楊 洋,王 睿,趙牧華,邢懷學(xué),鄭紅軍,張 慶,陳春霞,李云峰,程光華

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016; 2.自然資源部城市地下空間探測(cè)評(píng)價(jià)工程技術(shù)創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210016)

黨的“十九大”以來(lái),我國(guó)進(jìn)入生態(tài)文明建設(shè)和城市高質(zhì)量發(fā)展的新時(shí)代。城市地下空間資源是城市地表以下可供城市發(fā)展的第二國(guó)土空間資源,開發(fā)利用城市地下空間資源不僅可以拓展城市發(fā)展空間、優(yōu)化城市空間布局、提高土地利用效率及恢復(fù)地表生態(tài)環(huán)境,還可以防御自然災(zāi)害、改善居民生活條件、增強(qiáng)城市韌性、提升城市治理能力,在城市高質(zhì)量發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。但是,城市地下空間資源的大規(guī)模開發(fā)帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)也逐漸暴露,如地面塌陷、基坑突水、盾構(gòu)機(jī)被埋、火災(zāi)等事故。此外,忽視地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)、地下水流場(chǎng)和地下應(yīng)力場(chǎng)的改變所誘發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,以及地面沉降等緩變地質(zhì)災(zāi)害的滯后效應(yīng),將不可逆且不可恢復(fù)地影響城市整體安全。開展城市地下空間資源探測(cè)評(píng)價(jià)是解決上述問(wèn)題的重要基礎(chǔ),即查明城市地下地質(zhì)條件、地下空間資源、既有地下空間開發(fā)現(xiàn)狀,集成融合城市所有地下信息,形成地上、地面、地下立體透明城市,需要一套完整的城市地下空間資源探測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)體系支撐。

本文系統(tǒng)梳理了城市地下空間資源探測(cè)評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀及面臨的主要問(wèn)題,提出全空間地理要素信息、全功能構(gòu)筑物要素信息和全要素地質(zhì)信息的城市地下空間資源全要素分類體系,構(gòu)建城市地下空間資源全要素探測(cè)技術(shù)、信息集成技術(shù)和資源評(píng)價(jià)技術(shù),為城市地下空間資源開發(fā)利用全生命周期提供探測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)體系支撐。

1 城市地下空間資源探測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 城市地下空間資源精細(xì)探測(cè)研究現(xiàn)狀

城市地下空間資源精細(xì)探測(cè)是城市地下空間開發(fā)利用的基礎(chǔ),旨在查明城市地下空間地質(zhì)信息和既有地下空間的開發(fā)利用情況等。目前,城市地下空間資源精細(xì)探測(cè)技術(shù)方法主要包括鉆探和地球物理探測(cè)[1]。

