長沙城市地下空間開發(fā)利用的適宜性評價(jià)體系研究

王振宇，朱太宜，王星華

?

長沙城市地下空間開發(fā)利用的適宜性評價(jià)體系研究

王振宇，朱太宜，王星華

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

基于我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加速，人口超飽和、交通擁堵和污染嚴(yán)重等一系列城市病也越來越凸顯，亟需向下拓展城市空間來緩解城市病癥狀。城市地下空間是屬于不可再生資源，其開發(fā)利用是否科學(xué)、健康、合理和有序，將決定城市地下空間開發(fā)能否可持續(xù)發(fā)展。以長沙市為例，在定量與定性相結(jié)合的原則下，構(gòu)建一個(gè)城市地下空間開發(fā)適宜性整體評價(jià)指標(biāo)體系，并通過層次分析法計(jì)算得出長沙市地下空間開發(fā)適宜性得分為82分，適宜性等級為良好，符合大量開發(fā)地下空間的條件。

地下空間；開發(fā)利用；適宜性評價(jià)

地下空間作為城市一種不可再生的寶貴的自然資源，其開發(fā)利用越來越受到人們的關(guān)注，為了保證城市的可持續(xù)發(fā)展，必需科學(xué)合理地開發(fā)運(yùn)用城市地下空間自然資源。而適宜性評估方法是編制城市地下空間規(guī)劃與開發(fā)利用的重要方法之一。John等[1?2]在規(guī)劃明尼阿波利斯?圣保羅市的城市地下空間開發(fā)時(shí)，依據(jù)該市的地質(zhì)條件，對地層和水文地質(zhì)的分布、地形坡度與地下空間開發(fā)利用的各種形式和適宜性等要素進(jìn)行調(diào)查和分析，并對已建成使用的地下管線、地下建筑和地上建筑等對地下空間資源開發(fā)利用的影響方式進(jìn)行了分類，采用綜合疊加的方法給出了明尼阿波利斯市可開發(fā)利用的地下空間資源的分布范圍和適宜的開發(fā)利用的各種形式，首次提出了適宜性概念。Boivin等[3?8]在總結(jié)加拿大Qubec市的地下空間布局時(shí)，發(fā)現(xiàn)影響該市地下空間開發(fā)的主要因素是地震和地質(zhì)條件，最終根據(jù)沉積物厚度、地面坡度、下覆巖層的地質(zhì)情況等因素確定了開發(fā)的難度分級。黃玉田等[9?12]提出使用灰色評估法用于地下空間資源質(zhì)量進(jìn)行分級的探討，并確立了6個(gè)影響因素分別是：工程地質(zhì)條件的復(fù)雜程度、地下水條件、施工技術(shù)難度、環(huán)境影響程度、地域重要程度和綜合效益。官善友等[13?16]根據(jù)武漢市的條件，將武漢的主城區(qū)淺層地下空間開發(fā)地質(zhì)條件適宜性劃分為適宜區(qū)、基本適宜區(qū)和適宜性差3個(gè)大區(qū)，并對這3個(gè)大區(qū)分別進(jìn)行了評價(jià)。程子騰[17]使用層次分析法對荊州市地下空間開發(fā)利用的適宜性進(jìn)行分析，結(jié)果顯示荊州市較適宜地下空間的開發(fā)利用。

1 適宜性評價(jià)方法選取

本文在參考國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，選取城市條件、自然條件、區(qū)位條件和經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件這幾個(gè)方面作為判斷指標(biāo)，為了最終確定長沙市地下空間開發(fā)的適宜性程度，在采用層次分析法和專家調(diào)查法確定各指標(biāo)因素權(quán)重的基礎(chǔ)之上，還運(yùn)用模糊綜合評判法，并且綜合考慮各確定性和非確定性因素。

