杭州市钱塘新区地下空间开发地质环境适宜性评价

马青山，葛伟亚，邢怀学，蒋 杰，华 健，康从轩

（1.中国地质调查局南京地质调查中心，江苏南京 210016；2.中国地质科学院，北京 100037）

0 引言

随着城市化进程的加快和国民经济的发展，我国城市人口急剧增长。城市化面临着人口密集、交通堵塞、能源消耗增大、房价上涨等诸多问题，城市空间需求急剧膨胀与地面空间有限这一矛盾也日益突出，有效地开发利用地下空间变得越来越迫切（钱七虎，1998；Chen et al.， 2018；程光华等，2019；蒋杰等，2021；杨洋等，2022）。综观世界发达国家和我国城市建设空间的现状，向地下要空间、要土地、要资源，已成为现代化城市发展的必然趋势之一。有效地开发利用地下空间不仅符合建设“资源节约型、环境友好型和谐社会”的城市发展战略要求，更能对实现我国城市现代化建设发展目标起到积极作用（赵士强，2016；葛伟亚等，2021）。

杭州市位于长江三角洲区域杭嘉湖平原的西南部，经济发展迅速，人口密集，是浙江省经济、文化、科教中心，为长江三角洲中心城市之一。近年来，城市化进程不断加快，人地矛盾日益突出，迫切需要开发利用地下空间资源。然而由于杭州市历史上经历多次海侵、海退，形成了相变复杂、软硬交替、层次分明的地质条件。复杂的地质条件加大了地下空间开发利用的难度（李雪刚等，2013）。开展城市地下空间开发的地质环境适宜性评价研究对充分利用有利的地质环境条件，有效改造和规避不利的条件，同时保证地质环境良性发展具有重要的理论和现实意义（张晶晶等，2016）。

地下空间的开发和利用受到多层次多因素的制约，每个因素对地下空间开发地质环境适宜性的影响程度也不尽相同（易荣和贾开国，2020）。因此，建立符合研究区实际情况的地下空间开发地质环境适宜性评价指标体系，合理地确定各影响因素的权重，构建适宜的评估数学模型，是确保评价结果可靠性的重要基础。当前许多学者对地下空间开发地质环境适宜性评价开展了大量研究（郭建民和祝文君，2005；徐军祥等，2012；夏友和马传明，2014；吴炳华等，2017；郝爱兵等，2018；谭飞等，2021；Gao et al.， 2023）。最常用的方法主要有综合指数法、模糊数学法、灰色评价法、可拓法、人工神经网络法等（柳昆等，2011；潘朝等，2013；林才秀，2018；董英等，2020；邢怀学等，2022；张晓波等，2023）。评价指标的权重主要通过层次分析法、专家打分法、主成分分析法等常权评价方法确定（欧孝夺等，2009；江思义等，2019），这些方法虽然基本反映了各项指标在整个评价系统中的相对重要性，但忽略了指标内部差异性对地质环境质量的影响，可能导致结果不够科学（舒帮荣等，2012）。因此，本文在系统分析杭州市钱塘新区地质环境条件基础上，从地形地貌、工程地质条件、水文地质条件、活动断裂及地震效应、环境地质问题等五个方面，选取15个指标构建地下空间开发地质环境适宜性评价指标体系。采用层次分析法以及变权分析理论确定出评价指标的权重，最后通过GIS的空间分析功能，利用灰色关联分析法对浅层（0～15 m）、次浅层（15～30 m）、深层（30～50 m）地下空间进行了地质条件适宜性评价，评价结果为国土空间规划提供基础支撑。

1 研究区概况

钱塘新区是杭州市的东部门户枢纽，位于杭嘉湖平原南部，地势南高北低，钱塘江贯穿其中，是杭州市的战略发展要地。气候类型为亚热带季风气候，全年四季交替分明，气候温暖湿润，日照时间充足，降水量充沛，其年降水量可达 1100～1600 mm。

