城市地下空间开发利用容量评估的基础研究_吴立新

　　收稿日期 :2004 - 06 - 03 ; 　修订日期 :2004 - 06 - 09 　　基金项目 :北京市自然科学基金重点项目 (4041005) ;教育部“高校青年教师奖”专项基金 　　作者简介 :吴立新 (1966 - ) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,从事 GIS 理论与方法、三维地学模拟、数字城市、遥感应用与可持续发展研究。 城市地下空间开发利用容量评估的基础研究 吴 立 新1 ,姜 　云1 ,2 ,梁 　越3 ,徐 　磊1 ,陈 学 习1 ,祝 文 君4 (1. 中国矿业大学 3S 与沉陷工程研究所 ,北京 100083 ;2. 黑龙江科技学院土木工程系 ,黑龙江 哈尔滨 150027 ; 3. 广州增城新塘工业加工开发区管委会 ,广东 广州 511340 ;4. 清华大学土木工程系 ,北京 100084) 摘要 :该文探讨了城市地下空间开发利用容量评估的必要性 ,容量评估研究的基本内容及其关键技术。指出当前 城市地下空间容量评估基础研究包括指标体系、评估模型、评估平台与评估示范四方面。城市地下空间容量评估 研究不仅有利于城市地下空间的合理利用和有序开发 ,也有利于引导城市地面设施的合理布局与科学 ,对保 障现代城市的可持续发展具有重要意义。 关键词 :地下空间 ;城市资源 ;容量评估 ;可持续发展 ;三维 GIS ;数字城市 中图分类号 : TU984111 + 3 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :1672 - 0504 (2004) 04 - 0044 - 04 　　人类对地下空间的利用可以追溯到远古时代利 用天然洞穴躲避野兽和风雨。数千年来 ,人类已形 成了以地下陵寝、宗教建筑、地下采掘、地下仓库和 地下军事设施等为主体的地下空间利用体系。随着 城市化进程的加快 ,城市人口急剧膨胀 ,城市规模不 断扩大 ,城市有限的土地资源承载着超负荷的城市 人口 ,不可避免地带来了一系列城市问 ,如 :建筑 用地紧张、生存空间拥挤、交通阻塞、基础设施落后、 绿地减少、环境恶化等。不仅影响了人们的居住生 活 ,也制约了现代城市的可持续发展 , 北京、广州就 是典型例子。因此 ,城市发展的首要问题是在控制 城市人口适度增长的基础上 ,扩大城市空间环境容 量。地下空间的开发利用是扩大城市空间容量、提 高城市空间利用效率的有效途径。 1991 年东京“城市地下空间利用”国际学术会议 通过的《东京宣言》提出 :21 世纪是人类地下空间开发 利用的世纪。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 ]。而地下 空间开发利用容量决定了城市地下空间的开发利用 模式、规模和可持续性 ,适度、合理、科学地开发利用 城市地下空间资源 ,是城市可持续发展的重要保障。 1 　国内外研究进展与发展趋势 1. 1 　国内外研究进展 国外城市地下空间资源研究和大规模开发利用 始于 20 世纪后半叶 ,包括地下铁道网、大规模地下 综合体、地下综合管线廊道和地下步行道路网等。 自 1977 年瑞典召开第一次地下空间国际学术会议 (Rock Store 77)以来 ,世界发达国家开始把地下空间 看作新型国土资源 ,并受到越来越多的重视。1988 年 ,第三届地下空间国际学术会议上首次提出了城 市地下空间的概念 ,明确其在城市建设与发展中的 重要地位。Jaakko 完成了芬兰的一项地下空间在规 划和土地利用方面的研究 ,提出以岩石区、环境影响 和投资进行评估分类 ,并对各种城市功能的可行深 度分布提出了具体建议[2 ] 。Delenbos 等对荷兰城市 地下空间进行评价时 ,提出将投资、内外部的安全 性、对环境和居民的影响等因素均列入评价指标[3 ] 。 Zhao 等在对新加坡地下空间进行规划和位置选择研 究时 ,将地质、水文、环境、心理、地面发展、社会、经 济及政治因素均作为评估的因素而加以考虑。 Boivin 在研究加拿大魁北克市地下空间开发利用 时 ,用地图来表达地下土体和基岩的厚度、倾向等空 间分布信息 ,并以此来进行可视化辅助决策[4 ] 。 我国的此类研究始于 20 世纪 90 年代。黄玉田 等将北京市中心区地下空间资源按地下深度及城市 功能的适用性划分为 5 个级别 ,认为地下空间的资 源量是指在一定历史阶段的科学技术水平与总需求 相协调条件下的可利用地下空间总量 ;进而了 北京中心区地下空间的地质背景 ,进行了工程地质 分区 ,并基于因子分析和灰色评估法对北京市中心 区地下空间资源质量进行了分析和评估[5 ] 。张春华 等按土体的沉积类型、基岩埋深、基岩质量、边坡坡 度的综合影响 ,将南京市的地基使用能力分成 5 级 , 并绘出了分区图[6 ] 。