城市地下空间开发利用容量评估指标体系的研究_姜云

城市地下空间开发利用容量评估指标体系的研究 On the index system for city underground space developing2utilization capacity evaluation 姜云ΠJ IANG Yun 　吴立新ΠWU Lixin 　杜立群ΠDU Liqun (黑龙江省科技学院 　哈尔滨 　150000) 【摘要】地下空间是城市开发的重要自 然资源 ,城市地下空间开发利用容量 评估的目的旨在把握城市所具有的地 下空间可开发利用的总量和潜力 ,建 立科学的评估指标体系是地下空间开 发利用容量评估的基础。本文了 城市地下空间开发利用容量的主要影 响因素 ,提出了城市地下空间开发利 用容量评估指标体系构建的原则。基 于层次分析法建立了城市地下空间开 发利用容量评估的层次结构模型 ,依 据该层次结构模型构造了各层次判断 矩阵 ,并进行了层次单排序、层次总排 序及其一致性检验。经研究分析得 到 :地面空间类型、受已开发地下空间 的影响程度、地震烈度、滑坡及崩塌、 对工程有影响的地下水层数、受影响 的地下水赋存类型及活断层等是城市 地下空间开发利用容量评估的主要指 标。 【关键词】地下空间 ;开发利用容量 ;评 估 ;指标体系 ;层次分析法 【Abstract】Underground space is a kind of important natural resource for city development , the purpose of city underground space developing2 utilization capacity evaluation is that the total quantity and potential of city underground space developing utilization capacity are grasped , so as to the scientific basis for coal mining goaf land planning and developing2 utilization is provided , and it is a basic of city underground space developing2 utilization capacity evaluation that the evaluation index systems of science are ascertained. The primary influence factors of the capacity assessment for city underground space developing2utilization are analyzed in this paper , and the construction principle of capacity evaluation index system for city underground space developing utilization is also presented. A hierarchy structure model of capacity evaluation for the city underground space developing2utilization is established referring to Analytic Hierarchy Process. Based on the hierarchy structure model , the judgment matrix of every hierarchy is constructed. The arrangement sequence of every hierarchy and the overall hierarchy is completed , and its consistency is also tested. The results gained through research and analysis are that the principal indexes include the type of ground surface space , affecting degree of exploited underground space , earthquake intensity , landslide and slide , level number for ground water of affecting underground engineering , existing type for ground water and active fault etc. 