基于地下水模型的岩溶塌陷风险性评价方法在临沂市城区的应用

雷晓东,邵景力，李 娟，姚春梅,杨 军

（1.北京市地质勘察技术院，北京 102218；2.北京市华清地热开发有限责任公司，北京 102218；3.中国地质大学，北京100083；4.山东省地质环境监测总站，济南 250014；5.北达科他州立大学土木工程系，法戈，美国 58102）

基于地下水模型的岩溶塌陷风险性评价方法在临沂市城区的应用

雷晓东1,2,邵景力3，李 娟1，姚春梅4,杨 军5

（1.北京市地质勘察技术院，北京 102218；2.北京市华清地热开发有限责任公司，北京 102218；3.中国地质大学，北京100083；4.山东省地质环境监测总站，济南 250014；5.北达科他州立大学土木工程系，法戈，美国 58102）

岩溶塌陷是山东省临沂市区最重要的地质灾害类型，一旦发生，会带来较大的经济和财产损失，因此对岩溶塌陷的风险评价十分必要。风险评价包括现状评价和预测评价，主要分3个步骤来完成：危险性评价、易损性评价和期望损失评价。利用地下水流模型确定调采方案下的相关评价因子，预测了岩溶塌陷的风险性。通过比较发现，经过地下水调采后，原岩溶塌陷高风险区范围大为缩小。地下水流数值模型和风险评价方法结合，可以确定合理的岩溶水规划开采方案，对于指导和防治岩溶塌陷具有重要意义。

岩溶塌陷；风险；地下水；临沂

0 绪言

岩溶塌陷是一种常见的地质灾害。山东省临沂市城区位于我国东部岩溶发育区，近年来，岩溶塌陷频发，给人民生命财产带来了安全隐患。预测和控制岩溶塌陷发生的风险，对防治岩溶塌陷意义重大。

控制岩溶塌陷的因素主要有地质条件和水动力条件，其中人类活动影响地下水动力条件的改变是重要的可控因素之一。通过地下水流模型模拟地下水动力条件的变化，优选地下水规划开采方案，可达到抑制岩溶塌陷发生和发展的目的[1,2,3]。

为给岩溶区的地下水资源规划管理提供决策依据，科学防治岩溶塌陷，应开展风险评价，识别高风险区，采取有效措施规避塌陷风险。岩溶塌陷风险评价作为地质灾害风险评价的一种，目前比较完整的风险评价过程包括塌陷的危险性评价、易损性评价和期望损失评价。由于易损性和期望损失不易定量化，早期的风险评价仅包括危险性评价一部分。雷明堂（1993）首次提出了基于GIS技术的岩溶塌陷危险性评价方法[4]，先后完成了唐山市、湘潭市等城市的岩溶塌陷评价工作[5～6]。缪钟灵（1995）认为塌陷是在多种因素控制下的一种概率事件，引入塌陷风险评价的方法，建立了塌陷灾害经济评估方案[7]。雷明堂（2002）建立了基于GIS的风险评估方法[8]。Iş k Yilmaz（2007）综合利用多元数据对岩溶塌陷的敏感性进行了分区评价[9]。在评价方法上，主要有综合指数法[10]、层次评判法[11]、模糊综合评判[12]、灰色系统理论[13]和神经网络[14]等。目前将岩溶塌陷的风险评价与地下水模型结合起来的研究还很少。

2004—2005年，山东省地质环境监测总站在研究区内开展了1：5万环境地质调查工作，查明了研究区内岩溶塌陷发育现状，分析了形成机理和发展趋势，并提出了切实可行的防治对策，初步建立了临沂市区岩溶塌陷监测网络。邵景力（2009）等首次将地下水流数值模型与岩溶塌陷危险评价模型耦合起来，利用地下水流模型获取相关评价因子，在研究区进行了岩溶塌陷的危险性评价[15]。雷晓东（2010）等基于研究区已建的地下水流模型，确定了岩溶塌陷的主控因子为地下水水位，提出了控制岩溶塌陷的方法，确定了地下水的合理开采方案[16]。

