基于ArcGIS 和信息量模型的鄂州市礦集區(qū)地面塌陷易發(fā)性評價

張 波，尹業(yè)夢，任宵瑩

（湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊，鄂州 436000）

0 引言

地面塌陷是鄂州市礦集區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，共計30 處，地面塌陷總影響面積135.39×104m2，造成直接經(jīng)濟損失16 573.3 萬元，占全市地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)濟損失總量的91.6%，威脅人口2 364 人，威脅財產(chǎn)16 168萬元。隨著鄂州市城市建設(shè)的發(fā)展，特別是鄂州花湖機場物流配套的建設(shè)，用地需求激增，對礦集區(qū)進行地面塌陷易發(fā)性評價尤為必要。

目前，常用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價模型有Logistic回歸法[1]、趨勢面分析法[2]、概率指數(shù)模型[3]、遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]、AHP 層次分析法[5-6]、邏輯回歸和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[7]、證據(jù)權(quán)法[8-9]、聚類分析和支持向量機[10]、CF 和Logistic 模型法[11-12]、確定性系數(shù)和支持向量機模型[13]、加權(quán)頻率比模型[14-15]等。在眾多模型中，信息量[16-18]屬于統(tǒng)計分析模型的一種，相比其他模型而言其物理意義明確、操作簡單，在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的研究和實踐中得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著“3S”技術(shù)的迅速發(fā)展，ArcGIS 已成為現(xiàn)有和潛在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估的有效工具[19]。本文在分析礦集區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特征的基礎(chǔ)上通過ArcGIS 軟件平臺利用加權(quán)信息量模型對研究區(qū)進行易發(fā)性評價，為礦集區(qū)地面塌陷防治和建設(shè)規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于鄂州市東南部，面積共172.41 km2（圖1）。區(qū)域內(nèi)金屬礦山18 家，開礦多采用地下開采充填法，活動造成的采空區(qū)22 處。本區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造主要有花馬湖- 碧石渡復(fù)式向斜影響，長約10 km，軸向北西西向，兩端略發(fā)生偏斜，走向上呈反“S”形。兩翼不對稱，北翼傾向南南西，傾角為40°～77°；南翼傾向北東，傾角20°～45°。向斜恰在一開闊的負性低洼地貌帶內(nèi)，第四系覆蓋較厚，僅局部地段組成一些北西西向的殘丘和小山。核部為侏羅系，兩翼依次為桐竹園組、王龍灘組及蒲沂組。本區(qū)斷層主要為北北西向。區(qū)內(nèi)巖溶性巖層較為發(fā)育，主要位于研究區(qū)北部，中部零星分布，由下二疊統(tǒng)和早三疊世嘉陵江組、大冶組組成，巖性主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、燧石結(jié)核灰?guī)r、白云巖、生物灰碎屑灰?guī)r。巖溶發(fā)育程度中等，一般為中厚- 塊狀完整結(jié)構(gòu)，局部呈“架空結(jié)構(gòu)”，巖石致密堅硬、力學(xué)強度高。受上述因素影響，鄂州市30處地面塌陷全部發(fā)育在本區(qū)域，其具體分布如圖2 所示。影響本區(qū)地面塌陷發(fā)育的主要因素有采空區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育、覆蓋層厚度、水文條件5 種因素[20]。

圖1 研究區(qū)交通位置圖

圖2 地面塌陷分布及地質(zhì)背景圖

2 評價模型

本文結(jié)合信息量法和層次分析法的優(yōu)點，采用加權(quán)信息量法評價其指標(biāo)，最終得到易發(fā)性的劃分結(jié)果，模型可以表述如下[21]：

式中，I預(yù)測區(qū)某單元信息量預(yù)測值；Wi為第i個評價因子的權(quán)重值；Si為因素xi所占單元總面積為因素xi單元中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元面積之和；Ii值的大小直接說明該單元產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性，是地質(zhì)易發(fā)性區(qū)劃的重要性指標(biāo)。