【 Keywords 】 Underground space ; Developing utilization capacity ; Evaluation ; Index system ; Analytic hierarchy process 【中图分类号】TU984 【文献标识码】A 城市地下空间是 21 世纪人 类重点开发利用的城市空间。城 市发展空间由地面及上部空间向 地下延伸 ,是世界城市发展的必 然趋势 ,“向地下要土地、要空间 已成 为 城 市 历 史 发 展 的 必 然”[1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ] 。城市地下空间开 发利用容量评估的目的旨在把握 城市所具有的地下空间可开发利 用的总量和潜力 ,评估结果是城 市地下空间开发利用规划的重要 依据 ,有利于指导城市地下空间 的开发和利用 ,也有利于引导城 市地面的规划和城市建设发展。 目前 ,已有研究一般认为 :城市地 下空间开发利用资源量为除地面 保留与地下已开发利用空间范围 外的城市总面积乘以合理开发深 度的 40 %[7 ] ,由于没有考虑各种 因素对地下空间开发利用资源量 的系统影响和制约 ,因而所得到 的评估结果并不能真实反映城市 地下空间开发利用的实际资源 量。 因而 ,城市地下空间开发利 用容量的评估应基于一定的评估 指标体系来完成 ,评估指标体系 是用来征城市地下空间开发利 用容量可量度参数的集合。建立 科学的评估指标体系不但是城市 地下空间开发利用容量评估的重 要途径 ,而且将影响评估结果的 准确性、可靠性和合理性。因此 , 评估指标体系的研究确定是城市 地下空间开发利用容量评估的关 【文章编号】1006 - 3862( 2005) 05 - 0047 - 05 城市规划 城市发展研究 12 卷 2005 年 5 期 Urban Studies Vol. 12 No. 5 2005 47　　　 键和核心。本文在分析城市地下空间开发利用容量 影响因素的基础上 ,基于层次分析 (AHP) 法构建了 城市地下空间开发利用容量评估指标体系。 1 　城市地下空间开发利用容量的影响因素 分析 　　笔者认为 :地下空间资源的天然蕴藏量是指在 一定的城市平面域和深度范围内 ,排除了已开发利 用的地下空间 (如地铁、地面建筑物基础、地下人防、 地下埋藏物、地下商业街等) ,天然蕴藏的未开发利 用地下空间资源量。城市地下空间开发利用容量是 指在一定的城市发展阶段和一定的科技水平下 ,在 城市一定的区域和一定的深度范围内可供开发利用 的地下空间总量。这个总量是指在地下空间资源的 天然蕴藏量中可供合理开发利用的资源量。由于受 到各种因素的影响和制约 ,地下空间开发利用容量 实际上是小于等于地下空间资源的天然蕴藏量的。 地下空间是指在岩层或土层中天然形成或经人 工开发形成的空间[8 ] 。城市地下空间开发利用容量 是一个受多种因素综合影响的系统的量 ,具体影响 因素主要有工程地质条件、水文地质条件、岩土体条 件、地面及地下空间条件、地域位置条件 5 个方面。 1. 1 　工程地质条件 城市地下空间的开发利用需要一定的工程地质 条件来支持 ,工程地质条件将影响地下空间的区域 稳定性[9 ,10 ] 。影响地下空间开发利用容量的工程地 质条件主要有活断层、滑坡与崩塌、节理与裂隙组 数、节理与裂隙的密度、地震烈度等。 活断层和强烈的地震将引起地下岩土体发生开 裂、沉降及砂土液化等破坏。较差的工程地质条件 不但破坏了地下空间所赋存的地下原生岩、土体的 整体性和完整性 ,还会引起地下工程围岩的破碎、坍 塌和失稳 ,甚至危及地下工程的安全和正常使用。 节理与裂隙是影响城市地下空间开发利用容量 的软弱结构面。如果地下岩土体的节理、裂隙发育 , 则硐室围岩的整体性较差 ,地下空间开发利用中的 二次应力将使围岩产生较大的塑性变形和较大的破 坏区域 ,同时亦将使节理、裂隙间的错动、滑移变形 增大 ,并最终影响围岩的稳定性。 1. 2 　水文地质条件 地下水是赋存于地下的上层滞水、潜水和承压 水。地下水一方面具有重要的城市用水意义 ,如潜 水、承压水可作为城市的水源 ;但另一方面又对城市 地下空间开发利用容量具有消极的影响。