整合地质测绘与建模，为挪威沃斯的地下水和集料资源合理利用提供依据

《Engineering Geology》：Integrating geological mapping and modelling for informed resource utilization of groundwater and aggregates in Voss, Norway

　　克里斯蒂安·雷克韦·布林|埃米莉·阿恩岑·巴肯|斯泰纳尔·洛韦·埃勒夫莫|奥德蒙德·索尔达尔|比约恩·弗伦格斯塔德挪威科技大学工程学院地球科学系，挪威特隆赫姆市7491号摘要所有发展都需要资源，但在规划过程中，对当地资源的勘查与评估却往往被忽视。充分利用当地的能源、水资源和建筑用料，能够显著提升发展项目的可持续性。在资源供应方面实现更高程度的自给自足，不仅能增强应对外部干扰的能力，还能带来经济利益。本研究通过结合地质资源勘查与地质灾害评估，提出了一种可持续区域规划的整合方法。我们通过对地质资源及灾害的初步评估，将地质条件纳入规划之中，从而实现有效的资源管理、可持续利用以及更高的本地资源自给率。借助高密度地球物理数据、钻孔数据以及第四纪地质解读，我们构建了三维地质模型，用于评估地下水、浅层地热能和建筑用料的资源潜力，同时确保开发过程不会引发地质灾害。以挪威西部的沃斯地区为例，研究结果显示该地区具有较大的地下水开采潜力，抽水速率至少可达100升/秒，每年可产生大量热能，有望为未来的发展提供供暖和制冷支持。此外，我们还发现了高品质的沙子和砾石矿床，这些材料对当地建筑至关重要，且地质灾害风险较低，进一步证明了该地区的开发适宜性。除了这一案例研究之外，我们的方法还为将地球科学融入城市规划、分区法规和基础设施设计提供了可扩展的框架。通过将资源勘查纳入市政规划，决策者可以减少对进口材料的依赖，降低环境影响，并提升能源韧性。尽管对地质资源进行评估的需求日益增加，但在许多监管体系中，此类评估仍属于可选项目。我们的研究强调了在规划法规中纳入此类评估的必要性，以此优化土地使用规划，促进资源的长期可持续利用。引言目前，城市地区约占全球能源消耗量的70–80%（Marvuglia等人，2020；Prendeville等人，2018），以及全球自然资源使用量的大约75%（Balletto等人，2022；Baynes和Musango，2018；Giezen和Roemers，2015；Prendeville等人，2018）。此外，城市中心还是温室气体排放的主要来源，而且这一趋势仍在加剧（Creutzig等人，2015；Giezen和Roemers，2015；Gurney等人，2022；Kammen和Sunter，2016）。随着全球人口预计在未来几年大幅增长，到2050年，城市地区的人口占比将上升至目前的55%左右，达到70%左右（Kookana等人，2020；Marvuglia等人，2020；Bricker等人，2024）。这种人口结构变化将加剧对土地和资源的需求，给已开发地区和未开发地区带来巨大压力（Seto等人，2012）。因此，城市发展越来越依赖于建筑材料（包括建筑用料）、水以及能源等关键资源（Baynes和Musango，2018；Schiller和Roscher，2023；Schuetze等人，2013；Yeh和Huang，2012）。考虑到这些变化以及由此产生的资源需求，新的开发项目或扩建工程应尽早制定资源利用策略，优先考虑本地资源和可再生能源，同时兼顾环境保护和地质灾害防范，因为这些因素对可持续发展项目具有重要意义。在规划策略中，地质资源及地下地质特征往往未被充分研究和考虑，通常仅在“有需求时”才被纳入考量（Doyle，2020）。多项研究表明，详细的地质风险地图可以通过识别易发生地面不稳定及其他灾害的区域，有效指导城市土地使用决策并提升公共安全水平（Herrera等人，2018；Klein等人，2013；Mateos等人，2020）。早期整合地质与岩土工程数据被认为对于优化城市规划策略、确保基础设施的稳固性与抗灾能力至关重要（Grant等人，1978）。将钻探数据、地球物理数据与三维地质建模相结合的方法，能够更清晰地了解地下状况（Lindqvist等人，2025），从而有助于灾害防范（Andersen等人，2020）以及资源管理的优化。