鉆探技術(shù)方面,根據(jù)地質(zhì)調(diào)查任務(wù)分為基巖與松散層地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)鉆探、工程地質(zhì)鉆探和環(huán)境(災(zāi)害)地質(zhì)鉆探四類[2],主要是揭示地層結(jié)構(gòu)及其地質(zhì)屬性,支持建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型[3]。其中最常使用的鉆探技術(shù)包括回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)、潛孔錘鉆探技術(shù)和反循環(huán)鉆探技術(shù)。國(guó)際上,鉆探技術(shù)朝著智能鉆探與隨鉆測(cè)試方向發(fā)展,圍繞鉆探參數(shù)和巖石地層性質(zhì)開展了大量理論與技術(shù)研究[4-6]。地球物理探測(cè)方面,主要采用高密度電法、淺層瞬變電磁法、探地雷達(dá)、淺層地震、微動(dòng)、井間(地)層析成像等地球物理方法[7]。高密度電法主要應(yīng)用于第四系結(jié)構(gòu)和活動(dòng)斷裂等探測(cè)[8-9];瞬變電磁法主要應(yīng)用于探測(cè)地下管線、地下空間結(jié)構(gòu)和城市巖溶等探測(cè)[10-12];探地雷達(dá)主要應(yīng)用于地下管線探測(cè)、不良地質(zhì)體探測(cè)等方面[13-15];淺層地震主要應(yīng)用于提供地基基底的幾何形狀、地層結(jié)構(gòu)(厚度和分界面位置)、斷層位置與產(chǎn)狀等有關(guān)信息[16];微動(dòng)方法主要應(yīng)用于城市基巖破碎區(qū)等不良地質(zhì)體探測(cè)和城市地下病害體探測(cè)[17-18];井間(地)層析成像主要應(yīng)用于城市破碎帶、巖溶等探測(cè)[19-20]。國(guó)際上,日本、加拿大、新加坡等城市主要采用面波法、淺層地震反射法、地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電阻率成像法、測(cè)井及井中物探等地球物理探測(cè)方法開展城市地下空間資源探測(cè)[21]。在探測(cè)技術(shù)體系構(gòu)建方面,程秀娟等[22]選取延安市作為黃土丘陵溝壑區(qū)的典型代表,建立了工程地質(zhì)鉆探、隨鉆監(jiān)測(cè)、鉆孔多參數(shù)地球物理測(cè)井的垂向地下空間探測(cè)技術(shù)方法體系;馬巖等[8]在雄安新區(qū)核心區(qū)同一剖面上開展主動(dòng)源面波法、微動(dòng)探測(cè)法、淺層反射地震、高密度電阻率法、抗干擾電測(cè)深法、瞬變電磁法及多參數(shù)測(cè)井探測(cè),提出了雄安新區(qū)開展城市地下空間探測(cè)的技術(shù)方法體系。

綜上,國(guó)內(nèi)外針對(duì)典型城市地下空間資源探測(cè)開展了探測(cè)技術(shù)方法優(yōu)選、探測(cè)試驗(yàn)、示范,建立了相應(yīng)的探測(cè)技術(shù)方法及技術(shù)方法組合,在一定程度上提高了城市地下空間資源探測(cè)能力與探測(cè)精度,對(duì)大規(guī)模的城市地下空間資源探測(cè)具有指導(dǎo)和借鑒意義。

1.2 城市地下空間資源評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀

近年來(lái),隨著各大城市大規(guī)模開發(fā)利用地下空間,一些學(xué)者相繼總結(jié)了城市地下空間資源評(píng)價(jià)研究工作[23-28],主要聚焦評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系、權(quán)重賦值和數(shù)學(xué)模型3個(gè)方面。在評(píng)價(jià)指標(biāo)方面,目前主要可分為地形地貌、建筑場(chǎng)地類別、不良巖土體條件、水文地質(zhì)特征、地震地質(zhì)災(zāi)害等要素指標(biāo),分別提出了城市地下空間資源質(zhì)量、容量、適宜性、承載力、開發(fā)潛力和安全性等多種要素的評(píng)價(jià)指標(biāo)[29-33]。在指標(biāo)權(quán)重賦值方面,專家問(wèn)卷調(diào)查法[29]、層次分析法(AHP)[30]、熵值法[34]等常被用于評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)。在評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型方面,主要采用多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)[29]、模糊綜合評(píng)判法[35]、多層次加權(quán)平均型模糊數(shù)學(xué)綜合法[36]、可變模糊集組合法[37]等。近年來(lái),越來(lái)越多的學(xué)者提出基于三維屬性模型進(jìn)行城市地下空間資源三維評(píng)價(jià)[38-41],更直觀地展示城市地下空間資源質(zhì)量和分布情況。也有學(xué)者關(guān)注城市地下空間資源協(xié)同利用,提出基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的城市地下空間資源協(xié)同利用評(píng)估方法[42]。國(guó)際上,對(duì)于城市地下空間資源評(píng)價(jià)還注重多資源耦合作用下的開發(fā)潛力[43]和經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估[44]。

綜上,國(guó)內(nèi)外城市地下空間資源評(píng)價(jià)技術(shù)研究?jī)?nèi)容豐富,在城市地下空間資源開發(fā)利用適宜程度、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、安全風(fēng)險(xiǎn)等方面均建立了相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系,為城市地下空間規(guī)劃建設(shè)提供了一定的參考和依據(jù)。

