考慮地質因素的城市地下空間開發價值分異特征及評估方法研究
——以海口市江東新區為例

陳 帥，黎清華，張彥鵬，左文萍，宋國璽

(1.中國地質大學(武漢)地質調查研究院，湖北 武漢 430074；2.中國地質調查局武漢地質調查中心，湖北 武漢 430205;3.北京超維創想信息技術有限公司，北京100089)

隨著社會經濟的不斷發展，城市地下空間的有償使用與價值評估管理已成為必然趨勢，而如何顯化地下空間使用權的價值，建立一套行之有效的地下空間開發綜合經濟價值評估體系是目前急需解決的問題[1]。

目前國內外提出的關于國土空間使用權價格的評估方法主要有市場比較法、收益還原法、假設開發法、基準地價系數修正法等[2-10]，其中絕大多數是以地表土地為評估對象。國際上，目前主流的地下空間資源價值評估方法主要有德國史基墨滾動法[10]，這是一種將補償費作為價值表達的方法，而補償費用是公共設施占用私人土地使用權的補償。基于史基墨滾動理論的樓層效用比率理論[8]，則是地下空間立體定價的應用，該方法認為地上一層效用最高，以此為基準向上或向下空間的價值都會遞減。我國在地下空間基準地價評估方面也有相關的研究進展，如馬騫等[11]以南京市地下商業用地為研究對象，將基準地價的概念擴展到地下土地，試圖建立地下商業用地基準地價與地表商業用地基準地價之間的關系，但其在評估地下空間基準地價時并未考慮地質因素的影響，而同地段同類型的地下工程造價是地表的3～4倍。因此，在評估地下空間基準地價時必須考慮地質因素產生的成本性影響。

合理評估地下空間基準地價，是服務支撐自然資源部“兩統一”職責中統一行使全民所有自然資源資產所有者職責的關鍵一步，而合理評估地下空間的綜合經濟價值則是評估地下空間基準地價的關鍵。為此，本文以海口市江東新區為例，將地表經濟要素對地下空間開發價值的收益性影響與地質要素對地下空間開發價值的成本性影響相結合，采用加權疊加的方式，綜合評估地下空間開發的綜合經濟價值在三維空間上的分異特征，以為地下空間的基準地價評估提供定性參考和新思路。

1 研究區概況

1.1 地表經濟概況

海口市江東新區位于海南島東北部，地處海口市東海岸區域，總面積為298 km2，下轄靈山鎮、演豐鎮和桂林洋開發區，總人口約為23.89萬人。區內有長約50 km的河流，有東營港、融創港等3個港口，自然資源較為豐富。區內交通較為發達，南側有目前省內最大的美蘭國際機場、東環高速鐵路，重要的基礎設施建設達到國際化水平，自由貿易試驗區集中展示區已基本成型。總體上，海口市江東新區除了臨近主城區的靈山鎮和桂林洋開發區人口較多外，其余區域人口相對較少、建設面積小，基本路網和基礎配套設施較為完善。

從江東新區的總體規劃來看，該區地下空間開發的需求較大，規劃目標主要以淺層開發為主、中深層按需開發。因此，本文主要考慮江東新區0～100 m深度范圍的地下空間。

1.2 基礎地質概況

海口市江東新區地貌以濱海河流相為主，中南部及演豐鎮一帶則主要為火山地貌。區域巖體出露較為廣泛，火山巖、碎屑巖和變質巖類均有分布，工程地質條件較為復雜，江東新區100 m深度范圍內的巖土體由新到老依次為劃分為全新統未分組(Qh)、煙墩組(Qh3y)、瓊山組(Qh2q)、多文組(Qp2d)、北海組(Qp2b)、秀英組(Qplx)、海口組(N2h)、燈樓角組(N1d)8個巖石地層單位，不同巖石地層單位的形成時代和沉積環境均存在較大的差別，進而導致其工程地質性質的差異，見圖1。區域構造格局由近東西向、南北向、北西向和北東向4組斷裂構造組成，近東西向斷裂構造控制著斷陷盆地的形成和發展，而北西、北東向斷裂構造控制著盆地內次級構造的形成和分布，且4組斷裂構造具有多期次活動性，控制著新生代多次火山活動、地震活動、沉積建造類型、成礦作用等。