利用信息量方法[22-23]進行鄂州市地面塌陷易發(fā)性評價，根據(jù)評價單元比例尺[24]，全區(qū)劃分為30 m×30 m 的柵格單元共191 559 個。

3 孕災(zāi)因子分析與權(quán)重選取

3.1 因子分析

3.1.1 采空區(qū)距離

鄂州市采礦活動特別強烈，評價區(qū)內(nèi)礦山采空區(qū)共計22 個，由其形成的地表變形和地面塌陷具有影響大、破壞性強、危害面廣、損失嚴(yán)重等特點[25]。根據(jù)采空區(qū)發(fā)育情況及相關(guān)經(jīng)驗將其影響范圍劃分為五個帶：0～500 m，500～750 m，750～1 000 m，＞1 500 m，如圖3a所示。圖4a 所示評價區(qū)內(nèi)最有利于地面塌陷發(fā)生的是采空區(qū)0～500 m 范圍內(nèi)，其柵格數(shù)占總柵格的14.69%，發(fā)生地面塌陷比例為40%，利用公式（1）計算出該因子信息量為1.45。距采空區(qū)影響帶越遠信息量大體上呈遞減趨勢，在大于1 500 m 的區(qū)域，其柵格數(shù)占總數(shù)的13.49%，發(fā)生地面塌陷的比例為3.33%，信息量為-2.02，地面塌陷不易發(fā)生。

圖4 影響因子災(zāi)害數(shù)量、信息量相關(guān)性統(tǒng)計圖

3.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

評價區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，以北北東向褶皺和北北西向斷裂為主，巖層被各種構(gòu)造面切割錯斷呈不連續(xù)狀，較為破碎，這就為降雨等水流進入地下提供了通道，使斜坡體在長期的水巖作用下，失穩(wěn)并進而發(fā)生塌陷。根據(jù)鄂州市斷層和褶皺的發(fā)育規(guī)模及影響范圍[26]，利ArcGIS 的多環(huán)緩沖功能，分別以距斷層或褶皺500 m、750 m、1 000 m、1 500 m 劃分5 個距離區(qū)間。如圖3b 所示，評價區(qū)內(nèi)最有利于地面塌陷發(fā)生的區(qū)域是在斷層和褶皺0～500 m 范圍內(nèi)，其柵格數(shù)占總柵格的50.94%，發(fā)生地面塌陷比例為66.67%，提供的信息量為0.39。距離斷層越遠信息量大致呈減小趨勢，在大于1 500 m 的區(qū)域，其柵格數(shù)占總數(shù)的7.79%，發(fā)生地面塌陷的比例為0，信息量為0，不提供地面塌陷發(fā)育的信息。

3.1.3 巖溶發(fā)育

評價區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育在碳酸鹽巖工程地質(zhì)巖類中，主要由嘉陵江組（T1-2j）、蒲圻組（T2p）、大冶組（T1d）組成，巖性主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、燧石結(jié)核灰?guī)r、白云巖、生物灰碎屑灰?guī)r。根據(jù)發(fā)育情況可分為非巖溶發(fā)育區(qū)和巖溶發(fā)育區(qū)（圖3c）。巖溶發(fā)育區(qū)柵格數(shù)占總柵格的2.74%（圖4c），發(fā)生地面塌陷比例為56.67%，提供的信息量為0.39，有利于地面塌陷的發(fā)生；非巖溶發(fā)育區(qū)柵格數(shù)占總數(shù)的97.26%，發(fā)生地面塌陷的比例為43.33%，信息量為-0.06，不利于地面塌陷的發(fā)生。

3.1.4 覆蓋層厚度

本區(qū)域內(nèi)覆蓋層厚度分為5 類，分別為＜5 m，5～10m，10～15 m，15～20 m，＞20 m[27-28]（圖3d），其中地面塌陷最易于發(fā)生在覆蓋層厚度為15～20 m 的區(qū)域內(nèi)（圖4d），其柵格數(shù)僅占總柵格的12.35%，發(fā)生地面塌陷比例卻為23.33%，提供的信息量為0.92。地面塌陷不易發(fā)生的區(qū)域覆蓋層厚度為0～5 m，其柵格數(shù)占總柵格的48.92%，發(fā)生地面塌陷的比例為30%，信息量為-0.71。

