地球科学应对可持续城市发展

今天法国有95%的人口生活在城市地区，他们要么居住在城市（80%），要么生活在受城市直接影响的地区。正是在城市层面上，供水、能源和建材、废物收集和处理、土壤污染及棕地管理等问题急需应对和解决。所有这些挑战的解决又都必须在适应气候变化和能源转型的前提下进行。这些挑战对法国地方、地区、城市和跨城市的管理机构来说非常关键。NOTRe法案为这些机构在城市规划、交通、土地管理和能源方面赋予了新的责任，目标是通过规划工具实现城市及其周围地区的和谐发展，从而为生活在这些地区的人们提供安全健康的生活环境。得益于地球科学的发展，许多重要工具正在开发过程中，以帮助实现可持续城市发展的共同目标。

法国的地质调查机构，即法国地质与矿产研究局（BRGM）具有传递科学技术以及为决策者提供建议的双重职责，同时也负责在城市采矿（废物管理和利用）、建材和清洁能源供应、可持续能源（地源热泵、供热网、发电）、水资源（新污染物、监测）、土壤（棕地管理、污染场所及土壤的识别和重建）以及风险管理（海岸带风险、地震风险）等领域提供方法工具和创新应用。由于BRGM对这些问题进行全局性观测，所以能够针对全球面临的挑战为国内、国际和地区层面上的规划管理机构提供适用于当地的解决方案。

一、广泛合作，应对新挑战 

1.针对新兴问题和城市采矿的合作

BRGM和法国威立雅环境集团（Veolia）之间的合作历史悠久，这两个机构之间第一份正式的科学与工业合作协议签订于2007年。BRGM具有长期矿业部门经验，对原材料和回收利用的专业知识丰富，使得该机构和Veolia的合作水到渠成，其目标是将BRGM的实力用于工业项目，以通过示范项目研发新的资源管理解决方案和回收利用工艺。

2015年双方签订新协议确立了五大研发重点：第一个重点领域涉及污染场所和土壤。双方合作的目的在于对受金属污染的场所（包括空气、土壤和水三个组成部分）制定整体吸收工艺。该项目已经确立了技术解决方案并力争测试其可能性、不同组合方案、效率和局限性，以便开发出可适用于工业上的解决方案。第二条研发线路聚焦于两个“城市采矿”项目，一个项目针对冶金固体残渣，另一个项目针对城市拆迁废料。在这两个项目中，其目标均为开发出能够分离可重复利用材料的工艺。第三条研发线路以循环经济为中心，关注金属废物的重复利用（特别是稀土，可以从家居废物焚烧灰渣中提取）。第四个重点课题是水资源，在这方面已开展过多个联合研究项目，特别是在地下水重新注入过程中的废物处理工艺。这些在实验室及试点场所进行的研究现在将大规模应用于实际案例。这一基于系统的方法打开了资源管理的广大前景，对受水资源匮乏困扰以及遭受全球变化影响的国家而言尤其具有吸引力。第五条研发线路也专门为水资源设定，旨在对喀斯特网等复杂水文地质系统进行更进一步的了解。

BRGM所开展的联合研究是以方法、竞争优势和技术的共享为基础来解决共同需求。BRGM和Veolia就合作意愿正式成文签订协议，但是不构成约束性框架限制。Veolia已经根据市场上面临的技术挑战和相应的战略确立了研究主题，BRGM将就这些主题通过现有研究计划或根据需求调整研究来做出适当回应，包括提供服务到全面合作。这种类型的合作能够适应不同的项目，也能让国际财团和其他伙伴加入，具有高度的灵活性和与需求高度相关的定制化特点。针对一些特定的研究课题，还可以再签署二级协议。

2. 深化污染现场和土壤的认识

大型都市区的可持续性管理会产生很多复杂的规划问题。被污染或有可能被污染的场所是潜在的重要土地储备，会引起跨经济、环境和健康领域的严峻问题。总体长期规划不仅需要预测，还需要收集、整合从最初的现场历史数据，因为这对于指导场所未来用途相关的决策来说至关重要。

