城市地下空间资源评价进展与展望

田 聪,苏晶文,倪化勇,王 睿

(1.中国地质科学院,北京 100037;2.中国地质大学(北京),北京 100083;3.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016;4.自然资源部城市地下空间探测评价工程技术创新中心,江苏 南京 210016)

地下空间是与领土、领空、领海并列的战略性国土空间资源、经济资源和战备资源,是潜在丰富的自然资源[1-3]。21世纪是人类地下空间开发利用的年代[4],城市发展空间由地面及其上部空间向地下空间延伸,是世界城市发展的趋势。随着我国城市化进程的加快,交通拥挤、环境污染、空间紧张等城市问题凸显,开发利用地下空间资源是提高城市容量、缓解城市交通、改善城市环境的重要途径[5-8]。地下空间开发进入快速发展时期，“十三五”期间,我国城市地下空间建筑面积达10.7亿m2。目前,城市地下空间开发利用缺少规划性控制和引导,出现了“先用先占、浅层挤满、开发无序、资源浪费”等现象,使后续开发利用成本上升、风险增加[9-10]。

对地下空间资源进行全面评价是科学规划、有序开发利用地下空间资源的基础,是地下空间研究领域的热点。尽管一些学者结合城市特点及发展需求,探索并建立了城市地下空间资源开发利用适宜性、资源质量、开发潜力等方面的评价指标体系和评价模型,但总体上城市地下空间资源评价还处于探索和起步阶段。本文通过系统梳理国内外城市地下空间资源评价目的、内容、方法和城市地下空间资源的属性,分析了城市地下空间资源评价的研究进展和发展趋势,为城市地下空间资源评价及开发利用提供参考。

1 城市地下空间资源属性

城市地下空间指城市行政区内地表以下自然形成或人工开发的空间,是地面空间的延伸和补充[11],一般以人防工程、轨道交通、地下综合体等为主。城市地下空间资源指城市区域内自然或人工开挖及未开拓的且在一定技术条件下可以开发利用的资源[1]。一些学者认为城市地下空间资源既包括空间和位置,也包括地下水、地热能、地质材料等[12]。程光华等[13]认为在开发地下空间时,识别、评价与其共生的其他地下资源禀赋和相互作用模式、协同利用地下多种资源是未来地下空间开发的趋势。

与地上空间相比,地下空间资源既有地域性、稀缺性、多用性及价值属性等共性,也有密闭性、稳定性、非再生性和不可逆性等特性[12,14-15](表1)。地质环境是地下空间开发利用的基础,决定地下空间开发利用的适宜性和约束性,同时地下空间开发利用也影响地质环境。因此,除了资源属性外,地下空间还具有环境属性,不合理的开发利用将导致严重的环境问题。

表1 城市地下空间资源属性统计结果

2 研究进展

城市地下空间既有自然资源属性,也具有社会经济属性,因此,城市地下空间资源评价涉及面广、综合性强,是一个系统、综合的理论体系和调查研究过程,是在对水文地质条件、工程地质条件、环境地质条件等自然条件和区位、交通、GDP及地下空间开发利用现状等社会经济条件等分析和研究的基础上,对地下空间资源进行的总体判断。

2.1 评价内容

由国内外地下空间资源评价研究现状可知,根据服务城市规划、工程设计开发等不同目的,评价内容主要包括地下空间资源开发利用的适宜性、资源容量、质量、开发价值及开发潜力等。

童林旭等[16]建立了地下空间资源评估的内容和体系,将地下空间资源评价概括为地下空间资源容量、质量、开发潜力评估、开发利用适宜性以及效益评价等。地下空间资源的容量即空间资源占用的体积,包括地下空间资源的天然蕴藏量、可供合理开发的潜在蕴藏量、可有效利用的潜在蕴藏量。地下空间资源质量是评价地下空间资源开发利用工程难易程度和潜在开发价值的综合评价指标,包括地下空间资源开发利用适宜性评价、潜在价值评价和综合质量评价。地下空间资源潜力是一个综合性评价,指地下空间资源潜在可供应容量和可开发价值的总和[17]。地下空间适宜性评价指对地质、水文、地形及地下空间开发利用现状等分析和研究的基础上,总体判断地下空间开发利用工程难度,并据此确定可开发资源的分布情况[18]。

