陽泉礦區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)域劃分

曹艷妮，劉 偉，許墨陶，王愛軍，趙 陽

(1 長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710064； 2 中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北 保定 071051)

0 前 言

國內(nèi)外許多學者對區(qū)域性災害做了大量的研究，內(nèi)容主要涵蓋災害損失指標體系、災害損失評估方法、災害區(qū)域劃分原則與原理、災害綜合區(qū)域劃分方法、災害預測預報方法、防災減災對策等[1-4]。對地質(zhì)災害的研究方向是進行地質(zhì)災害的調(diào)查，包括災害空間分布、原因分析、誘發(fā)因素、危害程度及影響范圍等[5]。本文根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局2016年對陽泉市(陽泉、平定、盂縣)39座礦區(qū)地質(zhì)災害調(diào)查基礎(chǔ)上，基于模糊理論和GIS技術(shù)通過對災害類型、災害數(shù)量、穩(wěn)定性、危害特征、工程活動、降雨量、地震活動7個因素對地質(zhì)災害的影響，得出陽泉39個礦區(qū)地質(zhì)災害的發(fā)育程度，并提出防治地質(zhì)災害對策。以期為陽泉市的礦山地質(zhì)災害治理提供理論依據(jù)和指導，并為其它類似區(qū)域的地質(zhì)災害的治理提供參考。

1 區(qū)域概況

1.1 自然地理特征

陽泉市位于山西省東部，是一座新被發(fā)掘的工業(yè)城市。陽泉市北鄰忻州市，東靠石家莊市，西接太原市，南毗晉中市。地理位置東經(jīng)112(°)54(′)～114(°)40(′)，北緯37(°)40(′)～38(°)31(′)，行政區(qū)東西向?qū)挾?2～56 km，南北向長度80～106 km，總面積約4 452 km2。陽泉市位于兩座省會城市太原與石家莊中間地帶，于北京相距390 km。陽泉為山西省第二個擁有高鐵動車的城市，鐵路連接北京、天津、河北、河南、山東、山西，為晉東鐵路樞紐，還有32條支線或?qū)Ｓ镁€。陽泉氣候受季風與地形地貌影響，不同區(qū)域氣候有較大差異，總體特點為：四季分明，春季干冷，多風少雨；夏季溫度隨地形影響變化較大，年均降雨量較大；秋季晝夜溫差大，濕潤多雨；冬季寒冷干燥，多有西北風。年平均降水為505.5～735.4 mm，最高年降水量886.4 mm，最低年降水量240.4 mm；最大日降水量152.1 mm。

1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

陽泉市位于太行山中部西側(cè)、沁水盆地東北部邊緣地帶。區(qū)域內(nèi)地層主要為沉積形成，整體較為平緩，傾向主要為南西。區(qū)域內(nèi)二疊系、三疊系、石炭系、奧陶系、寒武系地層，均有不同厚度的沉積，其它時代地層均缺失。新華夏構(gòu)造體系與太行斷塊形成的走向北西、傾向南西的單斜基礎(chǔ)上，發(fā)育了大量縱橫交錯的平緩褶皺，形成了該區(qū)域特有的地質(zhì)構(gòu)造景觀。含水層組主要為碳酸鹽巖類巖溶水、碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙水、含水巖組碎屑巖類層間裂隙水含水、巖組松散巖孔隙水含水巖組。

2 地質(zhì)災害現(xiàn)狀

礦區(qū)現(xiàn)狀的總體上看北部較好、南部較差、中部最差。造成這種差別的主要原因是采掘業(yè)在礦山分布密集的地區(qū)環(huán)境差，礦山分布較少的地區(qū)環(huán)境較好。同時與礦山的生產(chǎn)年限、礦體厚度、采礦方法、生產(chǎn)規(guī)模有明顯的關(guān)系。主要地質(zhì)災害類型有地裂縫、地面塌陷、泥石流、滑坡、地面沉降和崩塌等[6]。

