现。各种污染物质进入土壤,引起土壤的组成、结构和功能发生变化,使土壤质量下降,危害人体健康。比如汉阳赫山地块、汉口古田1135地块、关山长动地块都需要较长的时间和较大的资金进行土壤修复。

▲正在进行土壤修复的1135地块

武汉淡水资源丰富,总水域面积达2217.6平方公里,占全市土地面积的26.1%,居全国大城市之首。武汉人均淡水资源量也高居全国各大城市之首,为北京的71倍、上海的19倍、广州的5倍,丰富的水资源是武汉发展的最大优势。

▲美丽的武汉东湖

但是,由于部分污水渗漏或未经处理直接排放等多方面的原因,不少湖泊以及局部地段的地下水受到了不同程度的污染。

 

03

武汉的地质分析

宜居之城 城建关联 规划导向

武汉的地质优势

 

1)武汉周边地壳相对稳定,地震烈度值较低,为武汉城市圈的发展提供了基本保证。

 

2)沿江岸带为平原岗地,地形平缓,起伏小,宽带大,地基条件好,水资源丰富,通江达海,适合发展城市和工业布局以及和港口建设。

 

3)武汉城区地下空间资源优越,基岩埋藏浅,部分裸露,围岩条件好,利于城市地铁和过江隧道建设。

 

  • 武汉的地质特点

1)、武汉地形地貌包含有剥蚀丘陵区、剥蚀堆积垅岗区和堆积平原区三种类型;

 

2)、市区岩层以碎屑沉积岩为主,碳酸岩岩溶大部分集中在沿长江一带;

 

3) 、第四纪沉积层复杂多变;

 

4) 、地下水种类较多,承压水受长江汉江水位影响,升降幅度大;

 

5) 、武汉目前地表土壤污染严重区域以点状分布,大多来源于生活垃圾和工业生产。

 

武汉地质条件决定了潜在的城市地质问题,主要表现在断裂、岩溶暗河、滑坡、水土污染、软土和放射性土等特殊岩土、洪水这些方面,它们影响到城市规划、建设及管理,也威胁着城市的安全。

 

  • 传统的“风水”和现代的城市规划地质学研究

 

古人讲究天人合一,在修建房屋之前要“相土尝水”,选择“风水”较好的地段。随着西方的科学技术的进入,逐渐形成了城市规划学和地质学。

 

传统上,地质包括工程地质,即查明工程场址的地质条件、提供地下设施设计参数和工程措施等以及研究地下水的分布和形成规律、地下水资源及其合理利用、地下水对地下工程建设不利影响及其防治的水文地质。另外,还包括了地层学、岩石学、第四纪地质学、构造学、地貌学等等学科。

城市规划选址以及地铁隧道大范围的掘进等基础建设,要求建设者对地质条件有全面的掌握和准确的评估,城市扩建和建设选址必须选择地质条件较好地段,避开岩溶暗河强发育等不利地段。

 

  • 地质构造和地铁规划建设的关联

 

汉口地势平坦,地质构造相对简单,更便于地铁等大型基建工程的施工;而武昌区属典型的残丘型河湖冲积平原,辖区内山丘多、湖泊多,地质构造比较复杂,地铁等大型工程施工的技术难度更大,周期更长,成本更高,后期维护更复杂。

 

在实际建设中,地铁集团也遵循了先易后难的原则,先在汉口地区获得施工经验,锻炼团队,获得经验,等各项条件成熟后再落实建设武昌地区的地铁线路,而在地质条件最为复杂的白沙洲区域,采取了地下隧道和地面高架相结合的线路布局。

▲2019年武汉运营中的地铁线路图

  • 地质条件和长江新城选址的关联

 

当年长江新城在选址时,汉阳四新和武昌张家湾、青菱乡两岸联动,谌家矶、天兴洲和武湖组团,汉口龙王庙,青山矶 ,阳逻,汉阳南岸嘴,长江汉阳段作为多个候选区域。

 

将以上区域与武汉地质图进行比对,会发现谌家矶周边区域的地质构造较为简单,没有易塌陷区域和溶洞分布,十分适合大规模的城市建设。这也部分解释了长江新城落户于此的原因。