国内很多城市开展了不同内容的地下空间资源评价(表2),王海刚等[19]、吴立新等[20]对北京市地下空间资源进行了综合质量评价,郭建民等[21]、汪侠等[22]分别对北京市、南京市地下空间资源开发利用的潜力进行了评价,张平等[23]构建了扬州老城区历史街区地下空间资源质量评价体系。地质适宜性评价服务于城市地下空间总体规划设计,是目前地下空间资源评价的重点。国外一些学者也高度关注城市地下空间资源评价,STERLING R L等[24]总结了美国明尼阿波利斯-圣保罗市可开发利用资源分布范围和适宜开发利用形式;ZHAO J等[25]对新加坡地下空间规划和选址进行了评价;BOBYLEV N[26]以德国柏林压力山大广场为例研究地下空间利用的指标量化问题;YOUSSEF A M等[27]等开展了地下空间资源开发利用工程地质条件适宜性评价,识别潜在的工程地质灾害对地下工程的影响;NEZARAT H等[28]以风险可能性、风险影响、风险应对能力为评价指标对伊朗伊斯法罕西北地区地下隧道工程施工的风险等级进行评价;DOYLE M R[29]以德克萨斯州圣安东尼奥市为例对尚未开发的地下资源进行评估,得到各个资源潜力图。

表2 国内主要城市地下空间资源评价内容、指标和方法

续表2

2.2 评价指标体系

城市地下空间资源评价指标体系是在对城市自然条件、社会经济条件充分掌握和分析的基础上建立的,不同的城市、不同的评价内容,其评价指标的选取存在着一定的差异。开发适宜性评价指标的选取,不仅要考虑地下自然条件和建筑条件的影响,还要考虑地面的建筑条件的影响。地下空间资源质量包含开发适宜性、工程难易程度、开发价值等,根据具体的评价内容,其评价指标的选取存在一定的差异性。城市地下空间开发潜力是一个综合指标,在全面考虑城市地下空间资源开发利用自然条件、社会经济条件的基础上,重点强调社会、经济效益的影响。

2.2.1 适宜性评价指标体系

进行地下空间开发利用适宜性评价时,国内外学者大多从工程地质安全方面考虑,选取约束性要素建立地下空间开发利用适宜评价指标体系。STERLING R L等[24]以地质条件、岩土层分布、水文地质条件、地形坡度、已建地下管线、地下建筑和地上建筑为评价指标,构建了明尼阿波利斯—圣保罗市地下空间适宜性评价体系;ZHAO J等[25]将地质条件、水文地质条件、环境、心理、地面发展、社会、经济及政治因素作为评估指标,构建了新加坡地下建筑适宜性评价体系;官善友等[32]以地质构造、第四系、地下水、不良地质作用与特殊岩土体为影响因素,对武汉市地下空间开发地质条件影响分区进行评价;江思义等[46]以岩土体特征、地下水情况、区域地壳稳定性、地质灾害易发性、特殊地质条件、地面建筑物及浅部已开发地下空间等为评价因素,构建了南宁市城市地下空间开发适宜性评价体系;张璐等[56]重点考虑地形地貌、地层岩性、工程地质、水文地质和地质构造等指标进行地下空间适宜性评价;谭飞等[57]强调了对地下结构类型和开挖方式的评价。

2.2.2 质量评价指标体系

学者们进行地下空间资源质量评价时,充分考虑了地下空间资源的自然、区位、经济、工程技术条件等因素。王海刚等[19]以工程地质、水文地质等为评价指标和土地利用、地铁站域等为评价指标分别对北京市房山区地下空间开发难易程度和潜在开发价值进行评估,并将评估结果综合后得到房山区地下空间资源综合质量;张平等[23]以文物保护、地面及地下空间、地域位置、工程地质、水文地质及工程技术条件为评价因素,构建了扬州老城区历史街区地下空间资源质量评价体系;陈吉祥等[31]考虑了经济、社会及环境效益以及政策相容性等评价指标对上海市地下空间开发价值进行了评价。