消极影响 主要表现在 :地下水会增加地下空间开发利用的难 度 ,从而增加地下空间开发利用成本 ;地下水上升将 浸润岩土体结构面且多因含有一定的 SO422等而易 软化岩石 ,并将泥质成分带入结构面 ,降低结构面和 岩体的强度 ,导致地下工程发生变形失稳 ,甚至破 坏 ;若地下水位下降 ,则会增加土的自重应力 ,导致 地下工程的附加沉降 ;地下水常因受污染而腐蚀混 凝土 ,危害地下工程的支衬结构。 因此 ,地下空间的开发利用要求有良好的水文 地质条件 ,影响地下空间开发利用的水文地质条件 主要表现在对工程有影响的地下水层数、单位涌水 量、地下水的赋存类型、地下水埋深及地下水腐蚀等 方面。地下水的赋存类型是影响地下空间开发利用 的重要水文地质条件 ,如上层滞水与潜水和承压水 对地下空间开发利用时的施工排水难度等的影响存 在很大的差异 ,并在很大程度上影响地下空间开发 利用容量 ;单位涌水量直接影响地下空间开发利用 时的施工排水难度 ,从而影响地下空间的开发和利 用 ;对工程有影响的地下水 (如潜水、承压水)层数越 多 ,越不利于地下空间的开发和利用 ;若地下水埋藏 较深 ,有利于减少地下空间开发利用中的施工排水 费用、缩短工期。 1. 3 　岩土体条件 地下岩土体是地下空间开发利用的介质和环 境 ,岩土体条件将影响地下硐室开挖的难易程度及 硐室围岩的稳定性 ,因此 ,岩土体条件是地下空间开 发利用容量比较重要的影响因素。影响地下空间开 发利用容量的岩土体条件主要有岩土体的粘聚力、 内摩擦角、承载力值、压缩模量及岩土体的渗透 系数等。 城市地下空间是由岩石和土体来承载的。由于 岩石和土的形成过程及自然堆积情况不一 ,其组成 物质及工程特性也各有不同 ,因而其强度及其对地 下建筑物、构筑物的承载能力也不一样 ,并影响城市 地下空间开发利用容量。在其他影响因素一定的条 件下 ,岩石和土的强度越大 ,相应位置处地下空间的 开发利用容量值越大。反映岩石和土强度高低的主 要岩土参数是粘聚力、内摩擦角和承载力标准值。 压缩模量是反映岩土体抗变形能力的重要参 数。压缩模量越大 ,岩土体抗变形能力越好。 城市规划 姜 　云等 :城市地下空间开发利用容量评估指标体系的研究 48　　　 城市发展研究 12 卷 2005 年 5 期 Urban Studies Vol. 12 No. 5 2005 岩土体的渗透系数是表征岩土层隔水性能的重 要参数 ,岩土层的渗透系数越大 ,表明其隔水性能越 差。严重的地下水渗透将破坏围岩的稳定性 ,从而 影响地下空间开发利用容量。 1. 4 　地面及地下空间条件 地面空间条件是指城市现今地面设施对地下空 间开发利用容量的影响 ,主要表现在地面空间类型 对城市地下空间开发利用的许可。 一方面 ,由于城市地面存在需要保护的文物古 迹、重要建筑物等 ,地下空间 (尤其是浅层地下空间) 的开发利用应以不破坏这些建筑物及古迹为前提。 具体表现为在一定深度范围内 ,地面空间已被利用 或压占且不宜破坏的相应地下空间不宜首先考虑其 开发利用 ,否则将影响地面建筑物的稳定性并引发 文物古迹遭到破坏 ;河湖水域是影响地下空间开发 利用容量的不利因素 ,主要表现在地下空间开发利 用时的突水、涌水及冒水并影响其相应地下空间开 发利用的可行性。 另一方面 ,城市地面现存的道路、广场、绿地及 可拆建建筑物是影响城市地下空间开发利用容量的 有利因素 ,主要表现在开发利用城市地下空间时 ,首 先考虑的是城市道路、广场、绿地及可拆建建筑物下 的地下空间 ,因为开发利用这部分地下空间资源时 , 受到其上地面空间类型的影响和制约程度较小。因 此 ,可考虑充分开发利用这部分建筑物及场地所占 位置处的相应地下空间 ,同时还应与地面空间再开 发利用结合起来 ,并依据地下条件及地下空间开发 利用规划来引导地面空间的规划与建设。 地下空间条件是指地下已开发利用的空间对地 下空间开发利用容量的影响。地下建筑物、构筑物 如地铁、地下人防设施、地下商业设施、地下工程管 线等已开发利用的地下空间 ,对其邻近地下空间的 开发利用具有较大影响 ,主要表现为在已开发利用 空间的影响域范围内地下空间开发利用的可行性较 低。 1. 5 　地域位置条件 地域位置条件包括城市在区域地理位置中的重 要性及与城市中心区的位置关系等。城市在区域地 理位置中的重要性影响城市开发利用地下空间的适 宜度 ,与城市中心区的位置关系影响城市具体地块 地下空间的开发价值。 综上 ,工程地质条件、水文地质条件、岩土体条 件、地面及地下空间条件、地域位置条件等是城市地 下空间开发利用容量的主要影响因素 ,它们相互制 约、相互作用并从本质上影响和制约城市地下空间 的开发利用容量。 2 　城市地下空间开发利用容量评估指标体 系构建的原则 　　分析认为 ,城市地下空间开发利用容量评估指 标体系的构建应遵循科学性、系统性、实用性、层次 性、简洁性。 1)科学性原则 必须以科学的态度客观地选取指标 ,以便真实 有效地评估城市地下空间开发利用容量。 