基于專家-層次分析法的巖溶地面塌陷易發(fā)性評價
——以廣西平桂區(qū)為例

江思義，吳福，黃希明，李海良，何德順

（1.廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，廣西 南寧 530029；2.賀州市平桂區(qū)自然資源局，廣西 賀州 542827)

0 引言

巖溶地面塌陷是喀斯特地區(qū)特有的地質(zhì)災(zāi)害，制約城鄉(xiāng)規(guī)劃與開發(fā)，威脅人民生命財產(chǎn)安全（雷明堂和項式鈞，1997；吳福等，2019）。

對巖溶地面塌陷進行易發(fā)性分區(qū)評價，對城鄉(xiāng)建設(shè)有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者對這方面的研究枚不勝舉，吳福等（2019）利用地質(zhì)環(huán)境要素對桂林規(guī)劃中心城區(qū)展開了巖溶塌陷易發(fā)性評價研究；賈龍等（2017）利用層次分析法對廣州、佛山和肇慶市的巖溶區(qū)進行了巖溶塌陷易發(fā)性分析；張國麗等（2015）以湖北省鄂州程潮鐵礦和黃石大冶鐵礦為例，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對研究區(qū)進行了巖溶塌陷易發(fā)性評價研究；譚松林等（2009）以湖南寧鄉(xiāng)煤炭壩礦區(qū)為例，對該區(qū)域的巖溶塌陷和易發(fā)性進行了研究；何書等（2009）利用模糊貼近度理論，對武山銅礦區(qū)上屋周地段巖溶塌陷進行了巖溶塌陷易發(fā)性評價；尹歐（2014）利用地質(zhì)環(huán)境要素對大成橋巖溶塌陷成災(zāi)機制及易發(fā)性評了評價研究。類似的研究成果不勝枚舉，針對不同區(qū)域所選取的巖溶塌陷易發(fā)性評價的因子和評價方法成為研究的關(guān)鍵。

本文以廣西賀州市平桂區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查資料為依據(jù)，選取針對該區(qū)的影響巖溶塌陷易發(fā)性的地質(zhì)環(huán)境因素為評價因子，采用層次分析法對平桂區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性進行了評價研究。

1 評價方法

本次研究采用在定性分析平桂區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性的影響因子的基礎(chǔ)上，基于GIS平臺利用專家-層次分析定權(quán)法（蔡鶴生等，1998）對賀州市平桂區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性進行劃分。步驟如下（吳福等，2019；江思義等，2019a，2019b，2019c）：

（1）根據(jù)實際情況，用專家打分法確定評價因子；

（2）通過GIS軟件按各因子的影響程度進行劃區(qū)，并對各區(qū)進行參數(shù)賦屬性；

（3）用層次分析法計算出各因子的權(quán)重；

（4）用GIS軟件的屬性管理功能計算出各單元網(wǎng)格的適宜性指數(shù)F值。計算公式如下：

式（1）中：F——巖溶塌陷易發(fā)性指數(shù)；R(i)——各因子權(quán)重；G(i)——對應(yīng)因子的判別分值。F越小，表示該單元的巖溶塌陷的易發(fā)性越高；反之亦然。

（5）利用GIS平臺自動生成F等值線圖，得到研究區(qū)易發(fā)性分區(qū)圖，最后做出評價。

2 工程實例及評級研究

2.1 研究區(qū)概況

賀州市平桂區(qū)地處桂東北，賀州市中部，坐標為 東 經(jīng)111°12′～111°41′，北 緯23°52′～24°34′，面積2022 km2。平桂區(qū)地形復(fù)雜、地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，區(qū)內(nèi)人類工程活動頻繁，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，研究區(qū)巖溶分布面積618.4 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的30.6%。據(jù)統(tǒng)計，巖溶地面塌陷共98處，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的24.56%，災(zāi)害數(shù)量為調(diào)查區(qū)第二多的災(zāi)種。巖溶地面塌陷主要集中在沙田鎮(zhèn)、黃田鎮(zhèn)、公會鎮(zhèn)等。巖溶地面塌陷制約城鄉(xiāng)規(guī)劃和開發(fā)建設(shè)，威脅人民生命財產(chǎn)安全（江思義等，2019d，2019e，2019f）。