本文在已有地下水模型和危险性评价的基础上，进行岩溶塌陷的易损性评价和期望损失评价，综合得到岩溶塌陷的风险现状评价结果，并通过地下水模型模拟预测地下水水位等相关因子的变化，进行给定地下水开采方案下的岩溶塌陷风险预测评价，说明地下水模型与风险评价相结合进行岩溶塌陷防治决策的过程，供国内外同行借鉴。

1 研究区概况

临沂市城区地处临沂单斜水文地质单元前缘，祊河、沂河冲积平原内，地形较为平坦，坡降较小，为岩溶裂隙水的富水地带，地下水的补给来源主要有大气降水、河水渗漏和灌溉水入渗，排泄途径主要有人工开采、泉水等，其运动方向受地形、岩层倾向及断裂构造的制约，总体由西北向东南。单元内分布有寒武系、奥陶系、石炭系及第四系不同类型的含水岩组，其中奥陶系灰岩分布广、厚度大，岩溶发育，富水性良好，是主要含水岩层。城区第四系厚度较薄，约为6～12m。

图1 研究区水文地质概略图

该单元西部边界包括北部的岩坡断裂北段及巨龙山—卧牛山地下水分水岭一线，为隔水边界；北部及东部边界由探沂—临沂断裂构造组合带构成，也是隔水边界；在单元南部一带分布中奥陶统灰岩，地下水由北向南运动流出本区。因此，临沂水文地质单元为一东、北、西三边隔水、南部透水的半开放型岩溶水系统（图1）[17～18]。

长期以来岩溶地下水为研究区内主要的生活和工农业生产的供水水源。1996年前主要供水水源为自来水公司一水厂，另外城区及其附近地段有自备井近400眼。1996年后，由地下水与地表水联合供水。临沂市城区部分工业及生活用水靠引用岸堤水库水，其供水量约为3650×104m3/a，城区平均开采岩溶水量约近4000×104m3/a。自20世纪80年代以来，长期开采岩溶地下水已导致临沂城区发生19 次岩溶塌陷，形成陷坑30多个，其中2003 年发生岩溶塌陷4次，岩溶塌陷造成地面建筑物开裂，对人民生命财产安全构成很大威胁。

2 风险评价概念

风险是未来损失的可能性或不确定性。风险评价（Risk Asseessment）就是对承灾体受到损失的可能性及可能的程度做出评价的系统过程。岩溶塌陷是“岩溶-盖层-水”构成的系统在各种因素影响下表现出来的系统失稳过程在地表的宏观表现[19]，它的发生有很大的随机性，且发生后对自然环境和人类生活所造成的损失具有很大的不确定性。评价岩溶塌陷发生的可能性以及由此可能造成的损失，可以使防治决策过程更具有针对性和科学性。岩溶塌陷的风险评价主要包括3方面的内容：危险性评价、易损性评价和期望损失评价。

3 危险性评价

危险性评价通过分析与岩溶塌陷密切相关的因素确定岩溶塌陷危险区的范围。本文采用基于AHP（层次分析）技术的模糊识别理论[20]评价岩溶塌陷的危险性。主要步骤包括评价因子及其权重的确定、评价等级划分及评价单元隶属值的确定、综合评价。

（1）岩溶塌陷影响因素分析

总结研究区历年岩溶塌陷的发生规律及形成原因，认为岩溶塌陷的影响因素包括地质条件和水动力条件两大方面。其中地质条件主要是指岩溶发育程度和上覆土层性质、厚度，是岩溶塌陷的内因。裂隙岩溶越发育，越易诱发岩溶塌陷。可溶岩上覆土层性质和厚度是岩溶塌陷形成的重要条件。一般情况下，覆盖层厚度小于30m，易发生岩溶塌陷。临沂市城区岩溶塌陷区覆盖层较薄（＜16m），在第四系与灰岩接触带附近岩溶极发育，而且覆盖层中砂层结构松散，岩性以中粗砂为主，粉砂次之，易被水流带走，产生潜蚀作用生成土洞，土洞不断扩展导致塌陷。地下水是岩溶塌陷物质迁移及能量转换的载体，它是产生潜蚀、真空吸蚀、失托加荷效应的动力条件，尤其是与人为开采密切相关，因此地下水动力条件是岩溶塌陷的诱因和动因，主要表现在地下水径流速度和水位变幅。通过分析历次岩溶塌陷与地下水水位时空变化过程的关系，得出规律：①地下水水位变幅越大，升降速度越快，塌陷频率越高。②岩溶塌陷数量一般随水位降深增大而增多。③地下水水位在降低到基岩顶板之下后尤其容易引发塌陷。因此岩溶塌陷易在枯水期末丰水期初发生，例如苗庄小区、兰山小区、杜家三岗、全庄红埠寺塌陷点（图1），且这些塌陷点均在地下水降落漏斗范围内。距离抽水井越近，抽水井开采量越大，造成塌陷的可能性也越大。

