济南市城市地下空间资源开发利用适宜性评价

秦品瑞，高帅,2，徐军祥，李常锁，徐秋晓，丁冠涛

(1.山东省地质矿产勘查开发局八○一水文地质工程地质大队, 山东 济南 250014；2.山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061；3.山东省地质矿产勘查开发局,山东 济南 250013)

0 引言

随着我国经济的快速发展，国内不少城市城区面积急剧扩张，出现用地紧张，地价攀升的现象，城市的生存环境日趋恶化，交通拥挤、能源缺乏、水资源污染等矛盾层出不穷。因此，要解决以上诸多矛盾，走城市发展的可持续道路，必然要对城市地下空间资源进行充分开发与利用[1-6]。

从广义的角度看，地表以下一定范围的岩土体，包括岩土体的密实部分和无岩土体的空间部分。而从开发和利用的角度来看，地下空间是指地球表面以下的土层或岩层中天然形成或人工开发形成的空间场所。开发利用地下空间资源，首先要清楚地掌握研究区域地下空间资源开发利用过程中所涉及到的影响因素及所存在的问题，对未开发区域进行科学的评价并制定开发利用规划，保障城市地下水空间资源合理有序开发利用，保障城市健康发展[7-11]。因此，该文在系统地分析济南市水文及水文地质、工程地质、环境地质、人类工程活动等因素的基础上，考虑济南泉水保护影响因素，建立济南市地下水空间资源开发利用评价模型，并提出济南市地下空间资源各适宜区的开发利用建议，为未来济南市地下空间资源开发利用提供科学的理论依据。

1 评价方法

由于涉及地下空间资源开发利用的影响因素较多，各个评价因素具有不同属性、不同度量标准、不同定性或定量标准，而且评价因素之间具有复杂性及多层次性等问题，采用精确的确定性模型来求评价因素的权重是不现实的。因此，可以对各评价因素进行统一化和规范化，并对整体问题进行层次分解和重新构造，建立多目标的综合评价指标体系和模型来解决这一问题[12-13]。基于以上分析，该文采用层次分析法、专家调查法，构造了城市地下空间资源开发利用适宜性评价指标体系，并结合GIS技术进行城市地下空间开发利用适宜性评价。

1.1 层次分析法

层次分析法(Analytical Hierarchy Process，AHP)是美国运筹学家T.L.Saaty教授20世纪70年代提出的一种为处理多目标问题的系统分析方法[12-14]。该方法基于对问题的全面考虑，将定量与定性分析相结合，把人的主观判断用数量形式表达和处理，将决策者的经验予以量化。层次分析法在环境风险评价、工程安全评价、水质评价等多个领域有着广泛的应用，特别适宜于具有分层结构的评估指标体系，而且评估指标又难于定量描述的决策问题[15-20]。

层次分析法是把复杂问题分解成若干因素，按隶属关系将这些因素分组，使之形成有序的递阶层次结构(图1)，在此基础上，通过两两比较的方式，判断各层次中各个因素的相对重要程度，建立判断矩阵，通过计算判断矩阵的最大特征值及特征向量，得出不同方案重要性程度的权重，为最佳方案的选择提供依据[15,21]。

图1 AHP的递阶层次结构

(1)分析和确定参与定权的环境因子。通过咨询行业专家，把研究问题分解为若干影响因素，再把影响因素按类别分成若干组，以形成不同层次，从而建立递阶层次结构，明确评估目标、评估准则、评估指标，把整体问题系统化、条理化、层次化。

(2)确定判断矩阵。在建立递阶层次结构后，就确定了上下层因素之间的隶属关系，邀请地下空间、工程地质、水文地质等方面的专家，按照1～9标度值，对各个因素进行两两判断，构造判断矩阵(表1)[16]。

根据打分表，构造判断矩阵：

(1)