2.2 評價因子的選取

從平桂區(qū)的地質(zhì)概況實際出發(fā)，并結(jié)合《1∶50000巖溶塌陷調(diào)查規(guī)范》（送審稿），以巖溶塌陷易發(fā)性做為目標層，二級評判因子（準則層）選擇了基巖、土層、地下水、已有塌陷和人類工程活動構(gòu)成；根據(jù)調(diào)查成果對工作區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征、形成條件和影響因素的綜合分析，三級評判因子（措施層）包括：塌陷密度、巖溶發(fā)育程度、第四系底部土層液性指數(shù)、第四系底部土層巖性、土層結(jié)構(gòu)、土層厚度、巖溶水承壓性、地下水年變化幅度、居民地密度、路網(wǎng)密度、礦山開采強度11個影響巖溶地面塌陷易發(fā)性的地質(zhì)環(huán)境因素。平桂區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性評價指標體系見圖1。

圖1 巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)評價指標體系

對各評價因子進行分析，得出各評價因子的分區(qū)評價圖，具體如下。

（1）巖溶發(fā)育程度（X1）：對平桂區(qū)巖溶發(fā)育程度單因子進行分區(qū)：巖溶塌陷易發(fā)性的強弱與巖溶發(fā)育程度強弱呈正比。巖溶發(fā)育程度與巖溶塌陷易發(fā)性的強、中、弱三個級別分別一一對應(yīng)，巖溶發(fā)育程度由強到弱對應(yīng)的分值分別是：4分、3分、2分，非巖溶區(qū)計分1分。

（2）土層厚度（X2）：對平桂區(qū)土層厚度單因子進行分區(qū)：一定厚度的覆蓋層是巖溶塌陷的必要條件之一，上覆土層的內(nèi)聚力強，含水量低，土層越厚越不容易引起塌陷。將平桂區(qū)內(nèi)土層厚度劃分成三個等級：0～15 m（計分4分）、15～30 m（計分3分）、＞30 m（計分2分），非巖溶區(qū)計分1分。

（3）土層結(jié)構(gòu)（X3）：對平桂區(qū)土層結(jié)構(gòu)單因子進行分區(qū)：土層結(jié)構(gòu)與土的崩解程度存在正相關(guān)關(guān)系，即土層結(jié)構(gòu)越多土體強度越低，土質(zhì)越疏松土層穩(wěn)定性越差。土體結(jié)構(gòu)包括單層、雙層、多層三種形式，多層土體結(jié)構(gòu)對巖溶塌陷影響最顯著（計分4分），雙層土體結(jié)構(gòu)次之（計分3分），單層土體結(jié)構(gòu)對巖溶塌陷影響最弱（計分2分），非巖溶區(qū)計分1分。

（4）第四系底部土層巖性（X4）：對平桂區(qū)第四系底部土層巖性單因子進行分區(qū)：第四系底部土層巖性對土體崩解和崩塌的影響明顯，土層巖性粘粒含量愈多，崩解量愈少。砂土、淤泥對巖溶塌陷影響程度最為顯著（計分4分），粉土次之（計分3分），碎石土、粉質(zhì)粘土、粘土對巖溶塌陷影響程度最弱（計分2分），非巖溶區(qū)計分1分。

（5）第四系底部土層液性指數(shù)（X5）：對平桂區(qū)第四系底部土層液性指數(shù)單因子進行分區(qū)：第四系底部土層液性指數(shù)愈大愈容易崩解，第四系底部土層液性指數(shù)為流塑（軟塑）對巖溶塌陷影響程度最顯著（計分4分）、可塑狀次之（計分3分）、硬塑（堅硬）影響最弱（計分2分），非巖溶區(qū)計分1分。

（6）地下水年變化幅度（m/年）（X6）：對平桂區(qū)地下水年變化幅度單因子進行分區(qū)：地下水年變化幅度與巖溶塌陷也呈正相關(guān)。地下水位變化幅度分為＞10 m對巖溶塌陷影響程度最顯著（計分4分）、5～10 m次之（計分3分），＜5 m影響最弱（計分2分），非巖溶區(qū)計分1分。