1.1 地形地貌

钱塘新区地貌类型以冲海积平原为主，零星分布残丘，按地貌成因类型、岩性及形态特征进行划分，区内地貌形态可划分为低山丘陵区和滨海平原区。通过对地貌成因特点及微地貌特征进行分析，滨海平原区可细分为冲海积平原亚区、三角湾口外海滨段亚区、三角湾河口段亚区等地貌单元，其地势起伏程度较小，海拔介于 4.52～9.37 m之间。低山丘陵区根据岩性类型及成因特征可进一步细分为侵蚀剥蚀沉积碎屑岩丘陵地貌亚区和侵蚀碳酸盐岩岩溶不发育的丘陵地貌亚区。

图1 杭州市钱塘新区研究区地貌类型图Fig.1 Geomorphologic map of the Qiantang New District in Hangzhou City

1.2 水文地质条件

钱塘新区水文地质单元可划分为平原区和基岩区两类，区内地下水类型包括第四系松散岩类孔隙潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水三类。孔隙潜水和孔隙承压水在研究区内广泛分布，潜水主要赋存于地表浅层的粉土层内，与地表水的水力联系密切，水量较大，含水层厚度一般为 15～20 m，水位季节变化明显。研究区内存在两层孔隙承压水，其中Ⅰ承压含水层上段分布面积较小，水量贫乏，单井涌水量为1000 m3/d 左右；Ⅰ承压含水层下段在研究区内分布较广泛，其单井涌水量多为 1000～5000 m3/d。Ⅱ承压含水层上段主要分布在钱塘江流域，以中更新统上组卵砾石层为主，层厚介于 1.5～45 m，其单井涌水量为1000～3000 m3/d，是研究区内具有供水意义的含水层；Ⅱ承压含水层下段在研究区内分布范围较小，以中更新统下组卵砾石层为主，水量较大，单井涌水量介于 100～1000 m3/d 之间，水质多为淡水（斯小君等，2009）。低山丘陵区分布面积较小，主要位于研究区中西部山区，主要地下水类型为碎屑岩类孔隙裂隙水、岩浆岩类裂隙水及岩溶水。

图2 研究区综合水文地质图Fig.2 Comprehensive hydrogeological map of the study area

1.3 工程地质条件

根据杭州城市地质调查成果①②，钱塘新区工程地质结构分区较为单一，按地貌类型，可划分为低山丘陵区和平原区两个工程地质结构分区。低山丘陵区包括较坚硬碎屑岩亚区和岩溶不发育碳酸盐亚区，此类区域因地形坡度较大，地势较为起伏，进行工程建设易引发一系列地质问题，且开发成本较大，不宜作为工程建设用地。平原区以砂砾石层单层结构为主，硬土层单层结构区主要分布于研究区西北及东北部，在中部及西南部为砂砾石与硬土层构成的双层结构区，基岩区在中部及南部区域与砂砾石层构成双层结构区，硬土层与基岩双层区分布较少，主要位于研究区南部。研究区整体地势平缓，工程建设对周围环境影响相对较小，有利于工程建设总体规划。

1.4 环境地质条件

图3 研究区工程地质结构分区图Fig.3 Zoning map of engineering geological structures in the study area

钱塘新区内主要的不良地质条件是广泛分布的软土及卵砾石。杭州在历史上经历了三次海侵，两千多年前，杭州市的大部分地区都处在海平面以下，仅宝石山出露为小岛在海平面上，之后经历了王店海侵、镇江海侵和富阳海侵，多次的海进海退在杭州的地下留下了多层的淤泥质土和卵砾石，形成了软硬交替、层次分明的地层。王店海侵形成了杭州俗称的“第二硬土层”，镇江海侵形成了“第二软土层”，富阳海侵形成了“第一软土层”。而古苕溪河冲积形成了“第一硬土层”，在本次研究区内基本无分布，本区主体的地层单元为钱塘江冲积形成的“地表硬壳层”。

