基于GIS道路塌陷評價系統(tǒng)研究

張海波，劉芳芳

（1.河北理工大學(xué)，河北 唐山063009；2.河北地質(zhì)職工大學(xué) 地質(zhì)系，河北 石家莊050000）

1 研究區(qū)的塌陷現(xiàn)狀

目前踩空塌陷主要分布在以下幾個范圍：南湖公園，位于市中心區(qū)南新道以南約 700m處，總面積130000000m2，水面16500000m2，即塌陷面積約為16500000m2。其他，如西窯煤礦的塌陷，位于唐山市路北區(qū)西缸窯西北，南為唐山第六瓷廠，東為灣道山，西北為陡河環(huán)繞，南側(cè)為陶瓷道。其塌陷面積約為38000m2。還有其他小面積的采空塌陷零星分布在開平區(qū)及古冶區(qū)一帶。采煤引起的地面塌陷，嚴(yán)重破壞了礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境，大片可耕地塌陷后積水，出現(xiàn)地裂成為不毛之地[1]。市中心區(qū)南部的唐山礦采煤塌陷地，目前形成了袁莊塌陷、石莊塌陷、岳各莊塌陷；東部國各莊、屈莊一帶的塌陷區(qū)有缸窯塌陷區(qū)、屈莊塌陷坑。

唐山市區(qū)基巖以不用時代的碳酸鹽系為主。中元古界薊縣系為燧石條帶白云巖、隱藻白云巖、白云灰質(zhì)巖及泥質(zhì)白云巖，分布于市中心的西部；其中晶間孔隙、溶隙發(fā)育。古生界寒武紀(jì)為豹皮灰?guī)r、紫色頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r和竹葉狀灰?guī)r，分布于市區(qū)中部及開平盆地北緣；其中溶隙普遍發(fā)育。奧陶紀(jì)為豹皮灰?guī)r、白云灰質(zhì)巖、局部含泥質(zhì)角礫巖，出露在市區(qū)中部、東部和市中心的鳳凰山、大城山一帶。其中晶間、粒間孔隙發(fā)育，生物骨架孔隙分布普遍，溶隙、溶孔、溶穴、溶洞發(fā)育，石炭、二疊紀(jì)雜色粉砂巖、細(xì)砂巖、頁巖及煤系地層分布于開平向斜的核部[2]。對于唐山的巖溶塌陷，分布在地下水降落漏斗之內(nèi)，且多分布在地下來水方向上，或?qū)己玫碾[伏構(gòu)造破碎帶上。在路北和路南區(qū)的北部，集中發(fā)育在以下兩個地帶：一是西部的張各莊（6號小區(qū)）——體育場——啤酒廠一帶，以中段的體育場——興隆區(qū)附近最嚴(yán)重。二是東部的大城山——鳳凰山——大釗公園一帶，以中段的西北井—地震陳列館附近最為嚴(yán)重。

2 道路塌陷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、模塊功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)對唐山市區(qū)道路塌陷進(jìn)行管理、分析與評價，基于GIS的唐山市區(qū)道路塌陷評價信系統(tǒng)，將Visual Basic6.0與ESRI公司的地圖控件MO2.1評估版相結(jié)合，采用組件式技術(shù)開發(fā)。評價系統(tǒng)包括三個模塊：圖形處理模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、道路塌陷評價模塊。

2.2 圖形處理模塊

本模塊包括圖形的編輯、圖層關(guān)聯(lián)、屬性編輯、查詢檢索以及符號標(biāo)注等基本功能。

2.3 數(shù)據(jù)庫管理模塊

該模塊實現(xiàn)對Acess數(shù)據(jù)庫的輸入、管理、查詢以及編輯功能。數(shù)據(jù)庫是評價系統(tǒng)的核心部分。評價系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫有屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)組成。系統(tǒng)充分利用了GIS對海量數(shù)據(jù)的輸入、存儲、查詢、管理和分析的功能，對評價系統(tǒng)所涉及的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理。

2.4 道路塌陷評價模塊

該模塊包括三個子模塊：道路塌陷現(xiàn)狀評價、道路塌陷危險評價，分別對道路塌陷的危險性、發(fā)育程度以及可能發(fā)生塌陷的道路等級進(jìn)行評價。

