東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險性評價

李飛飛, 龐 煒, 黃溯航, 項 京, 朱杭琦, 王 濤

(北京城建勘測設(shè)計研究院有限責任公司，北京 100101)

巖溶是可溶巖在水的化學(xué)溶蝕作用下，伴隨水流的沖蝕、侵蝕等機械作用形成的地質(zhì)現(xiàn)象。中國可溶巖面積分布廣泛，約占國土面積的1/8[1-2]，皖南山區(qū)由于受到構(gòu)造運動和水流侵蝕的影響，溶洞發(fā)育普遍具有多層性的特點[3]。巖溶區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害往往具有隱蔽性和突發(fā)性的特點，在巖溶區(qū)進行工程建設(shè)時，由于巖溶破壞了基巖的完整性，導(dǎo)致巖體的強度和承載力大幅度降低，給工程的設(shè)計和施工帶來一定的困難，影響工程建設(shè)的安全。

影響巖溶發(fā)育的誘因眾多，影響因素復(fù)雜，巖溶引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害是多因素共同作用的結(jié)果。多年來眾多學(xué)者對巖溶發(fā)育機理、巖溶危險性預(yù)測評價及巖溶塌陷的防治等方面做了大量工作。馮文凱等[4]通過對貴州某機場巖溶成因機制、分布規(guī)律進行了探討和分析，對場地巖溶發(fā)育特征進行了研究。賀彬等[5]根據(jù)上覆土層和基巖間的組合關(guān)系，通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計和數(shù)值模擬對武漢地鐵6號線的巖溶發(fā)育特征進行研究，并提出巖溶治理比選方案。目前，隨著巖溶理論水平和地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)技術(shù)的發(fā)展，中外對巖溶區(qū)危險性評價主要涉及評價指標的選取和評價方法的選擇[6-8]、巖溶塌陷的危險性評價[9-11]、易發(fā)性評價[12]等，使巖溶評價方法更趨于多元化和科學(xué)性。賀懷振等[13]采用ArcGIS中的ModelBuilder工具建立了徐州地鐵模糊綜合評價模型，將地鐵沿線劃分了4個不同的危險等級。武鑫等[14]運用層析分析-模糊綜合評價法對徐州市巖溶塌陷易發(fā)程度進行評價，得到了徐州市巖溶塌陷易發(fā)程度分區(qū)圖。崔霖峰等[15]、王恒恒等[16]、吳麗清等[17]選取不同評價因子，采用層次分析法對武漢市巖溶塌陷危險性進行了分區(qū)評價。

巖溶發(fā)育是多因素長期相互作用的結(jié)果，其發(fā)育過程多表現(xiàn)為具有復(fù)雜形成機理的非線性動力現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場踏勘和前期地質(zhì)勘察成果，東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育主要沿麻川河及支流呈條帶狀分布，且揭露溶洞多為串珠狀，研究區(qū)未發(fā)現(xiàn)巖溶塌陷坑，地表溶蝕現(xiàn)象不明顯。研究區(qū)地表水分布、地下水動態(tài)特征以及覆蓋層條件為研究區(qū)控制巖溶發(fā)育的主要因素。鑒于此，在對東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育特征分析的基礎(chǔ)上，選取影響研究區(qū)巖溶發(fā)育的6項主控因素，利用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)將定性與定量相結(jié)合的思路解決了實際問題，得出了更加科學(xué)的各地質(zhì)因素對巖溶發(fā)育危險性的貢獻權(quán)重，應(yīng)用GIS和AHP多源信息相融合的方法，構(gòu)建了東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險性分區(qū)評價模型，對研究區(qū)巖溶發(fā)育危險性進行預(yù)測分區(qū)，并將鉆孔揭露巖溶情況與評價分區(qū)結(jié)果進行擬合校正。結(jié)果表明采用GIS和AHP構(gòu)建的巖溶發(fā)育危險性分區(qū)評價方法科學(xué)合理，預(yù)測效果較好。研究成果對東黃山國際小鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、規(guī)劃和巖溶區(qū)防災(zāi)減災(zāi)具有一定的指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

東黃山國際小鎮(zhèn)位于黃山市黃山區(qū)譚家橋鎮(zhèn)，屬皖南山區(qū)腹地，東接旌德，南依湯口，西鄰黃山風景名勝區(qū)，被稱為黃山的東大門。譚家橋鎮(zhèn)所在的黃山區(qū)域位于皖南“三山三湖”山水觀光旅游發(fā)展帶，是皖南文化旅游發(fā)展的核心。東黃山國際小鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施配套工程建設(shè)主要包括道路工程、給水、排水管網(wǎng)工程、污水廠和自來水廠、客運中心站和核心區(qū)公交場站、河道治理等工程。