2)系统性原则 城市地下空间开发利用受工程地质条件、水文 地质条件、岩土体条件、地面及地下空间条件、地域 位置条件的综合影响 ,城市地下空间开发利用容量 是一个受多种因素相互作用、相互制约的系统的量 , 因而必须把城市地下空间开发利用容量评估视为一 个系统问 ,并基于其多因素来进行综合评估。 3)实用性原则 建立城市地下空间开发利用容量评估指标体系 的目的是反映和度量城市地下空间可开发利用的潜 力。因此 ,选用的指标必须实用、可行、可操作性强。 4)层次性原则 因为城市地下空间开发利用容量是多层次、多 因素综合影响和作用的结果 , 故评估所选用的指标 应具有层次性 , 能从不同方面、不同层次反映城市 地下空间开发利用容量的实际情况。 5)简洁性原则 指标的选取以能反映所评估问题的实质为目 的 ,在影响城市地下空间开发利用容量的诸多因素 中 ,有针对性地选取主要的、有代表性的因素并能充 分反映客观事实。 3 　城市地下空间开发利用容量评估指标体系 3. 1 　城市地下空间开发利用容量评估层次结构模型 以城市地下空间开发利用容量为目标层 (A) ,选 取城市地下空间开发利用容量的主要影响因素作为 准则层 ( B) ,将各因素中的若干影响因子作为指标层 ( X) ,基于层次分析法 (AHP) [11 , 12] 构建了城市地下空 间开发利用容量评估的层次结构模型 ,见图 1。 姜 　云等 :城市地下空间开发利用容量评估指标体系的研究 城市规划 城市发展研究 12 卷 2005 年 5 期 Urban Studies Vol. 12 No. 5 2005 49　　　 图 1 　城市地下空间开发利用容量评估层次结构图 3. 2 　构造判断矩阵及层次单排序与一致性检验 基于已构建的城市地下空间开发利用容量层次 结构模型 ,综合考虑北京市的区域特点及各指标对 城市地下空间开发利用容量的影响和评判等级 ,经 专家咨询法构造出各层次的判断矩阵 , 运用 MATLAB 6. 5[13 ] 计算出各层次判断矩阵的最大特征 值λmax及其所对应的权向量ω ,并进行一致性检验。 计算结果如下 : A - B 判断矩阵为 : A B1 B 2 B3 B4 B5 B1 1 1. 5 2 1Π2 2. 5 B2 1Π1. 5 1 1. 5 1Π2. 5 2 B3 1Π2 1Π1. 5 1 1Π3 1. 5 B4 2 2. 5 3 1 3. 5 B5 1Π2. 5 1Π2 1Π1. 5 1Π3. 5 1 ωA ( B ) = (0. 2288 ,0. 1678 ,0. 1227 ,0. 3891 ,0. 0916) T λBmax = 5. 0232 CIA ( B ) = 0. 0058 , RIA ( B ) = 1. 12 , CRA ( B ) = 010052 < 011 B1 - X 的判断矩阵为 : B1 X1 X2 X3 X4 X5 X1 1 1. 5 1. 5 1Π1. 5 1Π2 X2 1Π1. 5 1 1 1Π2 1Π2. 5 X3 1Π1. 5 1 1 1Π2 1Π2. 5 X4 1. 5 2 2 1 1Π1. 5 X5 2 2. 5 2. 5 1. 5 1 ωB1 ( X) = (011749 ,011237 ,011237 ,012444 ,013332) T λB1max = 510070 CIB1 ( X) = 0. 0018 , RIB1 ( X) = 1. 12 , CRB1 ( X) = 0. 0016 < 0. 1 B2 - X 的判断矩阵为 : B2 X6 X7 X8 X9 X10 X6 1 2. 5 1 2 4 X7 1Π2. 5 1 1Π2. 5 1Π1. 5 2 X8 1 2. 5 1 2 4 X9 1Π2 1. 5 1Π2 1 3 X10 1Π4 1Π2 1Π4 1Π3 1 ωB2 ( X) = (013137 ,011263 ,013137 ,011769 ,010694) T λB2max = 510198 CIB2 ( X) = 0. 005 , RIB2 ( X) = 1. 12 , 城市规划 姜 　云等 :城市地下空间开发利用容量评估指标体系的研究 50　　　 城市发展研究 12 卷 2005 年 5 期 Urban Studies Vol. 12 No. 5 2005 CRB2 ( X) = 0. 0045 < 0. 1 B3 - X 的判断矩阵为 : B3 X11 X12 X13 X14 X15 X11 1 1 1 2 2 X12 1 1 1 2 2 X13 1 1 1 2 2 X14 1Π2 1Π2 1Π2 1 1 X15 1Π2 1Π2 1Π2 1 1 ωB3 ( X ) = ( 012500 , 0. 