（2）评价因子及其权重的确定

前已述及，岩溶塌陷的控制性因素包括两个方面，地质条件和地下水动力条件。其中地质条件包括岩溶发育程度和上覆盖层土体性质和厚度；地下水条件主要是地下水水位及其变幅、地下水开采强度等。本区岩溶塌陷发育程度可以由单井涌水量、断裂发育情况确定，单井涌水量越大，距离断裂越近，岩溶发育程度越高。由于研究区第四系土层性质、结构差异不大，故只考虑土层厚度对岩溶塌陷的影响。地下水条件方面，水位降深越大、变幅越频繁、距离水位降落漏斗中心越近，越容易发生岩溶塌陷。在此基础上，考虑人类活动的影响，主要是地下水的开采，开采强度越大，距离开采井越近，岩溶塌陷发生的可能性越大。同时，由于岩溶塌陷具有重复性的特点，已发生过塌陷的地区很有可能继续发生塌陷，故在评价时考虑已发生岩溶塌陷点的分布。

通过以上分析，最终确定研究区岩溶塌陷主要与岩溶条件、地下水条件（水位与界面距离、水位变幅、与降落漏斗中心距离）、盖层条件、环境条件（抽水强度和与抽水井距离）和历史条件有关。因此，本次评价将以上述5个条件共8个因子作为其塌陷危险性评价因子，从而构造出研究区岩溶塌陷危险性评价层次结构模型。并利用A.L.Satty提出的“1—9标度”法[21]，得到各评价因子的计算权重值。评价因子层最终权重为：

（3）评价等级划分及评价单元隶属值的确定

根据岩溶地层稳定性程度的不同，将层次结构模型中的评价目标A划为5级：

A={稳定区(1)，基本稳定区(2)，次不稳定区(3)，不稳定区(4)，极不稳定区(5)}

本评价采用与地下水模型尺度相同的正方形网格（即300m×300m）作为评价单元，评价区共有1792个单元，取单元网格中心各评价因子分级属性值（表1）作为整个单元的分级隶属值。根据各单元评判的结果，按最大隶属度原则，确定其所处单元的级别，然后再根据各单元的级别进行研究区整体危险性分区评价[21]。

表1 评价目标分区界线

（4）综合评价

危险性现状评价结果见图2。其中5级区代表岩溶塌陷发生的危险性最大，1级区代表危险性最小。由图可见，临沂市城区岩溶塌陷危险性较大的地区（5级区）在研究区西南部齐家庄地下水降落漏斗区域以及东北部原岩溶塌陷点附近，总面积28.84km2。

图2 危险性现状评价分级图

4 易损性评价

危险性评价和易损性评价是岩溶塌陷风险评价的基础，通过易损性评价可以确定可能遭受岩溶塌陷灾害的人口、工程、财产以及资源、环境的空间分布与破坏损失率；期望损失评价是岩溶塌陷风险评价的核心，目的是预测塌陷可能造成的人口伤亡、经济损失以及资源、环境的破坏损失程度，综合反映岩溶塌陷的风险水平。

具体的评价过程是，根据研究区1:50000实际材料图、街道分布图、铁路、公路分布图以及水域分布图等，生成研究区社会经济与基础条件分区图（图3），铁路周围设缓冲区10m，高速国道设缓冲区20m，主要街道设缓冲区15m，水系设缓冲区5m。 然后，评价这些要素的易损性和期望损失[22]。其中易损性评价，又可以分为社会经济易损性评价和结构易损性评价。

