德州市中心城區(qū)地下空間資源潛力研究

顏翠翠，康鳳新，譚志容，楊詢昌，馮克印，桑 可，王世浩，孫曉曉

(1.山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省魯北地質(zhì)工程勘查院)，山東 德州 253072；2.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266100；3.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 濟(jì)南 250013；4.山東省國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)中心，濟(jì)南 250014)

1 引言

在二十一世紀(jì)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人口的快速增長(zhǎng)，城市建筑群逐年增加，市區(qū)范圍不斷向外擴(kuò)展(Mao-sheng Zhang，2020；李曉昭 等，2019；黃強(qiáng)兵 等，2019；蔣旭 等，2018；Zhi-Long Chen，2018)。城市生存環(huán)境日益惡化，同時(shí)地上可利用空間越來越匱乏，綜合各方面的因素，地下空間的開發(fā)利用成為城市拓展的一個(gè)發(fā)展方向。地下空間是指在地球表面以下的土層或巖層中天然形成或經(jīng)人工開發(fā)而成的空間，是人類寶貴的自然資源之一(Li Xiaozhao，2016)。開發(fā)利用地下空間可以擴(kuò)展新的使用空間，滿足多功能要求，緩解地面上住宅、交通、生產(chǎn)及生活設(shè)施的用地緊張能夠節(jié)約能源，提供安靜和無大氣污染的環(huán)境可以與地面防災(zāi)功能配合，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)功能互補(bǔ)(任念 等，2020；Zhou Dankun，2019；孫利萍 等，2018；Zhu Hehua，2016；柳昆 等，2011)。在建筑發(fā)展史上，19世紀(jì)是橋的世紀(jì)，20世紀(jì)是地上空間的世紀(jì)，21世紀(jì)將是地下空間的世紀(jì)。但是，受地質(zhì)環(huán)境的控制，地下空間資源開發(fā)利用潛力，首先要清楚地掌握研究區(qū)域地下空間資源開發(fā)利用潛力過程中所涉及到的影響因素及所存在的問題，對(duì)未開發(fā)區(qū)域進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)并制定開發(fā)利用規(guī)劃，保障城市地下水空間資源潛力合理有序開發(fā)利用，保障城市健康發(fā)展。

文章在系統(tǒng)地分析德州市水文及水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及人類工程活動(dòng)等因素的基礎(chǔ)上，建立德州市城市地下空間資源開發(fā)利用評(píng)價(jià)模型，開展了德州市城市地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)(江思義 等，2019；周琦 等，2019；彭俊婷，2015；李愷，2009；郭建民 等，2005)，估算了地下空間開發(fā)利用資源潛力。為德州市城市地下空間開發(fā)利用提供地學(xué)依據(jù)，對(duì)指導(dǎo)德州市城市地下空間開發(fā)利用規(guī)劃具有重要意義。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)環(huán)境條件

圖1 研究區(qū)范圍交通位置圖Fig.1 Traffic location map of the study area

2.2 評(píng)價(jià)方法

由于涉及地下空間資源開發(fā)利用的影響因素較多，各個(gè)評(píng)價(jià)因素具有不同屬性、不同定性或定量標(biāo)準(zhǔn)、不同度量標(biāo)準(zhǔn)，而且評(píng)價(jià)因素之間具有多層次性及多復(fù)雜性等特點(diǎn)，采用精確的確定性模型來求評(píng)價(jià)因素的權(quán)重是不現(xiàn)實(shí)的。因此，可以對(duì)各評(píng)價(jià)因素進(jìn)行規(guī)范化和統(tǒng)一化，并對(duì)整體問題進(jìn)行層次分解和重新構(gòu)造，建立多目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和模型來解決這一問題(彭建 等，2010)。因此，本文運(yùn)用層次分析法對(duì)德州市中心城區(qū)開發(fā)潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立評(píng)估指標(biāo)體系，構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。利用AHP法確定各因子的權(quán)重，利用GIS的空間計(jì)算功能進(jìn)行運(yùn)算和分級(jí)，最終得到德州市中心城區(qū)地下空間開發(fā)潛力評(píng)價(jià)。

3 評(píng)價(jià)模型

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

城市地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)是一個(gè)多層次、多因素的復(fù)雜系統(tǒng)，影響和控制地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣的因素很多，在選取中，結(jié)合德州市城市本身的特點(diǎn)，按分級(jí)、分序、抓主、淡次的原則，采用窮舉-剔除法(鄭桂森 等，2017；Sebastian B，2016；Nikolai B，2010；康欽容 等，2010；Sterling R.L.，2006；錢七虎，1998)，我們構(gòu)建的德州市城市地下空間資源多層次評(píng)價(jià)體系(表1)。

表1 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響因素分級(jí)Table 1 The influencing factors classification of the geological environment quality

