考虑地质因素的城市地下空间开发价值分异特征及评估方法研究——以海口市江东新区为例

陈 帅，黎清华，张彦鹏，左文萍，宋国玺

(1.中国地质大学(武汉)地质调查研究院，湖北 武汉 430074；2.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北 武汉 430205;3.北京超维创想信息技术有限公司，北京100089)

随着社会经济的不断发展，城市地下空间的有偿使用与价值评估管理已成为必然趋势，而如何显化地下空间使用权的价值，建立一套行之有效的地下空间开发综合经济价值评估体系是目前急需解决的问题[1]。

目前国内外提出的关于国土空间使用权价格的评估方法主要有市场比较法、收益还原法、假设开发法、基准地价系数修正法等[2-10]，其中绝大多数是以地表土地为评估对象。国际上，目前主流的地下空间资源价值评估方法主要有德国史基墨滚动法[10]，这是一种将补偿费作为价值表达的方法，而补偿费用是公共设施占用私人土地使用权的补偿。基于史基墨滚动理论的楼层效用比率理论[8]，则是地下空间立体定价的应用，该方法认为地上一层效用最高，以此为基准向上或向下空间的价值都会递减。我国在地下空间基准地价评估方面也有相关的研究进展，如马骞等[11]以南京市地下商业用地为研究对象，将基准地价的概念扩展到地下土地，试图建立地下商业用地基准地价与地表商业用地基准地价之间的关系，但其在评估地下空间基准地价时并未考虑地质因素的影响，而同地段同类型的地下工程造价是地表的3～4倍。因此，在评估地下空间基准地价时必须考虑地质因素产生的成本性影响。

合理评估地下空间基准地价，是服务支撑自然资源部“两统一”职责中统一行使全民所有自然资源资产所有者职责的关键一步，而合理评估地下空间的综合经济价值则是评估地下空间基准地价的关键。为此，本文以海口市江东新区为例，将地表经济要素对地下空间开发价值的收益性影响与地质要素对地下空间开发价值的成本性影响相结合，采用加权叠加的方式，综合评估地下空间开发的综合经济价值在三维空间上的分异特征，以为地下空间的基准地价评估提供定性参考和新思路。

1 研究区概况

1.1 地表经济概况

海口市江东新区位于海南岛东北部，地处海口市东海岸区域，总面积为298 km2，下辖灵山镇、演丰镇和桂林洋开发区，总人口约为23.89万人。区内有长约50 km的河流，有东营港、融创港等3个港口，自然资源较为丰富。区内交通较为发达，南侧有目前省内最大的美兰国际机场、东环高速铁路，重要的基础设施建设达到国际化水平，自由贸易试验区集中展示区已基本成型。总体上，海口市江东新区除了临近主城区的灵山镇和桂林洋开发区人口较多外，其余区域人口相对较少、建设面积小，基本路网和基础配套设施较为完善。

从江东新区的总体规划来看，该区地下空间开发的需求较大，规划目标主要以浅层开发为主、中深层按需开发。因此，本文主要考虑江东新区0～100 m深度范围的地下空间。

1.2 基础地质概况

海口市江东新区地貌以滨海河流相为主，中南部及演丰镇一带则主要为火山地貌。区域岩体出露较为广泛，火山岩、碎屑岩和变质岩类均有分布，工程地质条件较为复杂，江东新区100 m深度范围内的岩土体由新到老依次为划分为全新统未分组(Qh)、烟墩组(Qh3y)、琼山组(Qh2q)、多文组(Qp2d)、北海组(Qp2b)、秀英组(Qplx)、海口组(N2h)、灯楼角组(N1d)8个岩石地层单位，不同岩石地层单位的形成时代和沉积环境均存在较大的差别，进而导致其工程地质性质的差异，见图1。区域构造格局由近东西向、南北向、北西向和北东向4组断裂构造组成，近东西向断裂构造控制着断陷盆地的形成和发展，而北西、北东向断裂构造控制着盆地内次级构造的形成和分布，且4组断裂构造具有多期次活动性，控制着新生代多次火山活动、地震活动、沉积建造类型、成矿作用等。

图1 海口市江东新区地质图

海口市江东新区自北向南从沙上港至云龙镇100 m深度范围内的地质结构剖面图见图2，自西向东从南渡江至灵山镇100 m深度范围内的水文地质剖面图见图3。

由图2和图3可见：江东新区整体地层海拔呈现出南高北低的形态(见图2)；江东新区0～100 m深度范围内主要有潜水含水层、第1承压水含水层(Ⅱ1)、第2承压水含水层(Ⅱ2)、第3+4承压水含水层(Ⅱ3)，其中潜水含水层中又分为滨海堆积层孔(Ⅰ2)和陆海交汇相沉积层孔隙潜水(Ⅰ3)(见图3)。

