蘇南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)

余成， 葛偉亞， 賈軍元， 邢懷學(xué)， 雷廷， 李亮

(中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016)

0 引言

目前，易發(fā)性分區(qū)和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃研究的重點(diǎn)。比較典型的是“云南省麗江古城地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃”與“湖南長沙市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃”，在“舟曲縣城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃”中將危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)引入其中，進(jìn)一步充實(shí)了評(píng)價(jià)體系。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害危害的程度與該區(qū)的人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及抵御災(zāi)害的能力等社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素相關(guān)性較大。本文嘗試從重要性指標(biāo)、危害性指標(biāo)和易發(fā)性指標(biāo)3個(gè)方面，建立評(píng)價(jià)體系，對(duì)蘇南地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃研究，并在區(qū)劃基礎(chǔ)上引入社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危害程度的影響。地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，不僅涉及的內(nèi)容包羅萬象，而且難以用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)度量。近年來，國內(nèi)外區(qū)劃評(píng)價(jià)方法已由定性分析方法向定性與定量相結(jié)合的方法方向發(fā)展，用得較多的是層次分析法，可以通過相互聯(lián)系的有序?qū)哟问箯?fù)雜問題中的各種因素結(jié)構(gòu)化[1-4]。因此，本文擬運(yùn)用層次分析法，建立評(píng)級(jí)指標(biāo)體系，并給各指標(biāo)賦一定權(quán)重，使評(píng)價(jià)結(jié)論有理可依[1]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)范圍為蘇南五市，涵蓋南京、無錫、常州、蘇州和鎮(zhèn)江市，位于中國東南沿海長江三角洲中心地帶，是中國經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)，也是人口密度較大、城鎮(zhèn)化程度較高的區(qū)域之一。區(qū)內(nèi)常住人口約3 400萬人，城鎮(zhèn)化率為76%，2017年GDP總量達(dá)到5.03萬億元，人均GDP突破15.09萬元，接近發(fā)達(dá)國家水平。

蘇南地貌類型較為復(fù)雜，包含堆積地貌、侵蝕剝蝕地貌及構(gòu)造剝蝕地貌。根據(jù)地形地貌、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等因素劃分，將蘇南劃分為3個(gè)工程地質(zhì)區(qū)： (1)長江三角洲沖積平原工程地質(zhì)區(qū)地形平坦、西高東低，沿江一帶地勢低洼，土體巖性以砂性土為主，局部為黏性土； (2)太湖沖積平原工程地質(zhì)區(qū)地勢平坦，水系發(fā)育，土體巖性以黏性土為主，東部與西部差別較為明顯，土體組成為多層結(jié)構(gòu)，孤立分布的基巖殘丘以碎屑巖建造和巖漿巖建造為主； (3)寧鎮(zhèn)—宜溧低山丘陵工程地質(zhì)區(qū)地形起伏較大，丘陵標(biāo)高在100～200 m之間，丘陵之下發(fā)育山間盆地和河谷平原，三大建造的巖體類型均有分布，土體工程地質(zhì)層以下蜀組黏性土為主。

蘇南降水量在1 000 mm以上，與同緯度地區(qū)相比，雨水充沛，年際變化小，年降水變化率在12%～24%之間。夏季6月和7月間，受東亞季風(fēng)的影響，蘇南地區(qū)進(jìn)入梅雨期，梅雨期降水量常年平均值大部地區(qū)在250 mm左右，梅雨期內(nèi)暴雨頻發(fā)，強(qiáng)降水集中。蘇南地區(qū)水資源豐富，地表水網(wǎng)密布，水域面積寬廣，地下水分布廣泛。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，近年來蘇南共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害385處，其中滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害333處，地面塌陷27處，地裂縫25處。突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害以小型滑坡、崩塌為主，主要發(fā)育在南京、鎮(zhèn)江、無錫等地的低山丘陵區(qū)； 地面塌陷災(zāi)害主要發(fā)育在地下礦產(chǎn)資源開采及強(qiáng)烈開采巖溶地下水的南京、鎮(zhèn)江等地，地裂縫災(zāi)害主要發(fā)生于蘇錫常(蘇州無錫和常州)地區(qū)。