▲长江新城起步区鸟瞰图

  • 地质勘探和道路施工的关联

 

地质勘探测量和论证对城市的规划和工程建设十分重要。此文正在形成之时,正在光谷大道建设三环南延线工程的朋友告诉笔者,之前在地质勘探时发现,仅仅隔了几十米的距离,靠近南边的桩基最浅17米就能到微风化岩层;而往北三十米左右的地下全部都是极其复杂、桩基深度在60至70米左右的大型溶洞。由此可见,现阶段,城市规划建设对地质条件的重视还需加强。

▲光谷大道南延线工程效果图

  • 政府采取的措施

 

近些年来,武汉市政府已经认识到保护环境和地质规划的重要性,如东湖绿心的规划建设;以及严禁填湖造地,在某些地区已经推动退田还湖,并严格限制污水排放;有计划的把工业项目迁出主城区等等,同时在多个大型基建项目和地铁线路规划中都能看到地质学的导向。

 

04

武汉地理环境概况

平原城市 大江大湖 东北风向

 

武汉是一座地处江汉平原的山水城市,城区被长江、汉水以及众多的大小湖泊分割成不同的区域。武汉市属于亚热带湿润季风气候,雨量充沛,日照充足。其城市规划建设大多遵循沿江沿湖,同时也会综合参考地质、地理环境、风向等。

▲武汉的东湖是中国最大的城中湖之一

风向对城市的规划建设有着巨大的影响,每座城市所处的地理位置及周边环境的差异,使得其主要风向都各不相同。

▲武汉市的风向玫瑰图

从上图可知,武汉冬季主导风向为北风和东北风,夏季主导风向为东南风和南风,全年主导风向为东北风。

 

地理环境及风向对武汉的机场规划建设、重工业布局、居住区都有着巨大的影响。

 

05

对机场建设和选址的影响

跑道方向 主要航道 避开城区

 

了解一个城市的主要风向,从地图上看这个城市的机场跑道方向就大致知道了,因为跑道的朝向对飞机的起降有很大的影响,因为飞机通常选址逆风向起降:

 

1. 起飞阶段最为耗油,逆风起飞可以提高升力,节约燃油;

 

2. 逆风降落也可以增加飞机稳性,缩短滑跑距离,增加安全性;

3. 更重要的原因是起飞和降落阶段,侧风的大小对飞机的安全有很大影响。

▲军运会期间降落在天河机场的法国代表团专机 @高楼迷 brain1003

机场跑道方向和城市的主风向一致,可以最大限度地增加飞机起降的安全性,同时提高飞机的燃油效率,缩短跑道长度。

▲武汉天河机场主跑道方向为“东北、西南”

结合城市主风向、跑道朝向分析就可以规划出飞机的主要进出港的航道,再结合主城区高楼密集区的位置等方面进行分析,结论是天河机场的位置是最适合武汉的。

▲天河机场的净空保护区域范围,其主要航道避开了武汉高楼密集的主城区

结合武汉的主风向、主城区位置进行分析,武汉新机场的位置会在哪里,现在你有答案了吗?

 

06

对大型工业项目选址的影响

交通便利 风向因素 隔离城区

 

武汉的乙烯工程项目的位置在洪山区焦沙路,这个位置地质条件稳定,临近长江,不仅方便运输,也避开了人口密集区。

▲中韩石化武汉80万吨乙烯项目全景 @湖北日报

如果出现紧急情况,其对主城区的影响也是最小的,主导风向的下风向有东湖风景区和花山生态区可以作为环境隔离带。

▲乙烯基地的选址综合考虑了地质、地理、环境、运输、安全等多个方面

武钢当年的选址同样是综合考虑了以上多个方面而得出的最优选择。当年武汉的城区面积还比较小,武钢对主城区的环境影响还未显现。

▲1971年时武钢厂区的烟筒 马克·吕布 摄影

但随着武汉城区面积的扩大,武钢周边渐渐成为人口密集的主城区,武钢对周边环境的影响也越来越大。加上政府政策、企业效益、行业整合等多方面的影响,武钢也就逐渐淡出了武汉人的视野。