2.1 地裂縫

從地面裂縫破壞對象來看，其主要受災體是居住、水塔、電塔，其次是道路與耕地。損失較大的地面裂縫地質(zhì)災害有：平定縣張莊鎮(zhèn)上馬郡頭村地面裂縫，單縫長10～15 m、寬0.2～0.25 m，分布面積0.045 km2，毀壞房屋300間、造成水井干枯，共計損失170萬元。平定縣冠山鎮(zhèn)水域溝村地面裂縫，單縫長2～3 m、寬0.001～0.1 m，分布面積0.003 km2，毀壞房屋100間，造成水井干枯，經(jīng)濟損失共計120萬元。陽泉市郊區(qū)河底鎮(zhèn)關(guān)家峪地面裂縫，縫寬0.2～0.3 m，使400多間房屋遭到嚴重損壞，破壞耕地100多畝，共造成經(jīng)濟損失164萬元。

2.2 地面塌陷

從地面塌陷破壞對象來看，其主要受災體是房屋、耕地、水源、水井，其次是道路。境內(nèi)造成較大經(jīng)濟損失的地面塌陷主要有：盂縣孫家莊鄉(xiāng)西吉村地面塌陷，呈群集式排列，塌陷坑數(shù)5個，直徑3～10 m，毀壞耕地30畝，破壞房屋50余間，地下水資源遭到嚴重破壞，共造成經(jīng)濟損失達116萬元。

2.3 泥石流

泥石流發(fā)生過程一般歷時短暫，具突發(fā)性，運動速度快，呈直進式的特點，其危害對象主要是房屋，耕地、道路、堤壩、涵洞等。市內(nèi)泥石流造成損失較大的有：1999年8月13日，盂縣上社鎮(zhèn)、梁家寨鄉(xiāng)發(fā)生泥石流，據(jù)統(tǒng)計，死亡3人，重傷4人，沖毀道路92 km，沖毀房屋672間，造成危房785間，沖走糧食5 055 kg，沖毀耕地1 613畝、低壓線路1 381 km，沖走雞3 430只、豬27頭、羊1 195只，造成全鄉(xiāng)87人斷糧，821人無房居住，經(jīng)濟損失巨大。1996年的平定縣發(fā)生泥石流，使60余戶村民院墻倒塌，西郊公路有9.5 km不同程度損壞，造成交通中斷，沖毀農(nóng)田1 950畝，堤壩5 928 m，直接經(jīng)濟損失350萬元。

2.4 滑坡

滑坡地質(zhì)災害的主要的受災體是房屋、耕地，其次是道路。市內(nèi)滑坡災害危害較大的有：盂縣上社鎮(zhèn)大西里村滑坡，滑坡體積1 000 m3，毀壞房屋10間，威脅人口10人，威脅財產(chǎn)10萬元，共造成經(jīng)濟損失40.2萬元。盂縣西潘鄉(xiāng)車谷村滑坡，滑坡體積3 000 m3，毀壞房屋10間，威脅人口30人，威脅財產(chǎn)20萬元，共造成經(jīng)濟損失30.3萬元。

2.5 崩塌

由于崩塌多發(fā)生于高陡邊坡處，而人類工程經(jīng)濟活動及主要建筑物多遠離這些崩塌體，雖然陽泉市自然及人為崩塌分布較多，但造成地質(zhì)災害的危險性較小。據(jù)縣郊地質(zhì)災害調(diào)查與區(qū)劃報告資料顯示，市內(nèi)共發(fā)現(xiàn)4處崩塌，其中1處為自然崩塌型，其余3處為人工崩塌型。這些崩塌地質(zhì)災害均分布于平定縣，主要由降水、修路切坡等人類工程活動引起，共造成直接經(jīng)濟損失5.06萬元。其受災體以建筑物為主，其次為道路、耕地。