圖1 海口市江東新區地質圖

海口市江東新區自北向南從沙上港至云龍鎮100 m深度范圍內的地質結構剖面圖見圖2，自西向東從南渡江至靈山鎮100 m深度范圍內的水文地質剖面圖見圖3。

由圖2和圖3可見：江東新區整體地層海拔呈現出南高北低的形態(見圖2)；江東新區0～100 m深度范圍內主要有潛水含水層、第1承壓水含水層(Ⅱ1)、第2承壓水含水層(Ⅱ2)、第3+4承壓水含水層(Ⅱ3)，其中潛水含水層中又分為濱海堆積層孔(Ⅰ2)和陸海交匯相沉積層孔隙潛水(Ⅰ3)(見圖3)。

圖2 海口市江東新區自北向南從沙上港至云龍鎮100 m深度范圍內地質結構剖面圖

圖3 海口市江東新區自西向東南渡江-分創村-靈山鎮100 m深度范圍內水文地質剖面圖

隙潛水含水層(Ⅰ1)、河流沖洪積層孔隙潛水含水層

2 研究方法

本文的研究思路如圖4所示，具體如下：

圖4 研究思路

(1) 查明江東新區地表區位等級、土地等級、交通關鍵節點等級、市政管線密度等級等地表經濟要素數據；查明江東新區工程地質、水文地質、地質災害風險等地質要素數據。

(2) 采用層次分析法分別構建地表經濟要素對地下空間開發價值的收益性影響評價指標體系和地質要素對地下空間開發價值的成本性影響評價指標體系，并分別構建判斷矩陣，在滿足一致性檢驗要求的情況下，計算兩種評價指標體系中各評價指標的權重。由于地表經濟要素對地下空間開發價值的影響主要是收益性的，而地下空間地質要素對地下空間開發價值的影響是成本性的，因此為了方便描述，本文分別采用“影響收益指標體系”和“影響成本指標體系”來簡述上述兩種評價指標體系。

(3) 對江東新區地下空間進行分層，構建分層下的地下空間三維縱向衰減模型。

(4) 采用三維地質單元剖分的方式，構建影響成本指標體系各地質要素的三維屬性模型。

(5) 利用ArcGIS和三維建模軟件將獲取的影響收益指標體系中各地表經濟要素屬性三維化。

(6) 在雙指標體系的三維屬性模型構建完成后，確定指標體系中各評價指標的權重分配，分別計算得到地下空間的收益性等級和成本性等級，并將兩種結果數據導入已建立的雙指標體系三維屬性模型中，與已經建立的地下空間三維縱向衰減模型相乘，得到分層下的地下空間收益性空間分異模型和成本性空間分異模型。此時，地下空間開發的收益隨層深的增加而減小，地下空間開發的成本隨層深的增加而增大。

(7) 將分層下的地下空間收益性空間分異模型與成本性空間分異模型按照每層不同的權重進行加權疊加，最終獲得地下空間開發利用的綜合經濟價值評估模型。

3 評價指標體系構建及指標權重確定

3.1 評價指標體系構建

本文采用美國著名運籌學專家Saaty提出的層次分析(AHP)法[12]，分別構建影響收益指標體系和影響成本指標體系，并分別構建判斷矩陣，在滿足一致性檢驗要求的情況下，計算各指標體系的綜合權重。

3.1.1 影響收益指標體系

地表經濟要素對地下空間開發的需求強度和經濟效益有著重要的影響。本文采用區位等級、交通關鍵節點等級、土地等級、市政管線密度等級4項主要地表經濟要素指標，構建地表經濟要素對地下空間開發價值的收益性影響評價指標體系即影響收益指標體系，見圖5。這4項經濟要素指標都對地下空間開發的需求強度和經濟效益具有十分重要的影響。