钱塘新区整体处于杭嘉湖平原区，是浙江省内地面沉降范围较大的区域，研究区累计地面沉降量小于200 mm，对工程建设存在较小影响；研究区地势起伏程度较小，崩塌、滑坡泥石流灾害易发性较小，地质灾害风险区主要位于中部的低山丘陵区。研究区内分布较大范围的粉砂及粉土，在一定的水动力条件下，存在较高的流砂管涌、砂土液化的风险，对地下工程影响较大；钱塘新区地表水环境存在污染，东部水体与杭州湾接近，部分已呈现海水特性。钱塘新区范围内存在浅层沼气，含量少，但是分布范围较广，不具开发利用价值，但对于地下空间开发影响较大。如在杭州市过江隧道盾构掘进过程中，曾发生沼气溢出而导致钱塘江面出现巨大漩涡。浅层沼气主要分布于义蓬、新湾等地，分布面积约 200 km2，区内存在 2～4个储气层，顶板埋深介于 26～39 m。

1.5 地质构造

钱塘新区所处地质构造单元为扬子准地台钱塘台褶带，处在浙西北大复向斜翼部。新构造运动的形式以震荡性升降为主，褶皱构造呈北东向复式向斜，研究区中部位向斜的轴部，东西两侧为翼部，主要由晋宁期和印支期的褶皱构造组成。

瓜沥-前村断裂总体走向 330°左右，位于萧山赭山镇及半山前村附近，断层为正断并具走滑特征；盈丰⁃转塘断裂总体走向为 20°～40°，该断层北起下沙，长约 20 km，隐伏于第四纪覆盖层之下，断层性质为逆断。根据区域断裂相关资料，萧山-球川断裂隐伏在第四系覆盖层之下，覆盖层厚度超过 50 m，且该断裂在全新世没有活动迹象，为非全新世断层，对地下工程影响较小（张鹏等，2018），研究区构造纲要如图4所示。根据建筑抗震设计规范，工程场地内存在断裂构造时，一般需要采取避让措施，但是对于抗震设防烈度小于 8 度的地区，断裂对建筑的影响可不作为重要影响因子考虑，研究区抗震设防烈度为 6 度，对于地下空间这类对地质环境要求严格的工程，仍需着重考虑断裂影响。

图4 研究区构造纲要图Fig.4 Tectonic outline map of the study area

2 地质环境适宜性评价

2.1 评价空间域划分

地下工程开发一般为永久性工程，在进行规发时应具有前瞻性，需要科学的进行分层开发（辛韫潇，2019）。根据《杭州市地下空间开发利用专项规划》以及 2019 年住建部发布实施的《城市地下空间规划标准》等参考文件，将钱塘新区地下空间分为浅层L1（0～15 m）、次浅层L2（15～30 m）、次深层L3（30～50 m）和深层L4（50 m以下）四个层次。由于深层地下空间有效数据较少，且以现有手段进行开发存在“难度大、成本高”的问题，地下空间一旦进行开发将难以恢复，贸然开发极易造成资源浪费，所以可将深层地下空间作为规划留白深度，待未来规划理论与工程技术更为发达后再进行开发（雷升祥，2019），所以不进行深层地下空间的评价。

2.2 评价指标及量化分级

对于不同的城市，其地质条件不同，地下空间开发地质条件适宜性评价指标及量化取值亦不同。本文通过对钱塘江新区地质概况分析得出，影响地下空间开发利用的地质条件因素主要包括地形地貌、工程地质条件、水文地质条件、活动断裂及地震效应、环境地质问题等五大类。综合考虑数据获取难易程度以及指标得科学性、完备性、重复性，筛选出15个评价指标，采用层次分析法构建了地下空间开发地质条件适宜性评价指标体系（表1）。

表1 地质环境适宜性评价指标体系Table 1 The evaluation index system of geological environment suitability

由于目前地下空间开发方面的技术规范较少，且不同地区地质环境差异较大，其量化分级方法难以采用统一的标准，需要结合不同研究区的地质特点进行调整。本研究在参考工程建设用地使用技术规范基础上，综合国内外相关研究成果以及研究区邻近城市地下空间开发案例，最后划定出评价指标的量化分级标准如表2所示。

