濟南市城市地下空間資源開發利用適宜性評價

秦品瑞，高帥,2，徐軍祥，李常鎖，徐秋曉，丁冠濤

(1.山東省地質礦產勘查開發局八○一水文地質工程地質大隊, 山東 濟南 250014；2.山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250061；3.山東省地質礦產勘查開發局,山東 濟南 250013)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，國內不少城市城區面積急劇擴張，出現用地緊張，地價攀升的現象，城市的生存環境日趨惡化，交通擁擠、能源缺乏、水資源污染等矛盾層出不窮。因此，要解決以上諸多矛盾，走城市發展的可持續道路，必然要對城市地下空間資源進行充分開發與利用[1-6]。

從廣義的角度看，地表以下一定范圍的巖土體，包括巖土體的密實部分和無巖土體的空間部分。而從開發和利用的角度來看，地下空間是指地球表面以下的土層或巖層中天然形成或人工開發形成的空間場所。開發利用地下空間資源，首先要清楚地掌握研究區域地下空間資源開發利用過程中所涉及到的影響因素及所存在的問題，對未開發區域進行科學的評價并制定開發利用規劃，保障城市地下水空間資源合理有序開發利用，保障城市健康發展[7-11]。因此，該文在系統地分析濟南市水文及水文地質、工程地質、環境地質、人類工程活動等因素的基礎上，考慮濟南泉水保護影響因素，建立濟南市地下水空間資源開發利用評價模型，并提出濟南市地下空間資源各適宜區的開發利用建議，為未來濟南市地下空間資源開發利用提供科學的理論依據。

1 評價方法

由于涉及地下空間資源開發利用的影響因素較多，各個評價因素具有不同屬性、不同度量標準、不同定性或定量標準，而且評價因素之間具有復雜性及多層次性等問題，采用精確的確定性模型來求評價因素的權重是不現實的。因此，可以對各評價因素進行統一化和規范化，并對整體問題進行層次分解和重新構造，建立多目標的綜合評價指標體系和模型來解決這一問題[12-13]?；谝陨戏治?，該文采用層次分析法、專家調查法，構造了城市地下空間資源開發利用適宜性評價指標體系，并結合GIS技術進行城市地下空間開發利用適宜性評價。

1.1 層次分析法

層次分析法(Analytical Hierarchy Process，AHP)是美國運籌學家T.L.Saaty教授20世紀70年代提出的一種為處理多目標問題的系統分析方法[12-14]。該方法基于對問題的全面考慮，將定量與定性分析相結合，把人的主觀判斷用數量形式表達和處理，將決策者的經驗予以量化。層次分析法在環境風險評價、工程安全評價、水質評價等多個領域有著廣泛的應用，特別適宜于具有分層結構的評估指標體系，而且評估指標又難于定量描述的決策問題[15-20]。

層次分析法是把復雜問題分解成若干因素，按隸屬關系將這些因素分組，使之形成有序的遞階層次結構(圖1)，在此基礎上，通過兩兩比較的方式，判斷各層次中各個因素的相對重要程度，建立判斷矩陣，通過計算判斷矩陣的最大特征值及特征向量，得出不同方案重要性程度的權重，為最佳方案的選擇提供依據[15,21]。

圖1 AHP的遞階層次結構

(1)分析和確定參與定權的環境因子。通過咨詢行業專家，把研究問題分解為若干影響因素，再把影響因素按類別分成若干組，以形成不同層次，從而建立遞階層次結構，明確評估目標、評估準則、評估指標，把整體問題系統化、條理化、層次化。

(2)確定判斷矩陣。在建立遞階層次結構后，就確定了上下層因素之間的隸屬關系，邀請地下空間、工程地質、水文地質等方面的專家，按照1～9標度值，對各個因素進行兩兩判斷，構造判斷矩陣(表1)[16]。

根據打分表，構造判斷矩陣：

(1)

式中：uij—ui對uj的相對重要性數值(標度值)；m—評價因子數。

表1 判斷矩陣標度及其含義

(3)層次分析法確定權值。根據判斷矩陣，求出判斷矩陣的最大特征值及特征向量，所求特征向量即為各評價因素的重要性排序，歸一化后，也就是權值分配。

由于客觀事物的復雜性或對事物認識的片面性，通過所構造的判斷矩陣求出的特征向量(權值)是否合理，需要對判斷矩陣進行一致性和隨機性檢驗，檢驗為公式(2)：

CR=CI/RI

(2)

