基于GIS 的武漢市長江新城地下空間資源質(zhì)量評估

熊 峰，江 丹，吳品磊，龐設(shè)典，官善友

武漢市勘察設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430022

0 引言

長江新城是武漢市政府規(guī)劃的一個新區(qū)，位于武漢市中北部的長江邊上，是武漢重點打造的“未來之星”. 2018—2019 年，對長江新城開展了空間、資源、環(huán)境、災(zāi)害多要素城市地質(zhì)調(diào)查，通過地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探、測試等手段，查明了區(qū)域內(nèi)土壤層、工程建設(shè)層、主要含水層等的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，在此基礎(chǔ)上開展了國土空間綜合評價，其中地下空間資源評價是一項重要內(nèi)容. 本文以長江新城為例，建立一種科學(xué)、實用、便捷的城市地下空間資源質(zhì)量評價體系，服務(wù)于長江新城地下空間規(guī)劃、建設(shè).

地下空間開發(fā)是當(dāng)下城市建設(shè)的熱點. 城市地下空間是寶貴的有限資源，規(guī)劃失誤和反復(fù)折騰必然造成巨大的浪費，充分利用地下空間需要科學(xué)系統(tǒng)地制定規(guī)劃［1-2］. 在開發(fā)利用地下空間時應(yīng)全面考量其適宜性，實現(xiàn)綜合開發(fā)效益最大化［3-5］.《城市地下空間規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》［6］提出城市地下空間規(guī)劃和開發(fā)利用前應(yīng)進行地下空間資源質(zhì)量評估，且評估內(nèi)容應(yīng)包含但不限于自然因素、環(huán)境要素、人文要素和建設(shè)要素4 個方面. 目前地下空間評價方法主要為“GIS＋綜合評價”，常涉及3 種模式：1）基于地質(zhì)環(huán)境因素的評價［7-10］；2）基于既有建筑影響和地質(zhì)環(huán)境因素的評價［11-15］；3）基于地質(zhì)、既有建筑和開發(fā)利用效益的綜合評價［16-19］.由于缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)且各個地方實際情況差異較大，地下空間評價體系、方法等不盡相同，借鑒和使用起來較為困難.

本文的觀點是，服務(wù)于規(guī)劃、建設(shè)的地下空間資源質(zhì)量評估所得的應(yīng)是一種客觀的結(jié)果，僅與地下空間自身因素有關(guān)，而不考慮人為賦予的地下空間開發(fā)的價值效益. 因此，長江新城地下空間資源質(zhì)量評價體系是基于上述第二種模式建立的.

1 研究區(qū)概況

長江新城地處武漢市北部，其范圍東至倒水河，西臨灄水河，南抵長江北岸，北達G318 高速公路，總面積550 km2. 地貌單元主要為沖湖積平原，分布于武湖周邊；沖積－堆積平原，主要分布于長江、倒水河、灄水河沿岸；剝蝕丘陵區(qū)，主要分布于研究區(qū)西側(cè)、北側(cè).整體地勢起伏小，海拔高程一般在16～70 m 之間，表現(xiàn)為東南低，西北高. 構(gòu)造活動較弱，主要受北西向的襄廣斷裂和北東向的長江斷裂影響. 地下水類型主要為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、巖漿巖－變質(zhì)巖類裂隙水和碳酸鹽巖類巖溶裂隙水，相同含水層涌水量差異較大. 發(fā)育有碳酸鹽巖、碎屑巖、松散－密實砂土，少量凝灰?guī)r、玄武巖和花崗巖，且基巖埋深一般在40 m 以內(nèi). 巖溶塌陷和地面沉降是區(qū)內(nèi)的主要地質(zhì)災(zāi)害類型. 長江新城東南側(cè)和西南側(cè)各有一個垃圾填埋場，分別為岱山垃圾填埋場和陳家沖垃圾填埋場.

