城市地下空間評估指標體系
——以南通市為例

李紅昌，查甫生，康 博

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,合肥 230009)

一、引 言

地下空間是指地表以下一定范圍內的巖土體占用或包圍的空間。城市地下空間作為城市空間資源的重要組成部分，對其進行合理開發(fā)可有效緩解城市用地緊張并減少由此產(chǎn)生的交通擁擠、環(huán)境污染、生態(tài)惡化等問題，從而有助于實現(xiàn)城市土地資源集約化使用和城市可持續(xù)發(fā)展[1]。城市地下空間作為一種受地質環(huán)境、經(jīng)濟實力和技術水平制約的自然空間，會隨著城市的發(fā)展被逐漸開發(fā)利用。目前，地下空間已被廣泛應用于社會生活，如地鐵、地下停車場、地下商場和地下倉庫等。

然而地下空間在開發(fā)過程中存在許多問題。為避免地下空間被無序開發(fā)和浪費資源，有必要在地下空間管理中建立一套完整的城市地下空間評估指標體系，來引導地下空間的合理開發(fā)[2]。本文主要從兩個角度評估城市地下空間，一是從城市經(jīng)濟和發(fā)展狀況評估其開發(fā)必要性；二是從區(qū)域條件評估其適宜性。

南通市位于江蘇省東南部，長江三角洲北翼，據(jù)江海之匯，扼南北之喉，是中國首批對外開放的14個沿海城市之一。隨著蘇通大橋、滬崇蘇大通道、通滬鐵路等重大工程的建設，南通市的經(jīng)濟得到迅猛發(fā)展，隨之而來的則是一系列由于城市空間拓展所引發(fā)的“城市綜合癥”，嚴重影響和制約了南通市的現(xiàn)代化進程。因此，南通市開發(fā)地下空間迫在眉睫?；诠P者建立的地下空間評估指標體系，本文對南通市地下空間開發(fā)必要性和適宜性作出了評估。南通市為濱海城市，軟土分布較為廣泛，當開挖軟土層時勢必擾動周圍土體，容易造成地表沉降和周邊土體滑移。現(xiàn)有技術也能解決這些問題，如采用分區(qū)卸荷、鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)、設置隔離樁等方法，但使用這些方法勢必增加開發(fā)地下空間成本，因此在工程地質條件中加入了軟土層厚度這一指標。

二、評估指標體系構建的原則與方法

(1) 指標體系構建原則 第一，客觀真實性原則。選取的指標都是客觀存在且能真實反映地下空間開發(fā)的必要性和適宜性。第二，系統(tǒng)層次性原則。指標體系具有層次性，能從不同的層次和方面反映實際情況。同層次的指標之間又相互影響和聯(lián)系，構成一個完整的系統(tǒng)。第三，全面避重性原則。選取的指標體系能全面地反映城市地下空間情況，而且避免出現(xiàn)重復和相似指標。第四，因地制宜性原則。選取指標時要根據(jù)目標區(qū)域的實際情況，選擇那些最能反映地下空間資源實際情況和特點的指標。第五，定性與定量相結合原則?？紤]到評估對象的復雜性，指標體系涉及面廣，必然存在無法量化的指標，這時要采用一些主觀評價指標進行定性評估。

(2) 指標體系構建及權重計算方法 考慮到指標體系具有層次性且存在無法量化的指標，本文采用模糊層次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP)構建指標體系。模糊層次分析法是一種運用模糊數(shù)學原理解決層次分析法中指標比較模糊缺陷的方法。

該方法的主要思想是將復雜問題分解為若干層次和若干因素，對兩兩指標之間的重要程度做出比較判斷，建立判斷矩陣，通過計算判斷矩陣的最大特征值以及對應的特征向量，就可以得出不同方案重要性程度的權重，為最佳方案的選擇提供依據(jù)[3]。FAHP的關鍵環(huán)節(jié)是建立判斷矩陣，判斷矩陣是否科學、合理直接影響到FAHP的效果[4]。然而檢驗判斷矩陣是否具有一致性十分困難。若判斷矩陣不具有一致性，還需要對判斷矩陣進行若干次的調整和檢查，使其具有一致性，這又增加了工作量和工作難度。為解決這些問題，我們引入模糊數(shù)學原理，構造模糊互補矩陣。