大里昂地区主管机构和BRGM共同制定了第一份历史城市场所清单。上世纪90年代，罗纳-阿尔卑斯大区是第一批启用BRGM制定的前工业场所数据库（Basias）的区域之一，该数据库识别了罗纳约600个场所。然而，第一份Basias清单不足以涵盖所有场所，1：25000的比例也不够精确。大里昂地区主管机构需要的是与城市规划最相关的地籍测量规模方面的信息。因此，BRGM受邀重新实施了这一被称为“历史城市场所清单”的任务，仅在大里昂地区就认定并记录了10000个场所，构成了一个高效工具，对目前规划许可中涉及的各个过程都至关重要。基于同样的关切，APPEL协会（BRGM为成员之一）开发了全法国自然场所和土木工程地球化学背景数据库（Geomely）。

BGRM支持开发了一种对挖方进行评估和重复利用的工具——Valtex。大里昂主管机构负责很多基础设施建设项目，包括学校、道路、废水处理厂等，这就会产生大量的挖方。BRGM和大里昂主管机构及多个行业都参与了Valtex项目，努力为城市开发项目产生的挖方的重复利用提供优化条件。目前正在合作发表一篇论文，研究整个都市区被污染场所重建项目的经济优化。其中提出了两大区域，其中一个已经高度城市化，目标为对棕地重建效益进行现金评估，其中包括修复的间接效益（增加的经济活动、生态系统服务、网络延伸成本预测等）。BRGM还在该都市区的地质科技、地热能源和循环经济等其他热点问题上开展了研究，为大里昂主管机构和其他合作伙伴提供服务。BRGM拓展了其专业技术，纳入了城市规划的多个方面，已经成为项目管理等许多综合方面的合作伙伴。

二、研发决策支持工具，支撑政府的地区管理 

BRGM利用其研发的方法工具帮助地方政府机构管理土地利用，修复潜在的污染棕地。BRGM研究人员Mathilde Scamps指出，城市区域管理者面临着矛盾的局面，他们不得不面对住房和基础设施需求，这往往需要新的建筑用地，同时又需要保留农地和自然区域。他们通常的解决方案是在空地上重建，但是又存在退化的可能。

城市用地重建要求在满足所有社会经济、环境、健康和资本限制条件的情况下，根据一种综合方法进行长期规划。如Mathilde Scamps所指出的：BRGM开发了针对这些需求的具体工具，我们和地方政府机构一起开展具体的研发项目，同时我们也为项目开发方法框架提供科学技术支持。BRGM制定历史城市场所清单（IHU）在地籍测量规模上探测潜在的被污染场地和土壤。如果结合一项城市地球化学背景研究（FGU），则可以构成一个空间诊断的必要工具，成果可用以补充《住房出租买卖管理与城建翻修规划法》（ALUR）法案条款。多标准分析工具还可以用来对比重建的各种假设。Mathilde Scamps解释说：“法国环境与能源管理署（ADEME）的RefrinDD项目即是用来测试潜在被污染棕地重建的预设情景，从而根据环境、技术和其他限制因素以及风险问题和相关参与者优先考虑的问题来选择最合适的战略。”

 

在许多情况下，BRGM的工作都被直接带入重建项目的实际操作中，用于促进挖方再利用的TERRASS数据库平台就是如此。

BRGM在该领域的综合技术还被应用于其他层面上。其中一个项目就是欧洲HOMBRE项目，通过相关指标来预测棕地的出现。目前BRGM正在代表生态部修改国家对被污染场所的去污染和重建方法。BRGM还和ASURET项目合作加强矿藏、物质流和废物的表征研究。最后，我们还在研究被污染场所和土壤的潜在储水和储能用途（对土地的压力更小），作为重建前的一项过渡解决方案。

