山東煙臺白洋河巖溶水系統(tǒng)巖溶塌陷發(fā)育規(guī)律及易發(fā)性評價

于林弘，殷燾，楊寧，韓明智，胡艷萍

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004)

0 引言

巖溶塌陷是指覆蓋在溶蝕洞穴之上的松散土體，在外動力或人為因素作用下產(chǎn)生的突發(fā)性地面變形破壞，并在地面形成塌陷坑的一種巖溶動力作用與現(xiàn)象[1]。巖溶塌陷成因復(fù)雜，影響因素眾多，且具有隱蔽性、突發(fā)性的特點(diǎn)[2-5]。自20世紀(jì)30年代起，國內(nèi)外研究學(xué)者針對巖溶發(fā)育成因、規(guī)律、影響因素及巖溶塌陷的成因機(jī)理、分布規(guī)律、影響因素和防治治理措施等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和總結(jié)，為巖溶塌陷治理和防治提供了理論支撐[6-20]。

山東煙臺白洋河巖溶水系統(tǒng)自2005年10月首次發(fā)生巖溶塌陷，2016—2017年為巖溶塌陷高發(fā)期，雖無人員傷亡，但對當(dāng)?shù)鼐用裨斐闪素?cái)產(chǎn)損失和心理恐慌。張杰等[21]系統(tǒng)總結(jié)棲霞中橋地區(qū)巖溶塌陷時空分布規(guī)律及成因分析;楊寧等[22]對中橋地區(qū)巖溶發(fā)育特征及分布規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，并建立了評價體系，對中橋地區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了評價分區(qū)；孫佑光等[23]分析了中橋地區(qū)巖溶塌陷機(jī)理，并提出了防治措施。

研究區(qū)內(nèi)對巖溶塌陷的研究較少，且僅對部分巖溶塌陷進(jìn)行了分析研究，未對白洋河巖溶水系統(tǒng)進(jìn)行巖溶發(fā)育特征、巖溶塌陷影響因素及成因機(jī)理分析。本次以白洋河巖溶水系統(tǒng)作為研究對象，采用定性與定量相結(jié)合原則，覆蓋型巖溶區(qū)采用定性方法，裸露型與埋藏型巖溶區(qū)采用定量方法進(jìn)行評價，其中覆蓋型巖溶區(qū)選取巖溶發(fā)育程度、地下水動力條件、覆蓋層特征3個因素作為一級評價因子，建立研究區(qū)易發(fā)性評價體系，進(jìn)行白洋河巖溶水系統(tǒng)巖溶塌陷易發(fā)性評價及區(qū)劃，為地質(zhì)災(zāi)害防治與治理提供地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

白洋河巖溶水系統(tǒng)位于山東省煙臺市福山區(qū)西部、棲霞市廟后鎮(zhèn)。該系統(tǒng)北部以吳陽泉斷裂為邊界，西側(cè)以寨里斷裂為界，南部和東部以地表分水嶺及地層巖性為界，總面積229.06km2，白洋河自西向東貫穿全區(qū)。地形總體趨勢呈西北高、東南低，最高海拔為+202.9m，位于馬院山。地貌為剝蝕丘陵，坡度一般為9°～20°。

1.1 地質(zhì)背景

白洋河巖溶水系統(tǒng)大地構(gòu)造單元為華北板塊(Ⅰ)膠遼隆起區(qū)(Ⅱ)膠北隆起(Ⅲ)膠北斷隆(Ⅳ)臧格莊凹陷(Ⅴ)，出露有古元古代粉子山群和荊山群、新元古代蓬萊群、中生代白堊系、新生代第四系，第四系覆蓋層厚度一般小于30m，巖漿巖主要為中生代燕山晚期二長花崗巖、斜長角閃巖，斷裂構(gòu)造走向主要為EW、NNE，其主要斷裂有吳陽泉斷裂、大谷家斷裂、燕地河西斷裂、東吳家斷裂。

