基于三維地質模型的西咸新區地下空間開發適宜性評價

李 林，曾 磊，董 英，張 戈，朱立峰

（1.中國地質調查局西安地質調查中心，陜西西安 710119；2.自然資源部黃土地質災害重點實驗室，陜西西安 710119）

隨著城市化進程的加快，土地資源短缺、能源消耗、交通擁堵、安全防災等令人擔憂的問題已成為城市可持續發展的瓶頸，而地下空間資源是人類寶貴的資源，是實施城市立體化開發，實現城市集約化發展的重要保障（Li et al.，2012；林良俊等，2017；彭建兵等，2019；葛偉亞等，2021）。近年來，國內外學者利用GIS軟件開展了大量的城市地下空間適宜性評價工作（方寅琛等，2017；郝愛兵等，2018；張茂省等，2018；韓博等，2023）。這些研究多數將地下空間在垂向上根據深度劃分為不同的層次，每層再以二維平面方式，利用GIS平面分析功能分別計算地下空間適宜性。這種方法沒有考慮地下空間復雜的垂向變化，因而無法滿足越來越精確的地下空間規劃要求。

三維地質模型包括三維空間上精細的力學性質參數及地球物理參數，利用地質建模軟件的三維空間分析功能，將地質信息與工程信息結合起來，從三維空間中提取各種評價要素，可以充分結合地質條件、工程技術條件以及地下空間開發現狀等各方面因素，對任意深度范圍內的地下空間開發適宜性進行評價，能夠改變以往常規的地下空間評價模式（譚飛等，2021；孟天宇等，2022；牛學瑤等，2023）。與傳統評價方法相比，三維評價可以更好地描述地下空間資源在不同深度的空間差異，同時評估過程與結果的立體透明表達也是城市地上地下整體規劃、地下空間設計建造的重要手段，能夠定性、定量地為地下空間開發利用提供輔助決策（呂敦玉等，2015；董英等，2020）。

為探討地下空間開發利用適宜性的三維評價方法，本次研究選取工程地質問題較為集中的西咸新區灃東與灃西新城為典型示范區（圖1）。針對地下空間三維規劃的需求，結合研究區地質地貌背景、工程地質特征、水文地質條件、不良地質作用以及地下空間開發現狀等特點，建立地下空間開發地質適宜性評價因子體系；以城市地質多要素探測成果為基礎，構建研究區三維地質模型，利用精細化剖分的評估單元為載體，綜合使用多種三維空間分析方法從模型中定量或定性提取各項指標，并運用層次分析法開展了西咸新區地下空間開發適宜性評價。該研究可為西咸新區地下空間開發利用與規劃建設提供支撐，推動西咸新區地下空間資源科學合理、有序開發，以達到資源保護優先、協同開發的開發利用格局。

圖1 西咸新區地質地貌圖Fig.1 Geological geomorphological map of Xixian New Area

1 研究區地質環境背景

西咸新區位于陜西省西安市和咸陽市建成區之間，規劃控制面積882 km2（圖1），是關（中）天（水）經濟區的核心區域。該區自然生態環境較好，經濟基礎良好，歷史文化底蘊深厚，區位優勢十分明顯，具備加快發展的條件和實力。作為首個以創新城市發展方式為主題的國家級新區，在起步階段做好地下空間資源開發利用規劃，建成和諧有序的現代立體城市，實現土地高效利用，是實現創新城市發展方式功能定位的重要路徑。

研究區位于渭河斷陷盆地中部，夾持于秦嶺褶皺系及鄂爾多斯地塊之間，地形簡單完整、平坦， 地勢相對平緩，地貌類型簡單，分為平原、黃土臺塬兩大地貌類型。南北兩側均受活動斷裂控制。區內有渭河斷裂、涇河斷裂、灃河斷裂和皂河斷裂，均為中晚更新世隱伏活動斷裂，多埋深于40～70 m處。區內第四系分布廣泛，主要成因類型有沖積、洪積、風積、湖積及其過渡類型。巖性則以砂礫、卵石、砂、亞砂土、亞黏土、黃土等為主，厚度變化較大，數十至數百米不等。

