德州市中心城区地下空间资源潜力研究

颜翠翠，康凤新，谭志容，杨询昌，冯克印，桑 可，王世浩，孙晓晓

(1.山东省地勘局第二水文地质工程地质大队(山东省鲁北地质工程勘查院)，山东 德州 253072；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛 266100；3.山东省地质矿产勘查开发局 济南 250013；4.山东省国土空间生态修复中心，济南 250014)

1 引言

在二十一世纪，随着社会经济和人口的快速增长，城市建筑群逐年增加，市区范围不断向外扩展(Mao-sheng Zhang，2020；李晓昭 等，2019；黄强兵 等，2019；蒋旭 等，2018；Zhi-Long Chen，2018)。城市生存环境日益恶化，同时地上可利用空间越来越匮乏，综合各方面的因素，地下空间的开发利用成为城市拓展的一个发展方向。地下空间是指在地球表面以下的土层或岩层中天然形成或经人工开发而成的空间，是人类宝贵的自然资源之一(Li Xiaozhao，2016)。开发利用地下空间可以扩展新的使用空间，满足多功能要求，缓解地面上住宅、交通、生产及生活设施的用地紧张能够节约能源，提供安静和无大气污染的环境可以与地面防灾功能配合，实现防灾功能互补(任念 等，2020；Zhou Dankun，2019；孙利萍 等，2018；Zhu Hehua，2016；柳昆 等，2011)。在建筑发展史上，19世纪是桥的世纪，20世纪是地上空间的世纪，21世纪将是地下空间的世纪。但是，受地质环境的控制，地下空间资源开发利用潜力，首先要清楚地掌握研究区域地下空间资源开发利用潜力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潜力合理有序开发利用，保障城市健康发展。

文章在系统地分析德州市水文及水文地质、工程地质、环境地质、生态环境保护以及人类工程活动等因素的基础上，建立德州市城市地下空间资源开发利用评价模型，开展了德州市城市地下空间开发利用地质环境适宜性评价(江思义 等，2019；周琦 等，2019；彭俊婷，2015；李恺，2009；郭建民 等，2005)，估算了地下空间开发利用资源潜力。为德州市城市地下空间开发利用提供地学依据，对指导德州市城市地下空间开发利用规划具有重要意义。

2 研究方法

2.1 研究区环境条件

图1 研究区范围交通位置图Fig.1 Traffic location map of the study area

2.2 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、不同定性或定量标准、不同度量标准，而且评价因素之间具有多层次性及多复杂性等特点，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规范化和统一化，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(彭建 等，2010)。因此，本文运用层次分析法对德州市中心城区开发潜力进行评价，建立评估指标体系，构建评价模型，确定评价标准。利用AHP法确定各因子的权重，利用GIS的空间计算功能进行运算和分级，最终得到德州市中心城区地下空间开发潜力评价。

3 评价模型

3.1 评价指标体系

城市地下空间开发的地质环境质量评价系统是一个多层次、多因素的复杂系统，影响和控制地质环境质量优劣的因素很多，在选取中，结合德州市城市本身的特点，按分级、分序、抓主、淡次的原则，采用穷举-剔除法(郑桂森 等，2017；Sebastian B，2016；Nikolai B，2010；康钦容 等，2010；Sterling R.L.，2006；钱七虎，1998)，我们构建的德州市城市地下空间资源多层次评价体系(表1)。

表1 地质环境质量影响因素分级Table 1 The influencing factors classification of the geological environment quality

该体系中，以城市地下空间资源开发利用地质环境适宜性评价为目标层，选取城市地下空间资源评价的主要影响因素为第一级(主题层)，将各因素中的若干影响因子作为第二级(指标层)，基于层次分析法(AHP)构建了城市地下空间资源开发利用地质环境适宜性评价的层次结构模型，并研究确定了各层次影响因素的重要性，形成因素论域U。

3.2 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，有时差别还很大。由于定性指标量化没有统一、公认的计算公式，一般是以同一因素在不同方案中的作用进行相对比较来确定的。这就要掺入人的主观意识，因此可以说定性指标量化工作任意性较大，不同决策者和不同领域专家，甚至相同领域专家对同一指标所赋的值都不一定相同。

为解决定性指标定量化过程中出现的差异问题，最重要的是重视领域专家的经验和意见，同时还应中和考虑不同专家、决策人和统称使用者的意见。目前定性指标定量化的方法主要有专家评判法、特尔斐(Delphi)方法、二元对比法、层次分析法、改进层次分析法等多种方法，这些方法的一个共同特点就是在确定标度时，都必须依靠领域专家的知识和经验(刘运来 等，2017；吴立新 等，2007；徐军祥 等，2012)。现以德州市为例，对其各项指标量化情况如表2所示。

表2 地质评价指标量化Table 2 Quantification of geological evaluation index

3.3 各指标权重参数的确定

针对研究区具体地质环境特点，通过调查咨询，选取水文及水文地质、工程地质、环境地质、生态环境保护以及人类工程活动5个方面作为一级评价因子，在此基础上，选取地下水位最小埋深、地下水富水性、地下水腐蚀性、地形地貌、断裂构造、岩土层综合分区、软土、粉土、砂土液化程度、地面累计沉降量、沉降速率、地下矿产资源、地下水资源、地表水体、历史文化遗产、地面空间地物类型、已开发地下工程作为二级评价因子。