研究區(qū)地貌為山間谷地，整體地形為南高北低，屬于典型的沖洪積沉積地層(圖1)。研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16.3 ℃，年降雨量2 058 mm，境內(nèi)水資源豐富，河流縱橫，主要河流為麻川河及其支流。構(gòu)造單元屬于揚子準地臺江南過渡帶太平復(fù)向斜北翼，自古生代以來，經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運動，形成了比較復(fù)雜的褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造形跡，主要有譚家橋向斜和譚家橋-湯口斷裂。區(qū)內(nèi)地層屬揚子地層區(qū)江南地層分區(qū)的廣德-黃山地層小區(qū)，區(qū)域地層主要有寒武系荷塘組、寒武系西陽山組、華嚴寺組、第四系沖洪積地層。其中，寒武系西陽山組地層為灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r，呈青灰色，主要分布在研究區(qū)中部和北部，在構(gòu)造運動和地下水流侵蝕作用下，巖溶裂隙、洞穴發(fā)育。地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水，地下水流向與研究區(qū)地形地貌大致一致，總體為自南至北流。

圖1 研究區(qū)三維地貌示意圖Fig.1 Three-dimensional topographic map of the study area

2 巖溶發(fā)育主控因素及專題圖建立

2.1 主控因素的確定

影響巖溶發(fā)育的因素是多方面的，且各因素之間相互影響、相互制約。通過對研究區(qū)巖溶發(fā)育特點和鉆孔揭露巖溶的分析，確定了東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育的影響因素主要有巖溶發(fā)育條件、地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件等。其中，第四系下伏灰?guī)r為巖溶發(fā)育的物質(zhì)條件；地下水水位波動以及地下水與地表水體的水力聯(lián)系為巖溶發(fā)育提供了動力條件；第四系沖洪積物的厚度及沉積物特征對第四系松散巖類孔隙水和巖溶裂隙水的水力聯(lián)系具有一定的影響。因此，綜合考慮了研究區(qū)巖溶分布規(guī)律和發(fā)育特征，從巖溶發(fā)育條件、第四系覆蓋層條件和水文地質(zhì)條件3個角度出發(fā)，結(jié)合前人研究成果，選取地層巖性、鉆孔遇洞率、覆蓋層厚度、土層結(jié)構(gòu)、地下水水位埋深、距地表河流的距離等6個評價指標作為巖溶發(fā)育的主控因素，構(gòu)建了研究區(qū)巖溶發(fā)育危險性評價層次分析結(jié)構(gòu)模型(圖2)。

圖2 巖溶發(fā)育危險性層次分析結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structural model for analytic hierarchy process of karst development risk

2.2 主控因素專題圖的建立

根據(jù)研究區(qū)收集到的區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，利用鉆孔揭露溶洞情況及地表水分布情況，提取各影響因素數(shù)據(jù)，應(yīng)用GIS軟件對各主控因素進行賦值和插值計算處理，構(gòu)建各主控因素專題圖(圖3)。

(a)基巖分布

由圖3(a)可以看出，灰?guī)r區(qū)主要分布在研究區(qū)中部和北部，南部僅零星分布。根據(jù)鉆孔揭露情況，研究區(qū)北部和中部均有鉆孔揭露溶洞，鉆孔見洞率為0.4～0.8。由圖3(b)可以看出，研究區(qū)東南部第四系覆蓋層厚度較小，土層厚3.0～6.2 m，中部和北部第四系覆蓋層厚度較大，厚 4.0～ 12.5 m。由圖3(d)可以看出，研究區(qū)西南部土層結(jié)構(gòu)主要為單層或雙層結(jié)構(gòu)，其他區(qū)域主要為多層結(jié)構(gòu)，土層厚度越薄、土層結(jié)構(gòu)越簡單，大氣降雨和地下水的水力聯(lián)系越緊密，越有利于巖溶發(fā)育。由圖3(e)可以看出，研究區(qū)地下水位整體表現(xiàn)為由南至北地下水位逐漸降低的特點，與研究區(qū)地形地貌大致一致。由圖3(f)可以看出，距離地表河流越近，地表水對地下水的補給越強烈，水力聯(lián)系越緊密，越有利于巖溶的發(fā)育。

3 巖溶發(fā)育危險性評價模型的構(gòu)建

3.1 指標權(quán)重的確定

巖溶發(fā)育是多種因素相互作用非線性動態(tài)變化過程，各個因素在巖溶發(fā)育的影響也不盡相同，因此在評價過程中需要對各個影響因素的貢獻大小進行量化。AHP是美國運籌學(xué)家Saaty教授于20世紀80年代提出的一種實用的多方案或多目標的決策方法，通過將人的主觀和經(jīng)驗對評價指標進行一定的量化分析，使之更具有條理性[18-19]。