1.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水含水巖組分為第四紀(jì)松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組以及碎屑巖類孔隙含水巖組。松散巖類孔隙含水巖組主要分布在水道觀—中橋鎮(zhèn)—大潘家村的河谷地帶，巖性主要為砂、礫石及碎石土，該含水巖組厚度一般為5～30m，地下水水位埋深一般為1.60～10.00m；富水性分布不均勻，單井涌水量一般小于500m3/d，在白洋河河谷沖洪積層富水性較好，含水層巖性以粗砂和礫石為主，單井涌水量為500～1000m3/d，局部地段可達(dá)1000m3/d以上。碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組研究區(qū)內(nèi)大面積分布，其巖性主要為蓬萊群香夼組二段中厚層灰?guī)r、粉子山群巨屯組變粒巖夾硅化石墨大理巖、張格莊組白云石大理巖，巖溶發(fā)育深度一般80m以淺，最深可達(dá)180.0m，該含水巖組富水性好，單井涌水量一般大于500m3/d，在中橋村東部、東廳、門樓村地段，單井涌水量可達(dá)1000～3000m3/d，南橋村附近可達(dá)5000m3/d。碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組在研究區(qū)西部分布，其巖性主要為白堊紀(jì)青山群八畝地組的安山巖、安山質(zhì)集塊角礫巖、凝灰?guī)r等，以風(fēng)化裂隙水為主，地下水位埋深較淺，一般為2.0～4.0m，整體富水性較差，單井涌水量一般小于100m3/d，局部構(gòu)造發(fā)育地帶，可達(dá)1000m3/d，地下水水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca·Mg型水，礦化度一般小于0.5g/L?；鶐r裂隙水在研究區(qū)內(nèi)零星分布，巖性主要為中生代燕山期侵入花崗巖和新太古代棲霞閃長質(zhì)片麻巖及荊山群疙瘩狀石榴矽線二云片巖、石榴黑云片巖夾透鏡狀透輝大理巖、黑云變粒巖、長石石英巖等。該含水巖組以風(fēng)化裂隙水為主，風(fēng)化裂隙含水帶厚度一般為10.00～25.00m，地下水水位埋深隨地形起伏較大，一般為1.90～12.80m，富水性較差，單井涌水量一般小于100m3/d，在巖性接觸帶上，風(fēng)化及構(gòu)造裂隙發(fā)育，可形成局部富水地段，單井涌水量可達(dá)500m3/d，水化學(xué)類型主要為HCO3·Cl-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca型水，礦化度一般小于0.5g/L(圖1)。

松散巖類孔隙水:1—單井涌水量1000～3000m3/d；2—單井涌水量500～1000m3/d；3—單井涌水量<500m3/d;碎屑巖類孔隙裂隙水:4—單井涌水量100～1000m3/d；5—單井涌水量<100m3/d;碳酸鹽巖類裂隙巖溶水:6—單井涌水量>1000m3/d；7—單井涌水量<1000m3/d;基巖裂隙水:8—塊狀巖類裂隙水單井涌水量<100m3/d;9—層狀狀巖類裂隙水單井涌水量<100m3/d;10—地質(zhì)界線；11—碳酸巖類富水性界線；12—松散巖類富水性界線圖1 煙臺白洋河水文地質(zhì)略圖

2 巖溶塌陷發(fā)育規(guī)律

研究區(qū)自2005—2019年共發(fā)生17次巖溶塌陷，其中2次為重復(fù)塌陷，主要分布在泗水村、中橋村、呂家莊村、水道觀村、楊家夼村，平面形態(tài)多為似圓形、橢圓形，剖面形態(tài)為壇形[24](表1)。

2.1 巖溶塌陷時間分布規(guī)律

巖溶塌陷發(fā)生的季節(jié)性較為明顯，研究區(qū)60%以上的塌陷集中在7月份，6月份降雨較少，地下水位處于年中最低水位，為農(nóng)業(yè)灌溉的集中開采期；而7月份強(qiáng)降雨后，地下水位急速上升，為巖溶塌陷多發(fā)期[20](圖2)。

圖2 研究區(qū)巖溶塌陷發(fā)生月份分布圖

2.2 巖溶塌陷空間分布規(guī)律

2.2.1 空間位置

巖溶塌陷多集中分布于地下水徑流帶或分水嶺、地質(zhì)構(gòu)造或地層分界以及河床、沖溝和兩岸階地附近(表1)，由表1可知，巖溶塌陷發(fā)生于地下水徑流帶或分水嶺位置占總數(shù)的82.35%；發(fā)生于地質(zhì)構(gòu)造或地層分界附近占總數(shù)的47.06%；發(fā)生于河床、沖溝沿線及其兩岸的階地占總數(shù)的35.29%。

表1 煙臺白洋河巖溶塌陷點(diǎn)基本情況一覽表

2.2.2 地層結(jié)構(gòu)