式中：CR—判斷矩陣的隨機一致性比率；CI—判斷矩陣一致性指標。CI由式(3)計算：

CI=1/(m-1)(λmax-m)

(3)

式中：λmax—最大特征根；m—判斷矩陣階數；RI—判斷矩陣的平均隨機一致性指標。

RI由大量試驗給出，對于低階判斷矩陣，RI取值列于表2。當CR<0.1時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權值分配是合理的；否則，就需要調整判斷矩陣，直到取得滿意的一致性為止[22-23]。

表2 層次分析法的平均隨機一致性指標值

1.2 排除法

在地下空間資源開發利用過程中，地下空間的開發會受到各種因素的影響，排除已有建筑物、地下管線、已建設地下建筑、生態用地、特殊保護用地等限制后，剩下的地下空間范圍就是可以進一步開發利用的資源，這一過程就是排除法。

濟南以泉水聞名于世，泉水對濟南市具有十分重要的社會、經濟、生態效益，泉水保護對濟南市地下空間開發利用具有制約作用。因此，該文采用排除法將泉水保護制約區進行排除，再對剩余地下空間的開發利用進行適宜性評價。

2 評價模型

2.1 評價數學模型

根據層次分析法的基本原理，并考慮評價體系中不同評價指標對地下空間資源開發利用的影響程度不同，采用多目標線性加權函數建立評價數學模型。

(4)

式中：S—評價目標總體得分(0≤S≤1)；Cj—第j個主題的權重；Aji—第j個主題中第i個評價指標的量化分值；Bji—第j個主題中第i個評價指標的權重；m—主題的數量；n為某主題中評價指標的數量。

2.2 評價指標體系

結合前人對濟南地下空間資源開發利用影響因素的研究，采用專家調查法，依據水文及水文地質、工程地質、環境地質、人類工程活動等條件，結合城市本身的特點，按分級、分序、抓主、淡次的原則，構建了城市地下空間資源開發利用多層次評價指標體系(圖2)。

圖2 城市地下空間資源開發利用適宜性評價指標體系

2.3 指標的量化

在進行城市地下空間開發利用適宜性評價時，需要對各項評價指標進行量化，而對于不同地形、地質、水文條件的城市，即使相同指標，其量化情況也相差甚大?，F以濟南市為例，對其各項指標量化情況如表3所示。

2.3.1 地下水富水性

地下水富水性是反應地下含水層出水能力的指標，該指標的大小直接影響地下水空間開發地下水控制的難度。在富水性對地下空間開發的影響主要為2個方面，一是地下工程施工過程中，地下水水動力條件的改變，易造成滲流潛蝕突涌和管涌等，造成基坑邊坡失穩或支護結構破壞等安全事故；二是地下水會給地下結構施加浮托作用，如果結構強度或抗浮措施不夠，易造成地下結構破壞。因此，地下水富水性越小，對地下空間開發越有利，根據地區富水性情況，對地下水富水性進行量化。

2.3.2 地下水腐蝕性

2.3.3 地下水位最小埋深

地下水位最小埋深的大小將直接影響到地下工程的控水措施及施工成本，地下水位最小埋深對地下空間開發利用的影響與地下水富水性類似。同時，地下水位的變化會改變地下結構所受的浮托作用，地基的強度及受力條件，影響地下結構的穩定性。因此，將地下水位最小埋深作為評價指標之一。

2.3.4 地表水體

雖然地下空間開發利用主要針對地面以下的空間資源，但是地表水體也會影響地下空間開發利用。該文將地表水體分為主要水體和次要水體，主要水體包括城市范圍內的湖泊、水庫、大型河流，而次要水體包括支流、溝渠等，并建立水體緩沖范圍的概念，分別建立主要水體分為50m，100m和次要水體30m，50m緩沖范圍等級，建立的指標量化如表3所示。

