何陽 熊雄 徐定芳 劉一鳴 龐鐵

摘 要：常德市為省域次中心城市及湘西北中心城市、綜合交通樞紐和生態(tài)宜居城市，隨著城市社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市逐步進行地下空間資源的開發(fā)利用。運用層次分析法和變權(quán)評價方法，針對研究區(qū)60 m以淺的地下空間資源開發(fā)利用進行適宜性分析評價，按照0～10 m，10～30 m，30～60 m等3個層次進行評價，得出研究區(qū)地下空間資源開發(fā)利用適宜性評價結(jié)果，按照適宜性等級劃分為一級、二級、三級、四級4個等級，其中0～10 m大部分為一級適宜性評價區(qū)和二級適宜區(qū)，10～30 m和30～60 m一般為三級適宜性區(qū)和四級適宜區(qū)，并提出針對性的開發(fā)利用建議，以期為常德市地下空間資源開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：常德市;地下空間資源開發(fā)利用;變權(quán)評價;適宜性評價

Abstract： Changde is a provincial sub-center and a regional center in northwestern Hunan Province; Its also an integrated transportation hub and an ecologically livable city. With the rapid growth of its urban society and economy， the development and utilization of the underground space resources are gradually implemented. In this paper， analytic hierarchy process and variable weight evaluation methods are used to evaluate the suitability of the underground space resources below 60 m in the study area; suitability evaluation is carried out at the layers of 0 ～ 10， 10～ 30， 30～ 60 m; and evaluation results are divided into four grades from the first to the fourth. Most of the 0 ～ 10 m is first and second grade suitability areas， 10 ～ 30 m and 30 ～ 60 m are generally third and fourth suitability areas. Finally， targeted development and utilization suggestions are put forth to provide a scientific basis for the development and utilization of underground space resources in Changde City.

Keywords： Changde City; development and utilization of underground space resources; variable weight evaluation; suitability evaluation

針對地下空間資源以及規(guī)劃建設(shè)中地質(zhì)環(huán)境的影響，很多學(xué)者進行了大量的適宜性評價研究。通過調(diào)查對地下空間資源開發(fā)利用現(xiàn)狀設(shè)施的分類（Sterling et al.，1982），對地質(zhì)條件進行調(diào)查、綜合分析，采用層次分析法建立了城市地下空間開發(fā)利用適宜性評價模型（R?nk? et al.，1998）和地下空間資源評價模型（祝文君，1992），為城市地下空間的規(guī)劃及管理提供服務(wù)（Rienzo et al.，2009）。為使地下空間適宜性評價結(jié)果更能反映實際情況，學(xué)者采用變權(quán)理論建立了鄭州市地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性評價模型，對鄭州市地下空間開發(fā)利用進行了適宜性分區(qū)，并提出了開發(fā)利用建議（張晶晶，2016）。

常德市地下空間開發(fā)利用始于人防工程建設(shè)，開發(fā)利用程度較低，主要分布于建成區(qū)，為地下交通、地下市政設(shè)施、倉庫等空間設(shè)施。區(qū)內(nèi)尚未對地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀進行梳理，也未進行地下空間開發(fā)利用適宜性評價，本文主要是針對60 m以淺的地下空間進行研究分析，為城市規(guī)劃提供依據(jù)，以實現(xiàn)地下空間資源開發(fā)的科學(xué)性、合理性和可靠性。

1 地質(zhì)條件

（1）地形地貌

研究區(qū)位于洞庭湖平原西部，地形上表現(xiàn)為北部高，中部—南部低的特征。北部海拔為100～563 m;中部海拔28～40 m;南部海拔50～100 m。

（2）地層巖性

區(qū)內(nèi)地層以第四系為主，廣泛分布于沅江及其支流兩側(cè)，第四系面積約占研究區(qū)的87%，第四系厚度一般為35～60 m，最深厚達110 m;其次為古近系—白堊系泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，寒武系泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，南華系、震旦系、板溪群以及冷家溪群粉砂質(zhì)板巖、板巖。