區內主要開發利用的含水層是第四系砂、砂卵礫石層，受沉積環境影響，在不同地貌部位含水層所屬地層時代、巖性、厚度、結構及含水層特征等變化較大。渭河沖洪積平原含水層分布廣泛而連續，地下水補給條件好，水量較為豐富，其中以渭河漫灘、一、二級階地含水層厚、顆粒粗，富水性強，而黃土臺塬和渭河高階地富水性相對較差，單井涌水量較少。

研究區內有渭河、涇河及灃河經過，三條河流在漫長的地質歷史時期形成了寬廣的漫灘與階地。漫灘與階地下覆厚層飽和砂土，在強震作用下砂土層有著極強的潛在液化趨勢，會對該地區各類工程設施安全運營與使用造成嚴重危害。同時，渭河一、二級階地分布有大厚度的濕陷性黃土，會對結構物帶來不同程度的危害，使結構物大幅度沉降、開裂、傾斜，甚至嚴重影響其安全和使用。

另外研究區范圍內具有豐富的歷史文化遺產和人文資源，地上和地下有大量文物古跡，且有不同年代的區域重疊現象。從文物保護的要求出發，地下空間利用的工程開挖難度較大，城市地下空間的開發利用與歷史文物保護的矛盾十分尖銳。

2 三維空間評價指標體系構建

2.1 評價指標體系

地下空間的開發受到多種地質環境因素的制約，科學合理的評價體系是適宜性評價的重要條件。不同地區各種因素的評價指標、影響程度也不盡相同，因此，在進行地下空間資源開發利用地質適宜性評價時，需要結合研究區具體條件，因地制宜地選取評價指標，科學合理地確定指標量化值（黃強兵等，2019；邢懷學等，2022）。

對區域地質環境條件進行綜合分析，結合西咸新區實際地下工程建設經驗，篩選出對地下空間開發有顯著影響的評價因子，并將其歸納為地形地貌背景、水文地質條件、工程地質特征、不良地質作用以及開發利用現狀等五類（李惠等，2020；閆金凱等，2021；趙銀鑫等，2022；張曉波等，2023）。最終以城市地下空間開發適宜性評價為目標層；以地質地貌背景、工程地質特征、水文地質條件、不良地質作用和開發利用現狀為準則層；以地貌類型、地震區劃、河湖濕地、地下水富水性、腐蝕性、巖土體類型、土體強度指數、活動斷裂、砂土液化、黃土濕陷、地面設施、文物保護區、地下構筑物為指標層，構建地下空間開發地質適宜性三維評價指標體系（圖2）。

圖2 評價指標體系圖Fig.2 The evaluation index system of geological suitability

2.2 三維地質建模

針對地下空間三維規劃建設需求，建立多要素三維地質模型，在三維空間準確定位地質要素的分布及范圍，從三維空間中進行按照任意深度提取地質條件因素，可以更好地描述地下空間資源在不同深度的空間差異（李青元等，2016；薛濤等，2021；趙思成等，2022）。

首先在城市已開展的地下空間現狀普查工作基礎上，采用收集資料、實地調查的方法，查明城市地形地貌、地表水體、地面建筑、重要基礎設施、生態保護與文物埋藏分布，揭示已有的、在建的及規劃中的地下構筑物現狀分布特征，建立城市地下空間開發利用現狀檔案，形成實景三維地表景觀模型（圖3a）。

圖3 研究區多要素三維地質模型Fig.3 3D geological models with multiple elements

結合西咸新區構造特點，綜合運用地質調查、鉆探、物探等多種調查研究方法，統一地層框架結構與斷裂展布，按照斷裂期次與空間關系劃分為構造單元；從鉆孔中提取地層分層信息，從剖面提取地層分界信息，再結合地質專家的先驗知識，分析地層之間的疊覆關系，構建研究區三維地質結構模型（李林等，2022）（圖3b、圖3c）。