表2 研究区浅层（0～15 m）地质环境适宜性评价指标量化分级标准Table 2 Quantitative criteria for evaluation index of the suitability of geological environment for the shallow layer （0～15 m）in the study area

2.3 指标权重的确定

传统评价方法中对于权重的依赖性较高，在权重确定过程中存在较大的主观性，权重值一旦确定后，不论各个指标在划定的评价单元内如何变化，权重始终不变，这样的定权评价存在一定弊端，对于一些评分较低的区域，可能会因为分数较高的指标而将综合评价质量拉高。对于地下空间开发地质环境适宜性评价来说，安全性永远是第一位，所以评价中存在“木桶原理”的现象，应基于最不利等级去进行考虑，不能因为部分指标评分较高而将较差的指标“中和”，将其影响程度降低，这样会对未来地下空间的开发埋下隐患。所以应该将评价机制优化为不论其他指标分值有多高，一旦某一指标评价等级为差，就不能将此区域适宜性评价为好或较好，否则将导致最终评价结果与实际情况偏离（张晶晶，2016）。本次工作中通过建立层次-变权分析模型确定各评价因子的权重。首先利用层次分析法进行指标权重的初次确定，再通过变权评价对权重进行处理，降低主观性（李春好等，2010）。

2.3.1 层次分析法

层次分析（AHP）法的基本思想是把一个复杂的问题分解为各个组成因素，并将这些因素按支配关系分组，从而形成一个有序的递阶层次结构。按照AHP法确定评价指标权重的步骤，获得各层评价指标权重如表3所示。

表3 评价指标权重分配表Table 3 The allocation table of evaluation index weight

2.3.2 变权分析法

（1）变权模型基本原理（李洪兴，1995；姚炳学和李洪兴，2000）

通过参考相关文献，变权模型的基本公理化定义为：∀i，j∈( 1 ，2，…，m)

定义2：对于下列m个映射wi：

Wj：

存在以下公理：

②连续性：wj(x1，x2，…，xm)关于所有变元均连续；

③惩 罚性：wj(x1，x2，…，xm)关 于变元xi单调递减；

④激 励性：wj(x1，x2，…，xm)关 于变元xi单调递增；

⑤混 合 性：wj(x1，x2，…，xm)关 于 变 元xj(j=1，2，…，p)单 调 递 减，wj关 于 变 元xj(j=p+1，p+2，…，m)单调递增。

若W(X)满足公理①、②、③，则W(X)为惩罚型变权向量；若满足公理①、②、④，则W(X)为激励型变权向量；若满足公理①、②、⑤，则W(X)为混合型变权向量。

定 义3：存 在 映 射S： [ 0，1]m→( 0，+∞)m，X│→S(X)=(S1(X)，…，Sm(X))满足以下公理：

①xi≥xj⇒Si(X)≤Sj(X)；

②xi≥xj⇒Si(X)≥Sj(X)；

③当1≤i，j≤p且xi≥xj时，Si(X)≤Sj(X)，当p+1≤i，j≤m且xi≥xj时，Si(X)≥Sj(X)；

④Sj(X)对于每个变元xj连续；

⑤对任意常权向量W0=w01，w02，…，w0m，若评价指标对应的变权函数W(X)满足以下公式：

则称W(X)为m维状态变权函数。变权函数W(X)是评价指标通过层次分析法确定的常权向量W0与状态变权向量S(X)的归一化乘积。

局部变权分析法的主要参数确定方法因区域地质条件情况而异。考虑到指标的标准化分值是在区间［0，1］采用四分法，本次研究通过对层次分析法确定出的权重以及研究区实际地质条件进行分析。参考济南市以及嘉兴市地下空间开发变权分析案例，对分段协调函数进行修改（张博夫，2020），最终分段函数为：

式中，xj为评价单元中各评价指标对应的标准化分值，S()