童林旭等对北京二环以内 (涉 第 20 卷 　第 4 期 2004 年 7 月 　 　　　 　 　 　 　 　 地 理 与 地 理 信 息 科 学 Geography and Geo - Information Science 　　　 　 　 　 　 　　 Vol. 20 　No. 4 J uly 2004 及东城、西城、崇文、宣武 4 区) 6215 km2 范围内的道 路、广场、空地、绿地、水面、建筑物、文物古迹等的占 地面积进行了调查 ,并基于平面面积分析方法对调 查区内 10 m 以浅的单建工程、地道、防空地下室、公 用设施管道、地下铁道、人行过街地道等地下工程所 占有的地下空间面积进行了调查 ,将调查区内地面 与地下空间的保留空间范围、可开发利用的地下空 间范围相叠加 ,得到了北京市可供开发的地下空间 范围 (以面积来表达)的分析与评估结果[7 ,8 ] 。 目前 ,国内外学者普遍认为 :城市地下空间开发 利用资源量为城市的总面积乘以合理开发深度的 40 %[1 ] 。此计算方法过于简化和单一 ,许多影响因 素没有考虑在内。如童林旭等据此计算的北京市调 查区内 10 m 以浅的地下空间资源总量为 1165 亿 m 3 [7 ] ,该结果值得进一步商榷。2001 年 ,北京市政 府组织有关单位编制《北京市中心地区地下空间开 发利用规划大纲》,要求必须对北京市中心地区规划 范围内和有关重点地区进行地下空间资源调查和评 估。总之 ,目前国内外有关城市地下空间资源的调 查、评估研究还很不足 ,评价模型过于简化、单一 ,其 研究成果仅能为城市规划及地下空间的开发利用提 供初步参考 ,实用中还存在很多不确定性。 1. 2 　国内外发展趋势 据检索分析 ,国内外城市地下空间资源评估研 究的发展趋势如表 1 所示。 表 1 　国内外城市地下空间资源评估的发展趋势 Table 1 　The international development tendency of urban underground space resource assessment 有关方面 发展趋势 地下空间 资源的内涵 不断拓展 ,由最初描述一定科技水平下的地下空间 特征的资源量发展为人地协调条件下的能适应城市 功能的人类可开发利用的容量 研究目的 由地下空间资源对城市功能类型(如交通、市政、商业、 文化娱乐、防灾、仓储、生产、居住等) 的适应性评估向 着能定量表征地下空间开发利用容量的方向发展 研究内容 由地下空间适应性影响因素 (如投资、内外部安全 性、环境、心理等)及其适应性的评估发展为地下空间 开发利用容量影响因素(如地面空间容量、地下已开发 利用的空间容量)及其开发利用容量的综合评估 研究方法 由定性分析向定量分析方向发展 ,航空遥感、Auto2 CAD、GIS、3D GM 及数学模型 (如因子灰色评估法 等)开始用于地下空间资源评估的研究中 研究范围 由地下 10 m 以浅向地下 50～100 m 方向发展 研究结果 由传统的文字、表格等表达方式向着基于计算机技术和 GIS 的动态可视化方向发展 2 　城市地下空间特点 第一 ,地域差异性。岩土体是城市地下空间的 环境介质 ,与城市地面空间相对稳定的大气介质不 同 ,受地质历史和地质环境的影响而具有空间变异 性和地域差异性。这将显著改变城市地下空间的开 发利用条件 ,使得城市地下空间的开发利用具有独 特的地域差异性。 第二 ,不可逆性。地下空间一经开发和利用 ,所 在区域的地下岩土体便受到扰动 ,其赋存状态将发 生变化且一般不可恢复原状 ,表现为城市地下空间 开发利用的不可逆性。因此 ,城市地下空间开发利 用前期进行科学、合理的城市规划至关重要。 第三 ,隐蔽性和相对稳定性。城市地下空间一 般位于地表以下一定深度的岩土体中 ,具有隐蔽性 和相对良好的稳定性。隐蔽性主要表现在地下空间 不直接出露 ,而是被岩土体及地面空间所覆盖 ;稳定 性表现在相对于地面、上部空间而言 ,地下空间具有 相对恒温、恒湿且免受地面大气污染、噪声污染、不 利气候、外部灾害等影响。 第四 ,相对于地面建设的滞后性。国内外城市 发展经验表明 :城市发展首先是从利用地面空间开 始 ,然后逐渐向上部空间发展。地下空间开发利用 是城市发展到一定历史阶段后 ,为扩大城市空间容 量、谋求新的发展空间和发展模式才开始的 ,受到地 面空间开发利用现状的影响和制约。 3 　容量评估研究的必要性 3. 1 　城市地下空间开发利用容量概念 基于面积分析法评价得到的仅仅是城市地下空 间资源总量的理想值 ,没有考虑地质背景、水文条 件、岩土体特性、地下工程及地面现状等因素对地下 空间开发利用的综合影响。因而不能确定性地表征 城市地下空间可以开发利用的实际容量 ,难以实际 指导城市地下空间规划及其开发利用。