三、开展建筑垃圾回收利用，服务循环经济 

法国每年产生的建筑垃圾约为4800万吨，尽管如此，每年还要从自然环境中提取约人均七吨的用于建筑和土木工程的骨料！虽然建筑垃圾回收尚未成为主流，但是作为减轻自然材料压力和节约能源的解决方案，它具有广阔前景。在EcotechCofrage项目中，BRGM试行了选择性释放混凝土成分（水化水泥浆、沙和骨料）的工艺。对两种技术进行了优化，一项技术涉及微波加热，另一项涉及在选择性破碎前应用电脉冲。这两项技术都表现出良好的回收效果，将骨料回收用于新混凝土，并回收水泥浆用于熟料生产。在EU Hiser项目中，BRGM目前参与这些技术的工业示范。BRGM同瑞士设备生产公司Selfrag合作，改造电分裂技术来释放混凝土、砖块和灰泥等混合材料。

除此之外，ANDRA（法国国家放射性废物管理机构）的极低放射性废物存放场所正在面临饱和，在对核电厂拆除项目的招标中选择了Cyber项目。该项目是BRGM的一项行动，旨在研发出一种分离所用混凝土成分材料的工艺。许多研究已经表明，放射性物质在水泥浆中集中。在法国，这将为优化材料地上存放以及沙和骨料去污染开辟道路，在对核工业材料释放有门槛（门槛指当污染水平低于一定标准时，这些材料便没有使用限制）的国家而言，将使可回收混凝土废料的数量得以显著增长。

四、开展技术研究，确保法国水质安全 

 

 

BRGM致力于研究跟踪“新兴”污染物的先进技术。所谓的“新兴”污染物，即性质和危害各异的微污染物，对水资源管理而言是一项新挑战。数年来，BRGM一直在研发创新性工艺来识别和表征这些“新兴”污染物。这些“新兴”污染物经工业、废水厂以及农业喷雾以分子污染物的形式排放到环境中。有些污染物（包括其降解产物）已经被识别并加以管治，但是许多其他污染物尚待识别。这些复合物使得水质恶化，对人体和环境健康造成危害。

《欧盟水框架指令》是该领域研究的基础。自2008年以来，在国家药品残留物行动计划下，BRGM和Loire-Brittany水务机构对地表水和地下水中的30多种残留药物进行采样。目前BRGM已经为国家取样行动提供了411种“新”污染物。即使在这一关注出现以前，BRGM早已开始了对水中农药残留物和降解产物的调查。

 

 

BGRM研发了一种具有高度创新性的采样系统——LC-TOF（液相色谱法/飞行时间/质谱分析），配合高分辨率质谱仪的液相色谱分析，用于探测未知化合物。在处理新形式的污染中，改善有机化合物的探测和表征是重点。为此，BRGM最近获取了一台高分辨率质谱仪，根据离子加速及其速度分析进行操作。LC-TOF有两大优势：能够探测（即使只有少量）已知化合物，也能探测未知分子，从而对其进行关注并进行表征。

BRGM目前通过方法研发和高分辨率质谱仪的分析能力或被动式采样器的使用和开发，正在对这些新兴污染物进行大量研究，特别是这些方法和仪器构成了法国Aquaref网的一部分。许多其他项目也在利用BRGM的专业知识和LC-TOF的可行性，如欧洲诺曼网（European Norman network）等，Aquaref网正借助其开发新兴污染物优先处理排序的方法工具。还有其他方法专门用来追踪纳米粒子（如欧洲NanoHeter和NanoRem项目）或极性污染物（溶解于水的有机分子），通过生物指标（如InterEau和MIP WOT项目）。所有获得的知识都在为可持续水资源管理的法规、补救措施以及政策的制定提供关键信息。

五、建立创新实验平台，为社会提供服务 

BRGM的主要目标之一是与环境、循环经济和能源转型部门的经济参与者发展伙伴关系并为他们提供服务。这是BRGM和政府签订的绩效合同中正式设定的战略目标，已经推动创建了三个新的实验平台：PRIME、Plat’Inn和Mimaroc。

BRGM实验室主管Hervé Gaboriau指出：不同规模的实验始终是BRGM的核心活动之一。早在1975年，我们就建立了占地2000m2的实验设施——一个最初专用于矿物学和该领域各种创新工艺技术研发的小型工厂。这些活动领域随BRGM的使命变化而发生演变，为新实验平台铺平了道路。