（7）巖溶水承壓性（X7）：對平桂區(qū)巖溶水承壓性單因子進行分區(qū)：巖溶水的承壓性主要影響地下水位的波動。巖溶水在基巖面上下反復(fù)波動時，對土體影響最大，最容易使土體崩解，產(chǎn)生崩塌。巖溶水在基巖面上下反復(fù)波動對巖溶塌陷影響程度最顯著（計分4分）、在基巖面以下波動次之（計分3分）、在基巖面以上波動影響最弱（計分2分），非巖溶區(qū)計分1分。

（8）已有塌陷密度（X8）：對平桂區(qū)已有塌陷密度單因子進行分區(qū)：根據(jù)規(guī)范，塌陷密度分為≥10個/10 km2對巖溶塌陷影響程度最顯著（計分4分）、2～10個/10 km2次之（計分3分）、＜2個/10 km2影響最弱（計分2分），非巖溶區(qū)計分1分。

（9）居民地密度（X9）：對平桂區(qū)居民地密度單因子進行分區(qū)：首先利用遙感技術(shù)，對平桂區(qū)的居民地密度進行解譯分區(qū)，并結(jié)合野外實際核查，根據(jù)野外地災(zāi)調(diào)查及易發(fā)村屯核查工作中統(tǒng)計的、對致災(zāi)有影響的高陡切坡及低矮致災(zāi)切坡分布情況，對平桂區(qū)居民地密度進行劃分，將平桂區(qū)共劃分為居民地密度高、中、低、極低4個區(qū)，對應(yīng)的計分分別是4分、3分、2分和1分。

（10）路網(wǎng)密度（X10）：對平桂區(qū)路網(wǎng)密度單因子進行分區(qū)：根據(jù)平桂區(qū)交通情況，利用遙感技術(shù)，對平桂區(qū)的路網(wǎng)密度進行解譯分區(qū)，并結(jié)合野外實際核查，對平桂區(qū)路網(wǎng)密度進行劃分，將平桂區(qū)共劃分為路網(wǎng)密度高、中、低、極低4個區(qū)，對應(yīng)的計分分別是4分、3分、2分和1分。

（11）礦山開采強度（X11）：對平桂區(qū)礦山開采強度單因子進行分區(qū)：首先利用收集資料，并利用遙感技術(shù)對平桂區(qū)的礦山開采強度進行解譯分區(qū)，并結(jié)合野外實際核查，將平桂區(qū)共劃分為礦山開采強度強、中、低3個區(qū)，其他區(qū)域為非礦山開采區(qū)，對應(yīng)的計分分別是4分、3分、2分和1分。

2.3 評價因素權(quán)重計算和分級賦值

2.3.1 評價層次結(jié)構(gòu)模型

本次研究目標層（U層）為巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)，一級指標為準則層（F層）共5個二級影響因子，分別是基巖（F1）、土層（F2）、地下水（F3）、已有塌陷（F4）和人類工程活動（F5）這5個，方案層（X層）共11個二級影響因子，分別為巖溶發(fā)育程度（X1）、土層厚度（X2）、土層結(jié)構(gòu)（X3）、第四系底部土層巖性（X4）、第四系底部土層液性指數(shù)（X5）、地下水年變化幅度（X6）、巖溶水承壓性（X7）、塌陷密度（X8）、居民地密度（X9）、路網(wǎng)密度（X10）和礦山開采強度（X11）。

2.3.2 構(gòu)建判別矩陣及層次總排序

通過專家打分法確定評價因子后，再通過層次分析法（1～9標度法）判斷評價因子的影響大小，具體判別過程見表1～5，CR值均滿足一致性檢驗（檢驗系數(shù)CR=CI/RI，其中CI為一致性指標，RI為隨機一致性指標）。

表1 判斷矩陣的標度及含義

表2 分區(qū)因子判別矩陣U-F

表3 分區(qū)因子判別矩陣F2-X

表4 分區(qū)因子判別矩陣F3-X

表5 分區(qū)因子判別矩陣F5-X

2.3.3 巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)評價因素分級賦值。

根據(jù)研究區(qū)實際情況，分析確定評價因子的強、弱極值，根據(jù)各因子對分區(qū)結(jié)果的影響程度，對評價因子進行量化分級，分析結(jié)果見表6。