模糊數(shù)學評價是由美國控制論專家查德于1965年提出的，它引入模糊數(shù)學中的“隸屬度”，用隸屬函數(shù)對具有模糊性的指標進行處理[5]。模糊數(shù)學評價用隸屬函數(shù)將評價結果以量化的結果表現(xiàn)出來，更加清楚直觀。使用模糊數(shù)學構造模糊一致矩陣可以簡化運算過程，大大減小工作難度和工作量。

三、指標體系的構成

FAHP將分析決策問題的有關元素分解成目標層、準則層及指標層，構建一個層次結構模型，有利于對復雜決策問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析，并利用一定的定量信息，使決策的思維過程數(shù)學化并最終求解問題[6-7]。

本文結合前人研究，從社會經(jīng)濟條件和區(qū)域條件兩個方面構建評價城市地下空間開發(fā)的必要性和適宜性的指標體系。準則層主要包括：發(fā)展水平、交通狀況、市政設施狀況、城市防災需求、地質構造、地形、不良地質與地質災害、水文地質條件、巖土體條件、豎向深度、地下空間環(huán)境。指標通過參考大量相關文獻和咨詢相關行業(yè)專家確定，包括2個目標層、11個準則層和28個指標。具體如表1所示。

表1 城市地下空間評估指標體系

具體闡釋如下：

第一，城市地下空間的開發(fā)與它的發(fā)展水平密切相關。人口狀況、土地狀況和經(jīng)濟狀況直接關系一個城市開發(fā)地下空間的迫切程度。越是經(jīng)濟發(fā)達和人口密集的城市越迫切需要開發(fā)城市地下空間。而人均GDP能反映一個城市的經(jīng)濟發(fā)展水平，人均占地面積能反映人口密度，人均地下空間面積可以反映城市地下空間的發(fā)展水平和開發(fā)情況。

第二，交通是城市功能中最活躍的因素，順暢和便捷的交通系統(tǒng)給城市發(fā)展注入活力，而一旦交通阻滯和環(huán)境惡化就會使城市生活受到巨大影響和制約[8]。隨著城市的發(fā)展，道路擁擠、停車難等問題也日漸嚴重，而開通地鐵、開發(fā)地下停車場等措施可以很好地緩解這些問題。交通的方便快捷是衡量一個城市運轉效率高低的重要指標?？紤]到合理性和可操作性，本文選取Tomtom Congest Index(CI)作為指標，該指標以出行時間比為核心，反映實際出行時間比自由流情況出行增加的時間比例[9]。

第三，市政設施狀況。城市市政設施，如自來水的供應設施、雨水管道、污水管道、供氣設施等一般都埋設于地下，是地下空間資源的一部分。開發(fā)城市地下空間需要考慮已有的及將來需要的市政設施。

第四，城市防災需求。災害主要分為自然災害和戰(zhàn)爭災害。自然災害具有突發(fā)性和不確定性，因此對城市危害比較大；戰(zhàn)爭災害在一定程度上具有預知性，可以提前做好準備、減少損失，如防空洞的建設。城市的災害防御是城市現(xiàn)代化建設不可忽視的重要任務，開發(fā)利用地下空間資源可以有效減輕各類災害。

第五，地質構造。在地質構造中，褶皺和斷層破壞了原有巖體的整體性和完整性，對地下空間工程建設影響較大。褶皺核部因為長期受到水平圍巖的壓力，較易產(chǎn)生裂隙，破壞了巖體的完整性，降低了巖體強度。斷層的斷裂帶巖層破碎，巖體穩(wěn)定性降低，可能導致塌方。

