湖北武漢巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)

涂 婧，劉長憲，姜 超，鄭曉明，熊志濤，廖明政，李海濤

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430000；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

0 引言

武漢市屬于長江中游特大城市之一，位于長江和漢江交匯處，地處江漢平原東部，也是我國主要的巖溶地區(qū)城市之一。近三十年來，隨著武漢市城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，給城市建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了一定的損失，嚴(yán)重制約了武漢市社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為了提出科學(xué)合理的巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害防治措施和保障城市化進(jìn)程的順利進(jìn)行，開展巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)是一項(xiàng)十分重要的工作。

一般來說，對地質(zhì)災(zāi)害的評估主要包括易發(fā)性評價(jià)、危險(xiǎn)性評價(jià)、易損性評價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)等幾個(gè)過程[1]。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)主要針對地質(zhì)災(zāi)害體自身?xiàng)l件的綜合評價(jià)，是地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)過程中的重要基礎(chǔ)[2-3]。對于巖溶塌陷來說，巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)主要是針對巖溶體自身所處的地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行綜合性評價(jià)。近年來，有關(guān)巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)的研究成果較多，如王愛云等[4]提出了一種基于GIS技術(shù)和不均勻鉆孔數(shù)據(jù)的巖溶地面塌陷易發(fā)性評價(jià)的新方法；周國清等[5]采用模糊層次分析法，建立巖溶塌陷模型，完成了廣西來賓市吉利村巖溶塌陷的定量評價(jià)。

本文在以往武漢市巖溶地質(zhì)調(diào)查、勘查、監(jiān)測資料和開展的1∶5萬巖溶塌陷調(diào)查成果資料[6-9]的基礎(chǔ)上，采用層次分析法和綜合指數(shù)法相結(jié)合，評價(jià)了武漢市主要城區(qū)的巖溶塌陷易發(fā)性，可為武漢市城市建設(shè)規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)等工作提供技術(shù)支撐。

1 評價(jià)區(qū)概況

武漢市是我國中部重鎮(zhèn)，在我國長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃中具有舉足輕重的地位。評價(jià)范圍覆蓋武漢市主要7個(gè)中心城區(qū)(武昌區(qū)、洪山區(qū)、青山區(qū)、漢陽區(qū)、硚口區(qū)、江漢區(qū)、江岸區(qū))，4個(gè)遠(yuǎn)城區(qū)(蔡甸區(qū)、漢南區(qū)、江夏區(qū)、東西湖區(qū))以及2個(gè)國家級開發(fā)區(qū)(武漢東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)、武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū))(圖1，紅框內(nèi)為評價(jià)區(qū))。

圖2 評價(jià)區(qū)地形地貌圖Fig.2 Topographic and geomorphological map of the study area1—沖積平原；2—湖沖積平原；3—湖積平原；4—剝蝕堆積壟崗地貌；5—構(gòu)造剝蝕丘陵地貌

圖1 武漢市交通位置圖(圖中紅框?yàn)?∶5萬調(diào)查范圍)Fig.1 Location map of the Wuhan City

評價(jià)區(qū)地貌可劃分為湖沖積平原、剝蝕堆積壟崗和構(gòu)造剝蝕丘陵。湖沖積平原主要分布在長江、漢江沿岸及各湖泊周緣，為河流湖泊漫灘和一級階地；剝蝕堆積壟崗地貌單元分布范圍最廣，地形呈波狀起伏，為長江三級階地臺面；構(gòu)造剝蝕丘陵主要呈近東西向念珠狀有序產(chǎn)出、帶狀或零星殘丘狀分布，分布面積較小(圖2)。

評價(jià)區(qū)詳細(xì)的可溶巖分布及埋藏特征、巖溶層組類型、巖溶水發(fā)育特征、巖溶發(fā)育特征等可參考李慧娟等[7]文獻(xiàn)，巖溶地質(zhì)條件、第四系土層特征、水文地質(zhì)條件可參考涂婧等[9]文獻(xiàn)。

2 巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)方法

由于影響巖溶塌陷的基本因素錯(cuò)綜復(fù)雜且沒有界限值，具有一定的不確定性、模糊性，難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述方法去闡述巖溶塌陷的過程，但各影響因素之間又具有明顯的空間相關(guān)性[10]，難以采用定量的方法對巖溶塌陷易發(fā)性進(jìn)行評估，層次分析法是一種較為合理的定性定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法[11]。