表6 平桂區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)因子賦值標準及權(quán)重分級表

2.3.4 MapGIS加權(quán)疊加及量化分析

基于MapGIS空間分析功能，根據(jù)因子的權(quán)重大小對分區(qū)圖進行疊加，得到平桂區(qū)巖溶塌陷的易發(fā)性指數(shù)圖，再按指數(shù)的高低進行分區(qū)。疊加后指數(shù)范圍為1.0～3.47，利用突變點作為界線值，其中F≤1 為非巖溶區(qū)，1 ＜F≤1.75 為巖溶塌陷低易發(fā)區(qū)，1.75 ＜F≤2.55 為巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)，2.55＜F≤3.47為巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)。再根據(jù)研究區(qū)實際情況對各類分區(qū)進行修編，得到賀州市平桂區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖（圖2），并結(jié)合易發(fā)分區(qū)（表7）進行說明。

2.4 評價結(jié)果

將平桂區(qū)巖溶塌陷易發(fā)分區(qū)分為高、中、低、非巖溶區(qū)4種類型（圖2，表7）。

圖2 賀州市平桂區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性評價圖

平桂區(qū)面積為2022 km2，其中巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)（I）的面積為87.18 km2，包括2個亞區(qū)，其中巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)（I1）主要分布在沙田鎮(zhèn)獅中村、芳林村、栗木村、道石村、龍尾村、龍中村、道東村、馬峰村、龍井村、馬東村、逸石村、沙田村、田廠村一帶，面積為76.81 km2；巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)（I2）主要分布在黃田鎮(zhèn)英石村、擔(dān)石村、長龍村、清面村、路花村等地零星分布，面積為10.37 km2。

巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)（II）的面積為182.25 km2，包括4個亞區(qū)，其中巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)（II1）主要分布在望高鎮(zhèn)馮屋排-西灣街道-黃田鎮(zhèn)龍洞一帶，面積為91.36 km2，巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)（II2）主要分布在羊頭鎮(zhèn)壘田村、波羅塘、大巖村等地，面積為30.21 km2，巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)（II3）主要分布在鵝塘鎮(zhèn)廈島村、丹村、塘面村、蘆崗村等地，面積為28.36 km2，巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)（II4）主要分布在公會鎮(zhèn)東綠村、楊會村、雙洋村、聯(lián)合村、石塔村、新新村、新農(nóng)村等地，面積為32.32 km2。

巖溶塌陷低易發(fā)區(qū)（III）的面積為348.97 km2，包括4個亞區(qū)，其中巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)（III1）主要分布在望高鎮(zhèn)羅溪村、鐵屎坪村、水洲口一帶，面積為221.45 km2，巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)（III2）主要分布在西灣街道-黃田鎮(zhèn)下塘村、黃田寨等地，面積為83.56 km2，巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)（III3）主要分布在鵝塘鎮(zhèn)山島村、新塘村等地，面積為10.32 km2，巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)（III4）主要分布在沙田鎮(zhèn)大坪村、寶馬村、松木村、新民村等零星分布，面積為33.64 km2。

非巖溶區(qū)（IV）的面積為1403.6 km2。

3 結(jié)論

（1）將平桂區(qū)巖溶塌陷易發(fā)分區(qū)分為高、中、低、非巖溶區(qū)4種類型，平桂區(qū)面積為2022 km2，其中巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)（I）的面積為87.18 km2；巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)（II）的面積為182.25 km2；巖溶塌陷低易發(fā)區(qū)（III）的面積為348.97 km2；非巖溶區(qū)（IV）的面積為1403.6 km2。

（2）以賀州市平桂區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查成果資料作為依據(jù)，利用專家-層次分析法選取了塌陷密度、巖溶發(fā)育程度、第四系底部土層液性指數(shù)、第四系底部土層巖性、土層結(jié)構(gòu)、土層厚度、巖溶水承壓性、地下水年變化幅度、居民地密度、路網(wǎng)密度、礦山開采強度11個影響巖溶地面塌陷易發(fā)性的地質(zhì)環(huán)境因素，創(chuàng)建了賀州市平桂區(qū)巖溶地面塌陷易發(fā)性評價指標體系，再通過GIS的空間分析功能對平桂區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性進行評價研究，評價結(jié)果對賀州市平桂區(qū)的巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的防治具有指導(dǎo)意義。