第六，地形。在地形高低起伏較大的城市，如果地下空間出入口建在地勢較低的區(qū)域容易發(fā)生雨水倒灌，造成很大損失，因此將歷年雨洪淹沒深度和雨洪淹沒設防等級納入指標體系。

第七，不良地質與地質災害。我國是地質災害比較嚴重的國家，其中崩塌、地裂縫、地面沉降和地震對地下空間威脅較大，因此在地下空間開發(fā)時有必要將這些因素考慮在內。軟土層的厚度也是影響地下空間開發(fā)的一個重要因素，存在較厚軟土層時會大大增加開發(fā)成本，特別是沿海和長江附近的城市軟土分布十分廣泛。南通是濱海城市，因此開發(fā)地下空間前考慮軟土層厚度十分必要。

第八，地下水是地下空間的重要環(huán)境影響物質和生態(tài)系統(tǒng)物質。地下水類型的復雜程度、埋深、滲透系數(shù)、入滲補給系數(shù)和腐蝕性等都會對地下空間的規(guī)劃布局和開發(fā)利用產(chǎn)生很大影響。同時，地下空間的開發(fā)也可能對地下水的運動起到阻礙作用，影響該區(qū)域的水循環(huán)，進而影響該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)。

第九，巖石和土體是城市地下空間的環(huán)境物質和載體。由于巖石和土體的成分和形成環(huán)境不同，其工程性質有很大差異。不同類型與質量的巖土在開挖過程中難度不同，其要求也不同。例如砂類土具有透水性強、壓縮性低、壓縮速度快、內摩擦角大、抗剪強度較高等特點，是開發(fā)地下空間的理想場所，但需要做防水處理。而粘性土具有壓縮速度慢、壓縮量大、內摩擦角較小等特點，其地基承載力低，變形量大，不利于地下空間的開發(fā)。因此巖土類型與質量對地下工程的整體安全性和經(jīng)濟性至關重要。

第十，隨著深度的增加，土壓力和水壓力也逐漸增大，工程地質和水文地質條件越來越復雜，地下空間的開發(fā)難度也越來越大。在進行地下空間開發(fā)之前需要查明該地區(qū)深度對應力的影響。如果隨著深度增加應力增加很快，則說明往深處開發(fā)的難度越大，投資越大，經(jīng)濟效益越低。

第十一，地下空間環(huán)境對地下空間的開挖和建成后的適宜性都有很大影響。因為地下空間是相對封閉的空間，其空氣流通性較差，高二氧化碳濃度可能對人體產(chǎn)生危害，不利于施工和建成后的利用。同時水土中的污染物含量和放射性強度也會對人體產(chǎn)生危害，因此查明水土中的污染物含量和放射性強度也是很有必要的。

四、權重的確定

前面已經(jīng)介紹，本文是用FAHP確認指標的權重。使用此方法不僅可以提高權重的準確性而且還能大大減少計算量。由文獻[10]可知模糊互補矩陣和模糊一致矩陣的定義和性質[10]。

模糊層次分析法在確定指標時步驟如下[11]：

設指標集U={U1,U2,…,Un}，需要確定其權重向量w=(w1,w2,…,wn)。根據(jù)FAHP法，指標間的重要性標度如下頁表2所示。

表2 0.1-0.9標度法

根據(jù)表2可得模糊互補矩陣：

(1)

其中，rij表示第i個指標比第j個指標的重要標度。將矩陣R按行求和得：

R'=(r1,r2,…,rn)T

(2)

(3)

不論模糊互補判斷矩陣是否滿足一致性，都可以使用(3)式計算指標權重[12]。

通過查閱文獻和專家打分的方法得到數(shù)據(jù)并計算結果，得到整個指標體系的權重結果如表3所示：

表3 地下空間指標體系與權重

續(xù)表

本指標體系和其它指標體系[13-15]相比具有如下優(yōu)勢[13-15]：

體系上，指標體系更廣更全面，從社會經(jīng)濟條件和區(qū)域條件兩個方面建立框架，囊括了影響地下空間開發(fā)的主要因素，不僅可以評估地下空間開發(fā)的必要性而且可以評估開發(fā)的適宜性。準則層選取對地下空間影響較大的因素，在確定指標層時盡量選用可量化的指標，提高評估的準確性。