2 適宜性評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

整個(gè)指標(biāo)評估系統(tǒng)的基礎(chǔ)是評估體系，建立指標(biāo)體系，能夠讓整體評價(jià)系統(tǒng)更科學(xué)和準(zhǔn)確。必須在遵循指標(biāo)體系構(gòu)建的原則下建立地下空間開發(fā)適宜性評價(jià)指標(biāo)體系，需要對整體目標(biāo)進(jìn)行分析，再將整體目標(biāo)系統(tǒng)分解成各個(gè)子系統(tǒng)，然后將各個(gè)子系統(tǒng)分解成可調(diào)研和具有代表性的目標(biāo)因子，從而形成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡叵驴臻g評價(jià)指標(biāo)體系[14, 16?17]。

2.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建原則

構(gòu)建指標(biāo)體系應(yīng)該遵循全面客觀、科學(xué)性、可操作性和層次性等原則。用于評價(jià)地下空間開發(fā)適宜性的條件比較多，所以評價(jià)指標(biāo)體系要盡可能涵蓋所有能夠反映地下空間適宜性的各項(xiàng)內(nèi)容，并且要避免各指標(biāo)之間存在重疊或是交叉；并且評價(jià)指標(biāo)體系必須要科學(xué)準(zhǔn)確地反映出城市地下空間開發(fā)適宜性等級，必須按照相關(guān)理論依據(jù)，選擇代表性強(qiáng)的因素作為評價(jià)指標(biāo)；在進(jìn)行指標(biāo)選取時(shí)應(yīng)選可操作性強(qiáng)并易于采集數(shù)據(jù)的指標(biāo)，對于那些獲得原始數(shù)據(jù)困難的指標(biāo)暫不選取，以確保指標(biāo)體系各指標(biāo)數(shù)據(jù)和資料的收集是可行的；在組建的評價(jià)指標(biāo)體系必須要有很強(qiáng)的邏輯性和層次性，使整個(gè)體系層次分明，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)；通過定性與定量分析相結(jié)合，進(jìn)而對目標(biāo)進(jìn)行綜合準(zhǔn)確的評價(jià)。

2.2 建立指標(biāo)體系

指標(biāo)體系分系統(tǒng)層、目標(biāo)層和項(xiàng)目層3個(gè)層次，如圖1所示。

2.2.1 構(gòu)建判斷矩陣

用層次分析法進(jìn)行系統(tǒng)分析的評分選擇主要來自專家的問卷調(diào)查[14]，根據(jù)調(diào)查問卷的專家打分，將每一層次各因素對于上一層次某因素的相對重要程度進(jìn)行兩兩判斷，根據(jù)其重要性區(qū)別通過1~9度標(biāo)度法轉(zhuǎn)換為數(shù)字，并寫成矩陣的形式，就得到了相對應(yīng)的判斷矩陣[20]。同層次之間指標(biāo)的重要程度比較，采用薩蒂的1~9標(biāo)度法作為評判標(biāo) 準(zhǔn)[18]，如表1所示。

2.2.2 用專家打分構(gòu)造出判斷矩陣

用專家打分構(gòu)造出判斷矩陣如表2所示。

其中判斷矩陣滿足：1)a>0；2)a=1/a(,=1, 2, 3,…,)；3)a=0(,=1, 2, 3, …,)。

圖1 城市地下空間開發(fā)適宜性評價(jià)體系圖

表1 判斷矩陣標(biāo)度

2.2.3 相對權(quán)重向量的確定方法

1) 和法

把階判斷矩陣的每列向量做歸一化處理，再求得算數(shù)平均值作為各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重：

表2 判斷矩陣示例

同樣，對行向量做同樣的處理也可得到相應(yīng)權(quán)重。

2) 幾何平均法(求根法)

把階判斷矩陣的每列向量做歸一化處理后，再采用幾何平均法確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重：

3) 特征根法

2.2.4 檢驗(yàn)矩陣的一致性

表3 隨機(jī)的一致性指標(biāo)