該體系中，以城市地下空間資源開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)為目標(biāo)層，選取城市地下空間資源評(píng)價(jià)的主要影響因素為第一級(jí)(主題層)，將各因素中的若干影響因子作為第二級(jí)(指標(biāo)層)，基于層次分析法(AHP)構(gòu)建了城市地下空間資源開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)的層次結(jié)構(gòu)模型，并研究確定了各層次影響因素的重要性，形成因素論域U。

3.2 指標(biāo)的量化

在進(jìn)行城市地下空間開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)時(shí)，需要對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化，而對(duì)于不同地形、地質(zhì)、水文條件的城市，即使相同指標(biāo)，有時(shí)差別還很大。由于定性指標(biāo)量化沒有統(tǒng)一、公認(rèn)的計(jì)算公式，一般是以同一因素在不同方案中的作用進(jìn)行相對(duì)比較來確定的。這就要摻入人的主觀意識(shí)，因此可以說定性指標(biāo)量化工作任意性較大，不同決策者和不同領(lǐng)域?qū)＜?，甚至相同領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)同一指標(biāo)所賦的值都不一定相同。

為解決定性指標(biāo)定量化過程中出現(xiàn)的差異問題，最重要的是重視領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)和意見，同時(shí)還應(yīng)中和考慮不同專家、決策人和統(tǒng)稱使用者的意見。目前定性指標(biāo)定量化的方法主要有專家評(píng)判法、特爾斐(Delphi)方法、二元對(duì)比法、層次分析法、改進(jìn)層次分析法等多種方法，這些方法的一個(gè)共同特點(diǎn)就是在確定標(biāo)度時(shí)，都必須依靠領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)(劉運(yùn)來 等，2017；吳立新 等，2007；徐軍祥 等，2012)?，F(xiàn)以德州市為例，對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)量化情況如表2所示。

表2 地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)量化Table 2 Quantification of geological evaluation index

3.3 各指標(biāo)權(quán)重參數(shù)的確定

針對(duì)研究區(qū)具體地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，通過調(diào)查咨詢，選取水文及水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及人類工程活動(dòng)5個(gè)方面作為一級(jí)評(píng)價(jià)因子，在此基礎(chǔ)上，選取地下水位最小埋深、地下水富水性、地下水腐蝕性、地形地貌、斷裂構(gòu)造、巖土層綜合分區(qū)、軟土、粉土、砂土液化程度、地面累計(jì)沉降量、沉降速率、地下礦產(chǎn)資源、地下水資源、地表水體、歷史文化遺產(chǎn)、地面空間地物類型、已開發(fā)地下工程作為二級(jí)評(píng)價(jià)因子。

運(yùn)用層次分析法建立表征各個(gè)影響因素之間層次關(guān)系的指標(biāo)權(quán)重評(píng)價(jià)體系，咨詢相關(guān)專家，獲取評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣，通過yaahp軟件計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重。

運(yùn)用層次分析法求評(píng)價(jià)模型中指標(biāo)權(quán)重的步驟：

(1)首先形成階梯層次結(jié)構(gòu)。

(2)構(gòu)造判斷矩陣，并求最大特征、特征向量，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(3)指標(biāo)權(quán)重總排序，根據(jù)前述AHP理論依據(jù)，需要計(jì)算同一層次所有元素相對(duì)于上一層次的相對(duì)重要性的權(quán)值，即層次總排序，為模糊綜合評(píng)判模型的進(jìn)一步運(yùn)算做準(zhǔn)備。

指標(biāo)綜合權(quán)重的計(jì)算方法：Wi=WBK×WCi

表3 德州市中心城區(qū)地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)體系權(quán)重取值Table 3 Wight value of geological environment suitability evaluation system of undergroundspatial development in downtown Dezhou

3.4 評(píng)價(jià)模型的建立

依據(jù)上述中心城區(qū)地下空間資源潛力多層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建德州市中心城區(qū)地下空間資源潛力模糊綜合評(píng)價(jià)的因素集U為：

U1={U11，U12，U13，U14，U15}{水文及水文地質(zhì)條件，工程地質(zhì)條件，環(huán)境地質(zhì)條件，生態(tài)資源保護(hù)，人類工程活動(dòng)}

根據(jù)德州市中心城區(qū)地下空間資源各影響因素對(duì)地下空間開發(fā)潛力的影響，建立評(píng)語(yǔ)集合V如下：

V={V1，V2，V3，V4}={優(yōu)，良，中，差}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}

分別表示德州市中心城區(qū)地下空間資源潛力等級(jí)。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

4.1 地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)

表4 德州市中心城區(qū)地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)特征一覽表Table 4 List of characteristics of underground space geological environment suitability zoning in downtown Dezhou city

續(xù)表

圖2 地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.2 Statistical histogram of geologic environmental suitability zoning

4.2 地下空間潛力評(píng)價(jià)