式中：uij—ui对uj的相对重要性数值(标度值)；m—评价因子数。

表1 判断矩阵标度及其含义

(3)层次分析法确定权值。根据判断矩阵，求出判断矩阵的最大特征值及特征向量，所求特征向量即为各评价因素的重要性排序，归一化后，也就是权值分配。

由于客观事物的复杂性或对事物认识的片面性，通过所构造的判断矩阵求出的特征向量(权值)是否合理，需要对判断矩阵进行一致性和随机性检验，检验为公式(2)：

CR=CI/RI

(2)

式中：CR—判断矩阵的随机一致性比率；CI—判断矩阵一致性指标。CI由式(3)计算：

CI=1/(m-1)(λmax-m)

(3)

式中：λmax—最大特征根；m—判断矩阵阶数；RI—判断矩阵的平均随机一致性指标。

RI由大量试验给出，对于低阶判断矩阵，RI取值列于表2。当CR<0.1时，即认为判断矩阵具有满意的一致性，说明权值分配是合理的；否则，就需要调整判断矩阵，直到取得满意的一致性为止[22-23]。

表2 层次分析法的平均随机一致性指标值

1.2 排除法

在地下空间资源开发利用过程中，地下空间的开发会受到各种因素的影响，排除已有建筑物、地下管线、已建设地下建筑、生态用地、特殊保护用地等限制后，剩下的地下空间范围就是可以进一步开发利用的资源，这一过程就是排除法。

济南以泉水闻名于世，泉水对济南市具有十分重要的社会、经济、生态效益，泉水保护对济南市地下空间开发利用具有制约作用。因此，该文采用排除法将泉水保护制约区进行排除，再对剩余地下空间的开发利用进行适宜性评价。

2 评价模型

2.1 评价数学模型

根据层次分析法的基本原理，并考虑评价体系中不同评价指标对地下空间资源开发利用的影响程度不同，采用多目标线性加权函数建立评价数学模型。

(4)

式中：S—评价目标总体得分(0≤S≤1)；Cj—第j个主题的权重；Aji—第j个主题中第i个评价指标的量化分值；Bji—第j个主题中第i个评价指标的权重；m—主题的数量；n为某主题中评价指标的数量。

2.2 评价指标体系

结合前人对济南地下空间资源开发利用影响因素的研究，采用专家调查法，依据水文及水文地质、工程地质、环境地质、人类工程活动等条件，结合城市本身的特点，按分级、分序、抓主、淡次的原则，构建了城市地下空间资源开发利用多层次评价指标体系(图2)。

图2 城市地下空间资源开发利用适宜性评价指标体系

2.3 指标的量化

在进行城市地下空间开发利用适宜性评价时，需要对各项评价指标进行量化，而对于不同地形、地质、水文条件的城市，即使相同指标，其量化情况也相差甚大。现以济南市为例，对其各项指标量化情况如表3所示。

2.3.1 地下水富水性

地下水富水性是反应地下含水层出水能力的指标，该指标的大小直接影响地下水空间开发地下水控制的难度。在富水性对地下空间开发的影响主要为2个方面，一是地下工程施工过程中，地下水水动力条件的改变，易造成渗流潜蚀突涌和管涌等，造成基坑边坡失稳或支护结构破坏等安全事故；二是地下水会给地下结构施加浮托作用，如果结构强度或抗浮措施不够，易造成地下结构破坏。因此，地下水富水性越小，对地下空间开发越有利，根据地区富水性情况，对地下水富水性进行量化。

2.3.2 地下水腐蚀性

2.3.3 地下水位最小埋深

地下水位最小埋深的大小将直接影响到地下工程的控水措施及施工成本，地下水位最小埋深对地下空间开发利用的影响与地下水富水性类似。同时，地下水位的变化会改变地下结构所受的浮托作用，地基的强度及受力条件，影响地下结构的稳定性。因此，将地下水位最小埋深作为评价指标之一。

2.3.4 地表水体

虽然地下空间开发利用主要针对地面以下的空间资源，但是地表水体也会影响地下空间开发利用。该文将地表水体分为主要水体和次要水体，主要水体包括城市范围内的湖泊、水库、大型河流，而次要水体包括支流、沟渠等，并建立水体缓冲范围的概念，分别建立主要水体分为50m，100m和次要水体30m，50m缓冲范围等级，建立的指标量化如表3所示。

