王麗麗 馮 震

（河北大學(xué)建筑工程學(xué)院， 河北 保定 071002）

0 引言

早在原始社會(huì)，就已經(jīng)出現(xiàn)了洞穴，人類利用天然洞穴儲(chǔ)藏、居住等。而地下空間的開發(fā)利用則始于1870年代的地鐵研究，而后擴(kuò)展到地下市政設(shè)施、地下資源、地下空間規(guī)劃方面的研究[1]。

城市地下空間是指城市規(guī)劃范圍內(nèi)地表以下土層或巖層中天然形成或人工開挖形成的空間[2]。近年來，伴隨著城市社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市中心區(qū)的交通、環(huán)境、用地緊缺等問題也越來越突出[3]。隨著地鐵、地下停車場(chǎng)、地下商場(chǎng)等地下場(chǎng)所的修建，人們?cè)絹碓街匾晫?duì)于地表以下空間的利用。地下空間資源按用途、形成原因和開發(fā)深度分類可分別分為：（1）交通空間、商業(yè)、文娛空間、業(yè)務(wù)空間、物流空間、生產(chǎn)空間、倉貯空間；（2）自然地下空間資源和人工地下空間資源；（3）淺層空間、中層空間、深層空間[4]。由于地下空間具有一定的不可逆性，盲目無計(jì)劃的開發(fā)地下空間資源不僅給人類生命和財(cái)產(chǎn)造成損失，而且在一定程度上導(dǎo)致了地下空間資源的破壞和浪費(fèi)[5]。因此對(duì)地下空間資源質(zhì)量作出合理評(píng)估，劃定不同資源質(zhì)量等級(jí)，一直到地下空間資源的合理規(guī)劃和有效開發(fā)勢(shì)在必行[6].城市地下空間資源開發(fā)利用需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ痰刭|(zhì)、水文地質(zhì)、巖土體、地面構(gòu)建筑物及地下構(gòu)建筑物等要素。

綜合考慮影響蘭州新區(qū)地下空間資源質(zhì)量的上述要素來確定評(píng)估體系，建立基于GIS平臺(tái)的城市地下空間資源評(píng)估模型，運(yùn)用其數(shù)學(xué)模型和層次分析法（AHP）[7-10]和GIS的空間數(shù)據(jù)管理和分析功能對(duì)蘭州新區(qū)地下空間資源開發(fā)難度等級(jí)適宜性及開發(fā)直接制約區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終綜合各類要素評(píng)價(jià)結(jié)果，得出評(píng)估單元和質(zhì)量等級(jí)劃分，客觀的評(píng)估地下空間資源的質(zhì)量，指導(dǎo)城市地下空間資源開發(fā)與利用。

1 研究現(xiàn)狀及研究區(qū)域概況

1.1 國外研究現(xiàn)狀

1882年，西班牙工程師索里亞.馬塔提出了“帶狀城市”的構(gòu)想，索里亞認(rèn)為城市應(yīng)沿運(yùn)輸線呈線性發(fā)展，同時(shí)對(duì)城市運(yùn)輸線的建設(shè)提出了三種方案：地面、地下、空中。

1906年、1910年法國建筑師歐仁.艾納爾為了解決交通中人車混行的矛盾以及二戰(zhàn)后城市居住環(huán)境日益惡化的問題，提出了多層次利用城市街道空間的設(shè)想。法國著名學(xué)者勒·柯布思埃在其所著的《明日城市》中提出了柯氏的“現(xiàn)代城市”理想。其主張四個(gè)原則：減少市中心的擁堵、提高市中心的密度、增加交通運(yùn)輸方式、增加城市的植被綠化。