X为权重的状态调权函数。

2.4 评价模型

由于地质资料有限并且数据具有较大的波动性，部分指标没有明显的规律性且会因为主观条件的改变而变化，所以地下空间开发地质环境适宜性评价是基于贫信息背景的数据整合过程，是一个典型的灰色系统。使用灰色关联分析法进行综合评价，可以更好地体现出各个指标对目标层的贡献大小，简单来说就是通过计算参考序列和特征序列之间的关联程度来量化数据间的关联性强弱，以此达到辅助决策的目的。灰色关联分析法通常包括以下四步（蒋杰等，2021；赵可英和牟凯，2023）：

（1）确定参考序列和特征序列

灰色关联分析法中，参考序列是所需评价数据的对比标准，一般采用各指标的最优值构成参考序列，而特征序列就是由各指标组成的数据序列。计算灰色关联度，首先需要划分评价单元，根据研究区数据覆盖情况将评价单元确定为500 m×500 m，然后根据层次分析法定权结果，以各指标最优情况的得分作为参考序列，以评价单元内各指标的得分作为特征序列，特征序列越接近参考序列，则关联程度越大。

（2）数据无量纲化处理

由于各地质条件之间差异性较大，物理意义不同导致数据的量纲也不相同，无法直观去进行比较，因此需要对数据进行无量纲化处理（唐鑫，2019）。常用的无量纲化方法是让指标数据除以该指标变量为1时的状态值，即为初值化法：

（3）计算灰色关联系数及关联度

首先计算各特征序列与参考序列的绝对差，得到灰色关联系数ξi，灰色关联系数是表征参考序列与特征序列关联性程度的参数，该系数可能存在多个计算结果且各结果相差较大，有效信息较分散，难以直接进行对比分析，所以需要求均值将关联系数集中为一个数，即为灰色关联度γi的计算结果。

式中：ρ为分辨系数，值域为（0，1），ρ越小关联系数间差异越大，一般ρ取0.5。

研究区浅层地下空间部分单元格灰色关联度计算成果如表4所示。

表4 浅层地下空间部分评价单元变权权重计算结果Table 4 Calculation results of variable weight for evaluation units of shallow underground space

（4）灰色关联度排序

通过 GIS 软件的空间分析功能计算出各评价单元内的灰色关联度，关联度数值越大则代表该单元地质情况与最优情况越接近，就越适宜进行地下空间开发。通过对关联度计算结果进行累频计算，采用等区间均分法划分关联度区间，根据关联度大小划分出四个适宜性等级，以此圈定研究区不同的适宜性范围。

3 评价结果

研究区（0～15 m）浅层地下空间开发地质环境适宜性评价结果如图5所示。结果显示，研究区浅层地下空间总体适宜开发，其适宜性好及适宜性较好的区域总占比为67.47%，由于浅层地下空间与地表具有较强的连通性，所以一定程度上受到环境地质问题的制约，但其关键制约因素主要是含水层富水性，所以在进行开发时需要采取防水措施应对环境地质问题。

图5 浅层地下空间开发地质环境适宜性评价结果Fig.5 Evaluation results of geological environment suitability for the development of shallow underground space

研究区次浅层（15～30 m）地下空间开发地质环境适宜性评价结果如图6所示。结果显示，研究区次浅层地下空间总体适宜性较差，适宜性好及适宜性较好的区域总占比为45.7%，适宜性中等及适宜性较差的区域占比54.3%。由于次浅层地下空间与地面连通性较差，所以地层分布情况、地下水以及地下水和地层之间的相互作用对其影响较大，关键制约因素主要为软土分布、含水层富水性、砂土液化及渗透破坏，所以在进行开发时需要针对特殊土体和地下水特征采取相应的支护措施、控水防水措施以及防渗防腐措施等。

图6 次浅层地下空间开发地质环境适宜性评价结果Fig.6 Evaluation results of geological environment suitability for the development of sub-shallow underground space