笔者认为 , 城市地下空间开发利用容量是指 :在当前科技水平 和城市发展阶段 ,满足人地协调前提下的城市地下某 一深度范围可供开发并承载某些城市功能的地下空 间总量。这是一个受地面、地下多种因素综合影响的 系统量。其评估过程必然是一个地下、地面空间信息 综合集成和系统分析的复杂过程。通过对城市地下 空间开发利用容量的评估 ,可以更加科学合理地反映 和度量城市地下空间供人类开发利用的前景 ,进而引 导城市布局、指导城市建设和长远规划。 3. 2 　容量评估的必要性 纵观国内外城市地下空间开发利用研究与实践 现状 ,笔者认为 ,系统进行城市地下空间开发利用容 量评估基础研究的必要性在于 : 3. 2. 1 　是城市生态环境改善的基础性工作 　城市 地下空间开发利用容量评估研究是城市发展到一定 页54第第 4 期 　　　　　　　　 　 　吴立新等 :城市地下空间开发利用容量评估的基础研究 阶段 ,为应对日益膨胀的城市人口和日益复杂的城 市功能类型而进行的一项以改善城市生态环境为目 标的基础性工作。其作用包括 :为城市地下空间布 局与选址提供依据 ,和指导城市地下空间的规 划及有序开发利用。由于地下空间与地面空间之间 存在固有的、内在的和不可分割的关联性 ,两者的开 发利用必将相互影响。例如 ,城市地下空间开发利 用要受到地面开发利用现状的影响 ,而地面空间的 规划与再开发利用又要受到地下空间开发利用容量 的影响和制约。因此 ,要依据地下条件和地下空间 可开发利用容量来引导城市地面空间布局、规划和 发展。城市地面规划必须要考虑规划范围内的工程 地质 (如建筑地基、地震等) 、水文地质 (地下水的水 位、地下水水位降落“漏斗”) 等用地条件[9 ] 。城市 地下空间开发利用目的 ,一方面是在不扩大城市用 地面积的基础上扩充城市空间容量 ,实现城市集约 化发展 ;另一方面是合理调整城市用地结构 ,改善城 市生态环境。例如 ,可以把对地面人居环境有影响 的城市功能类型 (如有严重污染的工业厂房、交通体 系、垃圾处理场地等)和无较高用地条件要求的城市 功能类型 (如公共建筑设施、仓储等) 等布置于地下 空间中 ,而将更多的地面空间规划为步行街、居 住区及公共绿地 ,以增强地面空间的适居性[10 ,11 ] 。 3. 2. 2 　容量评估的基础研究缺乏 　以往的城市地 下空间资源评估研究多侧重于地下空间适用性的影 响因子、影响因素的研究[2 - 6 ,12 ] ,对城市地下空间可 供开发利用的实际容量缺乏基础研究。如童林旭等 的研究[7 ]仅考虑了地面空间现状及地下已开发利用 的空间对地下空间开发利用容量的影响 ,没有顾及 工程地质、水文地质、邻近开挖、地下管网的空间交 叉等对地下可开发利用空间的综合而复杂的影响 , 在一定程度上影响了评估结果的精度和实用性。 3. 2. 3 　城市地下空间开发利用向深部发展 　我国 城市地下空间资源评估范围一般为地下 10 m 以浅 , 而目前国际上地下空间的开发利用深度已远远超过 地下 10 m 范围 ,其发展趋势是 50～100 m 的深层地 下空间[13 ] 。如日本提出在地下 50～100 m 深处建造 直径 10～15 m 的综合管线和交通隧道干线 ;北京市 地下空间开发利用也正趋于 30～50 m 的方向发展。 3. 2. 4 　定量研究方法缺乏 　现有的评估方法多以 定性分析为主 ,即使存在少量的定量与定性相结合 的研究方法 (如面积减法等) ,也因过于简化而不能 充分地定量表征城市地下空间的实际可开发利用容 量[7 ] 。地下空间是允许空间交叉和立体叠加的 ,而 且受工程地质、水文地质、邻近开挖、地下管网、地面 建筑等因素的综合影响 ,可以视城市功能类型 (如交 通、市政、商业、文化娱乐、防灾、仓储、生产、居住等) 的不同而实现分层开发和利用。 3. 2. 5 　有别于城市环境容量的评估 　城市地下空 间开发利用是地上、地下综合的三维空间系统工程 , 其容量是城市环境容量中的一个专门而复杂的问 题 ,其评估有别于一般城市环境容量的评估[14 ] 。 3. 2. 6 　需要与 GIS、3D GM 技术相结合 　以往对评 估结果的表达多以表格、文字为主[2 - 8 ] ,很少将地理 信息系统 ( GIS)和真三维地学模拟 (3D GM) 理论和 技术[15 ,16 ]应用到城市地下空间资源的评估研究中 , 使评估结果缺乏准确性、定位性、可视性和实用性。 3. 2. 7 　系统研究缺乏 　目前 ,国内外城市地下空间 开发利用容量评估的基础研究尚处于起步与探索阶 段[2 - 14 ] ,尤其是城市地下空间开发利用容量评估的 指标体系、评估模型、评估标准、评估平台等研究尚 未见系统报道。 4 　容量评估研究的内容 当前城市地下空间开发利用容量评估基础研究 的主要内容有 : (1)容量评估指标体系构建。