图2 海口市江东新区自北向南从沙上港至云龙镇100 m深度范围内地质结构剖面图

图3 海口市江东新区自西向东南渡江-分创村-灵山镇100 m深度范围内水文地质剖面图

隙潜水含水层(Ⅰ1)、河流冲洪积层孔隙潜水含水层

2 研究方法

本文的研究思路如图4所示，具体如下：

图4 研究思路

(1) 查明江东新区地表区位等级、土地等级、交通关键节点等级、市政管线密度等级等地表经济要素数据；查明江东新区工程地质、水文地质、地质灾害风险等地质要素数据。

(2) 采用层次分析法分别构建地表经济要素对地下空间开发价值的收益性影响评价指标体系和地质要素对地下空间开发价值的成本性影响评价指标体系，并分别构建判断矩阵，在满足一致性检验要求的情况下，计算两种评价指标体系中各评价指标的权重。由于地表经济要素对地下空间开发价值的影响主要是收益性的，而地下空间地质要素对地下空间开发价值的影响是成本性的，因此为了方便描述，本文分别采用“影响收益指标体系”和“影响成本指标体系”来简述上述两种评价指标体系。

(3) 对江东新区地下空间进行分层，构建分层下的地下空间三维纵向衰减模型。

(4) 采用三维地质单元剖分的方式，构建影响成本指标体系各地质要素的三维属性模型。

(5) 利用ArcGIS和三维建模软件将获取的影响收益指标体系中各地表经济要素属性三维化。

(6) 在双指标体系的三维属性模型构建完成后，确定指标体系中各评价指标的权重分配，分别计算得到地下空间的收益性等级和成本性等级，并将两种结果数据导入已建立的双指标体系三维属性模型中，与已经建立的地下空间三维纵向衰减模型相乘，得到分层下的地下空间收益性空间分异模型和成本性空间分异模型。此时，地下空间开发的收益随层深的增加而减小，地下空间开发的成本随层深的增加而增大。

(7) 将分层下的地下空间收益性空间分异模型与成本性空间分异模型按照每层不同的权重进行加权叠加，最终获得地下空间开发利用的综合经济价值评估模型。

3 评价指标体系构建及指标权重确定

3.1 评价指标体系构建

本文采用美国著名运筹学专家Saaty提出的层次分析(AHP)法[12]，分别构建影响收益指标体系和影响成本指标体系，并分别构建判断矩阵，在满足一致性检验要求的情况下，计算各指标体系的综合权重。

3.1.1 影响收益指标体系

地表经济要素对地下空间开发的需求强度和经济效益有着重要的影响。本文采用区位等级、交通关键节点等级、土地等级、市政管线密度等级4项主要地表经济要素指标，构建地表经济要素对地下空间开发价值的收益性影响评价指标体系即影响收益指标体系，见图5。这4项经济要素指标都对地下空间开发的需求强度和经济效益具有十分重要的影响。

图5 地表经济要素对地下空间开发价值的影响收益指标体系

(1) 区位等级：城市中的商业中心、行政中心、交通枢纽等都可以看作是绝对区位，与其联络时间越少，距离越短的土地价值越高，反之递减。土地价值的高低对地下空间开发的经济价值有直接的影响，并且这些绝对区位在数量和层次上对地下空间资源有着强大的需求。绝对区位等级与地下空间开发的经济效益直接相关，绝对区位周边地下空间的开发价值也随距离的增加而递减。

(2) 交通关键节点等级：地铁沿线和地铁车站周围的地下空间区域都极具开发潜力，具体表现在：地下空间的开发很容易与周围的交通系统连成整体，从而提高地下空间的可达性和使用价值；能够有效汇集与分散人流，使已有的交通节点功能辐射区域增大，具有良好的社会效益和经济效益。因此，交通关键节点等级是影响地下空间开发潜力的一个重要因素。

(3) 土地等级：土地交换的价格与土地资源的质量和紧缺程度有着密切的关系，综合反映了土地资源使用价值和附加值的水平和潜力。在土地价格保持不变的前提下，地下空间资源的开发利用可以显著提高单位面积的土地利用容量和土地使用价值，进而增加土地的附加值，即地价越高，地下空间开发的潜在价值越高。

(4) 市政管线密度等级：城市地下空间的开发潜力同样还在于城市市政设施的更新改造，其价值在于提高市政公共安全性和可靠性，改善人们生活的方便程度以及地面空间环境，市政设施越不完善的地区，其地下空间开发的潜力也就越大。因此，市政管线密度等级可以作为评价地下空间开发潜力的又一指标。