表3 地質評價指標量化

2.3.5 斷裂構造

斷裂構造對地下工程的影響主要表現為：一是斷裂錯動引起的地下結構的破壞，二是斷裂活動引起的次生效應，例如崩塌、滑坡、地裂縫、地基失穩等，三是斷裂破碎帶巖土體強度低，而且一般為地下水富集帶，對地下工程產生嚴重的安全隱患等等。根據對斷裂構造性質的分析，將斷裂構造分為一般性斷裂和活動性斷裂，并根據地表水體的研究方法，分別建立10m，50m，100m和50m，250m，500m緩沖范圍等級，具體指標量化如表3所示。

2.3.6 巖土層綜合分區

土體和巖體是地下工程的環境載體，巖土體的性質直接影響到地下工程的安全性、穩定性等。通過搜集研究區的鉆孔資料，對各個鉆孔的地層進行聚類匯總并對地層進行賦值，根據巖土層綜合得分進行等級劃分。

2.3.7 軟土

軟土具有含水量大、壓縮性高、抗剪強度低、承載力低等工程特征，在附加載荷或較強震動作用下會產生較大變形，對地下工程穩定性和安全性造成很大影響，不同程度地降低地下空間環境工程質量。因此，根據有無軟土分布進行等級劃分。

2.3.8 濕陷性黃土

黃土是第四紀干旱和半干旱氣候條件下形成的一種特殊沉積物，對地下空間的影響主要為，濕陷性黃土浸水后，結構迅速破壞、強度明顯降低，并發生顯著附加下沉現象，對建筑物安全與施工會造成不良影響和危害。故根據《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB50025—2004)對濕陷性黃土進行指標量化。

2.3.9 采空塌陷

采空塌陷是指由于地下挖掘形成空間,造成上部巖土層在自重作用下失穩而引起的地面塌陷現象?？梢愿鶕煽账莸姆植挤秶?、自然和人類活動等條件，將研究區劃分為采空塌陷高易發區、中易發區、低易發區和不易發區。

2.3.10 巖溶塌陷

巖溶塌陷由于可溶巖(以碳酸鹽巖為主，其次有石膏、巖鹽等)中存在的溶洞引發地面塌陷而產生的。巖溶塌陷對地下工程的結構安全會造成較大影響。首先，溶洞頂板厚度不足，易發生頂板塌陷造成地下工程地基突然失穩，喪失承載力；其次，巖溶形態復雜，溶洞分布無規律，灰巖層交錯起伏，地下工程施工困難。

2.3.11 崩滑流

崩塌、滑坡、泥石流等突發地質災害在我國分布廣泛，常發生于低山丘陵地區。崩滑流對地下空間開發的影響主要表現在易造成工程施工事故、影響地下結構的正常使用等。因此，采用災害發生的危險性等級進行評價。

2.3.12 地裂縫

地裂縫是地表巖層、土體在自然因素(地殼活動、水的作用等)或人為因素(抽水、灌溉、開挖等)作用下產生開裂，并在地面形成一定長度和寬度裂縫的一種宏觀地表破壞現象。地裂縫對地下空間開發的影響主要表現在地裂縫錯動導致的地下工程的結構變形甚至破壞。

2.3.13 地面空間地物類型

地下空間的開發利用會受到地面空間利用現狀不同程度的影響，例如高層建筑、高架立交橋、水面、鐵路、機場、工業廠區和歷史街區的分布狀況。以遙感影像數據為基本資料，結合地面調查的有關資料和圖件進行分析，對地物類型進行聚類匯總，得到地面空間地物類型的指標量化結果。

2.3.14 已開發地下工程

隨著城市規模、人口的不斷發展，城市內地下空間資源已經部分被開發，包括地鐵、綜合管廊、高層建筑地下室、地下商場、人防工程等。根據地下空間是否被開發及開發類型等條件，對已開發地下工程進行分類匯總，得到該評價指標的量化結果，如表3所示。

2.4 權重參數的確定

針對城市地下空間分布情況，將地下空間開發分為淺層和次淺層，淺層開發深度為0～15m，次淺層開發深度為15～30m。通過構造指標判斷矩陣，求得最大特征值、特征向量，并通過一致性檢驗，最終進行層次總排序(表4、表5)。