研究区次深层（30～50 m）地下空间开发地质环境适宜性评价结果如图7所示。结果显示，研究区次深层地下空间总体适宜性较好，适宜性好及适宜性较好的区域总占比为72.17%，适宜性中等及适宜性较差的区域占比27.83%。由于次深层地下空间是地下30 m以深的封闭空间，与地面连通性极差，所以受到地层分布情况及地下水的严重制约，开发深度越大，地下水的控制难度也越大。次深层地下空间总体能够较好地支撑地下工程建设，其关键制约因素主要为软土分布与含水层富水性。所以在进行开发时需要针对特殊土体和地下水采取相应的支护措施、控水防水措施。

图7 次深层地下空间开发地质环境适宜性评价结果Fig.7 Evaluation results of geological environment suitability for the development of sub-deep underground space

对比来看，浅层和次深层地下空间更适宜进行开发，而次浅层地下空间开发难度较大。导致次浅层地下空间开发难度较大的因素首先是软土，研究区内由于多次海侵残留了厚层状的软土，其空间分布主要集中在次浅层，土体物理力学性质较差。从施工角度来讲，软土地层是利于盾构机掘进的，但对于地下空间开发，软土是无法作为基础持力层的，所以是严重影响地下空间开发的不利因素；其次是富水性的影响，对于地下空间这类与地面连通性较弱的密闭空间，随着开发深度的增加地下水的影响也愈发严重，控水难度随深度增加而增大，所以富水性强的区域，地下空间开发难度也会几何倍数上升；最后是环境地质问题，因为地下空间开发具有不可逆性，所以应考虑地下建筑物在较长时间维度下的安全使用及维护，此时环境地质问题会严重影响地下空间建筑的使用寿命。

4 结论

本文在系统分析研究区地下空间开发地质环境条件基础上，针对不同的开发层位，构建了较为完善的评价指标体系，并通过层次分析法以及变权分析理论确定出评价指标的权重，最后通过GIS的空间分析功能，利用灰色关联分析法进行了综合评价，对钱塘新区地下空间开发地质环境适宜性进行评价分区。

（1）基于层次分析法从地形地貌、工程地质条件、水文地质条件、活动断裂及地震效应、环境地质问题等五个方面选取了15个指标构建地下空间开发地质环境适宜性评价指标体系。其中地基承载力、岩土体综合特征、软土厚度、含水层富水性、含水层厚度以及砂土液化、崩滑流易发性、地面沉降易发性、渗透破坏易发性9个指标为重要因子，影响程度较大；地形坡度、地貌类型、卵砾石厚度、活动断裂、场地类别、地下水腐蚀性等6个指标为一般因子，影响程度较小，但对长时间维度下的安全稳定，仍具有较大影响。

（2）研究区浅层地下空间适宜和较适宜开发的面积占总面积的67.47%，主要制约因素是含水层富水性及渗透破坏风险；次浅层地下空间适宜和较适宜开发的面积占比45.7%，主要制约因素是软土分布、含水层富水性、砂土液化及渗透破坏风险；次深层地下空间适宜和较适宜开发的面积占比72.17%，主要制约因素是软土分布及含水层富水性。各层位对比分析显示，浅层和次深层地下空间开发难度更小，次浅层地下空间开发难度较大，次浅层地下空间地质条件复杂，研究区内厚层状的淤泥质粉质粘土集中分布在该层位，且该层位富水性较强、环境地质问题较多。在该区域进行开发会同时面对不良地层、强富水区以及砂土液化和渗透破坏等多重威胁，开发难度较大。

（3）在传统层次分析法基础上加入了变权分析理论，一定程度上降低了层次分析法的主观性影响，同时能够较好地解决传统评价方法中存在的“中和效应”问题，最后通过GIS软件的空间分析功能，根据每个评价单元中各指标对评价目标的贡献度，使用灰色关联分析法进行综合评价，得到了各个层位较为科学、准确的评价分区结果，为杭州市钱塘新区地下空间开发提供了参考。

［注 释］

① 中国地质调查局南京地质调查中心.2018.杭州多要素城市地质调查成果报告［R］.

② 浙江省地质调查院.2009.杭州城市地质调查成果报告［R］.

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