城市地下空间评估指标体系——以南通市为例

李红昌，查甫生，康 博

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,合肥 230009)

一、引 言

地下空间是指地表以下一定范围内的岩土体占用或包围的空间。城市地下空间作为城市空间资源的重要组成部分，对其进行合理开发可有效缓解城市用地紧张并减少由此产生的交通拥挤、环境污染、生态恶化等问题，从而有助于实现城市土地资源集约化使用和城市可持续发展[1]。城市地下空间作为一种受地质环境、经济实力和技术水平制约的自然空间，会随着城市的发展被逐渐开发利用。目前，地下空间已被广泛应用于社会生活，如地铁、地下停车场、地下商场和地下仓库等。

然而地下空间在开发过程中存在许多问题。为避免地下空间被无序开发和浪费资源，有必要在地下空间管理中建立一套完整的城市地下空间评估指标体系，来引导地下空间的合理开发[2]。本文主要从两个角度评估城市地下空间，一是从城市经济和发展状况评估其开发必要性；二是从区域条件评估其适宜性。

南通市位于江苏省东南部，长江三角洲北翼，据江海之汇，扼南北之喉，是中国首批对外开放的14个沿海城市之一。随着苏通大桥、沪崇苏大通道、通沪铁路等重大工程的建设，南通市的经济得到迅猛发展，随之而来的则是一系列由于城市空间拓展所引发的“城市综合症”，严重影响和制约了南通市的现代化进程。因此，南通市开发地下空间迫在眉睫。基于笔者建立的地下空间评估指标体系，本文对南通市地下空间开发必要性和适宜性作出了评估。南通市为滨海城市，软土分布较为广泛，当开挖软土层时势必扰动周围土体，容易造成地表沉降和周边土体滑移。现有技术也能解决这些问题，如采用分区卸荷、钢支撑轴力伺服系统、设置隔离桩等方法，但使用这些方法势必增加开发地下空间成本，因此在工程地质条件中加入了软土层厚度这一指标。

二、评估指标体系构建的原则与方法

(1) 指标体系构建原则 第一，客观真实性原则。选取的指标都是客观存在且能真实反映地下空间开发的必要性和适宜性。第二，系统层次性原则。指标体系具有层次性，能从不同的层次和方面反映实际情况。同层次的指标之间又相互影响和联系，构成一个完整的系统。第三，全面避重性原则。选取的指标体系能全面地反映城市地下空间情况，而且避免出现重复和相似指标。第四，因地制宜性原则。选取指标时要根据目标区域的实际情况，选择那些最能反映地下空间资源实际情况和特点的指标。第五，定性与定量相结合原则。考虑到评估对象的复杂性，指标体系涉及面广，必然存在无法量化的指标，这时要采用一些主观评价指标进行定性评估。

(2) 指标体系构建及权重计算方法 考虑到指标体系具有层次性且存在无法量化的指标，本文采用模糊层次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process，FAHP)构建指标体系。模糊层次分析法是一种运用模糊数学原理解决层次分析法中指标比较模糊缺陷的方法。

该方法的主要思想是将复杂问题分解为若干层次和若干因素，对两两指标之间的重要程度做出比较判断，建立判断矩阵，通过计算判断矩阵的最大特征值以及对应的特征向量，就可以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[3]。FAHP的关键环节是建立判断矩阵，判断矩阵是否科学、合理直接影响到FAHP的效果[4]。然而检验判断矩阵是否具有一致性十分困难。若判断矩阵不具有一致性，还需要对判断矩阵进行若干次的调整和检查，使其具有一致性，这又增加了工作量和工作难度。为解决这些问题，我们引入模糊数学原理，构造模糊互补矩阵。

模糊数学评价是由美国控制论专家查德于1965年提出的，它引入模糊数学中的“隶属度”，用隶属函数对具有模糊性的指标进行处理[5]。模糊数学评价用隶属函数将评价结果以量化的结果表现出来，更加清楚直观。使用模糊数学构造模糊一致矩阵可以简化运算过程，大大减小工作难度和工作量。

三、指标体系的构成

FAHP将分析决策问题的有关元素分解成目标层、准则层及指标层，构建一个层次结构模型，有利于对复杂决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析，并利用一定的定量信息，使决策的思维过程数学化并最终求解问题[6-7]。

本文结合前人研究，从社会经济条件和区域条件两个方面构建评价城市地下空间开发的必要性和适宜性的指标体系。准则层主要包括：发展水平、交通状况、市政设施状况、城市防灾需求、地质构造、地形、不良地质与地质灾害、水文地质条件、岩土体条件、竖向深度、地下空间环境。指标通过参考大量相关文献和咨询相关行业专家确定，包括2个目标层、11个准则层和28个指标。具体如表1所示。