（3）地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造主要形成于印支期、燕山期和古近紀(jì)，主要為北東向，其中太陽山斷裂為活動斷裂，為主要孕震、導(dǎo)震構(gòu)造。區(qū)內(nèi)歷史上發(fā)生4級以上地震7次，最大震級為1631年6.8級。

（4）水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水類型主要為松散巖類孔隙水、紅層孔隙—裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水和基巖裂隙水。其中高階地孔隙水一般為潛水，水位埋深一般為25～55 m，單井涌水量140～474.66 m3/d，富水性等級為貧乏—中等;低階地孔隙水一般為承壓水，水位埋深一般為0.8～6.5 m，，單井涌水量588.64～4579.43 m3/d，富水性等級為中等—豐富;紅層孔隙—裂隙水富水性等級為貧乏—中等;裂隙溶洞水類型為覆蓋型和埋藏型，水位埋深為5.5～35 m，單井涌水量為1154.39～2341.44 m3/d，水質(zhì)優(yōu)良，富水性等級為中等—豐富;基巖裂隙水富水性等級為貧乏—中等（圖1）。

（5）工程地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)巖體可分為4個建造類型，即：陸相碎屑巖建造、海相碎屑巖建造、碳酸巖建造、淺變質(zhì)巖建造。又可細(xì)分為 7 個工程地質(zhì)巖性綜合體;區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層總體劃分為抬升區(qū)和凹陷區(qū)2種類型，據(jù)土體形成條件、內(nèi)部連結(jié)特征可分成一般天然土和特殊土兩大類，一般天然土以粒度成分或塑性指數(shù)劃分為黏性土、粉土、砂類土、卵礫土等類型;特殊土類在區(qū)內(nèi)主要為填土、軟土及膨脹土。根據(jù)其土的性質(zhì)組合特征劃分為均一、雙層、復(fù)式結(jié)構(gòu)3種類型（圖2）。

2 地下空間資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

研究區(qū)地下空間資源開發(fā)利用現(xiàn)狀主要為：地下交通工程、地下市政工程、地下綜合管廊及建筑地下室和建筑物基礎(chǔ)（王蘭化，2015），其主要開發(fā)利用類別及規(guī)模見表1。

3 地下空間資源開發(fā)利用主要影響因素

地下空間資源開發(fā)利用受多種因素的制約，例如地面及地下已有建筑物對地下空間的相互影響以及地質(zhì)環(huán)境條件和不良地質(zhì)作用的影響等。地下空間開發(fā)也應(yīng)考慮其施工后因地質(zhì)環(huán)境條件改變可能會存在的安全問題，地下空間開發(fā)利用導(dǎo)致的安全問題可分為人為因素和自然因素，人為因素主要包括管線破壞、基坑坍塌等。自然因素包括地形地貌、工程及水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)問題、地質(zhì)災(zāi)害等。本文從地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體類型、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)作用、生態(tài)敏感性條件和地下空間現(xiàn)狀條件等7大地質(zhì)環(huán)境因素來探討地下空間資源開發(fā)利用的適宜性。

（1）地形地貌

區(qū)內(nèi)地貌類型主要為沖積—沖湖積平原、低山—丘陵，主要影響0～10 m范圍的地下空間開發(fā)利用，主要影響地下空間的開發(fā)形式及整體布局。

（2）地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，其中斷層對地下空間開發(fā)利用的影響較大，尤其是區(qū)內(nèi)的太陽山斷裂為活動斷裂，受斷裂的影響，基坑和硐室的圍巖穩(wěn)定性一般較差，在地下水較豐富地段易發(fā)生涌水突水等現(xiàn)象，進而會引起周邊地面不均勻沉降等問題。

（3）巖土體類型

巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)的差異是影響地下空間開發(fā)利用的直接原因，其中巖體的強度、風(fēng)化程度及軟化情況是影響地下空間開發(fā)利用的主要原因;而土體的對地下空間開發(fā)利用的影響主要體現(xiàn)在其承載力、結(jié)構(gòu)特征和特殊土的性質(zhì)。

（4）水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水富水性較好，地下空間開發(fā)的過程中易出現(xiàn)涌水和突水等問題，給工程排水帶來較大困難，且可能影響后期使用運行（王永立，2008）。