德州市中心城區(qū)地下空間資源開發(fā)潛力評(píng)價(jià)是根據(jù)影響德州市中心城區(qū)地下空間資源的自然條件，城市空間類型，規(guī)劃條件等，將地下空間資源的可開發(fā)程度分別劃分為充分開發(fā)區(qū)、不可充分開發(fā)區(qū)、難以(慎重)開發(fā)區(qū)，在此基礎(chǔ)上分析各用地類型下可供開發(fā)的地下空間資源蘊(yùn)藏量(李鵬岳，2020)。地下空間資源可開發(fā)程度受多種因素影響，具體可包括：巖溶分布區(qū)、采空區(qū)、不穩(wěn)定江岸區(qū)、地裂縫、文物保護(hù)區(qū)、生態(tài)保護(hù)區(qū)、水資源與泉脈保護(hù)區(qū)，道路、綠地、山體、水體、地面建設(shè)區(qū)，農(nóng)田、新增規(guī)劃建設(shè)區(qū)等因素。

圖3 德州市中心城區(qū)地下空間資源開發(fā)適宜性分區(qū)圖(030 m)Fig.3 Zoning Map of suitability for Development ofUnderground Space Resources in the downtownDezhou city (030 m)

圖4 德州市中心城區(qū)地下空間資源開發(fā)適宜性分區(qū)圖(30100 m)Fig.4 Zoning Map of suitability for Development ofUnderground Space Resources in the downtownDezhou city (30100 m)1—適宜性優(yōu)區(qū)；2—適宜性良區(qū)；3—適宜性中區(qū)；4—適宜性差區(qū)

根據(jù)完成各項(xiàng)評(píng)價(jià)之后，設(shè)計(jì)地下空間資源量計(jì)算模型，每一種地物類型扣除一定的深度。一部分是借鑒《城市地下空間資源評(píng)估與開發(fā)利用規(guī)劃》(宋敏聰，2012)這本書，一部分是根據(jù)德州市情況確定的，一部分是綜合情況分析的出來的(表5-6)。

表5 各用地類型下地下空間資源量計(jì)算模型Table 5 The calculation model of underground space resources under various land use types

圖6 德州市中心城區(qū)地下空間資源潛力可開發(fā)利用評(píng)價(jià)圖(0200 m)

表6 各用地類型下地下空間資源量計(jì)算Table 6 Calculation of underground space resources under various land use types

在計(jì)算容量過程中可能會(huì)遇到用地類型重合的區(qū)域，此時(shí)計(jì)算容量時(shí)采用限制性大的因素。需要注意的是，本次針對(duì)地下空間資源可供開發(fā)容量采取保守估算，所計(jì)算出數(shù)據(jù)較實(shí)際值偏小，但仍可看出地下空間資源可供開發(fā)的潛力巨大?？傮w而言，隨著地下空間資源開發(fā)深度的增加，資源所受人類活動(dòng)的擾動(dòng)減少，地下空間資源的可開發(fā)程度增加。

5 結(jié)論與討論

(2)研究方法首先確定好地下空間評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以地下空間資源開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)為目標(biāo)層，選取主要影響因素為一級(jí)指標(biāo)(主題層)，將各因素中的若干影響因子作為二級(jí)指標(biāo)(指標(biāo)層)，基于層次分析法構(gòu)建了地下空間資源開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)的層次結(jié)構(gòu)模型，并研究確定了各層次影響因素的重要性，最后采用模糊數(shù)學(xué)的評(píng)價(jià)方法，確定各因子的隸屬度，將復(fù)雜多維的各種因素轉(zhuǎn)化為相互聯(lián)系的有序?qū)哟?，?duì)地下空間開發(fā)利用適宜性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

(3)提升完善原有的地下空間評(píng)價(jià)體系增加生態(tài)環(huán)境保護(hù)專項(xiàng)：本次地下空間評(píng)價(jià)體系不僅考慮了原有的水、工、環(huán)、人類工程活動(dòng)條件，還對(duì)礦產(chǎn)、地下水資源、地質(zhì)遺跡、歷史文化遺產(chǎn)、地表河流水系等生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面的因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(4)首次進(jìn)行地下空間資源潛力評(píng)價(jià)，根據(jù)影響德州市中心城區(qū)地下空間資源的自然條件，城市空間類型，規(guī)劃條件等。將地下空間資源潛力的可開發(fā)程度分別劃分為充分開發(fā)區(qū)、不可充分開發(fā)區(qū)、難以(慎重)開發(fā)區(qū)，在此基礎(chǔ)上分析各用地類型下可供開發(fā)的地下空間資源蘊(yùn)藏量。

(5)首次系統(tǒng)量化了地下空間資源。通過對(duì)影響咸陽(yáng)市地下空間開發(fā)利用的環(huán)境地質(zhì)因素及評(píng)價(jià)結(jié)果的綜合分析，對(duì)各評(píng)價(jià)區(qū)提出相應(yīng)的開發(fā)建議。由于城市地下空間開發(fā)具有不可恢復(fù)性，因此在開發(fā)利用時(shí)因地制宜、可持續(xù)性發(fā)展至關(guān)重要。