基于GIS的深圳市巖溶塌陷易發(fā)性評估

卜康正， 劉 陽， 鄭先昌

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

近年來隨著深圳經(jīng)濟快速發(fā)展，城市化進程的加快，在人類活動與自然地質(zhì)活動的作用下，深圳市已發(fā)生多起巖溶塌陷事故，對人民的生產(chǎn)和生活造成較大影響，給城市發(fā)展帶來了較大的負(fù)面影響。經(jīng)初步統(tǒng)計，深圳市已發(fā)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險源28處。因此，有必要對深圳市巖溶塌陷的易發(fā)性進行評估。

1 特征分析

經(jīng)對深圳地區(qū)所有的塌陷發(fā)生時間進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)誘發(fā)塌陷的因素和形成機制很多，其在時間上存在明顯的規(guī)律性：巖溶地面塌陷主要集中在枯水季節(jié)，汛期明顯減少，地面塌陷多發(fā)期在1～4月和8～12月兩個時段。通過對比地面塌陷時間和年度月降雨量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者在拐點位置比較一致，地面塌陷的季節(jié)性與枯水季節(jié)地下水位下降有關(guān)。

此外，巖溶地面塌陷分布受可溶巖空間展布控制，因而呈現(xiàn)明顯的地域性特征。該特征表現(xiàn)在：巖溶塌陷基本分布在覆蓋型可溶巖分布區(qū)，由于巖溶的構(gòu)造控制作用較強，應(yīng)力集中區(qū)塌陷發(fā)育較多，如斷裂帶、褶皺軸部等；巖溶地質(zhì)發(fā)育區(qū)主要在橫崗、坑梓、龍崗、坪山、坪地和葵涌片區(qū)，面積約60 km2，是城市發(fā)展的重要地帶，也是深圳市未來發(fā)展的后備基地。

雖然地面塌陷前期形成土洞階段的孕育時間有長有短，但是塌陷過程常是突發(fā)性的。地層結(jié)構(gòu)中溶洞越大，地下水動力越強，松散砂土層越厚，第四系潛水與巖溶水連通性越好，塌陷突發(fā)性越強。由于塌陷的突發(fā)性特征，使得塌陷發(fā)生時難以防備，導(dǎo)致樓房等工程建設(shè)的破壞也難以治理。

2 易發(fā)性評估

巖溶地面塌陷是一種突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害，影響的因素具有多樣性及復(fù)雜性，在準(zhǔn)確預(yù)測方面目前尚無絕對可靠的方法。本文評估采用經(jīng)驗指標(biāo)評估法進行易發(fā)性的預(yù)測，即根據(jù)巖溶地面塌陷的形成條件及主要影響因素，選取以下幾個主要因素，按它們對塌陷發(fā)育的影響大小分為三到四級，綜合已有經(jīng)驗，分別賦予權(quán)重指標(biāo)，詳見表1。

表1 易發(fā)性評估因子及經(jīng)驗指標(biāo)表

具體評估采用中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院《縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求》(實施細(xì)則)中推薦的地質(zhì)災(zāi)害綜合危險性指數(shù)法。

根據(jù)各單元內(nèi)巖溶地質(zhì)特征，對各網(wǎng)格單元巖溶塌陷預(yù)測因子分別賦值并求和，利用GIS空間分析功能劃分出巖溶塌陷區(qū)，巖溶塌陷預(yù)測指標(biāo)如表2(a)所示。

由于影響巖溶塌陷的因素有主次之分，為了更加如實地反映各因素對塌陷的貢獻，必須給每一指標(biāo)賦予不同的權(quán)重。評估的權(quán)重采用專家經(jīng)驗法，具體權(quán)重見表2(b)、(c)、(d)、(e)，W表示該指標(biāo)占主題層的權(quán)重。