表1 城市地下空间评估指标体系

具体阐释如下：

第一，城市地下空间的开发与它的发展水平密切相关。人口状况、土地状况和经济状况直接关系一个城市开发地下空间的迫切程度。越是经济发达和人口密集的城市越迫切需要开发城市地下空间。而人均GDP能反映一个城市的经济发展水平，人均占地面积能反映人口密度，人均地下空间面积可以反映城市地下空间的发展水平和开发情况。

第二，交通是城市功能中最活跃的因素，顺畅和便捷的交通系统给城市发展注入活力，而一旦交通阻滞和环境恶化就会使城市生活受到巨大影响和制约[8]。随着城市的发展，道路拥挤、停车难等问题也日渐严重，而开通地铁、开发地下停车场等措施可以很好地缓解这些问题。交通的方便快捷是衡量一个城市运转效率高低的重要指标。考虑到合理性和可操作性，本文选取Tomtom Congest Index(CI)作为指标，该指标以出行时间比为核心，反映实际出行时间比自由流情况出行增加的时间比例[9]。

第三，市政设施状况。城市市政设施，如自来水的供应设施、雨水管道、污水管道、供气设施等一般都埋设于地下，是地下空间资源的一部分。开发城市地下空间需要考虑已有的及将来需要的市政设施。

第四，城市防灾需求。灾害主要分为自然灾害和战争灾害。自然灾害具有突发性和不确定性，因此对城市危害比较大；战争灾害在一定程度上具有预知性，可以提前做好准备、减少损失，如防空洞的建设。城市的灾害防御是城市现代化建设不可忽视的重要任务，开发利用地下空间资源可以有效减轻各类灾害。

第五，地质构造。在地质构造中，褶皱和断层破坏了原有岩体的整体性和完整性，对地下空间工程建设影响较大。褶皱核部因为长期受到水平围岩的压力，较易产生裂隙，破坏了岩体的完整性，降低了岩体强度。断层的断裂带岩层破碎，岩体稳定性降低，可能导致塌方。

第六，地形。在地形高低起伏较大的城市，如果地下空间出入口建在地势较低的区域容易发生雨水倒灌，造成很大损失，因此将历年雨洪淹没深度和雨洪淹没设防等级纳入指标体系。

第七，不良地质与地质灾害。我国是地质灾害比较严重的国家，其中崩塌、地裂缝、地面沉降和地震对地下空间威胁较大，因此在地下空间开发时有必要将这些因素考虑在内。软土层的厚度也是影响地下空间开发的一个重要因素，存在较厚软土层时会大大增加开发成本，特别是沿海和长江附近的城市软土分布十分广泛。南通是滨海城市，因此开发地下空间前考虑软土层厚度十分必要。

第八，地下水是地下空间的重要环境影响物质和生态系统物质。地下水类型的复杂程度、埋深、渗透系数、入渗补给系数和腐蚀性等都会对地下空间的规划布局和开发利用产生很大影响。同时，地下空间的开发也可能对地下水的运动起到阻碍作用，影响该区域的水循环，进而影响该地区的生态系统。

第九，岩石和土体是城市地下空间的环境物质和载体。由于岩石和土体的成分和形成环境不同，其工程性质有很大差异。不同类型与质量的岩土在开挖过程中难度不同，其要求也不同。例如砂类土具有透水性强、压缩性低、压缩速度快、内摩擦角大、抗剪强度较高等特点，是开发地下空间的理想场所，但需要做防水处理。而粘性土具有压缩速度慢、压缩量大、内摩擦角较小等特点，其地基承载力低，变形量大，不利于地下空间的开发。因此岩土类型与质量对地下工程的整体安全性和经济性至关重要。

第十，随着深度的增加，土压力和水压力也逐渐增大，工程地质和水文地质条件越来越复杂，地下空间的开发难度也越来越大。在进行地下空间开发之前需要查明该地区深度对应力的影响。如果随着深度增加应力增加很快，则说明往深处开发的难度越大，投资越大，经济效益越低。

第十一，地下空间环境对地下空间的开挖和建成后的适宜性都有很大影响。因为地下空间是相对封闭的空间，其空气流通性较差，高二氧化碳浓度可能对人体产生危害，不利于施工和建成后的利用。同时水土中的污染物含量和放射性强度也会对人体产生危害，因此查明水土中的污染物含量和放射性强度也是很有必要的。