2 技術(shù)方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃通常將地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)環(huán)境條件、誘發(fā)因素(易發(fā)性)和災(zāi)害事件的后果(危害性)三要素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并考慮所處位置的人類工程活動(dòng)強(qiáng)度建立評(píng)價(jià)體系[5-6]。

重要性基于人類工程活動(dòng)強(qiáng)度，可以用人口密度與人均GDP相關(guān)參數(shù)表征。危害性主要考慮現(xiàn)狀災(zāi)害度及隱患災(zāi)害度[7-8]?，F(xiàn)狀災(zāi)害度用地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡人數(shù)表征，隱患災(zāi)害度用經(jīng)濟(jì)預(yù)估損失和災(zāi)害威脅范圍內(nèi)人數(shù)表征[2]。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性要分災(zāi)害種類考慮，就蘇南而言，主要考慮滑坡崩塌、采空塌陷、巖溶塌陷及地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性?；卤浪玫匦纹露?、構(gòu)造發(fā)育線密度及巖性特征來表征，同時(shí)考慮地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的隱患點(diǎn)密度； 采空塌陷用開采深度、歷史和方式表征； 巖溶塌陷考慮巖溶發(fā)育程度、上覆土層厚度和巖溶水開采強(qiáng)度； 地面沉降考慮地面沉降發(fā)育程度、含水砂層厚度、弱透水層厚度及深層水開采強(qiáng)度(圖1)。

圖1 蘇南地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框圖Fig.1 Regionalization and assessment index system of geological hazard in South Jiangsu

2.2 區(qū)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)量化

按照性質(zhì)可將地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)分為定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。定量指標(biāo)可根據(jù)基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定指標(biāo)值； 定性指標(biāo)的量化較難，一般是通過對(duì)指標(biāo)進(jìn)行定性分析，確定不同等級(jí)的分值，詳見地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)判表(表1)。由于易發(fā)性評(píng)價(jià)涵蓋內(nèi)容繁雜，本文以較典型的地面沉降易發(fā)性評(píng)價(jià)為例，對(duì)區(qū)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)量化過程進(jìn)行說明。

表1 地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)判表Tab.1 Regionalization and assessment indexes of the geological hazard areas

(續(xù)表)

(1)地面沉降發(fā)育程度。地面沉降發(fā)育程度是災(zāi)害發(fā)生的最直接反映，其危險(xiǎn)性與地面沉降累計(jì)沉降量成正相關(guān)。鑒于蘇南地面沉降調(diào)查與監(jiān)測程度不一，地面沉降發(fā)育程度可通過累計(jì)沉降量反映。累計(jì)沉降量是指一定時(shí)間內(nèi)某地地面下沉的累計(jì)總量。通過統(tǒng)計(jì)匯總不同來源的沉降量數(shù)據(jù)，生成蘇南地面沉降累計(jì)沉降量分級(jí)圖(圖2)。地面沉降多發(fā)育在蘇錫常地區(qū)，依據(jù)累計(jì)沉降量將蘇南地區(qū)分為4個(gè)等級(jí)： >300 mm(很大)、(200，300] mm(較大)、(100，200] mm和≤100 mm(很小)。

圖2 蘇南地面沉降累計(jì)沉降量分級(jí)Fig.2 Cumulative settlement classification ofground subsidence in South Jiangsu

(2)含水砂層厚度。含水砂層指能透過和產(chǎn)出一定水量的土(砂)層，含水砂層厚度大，其導(dǎo)水性強(qiáng)，水井出水量大，開采地下水后砂層固結(jié)變形的潛力大。鑒于蘇南地下水開采層次不一，含水砂層厚度采用主要開采層的第Ⅱ、Ⅲ承壓水含水砂層厚度表示，生成第Ⅱ承壓含水層厚度分區(qū)圖(圖3)、第Ⅲ承壓含水層厚度分區(qū)圖(圖4)，據(jù)此將蘇南地區(qū)分為4個(gè)等級(jí)： >60 m(厚)、(40，60] m(較厚)、(20，40] m(薄)和≤20 m(較薄)。

