基于GIS 的武汉市长江新城地下空间资源质量评估

2022-05-12吴品磊庞设典官善友

地质与资源 2022年2期

熊峰，江丹，吴品磊，庞设典，官善友

武汉市勘察设计有限公司，湖北武汉 430022

0 引言

长江新城是武汉市政府规划的一个新区，位于武汉市中北部的长江边上，是武汉重点打造的“未来之星”. 2018—2019 年，对长江新城开展了空间、资源、环境、灾害多要素城市地质调查，通过地质调查、钻探、物探、测试等手段，查明了区域内土壤层、工程建设层、主要含水层等的地质结构和参数，在此基础上开展了国土空间综合评价，其中地下空间资源评价是一项重要内容. 本文以长江新城为例，建立一种科学、实用、便捷的城市地下空间资源质量评价体系，服务于长江新城地下空间规划、建设.

地下空间开发是当下城市建设的热点. 城市地下空间是宝贵的有限资源，规划失误和反复折腾必然造成巨大的浪费，充分利用地下空间需要科学系统地制定规划［1-2］. 在开发利用地下空间时应全面考量其适宜性，实现综合开发效益最大化［3-5］.《城市地下空间规划标准》［6］提出城市地下空间规划和开发利用前应进行地下空间资源质量评估，且评估内容应包含但不限于自然因素、环境要素、人文要素和建设要素4 个方面. 目前地下空间评价方法主要为“GIS＋综合评价”，常涉及3 种模式：1）基于地质环境因素的评价［7-10］；2）基于既有建筑影响和地质环境因素的评价［11-15］；3）基于地质、既有建筑和开发利用效益的综合评价［16-19］.由于缺乏相关标准且各个地方实际情况差异较大，地下空间评价体系、方法等不尽相同，借鉴和使用起来较为困难.

本文的观点是，服务于规划、建设的地下空间资源质量评估所得的应是一种客观的结果，仅与地下空间自身因素有关，而不考虑人为赋予的地下空间开发的价值效益. 因此，长江新城地下空间资源质量评价体系是基于上述第二种模式建立的.

1 研究区概况

长江新城地处武汉市北部，其范围东至倒水河，西临滠水河，南抵长江北岸，北达G318 高速公路，总面积550 km2. 地貌单元主要为冲湖积平原，分布于武湖周边；冲积－堆积平原，主要分布于长江、倒水河、滠水河沿岸；剥蚀丘陵区，主要分布于研究区西侧、北侧.整体地势起伏小，海拔高程一般在16～70 m 之间，表现为东南低，西北高. 构造活动较弱，主要受北西向的襄广断裂和北东向的长江断裂影响. 地下水类型主要为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、岩浆岩－变质岩类裂隙水和碳酸盐岩类岩溶裂隙水，相同含水层涌水量差异较大. 发育有碳酸盐岩、碎屑岩、松散－密实砂土，少量凝灰岩、玄武岩和花岗岩，且基岩埋深一般在40 m 以内. 岩溶塌陷和地面沉降是区内的主要地质灾害类型. 长江新城东南侧和西南侧各有一个垃圾填埋场，分别为岱山垃圾填埋场和陈家冲垃圾填埋场.

2 研究方法

2.1 开发深度分层

城市地下空间利用遵循分层利用、由浅入深的原则. 研究表明，多数城市常以15 m、30 m 为界将地下空间划分为浅层、次浅层和深层［20］.《城市地下空间规划标准》对地下空间分层也有界定，分别以15 m、30 m、50 m 为界将地下空间划分为浅层、次浅层、次深层和深层4 个层次.本次评价参照该标准进行浅层（0～15 m）、次浅层（15～30 m）、次深层（30～50 m）、深层（50～100 m）的分层评价. 显然，深度越大，地质条件的可利用难度系数、地下工程施工和使用成本相应提高，地下空间质量水平相应降低. 有专家提出采用系数调节法对地下空间资源质量进行折减［21］，为简单起见，对地下0～100 m 范围内的折减系数（αH）进行假定：

1）统一层内折减系数相同，且浅层折减系数为1（不折减）；

2）折减系数是基于分层埋置深度H 的线性函数，即αH＝1－H/1000，且H＝0 时，αH＝1.

根据上述，浅层（0～15 m）、次浅层（15～30 m）、次深层（30～50 m）和深层（50～100 m）的折减系数依次取值为1、0.85、0.7 和0.5.