圖5 地表經濟要素對地下空間開發價值的影響收益指標體系

(1) 區位等級：城市中的商業中心、行政中心、交通樞紐等都可以看作是絕對區位，與其聯絡時間越少，距離越短的土地價值越高，反之遞減。土地價值的高低對地下空間開發的經濟價值有直接的影響，并且這些絕對區位在數量和層次上對地下空間資源有著強大的需求。絕對區位等級與地下空間開發的經濟效益直接相關，絕對區位周邊地下空間的開發價值也隨距離的增加而遞減。

(2) 交通關鍵節點等級：地鐵沿線和地鐵車站周圍的地下空間區域都極具開發潛力，具體表現在：地下空間的開發很容易與周圍的交通系統連成整體，從而提高地下空間的可達性和使用價值；能夠有效匯集與分散人流，使已有的交通節點功能輻射區域增大，具有良好的社會效益和經濟效益。因此，交通關鍵節點等級是影響地下空間開發潛力的一個重要因素。

(3) 土地等級：土地交換的價格與土地資源的質量和緊缺程度有著密切的關系，綜合反映了土地資源使用價值和附加值的水平和潛力。在土地價格保持不變的前提下，地下空間資源的開發利用可以顯著提高單位面積的土地利用容量和土地使用價值，進而增加土地的附加值，即地價越高，地下空間開發的潛在價值越高。

(4) 市政管線密度等級：城市地下空間的開發潛力同樣還在于城市市政設施的更新改造，其價值在于提高市政公共安全性和可靠性，改善人們生活的方便程度以及地面空間環境，市政設施越不完善的地區，其地下空間開發的潛力也就越大。因此，市政管線密度等級可以作為評價地下空間開發潛力的又一指標。

海口市江東新區地下空間開發基于地表經濟要素的影響收益指標量化表,見表1。表1中，將各評價指標分為差、中、優三級，分別給出1、2、3分的評價值。其中，區位等級指標的劃分依據主要是考慮地段的繁華程度，市級商業中心的經濟價值等級最高，其次是區級商業中心，剩余地區全部劃歸一般地段；交通關鍵節點等級指標的劃分依據則主要是考慮節點，根據《海口江東新區總體規劃綱要(2018—2035)》中道路交通規劃及軌道交通規劃，可將海口市江東新區交通關鍵節點等級分為三級，一級為交通樞紐及軌道交通換乘站，二級為軌道交通車站，三級為非交通節點；土地等級指標的劃分依據則主要是考慮地價的高低，可將其分為高地價、中等地價和低地價三級；市政管線密度等級的劃分依據主要是考慮地下管線和市政設施的分布密度，可將其分為密集、一般、稀疏三級。

表1 地表經濟要素對地下空間開發價值的影響收益指標量化表

3.1.2 影響成本指標體系構建

由于地下空間開發適宜性在一定程度上可以反映地下空間開發的難度和成本差異，所以影響成本指標體系的構建主要參考地下空間開發適宜性指標體系，但與傳統開發適宜性指標體系相比其側重點更注重地下空間的地質條件對地下空間工程開發的成本性影響。

依據AHP法，選取工程地質C21、水文地質C22、地質災害風險C23三項中間層要素，指標層選取七項指標要素。其中，巖土體類型D21、地基承載力D22為工程地質指標要素；地下水富水性D23、距地表水水平距離D24、距地表水垂直距離D25為水文地質指標要素；砂土液化D26、距斷裂地震帶D27為地質災害指標要素。之所以選取這些指標，是因為它們都不同程度上控制著地下空間開發的難度和支護條件，相應地影響了地下空間的開發成本。

建立的地下空間地質要素對地下空間開發價值的影響成本指標體系，見圖6。

圖6 地下空間地質要素對地下空間開發價值的影響成本指標體系

海口市江東新區地下空間開發基于地下空間地質要素的影響成本指標量化表，見表2。表2中，將各評價指標分為差、中、優三級，分別給出1、2、3分的評價值，這與表1中的指標層分值的劃分一致，方便后續綜合評價時，加權結果不受兩類指標層分值劃分的影響。

