沉積平原區(qū)地下空間開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究—以北京通州區(qū)和河北廊坊北三縣為例

劉宏偉，王國(guó)明，馬傳明，高明達(dá)，白耀楠，張 競(jìng)，杜 東

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，天津 300170；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，北京 100037；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢 430074；5.河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)新豐分場(chǎng)，河北 承德 068450）

隨著城市化進(jìn)程的不斷深入，人口膨脹、住房緊張、交通擁堵等“城市病”日益凸顯，與此同時(shí)，城市的發(fā)展也在經(jīng)歷由外延擴(kuò)張式向內(nèi)涵提升式轉(zhuǎn)變，城市不再是平面式的擴(kuò)張，這要求在有限空間內(nèi)發(fā)展需要科學(xué)的國(guó)土空間規(guī)劃。目前，地下空間綜合利用被認(rèn)為是行之有效的解決方法[1，2]。作為解決“城市病”的有效途徑，地下空間開發(fā)利用達(dá)到了前所未有的規(guī)模[3]，其開發(fā)利用方式也日趨多樣[4]。地下空間資源是地表基質(zhì)層中寶貴的自然資源之一，其作為城市有機(jī)體的重要組成部分，在未來城市建設(shè)中將起到舉足輕重的作用[5]。城市地下空間的開發(fā)利用對(duì)于提高土地利用效率、節(jié)約土地資源、改善城市交通、擴(kuò)充基礎(chǔ)設(shè)施容量、增加城市綠地、保持歷史文化特色、減少環(huán)境污染、改善生態(tài)景觀等方面發(fā)揮著重要的作用[6,7]。但是，地下空間作為重要的國(guó)土空間資源[8，9]，地下空間開發(fā)具有不可逆性,不合理的開發(fā)將對(duì)寶貴的地下資源造成巨大浪費(fèi)[10，11]。為提高地下空間資源的合理開發(fā)與有序利用,有必要對(duì)地下空間開發(fā)利用適宜性進(jìn)行前期評(píng)價(jià)[12，13]。隨著非首都功能疏解戰(zhàn)略的提出，北京通州區(qū)和河北廊坊北三縣已成為北京非首都功能產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移升級(jí)的重要承接區(qū)，為充分提高土地利用效率、節(jié)約土地資源、改善城市交通，對(duì)該地區(qū)進(jìn)行地下空間開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處北京市和河北省交界處，緊鄰天津市，是首都北京的東大門。北距首都機(jī)場(chǎng)16 km，東距天津塘沽港100 km，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈中的核心樞紐部位。研究區(qū)面積2 164 km2，總體地勢(shì)北高南低，平均海拔高程一般為5.9～31.9 m，地面自然縱坡約0.66‰，年平均降水量584.6 mm（圖1）。

圖1 研究區(qū)范圍及地面坡度圖Fig.1 Study area and ground slope map

2 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)位于華北陸塊中北部，燕山中新生代陸內(nèi)造山帶的西段。主要斷裂有南苑-通縣斷裂、夏墊斷裂、南口-孫河斷裂，張家灣斷裂和香河斷裂等。地表普遍出露第四系沉積物，埋深50 m以淺的主要地層有人工填土、現(xiàn)代河床沖積、河流沖積、湖沼沉積、洪積物等[14,15]。該區(qū)主要開采埋深300 m以內(nèi)的第四系含水層孔隙地下水[16]。區(qū)內(nèi)存在的主要環(huán)境地質(zhì)問題有活動(dòng)斷裂、地面沉降、地裂縫、巖溶塌陷、砂土液化等[17]。

3 地下空間適宜性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法

合理利用地下空間是現(xiàn)代城市管理面臨的重要課題[18，19]，尤其隨著淺部和中部地下空間資源的不斷消耗，地下空間開發(fā)利用將向深層發(fā)展和延伸[20]，地下空間開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)是一項(xiàng)受多源影響因素作用的復(fù)雜系統(tǒng)工作[21]，在不同地區(qū)由于面臨的地質(zhì)環(huán)境特征不同，影響地下空間開發(fā)利用的因素也不一樣，所以選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法有所差異，如基巖區(qū)影響地下空間開發(fā)利用的因素主要是巖溶塌陷、活動(dòng)斷層等。平原區(qū)的影響因素要復(fù)雜得多，如沿海地區(qū)要考慮海水入侵及其腐蝕性，淤泥質(zhì)土厚度及其工程地質(zhì)特性、地面沉降等[22]。本次評(píng)價(jià)中主要涉及平原區(qū)的地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地質(zhì)環(huán)境問題等方面影響因素，每個(gè)指標(biāo)包含若干二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于這種多源復(fù)雜影響作用下的評(píng)價(jià)工作，需要在系統(tǒng)思想的指導(dǎo)下對(duì)整體評(píng)價(jià)進(jìn)行層次分解[23]。本文基于層次分析法的思想建立多層次指標(biāo)體系，變權(quán)理論進(jìn)行指標(biāo)量化和指標(biāo)定權(quán)，最后采用敏感因子—綜合指數(shù)變權(quán)評(píng)價(jià)模型得到適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.1.1 評(píng)價(jià)方法