4.1 社会经济易损性评价

社会经济易损性评价（V-social）评估岩溶塌陷可能给社会经济带来损失的几率，主要从人口的密集情况、经济水平、克服灾害的能力以及对整个社会的重要程度等方面考虑，赋值范围在0～1之间，值越大，表示易损性越大（表2）。

（1）人口密度及社会功能方面的考虑

考虑人口的易损性，农村人口相对较少，易损性低；城区人口密集，易损性高。另外考虑社会功能、经济的易损性，将研究区现有土地利用类型分为城区居民地、农业农村用地、政府所在地、工业用地、铁路、公路等道路用地。其中政府所在地、高速公路等的易损性值就比较高，为0.8～1；社会重要性较高的场所，如工业用地，易损性值也比较高，为0.6～0.7；非建筑物分布区，如水域、耕地以及农业农村用地等，易损性指标较低，为0.1～0.4。

表2 易损性及期望损失取值表

图3 研究区社会经济与基础条件分区图

（2）生命线的考虑

主要考虑交通线的易损性。各大交通枢纽（比如铁路公路交汇处）、高速公路等是临沂市与外界联系的重要途径，如果发生破坏，将给社会带来重要影响，因此，周围设缓冲区20m，在该影响范围内，易损性值取0.9。研究区公路分高速公路、国道、一般公路和主要街道，其中高速公路、国道和主要街道因社会影响较大，易损性值0.8；一般公路0.6。

4.2 结构易损性评价

结构易损性评价（V-stru）目的是从基础结构的角度，评估不同土地利用要素的抗塌陷能力，以塌陷时发生破坏的可能性表示，取值在0～1之间（表2）。

（1）社会功能方面的考虑

尽管非建筑物分布区，如水域、耕地等，对社会经济生活的影响不大，社会经济易损性指标较低，但塌陷时发生破坏的可能性却很高。为此，结构易损性指标为1；城市居民地的抗塌陷能力也较弱，易损性指标为0.9；而工业用地和政府所在地等，由于具有较好的基础结构，抗塌陷能力也较强，易损性指标为0.2～0.3。

（2）生命线的考虑

在缓冲区范围内，交通生命线抗塌陷能力均较差，所以，易损性指标取0.3～0.6之间。

5 期望损失评价

期望损失评价是指计算评价岩溶塌陷的期望损失，本文从国民经济和人民生命财产损失的角度，参考国内其它地区塌陷损失情况[8]，评估塌陷发生时带来的损失，表示为V-eco以万元为单位（表2）。最后由易损性值与经济损失值得到期望损失值（V-loss），并对其进行分级。

（1）社会功能方面的考虑

可能造成较大经济损失的是行政办公用地、工业用地、交通枢纽和居住用地等，参考国内其它地区取值，本区易损性指标定为100～1000万元；而耕地、绿地等损失最小，为5万元；其它类型用地均在10～50万元之间。

（2）生命线的考虑

铁路因其重要地位，易损性值为200万元；高速公路70万元，国道50万元，一般公路35万元，主要街道为10万元，其它交通为50～250万元。

对易损性评价结果和经济损失评价结果进行综合处理，可得期望损失评价结果（V-loss）：由（1）即可求出发生塌陷时，各土地利用单元的最终损失值，然后按照损失大小对其分级，共分为5级，5级损失最高，1级最小，得出期望损失分级图（图4，图中1到5分别对应表2的分级区）。

6 风险性评价

（1）现状评价

岩溶塌陷风险（R）是潜在塌陷危险性（Q）和期望损失（V）的函数[11]，即：

在本次评价中，选用以下模型进行：

实际操作中，将岩溶塌陷危险性分区图和期望损失分级图的属性按对应单元相乘，生成一个初步的风险级别（表3），再对这个风险级别重分类，确定岩溶塌陷的风险级别为五级，其中最高风险为一级风险，最低风险为五级风险。由图5可知，研究区内各级别风险区均有分布，其中一级风险区，面积约12.7km2，位于临沂市中心城区和罗庄区西北部地带，以及部分交通要道沿线，这些区域岩溶塌陷的危险性较高，又属于城区居民区，人口密集，一旦塌陷社会风险损失很大。