表2 巖溶塌陷因子權(quán)重表

(b) 判斷矩陣A-B及權(quán)重分配

(c) 判斷矩陣B1-C及權(quán)重分配

(d) 判斷矩陣B2-C及權(quán)重分配

(e) 判斷矩陣B3-C及權(quán)重分配

經(jīng)過層次總排序及一致性檢驗后，總權(quán)重分配見表3。

表3 巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評估指標(biāo)權(quán)重分配表

3 巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評估結(jié)果

本次評估的結(jié)果是建立在搜集和整理深圳市已有環(huán)境地質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對深圳市地質(zhì)巖溶塌陷重點區(qū)域，用統(tǒng)計模型研究各種影響因素(如巖性、覆蓋層等)對巖溶塌陷的影響程度，評估結(jié)果如圖1所示。

圖1 深圳市巖溶塌陷易發(fā)性區(qū)劃圖

用GIS軟件計算出圖1的各區(qū)分布面積，其中，易發(fā)性極高的區(qū)域面積為6.7 km2，占深圳總面積的0.34%，易發(fā)性高的區(qū)域面積為29.5 km2，面積比重為1.51%，易發(fā)性中的區(qū)域面積為24.4 km2，占總面積1.25%。易發(fā)性極高、高的區(qū)域集中在龍崗區(qū)和坪山新區(qū)，這些區(qū)域的相關(guān)單位應(yīng)采取限制地下水開采量、填堵巖溶孔隙、灌注水泥砂漿、采用樁基礎(chǔ)穿越溶洞等工程措施減少巖溶塌陷發(fā)生的可能性，同時還須采用淺層地質(zhì)雷達、高密度電法、地下水動態(tài)監(jiān)測、水文動態(tài)監(jiān)測等方法對巖溶易發(fā)性極高、高的區(qū)域進行監(jiān)測。

深圳市歷史巖溶塌陷的空間分布見表4。

表4 深圳市歷史巖溶塌陷空間分布表

續(xù)表4

序號塌陷點塌陷日期7感水湖北西稻田1986.58G205國道K2981+274.6～290段左側(cè)2006.2.9新西村入村的水泥路中部1996.10.210新西村民居大院水井1996.10.211龍崗某大廈基坑多處塌陷1996.912龍崗某大廈勘察鉆孔ZK621996.2.2313巫屋20m商業(yè)街樓房墻外1992.8.2514巫屋20m商業(yè)街三棟房內(nèi)1992.9.615盛平新建廠房宿舍樓1994.6.416坑梓水廠6號孔1991.417坑梓文化宮北側(cè)工地1991.12.1918坑梓鎮(zhèn)信用社前街道中部1990年冬19坑梓農(nóng)貿(mào)市場西北正建民房(二層)未知20坑梓酒店東北角1991年初21坑梓汽車站北約30m1991.4-522田段心村與淡深公路間1991.423田段心村東北角1991.424牛背嶺與石陂頭之間1990年冬25牛背嶺未知26牛背嶺村西北稻田未知27龍西玉湖村民房1997.5.2328坪山街道咸水湖劉氏宗祠北側(cè)2016.4.28

根據(jù)表4，對圖1易發(fā)性區(qū)劃圖進行了驗證。結(jié)果表明：28個歷史巖溶類地質(zhì)災(zāi)害中，77.8%落入極高易發(fā)和高易發(fā)區(qū)域中，其中極高區(qū)域占59.3%，高區(qū)域占18.5%，證明圖1的分區(qū)能夠較好地反映歷史巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的分布情況，基本上反映了深圳市巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的空間分布情況。

4 結(jié)論

本文根據(jù)深圳市各區(qū)域內(nèi)巖溶地質(zhì)特征，對各網(wǎng)格單元巖溶塌陷預(yù)測因子分別賦值并求和，利用GIS空間分析功能，區(qū)劃出深圳市巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)，結(jié)果表明巖溶塌陷易發(fā)性極高、高區(qū)域的面積分別為6.7 km2和29.5 km2，分別占深圳市總面積的0.34%和1.51%，且主要分布在龍崗區(qū)和坪山新區(qū)。這些地區(qū)應(yīng)采取必要的工程措施減少巖溶塌陷發(fā)生的可能性，防止巖溶塌陷影響人民生活和城市安全。