四、权重的确定

前面已经介绍，本文是用FAHP确认指标的权重。使用此方法不仅可以提高权重的准确性而且还能大大减少计算量。由文献[10]可知模糊互补矩阵和模糊一致矩阵的定义和性质[10]。

模糊层次分析法在确定指标时步骤如下[11]：

设指标集U={U1,U2,…,Un}，需要确定其权重向量w=(w1,w2,…,wn)。根据FAHP法，指标间的重要性标度如下页表2所示。

表2 0.1-0.9标度法

根据表2可得模糊互补矩阵：

(1)

其中，rij表示第i个指标比第j个指标的重要标度。将矩阵R按行求和得：

R'=(r1,r2,…,rn)T

(2)

(3)

不论模糊互补判断矩阵是否满足一致性，都可以使用(3)式计算指标权重[12]。

通过查阅文献和专家打分的方法得到数据并计算结果，得到整个指标体系的权重结果如表3所示：

表3 地下空间指标体系与权重

续表

本指标体系和其它指标体系[13-15]相比具有如下优势[13-15]：

体系上，指标体系更广更全面，从社会经济条件和区域条件两个方面建立框架，囊括了影响地下空间开发的主要因素，不仅可以评估地下空间开发的必要性而且可以评估开发的适宜性。准则层选取对地下空间影响较大的因素，在确定指标层时尽量选用可量化的指标，提高评估的准确性。

权重上，使用模糊层次分析法不仅可以提高定性指标的评估准确性而且可以大大减少计算量。在进行同一准则层的指标间对比时参考了相关文献并咨询了相关专家的意见，保证了权重的客观、真实和准确性。

五、南通市地下空间评估

南通市地区地势平坦，地面高程一般在2.5-4米，向东微倾，上面覆盖200-300米厚的第四纪冲积物，为海、陆交互冲积形成，砂性土、粘性土交互成层，由深到浅呈韵律状组成，因此工程地质条件和水文地质条件较为复杂，本指标体系重点关注地下空间开发中的工程地质条件和水文地质条件，因此以南通市为例较为合适。

要对某城市地下空间进行评估除了先建立一个指标体系外还需要一个评估标准，具体可见表4。

表4 城市地下空间评估标准

续表

根据指标体系和评估标准可以建立一个数学模型，计算的结果可以直观反映城市地下空间开发必要性和适宜性。

(4)

其中，K表示总分；Xi表示第i个指标权重；Yi表示第i个指标的评分，评估等级划分见表5。

表5 评估结果等级划分

综上，第一，南通市地下空间开发必要性评估。根据南通市2018年统计年鉴和相关资料可计算得知总分K为0.76，因此，南通市开发地下空间是非常有必要的。

第二，南通市地下空间开发适宜性评估。根据南通市钻孔资料，用GMS建立一个三维地质模型，对南通市0-50米深度地下空间进行评估，最后将评估结果输入得到如下成果图(图1)。

图1 南通市地下空间适宜性评估结果

在南通市范围内，适宜开发区面积约473平方公里，占5.75%，主要位于海安县，该地区经济发达、地质条件良好，可用于建设地铁、地下街、地下停车场、地下商业娱乐区及地下公用设施等；较适宜开发区面积约4 844平方公里，占58.86%，主要位于如皋市、如东县和启东市北部，该地区经济发达但地质条件一般，可用于建设地铁、地下停车场、地下公用设施等；较不适宜开发区面积约1 287平方公里，占15.64%，主要位于南通市区、通州区和海门区南部，该地区经济发达但地质条件较差，可用于建设地下人行通道等；不适宜开发区面积约1 625平方公里，占19.75%，主要为铁路附近，根据《铁路运输安全保护条例》的相关规定，将铁路两侧各50米的范围划分为不适宜开发区，不建议进行开发和建设。

六、结 语

总之，城市发展面临或将要面临的人口增加，交通拥挤、地价上涨和环境污染等问题，使得地下空间的开发日益重要，但地下空间在开发中存在一些亟待解决的问题。为避免地下空间被无序开发和浪费，需要建立一套评估指标体系来引导地下空间的合理开发。本文提出了构建指标体系的原则与方法，基于这些原则和方法构建了城市地下空间评估指标体系。其中着重考虑了工程地质条件对地下空间开发适宜性的影响，其所占权重也最大。最后以南通市为例，结合其城市特点，考虑了软土层厚度对开发适宜性的影响，并对其地下空间开发必要性和适宜性进行了评估。结果显示：南通市开发地下空间非常有必要，开发潜力十分巨大，大部分区为较适宜开发区。