基于所定义的城 市地下空间开发利用容量概念 ,系统分析城市地下 空间开发利用容量影响因素 ,如 :区域地质背景因素 (区域地质条件、地下岩土体稳定性、地下水等) 、已 开发利用的地下空间因素 (地铁、地下商业街、地下 人防工程、地下管网等) 及地面空间现状因素 (重要 建筑、一般建筑、文物古迹、道路、广场、绿地等) 等 , 确定城市地下空间开发利用容量评估原则 ,进而识 别并筛选出关键评估因素 ,确定评估标准 ,建立评估 指标体系。 (2)容量评估模型研究。基于已构建的评估指 标体系 ,建立多因素综合评估模型。城市中不同位 置、不同地点的地下空间开发利用容量是有差异的 , 而且这种差异具有模糊性。评估模型应能描述容量 差异的模糊性。分析认为 ,结合层次分析方法 ,采用 模糊综合评判法进行研究将会使评估结果更为客观 和合理。 (3)评估平台的研究。基于三维 GIS 和真三维 地学模拟系统[16 ] ,结合城市多源、异质、异构地学空 间信息的特点 ,开发一个可以实现多尺度与多语义 空间信息集成、可以进行地质体与开挖体一体化建 模与可视化表达[17 ] 、可以支持分布式空间数据共享 页64第 地 理 与 地 理 信 息 科 学 　　　　　　　　　　　　 　 　　　第 20 卷 与分布式空间操作的评估平台 ,是当前亟须研究解决 的关键技术。此外 ,围绕评估平台研究与开发 ,城市 多源异质地学信息数据结构、分类编码、元数据标准、 数据组织与集成研究 ,以及城市地学空间数据更新与 动态维护方法研究等也是亟待研究的基础问题。 (4)容量评估示范研究。可以选取典型城市或 典型城区 ,基于所建立的评估指标体系、评估标准和 评估模型 ,利用所开发的评估平台进行实例研究与 分析 ,也是当务之急。此项研究可为示范城市和示 范城区的规划布局与长远发展提供基础信息和建设 指南。目前 ,本课题组正以北京市奥体中心和局部 重点城区为例进行评估示范研究。 总之 ,城市地下空间资源的开发利用是城市建 设规划与长远发展的基础 ,是城市可持续发展的保 障。作为数字城市建设的重要内容 ,开展城市地下 空间开发利用容量评估基础研究势在必行。目前亟 须进行评估指标体系和评估模型研究、基于 3D GIS 与城市空间数据集成的评估平台开发和选择典型城 市 (城区)进行定量化示范研究。 参考文献 : [1 ] 　钱七虎. 城市可持续发展与地下空间开发利用 [J ] . 地下空间 , 2003 ,23 (1) :83 - 86. [ 2 ] 　JAAKKO Y. Spatial planning in subsurface architecture[J ] . Tunneling and Underground Space Technology ,1989 ,4 (1) :5 - 9. [3 ] 　DEL ENBOS J ,et al. Strategic study on the utilization of under2 ground space in the Netherlands[J ] . Tunneling and Underground Space Technology , 1998 ,13 (2) :159 - 165. [4 ] 　BOIVIN D J . Underground space use and planning in the Québec City area [ J ] . Tunneling and Underground Space Technology , 1990 , 5 (1 - 2) :69 - 83. [5 ] 　黄玉田 ,张钦喜 ,孙加乐. 北京市中心区地下空间资源评估探讨 [J ] . 北京工业大学学报 ,1995 ,21 (2) :93 - 99. [6 ] 　张春华 ,罗国煜. 南京市地基的使用能力及分区图的研究 [J ] . 水文地质工程地质 ,1999 (1) :13 - 16. [7 ] 　童林旭. 为 21 世纪的城市发展准备足够的地下空间资源 [J ] . 地下空间 ,2000 ,20 (1) :1 - 5. [8 ] 　曹灿霞 ,过静君 ,祝文君.遥感航空技术应用领域在浅层地下空间 资源调查中应用探讨[J ] .国土资源遥感 ,1994 (2) :34 - 40. [ 9 ] 　李德华. 城市规划原理 (第三版) [ M ] . 中国建筑工业出版社 , 2001. [10 ] 　童林旭. 城市的集约化发展与地下空间的开发利用 [J ] . 地下 空间 ,1998 ,18 (2) :75 - 78. [11 ] 　何皎皎 ,刘元. 生态城市建设与地下空间的开发利用初探[J ] . 地下空间 ,2003 ,23 (1) :83 - 86. [ 12 ] 　张传 ,杨延军 ,姜伟. 确定地下空间适用性的多层次评估方法 [J ] . 