海口市江东新区地下空间开发基于地表经济要素的影响收益指标量化表,见表1。表1中，将各评价指标分为差、中、优三级，分别给出1、2、3分的评价值。其中，区位等级指标的划分依据主要是考虑地段的繁华程度，市级商业中心的经济价值等级最高，其次是区级商业中心，剩余地区全部划归一般地段；交通关键节点等级指标的划分依据则主要是考虑节点，根据《海口江东新区总体规划纲要(2018—2035)》中道路交通规划及轨道交通规划，可将海口市江东新区交通关键节点等级分为三级，一级为交通枢纽及轨道交通换乘站，二级为轨道交通车站，三级为非交通节点；土地等级指标的划分依据则主要是考虑地价的高低，可将其分为高地价、中等地价和低地价三级；市政管线密度等级的划分依据主要是考虑地下管线和市政设施的分布密度，可将其分为密集、一般、稀疏三级。

表1 地表经济要素对地下空间开发价值的影响收益指标量化表

3.1.2 影响成本指标体系构建

由于地下空间开发适宜性在一定程度上可以反映地下空间开发的难度和成本差异，所以影响成本指标体系的构建主要参考地下空间开发适宜性指标体系，但与传统开发适宜性指标体系相比其侧重点更注重地下空间的地质条件对地下空间工程开发的成本性影响。

依据AHP法，选取工程地质C21、水文地质C22、地质灾害风险C23三项中间层要素，指标层选取七项指标要素。其中，岩土体类型D21、地基承载力D22为工程地质指标要素；地下水富水性D23、距地表水水平距离D24、距地表水垂直距离D25为水文地质指标要素；砂土液化D26、距断裂地震带D27为地质灾害指标要素。之所以选取这些指标，是因为它们都不同程度上控制着地下空间开发的难度和支护条件，相应地影响了地下空间的开发成本。

建立的地下空间地质要素对地下空间开发价值的影响成本指标体系，见图6。

图6 地下空间地质要素对地下空间开发价值的影响成本指标体系

海口市江东新区地下空间开发基于地下空间地质要素的影响成本指标量化表，见表2。表2中，将各评价指标分为差、中、优三级，分别给出1、2、3分的评价值，这与表1中的指标层分值的划分一致，方便后续综合评价时，加权结果不受两类指标层分值划分的影响。

表2 地下空间地质要素对地下空间开发价值的影响成本指标量化表

其中，岩土体类型指标的划分主要是从考虑开挖成本，开挖黏土的成本最低，其次是砂石，而开挖淤泥的成本最高；地基承载力则主要是考虑不同地基承载力岩土体工程开发后的支护成本，并据此进行等级划分；地下水富水性、距地表水的水平和垂直距离均影响着地下工程的突涌、渗水等风险，相应地影响地下工程的防水防灾等级，因此按照地下水富水性和距地表水的距离来表征地下工程在防水方面的成本性影响；而砂土液化和断裂地震带，则是灾害地质因素，同样影响着地下工程的防灾与支护成本，在砂土液化方面，主要是判断研究区砂土的液化程度分异，将全区划分为液化严重区、液化中等区和非液化区三级，而距断裂地震带的距离则是按照距断裂带中心的距离进行等级划分。

3.2 评价指标权重确定

本文结合相关文献资料和专家调查法，采用Saaty的1～9标度法[12]，分别构建影响收益指标体系和影响成本指标体系的判断矩阵，对每层各指标进行两两相互比较，按照相对重要性进行打分，在满足一致性检验要求的情况下，分别计算影响收益指标和影响成本指标的权重，其计算结果见表3和表4。

表3 影响收益指标的权重

由表3可知，区位等级C11对地下空间开发的需求强度占据主导地位[13]，其次为交通关键节点等级C12、土地等级C13和市政管线密度等级C14。

在地下空间开发过程中，岩土体类型、地基承载力等工程地质条件直接控制着地下空间开发的难易程度，对工程安全和经济成本起着决定性的作用[14]，岩土体作为地下空间工程的承载介质，其对地下构筑物的变形和承载特征差异导致地下空间开发产生成本的差异，越强的地基承载力则会使地下空间开挖的支护措施越简单，开挖成本也就越低[15]。由表4可知，中间层工程地质因素的权重占据主导地位，而水文地质因素和地质灾害风险因素对地下空间开发也有着重要的作用，也占据了一定的权重比例。

