鄭州市地下空間開發適宜性評價及開發閾值研究

張潤華，成遠湲，劉聰聰，王世帆

(華北水利水電大學 地球科學與工程學院，河南 鄭州 450046)

0 引言

截至2019年末，鄭州市城鎮化率已高達74.60%，而城市攤大餅式擴充和建設超高層建筑的發展模式已不能順應現代化建設進程，向地下要資源，科學開發地下空間，已成為治理日益嚴重的“城市病”，提高城鎮化質量的重要途徑之一。

國外發達國家的地下空間利用較為成熟，而國內起步稍晚，在開發建設及管理方面略顯不足。學者們對城市地下空間開發進行了大量有益的分析，但切合鄭州市實際情況的研究尚少。文章在綜合分析鄭州市地下空間開發利用情況及存在問題的基礎上，進行鄭州市地下空間開發適宜性評價，提出鄭州市地下空間適宜性開發閾值，為鄭州市地下空間高質量發展提供科學依據。

1 鄭州市地下空間開發利用現狀

鄭州市為沖積平原區，工程地質特征表明，東部地下水埋深較淺，存在淤泥質土及飽和砂土層，工程地質條件相對較差，但地勢平坦；其他地區一般工程地質條件較好，地形平整。軌道交通建設、綜合管廊及地下綜合體規劃促使地下空間開發向有序化、綜合化發展。

1.1 軌道交通建設

截至2019年底，鄭州市軌道交通1號線(包括城郊線)、2號線、5號線、14號線一期工程均已開通運營見圖1所示，運營里程共102.87 km，車站60座。

圖1 鄭州市軌道交通已運營線路示意圖

1.2 綜合管廊建設

2016年4月，鄭州市入選國家地下綜合管廊第二批試點城市，成為全國15個地下綜合管廊建設試點城市之一。鄭州市的綜合管廊項目于2016年開工建設，規劃至2030年共建設綜合管廊575.50 km。

1.3 地下綜合體建設

2017年4月14日，中國首個盾構法裝配式地下空間試驗項目在鄭州市掘進施工,為鄭州市建設地下綜合體打好了施工技術基礎。

2 鄭州市地下空間開發利用現狀存在的關鍵問題

規劃是城市有序發展的前提，科學準確地評價地下空間開發適宜性，是城市地下空間規劃編制的重要基礎條件。二七廣場地下空間的建設未能在前期進行開發適宜性評價，導致規劃具有滯后性，進行高頻次的“大手術”，嚴重浪費了城市的建設資源，并給市民出行帶來了不便。現階段鄭州市地下空間開發側重于促進經濟發展，但在城市地下空間大規模發展的前期階段，若只考慮經濟要素而忽略地質條件對城市地下空間開發的重要影響，容易造成開挖安全系數降低、施工技術難度提高、開發建設經濟成本增加等一系列違背城市可持續發展初心的不良后果，導致開發具有被動性和趨利性。總之，盲目無序的建設不利于城市地下空間的科學開發，只會加重城市發展的負擔。

3 鄭州市地下空間開發適宜性評價與開發閾值分析

鄭州市目前處于軌道交通導向型開發模式時期，綜合考慮地層巖性特征、巖土體條件和軌道交通站點類型等影響因素，基于層次分析法(AHP)建立綜合指數評價模型，對鄭州市地下空間開發適宜性評價并提出開發適宜性閾值。

3.1 鄭州市地下空間開發適宜性評價

3.1.1 基于AHP建立綜合指數評價模型

分析影響地下空間開發適宜性選址的主要因素，以鄭州城市地下空間開發適宜性評價結果為目標層(A)，以地層巖性特征、巖土體條件、水文地質條件等5項為準則層(B)，以巖性組合、砂土液化勢、粘聚力等9項為指標層(C)，建立適宜性評價指標體系，見表1所示。進一步依據行業規范及勘測數據，確定四級評價標準并將適宜性評價結果劃分為4類：非常適宜區(Ⅰ)、適宜區(Ⅱ)、一般適宜區(Ⅲ)、不適宜區(Ⅳ)。

表1 適宜性評價指標體系表

表2 B-Ci判斷矩陣及權重結果表

其中，CR為9×10-4<0.10，滿足一致性檢驗。

表3 B2-Ci判斷矩陣及權重結果表

其中，CR為0<0.10，滿足一致性檢驗。

3.1.2 綜合指數法及計算結果

采用綜合指數法建立鄭州城市地下空間適宜性評價模型，見式(1)所示。

(1)