2.2.5 指標(biāo)的量化處理

指標(biāo)的量化處理多為下列2種情況：

1) 由于許多指標(biāo)沒法量化，可用專家經(jīng)驗(yàn)評分法確定。把各指標(biāo)分為適宜、比較適宜、一般適宜和適宜度較差4個(gè)等級，對應(yīng)的量化分值區(qū)間段分別取為75~100，50~75，25~50和0~25。然后由專家參照評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與自己的經(jīng)驗(yàn)，針對現(xiàn)場實(shí)際指標(biāo)現(xiàn)狀等級進(jìn)行打分，采用幾何平均值作為計(jì)算評估指標(biāo)的分值。

2) 對于可以直接量化的指標(biāo)，則可依據(jù)公式V=(X?Xmin)/(Xmax?Xmin)來計(jì)算各評估指標(biāo)的分值，式中：V為X標(biāo)準(zhǔn)化之后的分值；X為指標(biāo)的實(shí)值；Xmin為該指標(biāo)的極小值；Xmax為該指標(biāo)的極大值。

2.2.6 計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的綜合值

3 長沙市地下空間開發(fā)利用的適宜性評價(jià)

3.1 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

本文各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值采用求和法求得。

評價(jià)系統(tǒng)層()對目標(biāo)層()的判斷矩陣和權(quán)重，如表4所示。

根據(jù)判斷矩陣的求解可得：max=4.004 2，= 0.001 4，=0.9，=0.001 6<0.10表明判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，具有符合條件的一致性。

表4 目標(biāo)層適宜性評價(jià)判斷矩陣

2) 項(xiàng)目層的城市條件1、城市規(guī)模2、人口規(guī)模3對評價(jià)系統(tǒng)層城市條件1的判斷矩陣和權(quán)重，見表5。

根據(jù)判斷矩陣的求解可得：max=3.009 2，=0.004 6，=0.58，=0.008 8<0.10說明判斷矩陣通過檢驗(yàn)具有一致性。

3) 項(xiàng)目層地質(zhì)構(gòu)造條件4，程地質(zhì)條件5，水文地質(zhì)條件6，巖土體條件7對評價(jià)系統(tǒng)層自然條件2的判斷矩陣和權(quán)重，見表6。

表5 系統(tǒng)層城市條件B1的判斷矩陣

表6 系統(tǒng)層自然條件B2的判斷矩陣

根據(jù)判斷矩陣的求解可得：max=4，=0，=0.9，=0<0.1說明矩陣通過一次性的判斷，具有好的結(jié)果。

4) 項(xiàng)目層地下空間現(xiàn)狀8，地面條件9，交通條件10對評價(jià)系統(tǒng)層區(qū)位條件3的判斷矩陣和權(quán)重，見表7。

表7 系統(tǒng)層區(qū)位條件B3的判斷矩陣

根據(jù)判斷矩陣的求解可得：max=3.038 5，=0.019 3，=0.58，=0.037 0<0.10表明判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，具有滿意的一致性。

5) 項(xiàng)目層地下空間現(xiàn)狀11，地面條件12，交通條件13對評價(jià)系統(tǒng)層經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件4的判斷矩陣和權(quán)重，見表8。

表8 系統(tǒng)層經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件B4的判斷矩陣

根據(jù)判斷矩陣的求解可得：max=3.064 9，=0.032 4，=0.58，= 0.062 4<0.10表明判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，具有滿意的一致性。

6) 各因子總排序情況

用層次分析法得出的長沙市地下空間評價(jià)權(quán)重結(jié)果如表9所示。

3.2 分析適宜性

1) 分值計(jì)算

通過專家打分法對各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了評分，通過加權(quán)平均法求得各個(gè)指標(biāo)的最終得分值(100分制)，見表10。