層次分析法是一種系統(tǒng)化、層次化、定性和定量分析相結(jié)合的分析方法，其原理簡(jiǎn)單且具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，大量的實(shí)踐案例也證實(shí)層次分析法對(duì)于解決復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題非常實(shí)用和有效，特別是對(duì)于兼有定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的系統(tǒng)問題[24]。層次分析法是在系統(tǒng)分析復(fù)雜多目標(biāo)決策問題的本質(zhì)和影響因素的基礎(chǔ)上，將其分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，然后再進(jìn)行定性和定量的分析，其基本步驟包括：建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造成對(duì)比較陣、單一準(zhǔn)則下計(jì)算權(quán)向量和一致性檢驗(yàn)。

（1）層次結(jié)構(gòu)模型建立

分析系統(tǒng)的本質(zhì)問題以及影響因素，然后構(gòu)造多層次模型。一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)模型包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層以及方案層。對(duì)重要性的劃分采用1-9標(biāo)度法（表1）。

表1 判斷矩陣標(biāo)度及含義Table 1 Scale and meaning of judgment matrix

根據(jù)表1判斷影響因素的相對(duì)重要程度，構(gòu)造判斷矩陣A：

（2）計(jì)算權(quán)重向量

權(quán)重向量的計(jì)算采用幾何平均法，先計(jì)算判斷矩陣A的各個(gè)行向量幾何平均，之后經(jīng)過歸一化得到權(quán)重向量ωi：

（3）檢驗(yàn)判斷矩陣一致性

首先計(jì)算一致性指標(biāo)CI：

根據(jù)表2查找平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI并計(jì)算隨機(jī)一致性比例CR。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 2 Random consistency index

3.1.2 評(píng)價(jià)步驟

（1）從盡量減少水文地質(zhì)條件擾動(dòng)實(shí)際出發(fā)，根據(jù)《城市地下空間規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》中地下空間分層利用、由淺入深的原則，將研究區(qū)地下空間地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)分為淺層(0～-18 m)，中層(-22～-50 m)，深層(-70 m以下)。

（2）分析并選取影響研究區(qū)各層地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將其分為敏感因子和重要因子，并對(duì)重要因子進(jìn)行指標(biāo)分級(jí)及標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）利用層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

（4）利用MapGIS對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行圖層矢量化，進(jìn)行屬性賦值及空間分析得到地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)單元。

（5）根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)，計(jì)算每一個(gè)評(píng)價(jià)單元的指標(biāo)變權(quán)權(quán)重。

（6）計(jì)算每一個(gè)評(píng)價(jià)單元的綜合指數(shù)，制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行分區(qū)，得到地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)圖。

（7）對(duì)地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)圖疊加敏感因子得到最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的選擇

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系遵循“潛在風(fēng)險(xiǎn)高、影響范圍大、資料可獲取”三項(xiàng)原則對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選[25,26,27]。本次評(píng)價(jià)選取影響研究區(qū)地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境因子，本次評(píng)價(jià)工作在反映本區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境、成果資料的研究程度和全面、科學(xué)、合理實(shí)用的基礎(chǔ)上構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。主要為地形地貌、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和環(huán)境地質(zhì)問題四大類一級(jí)指標(biāo)。其中地形地貌主要考慮地形坡度為二級(jí)指標(biāo)，工程地質(zhì)條件主要考慮巖土體承載力、土質(zhì)均勻性、地殼穩(wěn)定性（包括活動(dòng)斷裂、巖溶塌陷等敏感指標(biāo)）、砂土液化為二級(jí)指標(biāo)，水文地質(zhì)條件主要考慮潛水埋深、含水層富水性、含水層厚度、地下水腐蝕性為二級(jí)指標(biāo)，地質(zhì)環(huán)境問題主要考慮地面沉降為二級(jí)指標(biāo)（表3）。

3.3 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化及權(quán)重的確定

參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究和研究區(qū)的實(shí)際情況將各指標(biāo)分為I（優(yōu)）、II（良）、III（一般）、IV（差）4個(gè)等級(jí)[28,29,30,31]。為了便于評(píng)價(jià)工作，需對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并賦值，按照評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)的劃分將I（優(yōu)）、II（良）、III（一般）、IV（差）分別賦值為0.9、0.6、0.3、0.1。本次研究基于層次分析法將研究區(qū)地下空間開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)分為目標(biāo)層、一級(jí)指標(biāo)、二級(jí)指標(biāo)。首先構(gòu)造二級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣，然后再構(gòu)造各二級(jí)指標(biāo)內(nèi)的三級(jí)指標(biāo)層相應(yīng)的判斷矩陣，最終根據(jù)判斷矩陣得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重（表3）。