2 研究方法

2.1 開發(fā)深度分層

城市地下空間利用遵循分層利用、由淺入深的原則. 研究表明，多數(shù)城市常以15 m、30 m 為界將地下空間劃分為淺層、次淺層和深層［20］.《城市地下空間規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》對地下空間分層也有界定，分別以15 m、30 m、50 m 為界將地下空間劃分為淺層、次淺層、次深層和深層4 個層次.本次評價參照該標(biāo)準(zhǔn)進行淺層（0～15 m）、次淺層（15～30 m）、次深層（30～50 m）、深層（50～100 m）的分層評價. 顯然，深度越大，地質(zhì)條件的可利用難度系數(shù)、地下工程施工和使用成本相應(yīng)提高，地下空間質(zhì)量水平相應(yīng)降低. 有專家提出采用系數(shù)調(diào)節(jié)法對地下空間資源質(zhì)量進行折減［21］，為簡單起見，對地下0～100 m 范圍內(nèi)的折減系數(shù)（αH）進行假定：

1）統(tǒng)一層內(nèi)折減系數(shù)相同，且淺層折減系數(shù)為1（不折減）；

2）折減系數(shù)是基于分層埋置深度H 的線性函數(shù)，即αH＝1－H/1000，且H＝0 時，αH＝1.

根據(jù)上述，淺層（0～15 m）、次淺層（15～30 m）、次深層（30～50 m）和深層（50～100 m）的折減系數(shù)依次取值為1、0.85、0.7 和0.5.

2.2 適建性分區(qū)

現(xiàn)有的建筑、文物、生態(tài)及農(nóng)業(yè)保護區(qū)等對地下空間影響較大，因此在進行地下空間質(zhì)量評估前還應(yīng)根據(jù)場地的實際情況開展適建性分區(qū). 長江新城范圍地下空間適建性主要受地表及地下建筑影響. 將建筑物對地下空間資源的影響進行分級，并對不同深度、不同程度的影響進行分區(qū)，將評價范圍劃分為嚴(yán)重限制區(qū)、一般限制區(qū)和非限制區(qū)（詳見表1）. 嚴(yán)重限制區(qū)的地下空間資源質(zhì)量差；非限制區(qū)表示對地下空間開發(fā)無影響；一般限制區(qū)表示對地下空間開發(fā)有一定的影響，影響程度用折減系數(shù)αB表示，咨詢專家意見后，取αB＝0.8.

表1 適建性分區(qū)參照表Table 1 Zoning of construction suitability

2.3 指標(biāo)及權(quán)重確定

2.3.1 指標(biāo)體系

指標(biāo)體系的建立應(yīng)遵循有針對性、普適性、數(shù)據(jù)易取得以及指標(biāo)可量化原則［22］. 除了開挖深度和地上地下建設(shè)現(xiàn)狀因素，地下空間資源質(zhì)量還受地形地貌、巖土體工程條件、水文地質(zhì)、不良地質(zhì)作用與災(zāi)害、特殊性巖土等地質(zhì)環(huán)境因素的影響. 由于長江新城地形起伏小且地形地貌對地下空間資源質(zhì)量的影響多是綜合性的影響，與場地其他地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)相關(guān)，為避免重復(fù)計算，盡量保證各指標(biāo)因子的獨立性.

指標(biāo)量化采用“分級－打分”的方法，即首先根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗、規(guī)范進行等級劃分，一般可劃分為4 個等級. 各級取值范圍分別為：優(yōu)（0.75～1.00）、良（0.5～0.75）、中（0.25～0.50）、差（0～0.25）. 然后，采用專家打分法，在各等級的取值范圍內(nèi)確定得分值. 由于指標(biāo)屬性的差異，各指標(biāo)劃分存在等級數(shù)量不一的情況，此時應(yīng)根據(jù)實際情況在0～1 范圍內(nèi)等差取值，如表2 所示. 其中隧道圍巖等級和巖土施工工程等級分別參照《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50307—2012）確定；地下水腐蝕性參照《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）確定；地面沉降分區(qū)參照《武漢市深厚軟土區(qū)域市政與建筑工程地面沉降防控技術(shù)導(dǎo)則》，且地面沉降主要影響淺層、次淺層及次深層地下空間，對深層地下空間影響較小. 一般地，地表高程越低，地下水承壓性越高，含水層涌水量可根據(jù)含水層厚度和地表高程的比值綜合確定.

表2 指標(biāo)體系及分級依據(jù)參照表Table 2 Index system and grading basis

2.3.2 指標(biāo)權(quán)重

指標(biāo)權(quán)重的確定擬采用層次分析法（AHP）. 它是目前確立統(tǒng)計權(quán)數(shù)的最有效方法之一，應(yīng)用十分廣泛［23］，其原理是通過構(gòu)建兩兩重要程度的判別矩陣，通過求取最大特征根對應(yīng)的特征向量來確定各指標(biāo)的權(quán)重. 本研究評價指標(biāo)的權(quán)重值如表3 所示.