易發(fā)性評價(jià)的基本流程如圖3所示，主要包括評價(jià)指標(biāo)體系的建立、評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定、評價(jià)模型的建立等主要環(huán)節(jié)。

3 武漢市巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)

3.1 評價(jià)指標(biāo)體系

3.1.1評價(jià)指標(biāo)體系選擇原則

評價(jià)指標(biāo)體系的選擇原則主要包括：

（二）整合教學(xué)的策略。教師要從課程內(nèi)容方面實(shí)現(xiàn)三種目標(biāo)的整合，而不是每節(jié)課都機(jī)械地按照三個(gè)維度來陳述教學(xué)目標(biāo)。比如在學(xué)習(xí)西方國家的傳統(tǒng)節(jié)日這一課時(shí)，先布置學(xué)生課前整理搜集相關(guān)資料，課堂上進(jìn)行小組合作討論自己最喜歡的節(jié)日以及理由，最終小組反饋討論結(jié)果并談一談在蘇州體會到的西方節(jié)日氣氛如何。

(1)選擇指標(biāo)要對巖溶塌陷有明顯影響，且在評價(jià)區(qū)內(nèi)有明顯差異，且能出現(xiàn)臨界值；

(2)盡量選擇基礎(chǔ)資料較完整，可進(jìn)行計(jì)量或估量的指標(biāo)，便于定量分析；

(3)盡量選擇相對獨(dú)立的指標(biāo)。

3.1.2評價(jià)指標(biāo)體系選擇

武漢市巖溶塌陷的孕育、發(fā)展和形成受到多種因素的影響。歸納起來，主要有3個(gè)影響因素：下伏基巖巖溶發(fā)育程度、上覆土層特征和地下水動力條件。巖溶發(fā)育程度是巖溶塌陷形成、發(fā)展最基礎(chǔ)的控制性因素；覆蓋土層是塌陷產(chǎn)生的物質(zhì)來源，不同厚度、不同性質(zhì)土層對塌陷形成具有不同的影響；地下水活動條件是巖溶發(fā)育、塌陷形成的最重要的動力因素。

圖3 易發(fā)性評價(jià)流程圖Fig.3 Flow chart of susceptibility assessment

根據(jù)武漢市巖溶塌陷調(diào)查成果資料及巖溶塌陷影響因素分析[6]，選擇了4個(gè)條件、共8個(gè)指標(biāo)因子，作為武漢市巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)指標(biāo)，形成評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

3.2 權(quán)重確定

權(quán)重確定是針對各評價(jià)因子之間的重要程度，構(gòu)建一個(gè)能夠反應(yīng)評價(jià)因子兩兩之間關(guān)系的判斷矩陣，再通過層次分析，計(jì)算出各評價(jià)因子的權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)以保證其客觀性[12]。根據(jù)層次分析法，計(jì)算、調(diào)整、確定指標(biāo)權(quán)重(表2)。

3.3 評價(jià)模型

采用加權(quán)平均綜合指數(shù)模型，進(jìn)行巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)。加權(quán)平均法是將各個(gè)因子先按分級標(biāo)準(zhǔn)判斷為四級，并將其從高易發(fā)到不易發(fā)依次評分為3、2、1、0作為單因子得分值。將單因子得分值代入加權(quán)平均公式計(jì)算綜合指數(shù)。權(quán)值的引入反映出不同要素對巖溶塌陷的不同影響程度。其計(jì)算公式如下：

表1 武漢市巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)指標(biāo)體系

表2 組合權(quán)重表

(1)

式中：PI——加權(quán)平均綜合指數(shù)；

Wi——權(quán)值。

根據(jù)表1和表2，易發(fā)性評價(jià)模型為：

PI=0.24×C1+0.12×C2+0.07×C3+0.04×

C4+0.22×C5+0.02×C6+0.06×C7+0.23×C8。

將單因子得分值代入加權(quán)平均公式計(jì)算綜合指數(shù)，最后確定易發(fā)性評價(jià)等級，由高到低依次為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、不易發(fā)區(qū)等(表3)。