表2 地下空間地質要素對地下空間開發價值的影響成本指標量化表

其中，巖土體類型指標的劃分主要是從考慮開挖成本，開挖黏土的成本最低，其次是砂石，而開挖淤泥的成本最高；地基承載力則主要是考慮不同地基承載力巖土體工程開發后的支護成本，并據此進行等級劃分；地下水富水性、距地表水的水平和垂直距離均影響著地下工程的突涌、滲水等風險，相應地影響地下工程的防水防災等級，因此按照地下水富水性和距地表水的距離來表征地下工程在防水方面的成本性影響；而砂土液化和斷裂地震帶，則是災害地質因素，同樣影響著地下工程的防災與支護成本，在砂土液化方面，主要是判斷研究區砂土的液化程度分異，將全區劃分為液化嚴重區、液化中等區和非液化區三級，而距斷裂地震帶的距離則是按照距斷裂帶中心的距離進行等級劃分。

3.2 評價指標權重確定

本文結合相關文獻資料和專家調查法，采用Saaty的1～9標度法[12]，分別構建影響收益指標體系和影響成本指標體系的判斷矩陣，對每層各指標進行兩兩相互比較，按照相對重要性進行打分，在滿足一致性檢驗要求的情況下，分別計算影響收益指標和影響成本指標的權重，其計算結果見表3和表4。

表3 影響收益指標的權重

由表3可知，區位等級C11對地下空間開發的需求強度占據主導地位[13]，其次為交通關鍵節點等級C12、土地等級C13和市政管線密度等級C14。

在地下空間開發過程中，巖土體類型、地基承載力等工程地質條件直接控制著地下空間開發的難易程度，對工程安全和經濟成本起著決定性的作用[14]，巖土體作為地下空間工程的承載介質，其對地下構筑物的變形和承載特征差異導致地下空間開發產生成本的差異，越強的地基承載力則會使地下空間開挖的支護措施越簡單，開挖成本也就越低[15]。由表4可知，中間層工程地質因素的權重占據主導地位，而水文地質因素和地質災害風險因素對地下空間開發也有著重要的作用，也占據了一定的權重比例。

表4 影響成本指標的權重

4 三維屬性模型構建

本文采用的三維建模軟件為CreaterXModeling，是由北京超維創想信息技術有限公司自主研發的三維可視化地質建模系統。

本文所采用的評價數據分為地表經濟要素數據和地下空間地質要素數據，其中地表經濟要素數據來自武漢地質調查中心發布的《海口江東新區地下空間開發利用潛力調查評價綜合成果報告》，地下空間地質要素數據采用江東新區鉆孔數據資料及其他工程地質資料，以上數據均來自“海口江東新區綜合地質調查項目”。

4.1 三維屬性模型構建方法

本文采用多種建模方式來構建多要素三維屬性模型。首先，采用CreaterXModeling軟件，對江東新區整體的橫、縱向研究邊界進行劃定，構建矢量邊界模型；然后，采用三維地質體單元剖分的方式，構建地下空間各地質要素對地下空間開發成本影響程度的三維體元(voxet)模型。即利用鉆孔數據，在設置初始面后，通過層面逐層下沉的方式，構建各地層間的屬性分界面，從而形成三維地層矢量邊界模型；再利用voxet體切割的方式，實現三維體要素屬性模型的構建；通過對各要素屬性進行賦值(見表2)并進行歸一化處理，將其劃分為高、中、低三個等級。