2.2.3 开发潜力评价指标体系

汪侠等[22]以自然条件、地面及地下空间条件、地理位置条件、经济条件、开发效益为评价因素,构建了南京市鼓楼区地下空间资源潜力评价体系;胡宁[38]以地质条件、区位条件、已开发地下空间、地下空间开发对GDP的影响、各区环境承载力与改善能力、政府投资强度与相关政策、公众参与性、企业技术水平等为评价因素,构建了郑州市地下空间资源开发潜力的评价指标体系;郑强[47]在对成都地下空间资源开发潜力评价中充分考虑了社会经济的影响,包括人均GDP、地下空间开发对GDP的影响、基础设施建设水平、政府与公众的参与度、企业开发地下空间的技术水平等。

2.3 评价方法

祝文君等[58]完成的“北京旧城区浅层地下空间资源调查与利用现状研究”,建立了国内第一个地下空间资源调查的模型和基本概念体系。目前,已有数十个城市采用不同的评价方法,完成了地下空间资源容量、质量、价值、开发潜力以及适宜性等方面的科学评价(表2)。

2.3.1 评价指标赋权

城市地下空间资源评价中,评价指标权重的科学、合理赋值对评价结果具有较大影响。目前,国内主要采用专家打分法和层次分析法(AHP)对城市地下空间资源评价指标进行权重赋值。由表2可知,近80%的专家、学者采用层次分析法对指标权重赋值,例如,欧孝夺等[45]采用层次分析法对南宁市城市地下空间开发地质环境适宜性评价指标赋值;汪侠等[22]采用多层次灰色评价法对南京市鼓楼区5个街道的开发潜力评价指标进行赋值。近20%的专家、学者通过专家打分法(或与层次分析法结合)确定评价指标的权重,例如,曹亮[59]采用专家打分法和改进的层次分析法对苏州市地形地貌、建筑场地类型、不良岩土体条件、水文地质条件、地质灾害等评价指标赋权重;郭建民等[21]通过最优传递矩阵对AHP法进行优化,实现了基于专家打分法的指标权重赋值;吴文博等[41]结合层次分析法的两两对比矩阵和专家打分法,对苏州地下空间资源质量的评价指标进行赋权。此外,一些学者采用熵权法、梯形模糊数学定权法、主成分分析法等对评价指标权重进行赋值,例如,姜云等[60]通过熵权法和可变模糊集组合确定城市地下空间资源质量评价指标权重;郑强[47]采用主成分分析法对评价指标进行赋权,进而对成都城市地下空间资源潜力进行评价。

2.3.2 评价数学模型

目前,多目标线性加权函数法、模糊综合评判法、灰色评估法、可拓法、多层次加权平均型模糊数学综合法、可变模糊集组合法等广泛应用于城市地下空间资源评价,其中采用多目标线性加权函数法、模糊综合评判法进行评价和建模较多,例如,一些专家[21,30,37,40,41-42]建立了基于多目标线性加权函数的评价数学模型,分别开展了北京、上海、济南、苏州等城市地下空间资源评价,评价内容涵盖北京和苏州等城市地下空间资源潜在价值、上海和济南等城市地下空间资源开发利用适宜性。另一些专家[20,33,36,43-45,48-49,51,54]采用模糊综合评判法构建评价指标隶属函数和评价模型分别评价了北京、南京、合肥等城市地下空间资源质量或潜力以及武汉、济南、宁波、南宁、成都、天津、无锡等城市地下空间资源开发利用适宜性。此外,胡宁[38]采用基于可拓法的评价模型对郑州市USR开发潜力进行初步评价;赵旭东等[61]采用多层次加权平均型模糊数学综合评价方法构建了历史文化街区地下空间资源质量评价模型,实现了扬州古城区地下空间资源质量的模糊综合评价。