表4 淺層(0～15m)各級影響因素權重統計

表5 次淺層(15～30m)各級影響因素權重統計

2.5 評價等級的劃分

通過前述計算結果，對地下空間資源開發利用適宜性進行綜合評價分級，采用分值區間平均分配原則將研究區劃分為4個評價區，即地下空間開發利用適宜性優區、良區、中區、差區。評價得分(S)，適宜性優區為0.75～1，適宜性良區為0.5～0.75，適宜性中區為0.25～0.5，適宜性差區為0～0.25。

2.6 泉水保護制約

地下空間開發對泉水保護影響是研究濟南地下空間開發地質環境適宜性評價的關鍵，對濟南市城市地下空間資源開發具有一票否決制，因此需要對地下空間開發利用制約區進行評價。在評價中需要考慮地質條件的復雜多變性，如地質構造、水文地質條件、隔水層因素、巖溶發育情況、灰巖頂板埋深等多種因素。以下選取灰巖頂板埋深、巖溶地下水位最小埋深、底板隔水層厚度及巖溶發育深度4個因素進行地下空間開發對泉水保護影響分析。

2.6.1 灰巖頂板埋深

灰巖頂板埋深對地下空間開發利用的限制主要表現在地層中原始的地應力平衡被打破，地應力進行了重新分布，底板隔水巖層可能受到破壞，另一方面，地下空間開發深度越大，一旦進入灰巖含水層，則會造成巖溶水過水斷面面積的減小，直接影響含水層對泉群的有效補給。因此，灰巖頂板埋深小于15m或30m的區域不適宜進行地下空間開發。

2.6.2 巖溶地下水位最小埋深

考慮到地下水位的是隨年際不斷變化，采用巖溶地下水位最小埋深作為泉水保護制約因素之一。當地下空間穿過奧陶紀巖溶地層時，如果地下空間開發深度位于巖溶地下水位以下，必然會減小巖溶水過水斷面面積，有可能引發水動力條件的變化及水化學場的改變，不利于泉水保護。同時巖溶地下水多為微承壓或承壓水，在地下施工過程中，可能因封堵不良或斷層影響引發巷道突水，對工程主體的穩定性造成影響。

2.6.3 底板隔水層厚度

該文所指底板隔水層厚度為地下空間開發底板與巖溶含水地層之間隔水層厚度，它是反應隔水性能的主要指標，是唯一起阻水作用的主要因素。有效的隔水層將很大程度上隔絕巖溶含水層與上部地層之間的聯系，減少地下空間開發過程中地層開挖對含水層水力聯系的破壞，也可以有效減少上層污染物進入巖溶含水層中，從而可以有效保護泉水。該指標是根據研究區地層結構、泉水成因等水文地質條件確定，該文根據研究區條件，將有效隔水性能的隔水層厚度定為19m。

2.6.4 巖溶發育深度

巖溶發育層位不同，在地下空間開發過程中對泉水影響也有所不同。對于地下空間開發而言，巖溶含水層的發育深度愈大，工程建設開挖層位離巖溶含水層巖溶發育通道愈遠，工程建設對巖溶含水層造成破壞的潛在風險愈小，對泉水保護愈有利?？筛鶕芯繀^巖溶發育特征和泉水成因等因素確定巖溶發育深度，該文根據研究區條件，將對泉水影響較大的巖溶發育深度定為40m。

根據對灰巖頂板埋深、巖溶地下水位最小埋深、底板隔水層厚度及巖溶發育深度4個因素，進行地下空間開發對泉水保護影響分析(表6、表7)。

表6 淺層地下空間開發對泉水影響評價

表7 次淺層地下空間開發對泉水影響評價

3 模型應用

3.1 研究區概況

濟南市位于山東省中部，南倚泰山，北臨黃河，市內分布有趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、五龍潭四大泉群，以“泉城”而著稱于世，是我國著名的旅游城市。濟南市地下空間資源評價范圍以《濟南市城市發展總體規劃(2006—2020)》劃定的濟南市中心城區范圍為基礎并適當外擴，東至章丘區，西南至南大沙河以東(歸德鎮界)，西北至黃河，南至雙尖山、興隆山一帶山體及規劃的濟萊高速公路，北至黃河以北青銀高速及濟青高速公路，面積1829km2(圖3)。