地表經濟要素對地下空間開發收益性影響程度的三維屬性模型的構建方式與地下空間地質要素對地下空間開發成本性影響程度的三維屬性模型不同。首先獲取江東新區的區位等級、交通關鍵節點等級、土地等級、市政管線密度等級的信息資料，利用ArcGIS進行柵格化賦值，獲得各要素的平面柵格數據；然后，利用三維建模軟件構建三維空值模型，輸出CSV格式的沒有屬性的三維點要素數據，并導入ArcGIS中，再利用多值提取至點功能，將各要素柵格數據投影至與其平面坐標對應的三維點數據中，形成地表經濟要素的三維數據體;最后，將獲得各要素屬性的三維點要素數據體導入三維建模軟件中，利用構建好的地下空間三維縱向衰減模型與之相乘，從而實現地表經濟要素對地下空間開發價值收益性影響等級的三維化，見圖7。

圖7 地表經濟要素對地下空間開發收益性影響等級的三維投影

4.2 地下空間三維縱向衰減模型構建

江東新區主要以淺層開發為主、中深層按需開發的原則開展地下空間的開發。因此，結合江東新區地下空間開發需求和開發規劃，將江東新區地下空間分為淺層(0～15 m)、中層(15～45 m)和深層(45～100 m)。

為了計算衰減后的地下空間開發收益等級和成本等級,構建了分層下的地下空間三維縱向衰減模型，見圖8。衰減系數的確定主要參考樓層效用比例理論，衰減系數為淺層1、中層0.5、深層0.1。構建地下空間三維縱向衰減模型的意義在于：隨著層深的增加，地表經濟要素對地下空間開發價值的收益性影響是逐層衰減的；地質要素對地下空間開發價值的成本性影響則是逐層遞增的。在這兩類指標體系等級的歸一化處理中，成本等級由高到低為1～3，而收益等級由高到低為3～1。因此，通過與該縱向衰減模型相乘，隨著層深的增加地下空間開發的收益降低、成本增加。

圖8 地下空間三維縱向衰減模型

4.3 地下空間地質要素三維屬性模型構建

依據第4.1節所述建模方法，按照表2中各評價指標的等級劃分標準對各評價指標賦值并進行歸一化處理后，構建地下空間各地質要素對地下空間開發成本影響程度的三維屬性模型，見圖9。高成本則地下空間開發適宜性差，低成本則地下空間開發適宜性優。

圖9 地下空間地質要素對地下空間開發成本影響程度的三維屬性模型

4.4 地表經濟要素三維屬性模型的構建

依據第4.1節所述方法，構建各地表經濟要素對地下空間開發收益影響程度的三維屬性模型，見圖10。

圖10 地表經濟要素對地下空間開發收益影響程度的三維屬性模型

由圖10可知，地表經濟要素對地下空間開發的收益影響在縱向上是遞減的，這符合隨著層位的加深，地表經濟要素對地下空間開發價值的影響逐漸遞減的客觀發展規律。

5 地下空間開發收益等級和成本等級的空間分異模型建立

通過構建的地下空間各要素三維屬性模型，并采用構建的影響收益和影響成本評價指標體系，分別構建了地下空間開發收益等級和成本等級的空間分異模型(見圖11和圖12)。用于評價地下空間開發的收益性和成本性空間分異特征。

圖11 地下空間開發收益等級的空間分異特征

圖12 地下空間開發成本等級的空間分異特征

由圖11和圖12可知：地下空間開發的高收益區主要集中在淺層，中等收益區則主要集中在淺中層，低收益區涵蓋大部分深層和少部分淺中層;低成本區主要集中在淺層，中等成本區則主要集中在淺中層，高成本區涵蓋大部分深層和少部分淺中層(見圖12)。

6 地下空間開發的綜合經濟價值評估

6.1 地下空間縱向分層變權疊加

城市地下空間的開發成本造價與區位距離的關系[16]，見圖13。

圖13 城市地下空間開發成本造價與區位距離的關系[16]

由圖13可知，相比于地表開發，地下空間的開發成本受地表區位的影響可以忽略不計。因此，在地下空間開發收益性影響模型與地下空間開發成本性影響模型的加權疊加模式，主要考慮縱向上的空間變異特征。