3.1.1 建立層次結(jié)構(gòu)分析模型

將巖溶發(fā)育AHP評價模型的6個主控因素劃分為3個層次，將巖溶發(fā)育危險性評價作為模型的A層次；巖溶發(fā)育條件、覆蓋層條件和水文地質(zhì)條件影響巖溶發(fā)育影響巖溶發(fā)育規(guī)模和分布，作為模型的B層次；各個子因素作為模型的決策層(C層次)，這樣就把研究對象作為一個系統(tǒng)， 用層次分析法進行決策，即可達到最終求解的目的。

3.1.2 構(gòu)建判斷矩陣

通過對各主控因素在巖溶發(fā)育危險性評價模型中貢獻大小進行分析，采用Saaty創(chuàng)立的1～9標度方法進行打分，構(gòu)建研究區(qū)巖溶發(fā)育危險性AHP評價判斷矩陣，如表1所示。

表1 判斷矩陣Table 1 Judgment matrix

對判斷矩陣進行一致性檢驗，判斷矩陣一致性檢驗系數(shù)CR=0.004，即CR<0.1，可以通過一致性檢驗，最終得到的權(quán)重值如表2所示。

表2 各影響因素權(quán)重值Table 2 Weight of impact factors

3.2 評價模型的構(gòu)建

在確定巖溶發(fā)育各影響因素權(quán)重的基礎(chǔ)上，引入巖溶發(fā)育危險性評價指數(shù)對研究區(qū)巖溶發(fā)育危險性進行綜合評價，巖溶發(fā)育危險性評價模型可用式(1)表示：

(1)

式(1)中：VI為巖溶發(fā)育危險性評價指數(shù)；Wk為權(quán)重；fk(x,y)為評價因素指標值，(x,y)為坐標；n為影響因素個數(shù)。

4 巖溶發(fā)育危險性評價分區(qū)

各主控因素經(jīng)歸一化處理后，應(yīng)用GIS軟件對各專題圖進行復(fù)合疊加處理，計算得到研究區(qū)巖溶發(fā)育危險性評價指數(shù)，依據(jù)GIS分級上常用的Natural Breaks(Jenks)對危險性指數(shù)值進行分級，最終得到東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險性評價分區(qū)圖(圖4)。

由巖溶發(fā)育危險性評價分區(qū)圖(圖4)可以看出，研究區(qū)南部和中部東側(cè)部分區(qū)域為非巖溶發(fā)育區(qū)，紅色區(qū)域為巖溶發(fā)育高發(fā)育區(qū)，主要分布于研究區(qū)北部，中部和南部零星分布，面積約0.4 km2，約占評價區(qū)總面積的5%，表現(xiàn)為明顯的沿河流呈條帶狀分布的特點。根據(jù)后期東黃山國際小鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施項目勘察鉆孔揭露情況，揭露溶洞的11個鉆孔均位于評價圖中的危險區(qū)，擬合程度高，表明依據(jù)各影響因素構(gòu)建的東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險性評價分區(qū)模型與實際相符。

圖4 東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險性評價分區(qū)圖Fig.4 Zoning map of karst development risk assessment in Donghuangshan international town

5 結(jié)論

(1)綜合東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶分布規(guī)律和發(fā)育特征，從巖溶發(fā)育條件、第四系覆蓋層條件和水文地質(zhì)條件3個角度出發(fā)，選取6個主控因素作為巖溶發(fā)育危險性評價指標，構(gòu)建了東黃山巖溶發(fā)育危險性評價模型。

(2)應(yīng)用GIS軟件對影響巖溶發(fā)育的主控因素進行處理，繪制了各主控因素專題圖，應(yīng)用AHP得到各主控因素的權(quán)重值，引入巖溶發(fā)育危險性評價指數(shù)，構(gòu)建了東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險性評價模型。

(3)基于GIS-AHP多源信息相融合的評價方法得到了研究區(qū)巖溶發(fā)育危險性評價分區(qū)圖，巖溶發(fā)育高發(fā)育區(qū)，主要分布于研究區(qū)北部，中部和南部零星分布，面積約0.4 km2，約占評價區(qū)總面積的5%，表現(xiàn)為明顯的沿河流呈條帶狀分布的特點。

(4)根據(jù)鉆孔揭露，東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育多以覆蓋性串珠狀溶洞為主，揭露溶洞的11個鉆孔均位于評價圖中的危險區(qū)，擬合程度高，表明依據(jù)各主控因素構(gòu)建的東黃山國際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險性評價分區(qū)模型與實際相符。