通過多要素測井技術，提取孔隙度、滲透率、密度等力學參數和視電阻率、自然伽馬、放射性釷等地球物理參數，從測井解譯成果中提取巖性數據，選擇三維克里金插值方法，建立起研究區巖性隨機模型（圖3d）。利用測井參數模擬計算工程地質力學參數、水文地質參數，定位工程建設樁基持力層與軟弱層、地下含水層與隔水層的展布和空間變化特征（李林等，2023），構建三維水文地質模型（圖3e）和三維工程地質屬性模型（圖3f）。

2.3 指標提取與量化

對于指標的提取主要是對定量條件的提取，根據空間分布在橫向上的影響范圍，以及縱向上下層土體對上層建設影響等，通過三維空間統計、三維插值分析等方法得到評價要素信息，構建三維評價數據集（表1）。

表1 城市地下空間開發適宜性評價指標體系Table 1 Evaluation index system of geological suitability for urban underground space development

評價指標的量化取值，應以行業標準規范為準，結合研究區實際情況，對指標分級賦值，對無法直接量化的指標，采用專家打分法來確定分級。根據每個評價指標影響程度的大小不同，可將各評價指標劃分為適宜（1.0）、較適宜（0.5）、不適宜（0.0）共3個等級，由此確定了地下空間資源開發利用的地質適宜性評價指標的量化標準（表2）。

表2 評價因子量化分級與權重Table 2 Quantitative classification and weight of evaluation factors

3 地下空間開發適宜性評價

3.1 綜合評價

當前，國內外學者經常采用層次分析法、熵權法、灰色理論法、模糊綜合評判法等模型進行評價（李鵬岳等，2021a；李鵬岳等，2021b；蔣杰等，2021），其中，層次分析法是應用于地下空間開發地質適宜性評價的最廣泛方法，本文選用層次分析法開展西咸新區地下空間資源開發利用地質適宜性評價。

各個層次的評價因子對目標層的影響程度不同，表現為權重不同。采用層次分析法計算各評價指標的權重，權重值反映了單項指標對地下空間開發適宜性影響程度的大小，通過構建指標判斷矩陣、計算重要性排序和一致性檢驗，將特征向量歸一化處理后得到各項指標的綜合權重（表2）。

地下空間開發適宜性綜合指數計算公式如下：

式中：H為地下空間開發適宜性指數；vkj為第k個準則層中第j個指標的分值；wkj為第k個準則層中第j個指標的權重；wk為第k個準則層的權重。

適宜性指數計算采用單元疊加方式進行，根據各指標量化分級逐一判斷各單指標等級，并將各指標等級分值與其權重相乘得到單指標分值，再將各指標分值累加，從而得到綜合適宜性指數。最終再根據適宜性評價結果等級劃分標準（表3），將研究區評價結果劃分為適宜、較適宜、不適宜三個等級（胡學祥等，2016）。

表3 地下空間開發適宜性等級劃分Table 3 Classification of geological suitability for urban underground sapce

當0.7≤S時，為適宜區。適宜區指對歷史文物或重要地面工程沒有影響，地質環境條件良好，地下水不發育，不受不良地質作用的影響。當0.3≤S＜0.7時，為較適宜區。較適宜區指地質環境條件較好，無明顯軟弱地層、地下水不發育，在現有經濟技術條件下，可通過技術手段處理或控制不良地質作用的影響。當S＜0.3時，為不適宜區。不適宜區一般位于歷史文物保護區；或地質環境條件差，有潛在不良地質作用，通過技術手段不可控制或很難處理，開發成本高，經濟和社會效益低的區域。

基于西咸新區多要素三維地質模型，在地質結構模型框架下進行網格剖分。根據研究區數據密度、計算機運行能力等綜合考慮，按照250 m×250 m×1.5 m網格將研究區精細化剖分，根據評價指標量化標準對各個指標進行量化賦值，然后逐單元按權重疊加各指標分值，按適宜性等級劃分標準對分值進行等級劃分，最終得到研究區三維地下空間開發利用適宜性評價結果（圖4）。

圖4 西咸新區地下空間適宜性三維評價結果Fig.4 3D evaluation results of geological suitability in Xixian New Area