3.1.5 降水漏斗區(qū)

評價區(qū)內(nèi)礦山疏排地下水形成6 個降水漏斗區(qū)（圖3e），根據(jù)發(fā)育情況可分為非降水漏斗區(qū)和降水漏斗區(qū)。降水漏斗區(qū)柵格數(shù)占總柵格的17.60%，發(fā)生地面塌陷比例為76.67%，提供的信息量為2.12，有利于地面塌陷的發(fā)生；非降水漏斗區(qū)柵格數(shù)占總柵格的82.40%，發(fā)生地面塌陷的比例為23.33%，信息量為-1.82，不利于地面塌陷的發(fā)生。

3.2 因子分析與權(quán)重

利用前面已經(jīng)提取和分析影響地面塌陷的因子，通過信息量模型[29]及其理論公式計算得到參與預(yù)測各因子的信息量（表1）。

表1 各指標(biāo)信息量一覽表

應(yīng)用層次分析法確定權(quán)重[30]，對所選的5 個評價指標(biāo)進行分析，劃分有序?qū)哟?，建立評價模型層次結(jié)構(gòu)。按照各評價因子相互的內(nèi)在關(guān)系，通過相關(guān)專家經(jīng)驗及本區(qū)域地面塌陷實際發(fā)育情況，對各因子進行兩兩比較建立判斷矩陣[31]，進行層次排序，確定各因子的權(quán)重值，并進行一致性檢驗。易發(fā)性評價因子判斷矩陣見表2，計算結(jié)果按權(quán)重從大到小排序，見表3。

表2 地面塌陷易發(fā)性評價因子判斷矩陣

表3 地面塌陷易發(fā)性評價因子權(quán)重

利用ArcGIS 軟件的空間分析功能中的加權(quán)總和工具，完成各影響因子加權(quán)信息量的疊加，按照類內(nèi)差異最小，類間差異最大的原則，利用統(tǒng)計學(xué)中常用的自然斷點法（Natural break）將易發(fā)性區(qū)劃圖重新分類，將鄂州市的地面塌陷易發(fā)性劃分為3 級：取信息量I＞0.26為地面塌陷高易發(fā)區(qū)，信息量-0.63＜I≤-0.26 為地面塌陷中等易發(fā)區(qū)，信息量I≤-0.63 為地面塌陷低易發(fā)區(qū)，如表4 所示。

表4 易發(fā)性分區(qū)統(tǒng)計表

4 結(jié)論

本文在分析礦區(qū)地質(zhì)背景和孕災(zāi)因素的基礎(chǔ)上，通過ArcGIS 軟件分析平臺，利用信息量模型對鄂州市礦集區(qū)地面塌陷進行易發(fā)性評價，主要結(jié)論如下：

（1）鄂州市的地面塌陷易發(fā)性劃分為三級：取信息量I＞0.26 為地面塌陷高易發(fā)區(qū)，信息量-0.63＜I≤-0.26為地面塌陷中等易發(fā)區(qū)，信息量I≤-0.63 為地面塌陷低易發(fā)區(qū)。

（2）統(tǒng)計結(jié)果表明：地面塌陷高易發(fā)區(qū)為54.51 km2，占31.62%，中易發(fā)區(qū)為23.83 km2，占13.82%，低易發(fā)區(qū)為94.07 km2，占54.65%（圖5），評價結(jié)果顯示93.33%的地面塌陷點位于高易發(fā)區(qū)，6.67%的地面塌陷點位于中易發(fā)區(qū)，低易發(fā)區(qū)無地面塌陷發(fā)生。

圖5 地面塌陷易發(fā)性分區(qū)圖