（5）不良地質(zhì)作用

區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)主要為砂土液化、軟土、地震及管涌。研究區(qū)第四系厚度最深達90 m左右，卵石層厚度較大，導(dǎo)致含水層厚度較大，且與沅江等地表水具有連通性，地下水豐富，給工程排水帶來極大困難;研究區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計基本地震加速度為0.15 g，沅江兩岸全新統(tǒng)（Qh）地層中大面積分布有飽和砂土，在地震的作用下，易形成砂土液化，會導(dǎo)致地面變形、冒水噴砂等現(xiàn)象，引起地基承載力降低甚至喪失;另外大堤管涌具有突發(fā)性，成群成段性，對其安全構(gòu)成很大的威脅，甚至?xí)斐纱蟮趟鷿⒍纬珊闉?zāi)等次生災(zāi)害，給地下空間開發(fā)造成極大困難。

（6）生態(tài)敏感性條件

地下空間開發(fā)利用除了受地質(zhì)載體與環(huán)境條件的影響和制約外，還相應(yīng)對地質(zhì)載體及周邊環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，有時甚至具有一定的破壞作用。從地下空間開發(fā)利用的環(huán)境影響以及對自然環(huán)境的保護需求方面，需要對環(huán)境及生態(tài)敏感性要素進行分析，以充分實現(xiàn)地下空間的保護性開發(fā)利用。

（7）地下空間現(xiàn)狀條件

地下空間現(xiàn)狀對地下空間的再開發(fā)利用也會產(chǎn)生重大影響，本次研究亦將地下空間現(xiàn)狀作為地下空間開發(fā)的制約因素?，F(xiàn)狀地下空間已建成區(qū)是地下空間的不可再利用區(qū);而建筑物荷載傳遞到地基，并擴散衰減于周邊更深、更遠的巖土體中，為了保證上部和側(cè)面建筑的安全與地基穩(wěn)定，在地下空間開挖建筑物或在現(xiàn)有建筑物側(cè)面開挖時，必須根據(jù)基礎(chǔ)的變形敏感性而保證一定的橫向及豎向保護距離。

4 地下空間資源開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評價

根據(jù)區(qū)內(nèi)收集的地下空間資源開發(fā)利用現(xiàn)狀資料綜合分析，研究區(qū)地下交通、建筑地下室等利用深度主要為0～10 m，建筑物樁基利用深度主要為0～30 m，個別超高層建筑樁基到50 m;因此，綜合城市地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀情況和以后城市的發(fā)展需求，本次研究分為淺層0～10 m、中層10～30 m、深層30～60 m 3個層次。

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，按丘陵區(qū)和湖積平原區(qū)分別建立地質(zhì)環(huán)境影響指標(biāo)體系，采用層次分析法確定各指標(biāo)因素的常權(quán)權(quán)重。與常權(quán)評價相比，變權(quán)評價模型能有效克服指標(biāo)內(nèi)部差異性帶來的不良影響，使評價分區(qū)更加符合實際情況;且變權(quán)評價的評價值離散性更好，有利于進行等級劃分。因此，在層次分析法確定常權(quán)權(quán)重的基礎(chǔ)上，運用變權(quán)評價模型對常德城市地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境進行適宜性評價，從而獲得一個定量的綜合評判結(jié)果。

4.1 評價體系的建立

（1）確定目標(biāo)層

目標(biāo)層（R）為研究區(qū)地下空間開發(fā)利用適宜性的結(jié)果，根據(jù)精度和實用性，將適宜性劃分為4類，即一級適應(yīng)區(qū)（Ⅰ）、二級適宜性區(qū)（Ⅱ）、三級適宜性區(qū)（Ⅲ）、四級適宜區(qū)（Ⅳ）4類（徐定芳，2019）。

（2）指標(biāo)因子的選取與分級

根據(jù)研究區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及城市規(guī)劃相關(guān)資料，對研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境基本特征進行了全面分析研究，確定研究區(qū)地下空間開發(fā)利用適宜性主要取決于地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體類型及組合、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)作用、生態(tài)敏感性條件和地下空間現(xiàn)狀條件共7個方面。