表9 評價(jià)因子最終權(quán)重

表10 各個(gè)指標(biāo)得分

2) 分析適宜性結(jié)果

表11中，評價(jià)等級為優(yōu)、良、中和差，分別表示地下空間開發(fā)利用的適宜性為適宜、比較適宜、較不適宜和不適宜。

表11 評價(jià)結(jié)果等級劃分

在地下空間開發(fā)利用適宜性評價(jià)指標(biāo)體系中，技術(shù)水平為0.37所占權(quán)重最大；城市規(guī)模和人口規(guī)模為0.128所占權(quán)重為第二；人均GDP和地均GDP為0.074所占權(quán)重次之；地形地貌條件為0.006所占的權(quán)重最小。長沙市地下空間開發(fā)利用適宜性評分值最后得分為82分，評價(jià)等級為優(yōu)，由此可知長沙市目前各方面情況都適宜地下空間的開發(fā) 利用。

4 結(jié)論

1) 地下空間的綜合利用作為未來城市開發(fā)的主要途徑之一，目前長沙市的地下空間開發(fā)利用迎來了良好的發(fā)展機(jī)遇。

2) 在總結(jié)、分析前人研究的基礎(chǔ)上，本文采用層次分析法構(gòu)建了長沙市地下空間開發(fā)利用的適宜性評價(jià)指標(biāo)體系。

3) 根據(jù)層次分析法分析了長沙市地下空間發(fā)適宜性評分為82分，認(rèn)為長沙市城區(qū)適宜于地下空間的綜合開發(fā)利用。

[1] John C, Carmody, Raymond L Sterling. A comparison of the community planning implications for passive solar, earth sheltered and conventional highly insulated housing developments[C]// The Proceedings of the First International Passive and Low Energy (PLEA) Conference, Bermuda, Sept. 13-15, 1982. Elsevier Inc. New York.

[2] Raymond L Sterling. Going under to stay on top, revisited: Results of a colloguium on underground space utilization[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1996, 11(3): 263?270.

[3] Boivin D J. Underground space use and planning in the Québec city area[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 1990, 5(2): 69?83.

[4] Doreen A Thomas, Marcus Brazil, David H. Network modelling of underground mine layout: Two case studies[J]. International Transactions in Operational Research, 2007, 14(2): 143?158.

[5] Shane Greene. The problem of peru’s punk underground: An approach to under-fuck the system[J]. Journal of Popular Music Studies, 2012, 24(4): 578?589.

[6] Kimmo Ronka. Underground space in land-use planning[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 1998, 13(1): 39?49.

[7] Brazil M, Thomas D A. Network optimization for the design of underground mines[J]. Networks, 2007, 49(1): 40?50.

[8] ?ztürk Atilla, Nasuf Erkin. Geostatistical assessment of rock zones for tunneling[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2002, 17(3): 275?285.

[9] 黃玉田, 張欽喜, 孫家樂. 北京市中心區(qū)地下空間資源評估探討[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1995(2): 93?99. HUANG Yutian, ZHANG Qinxi, SUN Jiale. The evaluation of the resource of the underground space of downtown Beijing[J]. Journal of Beijing Polytechnic University, 1995, 21(2): 93?99.

[10] 童林旭, 祝文君. 城市地下空間資源評估與開發(fā)利用規(guī)劃[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2009. TONG Linxu, ZHU Wenjun. Planning and utilization of urban underground space resources[M]. Beijing: China Building Materials Industry Press, 2009.

[11] 潘麗珍, 李傳斌, 祝文君. 青島市城市地下空間開發(fā)利用規(guī)劃研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2006, 2(7): 1093?1099. PAN Lizhen, LI Chuanbin, ZHU Wenjun. Underground space exploitation planning of Qingdao city[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2006, 2(7): 1093?1099.