權重上，使用模糊層次分析法不僅可以提高定性指標的評估準確性而且可以大大減少計算量。在進行同一準則層的指標間對比時參考了相關文獻并咨詢了相關專家的意見，保證了權重的客觀、真實和準確性。

五、南通市地下空間評估

南通市地區(qū)地勢平坦，地面高程一般在2.5-4米，向東微傾，上面覆蓋200-300米厚的第四紀沖積物，為海、陸交互沖積形成，砂性土、粘性土交互成層，由深到淺呈韻律狀組成，因此工程地質條件和水文地質條件較為復雜，本指標體系重點關注地下空間開發(fā)中的工程地質條件和水文地質條件，因此以南通市為例較為合適。

要對某城市地下空間進行評估除了先建立一個指標體系外還需要一個評估標準，具體可見表4。

表4 城市地下空間評估標準

續(xù)表

根據(jù)指標體系和評估標準可以建立一個數(shù)學模型，計算的結果可以直觀反映城市地下空間開發(fā)必要性和適宜性。

(4)

其中，K表示總分；Xi表示第i個指標權重；Yi表示第i個指標的評分，評估等級劃分見表5。

表5 評估結果等級劃分

綜上，第一，南通市地下空間開發(fā)必要性評估。根據(jù)南通市2018年統(tǒng)計年鑒和相關資料可計算得知總分K為0.76，因此，南通市開發(fā)地下空間是非常有必要的。

第二，南通市地下空間開發(fā)適宜性評估。根據(jù)南通市鉆孔資料，用GMS建立一個三維地質模型，對南通市0-50米深度地下空間進行評估，最后將評估結果輸入得到如下成果圖(圖1)。

圖1 南通市地下空間適宜性評估結果

在南通市范圍內，適宜開發(fā)區(qū)面積約473平方公里，占5.75%，主要位于海安縣，該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達、地質條件良好，可用于建設地鐵、地下街、地下停車場、地下商業(yè)娛樂區(qū)及地下公用設施等；較適宜開發(fā)區(qū)面積約4 844平方公里，占58.86%，主要位于如皋市、如東縣和啟東市北部，該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達但地質條件一般，可用于建設地鐵、地下停車場、地下公用設施等；較不適宜開發(fā)區(qū)面積約1 287平方公里，占15.64%，主要位于南通市區(qū)、通州區(qū)和海門區(qū)南部，該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達但地質條件較差，可用于建設地下人行通道等；不適宜開發(fā)區(qū)面積約1 625平方公里，占19.75%，主要為鐵路附近，根據(jù)《鐵路運輸安全保護條例》的相關規(guī)定，將鐵路兩側各50米的范圍劃分為不適宜開發(fā)區(qū)，不建議進行開發(fā)和建設。

六、結 語

總之，城市發(fā)展面臨或將要面臨的人口增加，交通擁擠、地價上漲和環(huán)境污染等問題，使得地下空間的開發(fā)日益重要，但地下空間在開發(fā)中存在一些亟待解決的問題。為避免地下空間被無序開發(fā)和浪費，需要建立一套評估指標體系來引導地下空間的合理開發(fā)。本文提出了構建指標體系的原則與方法，基于這些原則和方法構建了城市地下空間評估指標體系。其中著重考慮了工程地質條件對地下空間開發(fā)適宜性的影響，其所占權重也最大。最后以南通市為例，結合其城市特點，考慮了軟土層厚度對開發(fā)適宜性的影響，并對其地下空間開發(fā)必要性和適宜性進行了評估。結果顯示：南通市開發(fā)地下空間非常有必要，開發(fā)潛力十分巨大，大部分區(qū)為較適宜開發(fā)區(qū)。