圖3 研究區范圍交通位置圖

利用GIS空間分析功能，分別對淺層和次淺層14個因子圖進行疊加運算，得到整體評價圖。然后將整體評價圖與泉水影響的制約區進行疊加，最終生成地下空間資源開發綜合適宜性分區圖。

3.2 泉水保護制約區

通過對研究區內大量水文地質鉆孔、工程地質鉆孔數據的匯總統計，得到地下空間開發制約區，即對濟南泉水水量可能有影響的范圍(圖4)?？梢钥闯?，研究區淺層地下空間開發制約區主要分布在段店鎮以南黨家莊鎮以北、市區四大泉群集中排泄區一帶、王舍人鎮以北及白泉泉域排泄區一帶。以濟南四大泉群南部經十路一線為例，從該線地質剖面圖(圖5)可以看出，該段地層灰巖隱伏于第四系之下，而且灰巖頂板埋深大部分小于15m，同時根據鉆孔資料可知，該灰巖地層溶孔、裂隙發育，是泉水主要補給含水層之一，因此該區域劃分為泉水保護制約區。

1—基于泉水保護的地下空間制約區；2—剖面線圖4 淺層(0～15m)地下空間資源開發泉水保護制約區分布圖

1—第四紀、新近紀粉質粘土；2—奧陶紀馬家溝群北奄莊組；3—寒武-奧陶紀九龍群三山子組；4—寒武-奧陶紀九龍群炒米店組；5—輝長巖；6—溶洞；7—斷裂；8—混合水位線；9—地層界限；10—鉆孔孔號及孔深圖5 Ⅰ-Ⅱ'地質剖面圖

次淺層地下空間開發制約區主要分布在平安店鎮西南名莊—潘村一帶、黨家—七賢—市區四大泉群集中排泄區一帶、白泉泉域排泄區一帶及在姚家、東十里河、石河嶺一帶零星分布(圖6)。上述區域一般為灰巖頂板埋深小于30m，隔水層厚度小或無隔水層，巖溶地下水水位埋深小于30m，且部分地區40m以內巖溶裂隙較發育。

圖6 次淺層(15～30m)地下空間資源開發泉水保護制約區分布圖

3.3 綜合適宜性分區

3.3.1 淺層地下空間適宜性分區

從表7可以看出，該層地下空間適宜性優的面積為293.38km2，占研究區面積的16.04%，從圖7可以看出，該分區主要分布在研究區南部低山丘陵區，該區域一般基巖裸露，區內無大型斷裂發育，工程地質、水文地質條件優良，地表和地下無人類開發活動，這些有利條件可使該區地下空間開發難度小，降低開發成本。適宜性為良的面積為760.4km2，占研究區面積的41.58%，是分布面積最廣的區域，該區主要分布在市區及市區周圍片區，其大部分區域工程地質條件較好，但是部分地區會出現砂土、粉質粘土等工程地質條件復雜的土層以及采空、巖溶塌陷區，在該區進行地下空間開發利用時，需要充分調查清楚水文地質條件和工程地質條件。

圖7 地質環境適宜性分區統計柱狀圖

適宜性為中的面積為456.50km2，占研究區面積的24.96%，該區主要分布在北部黃河北崔寨、東部西巴漏河沖洪積扇一帶、西部玉符河—北大沙河沖洪積扇一帶、大型高速公路、鐵路一線以及各大斷層兩側影響區。該區水文地質條件、工程地質條件比較復雜，地下水位埋深淺、斷裂分布、土體厚且土體結構復雜并存在軟土分布等。適宜性為差的面積為264.48km2，占研究區的14.46%，該區主要分布在北部黃河兩岸附件及小清河附近、東部西巴漏河沖洪積扇軸部官莊—棗園—賈鎮一帶、中部煤礦開采區及活動斷裂兩側，同時市區已建高層建筑、防空設施和歷史保護建筑等也列入此區。該區水文地質條件、工程地質條件復雜，地層富水性強、水位埋深淺，且存在濕陷性黃土、軟土等，在該區進行地下空間開發中，施工技術復雜，施工成本高，特別是注意突水、防止降排水引起的坍塌等問題。