圖3 蘇南第Ⅱ承壓含水層厚度分區(qū)Fig.3 Thickness classification of Ⅱconfined aquifer in South Jiangsu

圖4 蘇南第Ⅲ承壓含水層厚度分區(qū)Fig.4 Thickness classification of Ⅲconfined aquifer in South Jiangsu

(3)弱透水層厚度。松散層主要由欠固結(jié)的黏土、亞黏土、砂組成，其對(duì)地面沉降的貢獻(xiàn)取決于沉積物的松散程度和厚度2項(xiàng)指標(biāo)。松散層除含水砂層外，有弱透水層(允許地下水以極小速度流動(dòng)的弱導(dǎo)水巖層)和隔水層(隔水層是指透水性能差的巖層和土層)，但由于目前的地層研究并未全面揭示其分布規(guī)律，因此，用松散層厚度減去含水砂層厚度來表征弱透水層厚度，生成弱透水層厚度分區(qū)圖(圖5)，據(jù)此將蘇南劃分為4個(gè)等級(jí)： >100 m(厚)、(80，100] m(較厚)、(60，80] m(薄)和≤60 m(較薄)。

圖5 蘇南弱透水層厚度分區(qū)Fig.5 Thickness classification ofaquitard in South Jiangsu

(4)深層水開采強(qiáng)度。開采地下水是導(dǎo)致地面沉降的直接動(dòng)力，當(dāng)?shù)叵滤_采量大于補(bǔ)給量時(shí)，地面沉降趨于嚴(yán)重。目前蘇錫常地區(qū)地下水禁采，但同時(shí)地面沉降仍在不同程度的發(fā)生，因此，蘇錫常地區(qū)以地下水水位埋深來指示，生成蘇南第Ⅱ承壓水水位埋深分區(qū)圖(圖6)，據(jù)此將深層水開采強(qiáng)度劃分為4個(gè)等級(jí)： >40 m(很大)、(30，40] m(較大)、(20，30] m(較小)和≤20 m(很小)。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

采用層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，需要通過3個(gè)方面統(tǒng)籌考慮，分別為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理、咨詢專業(yè)人員建議和研究人員的專業(yè)判別[10]，具體方法如下。

(1)在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，運(yùn)用1至9標(biāo)度法，比較同一層次的各指標(biāo)對(duì)上一層次各指標(biāo)的相對(duì)重要性，通過咨詢專業(yè)人員建議和研究者的專業(yè)判別，確定權(quán)重值，并建立判斷矩陣[9]。

(2)通過方根法求得相應(yīng)的判斷矩陣特征根的最大值所對(duì)應(yīng)的特征向量，該值可以反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性排列，即是各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

(3)對(duì)求得的權(quán)重應(yīng)進(jìn)行合理性校核，通過數(shù)學(xué)方法檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性，數(shù)學(xué)方程為

CR=CI/RI

CI=(λmax-n)/(n-1) ，

(1)

式中：CR為一致性指標(biāo)；λmax為最大特征根；n為矩陣階數(shù)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

檢驗(yàn)計(jì)算CR<0.10，則說明一致性檢驗(yàn)合格，其對(duì)應(yīng)的權(quán)重可以用于地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)(表2)。

表2 地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab.2 Regionalization and assessment indexes weight of the geological hazard areas

(續(xù)表)

2.4 區(qū)劃評(píng)價(jià)流程

通過分析蘇南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害資料，建立地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。研究表明影響蘇南的地質(zhì)災(zāi)害類型主要包括地面沉降、滑坡崩塌、采空塌陷和巖溶塌陷，并對(duì)這4類進(jìn)行評(píng)價(jià)。