表3 地质评价指标量化

2.3.5 断裂构造

断裂构造对地下工程的影响主要表现为：一是断裂错动引起的地下结构的破坏，二是断裂活动引起的次生效应，例如崩塌、滑坡、地裂缝、地基失稳等，三是断裂破碎带岩土体强度低，而且一般为地下水富集带，对地下工程产生严重的安全隐患等等。根据对断裂构造性质的分析，将断裂构造分为一般性断裂和活动性断裂，并根据地表水体的研究方法，分别建立10m，50m，100m和50m，250m，500m缓冲范围等级，具体指标量化如表3所示。

2.3.6 岩土层综合分区

土体和岩体是地下工程的环境载体，岩土体的性质直接影响到地下工程的安全性、稳定性等。通过搜集研究区的钻孔资料，对各个钻孔的地层进行聚类汇总并对地层进行赋值，根据岩土层综合得分进行等级划分。

2.3.7 软土

软土具有含水量大、压缩性高、抗剪强度低、承载力低等工程特征，在附加载荷或较强震动作用下会产生较大变形，对地下工程稳定性和安全性造成很大影响，不同程度地降低地下空间环境工程质量。因此，根据有无软土分布进行等级划分。

2.3.8 湿陷性黄土

黄土是第四纪干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物，对地下空间的影响主要为，湿陷性黄土浸水后，结构迅速破坏、强度明显降低，并发生显著附加下沉现象，对建筑物安全与施工会造成不良影响和危害。故根据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025—2004)对湿陷性黄土进行指标量化。

2.3.9 采空塌陷

采空塌陷是指由于地下挖掘形成空间,造成上部岩土层在自重作用下失稳而引起的地面塌陷现象。可以根据采空塌陷的分布范围、自然和人类活动等条件，将研究区划分为采空塌陷高易发区、中易发区、低易发区和不易发区。

2.3.10 岩溶塌陷

岩溶塌陷由于可溶岩(以碳酸盐岩为主，其次有石膏、岩盐等)中存在的溶洞引发地面塌陷而产生的。岩溶塌陷对地下工程的结构安全会造成较大影响。首先，溶洞顶板厚度不足，易发生顶板塌陷造成地下工程地基突然失稳，丧失承载力；其次，岩溶形态复杂，溶洞分布无规律，灰岩层交错起伏，地下工程施工困难。

2.3.11 崩滑流

崩塌、滑坡、泥石流等突发地质灾害在我国分布广泛，常发生于低山丘陵地区。崩滑流对地下空间开发的影响主要表现在易造成工程施工事故、影响地下结构的正常使用等。因此，采用灾害发生的危险性等级进行评价。

2.3.12 地裂缝

地裂缝是地表岩层、土体在自然因素(地壳活动、水的作用等)或人为因素(抽水、灌溉、开挖等)作用下产生开裂，并在地面形成一定长度和宽度裂缝的一种宏观地表破坏现象。地裂缝对地下空间开发的影响主要表现在地裂缝错动导致的地下工程的结构变形甚至破坏。

2.3.13 地面空间地物类型

地下空间的开发利用会受到地面空间利用现状不同程度的影响，例如高层建筑、高架立交桥、水面、铁路、机场、工业厂区和历史街区的分布状况。以遥感影像数据为基本资料，结合地面调查的有关资料和图件进行分析，对地物类型进行聚类汇总，得到地面空间地物类型的指标量化结果。

2.3.14 已开发地下工程

随着城市规模、人口的不断发展，城市内地下空间资源已经部分被开发，包括地铁、综合管廊、高层建筑地下室、地下商场、人防工程等。根据地下空间是否被开发及开发类型等条件，对已开发地下工程进行分类汇总，得到该评价指标的量化结果，如表3所示。

2.4 权重参数的确定

针对城市地下空间分布情况，将地下空间开发分为浅层和次浅层，浅层开发深度为0～15m，次浅层开发深度为15～30m。通过构造指标判断矩阵，求得最大特征值、特征向量，并通过一致性检验，最终进行层次总排序(表4、表5)。