縱向來看，城市地下空間淺層的綜合經濟價值主導要素是地表經濟要素，且淺層地下空間開發成本相對于中層和深層較低，所以在淺層的收益性影響模型和成本性影響模型的疊加中，收益性影響模型的疊加權重更大，以此類推，隨著開發深度的增加，收益性影響模型的權重遞減，成本性影響模型的權重遞增。結合文獻資料和專家調查，把影響收益指標在淺、中、深三層的疊加權重分別確定為0.7、0.5、0.3；影響成本指標在淺、中、深三層的疊加權重分別確定為0.3、0.5、0.7，見表5。

表5 地下空間綜合經濟價值評估分層疊加權重分配表

采用加權疊加的方式，依據表5中各層中收益性影響模型和成本性影響模型的權重分配進行加權計算，可得到綜合經濟價值評估結果。

具體計算公式如下：

6.2 地下空間綜合經濟價值評估及結果分析

對地下空間開發收益性影響模型與成本性影響模型通過分層加權疊加，計算得到地下空間開發綜合經濟價值評估結果，并依據開發價值的連續性，對最終綜合經濟開發價值的區間等級進行劃分，即是在評估結果的最小值與最大值間進行三等分劃分，經歸一化處理后，進行三維化展示，見圖14。

圖14 地下空間開發綜合經濟價值等級的空間分異特征

由圖14可知，高開發價值區主要分布于淺層、中層區域，大部分在淺層區域；中等開發價值區主要分布于淺層、中層區域，大部分在中層區域；低開發價值區主要分布于深層區域，極少量分布于淺、中層區域。可見，模型計算結果基本滿足地下空間開發經濟價值隨深度遞減的客觀規律；同時，由于地質要素對地下空間開發的成本性影響，導致三個綜合開發經濟價值等級在空間上并不是單純地隨深度發生變化。

引入地下空間開發過程中影響成本指標后，地下空間開發的總體價值空間分異特征與僅采取地表經濟因素的地下空間開發收益性價值空間分異特征相比，增加了一項評判維度。地下空間綜合經濟價值在淺層、中層區域內，存在高開發價值區與中等開發價值區相互交織的狀態，說明地下空間地質要素在某種程度上約束了地下空間開發經濟價值的空間分布特征，從而使得評估結果更具有科學性。

7 結論、建議與展望

7.1 結 論

本文采用三維可視化建模技術和ArcGIS軟件，成功將地表經濟要素對地下空間開發的收益性影響和地下空間地質條件要素對地下空間開發的成本性影響相結合，實現了地下空間開發綜合經濟價值評估的三維可視化。這種對地下空間開發綜合經濟價值的定性評估和三維展示可以直觀地反映地下空間開發綜合經濟價值的空間分異特征，能夠在一定程度上為地下空間使用權價格的制定提供定性參考。由于目前海口市江東新區地下空間的基準地價評估尚未開展，且在地下空間價值評估體系中，并未考慮地質要素產生的成本影響，因此尚無法對其進行合理性驗證。

7.2 建議與展望

(1) 目前我國關于地下空間使用權價格的評估基本均忽略了地下空間地質要素所產生的成本影響，而地下空間開發的成本又會隨著地質條件和深度等要素大大增加。因此，建議將地下空間開發過程中地質要素產生的成本影響納入地下空間使用權價格的評估體系中。

(2) 地下空間開發綜合經濟價值是地下空間開發收益與成本的差值，也是進行地下空間開發綜合經濟價值評估的基本原理。但由于本文對地下空間地質要素在地下空間開發過程中成本性的影響研究不夠深入，地下空間地質條件對各類地下空間開發工程成本性影響理論的研究還不完善，加之地表經濟要素對地下空間開發綜合經濟價值收益性影響理論體系的研究也不夠完善，因此建議研究不同地質條件要素如地下商城、地鐵等各種不同形態地下工程的成本性影響，構建細化的成本性影響指標體系和諸多地表經濟要素對地下空間開發綜合經濟價值的收益性影響指標體系，以完善地下空間開發綜合經濟價值評估的理論體系。