3.4 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)環(huán)境條件，選取活動(dòng)斷裂和巖溶塌陷區(qū)作為敏感指標(biāo)。其中活動(dòng)斷裂的影響范圍參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》最小避讓距離，將距離活動(dòng)斷裂100 m范圍之內(nèi)的區(qū)域劃分為敏感因子，將敏感因子存在的地區(qū)直接劃分為不適宜區(qū)。綜合評(píng)價(jià)即在各指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上疊加敏感指標(biāo)，最終獲得適宜性分區(qū)，共分為四級(jí)，即不適宜區(qū)（評(píng)價(jià)分值＜0.5）、較不適宜區(qū)（評(píng)價(jià)分值0.5～0.6）、較適宜區(qū)（評(píng)價(jià)分值0.6～0.7）、適宜區(qū)（評(píng)價(jià)分值＞0.7）。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：淺層地下空間開發(fā)適宜區(qū)面積為702.01 km2，占比32.44%；較適宜區(qū)面積為918.84 km2，占比42.46%；較不適宜區(qū)面積為368.43 km2，占比17.03%；不適宜區(qū)面積為174.71 km2，占比8.07%。淺層地下空間開發(fā)利用不適宜區(qū)主要分布于通州區(qū)宋莊鎮(zhèn)西北部，張家灣鎮(zhèn)，高樓鎮(zhèn)北部，齊心莊鎮(zhèn)，南苑-通縣活動(dòng)斷裂兩側(cè)，香河縣劉宋鎮(zhèn)南部地裂縫分布區(qū)（圖2）。不適宜性主要影響因素為地殼穩(wěn)定性差、地面沉降、地裂縫、活動(dòng)斷裂、砂土液化等。

圖2 淺層地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)圖Fig.2 Geological environment suitability zoning map for shallow underground space development

中層適宜區(qū)面積297.51 km2，占比13.75%；較適宜區(qū)面積為1 236.68 km2，占比57.15%；較不適宜區(qū)面積為430.40 km2，占比19.89%；不適宜區(qū)面積為199.35 km2，占比9.21%。中層地下空間開發(fā)利用不適宜區(qū)主要分布于張家灣斷裂與南苑-通縣斷裂交界處，通州區(qū)張家灣鎮(zhèn)，臺(tái)湖鎮(zhèn)東部，三河市齊心莊鎮(zhèn)，高樓鎮(zhèn)北部，張家灣斷裂與夏墊斷裂交界處。不適宜性主要影響因素為地殼穩(wěn)定性差、地面沉降、活動(dòng)斷裂、砂土液化等（圖3）。

圖3 中層地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)圖Fig.3 Geological environment suitability zoning map for development of middle underground space

深層適宜區(qū)面積為859.99 km2，占比39.74%；較適宜區(qū)面積為873.71 km2，占比40.37%；較不適宜區(qū)面積為251.62 km2，占比11.63%；不適宜區(qū)面積為178.60 km2，占比8.25%。深層地下空間開發(fā)利用不適宜區(qū)主要分布于通州區(qū)宋莊鎮(zhèn)西北部，張家灣斷裂與南苑-通縣斷裂交界處，通州區(qū)張家灣鎮(zhèn)，臺(tái)湖鎮(zhèn)東部，三河市齊心莊鎮(zhèn)，高樓鎮(zhèn)北部，張家灣斷裂、燕郊斷裂與夏墊斷裂交界處。不適宜性主要影響因素為巖溶塌陷、地面沉降、活動(dòng)斷裂等（圖4）。

圖4 深層地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)圖Fig.4 Geological environment suitability zoning map for deep underground space development

5 結(jié)論與建議

基于層次分析法對(duì)北京通州區(qū)和河北廊坊北三縣地下空間開發(fā)進(jìn)行了淺、中、深三個(gè)不同深度的地下空間開發(fā)利用地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示研究區(qū)70%以上的面積區(qū)域適宜或較適宜地下空間開發(fā)利用。對(duì)不適宜區(qū)重點(diǎn)要關(guān)注活動(dòng)斷裂、巖溶塌陷、地面沉降、砂土液化、地裂縫等主要因素，建議在地下空間開發(fā)利用時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的預(yù)防措施。評(píng)價(jià)結(jié)果可為該地區(qū)地下空間的合理開發(fā)利用提供參考。