表4 浅层(0～15m)各级影响因素权重统计

表5 次浅层(15～30m)各级影响因素权重统计

2.5 评价等级的划分

通过前述计算结果，对地下空间资源开发利用适宜性进行综合评价分级，采用分值区间平均分配原则将研究区划分为4个评价区，即地下空间开发利用适宜性优区、良区、中区、差区。评价得分(S)，适宜性优区为0.75～1，适宜性良区为0.5～0.75，适宜性中区为0.25～0.5，适宜性差区为0～0.25。

2.6 泉水保护制约

地下空间开发对泉水保护影响是研究济南地下空间开发地质环境适宜性评价的关键，对济南市城市地下空间资源开发具有一票否决制，因此需要对地下空间开发利用制约区进行评价。在评价中需要考虑地质条件的复杂多变性，如地质构造、水文地质条件、隔水层因素、岩溶发育情况、灰岩顶板埋深等多种因素。以下选取灰岩顶板埋深、岩溶地下水位最小埋深、底板隔水层厚度及岩溶发育深度4个因素进行地下空间开发对泉水保护影响分析。

2.6.1 灰岩顶板埋深

灰岩顶板埋深对地下空间开发利用的限制主要表现在地层中原始的地应力平衡被打破，地应力进行了重新分布，底板隔水岩层可能受到破坏，另一方面，地下空间开发深度越大，一旦进入灰岩含水层，则会造成岩溶水过水断面面积的减小，直接影响含水层对泉群的有效补给。因此，灰岩顶板埋深小于15m或30m的区域不适宜进行地下空间开发。

2.6.2 岩溶地下水位最小埋深

考虑到地下水位的是随年际不断变化，采用岩溶地下水位最小埋深作为泉水保护制约因素之一。当地下空间穿过奥陶纪岩溶地层时，如果地下空间开发深度位于岩溶地下水位以下，必然会减小岩溶水过水断面面积，有可能引发水动力条件的变化及水化学场的改变，不利于泉水保护。同时岩溶地下水多为微承压或承压水，在地下施工过程中，可能因封堵不良或断层影响引发巷道突水，对工程主体的稳定性造成影响。

2.6.3 底板隔水层厚度

该文所指底板隔水层厚度为地下空间开发底板与岩溶含水地层之间隔水层厚度，它是反应隔水性能的主要指标，是唯一起阻水作用的主要因素。有效的隔水层将很大程度上隔绝岩溶含水层与上部地层之间的联系，减少地下空间开发过程中地层开挖对含水层水力联系的破坏，也可以有效减少上层污染物进入岩溶含水层中，从而可以有效保护泉水。该指标是根据研究区地层结构、泉水成因等水文地质条件确定，该文根据研究区条件，将有效隔水性能的隔水层厚度定为19m。

2.6.4 岩溶发育深度

岩溶发育层位不同，在地下空间开发过程中对泉水影响也有所不同。对于地下空间开发而言，岩溶含水层的发育深度愈大，工程建设开挖层位离岩溶含水层岩溶发育通道愈远，工程建设对岩溶含水层造成破坏的潜在风险愈小，对泉水保护愈有利。可根据研究区岩溶发育特征和泉水成因等因素确定岩溶发育深度，该文根据研究区条件，将对泉水影响较大的岩溶发育深度定为40m。

根据对灰岩顶板埋深、岩溶地下水位最小埋深、底板隔水层厚度及岩溶发育深度4个因素，进行地下空间开发对泉水保护影响分析(表6、表7)。

表6 浅层地下空间开发对泉水影响评价

表7 次浅层地下空间开发对泉水影响评价

3 模型应用

3.1 研究区概况

济南市位于山东省中部，南倚泰山，北临黄河，市内分布有趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、五龙潭四大泉群，以“泉城”而著称于世，是我国著名的旅游城市。济南市地下空间资源评价范围以《济南市城市发展总体规划(2006—2020)》划定的济南市中心城区范围为基础并适当外扩，东至章丘区，西南至南大沙河以东(归德镇界)，西北至黄河，南至双尖山、兴隆山一带山体及规划的济莱高速公路，北至黄河以北青银高速及济青高速公路，面积1829km2(图3)。