与此同时，关于多功能地下空间的研究表明，地下环境不仅是建筑的基础，还是地下水、建筑用料和地热能等重要资源的来源（Volchko等人，2020）。值得注意的是，达喀尔的“深层城市”项目便是一种整合方法的典范，该项目通过评估地下资源潜力，包括可建设空间、建筑用料以及地热和地下水资源，为可持续的城市密集化发展提供了全面视角（Doyle，2020）。尽管在许多欧洲国家，灾害测绘已被纳入法规要求，但资源测绘往往仍是可选项目或被忽视。例如在挪威，开发计划虽需标明地面不稳定或速凝土风险等地质灾害区域（挪威建筑质量局，2023b），但除非需要对已知资源进行风险评估，否则无需识别具有丰富地下水或建筑用料潜力的区域。这种监管漏洞导致了诸多机会的流失，尤其是由于地面稳定性调查所得数据本可进一步用于评估资源可用性。通过一些简单的改进，比如加深钻孔、增设地下水监测井以及补充地球物理测量，就能够获取有关含水层特性以及建筑用料质量和数量的关键信息，从而将资源识别与灾害评估结合起来。在更广泛的规划层面，综合地球科学方法也展现出显著优势。例如，对城市能源与水资源关系的评估（如Nawab等人，2019）以及城市能源生成相关研究（如Groth等人，2016）都强调了将地下数据与城市规划相结合进行资源测绘的重要性，这有助于提升资源利用效率并增强气候适应能力。此外，欧洲的一些倡议也强调了数字技术在有效整合和传递地下信息方面的变革潜力，从而缩小地球科学与城市政策之间的差距（如Bricker等人，2024）。总体而言，将灾害测绘与资源测绘相结合，并辅以综合的能源和水资源策略，为更加务实且可持续的城市发展提供了路径。本研究强调了将地质条件与资源纳入区域规划的重要性。我们提出了一种整体性方法，将灾害测绘与资源测绘作为住宅、商业设施及工业项目开发的基石，并以挪威沃斯地区的B?moen Plus村项目为例进行了说明。该项目是打造自给自足村庄的系列举措之一，旨在利用当地的地质资源，如地下水、浅层地热能以及高品质建筑用料。浅层地热能结合热泵技术，能够提供清洁、环保且成本效益高的供暖与制冷方案，非常适合用于新建设项目（Kammen和Sunter，2016）。在挪威，浅层地热能有望通过基岩中的闭环系统满足该国的供暖与制冷需求（Ramstad，2011）。在适合的含水层中，开放式地下水系统的效率尤为突出，因此在各类浅层地热方案中具有特殊价值。由于过去电力成本较低、投资成本相对较高、建筑物的能源基础设施不完善，以及公众对此类技术的认知和技能不足，浅层地热能在挪威尚未得到充分开发利用，其中开放式系统更是最少被使用的类型。鉴于挪威正在从化石燃料向可再生能源转型，到2030年可能面临电力短缺的问题，扩大这类能源解决方案的应用尤为重要（Andresen等人，2023；Birkelund等人，2021；Kirchner等人，2022；Statnett，2022）。从社会角度而言，开放式地下水系统的一个重要优势在于，它能够降低电力消耗，在最寒冷的天气里减轻电网负担，而电力正是挪威供暖与制冷的主要能源。除了能源方面，地下水还具有多种用途，可作为饮用水、灌溉用水以及工业流程用水，且对环境的影响较小。这类设施位于地下，不会产生排放物或噪音，所需土地面积也较小，这些优势使其优于水力、风能和太阳能。同样，挪威许多山谷和三角洲地带存在的河流沉积物和冰川河流沉积物，也能提供高品质的建筑用料和稳定的地基，是城市建设中的重要资源。对这些资源进行有效管理，对于优化其利用、减少冲突可能性以及降低环境影响至关重要。本研究采用了Leapfrog Geo软件来构建三维地质模型，以便可视化和分析地下地质结构。输入数据来自第四纪地质图、地球物理勘探结果以及钻孔资料。三维模型的构建遵循了矿业领域常用的JORC报告规范（2012），该规范通过要求透明度、重要性和专业性，确保资源量和储量估算的质量。这些规范保证了相关信息的呈现既充分又清晰明了。三维地质模型结合地质资源图和水文地质数据，可作为区域规划的决策工具。本研究的一个关键特点是，资源测绘以及所划分出的资源潜力区域被直接纳入开发计划中，从而影响开发的类型、地点和方法，同时确保资源的可持续利用。