2 城市地下空間資源探測(cè)評(píng)價(jià)面臨的主要問(wèn)題

2.1 探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域面臨的主要問(wèn)題

目前,城市地下空間資源探測(cè)仍以鉆探和地球物理探測(cè)為主,但城市復(fù)雜的環(huán)境和施工限制均制約了探測(cè)的精度和效率,現(xiàn)有的單一鉆探和物探技術(shù)難以有效解決上述問(wèn)題。雖然鉆探取心工藝已日漸成熟,但仍存在礫石層取心率較低、取心卡頓等問(wèn)題,難以取得天然狀態(tài)的高保真巖心。此外,淺層隨鉆測(cè)試技術(shù)尚不成熟,獲取天然狀態(tài)下的關(guān)鍵巖土體要素精度較低?，F(xiàn)有地球物理探測(cè)技術(shù)在解譯淺部地層信息的精度還不夠,同時(shí)還面臨城市復(fù)雜環(huán)境下的干擾問(wèn)題(如城市不規(guī)則持續(xù)噪聲、地下縱橫交錯(cuò)的管網(wǎng)、密集的建筑及硬化路面等),這制約了地球物理探測(cè)工作的開展。城市地下空間資源探測(cè)迄今尚未建立統(tǒng)一的地上、地下一體化探測(cè)要素集和探測(cè)技術(shù)體系。因此，亟需開展城市地下空間資源探測(cè)技術(shù)體系研究,通過(guò)探測(cè)技術(shù)方法組合解決城市地下空間探測(cè)的難題。

2.2 評(píng)價(jià)技術(shù)領(lǐng)域面臨的主要問(wèn)題

目前,城市地下空間規(guī)劃大多沿用地表空間規(guī)劃方法體系,對(duì)城市地下空間資源評(píng)價(jià)成果的使用仍不充分。一方面,城市地下空間資源評(píng)價(jià)內(nèi)涵多樣,主要包括城市地下空間資源開發(fā)的適宜性評(píng)價(jià)、開發(fā)潛力評(píng)價(jià)、容量評(píng)價(jià)等,尚缺乏針對(duì)城市地下空間資源開發(fā)利用的協(xié)同評(píng)價(jià)和城市地下空間功能分層開發(fā)強(qiáng)度閾值評(píng)價(jià)。另一方面,評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定存在隨機(jī)性、主觀性等問(wèn)題,亦缺乏具有針對(duì)城市地下空間要素本身特性和要素重要性的評(píng)價(jià)。此外,現(xiàn)有的評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型一般基于模糊理論對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)先級(jí)別劃分并賦予分段數(shù)值,導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)階梯狀分段數(shù)值現(xiàn)象,無(wú)法對(duì)城市地下空間資源進(jìn)行三維空間連續(xù)化表達(dá),難以滿足當(dāng)前城市地下空間資源三維評(píng)價(jià)的新要求。為此,亟需開展城市地下空間資源評(píng)價(jià)技術(shù)體系研究,形成在評(píng)價(jià)內(nèi)涵及應(yīng)用、指標(biāo)確定和數(shù)學(xué)模型方面統(tǒng)一的評(píng)價(jià)技術(shù)體系。

3 城市地下空間資源探測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)體系構(gòu)建思路

針對(duì)城市地下空間資源探測(cè)評(píng)價(jià)面臨的主要問(wèn)題,本文提出城市地下空間資源全要素分類體系、城市地下空間資源全要素探測(cè)與信息集成技術(shù)和城市地下空間全資源評(píng)價(jià)方法技術(shù),建立城市地下空間資源探測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)體系(圖1)。

圖1 城市地下空間資源探測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)體系Fig. 1 Exploration and evaluation technology system of urban underground space resources