3.3.2 次淺層地下空間適宜性分區

從圖8可以看出，次淺層地下空間各分區面積與淺層地下空間基本一致，不過次淺層地下空間適宜性差的分布面積較小，但是泉水保護制約區分布面積卻相對較大。從圖8和圖9對比來看，次淺層地下空間中，適宜性優和適宜性良的區域分布與淺層基本一致，適宜性中的區域增加了長清—平安店北側區域，適宜性差的區域主要分布在東部西巴漏河沖洪積扇軸部官莊—棗園—賈鎮一帶，其他地區只在河流、湖泊零星分布。

1—適宜性差區；2—適宜性中區；3—適宜性良區；4—適宜性優區；5—地下空間開發制約區圖8 淺層(0～15m)地下空間資源開發地質環境適宜性分區圖

1—適宜性差區；2—適宜性中區；3—適宜性良區；4—適宜性優區；5—地下空間開發制約區圖9 次淺層(15～30m)地下空間資源開發地質環境適宜性分區圖

4 討論

4.1 評價指標的影響

地下空間資源開發利用涉及的地質問題十分復雜，需要地質、水文地質、工程地質、環境地質等多領域理論相互結合，但是在不同地區各種因素的評價指標、影響程度不盡相同。因此，在進行地下空間資源開發利用適宜性評價時，需要因地制宜地選取評價指標，并且保證評價指標量化準確。若評價指標不夠準確、全面，量化不夠合理，則可能會導致評價結果與實際產生較大的偏差。同時，在進行地下空間資源開發利用適宜性評價時，所選取的參數在研究區內均為離散數據，且數據分布具有較強的不均勻性，因此，可能存在局部地下空間條件與評價結果不相符的情況。

4.2 泉水保護制約因素

泉水保護主要是水量和水質兩個方面的保護，同時地下空間開發對泉水的影響也應該體現在水量和水質2個方面，由于研究區地質及水文地質條件特殊，灰巖埋深較淺且大部分與第四系直接接觸，特別是在研究區南部，灰巖裸露于地表，而地下工程在施工期間不可避免地會對地下水環境產生影響，均會影響到泉水水質，一般來說其對地下水環境所產生的影響是局部范圍內的，但是某些特殊地下工程所造成的影響是長期存在的。該文選取的4個制約因素僅與泉水水量有關，缺少對泉水水質制約因素的評價，需要進一步研究濟南地區地下空間資源開發利用適宜性評價。

5 結論及建議

(1)該文基于水文及水文地質、工程地質、環境地質、人類工程活動等條件，結合濟南市泉水保護的制約性，建立了城市地下空間資源開發利用綜合評價模型，并利用GIS技術強大的數據處理能力，對濟南市地下空間資源開發利用進行了環境地質適宜性評價。

(2)通過對泉水保護制約區的評價結果來看，研究區淺層地下空間開發制約區主要分布在段店鎮以南黨家莊鎮以北、市區四大泉群集中排泄區一帶、王舍人鎮以北及白泉泉域排泄區一帶。次淺層地下空間開發制約區主要分布在平安店鎮西南名莊—潘村一帶、黨家—七賢—市區四大泉群集中排泄區一帶、白泉泉域排泄區一帶及在姚家、東十里河、石河嶺一帶零星分布。次淺層制約面積要大于淺層制約區，并且濟南市地下空間開發利用制約區(淺層、次淺層)大多分布在泉域地下水徑流區、泉群排泄區域。

(3)從綜合評價結果看，濟南城市規劃區擁有數量可觀的地下空間資源，優良的地下空間資源占整個研究區60%以上，大多分布在研究區中部及南部區域，但考慮到濟南泉水保護的重要性，對于研究區南部泉域補給區不易進行大規模的地下空間開發，只適宜進行必要的線狀局部性開發利用，如埋設城市基礎設施管線，建設軌道交通等。

(4)該文選取的泉水保護制約因素主要體現在水量方面，缺少對水質方面的制約，考慮到濟南泉水具有文化教育、旅游、科研等多方面的社會、經濟意義，下一步工作建議引入泉水水質制約因素，更加完善地建立泉水保護制約體系，同時保護泉水水量和水質問題。