[12] 廖建三, 彭衛(wèi)平, 林本海. 影響廣州市淺層地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)因素分析及分區(qū)評價(jià)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006(增2): 3357?3362. LIAO Jiansan, PENG Weiping, LIN Benhai. Analysis and partition evaluation of geological factors affecting space development and utilization of shallow underground in Guangzhou city[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(Suppl 2): 3357?3362.

[13] 官善友, 朱銳, 高振宇. 地質(zhì)條件對武漢市地下空間開發(fā)的影響及分區(qū)評價(jià)[J]. 工程勘察, 2008(9): 6?10. GUAN Shanyou, ZHU Rui, GAO Zhenyu. Influence and zoning evaluation of geological conditions on the development of underground space in Wuhan[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2008(9): 6?10.

[14] 彭建, 柳昆, 鄭付濤, 等. 基于AHP的地下空間開發(fā)利用適宜性評價(jià)[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2010(4): 688?694. PENG Jian, LIU Kun, ZHENG Futao, et al. Evaluation for the suitability of underground space exploitation and utilization based on AHP[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2010 (4): 688?694

[15] 齊波, 張一飛. 天津市中心城區(qū)地下空間資源開發(fā)利用適宜性評價(jià)探討[J]. 城市地質(zhì), 2010, 5(2): 1?5. QI Bo, ZHANG Yifei. Investigation on the appropriateness of development and utilization of underground space in Tianjin city[J]. Urban Geology, 2015, 5(2): 1?5

[16] 柳昆, 彭建, 彭芳樂. 地下空間資源開發(fā)利用適宜性評價(jià)模型[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2011(2): 219?231. LIU Kun, PENG Jian, PENG Fangle. Evaluation model for the suitability of underground space resources exploitation and utilization[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2011(2): 219?231.

[17] 程子騰. 荊州市地下空間開發(fā)利用與管理研究[D]. 武漢: 華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012. CHENG Ziteng. Study on undreground space development and management in Jingzhou city[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2012.

[18] Thomas L S, Liem T T. On the invalidity of fuzzifying numerical judgements in the analytic Hierarchy process[J]. Mathematical and Computer Modelling, 2007(46): 962?975.

[19] 長沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院. 長沙市城市地下空間開發(fā)利用專項(xiàng)規(guī)劃[Z]. 長沙, 2014. Changsha Planning and Design Institute. Special planning of urban underground space development and utilization in Changsha[Z].Changsha,2014.

[20] 付磊. 城市地下空間規(guī)劃指標(biāo)體系研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2008. FU Lei. The reseach of urban underground space planning index system[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2008.

[21] 朱太宜. 長沙市地下空間綜合規(guī)劃與利用研究[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2015.ZHU Taiyi. A study on the comprehensive planning and utilization of Changsha’s underground space[D]. Changsha: Central South University, 2015.

(編輯 蔣學(xué)東)

Study on suitability evaluation system of Changsha’s urban underground space for development and utilization

WANG Zhenyu, ZHU Taiyi, WANG Xinghua

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

With China’s rapid economic development, city urbanization is speeding up, and the population of super saturation, traffic congestion, pollution and a series of urban diseases has become increasingly prominent, urgent need to expand the city space down to relieve the symptoms of urban diseases. As a kind of non renewable resources, the development and utilization of urban underground space should be scientific, healthy, reasonable and orderly, what will determine the sustainable development of urban underground space. In the paper, Changsha city as an example, the combination of quantitative and qualitative principles, to build a city underground space development suitability evaluation index system of the whole, and through the hierarchy analysis method to calculate Changsha City Underground Space Development Suitability score of 82 points, the suitability rating is good, suitable for large-scale development of underground space resources.

underground space; development and utilization; suitability evaluation

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.022

TU984

A

1672 ? 7029(2019)05 ? 1274 ? 08

2018?09?14

國家住建委資助項(xiàng)目(2012-R2-28)

王星華(1957?)，男，湖南衡山人，教授，從事巖土工程教學(xué)和科研工作；E?mail：xhwang@mail.csu.edu.cn