郑州市地下空间开发适宜性评价及开发阈值研究

张润华，成远湲，刘聪聪，王世帆

(华北水利水电大学 地球科学与工程学院，河南 郑州 450046)

0 引言

截至2019年末，郑州市城镇化率已高达74.60%，而城市摊大饼式扩充和建设超高层建筑的发展模式已不能顺应现代化建设进程，向地下要资源，科学开发地下空间，已成为治理日益严重的“城市病”，提高城镇化质量的重要途径之一。

国外发达国家的地下空间利用较为成熟，而国内起步稍晚，在开发建设及管理方面略显不足。学者们对城市地下空间开发进行了大量有益的分析，但切合郑州市实际情况的研究尚少。文章在综合分析郑州市地下空间开发利用情况及存在问题的基础上，进行郑州市地下空间开发适宜性评价，提出郑州市地下空间适宜性开发阈值，为郑州市地下空间高质量发展提供科学依据。

1 郑州市地下空间开发利用现状

郑州市为冲积平原区，工程地质特征表明，东部地下水埋深较浅，存在淤泥质土及饱和砂土层，工程地质条件相对较差，但地势平坦；其他地区一般工程地质条件较好，地形平整。轨道交通建设、综合管廊及地下综合体规划促使地下空间开发向有序化、综合化发展。

1.1 轨道交通建设

截至2019年底，郑州市轨道交通1号线(包括城郊线)、2号线、5号线、14号线一期工程均已开通运营见图1所示，运营里程共102.87 km，车站60座。

图1 郑州市轨道交通已运营线路示意图

1.2 综合管廊建设

2016年4月，郑州市入选国家地下综合管廊第二批试点城市，成为全国15个地下综合管廊建设试点城市之一。郑州市的综合管廊项目于2016年开工建设，规划至2030年共建设综合管廊575.50 km。

1.3 地下综合体建设

2017年4月14日，中国首个盾构法装配式地下空间试验项目在郑州市掘进施工,为郑州市建设地下综合体打好了施工技术基础。

2 郑州市地下空间开发利用现状存在的关键问题

规划是城市有序发展的前提，科学准确地评价地下空间开发适宜性，是城市地下空间规划编制的重要基础条件。二七广场地下空间的建设未能在前期进行开发适宜性评价，导致规划具有滞后性，进行高频次的“大手术”，严重浪费了城市的建设资源，并给市民出行带来了不便。现阶段郑州市地下空间开发侧重于促进经济发展，但在城市地下空间大规模发展的前期阶段，若只考虑经济要素而忽略地质条件对城市地下空间开发的重要影响，容易造成开挖安全系数降低、施工技术难度提高、开发建设经济成本增加等一系列违背城市可持续发展初心的不良后果，导致开发具有被动性和趋利性。总之，盲目无序的建设不利于城市地下空间的科学开发，只会加重城市发展的负担。

3 郑州市地下空间开发适宜性评价与开发阈值分析

郑州市目前处于轨道交通导向型开发模式时期，综合考虑地层岩性特征、岩土体条件和轨道交通站点类型等影响因素，基于层次分析法(AHP)建立综合指数评价模型，对郑州市地下空间开发适宜性评价并提出开发适宜性阈值。

3.1 郑州市地下空间开发适宜性评价

3.1.1 基于AHP建立综合指数评价模型

分析影响地下空间开发适宜性选址的主要因素，以郑州城市地下空间开发适宜性评价结果为目标层(A)，以地层岩性特征、岩土体条件、水文地质条件等5项为准则层(B)，以岩性组合、砂土液化势、粘聚力等9项为指标层(C)，建立适宜性评价指标体系，见表1所示。进一步依据行业规范及勘测数据，确定四级评价标准并将适宜性评价结果划分为4类：非常适宜区(Ⅰ)、适宜区(Ⅱ)、一般适宜区(Ⅲ)、不适宜区(Ⅳ)。

表1 适宜性评价指标体系表

表2 B-Ci判断矩阵及权重结果表

其中，CR为9×10-4<0.10，满足一致性检验。

表3 B2-Ci判断矩阵及权重结果表

其中，CR为0<0.10，满足一致性检验。

3.1.2 综合指数法及计算结果

采用综合指数法建立郑州城市地下空间适宜性评价模型，见式(1)所示。

(1)

