刘宏伟，王国明，马传明，高明达，白耀楠，张 竞，杜 东

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170；2.华北地质科技创新中心，天津 300170；3.中国地质科学院，北京 100037；4.中国地质大学（武汉），武汉 430074；5.河北省木兰围场国有林场新丰分场，河北 承德 068450）

随着城市化进程的不断深入，人口膨胀、住房紧张、交通拥堵等“城市病”日益凸显，与此同时，城市的发展也在经历由外延扩张式向内涵提升式转变，城市不再是平面式的扩张，这要求在有限空间内发展需要科学的国土空间规划。目前，地下空间综合利用被认为是行之有效的解决方法[1，2]。作为解决“城市病”的有效途径，地下空间开发利用达到了前所未有的规模[3]，其开发利用方式也日趋多样[4]。地下空间资源是地表基质层中宝贵的自然资源之一，其作为城市有机体的重要组成部分，在未来城市建设中将起到举足轻重的作用[5]。城市地下空间的开发利用对于提高土地利用效率、节约土地资源、改善城市交通、扩充基础设施容量、增加城市绿地、保持历史文化特色、减少环境污染、改善生态景观等方面发挥着重要的作用[6,7]。但是，地下空间作为重要的国土空间资源[8，9]，地下空间开发具有不可逆性,不合理的开发将对宝贵的地下资源造成巨大浪费[10，11]。为提高地下空间资源的合理开发与有序利用,有必要对地下空间开发利用适宜性进行前期评价[12，13]。随着非首都功能疏解战略的提出，北京通州区和河北廊坊北三县已成为北京非首都功能产业转移升级的重要承接区，为充分提高土地利用效率、节约土地资源、改善城市交通，对该地区进行地下空间开发利用适宜性评价具有重要意义。

1 研究区概况

研究区地处北京市和河北省交界处，紧邻天津市，是首都北京的东大门。北距首都机场16 km，东距天津塘沽港100 km，是环渤海经济圈中的核心枢纽部位。研究区面积2 164 km2，总体地势北高南低，平均海拔高程一般为5.9～31.9 m，地面自然纵坡约0.66‰，年平均降水量584.6 mm（图1）。

图1 研究区范围及地面坡度图Fig.1 Study area and ground slope map

2 研究区地质环境条件

研究区位于华北陆块中北部，燕山中新生代陆内造山带的西段。主要断裂有南苑-通县断裂、夏垫断裂、南口-孙河断裂，张家湾断裂和香河断裂等。地表普遍出露第四系沉积物，埋深50 m以浅的主要地层有人工填土、现代河床冲积、河流冲积、湖沼沉积、洪积物等[14,15]。该区主要开采埋深300 m以内的第四系含水层孔隙地下水[16]。区内存在的主要环境地质问题有活动断裂、地面沉降、地裂缝、岩溶塌陷、砂土液化等[17]。

3 地下空间适宜性评价

3.1 评价方法

合理利用地下空间是现代城市管理面临的重要课题[18，19]，尤其随着浅部和中部地下空间资源的不断消耗，地下空间开发利用将向深层发展和延伸[20]，地下空间开发利用适宜性评价是一项受多源影响因素作用的复杂系统工作[21]，在不同地区由于面临的地质环境特征不同，影响地下空间开发利用的因素也不一样，所以选取的评价指标体系和评价方法有所差异，如基岩区影响地下空间开发利用的因素主要是岩溶塌陷、活动断层等。平原区的影响因素要复杂得多，如沿海地区要考虑海水入侵及其腐蚀性，淤泥质土厚度及其工程地质特性、地面沉降等[22]。本次评价中主要涉及平原区的地形地貌、工程地质、水文地质、地质环境问题等方面影响因素，每个指标包含若干二级评价指标，对于这种多源复杂影响作用下的评价工作，需要在系统思想的指导下对整体评价进行层次分解[23]。本文基于层次分析法的思想建立多层次指标体系，变权理论进行指标量化和指标定权，最后采用敏感因子—综合指数变权评价模型得到适宜性评价结果。

3.1.1 评价方法

层次分析法是一种系统化、层次化、定性和定量分析相结合的分析方法，其原理简单且具有扎实的理论基础，大量的实践案例也证实层次分析法对于解决复杂的多目标决策问题非常实用和有效，特别是对于兼有定性指标和定量指标的系统问题[24]。层次分析法是在系统分析复杂多目标决策问题的本质和影响因素的基础上，将其分解成目标、准则、方案等层次，然后再进行定性和定量的分析，其基本步骤包括：建立层次结构模型、构造成对比较阵、单一准则下计算权向量和一致性检验。

（1）层次结构模型建立

分析系统的本质问题以及影响因素，然后构造多层次模型。一个完整的结构模型包括目标层、准则层以及方案层。对重要性的划分采用1-9标度法（表1）。

表1 判断矩阵标度及含义Table 1 Scale and meaning of judgment matrix

根据表1判断影响因素的相对重要程度，构造判断矩阵A：

（2）计算权重向量

权重向量的计算采用几何平均法，先计算判断矩阵A的各个行向量几何平均，之后经过归一化得到权重向量ωi：

（3）检验判断矩阵一致性

首先计算一致性指标CI：

根据表2查找平均随机一致性指标RI并计算随机一致性比例CR。

表2 随机一致性指标Table 2 Random consistency index

3.1.2 评价步骤

（1）从尽量减少水文地质条件扰动实际出发，根据《城市地下空间规划标准》中地下空间分层利用、由浅入深的原则，将研究区地下空间地质环境评价分为浅层(0～-18 m)，中层(-22～-50 m)，深层(-70 m以下)。