图3 研究区范围交通位置图

利用GIS空间分析功能，分别对浅层和次浅层14个因子图进行叠加运算，得到整体评价图。然后将整体评价图与泉水影响的制约区进行叠加，最终生成地下空间资源开发综合适宜性分区图。

3.2 泉水保护制约区

通过对研究区内大量水文地质钻孔、工程地质钻孔数据的汇总统计，得到地下空间开发制约区，即对济南泉水水量可能有影响的范围(图4)。可以看出，研究区浅层地下空间开发制约区主要分布在段店镇以南党家庄镇以北、市区四大泉群集中排泄区一带、王舍人镇以北及白泉泉域排泄区一带。以济南四大泉群南部经十路一线为例，从该线地质剖面图(图5)可以看出，该段地层灰岩隐伏于第四系之下，而且灰岩顶板埋深大部分小于15m，同时根据钻孔资料可知，该灰岩地层溶孔、裂隙发育，是泉水主要补给含水层之一，因此该区域划分为泉水保护制约区。

1—基于泉水保护的地下空间制约区；2—剖面线图4 浅层(0～15m)地下空间资源开发泉水保护制约区分布图

1—第四纪、新近纪粉质粘土；2—奥陶纪马家沟群北奄庄组；3—寒武-奥陶纪九龙群三山子组；4—寒武-奥陶纪九龙群炒米店组；5—辉长岩；6—溶洞；7—断裂；8—混合水位线；9—地层界限；10—钻孔孔号及孔深图5 Ⅰ-Ⅱ'地质剖面图

次浅层地下空间开发制约区主要分布在平安店镇西南名庄—潘村一带、党家—七贤—市区四大泉群集中排泄区一带、白泉泉域排泄区一带及在姚家、东十里河、石河岭一带零星分布(图6)。上述区域一般为灰岩顶板埋深小于30m，隔水层厚度小或无隔水层，岩溶地下水水位埋深小于30m，且部分地区40m以内岩溶裂隙较发育。

图6 次浅层(15～30m)地下空间资源开发泉水保护制约区分布图

3.3 综合适宜性分区

3.3.1 浅层地下空间适宜性分区

从表7可以看出，该层地下空间适宜性优的面积为293.38km2，占研究区面积的16.04%，从图7可以看出，该分区主要分布在研究区南部低山丘陵区，该区域一般基岩裸露，区内无大型断裂发育，工程地质、水文地质条件优良，地表和地下无人类开发活动，这些有利条件可使该区地下空间开发难度小，降低开发成本。适宜性为良的面积为760.4km2，占研究区面积的41.58%，是分布面积最广的区域，该区主要分布在市区及市区周围片区，其大部分区域工程地质条件较好，但是部分地区会出现砂土、粉质粘土等工程地质条件复杂的土层以及采空、岩溶塌陷区，在该区进行地下空间开发利用时，需要充分调查清楚水文地质条件和工程地质条件。

图7 地质环境适宜性分区统计柱状图

适宜性为中的面积为456.50km2，占研究区面积的24.96%，该区主要分布在北部黄河北崔寨、东部西巴漏河冲洪积扇一带、西部玉符河—北大沙河冲洪积扇一带、大型高速公路、铁路一线以及各大断层两侧影响区。该区水文地质条件、工程地质条件比较复杂，地下水位埋深浅、断裂分布、土体厚且土体结构复杂并存在软土分布等。适宜性为差的面积为264.48km2，占研究区的14.46%，该区主要分布在北部黄河两岸附件及小清河附近、东部西巴漏河冲洪积扇轴部官庄—枣园—贾镇一带、中部煤矿开采区及活动断裂两侧，同时市区已建高层建筑、防空设施和历史保护建筑等也列入此区。该区水文地质条件、工程地质条件复杂，地层富水性强、水位埋深浅，且存在湿陷性黄土、软土等，在该区进行地下空间开发中，施工技术复杂，施工成本高，特别是注意突水、防止降排水引起的坍塌等问题。