第一步，運(yùn)用本文建立的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)主要地質(zhì)災(zāi)害類型的易發(fā)性。在網(wǎng)格化剖分的基礎(chǔ)上，評(píng)價(jià)巖溶塌陷與滑坡崩塌的易發(fā)性，而地面沉降與采空塌陷的易發(fā)性評(píng)價(jià)單元是以對(duì)應(yīng)的易發(fā)區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)。

第二步，運(yùn)用地質(zhì)災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)模型計(jì)算區(qū)劃指數(shù):

(2)

式中：PI為區(qū)劃指數(shù)值；u為各指標(biāo)的值；w為各指標(biāo)的權(quán)重；i為所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)數(shù)，i= 1，2，3，…，n；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量。

按照PI值大小，將蘇南地區(qū)分為2個(gè)區(qū)： 當(dāng)PI>1.8時(shí)，為地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)； 當(dāng)PI≤1.8時(shí)，為地質(zhì)災(zāi)害一般防治區(qū)。按照災(zāi)害類型，又將地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)分為滑崩重點(diǎn)防治區(qū)、地面沉降重點(diǎn)防治區(qū)2種類型。

3 結(jié)果

根據(jù)上述區(qū)劃評(píng)價(jià)方法進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)，通過MapGIS軟件繪制出蘇南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃圖(圖7)。

地面沉降重點(diǎn)防治區(qū)主要分布在蘇州、無錫、常州一帶，是蘇南地面沉降最嚴(yán)重的區(qū)域，累計(jì)沉降量均超過100 mm，最大沉降量達(dá)3.0 m，蘇錫常地區(qū)地面沉降主要是由于長期超采地下水造成的，2000年以來，蘇錫常全域禁止開采地下水，地面沉降的趨勢得到有效緩解，有的地區(qū)地面甚至出現(xiàn)回升，但局部地區(qū)仍以5～10 mm/a的速度在沉降。建議區(qū)內(nèi)應(yīng)該嚴(yán)格控制地下水開采、人工回灌，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測，按年度制定控制指標(biāo)[6]。

圖7 蘇南地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃Fig.7 Geological hazard regionalization of South Jiangsu

滑坡崩塌重點(diǎn)防治區(qū)分布在寧鎮(zhèn)山脈、南京浦口、宜興、溧陽等低山丘陵區(qū)。滑坡崩塌重點(diǎn)防治區(qū)面積約3 200 km2，區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，地貌類型多樣，地形變化較大，由于早期城市建設(shè)需要，區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了大量采石場，江蘇省礦山治理實(shí)施后，關(guān)停了大部分采石廠，遺留了大量采石宕口，形成了很多滑坡崩塌隱患。建議在區(qū)內(nèi)建立和完善突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害群測群防網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)區(qū)內(nèi)工程活動(dòng)的監(jiān)督、管理，并對(duì)滑坡、崩塌隱患點(diǎn)進(jìn)行勘察、治理，對(duì)重點(diǎn)礦山和露采礦山集中區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害專項(xiàng)調(diào)查、監(jiān)測[3]。

4 結(jié)論與建議

(1)基于重要性、危害性和易發(fā)性，建立了由7個(gè)二級(jí)指標(biāo)、20個(gè)三級(jí)指標(biāo)組成的蘇南地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評(píng)價(jià)方法流程。

(2)蘇南共劃定4個(gè)地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)，面積為7 230 km2，占蘇南總面積的25.94%。這其中包括： 地面沉降重點(diǎn)防治區(qū)1個(gè)，面積為4 070 km2； 滑坡崩塌重點(diǎn)防治區(qū)3個(gè)，面積3 200 km2。建議在地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)實(shí)地摸排，查清地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀，對(duì)典型的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行研究，建立一套適合蘇南滑坡崩塌的治理方法。

(3) 使用層次分析法對(duì)蘇南地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了區(qū)劃評(píng)價(jià)，同時(shí)構(gòu)建了相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系和指標(biāo)體系，使區(qū)劃工作科學(xué)化與系統(tǒng)化，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)蘇南地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害研究與治理工作具有一定的支撐作用。