3.4 易發(fā)性評價(jià)結(jié)果

在確定評價(jià)指標(biāo)體系、指標(biāo)權(quán)重值、評價(jià)模型等后，根據(jù)調(diào)查成果資料，編制評價(jià)指標(biāo)單要素圖，利用評價(jià)模型，評價(jià)武漢市巖溶塌陷易發(fā)性，評價(jià)結(jié)果如圖4所示。

表3 巖溶塌陷易發(fā)性等級分級表

根據(jù)評價(jià)結(jié)果(圖4、表4)，高易發(fā)區(qū)(含四個(gè)亞區(qū))面積149.62 km2，占評價(jià)區(qū)總面積的5.61%，主要分布于長江一級階地或單層黏土層較薄的覆蓋型巖溶區(qū)，巖溶發(fā)育程度強(qiáng)-中等，巖溶地質(zhì)條件脆弱，所有塌陷分布于高易發(fā)區(qū)；中易發(fā)區(qū)(含五個(gè)亞區(qū))面積約231.02 km2，占評價(jià)區(qū)總面積的8.67%，主要分布于上覆較厚的單層黏土、巖溶強(qiáng)-中等發(fā)育的覆蓋型巖溶區(qū)；低易發(fā)區(qū)(含五個(gè)亞區(qū))面積約384.35 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的14.42%，主要為巖溶弱發(fā)育或埋藏型巖溶區(qū)；其余為不易發(fā)區(qū)。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

本文結(jié)合武漢市巖溶地質(zhì)條件，采用層次分析法和綜合指數(shù)法相結(jié)合，對評價(jià)區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性進(jìn)行了評價(jià)。評價(jià)結(jié)果顯示，巖溶塌陷易發(fā)程度在空間分布上具有明顯的地帶差異性：巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)面積149.62 km2，主要分布于長江一級階地或單層黏土層較薄的覆蓋型巖溶區(qū)，巖溶地質(zhì)條件脆弱；中易發(fā)區(qū)面積約231.02 km2，主要分布于上覆較厚的單層黏土、巖溶強(qiáng)-中等發(fā)育的覆蓋型巖溶區(qū)；低易發(fā)區(qū)面積約384.35 km2，主要為巖溶弱發(fā)育或埋藏型巖溶區(qū)。

圖4 巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)分區(qū)圖Fig.4 Zoning map of susceptibility assessment for karst collapse1—高易發(fā)區(qū)；2—中等易發(fā)區(qū)；3—低易發(fā)區(qū)；4—不易發(fā)區(qū)

表4 巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)分區(qū)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)評價(jià)結(jié)果，武漢市主要城區(qū)的大部分區(qū)域?yàn)閹r溶塌陷不易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)或中易發(fā)區(qū)。高易發(fā)區(qū)雖然面積占比小，但目前的巖溶塌陷事件基本都發(fā)生在高易發(fā)區(qū)，需要引起重視[13]。

4.2 建議

(1)巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)主要針對巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害體自身?xiàng)l件進(jìn)行綜合評價(jià)，還沒有考慮外界因素或經(jīng)濟(jì)社會因素的影響，如大氣降雨、地下水開采、人類工程活動、人口密度分布等，制定詳細(xì)的巖溶塌陷防治措施，還需要進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)等研究工作。

(2)根據(jù)巖溶塌陷易發(fā)性評價(jià)結(jié)果，在巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)，原則上應(yīng)該避免進(jìn)行大規(guī)模的工程建設(shè)，如地下工程、超高建構(gòu)筑物等；在中易發(fā)區(qū)，在進(jìn)行大規(guī)模建設(shè)之前，應(yīng)該對場地巖溶地質(zhì)條件進(jìn)行更為詳細(xì)的勘查，并制定相應(yīng)巖溶塌陷防治措施和預(yù)案；在低易發(fā)區(qū)或不易區(qū)，一般不會產(chǎn)生巖溶塌陷，適宜大多數(shù)工程建設(shè)，地下工程、建構(gòu)筑物、道路交通等應(yīng)優(yōu)先選擇在這些區(qū)域。但武漢市巖溶地質(zhì)條件是錯(cuò)綜復(fù)雜的，仍需高度關(guān)注工程施工對地質(zhì)環(huán)境造成的變化和影響，避免出現(xiàn)傷亡事故等。