▲卫星地图上可以看到云雾缭绕的武钢周边以及南边大片绿色的东湖风景区

综合考虑城市主风向,以及东湖花山风景区形成的保护隔离带,青山无疑是武汉重工业最合适的选址。

▲从左至右分别为:长航青山船厂、武汉石油化工厂、武钢、国电青山热电厂,最远处还可以看到石化八十万吨乙烯工程和阳逻电厂,压顶的乌云加上林立的烟囱最适合表达这种冰冷压抑的工业感觉 @高楼迷

▲东湖不仅是风景优美的旅游胜地,在城市规划建设中也发挥着重要的作用

回顾之前的长江新城的选址,仅从地理环境、风向的角度进行分析,谌家矶、武湖片地处武汉城区东北方向的上风位置,周边也没有大型工业基地带来的影响,这或者是其胜出的原因之一。

▲长江新城的起步区域位置

 

07

对武汉主城区居住性的影响

坐北朝南 阳光充足 冬暖夏凉

 

暂且不谈区位、配套以及学区,仅从风向、环境的角度进行分析。

▲汉口、武昌滨江的地理环境

汉口滨江片东南朝向长江,从居住性看,住宅坐北朝南,阳台朝南面向长江,可以获得较好的景观视野和充足的日晒,南面而来的江风温和舒适,住宅通透性佳;同时背朝内陆,秋冬季节的东北风对居住性的影响也较小。

 

武昌滨江片西北朝向长江,住宅如果坐北朝南,阳台南向内陆,可以获得充足日晒,但却失去了景观视野;如果坐南朝北,阳台北向长江,你可以想象一下秋冬季从大江之上吹来的凛冽寒风……

 

汉口滨江优越的地理环境也是历史上的租界区都集中于此的部分原因,仅从风向、地理环境的角度来分析,汉口滨江的居住性更佳

▲民国初年的汉口滨江区 

▲晚晴时期的武汉地图,可见汉口滨江的五国租界区,当时长江对岸的武昌滨江还是一片蛮荒之地 

▲建国之后,武昌滨江区逐渐发展成为重工业基地

 

08

对城市污染项目的改造

工业迁出 任重道远 改造蜕变

 

近些年,武汉主城区内的工业企业已经逐步迁出,其对主要居住区的影响已经较小。同时,政府也采取了诸多措施大力改善武汉的生态环境,对多个城市污染项目采取了“变废为宝”的改造工程。继江北的园博园之后,江南的北洋桥中央生态公园项目也正在进行垃圾填埋场生态修复工程,预期将于2021年6月完工。届时,这个位于杨春湖商务区核心区的生态公园,将以全新的面貌给周边的居民带来绿色和活力。

▲鸟瞰美丽的武汉园博园

▲北洋桥公园效果图

 

09

结语

和谐发展 科学运用 合理建设

 

城市是人口密集、商贸发达、工业集中的地方,也是人类与自然环境产生激烈冲突的场所,随着城市人口的不断增大,城市的用地日益紧张。

 

在城市地表建设方面,有些城市或是在地质脆弱地区大兴土木,大量建造高楼;或是占用农业用地有做土地开放,由此导致的大气污染、水土流失、边坡失稳、软土地基问题时有发生。

 

在城市地下工程方面,地铁等地下空间给城市居民带来了便捷的交通和方便的生活,但同时也给城市地质、地理环境带来了地面变形、地下水流畅改变、地质生态坏境恶化等不容忽视的影响。

在城市的规划建设中,科学地运用地质学、地理学等相关系统学科,可以更加合理地推动城市建设,同时可以避免或减少城市建设所带来的环境污染和地质灾害。如此我们的城市环境质量才能提高,城市经济发展才能健康、稳定。

▲六湖连通工程造就了武昌的新中心,也还给武汉一片蓝天绿水

衷心希望有更多的人在热爱武汉的同时,更加了解武汉,了解武汉的地质构造,也了解武汉地理环境,进而理解武汉的城市规划建设。

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