3.1 城市地下空間資源全要素分類體系

城市地下空間資源作為新型國(guó)土空間資源,是城市地表空間向下延伸。根據(jù)城市地下空間資源開發(fā)利用所需的要素類別,可分為地上地下全空間地理信息、全功能構(gòu)筑信息和全要素地質(zhì)信息(表1)。

表1 城市地下空間資源全要素分類Table 1 Full factors classification of urban underground space resources

3.1.1 全空間地理信息

全空間地理信息是城市地下空間資源信息表達(dá)的空間載體,包括自然地形地貌、地表建筑空間形態(tài)和地下建筑空間形態(tài)等要素,是地表平面地理信息的三維拓展。

(1)自然地形地貌要素。自然地形地貌要素主要包括數(shù)字高程信息(DEM)和地表自然要素信息(如山體、水體等),根據(jù)地形多尺度描述,可劃分為流域尺度(大尺度的跨行政單元主要河流及其支流范圍)、自然景觀尺度(中尺度的行政單元內(nèi)單一或多種景觀地貌組合)和工程場(chǎng)地尺度(小尺度的工程建設(shè)場(chǎng)地范圍)。

(2)地表建筑空間形態(tài)要素。地表建筑空間形態(tài)要素主要包括地表基礎(chǔ)設(shè)施、建筑物、道路和工程的位置坐標(biāo)信息,主要依據(jù)城市行政區(qū)劃管理(區(qū)、街道、社區(qū))進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。

(3)地下建筑空間形態(tài)要素。地下建筑空間形態(tài)要素主要包括地下構(gòu)筑物的三維坐標(biāo)位置和地下建筑物面積等,地下構(gòu)筑物界址點(diǎn)用三維坐標(biāo)(x,y,z)表示,地下建筑物面積以地下建筑物的建筑占地面積為準(zhǔn)。

3.1.2 全功能構(gòu)筑信息

全功能構(gòu)筑信息是城市地下空間開發(fā)利用的各類工程建筑信息,包括地下管網(wǎng)信息、地下建筑設(shè)施信息。

(1)地下管網(wǎng)信息。地下管網(wǎng)信息主要包括城市地下通訊、電力、煤氣、自來(lái)水等管網(wǎng)分布、性能、材質(zhì)信息,具體包括管網(wǎng)種類、管網(wǎng)布局、管道材質(zhì)、管徑、年輸送量以及權(quán)屬、用途、建造時(shí)間等信息。

(2)地下建筑設(shè)施信息。地下建筑設(shè)施信息主要包括人防工程、地下立體交通工程、地下垃圾與污水處理設(shè)施以及地下商業(yè)、娛樂(lè)、體育、宗教等設(shè)施信息,具體包括這些地下建筑設(shè)施的分布、深度、材質(zhì)、性能、大小等要素。

3.1.3 全要素地質(zhì)信息

全要素地質(zhì)信息是地質(zhì)歷史時(shí)期形成的與地下巖、土、水、氣、生相關(guān)的物質(zhì)成分要素、結(jié)構(gòu)形態(tài)要素以及屬性特征要素。

(1)物質(zhì)成分要素。物質(zhì)成分要素主要包括固相成分要素(巖土體)、液相成分要素(地下水)和氣相成分要素(淺層氣)。其中固相成分要素主要包括巖(土)體類型、礦物成分與定名,液相成分要素主要包括地下水類型、水化學(xué)成分(有機(jī)、無(wú)機(jī)),氣相成分要素主要包括氣體類型、化學(xué)成分等。