3 形成條件及誘發(fā)因素

陽泉礦區(qū)處屬山地丘陵，境內(nèi)山巒起伏不平，溝谷縱橫間距大，邊坡坡度較陡，原生地形造就該處地質(zhì)條件較差，本身就容易引發(fā)各類地質(zhì)災害。而陽泉市是山西省重要的煤炭開采型城市，煤炭開采具有分布廣、時間長、程度深等特點。煤炭開采形成了大量的地下采空區(qū)，誘發(fā)了地面裂縫、地面塌陷、邊坡崩塌、滑坡等地質(zhì)災害；地表煤炭開采形成了大量的高陡邊坡，誘發(fā)了邊坡崩塌與滑坡等地質(zhì)災害。同時煤炭開采還產(chǎn)生了大量的采礦廢棄物，采礦廢棄物的堆放，也誘發(fā)了廢棄物邊坡崩塌、滑坡及泥石流地質(zhì)災害。

4 礦山地質(zhì)災害評價構(gòu)建

4.1 評價方法

信息量分析模型通過計算各個影響因素對斜坡變形破壞所提供的信息量值，作為區(qū)劃的定量指標，既能正確地反映地質(zhì)災害的基本規(guī)律，又簡單方便[7]。計算原理與過程如下：

1)計算單因素(指標)xi提供斜坡失穩(wěn)(A)的信息量I(xi/A)：

(1)

式中P(xi/A)——斜坡變形破壞條件下出現(xiàn)xi的概率；

P(xi)——礦區(qū)內(nèi)指標xi出現(xiàn)的概率。

具體運算時，總體概率用樣本頻率代替，即：

(2)

式中S——礦區(qū)總數(shù)；

N——已知樣本中變形破壞的礦區(qū)總數(shù)；

Si——有xi的礦區(qū)個數(shù)；

Ni——有指標xi的變形破壞礦區(qū)個數(shù)。

2)計算某一單元P種因素組合情況下，提供斜坡變形破壞的信息量Ii，即：

(3)

3)根據(jù)Ii的大小，給調(diào)查礦區(qū)內(nèi)確定穩(wěn)定性等級。Ii<0，表示該礦區(qū)內(nèi)變形破壞的可能性小于礦區(qū)平均變形破壞的可能性；Ii=0，表示該礦區(qū)變形破壞的可能性等于礦區(qū)平均變形破壞的可能性；Ii>0，表示該礦區(qū)單元變形破壞的可能性大于礦區(qū)平均變形破壞的可能性；即單元信息量值越大，斜坡變形破壞越嚴重。

4)經(jīng)統(tǒng)計分析(主觀判斷或聚類分析)找出突變點作為分界點，將區(qū)域分成不同等級。評價指標的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均為定量描述的數(shù)據(jù)，須采用標準化、規(guī)格化、均勻化，或?qū)?shù)、平方根等數(shù)值變換方法統(tǒng)一量綱，方可代入評價模型[8]。

4.2 評價指標體系

本次地質(zhì)災害發(fā)育度評價即以各企業(yè)礦區(qū)為評價單元進行。評價指標如圖1。

圖1 陽泉礦區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育度評價指標體系

根據(jù)前述分析，陽泉礦區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育度評價各個指標的權(quán)重(表1)。

表1 陽泉礦區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育度評價各個指標權(quán)重分配

4.3 評價指標

評價指標包括定量和定性兩個指標體系。對于定量指標，如災害數(shù)量取其具體數(shù)字，并作適當?shù)臄?shù)值變換；對于定性指標，如災害類型、穩(wěn)定性及危害特征等，建立一個評價指標的分級劃分標準，根據(jù)各項指標對應(yīng)不同級別的相對貢獻來取值。具體指標量化如下：

1)災害類型

陽泉礦區(qū)已有地質(zhì)災害類型指標包括地裂縫、地面沉陷、泥石流、滑坡和崩塌。在地質(zhì)災害易發(fā)程度評價時，按各礦區(qū)內(nèi)發(fā)生的災害類型數(shù)與總災害類型數(shù)5的比值。