在本项目中，我们基于这样的假设展开研究：B?moen和Bj?rkemoen地区拥有丰富的资源，且地质灾害风险较低，非常适合城市开发，因此有必要在规划阶段尽早将这些因素考虑进来。本文介绍的研究只是打造自给自足型定居点——即所谓“升级村”的初步尝试，这类定居点将依托此处发现的本地地质资源，并结合太阳能板和水力发电等可再生能源。虽然关于开发、利用和资源管理的详细策略，包括资源储量分类（JORC，2012），已超出本文范围，但我们的目标是提供初步的本地资源估算结果，识别相关的地质灾害，并为将这些研究结果纳入区域规划制定路线图。我们强调了当前规划过程中对地质评估的忽视现象，同时也指出了在早期阶段纳入此类评估所带来的好处。未来，该项目还将开展水文地质建模和跨学科分析，以量化环境与经济效益，评估各种风险与限制，并生成更为详细的资源利用地图。这些地图将为实际管理决策提供支持，包括确定可行的建筑用料开采区、地下水保护区域、污染风险评估范围、多用途地下水利用方案、取水潜力模拟结果、水量平衡评估等内容。因此，本研究为规划人员、开发商和决策者打造决策支持工具奠定了基础。研究区域与背景两个相邻的研究区域B?moen和Bj?rkemoen位于挪威西南部的沃斯地区。这两个区域总面积约为3平方公里，中间被Raundalselvi河隔开（见图1）。B?moen区域面积约2平方公里，由于历史上的用途以及从1899年到2012年作为国有土地用于军事目的，几乎未被开发（Bakke和Berglund，2023）。为了解决B?moen地区存在的土壤污染问题，人们已经付出了大量努力。研究方法我们的方法包括收集和解读数据，以此构建地质模型，该模型是生成资源估算结果和资源地图的基础。这些地图旨在为开发者和规划者在区域开发、资源利用和管理方面提供指导。我们主要研究的资源包括来自未饱和沙子和砾石的建筑用料，以及沙砾含水层中的地下水。图2展示了该地区的地层结构概念模型以及相应的资源分布情况。地质模型该三维地质模型由七个单元组成（包括基岩），具体见表4-1。对地质资源分布（建筑用料和地下水）而言，最重要的单元是沙质沉积层、三角洲沉积层以及终碛层。各个地质单元的体积数据均来自该模型，是评估地质资源的基础，各单元的体积数据见表1。讨论我们的假设得到了验证：B?moen和Bj?rkemoen的大部分地区拥有丰富的资源、稳定的建筑用地，且地质灾害风险较低。为了简化结果，我们绘制了资源潜力地图，标出了建筑用料和地下水潜力较低、中等和较高的区域（见图10和图12）。与显示详细信息的地质资源图相比，这些地图更便于规划者和开发者使用。结论本研究证明了地质测绘与建模在了解地下结构以及编制资源地图以支撑科学规划方面的价值。这些地图在早期规划阶段尤为有用，有助于确定各类土地使用的最佳区域，同时为B?moen和Bj?rkemoen地区的资源与灾害评估提供重要支持。今后建议开展更多的地球物理研究、钻探以及水文地质评估。

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CRediT作者贡献说明：
Christian Rekve Bryn：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，软件应用，资源协调，项目管理，方法论，调查研究，资金筹集，正式分析，数据整理，概念构建。
Emilie Arntzen Bakken：写作——审阅与编辑，可视化，验证，方法论，调查研究，正式分析，数据整理，概念构建。
Steinar L?ve Ellefmo：写作——审阅与编辑，软件应用，方法论，正式分析，数据整理。

资金支持：
本研究得到了挪威研究委员会、COWIfonden、B?moen AS（B?moen地区的土地所有者）、Voss Herad（当地政府）以及Voss Energi AS（当地能源公司）的支持。

利益冲突声明：
作者们确认自己不存在可能影响本文研究工作及结论的任何财务利益或个人关系。

致谢：
我们需要说明的是，许多参考文献为挪威语，可能并非所有审稿人都能轻松获取。不过这些参考文献主要涉及研究区域的特殊特征，能为研究提供重要的背景信息。此外，我们还纳入了与挪威相关的法规文件，因为它们对于理解本研究所适用的法律与规划框架至关重要。