(2)結(jié)構(gòu)形態(tài)要素。結(jié)構(gòu)形態(tài)要素既包含了對(duì)微小單元巖土體結(jié)構(gòu)的描述,也包括對(duì)區(qū)域地質(zhì)單元結(jié)構(gòu)的描述。其中,巖土體結(jié)構(gòu)形態(tài)要素主要描述礦物結(jié)晶程度、礦物顆粒大小、礦物形狀以及它們之間的相互關(guān)系。具體包括沉積巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖漿巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造、變質(zhì)巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造,土體礦物顆粒及顆粒集聚體的大小、形狀、表面特征及其定量比例、組合排列和彼此之間的連結(jié)特征,巖土體孔隙、裂隙大小及孔隙比等。區(qū)域地質(zhì)單元結(jié)構(gòu)形態(tài)要素是由各巖土體微小單元組成的集合體,具體包括地層厚度、產(chǎn)狀(走向、傾向、傾角)、構(gòu)造(褶皺、斷層等)形態(tài)(產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙寬度、長(zhǎng)度等)。此外,還有一些天然洞穴(石灰?guī)r溶洞、火山巖構(gòu)造-差異風(fēng)化洞、花崗巖崩塌堆疊洞、紅層層(節(jié))理洞和沿海的海蝕洞等)形態(tài)(三維立體尺寸)。

(3)屬性特征要素。屬性特征要素可分為物質(zhì)本身屬性特征要素和系統(tǒng)單元(場(chǎng))屬性要素。物質(zhì)本身屬性特征要素可分為基本物理參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)、變形參數(shù)以及黃土濕陷性參數(shù)、軟土蠕變參數(shù)、膨脹土膨脹性參數(shù)、凍土凍融參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)、電性參數(shù)、地震參數(shù);系統(tǒng)單元(場(chǎng))屬性要素可分為地下滲流場(chǎng)要素(水位埋深、承壓水頭高度、地下水流速、地下水流向、單井涌水量等)、地下持力層要素(地層承載力特征值、樁端阻力)、地下溫度場(chǎng)要素(地溫、地溫梯度)、地下磁場(chǎng)要素(磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)方向)、地下應(yīng)力場(chǎng)要素(地應(yīng)力大小、方向)等。

3.2 城市地下空間資源全要素探測(cè)與信息集成技術(shù)

在城市地下空間資源全要素分類的基礎(chǔ)上,分別對(duì)應(yīng)建立全要素探測(cè)技術(shù)和信息集成技術(shù)(表2)。

表2 城市地下空間資源全要素探測(cè)與信息集成技術(shù)表Table 2 Full factors exploration and information integration of urban underground space resources

3.2.1 城市地下空間資源全要素探測(cè)技術(shù)體系

本文提出由空間地理測(cè)繪、鉆探、地球物理探測(cè)、高光譜巖芯掃描及分析測(cè)試技術(shù)為一體的城市地下空間資源全要素探測(cè)技術(shù)體系。

(1)空間地理測(cè)繪。城市地下空間地理測(cè)繪主要通過(guò)三維激光掃描技術(shù),快速獲取既有地下空間表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),建立既有地下空間的三維實(shí)體模型。該技術(shù)是高分辨率的高速激光掃描測(cè)量方法,具有非接觸性、快速性、主動(dòng)性等特點(diǎn),獲取的數(shù)據(jù)具備高密度、高精度等特點(diǎn)。

(2)鉆探。鉆探技術(shù)是城市地下空間全要素獲取最直接的手段,統(tǒng)籌第四紀(jì)地質(zhì)鉆探、水文地質(zhì)鉆探、工程地質(zhì)鉆探技術(shù),融合為全要素鉆探進(jìn)行原位高保真取心鉆探,同時(shí)為隨鉆測(cè)試、地球物理測(cè)井、井中物探、抽水試驗(yàn)及分析測(cè)試樣品采集等提供便利條件。

(3)地球物理探測(cè)。地球物理探測(cè)技術(shù)是城市地下空間資源全要素獲取的主要手段之一。該技術(shù)采用間接的手段獲取地質(zhì)結(jié)構(gòu)要素,采用直接的手段獲取電性、速度等屬性及場(chǎng)要素。目前,主流的重力、磁法、電(電磁)法、地震及放射性等地球物理探測(cè)技術(shù)基本均能在城市地下空間資源要素探測(cè)中發(fā)揮作用,但針對(duì)城市施工條件受限、人文干擾嚴(yán)重等因素,需要優(yōu)選方便、快捷、高效的地球物理探測(cè)方法或方法技術(shù)組合,創(chuàng)新施工方式,優(yōu)化數(shù)據(jù)采集裝置與參數(shù),探索有效信號(hào)識(shí)別、提取、增強(qiáng)技術(shù),拓展數(shù)據(jù)(聯(lián)合)反演技術(shù),提升城市地下空間資源要素探測(cè)分辨率和精度。