式(1)中：A为适宜性评价值；Ci为评价值；k为准则层个数且k=5；p为指标层个数且p=9。

郑州市20个评价单位(N)开发适宜性评价结果见表4所示，评价值最大为0.90，最小为0.39。

表4 开发适宜性评价结果表

3.2 开发适宜性阈值分析

3.2.1 基于ArcGIS进行适宜性分级

阈值一般指发生状态变化的临界值。郑州城市地下空间开发适宜性评价是一个受多方面影响的综合性问题，其阈值为开发适宜性变化的临界值的度量，即当超过临界值时，开发适宜性状态发生改变。进行地下空间开发适宜性评价并非单一的过程，根据研究区域不同，研究阶段不同，开发适宜性受到地质环境、城市建设、社会经济等多重影响。因此，文章提出的开发适宜性阈值是多重因素综合评价的结果，科学合理的适宜性阈值的确定不能以某一单因素为依据，应该是对多要素多参数分析的综合结果。并且，随着多因素时空维度的共同影响，阈值也会随之改变。基于ArcGIS，在评价结果的基础上，结合郑州城市规划建设实际情况，以城市主要交通干道对地块进行网格划分，对郑州城市地下空间开发适宜性评价结果进行可视化表达。并用自然间断点法见图2所示，得到不同开发适宜性的临界值见表5所示。

图2 以自然间断点法确定4级阈值图

表5 城市地下空间开发适宜性评价阈值表

3.2.2 开发阈值分析

根据分级结果分析，当评价值<0.43，开发适宜性较差，其评价阈值为0.43，适宜性评价结果为“不适宜区”的最大值；当0.43<评价值<0.57，开发适宜性一般，评价阈值也为0.43，是“一般适宜区”的最小值，即当评价值>0.43时，其适宜性状态由“不适宜区”改变为“一般适宜区”；当0.57<评价值<0.68，地下空间开发适宜性较好，评价阈值为0.57，即当评价值>0.57，其适宜性状态由“一般适宜区”改变为“适宜区”；当评价值>0.68，此时地下空间开发适宜性最优，评价阈值为0.68，即当评价值>0.68时，适宜状态由“适宜区”改变为“非常适宜区”。由分析可知，当评价值发生动态变化，大于状态阈值时，其评价的适宜性就随之改变。郑州城市地下空间开发适宜性评价分区结果见图3所示。

图3 郑州市地下空间开发适宜性分区图

郑州市地下空间开发非常适宜区占总面积的13.60%，位于五一公园、陇海东路、南三环附近，集中于西南区域，该区域地质条件整体较好，更适宜地下空间开发利用；适宜区占9.70%，位于医学院、桐淮附近区域；一般适宜区占总面积的69.20%，位于中部、东北部大部分区域和西三环区域；不适宜区占7.50%，位于火车站、郑州东站区域，这与该区域岩土体特征较差有很大的相关性。因此，郑州市地下空间开发适宜性分为4类，整体而言，西南地区适宜性较东北部更优，长远规划需结合实际需要，综合考虑适宜性评价结果，为郑州市地下空间的科学有序开发提供保障。

4 结论

综上所述可得以下几点结论：①在总结郑州市地下空间开发利用现状的基础上，分析目前存在缺乏地下空间开发适宜性评价的关键问题。进一步从规划选址的角度，综合地层岩性特征、岩土体条件、轨道交通站点类型等多重因素，基于AHP建立综合指数评价模型，对郑州市地下空间开发适宜性进行评价，以解决郑州市地下空间开发适宜性评价难题。②科学界定适宜性评价“阈值”的概念内涵，运用ArcGIS将评价结果进行适宜性分级，并用自然间断点法确定适宜性状态分级阈值，由阈值级别高低定量判别适宜性动态变化。③依据城市主要交通干道网格，运用ArcGIS得到郑州市地下空间开发适宜性评价结果，并将其分为非常适宜区、适宜区、一般适宜区和不适宜区4类，分别占总面积的13.60%、9.70%、69.20%和7.50%，进一步分析得到郑州市开发适宜性评价阈值，并应用于郑州城市规划建设实践。结果显示，五一公园、陇海东路及南三环附近区域更适宜地下空间开发利用；整体而言，郑州市西南地区适宜性较东北部地区更优，更适合综合开发。④研究成果可为郑州市地下空间科学有序开发提供参考，但在大数据下地下空间智慧化运行方面，仍需进一步研究。