為了解決城市日益擁堵的情況，瑞典建筑與城市規(guī)劃專家漢斯·阿斯普倫德提出了著名的“雙層城市”規(guī)劃理論。即地上辦公，地下交通的雙層模式。1998年，芬蘭學(xué)者Ronka·K等人通過研究，提出了具有普遍適用形式的地下空間豎向分層布局模式。日本因?yàn)榈赜蛩藜捌渲車h(huán)境，隨著其經(jīng)濟(jì)和人口的不斷增長(zhǎng)，日本作為第一個(gè)發(fā)展地下街的城市，其大致分為了三個(gè)階段，第一階段，二戰(zhàn)以前，東京淺草至上野段地下鐵道，日本第一條地鐵開通；第二階段，1955-1973年，日本經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，在各地不斷出現(xiàn)地下街配合地鐵共同開發(fā)的建筑；第三階段，1973年至今，由于日本政府對(duì)地下街的安全產(chǎn)生懷疑，限制其開發(fā)，但之后出現(xiàn)的地下街規(guī)模要比以前更大，穩(wěn)定性也相對(duì)提高?？梢?，日本地下街的發(fā)展方向，從對(duì)數(shù)量的追求轉(zhuǎn)向了對(duì)質(zhì)量的嚴(yán)格要求[11]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1988年，侯學(xué)淵、束昱發(fā)表了論文“the Model of Underground Space of the City”,文中結(jié)合地下空間的發(fā)展歷史,以及國外地下空間開發(fā)利用發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn),提出了我國城市地下空間的發(fā)展模式[11]。

1993年，呂小泉曾采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和對(duì)應(yīng)場(chǎng)理論等方法，研究并揭示了城市空間地上與地下和諧協(xié)調(diào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為確定向地下轉(zhuǎn)移的城市的功能比例提供了科學(xué)依據(jù)[11]。

1998年，錢七虎發(fā)表論文“城市可持續(xù)發(fā)展與地下空間開發(fā)利用”，提出了解決城市地域的規(guī)模與土地資源的矛盾以及上述“城市綜合癥”的重要途徑──合理有序地開發(fā)利用城市地下空間資源[12]。

2005年，陳志龍、伏海艷發(fā)表論文“城市地下空間布局與形態(tài)探討”，文中從城市地下空間功能、結(jié)構(gòu)與形態(tài)關(guān)系出發(fā),提出了城市地下空間布局基本原則,解析了城市地下空間布局與形態(tài),并對(duì)城市地下空間布局方法進(jìn)行了探討[13]。

2016年，李曉昭人等在定量調(diào)查的基礎(chǔ)上，以南京為例，將其發(fā)展模式和功能比與其他中外案例進(jìn)行比較。通過定量和比較研究，確定了城市地下空間的需求和驅(qū)動(dòng)因素[14]。

1.3 研究區(qū)域概況

蘭州新區(qū)是甘肅省下轄的國家級(jí)新區(qū)，是國務(wù)院確定建設(shè)的西北地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)極、國家重要的產(chǎn)業(yè)基地、向西開放的重要戰(zhàn)略平臺(tái)、承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移示范區(qū)。

蘭州新區(qū)位于秦王川盆地，是蘭州、白銀兩市的接合部，地處蘭州、西寧、銀川 3個(gè)省會(huì)城市共生帶的中間位置，也是甘肅對(duì)外開放的重要窗口和門戶。南北長(zhǎng)約49公里，東西寬約23公里，距蘭州市38.5公里，白銀市79公里，西寧市195公里，距西安560公里，經(jīng)景泰到銀川有470公里，經(jīng)河西走廊直通新疆，是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶和歐亞“大陸橋”的重要連接點(diǎn)（圖1，來源為百度百科）。

2010年12月，甘肅省設(shè)立蘭州新區(qū)。2012年8月，國務(wù)院批復(fù)為國家級(jí)新區(qū)，這是繼上海浦東新區(qū)、天津?yàn)I海新區(qū)、重慶兩江新區(qū)、浙江舟山群島新區(qū)后的第五個(gè)國家級(jí)新區(qū)，也是西北地區(qū)第一個(gè)國家級(jí)新區(qū)。

2 適宜性評(píng)價(jià)方法及工具

2.1 層次分析法和專家調(diào)查法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP）是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。該方法是美國運(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20世紀(jì)70年代初，在為美國國防部研究"根據(jù)各個(gè)工業(yè)部門對(duì)國家福利的貢獻(xiàn)大小而進(jìn)行電力分配"課題時(shí)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法，提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。其工作程序如圖2。