(4)高光譜巖心掃描。高光譜巖心掃描是城市地下空間資源全要素獲取的新方法、新技術(shù)。開展鉆探巖心、巖土體樣品及新鮮斷面等圖像和光譜一體數(shù)字化采集,通過(guò)處理、分析、解釋,可用于研究巖土體沉積特征及演變關(guān)系,也可用于分析研究巖土體礦物學(xué)信息、顆粒粒度、膠結(jié)物成分與類型等城市地下空間資源要素。

(5)分析測(cè)試技術(shù)。分析測(cè)試技術(shù)也是城市地下空間資源全要素獲取的主要手段,在室內(nèi)或野外現(xiàn)場(chǎng)采用多種技術(shù)手段測(cè)出與城市地下空間資源評(píng)價(jià)、規(guī)劃、建設(shè)相關(guān)的巖土水氣物質(zhì)成分、物理性質(zhì)、力學(xué)指標(biāo)、動(dòng)力參數(shù)、腐蝕性及水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等要素。

3.2.2 城市地下空間資源全要素信息集成技術(shù)

城市地下空間資源全要素信息集成主要包括地質(zhì)大數(shù)據(jù)原型知識(shí)庫(kù)建設(shè)和地下全空間一體化三維動(dòng)態(tài)建模,實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等多學(xué)科、多尺度資料的整合與三維表征。

(1)地質(zhì)大數(shù)據(jù)原型知識(shí)庫(kù)建設(shè)。以地下空間地質(zhì)數(shù)據(jù)為核心內(nèi)容,空間地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),將城市地下空間資源探測(cè)的地理數(shù)據(jù)、地下設(shè)施數(shù)據(jù)與地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加,建立城市地下空間資源全要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù),分為全空間地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、全功能地下設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)和全要素地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù),直觀反映地下空間資源的空間分布及屬性特征,實(shí)現(xiàn)地下空間資源要素?cái)?shù)據(jù)的綜合集成,為城市地下空間地理地質(zhì)建模、數(shù)值模擬、分類定量評(píng)價(jià)及多信息融合平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)遵循“安全性和分布式共享”的原則,充分考慮分級(jí)權(quán)限設(shè)定、數(shù)據(jù)保密等情況,設(shè)置分布式存儲(chǔ)架構(gòu),嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限,確保城市地下空間資源全要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)高效、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

(2)地下全空間一體化三維動(dòng)態(tài)建模。結(jié)合地表地理信息及地下構(gòu)筑物信息,針對(duì)地上和地下空間從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面開展一體化三維地質(zhì)建模,區(qū)別非地質(zhì)營(yíng)力因素和地質(zhì)營(yíng)力因素,分別采用GIS類建模方法和地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)建模方法。針對(duì)非地質(zhì)營(yíng)力因素的地面和地下人工構(gòu)筑物等對(duì)象采用GIS類建模方法,即采用瓦片貼圖方式的表面數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)標(biāo)量插值及簡(jiǎn)單克里金插值的確定性建模。針對(duì)地質(zhì)營(yíng)力因素的地下地質(zhì)體建模主要采用基于多源數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多尺度三維地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)隨機(jī)靜態(tài)建模,即物探-鉆探-測(cè)井-實(shí)驗(yàn)等多源數(shù)據(jù)和分區(qū)、分層段、分沉積相類型、分屬性參數(shù)等多尺度,包括單元體結(jié)構(gòu)模型和單元體屬性模型。從三維地質(zhì)建模技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景來(lái)看,應(yīng)大力開展數(shù)據(jù)和模型雙驅(qū)動(dòng)的物探-鉆探-測(cè)井-實(shí)驗(yàn)-地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)“五位一體”的地質(zhì)單元體動(dòng)態(tài)建模技術(shù)攻關(guān),同時(shí),需要考慮時(shí)間效應(yīng)的多源多尺度地質(zhì)單元體主控變量四維動(dòng)態(tài)建模。