2500 , 0. 2500 , 0. 1250 , 0. 1250) T λB3max = 5 CIB3 ( X) = 0 , RIB3 ( X) = 1. 12 , CRB3 ( X) = 0 ,0. 1 B4 - X 的判断矩阵为 : B 4 X16 X17 X16 1 1. 5 X17 1Π1. 5 1 ωB4 ( X) = (016000 ,0. 4000) T , λB4max = 2CIB4 ( X) = 0 , RIB4 ( X) = 0 ,CRB4 ( X) = 0 < 0. 1B5 - X 的判断矩阵为 :B5 X18 X19X18 1 1X19 1 1ωB5 ( X) = (015000 ,0. 5000) T ,λB5max = 2CIB5 ( X) = 0 , RIB5 ( X) = 0 ,CRB5 ( X) = 0 < 0. 13. 3 　层次总排序与一致性检验设ωA ( Xj ) 为 X 在 A 中的权向量 ,并将指标层中没有影响的指标的权值记为 0 ,据ωA ( Xj ) = ∑ni = 1ωA( B i )ωB i ( Xj ) , ( j = 1 ,2 , ⋯, m) ,可得出层次总排序计算结果 ,见表 1。 表 1 　 城市地下空间开发利用容量评估层次总排序结果 B 　　ωB ( Xj) X B1 B 2 B3 B4 B 5 0. 2288 0. 1678 0. 1227 0. 3891 0. 0916 ωA ( Xj) X1 0. 1749 0 0 0 0 0. 0400 X2 0. 1237 0 0 0 0 0. 0283 X3 0. 1237 0 0 0 0 0. 0283 X4 0. 2444 0 0 0 0 0. 0559 X5 0. 3332 0 0 0 0 0. 0762 X6 0 0. 3137 0 0 0 0. 0526 X7 0 0. 1263 0 0 0 0. 0212 X8 0 0. 3137 0 0 0 0. 0526 X9 0 0. 1769 0 0 0 0. 0297 X10 0 0. 0694 0 0 0 0. 0117 X11 0 0 0. 2500 0 0 0. 0307 X12 0 0 0. 2500 0 0 0. 0307 X13 0 0 0. 2500 0 0 0. 0307 X14 0 0 0. 1250 0 0 0. 0153 X15 0 0 0. 1250 0 0 0. 0153 X16 0 0 0 0. 6000 0 0. 2335 X17 0 0 0 0. 4000 0 0. 1556 X18 0 0 0 0 0. 5000 0. 0458 X19 0 0 0 0 0. 5000 0. 0458 (下转 75 页) 姜 　云等 :城市地下空间开发利用容量评估指标体系的研究 城市规划 城市发展研究 12 卷 2005 年 5 期 Urban Studies Vol. 12 No. 5 2005 51　　　 产业的发展具有十分重要的意义。第三 ,要重视城 市化过程中的组织建设 ,开展建设学习型城市、诚信 城市等活动 ;大力发展社区及各类社会组织 ,提高市 民的社会化、组织化程度 ,使所有的城市居民都能归 属于一定的“物理、心理社区”,减少城市的边缘人 群 ,以组织促进城市化的合理发展。 在我国已进入工业化发展的中期阶段的时候 , 第三产业日益承担着转移农村剩余劳动力的任务。 进一步研究第三产业与城市化发展的关系具有重要 的理论和现实意义 ,在消除第三产业发展的城市化 壁垒基础上 ,做出有利于第三产业发展的城市化战 略措施 ,从而实现第三产业与城市化的协调发展和 良性互动。 【参考文献】 [1 ] 邬爱其. 我国产业就业结构的偏差及优化 [J ] . 经济纵横 ,2003 (1) . 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A Guide to MATLAB : for Beginners and Experienced Users. Cambridge University Press , 2001 作者简介 :姜云 ,中国矿业大学北京校区 3S与沉陷工程研究 所博士研究生 ,黑龙江科技学院副教授 ,主要从事 城市土地资源评估及城市 GIS研究 ; 吴立新 ,教授 ,博士生导师 ; 杜立群 ,北京市城市规划设计研究院总工程师。 收稿日期 :2005 - 06 - 30 都沁军 :第三产业与城市化协调发展的对策研究 城市经济 城市发展研究 12 卷 2005 年 5 期 Urban Studies Vol. 12 No. 5 2005 75