3.3.2 次浅层地下空间适宜性分区

从图8可以看出，次浅层地下空间各分区面积与浅层地下空间基本一致，不过次浅层地下空间适宜性差的分布面积较小，但是泉水保护制约区分布面积却相对较大。从图8和图9对比来看，次浅层地下空间中，适宜性优和适宜性良的区域分布与浅层基本一致，适宜性中的区域增加了长清—平安店北侧区域，适宜性差的区域主要分布在东部西巴漏河冲洪积扇轴部官庄—枣园—贾镇一带，其他地区只在河流、湖泊零星分布。

1—适宜性差区；2—适宜性中区；3—适宜性良区；4—适宜性优区；5—地下空间开发制约区图8 浅层(0～15m)地下空间资源开发地质环境适宜性分区图

1—适宜性差区；2—适宜性中区；3—适宜性良区；4—适宜性优区；5—地下空间开发制约区图9 次浅层(15～30m)地下空间资源开发地质环境适宜性分区图

4 讨论

4.1 评价指标的影响

地下空间资源开发利用涉及的地质问题十分复杂，需要地质、水文地质、工程地质、环境地质等多领域理论相互结合，但是在不同地区各种因素的评价指标、影响程度不尽相同。因此，在进行地下空间资源开发利用适宜性评价时，需要因地制宜地选取评价指标，并且保证评价指标量化准确。若评价指标不够准确、全面，量化不够合理，则可能会导致评价结果与实际产生较大的偏差。同时，在进行地下空间资源开发利用适宜性评价时，所选取的参数在研究区内均为离散数据，且数据分布具有较强的不均匀性，因此，可能存在局部地下空间条件与评价结果不相符的情况。

4.2 泉水保护制约因素

泉水保护主要是水量和水质两个方面的保护，同时地下空间开发对泉水的影响也应该体现在水量和水质2个方面，由于研究区地质及水文地质条件特殊，灰岩埋深较浅且大部分与第四系直接接触，特别是在研究区南部，灰岩裸露于地表，而地下工程在施工期间不可避免地会对地下水环境产生影响，均会影响到泉水水质，一般来说其对地下水环境所产生的影响是局部范围内的，但是某些特殊地下工程所造成的影响是长期存在的。该文选取的4个制约因素仅与泉水水量有关，缺少对泉水水质制约因素的评价，需要进一步研究济南地区地下空间资源开发利用适宜性评价。

5 结论及建议

(1)该文基于水文及水文地质、工程地质、环境地质、人类工程活动等条件，结合济南市泉水保护的制约性，建立了城市地下空间资源开发利用综合评价模型，并利用GIS技术强大的数据处理能力，对济南市地下空间资源开发利用进行了环境地质适宜性评价。

(2)通过对泉水保护制约区的评价结果来看，研究区浅层地下空间开发制约区主要分布在段店镇以南党家庄镇以北、市区四大泉群集中排泄区一带、王舍人镇以北及白泉泉域排泄区一带。次浅层地下空间开发制约区主要分布在平安店镇西南名庄—潘村一带、党家—七贤—市区四大泉群集中排泄区一带、白泉泉域排泄区一带及在姚家、东十里河、石河岭一带零星分布。次浅层制约面积要大于浅层制约区，并且济南市地下空间开发利用制约区(浅层、次浅层)大多分布在泉域地下水径流区、泉群排泄区域。

(3)从综合评价结果看，济南城市规划区拥有数量可观的地下空间资源，优良的地下空间资源占整个研究区60%以上，大多分布在研究区中部及南部区域，但考虑到济南泉水保护的重要性，对于研究区南部泉域补给区不易进行大规模的地下空间开发，只适宜进行必要的线状局部性开发利用，如埋设城市基础设施管线，建设轨道交通等。

(4)该文选取的泉水保护制约因素主要体现在水量方面，缺少对水质方面的制约，考虑到济南泉水具有文化教育、旅游、科研等多方面的社会、经济意义，下一步工作建议引入泉水水质制约因素，更加完善地建立泉水保护制约体系，同时保护泉水水量和水质问题。