3 道路塌陷危險評價

道路環(huán)境評價單元的劃分方式有三種[3]：一是以區(qū)域行政區(qū)為評價單元；二是以區(qū)域自然地理或地質(zhì)構(gòu)造作為評價單元；三是以經(jīng)緯度或者平面坐標(biāo)格網(wǎng)為基礎(chǔ)，以劃分的正方形為評價單元，這樣同一單元內(nèi)道路環(huán)境具有相對均一性。本文采用第三種方法—網(wǎng)格法，將研究區(qū)劃分為17890個100m×100m網(wǎng)格單元，每個評價單元的實際面積為10000m2。

將扭轉(zhuǎn)沖擊工具安裝并固定在試驗臺架上，接上高壓軟管。開泵后，泵的排量從0逐漸增大到10L/s，工具開始啟動，沖擊錘開始擺動。工具沖擊頻率隨著排量的增大而逐漸增大，沖擊功也逐漸增大。

道路塌陷危險評價通過對已發(fā)生的道路塌陷進(jìn)行調(diào)查，考慮評價塌陷的幾個方面的因素，歸一化數(shù)據(jù)處理結(jié)果，通過專家給出因素的權(quán)重。本文選取的評價因素如表1所示：

表1 評價因子的選取

3.1 單因素模糊評價

單因素模糊評價是指單獨從一個影響因素出發(fā)進(jìn)行評價，以確定評價對象對評語集元素的隸屬度，稱為單因素模糊評價[4]。

設(shè)對因素集的第i個因素Ui進(jìn)行評價，它對于評價集各因素vi的隸屬度為rij（i=1, 2, …, n），則對此因素的評價集可以表示為向量Ri：

將各單因素的評價集Ri組成模糊關(guān)系矩陣R：

3.2 模糊綜合評價

單因素模糊評價只反映了一個因素對評價對象的影響，為了得到正確全面地評價結(jié)果，必須要考慮所有因素的綜合影響，這就要進(jìn)行模糊綜合評價。

定義模糊向量B，表示評價單元綜合評價隸屬于不同等級的相對值，A為權(quán)重向量，表示為：

B就可以由A和R運算求出，表示為：

利用VB和MO編程實現(xiàn)唐山市區(qū)道路環(huán)境評價的過程中，關(guān)鍵是要新建一個面狀（MoPolygon）圖層，用來顯示綜合評價結(jié)果。在此圖層的研究區(qū)域范圍內(nèi)繪滿100m×100m的多邊形，每個多邊形對象代表一個評價單元。將此圖層和Access數(shù)據(jù)庫掛接，這樣每個多邊形（評價單元）的屬性就可以存儲在外掛的Access數(shù)據(jù)庫中，有利于提高運行與檢索的速度。在MO中圖層與Access數(shù)據(jù)庫掛接的方法如下：

評價單元的模糊矩陣運算實現(xiàn)思路為：利用圖層“道路環(huán)境危險性評價區(qū)劃圖”的外接Access屬性數(shù)據(jù)庫的表存放模糊矩陣R（公式2）和模糊向量B（公式3）：其中，字段“ui”（i=1～5）用來存放向量B，字段“uij”（i=1～6，j=1～5）的存放每個評價單元對應(yīng)模糊矩陣 R，“等級”字段值用來存放評價單元的評價結(jié)果（好，中等，較差，差），這樣（公式3）的矩陣運算就可以通過在VB中調(diào)用Access數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。得到每個評價單元的模糊向量B后，按最大隸屬度原則給“等級”字段賦值的實現(xiàn)過程：

