基于ArcGIS的地下空间资源禀赋评价

周丹坤 李晓昭 常晓军 葛伟亚

摘  要：受地质条件天然变异性的影响，地下空间资源的禀赋在不同地区是存在差异的。为充分发挥地下空间资源对城市可持续发展的支撑作用，有必要在制定相关的开发利用规划之前，对其禀赋情况做出评价。在丹阳市综合地质调查的基础上，分析评价了地壳稳定性、岩土体组合和地下水特征对地下空间资源禀赋的影响，进而采用多因素综合决策中的得分法，基于ArcGIS平台获得了研究区地下空间资源禀赋的评价结果。结果表明：丹阳市30m以浅地下空间资源禀赋较好的地区，主要位于市区东北部和司徒镇西部的岗地区，云阳—陵口—吕城一带软弱的粘性土和富水的砂层共存，地下空间资源的禀赋较差，水晶山—七峰山一带的基岩区为特殊地下空间资源禀赋区。

关键词：地下空间;禀赋评价;得分法;ArcGIS

中图分类号：P208;TU984.113  文献标识码：A    文章编号：1007-1903（2019）03-0014-07

Evaluation on Underground Space Resources in Danyang City

based on ArcGIS

ZHOU Dankun1， LI Xiaozhao1， CHANG Xiaojun2， GE Weiya2

（1. School of Earth Science and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210023;

2. Nanjing Center of China Geology Survey， Nanjing 210016）

Abstract： Influenced by the natural variability of geological conditions， the underground space resources vary in different regions. In order to give full play to the supporting role of underground space resources for sustainable urban development， it is necessary to evaluate the underground space resources before formulating relevant development and utilization plans. Based on the comprehensive geological survey in Danyang City， the effects of crustal stability， rock-soil composition and groundwater characteristics are analyzed and evaluated. Then， the evaluation results of underground space resource in the study area are obtained by using the scoring method based on ArcGIS platform. The results show that the area with better shallow underground space resources in Danyang City is mainly located in the northeastern part of the urban area and the western part of Situ Town. The underground space resources are poor in Yunyang-Lingkou-Lucheng area caused by the weak clay and water-rich sand. And the bedrock area of the Shuijing-Qifeng Mountain area is a special kind of underground space resources.

Keywords： underground space; evaluation of underground space resources; scoring method; ArcGIS

0 引言

1982年联合国自然资源委员会将地下空间列为“潜在而丰富的自然资源”。通过开发利用地下空间可以在不增加地表用地的情况下，为城市基础设施（市政、交通、仓储等）提供安置空间，增加城市容量，是解决土地资源紧张、交通拥堵和生态环境恶化等“城市病”的重要途径。在战争和某些灾害情况下，还可作为应急避难场所，发挥防灾减灾的功效（童林旭，2004;王成善等，2019）。受地质条件天然变异性的影响，地下空间资源的禀赋在不同地区是存在差異的。长江边有一地下冷库，埋置于孔隙度大、含水量高、强度低的土体中。由于工程地质条件差，施工时因塌方造成伤亡事故;竣工后开始降温不久，库壁又严重鼓胀和开裂，致使该冷库刚建成就报废，浪费60多万元（李相然等，1995）。伦敦地下的硬粘土层（London Clay）为伦敦地铁的建设提供了理想通过层（Sterling et al，2000）。加拿大蒙特利尔久负盛名的地下城开发在别的地区难以复制，也跟其特殊的地质条件有关。为充分发挥地下空间资源对城市可持续发展的支撑作用，有必要在制定相关的开发利用规划之前对地下空间资源的禀赋做出评价。关于地下空间开发的地质环境适宜性，已有不少学者开展了相关的研究（欧刚，2008;童林旭等，2009;彭健等，2010;吴文博等2013;胡学祥，2014，夏友等，2014）。由于地质环境因素具有复杂性和地域特色，且受评价人员专业背景的制约，影响地下空间开发的地质环境因素并没有统一规范的划分体系。本文依托丹阳市水工环综合地质调查的成果，从地壳稳定性、岩土体组合和地下水特征3个方面分析了地质环境因素对地下空间资源禀赋的影响，在此基础上采用多因素综合评价学科中经典的得分法，基于ArcGIS平台评价了研究区地下空间资源的禀赋，服务于丹阳市地下空间资源的科学规划和合理开发。