3.3 城市地下空間資源評(píng)價(jià)方法技術(shù)

城市地下空間資源評(píng)價(jià)，首先需要對(duì)其要素自身特性和要素重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)城市地下多種地質(zhì)資源協(xié)同利用和城市地下空間功能分層開發(fā)進(jìn)行資源協(xié)同開發(fā)評(píng)價(jià)和強(qiáng)度閾值開發(fā)評(píng)價(jià)(表3)。

表3 城市地下空間資源評(píng)價(jià)內(nèi)容表Table 3 Evaluation content of urban underground space resources

3.3.1 城市地下空間資源要素評(píng)價(jià)

城市地下空間資源評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)是全要素信息,在城市地下空間資源要素探測(cè)的基礎(chǔ)上,需要對(duì)各要素自身特性進(jìn)行評(píng)價(jià),包括地理基礎(chǔ)條件、地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件以及地表空間利用現(xiàn)狀。

(1)地理基礎(chǔ)條件評(píng)價(jià)。城市地下空間資源評(píng)價(jià)中的地理基礎(chǔ)條件主要包括城市地形地貌和地表水體。地形地貌評(píng)價(jià)的內(nèi)容需要包含城市地形起伏度評(píng)價(jià)、城市微地貌空間形態(tài)評(píng)價(jià)、城市特殊地形地貌評(píng)價(jià)等。地表水體評(píng)價(jià)包括地表河流水系及匯水評(píng)價(jià),地面湖泊、水塘分布及匯水評(píng)價(jià),地表水與地下水聯(lián)系評(píng)價(jià),地表水匯水面積評(píng)價(jià)及排泄條件評(píng)價(jià),城市侵蝕基準(zhǔn)面評(píng)價(jià)等。

(2)地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件評(píng)價(jià)。地下巖土體的組成結(jié)構(gòu)、基巖面深度對(duì)城市地下空間規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)作用。地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件評(píng)價(jià)可從城市不同地質(zhì)單元的巖體發(fā)育程度評(píng)價(jià)、基巖埋深起伏程度評(píng)價(jià)、巖體地質(zhì)特征評(píng)價(jià)、松散沉積物主要類型及厚度變化評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行。

(3)工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)。有效利用優(yōu)良工程地質(zhì)層、回避或處理不利工程地質(zhì)層,是保障地下空間經(jīng)濟(jì)、安全、高效開發(fā)的重要前提。除了傳統(tǒng)的工程地質(zhì)要素以外,當(dāng)前城市地下空間開發(fā)中需要重點(diǎn)關(guān)注城市淺層填土及耕植土成分與厚度變化情況、城市工程地質(zhì)持力層和特殊不良巖土體的三維空間分布。

(4)水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)。城市地下空間資源開發(fā)的安全性與水文地質(zhì)條件密不可分。水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)需要關(guān)注城市地下潛水面埋深及季節(jié)性變化規(guī)律、第一隔水層厚度及上面潛水與下面承壓含水層連通性、承壓含水層發(fā)育情況、城市古河道發(fā)育程度。

(5)地表空間利用現(xiàn)狀評(píng)價(jià)。城市地下空間的開發(fā)利用需要與城市地表空間協(xié)同。地表空間的土地利用類型、開發(fā)情況直接或間接影響地下空間資源利用。地表空間利用現(xiàn)狀評(píng)價(jià)主要考慮城市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、城市生態(tài)用地、道路用地、重大工程用地的分布以及城市已利用地下空間與地面建筑設(shè)施位置關(guān)系。

3.3.2 要素重要性評(píng)價(jià)