（1）確定判斷矩陣。確定區(qū)域影響因素，根據(jù)主題層和指標(biāo)層通過專家打分確定。期間要所有專家通過要求每個(gè)成員按 T.L. Saaty 1—9 標(biāo)度( 如表1) 兩兩比較后得出各自的判斷矩陣，直至最后所有專家都沒有意見為止，則求得的判斷矩陣即為最終判斷矩陣。

（2）層次分析法確定權(quán)值。對(duì)于構(gòu)造出的判斷矩陣，就可以求出最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，然后歸一化后作為權(quán)值。但該判斷矩陣需要通過一致性檢驗(yàn)。即根據(jù)公式（1）、（2）可以判斷。

圖1 蘭州新區(qū)地理位置圖

其中，CI為一致性指標(biāo)； 為最大特征根；n為矩陣階數(shù)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值見表2；CR為隨機(jī)一致性比率。如果CR<0.1 ，則認(rèn)為該判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，否則就不具有滿意一致性。

表1 比例標(biāo)度表

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI標(biāo)準(zhǔn)值

圖2 評(píng)價(jià)模型指標(biāo)結(jié)構(gòu)

對(duì)蘭州新區(qū)而言，自然條件因素包括地形地貌、區(qū)域穩(wěn)定性、地層巖性、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件等，對(duì)這一類要素將用層次分析法(AHP)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下工程開發(fā)難度等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)；另一類要素為制約性要素，主要包括評(píng)估區(qū)內(nèi)的生態(tài)保育區(qū)及不宜建設(shè)用地、機(jī)場(chǎng)，該類要素采用排除法來評(píng)價(jià)其地下工程開發(fā)的制約區(qū)。

根據(jù)蘭州新區(qū)實(shí)際情況，在對(duì)地下空間資源開發(fā)中這幾類因素及其作用原理分析的基礎(chǔ)上，擬定地下空間資源開發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，空間資源開發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，再通過專家問卷調(diào)查的方法對(duì)其進(jìn)行修正和完善，最終確定城市地下空間資源質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系（圖2）。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2.1 地下空間開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)及量化取值

地下空間資源質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及量化取值對(duì)不同的城市而言，有不同的量化結(jié)果。本文通過東營(yíng)市地質(zhì)調(diào)查、資料搜集、專家調(diào)查、參照規(guī)范等，對(duì)蘭州新區(qū)地下空間資源質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析，給出了各指標(biāo)量化取值標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

2.2.2 地下空間開發(fā)直接制約評(píng)價(jià)指標(biāo)及量化取值

對(duì)蘭州新區(qū)而言，地下空間資源開發(fā)直接區(qū)主要包括生態(tài)保育區(qū)及不宜建設(shè)用地、機(jī)場(chǎng)。調(diào)查區(qū)內(nèi)，生態(tài)保育區(qū)及不宜建設(shè)用地面積309.41平方公里，機(jī)場(chǎng)控制區(qū)面積44平方公里。由于制約區(qū)評(píng)估采用排除法，所以該指標(biāo)量化取值為1或0，即區(qū)內(nèi)存在限制類因素，則直接賦值為0，反之賦1（表2）。

表2 制約類指標(biāo)量化

2.3 地下空間開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

地下空間開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)采用層次分析法，即Saaty教授等提出的1-9標(biāo)度方法給出構(gòu)造判斷矩陣，運(yùn)用方根法，計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。針對(duì)蘭州新區(qū)的實(shí)際情況，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性兩兩對(duì)比判斷，確定主題層和目標(biāo)層判斷矩陣，通過分析和計(jì)算，得出各個(gè)指標(biāo)的單排序權(quán)值及總排序權(quán)值（表3）。表中總排序和單排序檢驗(yàn)結(jié)果均滿足一致性檢驗(yàn)條件。

3 基于GIS的評(píng)估模型及評(píng)估的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)學(xué)模型