表4 影响成本指标的权重

4 三维属性模型构建

本文采用的三维建模软件为CreaterXModeling，是由北京超维创想信息技术有限公司自主研发的三维可视化地质建模系统。

本文所采用的评价数据分为地表经济要素数据和地下空间地质要素数据，其中地表经济要素数据来自武汉地质调查中心发布的《海口江东新区地下空间开发利用潜力调查评价综合成果报告》，地下空间地质要素数据采用江东新区钻孔数据资料及其他工程地质资料，以上数据均来自“海口江东新区综合地质调查项目”。

4.1 三维属性模型构建方法

本文采用多种建模方式来构建多要素三维属性模型。首先，采用CreaterXModeling软件，对江东新区整体的横、纵向研究边界进行划定，构建矢量边界模型；然后，采用三维地质体单元剖分的方式，构建地下空间各地质要素对地下空间开发成本影响程度的三维体元(voxet)模型。即利用钻孔数据，在设置初始面后，通过层面逐层下沉的方式，构建各地层间的属性分界面，从而形成三维地层矢量边界模型；再利用voxet体切割的方式，实现三维体要素属性模型的构建；通过对各要素属性进行赋值(见表2)并进行归一化处理，将其划分为高、中、低三个等级。

地表经济要素对地下空间开发收益性影响程度的三维属性模型的构建方式与地下空间地质要素对地下空间开发成本性影响程度的三维属性模型不同。首先获取江东新区的区位等级、交通关键节点等级、土地等级、市政管线密度等级的信息资料，利用ArcGIS进行栅格化赋值，获得各要素的平面栅格数据；然后，利用三维建模软件构建三维空值模型，输出CSV格式的没有属性的三维点要素数据，并导入ArcGIS中，再利用多值提取至点功能，将各要素栅格数据投影至与其平面坐标对应的三维点数据中，形成地表经济要素的三维数据体;最后，将获得各要素属性的三维点要素数据体导入三维建模软件中，利用构建好的地下空间三维纵向衰减模型与之相乘，从而实现地表经济要素对地下空间开发价值收益性影响等级的三维化，见图7。

图7 地表经济要素对地下空间开发收益性影响等级的三维投影

4.2 地下空间三维纵向衰减模型构建

江东新区主要以浅层开发为主、中深层按需开发的原则开展地下空间的开发。因此，结合江东新区地下空间开发需求和开发规划，将江东新区地下空间分为浅层(0～15 m)、中层(15～45 m)和深层(45～100 m)。

为了计算衰减后的地下空间开发收益等级和成本等级,构建了分层下的地下空间三维纵向衰减模型，见图8。衰减系数的确定主要参考楼层效用比例理论，衰减系数为浅层1、中层0.5、深层0.1。构建地下空间三维纵向衰减模型的意义在于：随着层深的增加，地表经济要素对地下空间开发价值的收益性影响是逐层衰减的；地质要素对地下空间开发价值的成本性影响则是逐层递增的。在这两类指标体系等级的归一化处理中，成本等级由高到低为1～3，而收益等级由高到低为3～1。因此，通过与该纵向衰减模型相乘，随着层深的增加地下空间开发的收益降低、成本增加。

图8 地下空间三维纵向衰减模型

4.3 地下空间地质要素三维属性模型构建

依据第4.1节所述建模方法，按照表2中各评价指标的等级划分标准对各评价指标赋值并进行归一化处理后，构建地下空间各地质要素对地下空间开发成本影响程度的三维属性模型，见图9。高成本则地下空间开发适宜性差，低成本则地下空间开发适宜性优。

图9 地下空间地质要素对地下空间开发成本影响程度的三维属性模型

4.4 地表经济要素三维属性模型的构建

依据第4.1节所述方法，构建各地表经济要素对地下空间开发收益影响程度的三维属性模型，见图10。

图10 地表经济要素对地下空间开发收益影响程度的三维属性模型

由图10可知，地表经济要素对地下空间开发的收益影响在纵向上是递减的，这符合随着层位的加深，地表经济要素对地下空间开发价值的影响逐渐递减的客观发展规律。

5 地下空间开发收益等级和成本等级的空间分异模型建立

通过构建的地下空间各要素三维属性模型，并采用构建的影响收益和影响成本评价指标体系，分别构建了地下空间开发收益等级和成本等级的空间分异模型(见图11和图12)。用于评价地下空间开发的收益性和成本性空间分异特征。

图11 地下空间开发收益等级的空间分异特征

图12 地下空间开发成本等级的空间分异特征

由图11和图12可知：地下空间开发的高收益区主要集中在浅层，中等收益区则主要集中在浅中层，低收益区涵盖大部分深层和少部分浅中层;低成本区主要集中在浅层，中等成本区则主要集中在浅中层，高成本区涵盖大部分深层和少部分浅中层(见图12)。