2)災害數(shù)量

按各礦區(qū)范圍內(nèi)災害數(shù)量與礦區(qū)面積的比值統(tǒng)計。為了使賦分更加客觀合理，具體計算時按泥石流、地面沉陷、地裂縫、滑坡和崩塌5類分別進行。之后，再依據(jù)采煤沉陷區(qū)不同災種危害程度分別按0.4、0.25、0.2、0.1和0.05權(quán)重統(tǒng)計。

3)穩(wěn)定性

災害的穩(wěn)定性可按穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和不穩(wěn)定3種狀態(tài)衡量。具體計算時將不穩(wěn)定狀態(tài)的地質(zhì)災害發(fā)育度系數(shù)定義為1，基本穩(wěn)定狀態(tài)的定義為0.6，穩(wěn)定狀態(tài)的定義為0。

4)危害特征

可以根據(jù)災害威脅到的具體生命財產(chǎn)性質(zhì)統(tǒng)計。陽泉礦區(qū)各類地質(zhì)災害主要影響或威脅的對象有居民、房屋、道路、電力基礎(chǔ)設(shè)施、耕地、林地、荒地等。具體計算時將影響或威脅到人員的災害發(fā)育度系數(shù)定義為1，影響或威脅到房屋的定義為0.8，影響或威脅到道路或電力設(shè)施的定義為0.6，影響或威脅到耕地或林地的定義為0.4，影響或威脅到荒地的定義為0。

5)人類工程活動

具體計算時將采空區(qū)引發(fā)滑坡的災害發(fā)育度系數(shù)定義為1，露天開采形成高陡邊坡引發(fā)滑坡的定義為0.9，廢棄物堆放引發(fā)泥石流的定義為0.8，廢棄物堆放引發(fā)滑坡的定義為0.7，地下開采引發(fā)地裂縫的定義為0.6，地下開采引發(fā)地面沉陷的定義為0.5，露天開采形成高陡邊坡引發(fā)崩塌的定義為0.4。

6)降雨量

根據(jù)陽泉市的降雨特性，依據(jù)陽泉市氣象局多年的統(tǒng)計資料可知具體計算時按行政區(qū)定量，將降水量大于566 mm(市、郊區(qū))、550 mm(盂縣)、505.5 mm(平定)的災害發(fā)育度系數(shù)定義為1，介于歷史年最大降水量和歷史年最小降水量的定義為0.5，小于歷史年最小降水量的定義為0。

7)地震活動

陽泉市地震烈度為Ⅵ度，地震動峰值加速度為0.10 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40～0.45 s，抗震設(shè)防烈度7度，全區(qū)基本一致。另據(jù)歷史記載，陽泉市及鄰區(qū)5級以上地震很少。所以此項指標對地質(zhì)災害發(fā)育程度的影響較小，均按0.1計算。

4.4 基于GIS的模糊綜合評判

在前述評價指標分析和數(shù)據(jù)量化的基礎(chǔ)上，首先，應(yīng)用ArcGIS系統(tǒng)的空間疊加與統(tǒng)計功能，統(tǒng)計每一評價單元的所有指標值，得到數(shù)字矩陣的計算結(jié)果；然后，再利用ArcGIS平臺提供的分析計算功能，將各評價單元數(shù)據(jù)按照權(quán)重分配結(jié)果(表1)進行疊加計算。經(jīng)過對各個因子信息的疊加計算，得到評價區(qū)域地質(zhì)災害發(fā)育度評價結(jié)果[9]。

數(shù)據(jù)歸一化處理后，將各種災害數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，之后按下式計算，最后將各因素進行圖形疊加，形成評判成果圖。計算公式(4)：

(4)

式中B——崩滑流發(fā)育程度指數(shù)；

bi——評價因素；

ri——權(quán)重。

各單元確定的地質(zhì)災害易發(fā)程度等級劃分標準，見表2：

表2 地質(zhì)災害發(fā)育度評價分級標準

4.5 分區(qū)評價結(jié)果

依據(jù)陽泉礦區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育程度評價結(jié)果可知，調(diào)查范圍內(nèi)的39個采煤沉陷區(qū)地質(zhì)災害均有不同程度的發(fā)育。