式(1)中：A為適宜性評價值；Ci為評價值；k為準則層個數且k=5；p為指標層個數且p=9。

鄭州市20個評價單位(N)開發適宜性評價結果見表4所示，評價值最大為0.90，最小為0.39。

表4 開發適宜性評價結果表

3.2 開發適宜性閾值分析

3.2.1 基于ArcGIS進行適宜性分級

閾值一般指發生狀態變化的臨界值。鄭州城市地下空間開發適宜性評價是一個受多方面影響的綜合性問題，其閾值為開發適宜性變化的臨界值的度量，即當超過臨界值時，開發適宜性狀態發生改變。進行地下空間開發適宜性評價并非單一的過程，根據研究區域不同，研究階段不同，開發適宜性受到地質環境、城市建設、社會經濟等多重影響。因此，文章提出的開發適宜性閾值是多重因素綜合評價的結果，科學合理的適宜性閾值的確定不能以某一單因素為依據，應該是對多要素多參數分析的綜合結果。并且，隨著多因素時空維度的共同影響，閾值也會隨之改變。基于ArcGIS，在評價結果的基礎上，結合鄭州城市規劃建設實際情況，以城市主要交通干道對地塊進行網格劃分，對鄭州城市地下空間開發適宜性評價結果進行可視化表達。并用自然間斷點法見圖2所示，得到不同開發適宜性的臨界值見表5所示。

圖2 以自然間斷點法確定4級閾值圖

表5 城市地下空間開發適宜性評價閾值表

3.2.2 開發閾值分析

根據分級結果分析，當評價值<0.43，開發適宜性較差，其評價閾值為0.43，適宜性評價結果為“不適宜區”的最大值；當0.43<評價值<0.57，開發適宜性一般，評價閾值也為0.43，是“一般適宜區”的最小值，即當評價值>0.43時，其適宜性狀態由“不適宜區”改變為“一般適宜區”；當0.57<評價值<0.68，地下空間開發適宜性較好，評價閾值為0.57，即當評價值>0.57，其適宜性狀態由“一般適宜區”改變為“適宜區”；當評價值>0.68，此時地下空間開發適宜性最優，評價閾值為0.68，即當評價值>0.68時，適宜狀態由“適宜區”改變為“非常適宜區”。由分析可知，當評價值發生動態變化，大于狀態閾值時，其評價的適宜性就隨之改變。鄭州城市地下空間開發適宜性評價分區結果見圖3所示。

圖3 鄭州市地下空間開發適宜性分區圖

鄭州市地下空間開發非常適宜區占總面積的13.60%，位于五一公園、隴海東路、南三環附近，集中于西南區域，該區域地質條件整體較好，更適宜地下空間開發利用；適宜區占9.70%，位于醫學院、桐淮附近區域；一般適宜區占總面積的69.20%，位于中部、東北部大部分區域和西三環區域；不適宜區占7.50%，位于火車站、鄭州東站區域，這與該區域巖土體特征較差有很大的相關性。因此，鄭州市地下空間開發適宜性分為4類，整體而言，西南地區適宜性較東北部更優，長遠規劃需結合實際需要，綜合考慮適宜性評價結果，為鄭州市地下空間的科學有序開發提供保障。

4 結論

綜上所述可得以下幾點結論：①在總結鄭州市地下空間開發利用現狀的基礎上，分析目前存在缺乏地下空間開發適宜性評價的關鍵問題。進一步從規劃選址的角度，綜合地層巖性特征、巖土體條件、軌道交通站點類型等多重因素，基于AHP建立綜合指數評價模型，對鄭州市地下空間開發適宜性進行評價，以解決鄭州市地下空間開發適宜性評價難題。②科學界定適宜性評價“閾值”的概念內涵，運用ArcGIS將評價結果進行適宜性分級，并用自然間斷點法確定適宜性狀態分級閾值，由閾值級別高低定量判別適宜性動態變化。③依據城市主要交通干道網格，運用ArcGIS得到鄭州市地下空間開發適宜性評價結果，并將其分為非常適宜區、適宜區、一般適宜區和不適宜區4類，分別占總面積的13.60%、9.70%、69.20%和7.50%，進一步分析得到鄭州市開發適宜性評價閾值，并應用于鄭州城市規劃建設實踐。結果顯示，五一公園、隴海東路及南三環附近區域更適宜地下空間開發利用；整體而言，鄭州市西南地區適宜性較東北部地區更優，更適合綜合開發。④研究成果可為鄭州市地下空間科學有序開發提供參考，但在大數據下地下空間智慧化運行方面，仍需進一步研究。