(1)城市地下空間開發(fā)要素有利性評(píng)價(jià)。有利性要素主要是指對(duì)城市地下空間資源開發(fā)利用有正面促進(jìn)作用的關(guān)鍵要素,包括有利地形地貌要素、區(qū)域地殼穩(wěn)定要素、地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)要素、地下水流場(chǎng)要素、地下地質(zhì)資源要素、經(jīng)濟(jì)和區(qū)位要素等,基于正向激勵(lì)原則評(píng)價(jià)各要素的有利程度。

(2)城市地下空間開發(fā)要素制約性與否決性評(píng)價(jià)。制約性與否決性要素是指制約城市地下空間開發(fā)、影響工程建設(shè)需要避讓和特殊處理的關(guān)鍵要素。其中在特定場(chǎng)景下,制約性要素可看作否決性要素,即原則上導(dǎo)致無(wú)法開發(fā)地下空間的要素。包括生態(tài)保護(hù)制約、水資源安全保護(hù)制約、地下文化資源保護(hù)制約、地形地貌制約、地質(zhì)結(jié)構(gòu)制約、活動(dòng)斷裂構(gòu)造制約、地下巖溶發(fā)育因素制約、軟土、孤石等特殊地質(zhì)體制約、不同深度樁基等要素制約、地下有害氣體要素制約、地下巖土層中放射性和有害要素制約、地下水滲流場(chǎng)制約、地下既有空間制約評(píng)價(jià)。

3.3.3 城市地下空間資源綜合評(píng)價(jià)

(1)城市地下多種地質(zhì)資源協(xié)同開發(fā)評(píng)價(jià)。在城市地下探測(cè)深度范圍內(nèi)涵蓋了空間資源、地下水資源、地?zé)豳Y源、建筑材料資源和天然洞穴資源等城市地下多種地質(zhì)資源。在城市地下空間資源評(píng)價(jià)、城市地下水資源可利用性評(píng)價(jià)、城市地?zé)崮苜Y源綜合利用評(píng)價(jià)、城市礦產(chǎn)資源潛力可開發(fā)性評(píng)價(jià)、城市礦山開采遺留空間可利用程度與開發(fā)潛力評(píng)價(jià)、城市地下巖土建筑材料分等定級(jí)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,根據(jù)資源開發(fā)的空間沖突制約和協(xié)同開發(fā)效率,評(píng)價(jià)城市地下空間資源可協(xié)同開發(fā)性。

(2)城市地下空間功能分層開發(fā)強(qiáng)度閾值評(píng)價(jià)。根據(jù)城市地下空間不同開發(fā)功能,可將其分為上淺層、中淺層、下淺層、上深層和下深層。分層開發(fā)強(qiáng)度閾值評(píng)價(jià)主要根據(jù)不同層位地質(zhì)環(huán)境要素對(duì)城市地下空間功能開發(fā)的制約關(guān)系,在保障城市整體安全前提下,確定城市地下空間資源開發(fā)深度、范圍等邊界。以第四系厚覆蓋城市為例,城市地下空間不同功能層位對(duì)應(yīng)考慮的地質(zhì)環(huán)境要素和層位見表4。

表4 城市地下空間功能分層與地質(zhì)層位對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 4 Corresponding relation between functional stratification and geological horizon of urban underground space

4 結(jié)論

(1)城市地下空間資源全要素可分為地上地下全空間地理要素信息、全功能構(gòu)筑物要素信息和全要素地質(zhì)信息,通過(guò)城市地下空間資源全要素探測(cè)和信息集成,建立城市地下全空間地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、全功能地下設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)和全要素地質(zhì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2)城市地下空間資源評(píng)價(jià)首先要對(duì)資源要素自身特性進(jìn)行評(píng)價(jià),然后基于要素重要性評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地下多種地質(zhì)資源協(xié)同開發(fā)評(píng)價(jià)和城市地下空間功能分層開發(fā)強(qiáng)度閾值評(píng)價(jià)。

(3)本文構(gòu)建的城市地下空間資源全要素分類-全要素探測(cè)-全信息集成-全資源評(píng)價(jià)技術(shù)體系,可為城市地下空間開發(fā)利用全生命周期提供支撐。