运用层次分析法建立表征各个影响因素之间层次关系的指标权重评价体系，咨询相关专家，获取评价指标的判断矩阵，通过yaahp软件计算出各指标的权重。

运用层次分析法求评价模型中指标权重的步骤：

(1)首先形成阶梯层次结构。

(2)构造判断矩阵，并求最大特征、特征向量，并进行一致性检验。

(3)指标权重总排序，根据前述AHP理论依据，需要计算同一层次所有元素相对于上一层次的相对重要性的权值，即层次总排序，为模糊综合评判模型的进一步运算做准备。

指标综合权重的计算方法：Wi=WBK×WCi

表3 德州市中心城区地下空间开发的地质环境适宜性评价体系权重取值Table 3 Wight value of geological environment suitability evaluation system of undergroundspatial development in downtown Dezhou

3.4 评价模型的建立

依据上述中心城区地下空间资源潜力多层次评价指标体系，构建德州市中心城区地下空间资源潜力模糊综合评价的因素集U为：

U1={U11，U12，U13，U14，U15}{水文及水文地质条件，工程地质条件，环境地质条件，生态资源保护，人类工程活动}

根据德州市中心城区地下空间资源各影响因素对地下空间开发潜力的影响，建立评语集合V如下：

V={V1，V2，V3，V4}={优，良，中，差}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}

分别表示德州市中心城区地下空间资源潜力等级。

4 评价结果分析

4.1 地质环境适宜性评价

表4 德州市中心城区地下空间地质环境适宜性分区特征一览表Table 4 List of characteristics of underground space geological environment suitability zoning in downtown Dezhou city

续表

图2 地质环境适宜性分区统计柱状图Fig.2 Statistical histogram of geologic environmental suitability zoning

4.2 地下空间潜力评价

德州市中心城区地下空间资源开发潜力评价是根据影响德州市中心城区地下空间资源的自然条件，城市空间类型，规划条件等，将地下空间资源的可开发程度分别划分为充分开发区、不可充分开发区、难以(慎重)开发区，在此基础上分析各用地类型下可供开发的地下空间资源蕴藏量(李鹏岳，2020)。地下空间资源可开发程度受多种因素影响，具体可包括：岩溶分布区、采空区、不稳定江岸区、地裂缝、文物保护区、生态保护区、水资源与泉脉保护区，道路、绿地、山体、水体、地面建设区，农田、新增规划建设区等因素。

图3 德州市中心城区地下空间资源开发适宜性分区图(030 m)Fig.3 Zoning Map of suitability for Development ofUnderground Space Resources in the downtownDezhou city (030 m)

图4 德州市中心城区地下空间资源开发适宜性分区图(30100 m)Fig.4 Zoning Map of suitability for Development ofUnderground Space Resources in the downtownDezhou city (30100 m)1—适宜性优区；2—适宜性良区；3—适宜性中区；4—适宜性差区

根据完成各项评价之后，设计地下空间资源量计算模型，每一种地物类型扣除一定的深度。一部分是借鉴《城市地下空间资源评估与开发利用规划》(宋敏聪，2012)这本书，一部分是根据德州市情况确定的，一部分是综合情况分析的出来的(表5-6)。

表5 各用地类型下地下空间资源量计算模型Table 5 The calculation model of underground space resources under various land use types

图6 德州市中心城区地下空间资源潜力可开发利用评价图(0200 m)

表6 各用地类型下地下空间资源量计算Table 6 Calculation of underground space resources under various land use types

在计算容量过程中可能会遇到用地类型重合的区域，此时计算容量时采用限制性大的因素。需要注意的是，本次针对地下空间资源可供开发容量采取保守估算，所计算出数据较实际值偏小，但仍可看出地下空间资源可供开发的潜力巨大。总体而言，随着地下空间资源开发深度的增加，资源所受人类活动的扰动减少，地下空间资源的可开发程度增加。

5 结论与讨论

(2)研究方法首先确定好地下空间评价指标体系，以地下空间资源开发地质环境适宜性评价为目标层，选取主要影响因素为一级指标(主题层)，将各因素中的若干影响因子作为二级指标(指标层)，基于层次分析法构建了地下空间资源开发利用地质环境适宜性评价的层次结构模型，并研究确定了各层次影响因素的重要性，最后采用模糊数学的评价方法，确定各因子的隶属度，将复杂多维的各种因素转化为相互联系的有序层次，对地下空间开发利用适宜性进行综合评价。

(3)提升完善原有的地下空间评价体系增加生态环境保护专项：本次地下空间评价体系不仅考虑了原有的水、工、环、人类工程活动条件，还对矿产、地下水资源、地质遗迹、历史文化遗产、地表河流水系等生态环境保护方面的因素进行评价。

(4)首次进行地下空间资源潜力评价，根据影响德州市中心城区地下空间资源的自然条件，城市空间类型，规划条件等。将地下空间资源潜力的可开发程度分别划分为充分开发区、不可充分开发区、难以(慎重)开发区，在此基础上分析各用地类型下可供开发的地下空间资源蕴藏量。

(5)首次系统量化了地下空间资源。通过对影响咸阳市地下空间开发利用的环境地质因素及评价结果的综合分析，对各评价区提出相应的开发建议。由于城市地下空间开发具有不可恢复性，因此在开发利用时因地制宜、可持续性发展至关重要。