6 地下空间开发的综合经济价值评估

6.1 地下空间纵向分层变权叠加

城市地下空间的开发成本造价与区位距离的关系[16]，见图13。

图13 城市地下空间开发成本造价与区位距离的关系[16]

由图13可知，相比于地表开发，地下空间的开发成本受地表区位的影响可以忽略不计。因此，在地下空间开发收益性影响模型与地下空间开发成本性影响模型的加权叠加模式，主要考虑纵向上的空间变异特征。

纵向来看，城市地下空间浅层的综合经济价值主导要素是地表经济要素，且浅层地下空间开发成本相对于中层和深层较低，所以在浅层的收益性影响模型和成本性影响模型的叠加中，收益性影响模型的叠加权重更大，以此类推，随着开发深度的增加，收益性影响模型的权重递减，成本性影响模型的权重递增。结合文献资料和专家调查，把影响收益指标在浅、中、深三层的叠加权重分别确定为0.7、0.5、0.3；影响成本指标在浅、中、深三层的叠加权重分别确定为0.3、0.5、0.7，见表5。

表5 地下空间综合经济价值评估分层叠加权重分配表

采用加权叠加的方式，依据表5中各层中收益性影响模型和成本性影响模型的权重分配进行加权计算，可得到综合经济价值评估结果。

具体计算公式如下：

6.2 地下空间综合经济价值评估及结果分析

对地下空间开发收益性影响模型与成本性影响模型通过分层加权叠加，计算得到地下空间开发综合经济价值评估结果，并依据开发价值的连续性，对最终综合经济开发价值的区间等级进行划分，即是在评估结果的最小值与最大值间进行三等分划分，经归一化处理后，进行三维化展示，见图14。

图14 地下空间开发综合经济价值等级的空间分异特征

由图14可知，高开发价值区主要分布于浅层、中层区域，大部分在浅层区域；中等开发价值区主要分布于浅层、中层区域，大部分在中层区域；低开发价值区主要分布于深层区域，极少量分布于浅、中层区域。可见，模型计算结果基本满足地下空间开发经济价值随深度递减的客观规律；同时，由于地质要素对地下空间开发的成本性影响，导致三个综合开发经济价值等级在空间上并不是单纯地随深度发生变化。

引入地下空间开发过程中影响成本指标后，地下空间开发的总体价值空间分异特征与仅采取地表经济因素的地下空间开发收益性价值空间分异特征相比，增加了一项评判维度。地下空间综合经济价值在浅层、中层区域内，存在高开发价值区与中等开发价值区相互交织的状态，说明地下空间地质要素在某种程度上约束了地下空间开发经济价值的空间分布特征，从而使得评估结果更具有科学性。

7 结论、建议与展望

7.1 结 论

本文采用三维可视化建模技术和ArcGIS软件，成功将地表经济要素对地下空间开发的收益性影响和地下空间地质条件要素对地下空间开发的成本性影响相结合，实现了地下空间开发综合经济价值评估的三维可视化。这种对地下空间开发综合经济价值的定性评估和三维展示可以直观地反映地下空间开发综合经济价值的空间分异特征，能够在一定程度上为地下空间使用权价格的制定提供定性参考。由于目前海口市江东新区地下空间的基准地价评估尚未开展，且在地下空间价值评估体系中，并未考虑地质要素产生的成本影响，因此尚无法对其进行合理性验证。

7.2 建议与展望

(1) 目前我国关于地下空间使用权价格的评估基本均忽略了地下空间地质要素所产生的成本影响，而地下空间开发的成本又会随着地质条件和深度等要素大大增加。因此，建议将地下空间开发过程中地质要素产生的成本影响纳入地下空间使用权价格的评估体系中。

(2) 地下空间开发综合经济价值是地下空间开发收益与成本的差值，也是进行地下空间开发综合经济价值评估的基本原理。但由于本文对地下空间地质要素在地下空间开发过程中成本性的影响研究不够深入，地下空间地质条件对各类地下空间开发工程成本性影响理论的研究还不完善，加之地表经济要素对地下空间开发综合经济价值收益性影响理论体系的研究也不够完善，因此建议研究不同地质条件要素如地下商城、地铁等各种不同形态地下工程的成本性影响，构建细化的成本性影响指标体系和诸多地表经济要素对地下空间开发综合经济价值的收益性影响指标体系，以完善地下空间开发综合经济价值评估的理论体系。