1 研究区概况

丹阳市位于江苏省南部，紧邻沪宁，区位条件优越，历史上就是长江流域上的经济重镇。研究区位于长江三角洲后缘，前第四纪地层在地表出露较少，地势西北高、东南低，以平原为主。第四纪沉积物在地表分布广泛，在东部平原区厚度一般为70～150m。区内第四系覆盖区又可分为山前岗地、北部长江冲积平原区和南部太湖冲湖积平原区。丹阳市具有稳固的结晶基底及厚度较大的盖层，新构造时期无显著的构造运动。考虑到当地社会经济的发展水平和对地质资料的掌握程度，本次评价为30m以浅的深度范围，其三维地层模型见图1。

2 影响地下空间资源禀赋的地质环境因素分析

影响地下空间开发的地质环境因素可概括为构造地质、工程地质、水文地质和环境地质4个方面。从丹阳的地质背景出发，抓住影响地下空间开发的地质环境因素中的主要方面（区域内区分度不明显的因素不予考虑），兼顾评价实际操作的可行性（难以获取的且对评价最终结果影响不大的因素不予考虑），选取地壳稳定性、岩土体组合情况和地下水特征作为本次评价所考虑的地质环境影响因素。

2.1 地壳稳定性因素

地壳表层不同地区的活动程度是不同的，空间上有些地区是比较稳定的，有些地区是比较活动的（彭建兵，2006）。地下工程穿越构造活动区时对施工工艺有更高的要求，发生地质灾害的风险也更高。根据活动断层与区域地壳稳定性调查评价规范（DD-2015-02），获得区域稳定性的评价结果如图2a所示。丹阳市整体处于地壳稳定区，仅在延陵镇、访仙镇及界牌镇一带划分出面积较小的次稳定区。显然，地下空间资源的禀赋在地壳稳定性较好的地区要优于稳定性较差的地区。

2.2 岩土体组合因素

地下空间从设计、施工和运营的整个生命周期都离不开岩土体属性的制约。一方面地下空间的建成需要通过开挖岩土体实现，另一方面地下空间建成后以岩土体为赋存环境。以收集到的丹阳市137个标准化的钻孔资料为依据，研究区可划分为9个岩土组合单元（表1）。

综合前人的研究成果，关于岩土体组合对地下空间开发的影响有以下共识（王梦恕等，2008;严学新等，2004;葛伟亚等，2015;韩文峰等，2000）：①地质条件越简单、岩土结构越均一，越有利于地下空间的开发;②基岩区较松散沉积物区更有利于地下空间的开发;③存在软弱土层不利于地下空间的开发;④存在松散饱水的砂土层不利于地下空间的开发。按表2可将岩土体组合对地下空间开发的影响划分为有利、一般、不利、很不利4个区域（图2b）。低山丘陵和岗地区的岩土属性对地下空间的开发较为有利，云阳、陵口和吕城一线不仅存在软弱的粘性土层，还有较为富水的砂层，不利于地下空间的开发。显然，地下空间资源的禀赋在岩土体组合有利的地区要优于岩土体组合不利的地区。

2.3 地下水特征因素

地下水是地下工程建设中普遍存在且需要特别考虑的地质环境因子。水位、水量、水质为影响地下空间开发的三个关键方面。研究区30m以浅为孔隙潜水含水层，总体水位变幅不大，区域上不具备分区意义，因此地下水对地下空间开发的影响划分将主要考虑水量和水质因素。

基于收集和调查获取的单井涌水量指标，可将研究区的富水性划分为差、较差、一般、较好4个区域（图2c）。基于收集和调查获取的水质资料（主要为Cl-和SO4的浓度），根据《岩土工程勘察规范》（GB 50021-2001）中地下水对混凝土结构物和钢筋混凝土结构的腐蚀性分类标准，可获得地下水对地下结构的腐蚀性分区（图2d）。总体而言，丹阳市滨江一带和太湖冲湖积平原的南部富水性相对较好，且大部分区域的地下水对地下结构只有微弱的腐蚀性。显然，地下空间资源的禀赋在地下水富水性差、腐蚀性微弱的地区要优于富水性强、腐蚀性强的地区。

3 得分法在地下空间资源禀赋评价中的应用

地下空间资源禀赋的优劣评价需要综合权衡以上多个影响因素做出判断，属于典型的多因素综合决策问题。得分法（Scoring methods），又称简单加权法（Simple Additive Weighting， SAW），是一种经典实用的多因素综合决策方法（Afshari et al，2010;Montibeller，2010）。其原理为：对影响评价结果的多个因素，按照一定的标准将各个影响因素的属性特征转化为数字表征的格式，并按各因素对评价结果的影响程度赋予权重值，最终通过叠加计算求得评价对象的总得分作为判断评价对象优劣的依据。得分法的数学模型如下：