通過上述分析，總體評(píng)估模型由自然條件下地下空間開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)和地上地下設(shè)施制約性評(píng)價(jià)組成。地下空間開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)，根據(jù)層次分析法的基本原則，采用多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)，建立適宜性評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型；而制約性評(píng)估則采用排除法。

首先，根據(jù)自然條件下的地下空間開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)子體系，采用多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)，即

其中，S為地下空間開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)總得分(0≤S≤l)；為指標(biāo)層第i個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的量化得分；%為各指標(biāo)相對(duì)于上一級(jí)主題層的對(duì)應(yīng)權(quán)重；為第j個(gè)主題相對(duì)于總評(píng)價(jià)目標(biāo)的權(quán)重。

表3 各指標(biāo)權(quán)重

地上和地下設(shè)施制約性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型采用乘積排除法，即該指標(biāo)的取值為 I或O，若該區(qū)存在制約性設(shè)施則其取值為0；反之，則取值為1，如下：

其中，D為地上和地下已有制約性設(shè)施評(píng)估總得分（D=O或1）；為第k個(gè)制約因子的得分(1或0)。

由公式(1)和公式(2)得出總體的評(píng)價(jià)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中，I為地下空間資源綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)得分值。

3.2 基于GIS的評(píng)估模型

地下空間資源質(zhì)量評(píng)價(jià)采用地域單元評(píng)價(jià)法進(jìn)行，在 CIS中一般有兩種方法來實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)單元的生成，即矢量法和柵格法。矢量法是在單一要素矢量圖層的基礎(chǔ)上進(jìn)行多層空間數(shù)據(jù)的疊加運(yùn)算，從而得到評(píng)價(jià)的基本單元，該方法的優(yōu)點(diǎn)是所劃分出的單元邊界表現(xiàn)為實(shí)

際空間屬性邊界；另一種是柵格法，一般是指將圖層?xùn)鸥窕纱笮『托螤罨疽恢碌幕締卧僭诿總€(gè)單元格里進(jìn)行多屬性運(yùn)算，最終分區(qū)結(jié)果表現(xiàn)近似模擬實(shí)際空間屬性的邊界。就邊界條件而言，矢量法誤差較小。因此本文采用矢量法來實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)單元的生成。

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

評(píng)價(jià)的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理包括區(qū)域穩(wěn)定性、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害及斷裂帶分布、地形地貌圖、遙感圖、城市管線布局圖、高層建筑分布以及城市相應(yīng)設(shè)定的保護(hù)區(qū)等數(shù)據(jù)的處理。在數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

（1）由于搜集資料數(shù)據(jù)的多元性，各類圖采用的比例尺及坐標(biāo)系統(tǒng)不盡相同，在矢量化時(shí)應(yīng)采用 GIS平臺(tái)的影像分析、配準(zhǔn)、誤差矯正、坐標(biāo)轉(zhuǎn)化等功能，實(shí)現(xiàn)各個(gè)圖層地理坐標(biāo)的統(tǒng)一，方便圖層的精確疊加。

（2）由于現(xiàn)在蘭州新區(qū)處于在建期，故高層建筑及中低層建筑位置不能完全依靠規(guī)劃圖，需要親自去現(xiàn)場(chǎng)收集，記錄坐標(biāo)，并一一添加入GIS平臺(tái)。

（3）對(duì)于點(diǎn)、線狀的指標(biāo)圖層，如河流、管線等，需依據(jù)其對(duì)工程開發(fā)的影響范圍進(jìn)行緩沖區(qū)分析，以確保更準(zhǔn)確地劃定這類指標(biāo)的基本單元。

3.2.2 基于ArcGis的空間分析

ArcGis的空間分析模塊主要針對(duì)矢量數(shù)據(jù)而盲，可以實(shí)現(xiàn)空間矢量圖層疊加分析和圖層要素緩沖區(qū)分析，并在空間疊加分析的同時(shí)實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的運(yùn)算。利用賦值后的矢量圖層，進(jìn)行多圖層的疊加，各個(gè)單一圖層的邊界疊加交叉生成新圖層的邊界，實(shí)現(xiàn)了新的單元?jiǎng)澐郑瑫r(shí)圖層之間相對(duì)應(yīng)的區(qū)域?qū)傩赃M(jìn)行運(yùn)算，得到新圖層單元的屬性。