4.5.1 地質(zhì)災害發(fā)育程度高

地質(zhì)災害發(fā)育程度高的區(qū)域分布南婁鎮(zhèn)大賢村、南婁鎮(zhèn)攔掌村(金恒煤業(yè))、南婁鎮(zhèn)坡頭村、秀水鎮(zhèn)中蘭村、南婁鎮(zhèn)王家灣村、南婁鎮(zhèn)大溝村。調(diào)查區(qū)內(nèi)6個礦區(qū)屬于地質(zhì)災害發(fā)育程度高的，面積46.327 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的18.24%，地質(zhì)災害點133處，以地裂縫為主，如圖2。

圖2 陽泉礦區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育度分區(qū)

4.5.2 地質(zhì)災害發(fā)育程度低

地質(zhì)災害發(fā)育程度低的區(qū)域分布南婁鎮(zhèn)東南關(guān)村、南婁鎮(zhèn)南上社村(二景和諧煤業(yè))、南婁鎮(zhèn)北上社村、南婁鎮(zhèn)攔掌村(東垴煤業(yè))、南婁鎮(zhèn)秀寨村、南婁鎮(zhèn)南上社村(上社晉玉煤業(yè))、南婁鎮(zhèn)香河村。調(diào)查區(qū)內(nèi)7個礦區(qū)屬于地質(zhì)災害發(fā)育程度低，面積50.733 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的19.97%，地質(zhì)災害點108處，基本是地裂縫和地面塌陷，如圖2。

4.5.3 地質(zhì)災害發(fā)育程度中等

地質(zhì)災害發(fā)育程度中等的區(qū)域分布在南婁鎮(zhèn)大溝村、路家村鎮(zhèn)石坡峪村、孫家莊鎮(zhèn)東坪村、路家村鎮(zhèn)路家村、路家村鎮(zhèn)觀溝村、路家村鎮(zhèn)劉家村、孫家莊鎮(zhèn)東坪村、路家村鎮(zhèn)清城村、家村鎮(zhèn)滴水崖村、路家村鎮(zhèn)大黃溝村、孫家莊鎮(zhèn)石店村、南婁鎮(zhèn)南上社村、蔭營鎮(zhèn)、平坦鎮(zhèn)中莊村、舊街鄉(xiāng)測石村、河底鎮(zhèn)鄧家峪村、燕龕鄉(xiāng)程莊村、陽泉市南莊路、河底鎮(zhèn)北莊村西、平坦鎮(zhèn)辛興村、平坦鎮(zhèn)坡頭村、舊街鄉(xiāng)棗園村。調(diào)查區(qū)內(nèi)26個礦區(qū)屬于地質(zhì)災害發(fā)育程度中等的，面積最大，共156.988 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的61.79%，地質(zhì)災害點952處，仍以地裂縫和地面塌陷為主，伴隨有滑坡及泥石流，如圖2。

5 結(jié) 論

整個陽泉市研究區(qū)域,地質(zhì)災害發(fā)育度高區(qū)是危險性最大的地區(qū)，因此所采取的保護措施是布設(shè)地質(zhì)災害監(jiān)測點，對災害點處進行實時監(jiān)測，對地質(zhì)災害處，還應(yīng)豎立警示牌并對周圍地質(zhì)災害進行預測評估，人口密集區(qū)或地質(zhì)災害嚴重時,要適當進行人口遷移；中發(fā)育區(qū)危險性相對較小,可采取必要的治理措施如卸荷、護坡、填充等,方能進行一定規(guī)模的投資建設(shè)；低發(fā)育區(qū)是地質(zhì)災害預測預警和群測群防的非重點地區(qū)，可按時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)采取工程措施修復。