地形地貌選取了地形坡度作為評價因子;地質(zhì)構(gòu)造選取了斷裂密度和地震及斷裂活動性作為評價因子;工程地質(zhì)條件主要為土體類型、巖體強度;水文地質(zhì)方面選取了地下水埋深、含水層富水性、地下水的腐蝕性3個評價因子;區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為管涌、軟土、砂土液化;生態(tài)敏感性條件主要有地表水保護、生態(tài)綠地保護、地下水保護、地質(zhì)遺跡及文物保護4個評價因子;地下空間現(xiàn)狀條件主要為現(xiàn)狀及影響范圍，共16個評價因子。

（3）評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

對以上地下空間開發(fā)利用有影響的16個因子作為適宜性評價指標(biāo)，綜合研究區(qū)各層次丘陵區(qū)和湖積平原區(qū)不同的地質(zhì)環(huán)境條件，分別建立了研究區(qū)不同深度的丘陵區(qū)和湖積平原區(qū)地下空間開發(fā)利用適宜性綜合評價指標(biāo)體系和分級標(biāo)準(zhǔn)，如圖3至圖8。

（4）因子層次分析及確立常權(quán)權(quán)重

經(jīng)對地下空間利用地質(zhì)環(huán)境適宜性總目標(biāo)層R與準(zhǔn)則層中7項研究內(nèi)容之間相比較后，將準(zhǔn)則層兩兩對比，組建判斷矩陣，通過“YAAHP”軟件計算，得到以下丘陵區(qū)和湖積平原區(qū)不同層次的常權(quán)權(quán)重。

丘陵區(qū)0～10 m層次總排序權(quán)重值為：（0.1315，0.1315，0.0816，0.0407，0.0407，0.1065，0.1065，0.0880，0.0220，0.0265，0.0265，0.0265，0.0265，0.1030，0.0420），

平原區(qū)0～10 m層次總排序權(quán)重值為：（0.1430，0.1430，0.0850，0.0425，0.0425，0.1110，0.1110，0.0880，0.0220，0.0265，0.0265，0.0265，0.0265，0.1060），

丘陵區(qū)10～30 m層次總排序權(quán)重值為：（0.214，0.072，0.0850，0.0425，0.0425，0.1110，0.1110，0.0880，0.0220，0.021，0.085，0.106），

湖積平原區(qū)10～30 m層次總排序權(quán)重值為：（0.144，0.144，0.084，0.042，0.042，0.112，0.112，0.085，0.021，0.030，0.060，0.124），

丘陵區(qū)30～60 m層次總排序權(quán)重值為：（0.313，0.035，0.095，0.048，0.048，0.024，0.224，0.099，0.025，0.089），

湖積平原區(qū)30～60 m層次總排序權(quán)重值為：（0.303，0.082，0.041，0.041，0.193，0.039，0.091，0.023，0.091，0.096）。

4.2 地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)評價

（1）評價方法

在運用層次分析法得到常權(quán)重的基礎(chǔ)上，采取懲罰-激勵型變權(quán)模型對常權(quán)進行重新分配，建立變權(quán)評價模型，對研究區(qū)地下空間資源開發(fā)利用適宜性進行評價。

（2）評價模型

敏感因子-綜合指數(shù)-變權(quán)評價模型是指評價過程中首先將指標(biāo)體系中選取的因子分為敏感因子及一般因子，采用變權(quán)重的定權(quán)方法，即指標(biāo)權(quán)重隨著指標(biāo)值的變化而變化，敏感因子-綜合指數(shù)-變權(quán)模型：

式中：R（x）—變權(quán)適宜性評價值， B（x）—變權(quán)向量， Xj—第j 項指標(biāo)的變權(quán)權(quán)重，B—常權(quán)向量， S（x）—狀態(tài)變權(quán)向量，Sj（x）—第j 項指標(biāo)的狀態(tài)變權(quán)向量，Bj—第j 項指標(biāo)的常權(quán)權(quán)重。

敏感因子-綜合指數(shù)-變權(quán)評價評價流程見圖9。

本次研究將建成通車的沅江過江隧道、高速公路、鐵路、濕地公園、沅江、柳葉湖等地表水體、城市總體規(guī)劃中太陽山活動斷裂限建區(qū)、機場及古跡等特殊建筑、管涌高易發(fā)區(qū)作為敏感因子，將敏感因子分布區(qū)的適宜性級別直接劃為適宜性差區(qū)。