3 讨论

3.1 评价目的

地下空间资源评价是城市空间规划的基础,其主旨是为国土空间规划、合理开发服务,科学编制城市地下空间开发利用规划,实现对地下空间的统一规划、系统开发和整体保护。地下空间资源评价的目的和目标各有不同,针对城市规划的不同阶段——城市总体规划、区域规划、详细规划和小范围局部地区规划,对城市总体范围内和局部地段地下空间资源适宜性、质量和潜力进行不同尺度的定性、定量评价。① 城市地下空间资源适宜性评价的目的是充分利用有利的地质环境条件,有效改造和规避不利的地质环境条件,保证地质环境良性发展,为城市规划部门进行地下空间开发利用总体布局及场地工程建设前期规划提供依据。② 城市地下空间资源质量评价是开发难易程度和开发价值的综合评价,评价指标包含自然因素和社会经济因素,着重强调地下空间开发工程技术问题,为地下工程选址和施工工艺的选择提供依据。③ 城市地下空间资源开发潜力评价是可利用资源量和潜在开发价值的综合评价,着重考虑各评价指标对地下空间的影响范围及城市未来经济发展情况,主要应用于城市地下空间开发的总体规划和远景规划。

3.2 评价内容

城市地下空间资源评价已建立较完整、系统的评价内容,初步形成了评价框架体系。国内外城市地下空间资源评价内容主要存在3个问题:① 根据城市地下空间规划的不同阶段,地下空间资源评价的内容不同,总体规划或前期规划以地下工程适宜性评价为主,详细规划拓展为地下空间资源质量、潜力评价及环境效应评价。目前,城市地下空间资源评价内容以适宜性评价为主,对地下空间资源量、质量、潜力、价值等评价相对较少,评价结果不能更好地服务城市地下空间深度规划。② 根据上述地下空间资源属性特征,地下空间赋存多种自然资源,不同资源协同性评价及开发、保护优先性和时序性的评价很少涉及。③ 城市地下空间资源开发利用必将对地下水、岩土体、应力场等地质环境产生影响,但目前评价多以地质条件对地下空间开发利用影响评价为主,对地下空间开发利用的地质环境效应评价较少。

3.3 评价方法

结合不同城市的评价内容,针对城市地下空间资源评价指标的选取、赋权和模型等进行研究和实践,并具有一定的创造性。然而,评价指标体系和评价方法还存在以下问题:① 评价要素不全,难以满足选取评价指标的要求。② 地下空间资源评价指标体系错综复杂,没有达成统一标准,存在明显的区域差异性和人为主观性,评价指标选取时,不同指标相互影响及地下空间开发利用与地质环境之间相互影响考虑不足。③ 评价方法较单一,主观性强,主要采用层次分析法、专家打分法等主观赋权法确定评价指标权重,熵权法、主成分分析法、变异系数法[62]、粗糙集理论[63]等客观赋权法应用较少,评价数学模型所得结果不能实现城市地下空间资源多要素的量化评价。④ 赋权的区域差异性体现不突出。指标赋权时,除了考虑方法的合理性外,还应考虑不同分区、不同层位、不同对象等,不同地区、不同层位指标的影响或控制作用可能发生变化,如地下水和断层对地下空间开发利用影响具有明显的垂向差异。⑤ 地下空间三维评价模型较简单,地下流场、热场、应力场以及不同地质体、地质资源、地下工程等三维集成和科学展示以及属性建模、空间插值和自动动态更新等技术尚有不少问题未解决。

4 发展趋势

城市地下空间资源作为拓展城市发展空间、优化城市发展布局、提高城市质量的战略性资源,其开发利用必将迎来跨越式发展。综合城市地下空间资源评价现状、存在问题及地下空间资源开发利用需求,多参数表征、多方法验证、多维度展示、多模型评价、多资源协同将是城市地下空间资源评价的发展趋势。针对评价指标筛选与量化、指标赋权、评价模型及地层结构可视化等发展趋势,众多学者[20,57,60,64-66]进行了系统研究,本文重点分析地下多种资源协同评价、全空间三维评价、地质环境响应评价等发展趋势。