式中：j为评价对象的编号;m为评价因素的总个数;Sj为第j个评价对象的总得分;rij为第j个评价对象中第i个评价因素的标准值;wi为第i个评价因素在综合评价中的权重值。

3.1 评价因素标准值的确定

由得分法的数学模型可知，各评价因素的标准值是决定最终评价结果的关键之一。确定评价因素标准值的基本原则是：不同评价因素在相同影响等级处对评价结果產生相同的影响。无论是定性指标还是定量指标，在评价分析中都需要通过标准化的方式，把指标转化为能够反映其影响等级的标准值。本次研究中，各评价因素的标准值可对照表3确定。

3.2 评价因素权重值的确定

由得分法的数学模型可知，各评价因素的权重值是决定最终评价结果的关键之二。根据以往评价经验，适宜采用Thomas Saaty创建的层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）来确定权重（Saaty，2008）。使用AHP的关键环节是建立判断矩阵，但是由于专家对问题认识的多样性，时有一致性检验不通过的情形。针对这个问题，最优传递矩阵法是一种对群体判断矩阵进行拟合优化处理的方法（王应明，1991），通过构造满足一致性要求的最优传递矩阵，可在真实传达各专家原始判断信息的基础上，避免一致性检验不通过的情况。通过咨询南京大学地下空间与地质环境研究所、中国地质调查局南京地质调查中心和丹阳市建筑设计院4位相关领域的专家，获得了4份专家咨询表（表4），采用改进的AHP计算出地壳稳定性、岩土体组合、地下水富水性和地下水腐蚀性在地下空间资源禀赋评价中的权重值分别为0.4649、0.2424、0.2075和0.0852。

4 ArcGIS平台对地下空间资源禀赋评价的支撑

本次评价中，利用ArcGIS平台完成了评价基础数据的导入、评价单元的划分和属性赋值以及评价结果的输出。具体实施过程如下（图3）：

（1）评价基础数据库的建立：把研究区的基础矢量地图导入ArcMap，再把前文中影响地下空间资源禀赋的地质环境因素分析结果，尤其是各因素影响程度的分区界线导入数据库中。当单因素的分区结果为图片格式时，需要使用Georeferncing工具对图片进行空间校正，并使用绘图工具创建矢量化的分区界线，以便于后续评价单元的划分。

（2）评价单元的划分和属性赋值：采用各个单因素的分区界线切割整个研究区的方式划分评价单元（图4），避免了属性赋值时在一个评价单元内出现多个属性值的现象。

（3）评价单元总得分的计算：在评价单元属性表中，对各个评价单元的多个属性值进行加权求和，即为评价单元的总得分（图5）。

（4）评价结果的输出：以各评价单元的总得分为基础，设立分区界限值，整饰图面后导出评价结果（图6）。

5 结论和存在的问题

5.1 结论

本文依托丹阳市综合地质调查的成果，分析评价了影响地下空间资源禀赋的主要地质环境因素，基于ArcGIS平台采用得分法获得了研究区地下空间资源禀赋的评价结果。取得的主要认识如下：

（1）为充分发挥地下空间资源对城市可持续发展的支撑作用，有必要在制定相关的开发利用规划之前对地下空间资源的禀赋做出评价。

（2）丹阳市30m以浅地下空间资源禀赋较好的地区主要位于市区东北部和司徒镇西部的岗地区，为结构均一的下蜀组硬粘土分布区;云阳—陵口—吕城一带软弱的粘性土和富水的砂层混杂，地下空间资源的禀赋较差;山体和坡地区的地下工程较平原区具有不需要额外的开挖工程深入地下、自然通风和重力排水等优势，且岩体较土体更有利于开发规模较大的地下空间。在被广袤第四纪土体所覆盖的研究区，水晶山—七峰山一带的基岩区为特殊地下空间资源禀赋区。

（3）采用得分法可简明快捷地对区域地下空间资源的禀赋做出评价。可使用最优传递矩阵法对层次分析法进行改进，避免了确定权重时出现一致性检验不通过的情形。

（4）ArcGIS可为地下空间资源禀赋评价的整个流程提供有效的平台支撑。

5.2 存在的问题

本文在评价指标的选择上存在两个问题：①地壳稳定性指标的获得需要综合考虑众多地质环境因素，与本文选取的其它评价指标有所重合;②评价指标的选取较为简单。此外，文中专家打分表的数目偏少。这些问题在后续工作中有待加强。

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