步驟圖如下：

圖1 道路環(huán)境危險性評價步驟1

圖2 道路環(huán)境危險性評價步驟2

圖3 道路環(huán)境危險性評價步驟3

評價結(jié)果分為好，中等，較差，差四個等級，如下圖4所示：

圖4 道路環(huán)境危險性評價

各區(qū)分布及評價如表2所示。

表2 唐山市區(qū)道路環(huán)危險性評價區(qū)劃圖

3.3 塌陷地區(qū)的治理

對于巖溶塌陷區(qū)的道路：

（1）對巖溶塌陷嚴(yán)重的地區(qū)最好采取避讓的原則，若是不能避讓，則要詳細(xì)分析該區(qū)域的巖溶水、第四系空隙水的水文地質(zhì)條件以及他們的水力關(guān)系，在此基礎(chǔ)上判斷出徑流通道存在的空間形態(tài)。巖溶以溶洞為主，主要是切斷導(dǎo)水通道，通過骨料填充注漿膠結(jié)，實現(xiàn)封閉溶洞。

（2）對于塌陷區(qū)內(nèi)的第四系松散帶，采用高壓旋噴與高壓注漿相結(jié)合的方法進(jìn)行加固處理，消除由于巖溶塌陷形成的“天窗”。對于第四系地層中的土動，采用注漿進(jìn)行充填加固。漿液以水泥漿為主，必要時摻入一定數(shù)量的粉煤灰和膨脹土。

（3）對斷層破碎帶以注漿加固為主。漿液以水泥粉煤灰漿為主，必要時摻入水玻璃、三乙醇胺或食鹽，避免漿液大量流失。注漿孔根據(jù)巖溶東西破碎帶分布按方格網(wǎng)狀布置。

（4）禁止在巖溶發(fā)育地區(qū)抽取地下水，會導(dǎo)致水位不斷下降，水動力條件改變，產(chǎn)生地下水對上覆土層的潛蝕和真空擴(kuò)容，形成土洞，引起地表塌陷。所以，禁止在巖溶發(fā)育地區(qū)抽取地下水，是避免產(chǎn)生地面塌陷的重要一環(huán)。

（5）及時回填新、老地面塌洞和塌陷。在巖溶地區(qū)分布區(qū)，為了截斷地表水和大氣降水的倒灌，在施工的同時切實回填新、老地面塌陷。

對采煤塌陷地區(qū)的道路：

采煤塌陷嚴(yán)重的地區(qū)也必須采取避讓的政策，若是必須從采煤塌陷區(qū)穿過，則需要知道道路設(shè)計的最大荷載，以便進(jìn)行塌陷的治理。對塌陷較淺、平均深度不超過2m且不常年積水的可采取生物和工程等綜合措施，進(jìn)行綜合治理，恢復(fù)耕種；對于水源充足的地區(qū)宜將土地恢復(fù)為水田，種植稻米、蓮藕等作物。因地制宜地采取復(fù)墾方法。一般不在大面積的塌陷地上修建道路。若在土層較厚的復(fù)墾區(qū)，可利用煤矸石填路基，進(jìn)行道路建設(shè)，這樣可以硬化道路。

實踐證明，防治和整治地面塌陷，往往需要采取多種手段，配合進(jìn)行，才能取得理想結(jié)果。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)了道路塌陷數(shù)據(jù)的有效管理，極大的的提高了塌陷數(shù)據(jù)的管理。唐山市區(qū)道路塌陷評價系統(tǒng)利用Visual Basic和美國ERSI公司開發(fā)的GIS控件作為支撐，結(jié)合數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，將GIS的強大數(shù)據(jù)處理與空間分析功能與道路塌陷防治相結(jié)合 ，使唐山市區(qū)道路塌陷防治水平得到進(jìn)一步提升。在前人對唐山市巖溶塌陷的基礎(chǔ)上進(jìn)行道路塌陷的評價，對道路的規(guī)劃和建設(shè)提供有力的依據(jù)。

[1] 魯連勝.唐山市采煤塌陷地復(fù)墾現(xiàn)狀及其開發(fā)利用對策[J].中央民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,1997,6（1）：85～88.

[2] 張梁,張業(yè)成,羅元華等.地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評估理論與實踐[M]. 北京: 地質(zhì)出版社，1998.274～275.

[3] 閆滿存，王光謙，李保生等.基于模糊數(shù)學(xué)的廣東沿海陸地地質(zhì)環(huán)境區(qū)劃[J].地理學(xué)與國土研究，2000，16（4）：41～48.

[4] 余國強,楊立中,賀玉龍等.地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測數(shù)學(xué)模型研究[J],四川師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,24(6):637～639.