巖溶塌陷多發(fā)生在第四系覆蓋層厚度較薄的地段，其中發(fā)生在第四系覆蓋層厚度<15m地段,占塌陷總數(shù)70.59%；發(fā)生在厚度15～25m地段，占塌陷總數(shù)的11.76%；發(fā)生在土層厚度>25m地段，占塌陷總數(shù)的17.65%。塌陷主要發(fā)生在第四系覆蓋層為單層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)的地段，占塌陷總數(shù)的84.62%，第四系底部巖性以粉質(zhì)黏土、碎石土為主，以砂為輔；其次發(fā)生在第四系底部為碎石土的雙層結(jié)構(gòu)的地段，其中單層結(jié)構(gòu)多位于河床內(nèi)。

2.2.3 地下水位變幅

根據(jù)白洋河巖溶水系統(tǒng)長期觀測孔2000—2019年水位年變幅與塌陷次數(shù)關(guān)系圖(圖3)可知：巖溶塌陷多發(fā)生在水位年變幅2.47m以上，其中水位年變幅在2.47～3.64m，發(fā)生4次，占總巖溶塌陷次數(shù)的23.53%；水位變幅>4m時，發(fā)生13次，占總巖溶塌陷次數(shù)的76.47%，巖溶塌陷多發(fā)生在巖溶水位年變幅驟增或驟減時。

圖3 研究區(qū)水位變幅與塌陷次數(shù)關(guān)系圖

3 巖溶塌陷易發(fā)性評價

3.1 評價指標(biāo)

3.1.1 評價指標(biāo)選取的原則

巖溶塌陷易發(fā)性評價系統(tǒng)是一個多層次、多因素的復(fù)雜系統(tǒng)，影響和控制巖溶塌陷的因素很多，合理選擇對評價目的起主導(dǎo)作用，比較穩(wěn)定，可量化表示的參評因子是評價工作的關(guān)鍵，本文主要針對白洋河巖溶水系統(tǒng)巖溶塌陷的特征，采取針對性、定性與定量相結(jié)合的原則，針對覆蓋型巖溶區(qū)采用定量方法進(jìn)行分析，裸露型、埋藏型采用定性方法進(jìn)行分析[24-34]。

3.1.2 評價指標(biāo)的選取

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際調(diào)查資料和地質(zhì)災(zāi)害因子分析結(jié)果，針對覆蓋型巖溶區(qū)選取巖溶發(fā)育程度(B1)、地下水動力條件(B2)、覆蓋層特征(B3)3個因素，作為巖溶塌陷易發(fā)性評價的一級判別因子，根據(jù)白洋河巖溶水系統(tǒng)的巖溶塌陷發(fā)育規(guī)律及影響因素，同時對一級因子進(jìn)一步劃分二級指標(biāo)。其中：B1—巖溶發(fā)育程度指數(shù)，包括2個二級因子，C1—地質(zhì)構(gòu)造，C2—基巖富水性；B2—地下水動力條件指數(shù)，包括2個二級因子，C3—水位變幅，C4—水位與基巖面關(guān)系；B3—覆蓋層特征指數(shù)，包括3個二級因子，C5—覆蓋層砂性土占比，C6—覆蓋層厚度指數(shù)，C7—覆蓋層底板特征，C8—覆蓋層結(jié)構(gòu)指數(shù)。

3.2 評價模型

選用綜合指數(shù)模型中的加權(quán)平均法對各評價單元進(jìn)行評價。評價公式(1)：

(1)

式中：Ri—第i單元的易發(fā)性綜合指數(shù)；j—評價因子；ai—第j評價因子在第i單元的賦值；bj—第j個評價因子的權(quán)重；m—評價單元數(shù)；n—評價因子數(shù)。

3.3 評價因子分級及權(quán)重確定

3.3.1 評價因子分級

根據(jù)研究區(qū)的巖溶塌陷地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，將評價因子分為3級，即強(qiáng)、中、弱(表2)。

表2 評價因子分級標(biāo)準(zhǔn)