4.1 地下多资源协同评价

城市地下空间地热资源、优质地下水资源、地下文物古迹资源及关键矿产资源、材料资源等在优先保护及利用方面存在空间、时序方面的冲突,在地下空间规划和开发利用过程中,如果认识不清、评价不当,将导致资源的浪费或破坏,地下空间资源利用的效能难以实现最大化。因此,地下空间多资源协同开发利用将成为地下空间资源综合评价的重要内容。结合不同资源类型、资源量、空间分布、开发利用地质条件、潜在经济价值、生态环境效应和开发利用技术可行性,分区分层评价,提出优先开发或优先保护的资源,从而为城市地下空间资源开发利用的规划、实施提供全面技术支撑和决策依据。LI X Z等[67]讨论了在城市发展中,不同地下资源之间开发利用存在的冲突模式,明确这些冲突是地下空间资源开发协调和协同的基础,对地下空间资源多样性进行识别和科学评价,可以推进城市可持续发展;王东辉等[68]对成都地下空间资源开展了探索性综合评价,对不同优质地下资源进行分区分层评价,提出了西部平原区40～100 m以下第四系含泥砂砾石层、东部台地区50～80 m以下夹关组厚砂岩层为优质含水层的认识,地下空间利用需统筹保护含水层顶底板以及郫都、犀浦一带和三圣乡—十陵镇一带锶、偏硅酸优质饮用天然矿泉水水源地保护,成都地下空间资源评价具有一定的启发性,呈现地下多资源评价与协同保护利用的思路、方法和意义。

4.2 地下全空间三维评价

地下空间开发利用过程中,分散、孤立的地下工程容易将整体的地下空间资源分割,造成不同层位之间或不同地下工程之间地下空间资源碎片化、小型化,为进一步开发利用增加了难度,造成地下空间资源的极大浪费。上海陆家嘴地区由于早期缺乏统一规划,各地块地下空间开发各自为政,形成了诸多地下空间“孤岛”,导致地铁2号线陆家嘴地铁站未能与周边建筑建立地下联系,也没有为未来连通预留接口。因此,城市地下空间资源评价要尽可能做到全空间评价、多维度展示,评价深度要突破30～60 m深度,提高评价精度,充分利用计算机软件技术进行三维地质模型的建立和透明化表达,立体直观地展示地质界面和地质体的空间位置、形态、关系、岩土体的属性特征以及地下流场、热场、应力场的耦合关系,结合地下空间资源类型和开发利用方式最终实现地下百米深度范围内全空间、多维度立体评价和透明可视化展示。薛涛等[69]对上海市地下空间进行适宜性评价,建立三维地质结构模型和属性模型,定性和定量分析地下空间开发利用适宜性,考虑桩基、地铁隧道、地下管网等因素,建立地下构筑物模型与地质模型相融合进行地下空间透明、立体式评价。

4.3 地下空间开发与地质环境响应评价

目前,城市地下空间资源评价主要是评价地质条件对地下空间开发利用的影响,而城市地下空间资源开发利用必将对地质环境造成改变,产生影响甚至导致灾害发生。在人类活动和自然因素作用下,城市地下空间资源与地质环境的耦合关系呈动态变化。因此,地下空间开发与地质环境响应评价是模拟预测性评价,模拟某项功能开发后地质环境产生的变化规律和趋势,是智能动态过程。在地下空间开发过程中，掌握评价指标随地质环境变化规律和评价指标互不相同的属性特征,充分利用大数据、人工智能、机器深度学习等先进技术进行多模型相互融合,逐步破除三维动态评价与自适应多要素属性建模技术瓶颈,实现地下空间资源属性建模与四维时空演化动态刻画,全面反映地下空间开发利用与地下流场、热场、应力场的动态响应与演化,从而为地下空间资源科学规划、安全协同利用实时提供技术支撑和决策依据。

5 结论

(1)目前,采用层次分析法、模糊综合评判法和灰色评估法等从不同角度、不同尺度开展了城市地下空间资源评价工作,研究重点是评价指标的选取和赋权,取得了很大的成绩,但在整个评价体系中仍然存在目的不明确、权重赋值主观性强、评价模型不完善等问题。

(2)综合城市地下空间资源评价现状、存在的问题以及地下空间资源开发利用需求,多参数表征、多方法验证、多维度展示、多模型评价、多资源协同、智能动态评价等将成为城市地下空间资源评价的重要发展趋势。深化城市地质调查以及地下空间开发利用与地质环境响应研究,加强大数据、人工智能、机器深度学习等先进技术的应用和动态属性模型、评价系统研发,尽快编制出台相关技术标准等是地下空间资源科学评价、规划和安全高效利用的基础与保障。