1. BGRM将在实验室研究和工业试点之间架起桥梁

Hervé Gaboriau说：“目前，BRGM正试图与经济参与者发展一种新的关系，通过提供弥补实验室研究和实际工业活动之间缺失环节的设施”。通过加强其实验设施，BRGM还在加强支撑中小企业及其价值链的能力，而且能采用重要客户没有的设备让他们执行或委托研究、开发和创新项目（RDI）。

Hervé Gaboriau指出，BRGM坚决定位于用高度创新潜力解决重要问题，我们的实验平台则恰恰反映了这些抱负，例如：Plat’Inn以循环经济的生态技术为中心，专用于处理和回收利用矿物资源及废物，将其作为新的原材料来源，而且会提供从几十千克到5吨的处理能力；PRIME以环境工程和度量为重点，研发并验证新的度量系统、环境管理和修复解决方案（土壤、底土、含水层和泥沙）并研发生态技术和相关服务。该平台将构成Pivots项目的核心，联合一系列环境技术创新和优化平台，得到中央大区（ARD2020-抱负目标、研发2020和CPER-州-区规划合同）的支持；Mimaroc平台正在为支撑能源转型和气候变化的缓解而调查底土的使用，该平台以二氧化碳贮存、储能和地热资源为重点（支持目前的地热平台，该平台正在测试热交换器性能，并且正在开发创新工具）。特别是Mimaroc将要处理Géodénergies科学兴趣组开展的项目，BGRM也是该兴趣组的积极成员。

2. 2018～2019年目标

建立这些平台将对现有设施进行重新部署（Plat’Inn/1000m2和PRIME/1000m2试点设施的扩展和重建），而且将为Mimaroc创建一个新的占地250m2的实验室。每个平台都将配备多层面的新实验设施，土木工程和设施所需总预算约为1100万欧元。Plat’Inn和PRIME的安装将于2018年完成，Mimaroc将于2019年竣工。

设立这些项目要求各级地方政府机构提供密切合作和充足拨款，而且需要公共和私营合作伙伴的密切配合——如法国国家科学研究院（CNRS）、法国农业科学研究院（INRA）、奥尔良大学、Antea集团和“梦想竞争力集群”。这一以合作为基础的联合举措体现了第二个目标，即：支持该地区的发展和外延。

六、开展国际合作，积累全球经验 

全球新兴经济体的特大城市如何在全球气候变化的情况下处理供水问题？由BRGM牵头于2012～2015年开展的Coqueiral项目已经提出了几个初步解决方案。Coqueiral是由BRGM进行的法国-巴西ANR联合试点项目，有九所大学和公共研究机构以及一个中小型企业参与。其目标是在巴西累西腓地区（370万公顷）评估全球气候变化对沿海地下水的影响，并了解造成地区退化的结构和社会现象。

项目采用的方法结合了“硬”科学（地质学和水文地质学、地球化学和建模）和人文社会科学（社会学、人类学）。累西腓及其城市区域很好地反映了新兴经济体必须面临的问题，其城市人口的急剧增长、财富分配的不公平以及管治不力，都会造成巨大的水资源压力。

累西腓的供水依靠水库，但是配水管网中存在多个漏点，反复不断的干旱造成限时供水。约15000口水井可以作为替代提供水资源，但是主要地下水位在过去20年已经下降70米，而且这些水有时候含盐。Coqueiral项目对含水层的功能进行了调查，发现较深含水层的自然补给率很低，并且受到近期海浸剩余盐度影响，还发现过度采水已经让自然流量发生反转，造成被污染的近地表含水层正在泄漏。

作为3D数字模型的一部分，这一概念模型正在为伯南布哥政府制定地下水保护战略提供决定性信息。然而，实施恰当的技术解决方案尤其需要克服因责任分散以及否认问题而产生的各种障碍。

BRGM还在拉巴斯（地面移动和地震风险）、太子港和圣多明哥（地震微分区）以及阿尔及尔、拉巴特和突尼斯（沿海洪灾）等其他特大城市进行风险问题研究。

秦豹译自géorama，2017

（来源：中国地质调查局发展研究中心《地质调查动态》2017年第20期）