2.2 适建性分区

现有的建筑、文物、生态及农业保护区等对地下空间影响较大，因此在进行地下空间质量评估前还应根据场地的实际情况开展适建性分区. 长江新城范围地下空间适建性主要受地表及地下建筑影响. 将建筑物对地下空间资源的影响进行分级，并对不同深度、不同程度的影响进行分区，将评价范围划分为严重限制区、一般限制区和非限制区（详见表1）. 严重限制区的地下空间资源质量差；非限制区表示对地下空间开发无影响；一般限制区表示对地下空间开发有一定的影响，影响程度用折减系数αB表示，咨询专家意见后，取αB＝0.8.

表1 适建性分区参照表Table 1 Zoning of construction suitability

2.3 指标及权重确定

2.3.1 指标体系

指标体系的建立应遵循有针对性、普适性、数据易取得以及指标可量化原则［22］. 除了开挖深度和地上地下建设现状因素，地下空间资源质量还受地形地貌、岩土体工程条件、水文地质、不良地质作用与灾害、特殊性岩土等地质环境因素的影响. 由于长江新城地形起伏小且地形地貌对地下空间资源质量的影响多是综合性的影响，与场地其他地质环境指标相关，为避免重复计算，尽量保证各指标因子的独立性.

指标量化采用“分级－打分”的方法，即首先根据相关经验、规范进行等级划分，一般可划分为4 个等级. 各级取值范围分别为：优（0.75～1.00）、良（0.5～0.75）、中（0.25～0.50）、差（0～0.25）. 然后，采用专家打分法，在各等级的取值范围内确定得分值. 由于指标属性的差异，各指标划分存在等级数量不一的情况，此时应根据实际情况在0～1 范围内等差取值，如表2 所示. 其中隧道围岩等级和岩土施工工程等级分别参照《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB 50307—2012）确定；地下水腐蚀性参照《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）确定；地面沉降分区参照《武汉市深厚软土区域市政与建筑工程地面沉降防控技术导则》，且地面沉降主要影响浅层、次浅层及次深层地下空间，对深层地下空间影响较小. 一般地，地表高程越低，地下水承压性越高，含水层涌水量可根据含水层厚度和地表高程的比值综合确定.

表2 指标体系及分级依据参照表Table 2 Index system and grading basis

2.3.2 指标权重

指标权重的确定拟采用层次分析法（AHP）. 它是目前确立统计权数的最有效方法之一，应用十分广泛［23］，其原理是通过构建两两重要程度的判别矩阵，通过求取最大特征根对应的特征向量来确定各指标的权重. 本研究评价指标的权重值如表3 所示.

表3 指标权重计算汇总表Table 3 Calculation results of index weights

指标权重的计算结果显示，对于长江新城地下空间资源质量影响较大的因素为建设现状、开挖深度、围岩稳定性、地下水涌水量、软土、地下水位埋深、岩土体可挖性等.

2.4 地下空间资源质量评估

将各指标按照式（1）进行叠加计算，计算所得y值，按照浅层（0～15 m）、次浅层（15～30 m）、次深层（30～50 m）和深层（50～100 m）分别进行地下空间资源质量分区.

式中，y 表示地下空间资源质量值；αH、αB分别表示开发深度折减系数、建设现状折减系数；wi表示指标i 的权重，参照表3；xi表示指标i 的量化值.

最后，根据y 值的大小，参照表4 对地下空间资源质量进行等级划分.

表4 地下空间资源质量等级划分表Table 4 Quality grading of underground space resources

3 结果与分析

根据上述评价方法，对长江新城不同深度范围的地下空间资源质量划分为“优、良、中、差”4 个等级. 评价结果如图1 所示.

图1 长江新城地下空间资源质量分区图Fig. 1 Quality zoning map of underground spacer sources in Yangtze River Demonstration Districta—浅层（shallow level）；b—次浅层（sub-shallow level）；c—次深层（sub-deep level）；d—深层（deep level）；1—优（excellent）；2—良（good）；3—中（medium）；4—差（poor）；5—水域（waters）

评价结果显示，长江新城地下空间资源质量的主要限制性因素是现有地下构筑物. 除此之外，西南侧海拔较低，覆盖层较厚，受长江影响，地下水作用强烈，岩土体工程质量较差，且在研究区西南角有岩溶发育，使地下空间开发难度增大，地下空间资源质量较差；东侧和北侧基岩埋深较浅，多为砂岩，围岩及地基稳定性良好，且较容易开挖，不良地质作用及地质灾害等不发育，地下空间开发难度较小，地下空间资源质量优. 地下空间资源质量优良的地区，地下空间开发不仅能节约成本，而且可以减少工程事故和灾害，同等条件下，应优先布局；对于地下空间资源质量中等或差的区域，应首先弄清楚影响该区域的主要限制因素；对于严重限制区应采取避让措施，对于深厚软土、岩溶等地质环境条件限制区域应合理开发并制定有效的工程措施. 各分层的地下空间资源特征及开发利用建议详见表5.