（2）分析并选取影响研究区各层地下空间开发的地质环境因子作为评价指标，将其分为敏感因子和重要因子，并对重要因子进行指标分级及标准化。

（3）利用层次分析法确定评价指标的权重。

（4）利用MapGIS对各评价指标进行图层矢量化，进行属性赋值及空间分析得到地质环境适宜性评价单元。

（5）根据评价指标等级，计算每一个评价单元的指标变权权重。

（6）计算每一个评价单元的综合指数，制定评价标准并进行分区，得到地质环境适宜性分区图。

（7）对地质环境适宜性分区图叠加敏感因子得到最终的评价结果。

3.2 评价指标体系的选择

评价指标体系遵循“潜在风险高、影响范围大、资料可获取”三项原则对指标进行筛选[25,26,27]。本次评价选取影响研究区地下空间开发的地质环境因子，本次评价工作在反映本区特殊的地质环境、成果资料的研究程度和全面、科学、合理实用的基础上构建了评价指标体系。主要为地形地貌、工程地质条件、水文地质条件和环境地质问题四大类一级指标。其中地形地貌主要考虑地形坡度为二级指标，工程地质条件主要考虑岩土体承载力、土质均匀性、地壳稳定性（包括活动断裂、岩溶塌陷等敏感指标）、砂土液化为二级指标，水文地质条件主要考虑潜水埋深、含水层富水性、含水层厚度、地下水腐蚀性为二级指标，地质环境问题主要考虑地面沉降为二级指标（表3）。

3.3 指标标准化及权重的确定

参考国内外相关研究和研究区的实际情况将各指标分为I（优）、II（良）、III（一般）、IV（差）4个等级[28,29,30,31]。为了便于评价工作，需对其进行标准化处理并赋值，按照评价指标等级的划分将I（优）、II（良）、III（一般）、IV（差）分别赋值为0.9、0.6、0.3、0.1。本次研究基于层次分析法将研究区地下空间开发利用适宜性评价指标分为目标层、一级指标、二级指标。首先构造二级指标的判断矩阵，然后再构造各二级指标内的三级指标层相应的判断矩阵，最终根据判断矩阵得出各评价指标的权重（表3）。

3.4 综合评价

根据研究区实际地质环境条件，选取活动断裂和岩溶塌陷区作为敏感指标。其中活动断裂的影响范围参考《建筑抗震设计规范》最小避让距离，将距离活动断裂100 m范围之内的区域划分为敏感因子，将敏感因子存在的地区直接划分为不适宜区。综合评价即在各指标评价结果的基础上叠加敏感指标，最终获得适宜性分区，共分为四级，即不适宜区（评价分值＜0.5）、较不适宜区（评价分值0.5～0.6）、较适宜区（评价分值0.6～0.7）、适宜区（评价分值＞0.7）。

4 评价结果

评价结果显示：浅层地下空间开发适宜区面积为702.01 km2，占比32.44%；较适宜区面积为918.84 km2，占比42.46%；较不适宜区面积为368.43 km2，占比17.03%；不适宜区面积为174.71 km2，占比8.07%。浅层地下空间开发利用不适宜区主要分布于通州区宋庄镇西北部，张家湾镇，高楼镇北部，齐心庄镇，南苑-通县活动断裂两侧，香河县刘宋镇南部地裂缝分布区（图2）。不适宜性主要影响因素为地壳稳定性差、地面沉降、地裂缝、活动断裂、砂土液化等。

图2 浅层地下空间开发的地质环境适宜性分区图Fig.2 Geological environment suitability zoning map for shallow underground space development

中层适宜区面积297.51 km2，占比13.75%；较适宜区面积为1 236.68 km2，占比57.15%；较不适宜区面积为430.40 km2，占比19.89%；不适宜区面积为199.35 km2，占比9.21%。中层地下空间开发利用不适宜区主要分布于张家湾断裂与南苑-通县断裂交界处，通州区张家湾镇，台湖镇东部，三河市齐心庄镇，高楼镇北部，张家湾断裂与夏垫断裂交界处。不适宜性主要影响因素为地壳稳定性差、地面沉降、活动断裂、砂土液化等（图3）。

图3 中层地下空间开发的地质环境适宜性分区图Fig.3 Geological environment suitability zoning map for development of middle underground space

深层适宜区面积为859.99 km2，占比39.74%；较适宜区面积为873.71 km2，占比40.37%；较不适宜区面积为251.62 km2，占比11.63%；不适宜区面积为178.60 km2，占比8.25%。深层地下空间开发利用不适宜区主要分布于通州区宋庄镇西北部，张家湾断裂与南苑-通县断裂交界处，通州区张家湾镇，台湖镇东部，三河市齐心庄镇，高楼镇北部，张家湾断裂、燕郊断裂与夏垫断裂交界处。不适宜性主要影响因素为岩溶塌陷、地面沉降、活动断裂等（图4）。

图4 深层地下空间开发的地质环境适宜性分区图Fig.4 Geological environment suitability zoning map for deep underground space development

5 结论与建议

基于层次分析法对北京通州区和河北廊坊北三县地下空间开发进行了浅、中、深三个不同深度的地下空间开发利用地质适宜性评价，结果显示研究区70%以上的面积区域适宜或较适宜地下空间开发利用。对不适宜区重点要关注活动断裂、岩溶塌陷、地面沉降、砂土液化、地裂缝等主要因素，建议在地下空间开发利用时应采取相应的预防措施。评价结果可为该地区地下空间的合理开发利用提供参考。