表3 指標(biāo)權(quán)重計算匯總表Table 3 Calculation results of index weights

指標(biāo)權(quán)重的計算結(jié)果顯示，對于長江新城地下空間資源質(zhì)量影響較大的因素為建設(shè)現(xiàn)狀、開挖深度、圍巖穩(wěn)定性、地下水涌水量、軟土、地下水位埋深、巖土體可挖性等.

2.4 地下空間資源質(zhì)量評估

將各指標(biāo)按照式（1）進行疊加計算，計算所得y值，按照淺層（0～15 m）、次淺層（15～30 m）、次深層（30～50 m）和深層（50～100 m）分別進行地下空間資源質(zhì)量分區(qū).

式中，y 表示地下空間資源質(zhì)量值；αH、αB分別表示開發(fā)深度折減系數(shù)、建設(shè)現(xiàn)狀折減系數(shù)；wi表示指標(biāo)i 的權(quán)重，參照表3；xi表示指標(biāo)i 的量化值.

最后，根據(jù)y 值的大小，參照表4 對地下空間資源質(zhì)量進行等級劃分.

表4 地下空間資源質(zhì)量等級劃分表Table 4 Quality grading of underground space resources

3 結(jié)果與分析

根據(jù)上述評價方法，對長江新城不同深度范圍的地下空間資源質(zhì)量劃分為“優(yōu)、良、中、差”4 個等級. 評價結(jié)果如圖1 所示.

圖1 長江新城地下空間資源質(zhì)量分區(qū)圖Fig. 1 Quality zoning map of underground spacer sources in Yangtze River Demonstration Districta—淺層（shallow level）；b—次淺層（sub-shallow level）；c—次深層（sub-deep level）；d—深層（deep level）；1—優(yōu)（excellent）；2—良（good）；3—中（medium）；4—差（poor）；5—水域（waters）

評價結(jié)果顯示，長江新城地下空間資源質(zhì)量的主要限制性因素是現(xiàn)有地下構(gòu)筑物. 除此之外，西南側(cè)海拔較低，覆蓋層較厚，受長江影響，地下水作用強烈，巖土體工程質(zhì)量較差，且在研究區(qū)西南角有巖溶發(fā)育，使地下空間開發(fā)難度增大，地下空間資源質(zhì)量較差；東側(cè)和北側(cè)基巖埋深較淺，多為砂巖，圍巖及地基穩(wěn)定性良好，且較容易開挖，不良地質(zhì)作用及地質(zhì)災(zāi)害等不發(fā)育，地下空間開發(fā)難度較小，地下空間資源質(zhì)量優(yōu). 地下空間資源質(zhì)量優(yōu)良的地區(qū)，地下空間開發(fā)不僅能節(jié)約成本，而且可以減少工程事故和災(zāi)害，同等條件下，應(yīng)優(yōu)先布局；對于地下空間資源質(zhì)量中等或差的區(qū)域，應(yīng)首先弄清楚影響該區(qū)域的主要限制因素；對于嚴(yán)重限制區(qū)應(yīng)采取避讓措施，對于深厚軟土、巖溶等地質(zhì)環(huán)境條件限制區(qū)域應(yīng)合理開發(fā)并制定有效的工程措施. 各分層的地下空間資源特征及開發(fā)利用建議詳見表5.

表5 地下空間資源質(zhì)量特征及開發(fā)利用建議Table 5 Quality characteristics of underground space resources and development suggestions

4 結(jié)論與建議

本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)實際情況，充分考慮影響長江新城地下空間資源質(zhì)量的各種自身環(huán)境因素，開展地下空間資源質(zhì)量評價，并進行資源質(zhì)量等級劃分. 評價結(jié)果反映研究區(qū)內(nèi)地下空間資源質(zhì)量情況，揭示了地下空間開發(fā)過程中的主要限制因素，研究成果可為長江新城地下空間的合理開發(fā)利用提供科學(xué)支撐.

需要指出的是，要實現(xiàn)地下空間開發(fā)利用綜合效益最大化，單純地考慮地下空間資源質(zhì)量是不夠的，還應(yīng)結(jié)合區(qū)位、人口密度、土地價格、用地類型、軌道交通等需求性因素，評價地下空間開發(fā)的綜合效益. 因此，綜合地下空間資源質(zhì)量和地下空間需求預(yù)測的適宜性評價方法是下一步亟待解決的課題.