地下空间 ,2002 ,22 (4) :356 - 359. [13 ] 　SANJA D. The future of underground space [J ] . Cities ,1999 ,16 (4) :233 - 245. [14 ] 　蒲向军 ,徐肇忠. 城市可持续发展的环境容量指标及模型建立 的研究[J ] . 武汉大学学报 (工学版) ,2001 ,34 (6) :12 - 16. [ 15 ] 　吴立新 ,史文中. 地理信息系统原理与算法[ M ] . 北京 :科学出 版社 , 2003. [ 16 ] 　吴立新 ,史文中 ,CHRISTOPHER G M. 3D GIS 与 3D GMS 中 的空间构模技术[J ] . 地理与地理信息科学 , 2003 ,19 (1) :5 - 11. [17 ] 　吴立新 , 陈学习 , 史文中. 基于 GTP 的地下工程体与围岩一 体化真三维空间构模[J ] . 地理与地理信息科学 ,2003 ,19 (6) : 1 - 6. Fundamental Research on Capacity Assessment of Development and Util ization of Urban Underground Space WU Li - xin1 ,J IAN G Yun1 ,2 ,L IAN G Yue3 ,XU Lei1 ,CHEN Xue - xi1 ,ZHU Wen - jun4 ( 1 . Institute of 3S & S ubsiding Engineering of CU M TB , Beijing 100083 ; 2 . Depart ment of Civil Engineering , Heilongjiang Institute of Sciences & Technology , Harbin 150027 ; 3 . M anagement Com mittee f or Xintang Indust rial Process and Develop Zone , Guangz hou 511340 ; 4 . Depart ment of Civil Engineering , Tsinghua U niversity , Beijing 100084 , China) Abstract : Based on the comprehensive review of the tendency of international cities and the research progress on assessment of urban underground space resources ,the basic concept of the developing and utilizing capacity of urban underground space is defined referring to the features of urban underground space. The necessity of capacity assessment of urban underground space is analyzed ,and the relat2 ed fundamental research contents and key technologies are discussed. It is pointed out that the fundamental researches include the in2 dex system ,the assessment model ,the assessment software - platform and the assessment demonstration. They are not only helpful for the reasonable and scientific development and utilization of urban underground space , but also conducive to the planning and develop2 ing of urban surface infrastructures. The capacity assessment of urban underground space is very important for the sustainable develop2 ment of modern cities. Key words : underground space ;city resource ;capacity assessment ;sustainable development ;3D GIS ;digital city 页74第第 4 期 　　　　　　　　 　 　吴立新等 :城市地下空间开发利用容量评估的基础研究