图4 期望损失分级图

图5 风险性现状评价结果

塌陷危险性和风险性评价。评价结果分别见图6和图7。由图7可知，原齐家庄降落漏斗附近及罗庄城区由原来的一级风险降为二级风险，最低风险区（五级风险）的范围有所扩大，西北部大部分地区已降为四级风险区，风险级别大大降低。一级风险区范围为原岩溶塌陷点附近区域和市区部分地区，面积约2.8km2。对比图6和图7可知，经过地下水调采后，原岩溶塌陷高风险区范围大为缩小，低风险区范围大为增加，但原岩溶塌陷点附近区域和市区部分地区无论现状还是预测评价始终处于一级风险区内。

表3 R值重分类及风险级别确定

（2）风险性预测评价

在预测条件下，设定的地下水规划调整开采方案为城区岩溶水开采量减少11.65×104m3/d，将此开采条件通过地下水流模型模拟计算出相关因子[16]，即可进行岩溶

7 结论

本文采用基于层次分析的模糊综合评判法，对临沂市岩溶塌陷现状进行了危险性评价。地下水水位降落漏斗范围内及原有塌陷区附近，岩溶塌陷危险性级别较高。在危险性评价基础上进行了易损性评价和期望损失评价，综合得出了风险评价分级图。城区及原岩溶塌陷区附近，风险性级别较高。利用地下水流模型预测得出的相关因子，评价了给定地下水调采方案下，岩溶塌陷的风险性。通过比较发现，经过地下水调采后，原岩溶塌陷高风险区范围大为缩小。风险评价可以明确风险的影响因素，识别风险区的范围和风险值的大小，结合地下水流数值模拟技术，可以确定合理的岩溶水规划开采方案。这对于指导和防治岩溶塌陷，减少由此可能带来的潜在损失有很重要的意义。

图6 岩溶塌陷危险性预测评价

图7 岩溶塌陷风险性预测评价

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Application of Groundwater Model for Risk Assessment of Karst Collapse in Linyi City

LEI Xiaodong1,2, SHAO Jingli3, LI Juan1,YAO Chunmei4, JUN Yang5

(1.Beijing Institute of Geo-Exploration and Technology, Beijing 102218; 2.Beijing Huaqing Geothermal Exploitation Company Ltd., Beijing 102218; 3.China University of Geosciences, Beijing 100083; 4. Shandong Monitoring Center of Geological Environment, Ji’nan 250014; 5. Civil Engineering, North Dakota State University, Fargo, USA 58102)

The karst collapse is the most important types of geological disasters in Linyi city of Shandong province. Once the occurrence of karst collapses, it may lead to greater economic and property losses, so it should be very necessary for risk control and prediction of karst collapse. Risk assessment includes current situation evaluation and forecast evaluation, mainly consists of three steps: hazard assessment, vulnerability assessment and expected loss evaluation. This paper adopts the fuzzy comprehensive evaluation based on AHP method in risk assessment fi rstly, then vulnerability assessment and expected loss evaluation is given, and a comprehensive assessment classi fi cation map of present situation is developed. The risk of karst collapse is predicted using the groundwater fl ow model with witch the relevant evaluation factor is determined by the adjusting groundwater pumping scheme. By comparison, the high risk area of karst collapse is greatly reduced through adjusting pumping scheme. It has important significance to prevent occurrence of karst collapse by the reasonable karst water pumping scheme with the combination of numerical model of groundwater fl ow and risk assessment methods.

Karst collapse; Risk; Groundwater; Linyi

P642.254

B

1007-1903（2013）03-0050-08

国家重点基础研究发展规划“973项目”（2010CB428804）

雷晓东(1983－ ), 男，工程师，硕士，从事水文地质及综合勘查工作：E-mail：lei-xiaodong@139.com