3.3.2 評價因子量化分級

根據(jù)研究區(qū)巖溶塌陷發(fā)育、分布規(guī)律及相關(guān)規(guī)范，對評價因子量化分級見表3。

表3 評價因子量化分級表

3.3.3 權(quán)重確定

采用層次分析法(AHP)計(jì)算評價因子權(quán)重，一級因子、二級因子權(quán)重確定見表4。

表4 評價權(quán)重

3.4 評價結(jié)果

將研究區(qū)劃分為1km×1km的單元網(wǎng)格共計(jì)717個，每個單元格根據(jù)單項(xiàng)評價因子分別進(jìn)行賦值(圖4)，運(yùn)用MapGIS空間分析功能，得到各單元的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果；最后根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況進(jìn)行必要的修正，通過疊加計(jì)算其指標(biāo)值為3.2～8.39。依據(jù)本次巖溶塌陷易發(fā)性劃分原則，按綜合指數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分區(qū)合并，共分為巖溶塌陷易發(fā)性高、中、低3個等級。劃分原則為：綜合指數(shù)指標(biāo)≥6為巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)；4.5<綜合指數(shù)指標(biāo)<6為巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)；綜合指數(shù)指標(biāo)≤4.5為巖溶塌陷低易發(fā)區(qū)(圖5)。

(a)—距地質(zhì)構(gòu)造位置分區(qū);(b)—水位年變幅分區(qū)；(c)—水位與基巖面關(guān)系分區(qū);(d)—覆蓋層百度分區(qū);(e)—底部黏性土厚度分區(qū);(f)砂性土占比分區(qū);(g)—覆蓋層結(jié)構(gòu)分區(qū)圖4 研究區(qū)各評價指標(biāo)分區(qū)圖

(1)巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)。主要位于中橋村—泗水村—水道觀村及東南地區(qū)，面積為4.92km2。該區(qū)域巖溶發(fā)育，松散覆蓋層厚度<30m，且主要為多層結(jié)構(gòu)；該區(qū)位于礦山排水影響帶中，并有大量抽取巖溶水活動，巖溶地下水水位波動頻繁、變幅較大，地下水動力條件變化明顯；區(qū)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生過多次巖溶塌陷。

(2)巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)。主要位于臧家莊鎮(zhèn)前姜格莊，燕地村以南、北城子村—京甲村—后高格莊村一帶及廟后鎮(zhèn)楊家夼西南河道內(nèi)，面積為7.43km2，占研究區(qū)總面積的5.75%，該區(qū)域巖溶發(fā)育為中等發(fā)育，松散覆蓋層厚度多<30m，局部地區(qū)>30m，為單層或多層結(jié)構(gòu)；該區(qū)位于礦山排水影響帶及附近，抽取巖溶水活動較少，巖溶地下水位變幅相對較小，地下水動力條件變化較弱。

(3)巖溶塌陷低易發(fā)區(qū)。面積為268.38km2，巖溶中等發(fā)育—不發(fā)育；覆蓋層為非可溶巖或非可溶巖與第四系組合，巖溶地層埋藏深度較大；礦山排水和人為抽取巖溶水對本區(qū)部分地段造成了一定的影響，但上覆的非可溶巖地層結(jié)構(gòu)相對致密，隔斷了第四系與下伏巖溶地層的聯(lián)系，巖土體整體相對穩(wěn)定。該區(qū)域東側(cè)為裸露型巖溶區(qū)，巖溶發(fā)育為中等發(fā)育；無覆蓋層或覆蓋層較薄；本區(qū)位于礦山排水和人為抽取巖溶水的影響帶之中，本區(qū)雖有巖溶溶隙、溶洞發(fā)育，但由于巖體結(jié)構(gòu)致密，地下水活動對本區(qū)巖土體的穩(wěn)定性影響較輕。

4 結(jié)論與建議

(1)結(jié)合白洋河巖溶水系統(tǒng)實(shí)際情況，總結(jié)巖溶塌陷發(fā)育規(guī)律，并建立巖溶塌陷易發(fā)性評價模型，得出中橋村—泗水村—水道觀村一帶為巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)，為防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)。

(2)巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)主要發(fā)生在巖溶地下水水位波動頻繁、變幅較大的區(qū)域，該區(qū)域人類活動頻繁，周邊存在礦山企業(yè)、居民等大規(guī)模開采地下水，建議在巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)建立地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，實(shí)時監(jiān)測地下水動態(tài)變化，同時建立群測群防體系，發(fā)現(xiàn)異常及時上報(bào)主管部門。

(3)本次評價主要針對巖溶塌陷自身影響因素進(jìn)行評價，未考慮人口密度、工程建設(shè)、自然災(zāi)害等因素影響，在地質(zhì)災(zāi)害治理過程中，需增加易損性評價。