3.2 評價結果分析

評價結果表明：研究區60 m以淺地下空間開發利用條件優越，地形平坦開闊，地貌類型簡單，各土層物理力學性質和承載力總體較好，適宜開發建設。僅局部地段可能存在活動斷裂影響，河漫灘或低階地區可能出現砂土液化，引起基坑穩定性較差、滲透變形、突（涌）水、地下設施抗浮失效，以及黃土濕陷等不良地質問題（王化齊等，2019）。

結合西安市地下空間開發利用體系規劃，將地下0～10 m列為淺層開發區，地下10～30 m列為中層開發區，地下30～50 m列為深層開發區，分別分析地下空間開發利用的地質適宜性（圖5）。

圖5 西咸新區不同深度地下空間開發利用適宜性Fig.5 The evaluation results of geological suitability in different depths of underground space in Xixian New Area

淺層（0～10 m）：地下空間不適宜區主要集中在豐京、鎬京、阿房宮等文物保護區，昆明池、渭河、灃河漫灘，以及灃河、皂河斷裂兩側。主要影響因素是文物保護區、地面水體、活動斷裂等；文物保護是淺層地下空間開發中首先必須考慮的因素，考慮到其歷史價值、不可移動性以及地下埋藏等特征，在文物保護控制范圍內，原則上限制地下空間的開發。地表水系主要影響水系下方及周邊區域進行地下工程開挖的安全和施工難度。較適宜區分布在渭河、灃河一級階地，這些地區應控制地下水開發，關注地下水位持續升高而引發明水、濕地、地下室浸水、砂土液化、黃土濕陷等環境地質問題；其他區域均屬于適宜開發區，可主要作為倉儲購物、生活娛樂、綜合管廊、停車場等建設空間。

中層（10～30 m）：限制地下空間開發的主要因素為城市建成區既有設施及地下構筑物，以及灃河、皂河斷裂。高密度建筑區域，已有地鐵、地下洞室、樁基、人防工程等限制了地下空間開發利用，采取工程措施進行規避。較適宜區分布在灃河、渭河河漫灘及一級階地前緣，這些地區含水砂層厚度偏大，注意砂土液化、地下空間抗浮失效等環境地質問題，地下空間開發時應重視底板突水風險，宜作為地下軌道交通、高壓變電站、水處理中心等建設空間。

深層（30～60 m）：地下空間不適宜區主要受灃河和皂河斷裂影響，注意適當的避讓距離即可，進行地下空間開發應盡量垂直于斷裂帶走向，并采取必要的工程抗震措施。較適宜區位于研究區東北部渭河漫灘，主要受地下含水砂層影響，在地下空間開發利用中應考慮地下水腐蝕、砂卵礫石等因素的影響?？傮w以適宜區為主，可作為特種工程等戰略基礎設施建設空間。

4 結論

（1）西咸新區地下空間的開發受到多種地質環境因素的制約，結合研究區具體條件，選取地貌類型、地震區劃、河湖濕地、地下水富水性、腐蝕性、巖土體類型、土體強度指數、活動斷裂、砂土液化、黃土濕陷、地面設施、文物保護區、地下構筑物為指標，構建了地下空間開發地質適宜性三維評價指標體系。

（2）通過構建西咸新區灃東灃西新城地表三維實景模型，地質構造模型、三維水文地質模型和三維工程地質模型，利用三維精細化剖分的評估單元為載體，運用層次分析法評價模型開展西咸新區地下空間開發適宜性評價，能夠定性、定量地為地下空間開發利用提供輔助決策，為研究區地下空間資源的合理開發提供基礎地質支撐。

（3）灃東灃西新城地下空間開發適宜性三維評價結果表明：研究區60 m以淺地下空間開發利用條件優越，各土層物理力學性質和承載力總體較好，適宜開發建設。不適宜區域主要分布在活動斷裂、水體、水源地區域以及文物保護區。

（4）研究區淺部地下空間開發利用易受文物保護區、地面水體、活動斷裂影響，中層地下空間受城市建成區既有設施及地下構筑物影響較大，深部地下空間主要受斷裂影響。地下空間資源利用規劃中地下空間重點開發區在開發利用過程中應該合理規避活動斷裂區域、地下水富集等地質問題。

［附中文參考文獻］

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