3.2.3 基于GIS平臺(tái)的評(píng)估的實(shí)現(xiàn)

依據(jù)數(shù)學(xué)模型公式(3)，利用ArcGis通過空間的疊加分析和屬性數(shù)據(jù)的運(yùn)算，將評(píng)估體系中的10個(gè)指標(biāo)圖層依次疊加，圖層的屬性進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算分析，最終生成自然劃分的新單元結(jié)。每個(gè)新單元的屬性值，都不相同（介于0與1之間），

根據(jù)分?jǐn)?shù)的大小對(duì)地下空間資源質(zhì)量進(jìn)行等級(jí)劃分（表4）。

表4 評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)劃分

5 結(jié)論

根據(jù) Gis圖并結(jié)合蘭州新區(qū)整體經(jīng)濟(jì)及人口分布，可知蘭州新區(qū)南部為商業(yè)區(qū)，中部為工業(yè)區(qū)，故，蘭州新區(qū)南方地下空間適宜性好，北部適宜性差，中東部適宜性良好。但是因?yàn)槲髂戏綖檎麄€(gè)蘭州新區(qū)的排泄口，故此不能為適宜性好的地區(qū)，又因?yàn)樘m州新區(qū)的基本商業(yè)活動(dòng)及整個(gè)地區(qū)的人口遷移多集中于中南部，故最后結(jié)論為除了建筑區(qū)以及機(jī)場(chǎng)、火車站等限制區(qū)外，中南部為適宜性好的區(qū)域。

[1]賈世平, 李伍平. 城市地下空間資源評(píng)估研究綜述[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2008, 4(3):397-401.

[2]劉桂祿, 楊浪. 城市地下空間開發(fā)利用特征及限制因素初探[J]. 城市規(guī)劃學(xué)刊, 2010(s1):114-118.

[3]柳昆, 彭建, 彭芳樂. 地下空間資源開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)模型[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2011, 07(2):219-231.

[4]李相然. 城市地下空間資源的類型與特點(diǎn)[J]. 自然資源學(xué)報(bào),1996(2):193-195.

[5]宛素春, 王春梅. 北京地下空間的利用與開發(fā)[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1995,21(2):52-59.

[6]姜云, 吳立新, 杜立群. 城市地下空間開發(fā)利用容量評(píng)估指標(biāo)體系的研究[J]. 城市發(fā)展研究, 2005, 12(5):47-51.

[7]蔡鶴生, 周愛國, 唐朝暉. 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的專家-層次分析定權(quán)法[J].地球科學(xué)-中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào), 1998, 23(3):299-302.

[8]官善友, 朱銳, 高振宇. 地質(zhì)條件對(duì)武漢市地下空間開發(fā)的影響及分區(qū)評(píng)價(jià)[J]. 工程勘察, 2008(9):6-10.

[9]胡學(xué)祥, 劉干斌, 陶海冰. 基于ArcGIS寧波市地下空間開發(fā)適宜性評(píng)價(jià)研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2016, 12(6):1439-1444.

[10]呂三和, 焦俊超, 譚長(zhǎng)偉,等. 基于GIS的嶗山區(qū)地下空間利用適宜性評(píng)價(jià)[J]. 城市環(huán)境與城市生態(tài), 2012(5):31-34.

[11]王敏. 城市發(fā)展對(duì)地下空間的需求研究[D]. 同濟(jì)大學(xué), 2006.

[12]錢七虎. 城市可持續(xù)發(fā)展與地下空間開發(fā)利用[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào),1998(2):69-74.

[13]陳志龍, 伏海艷. 城市地下空間布局與形態(tài)探討[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào),2005, 1(1):25-29.

[14]Li X Z, Li C, Parriaux A, et al. Multiple resources and their sustainable development in Urban Underground Space[J]. Tunnelling & Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research, 2016, 55.