（3）變權(quán)權(quán)重的計算

因為變權(quán)向量B（x）為常權(quán)向量B與狀態(tài)變權(quán)向量S（x）歸一化乘積，因此需要先確定狀態(tài)變權(quán)向量S（x）。

變權(quán)權(quán)重計算的過程中，由于數(shù)據(jù)計算量很大且涉及矩陣的運算，因此需要利用MATLAB軟件編程來實現(xiàn)。通過變權(quán)評價的實現(xiàn)代碼，分別計算丘陵區(qū)和湖積平原區(qū)淺層（0～10 m）、中層（10～30 m）、深層（30～60 m）變權(quán)權(quán)重B（x）。

（4）綜合評價

采用變權(quán)模型（公式1），分別計算丘陵區(qū)和湖積平原區(qū)淺層（0～10 m）、中層（10～30 m）、深層（30～60 m）各個評價單元適宜性評價值Ri（x）。

分別計算丘陵區(qū)和湖積平原區(qū)淺層（0～10 m）、中層（10～30 m）、深層（30～60 m）各個評價單元適宜性評價值Ri（x）。

根據(jù)對每個評價單元的綜合評價結(jié)果可知，常德市規(guī)劃區(qū)地下空間資源開發(fā)利用適宜性的綜合得分區(qū)間在1.0～7.813之間，按照適宜性等級劃分，結(jié)合實際情況，將綜合得分≤2的單元劃分為一級適宜區(qū);綜合得分2～4的劃分為二級適宜區(qū);綜合得分4～5的劃分為三級適宜區(qū);綜合得分>5的劃分為四級適宜區(qū)（表2）。

（5）評價結(jié)果

在一般因子變權(quán)評價結(jié)果基礎(chǔ)上疊加敏感因子分布區(qū)，直接將敏感因子分布區(qū)作為地下空間資源開發(fā)適宜性差區(qū)處理，綜合得到0～10 m、10～30 m、30～60 m丘陵區(qū)和湖積平原區(qū)地下空間資源開發(fā)利用適宜性變權(quán)綜合評價圖。

最終將研究區(qū)丘陵區(qū)和湖積平原區(qū)各層次的評價結(jié)果分層次整合為整個研究區(qū)的評價結(jié)果。各層次地下空間資源適宜性分區(qū)分布范圍、存在的主要問題及防治措施建議等評價結(jié)果見表3至表5，圖10至圖12。

5 結(jié)論

（1）0～10 m大部分為一級適宜性評價區(qū)和二級適宜區(qū)，10～30 m和30～60 m平原區(qū)受不良地質(zhì)作用和地下水影響，一般為三級適宜性區(qū)和四級適宜區(qū)，在地下空間開發(fā)利用過程中應(yīng)注意規(guī)范性施工，加強監(jiān)測，防止基坑坍塌、地面沉降及塌陷等災(zāi)害的發(fā)生。

（2）通過現(xiàn)狀調(diào)查和適宜性評價成果，建議在城市高密度建設(shè)區(qū)控制0～10 m和10～30 m地下空間資源的再開發(fā)利用。

（3）對城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)的濕地公園、綠地保護區(qū)、地表水保護區(qū)、地下水保護區(qū)、基本農(nóng)田建設(shè)區(qū)，應(yīng)在保護城市資源的基礎(chǔ)上盡量控制0～10 m地下空間資源的開發(fā)利用;可在10～30 m和30～60 m范圍適度開發(fā)地下停車場、地鐵等。

（4）對新城區(qū)、高新經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的地下空間資源適宜性好、較好、較差區(qū)內(nèi)，結(jié)合城市規(guī)劃，經(jīng)工程措施處理，可擴大0～10 m的地下空間資源的開發(fā)利用，主要開發(fā)形式為地下商場、地下停車場、地下通道等;適度發(fā)展10～30 m和30～60 m的地下空間資源的開發(fā)利用，合理利用城市資源，保證城市的可持續(xù)發(fā)展。

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