柳州三都地区岩溶塌陷易发性评价

周 健，万佳威，张勤军

(广西壮族自治区地质调查院，广西 南宁 530023)

三都位于广西柳州市柳江区，在三都镇北东方向1 km处的屯边至大河一带，自1960年起持续发生岩溶塌陷，现已形成1处塌陷群(含塌陷坑12个)和4处塌陷坑，它们分布于农田内及公路边，严重影响了农民及过往车辆的安全，制约了三都镇的城镇发展。因此，对该地区进行岩溶塌陷预测评价十分重要。

前人对岩溶塌陷预测评价方法已进行过系统研究，目前常用的评价方法有模糊综合评判法、灰色模糊综合评判法、人工神经网络、支持向量机、信息量法、证据权法等[1-3]。其中，模糊综合评判方法具有操作简便、应用广泛且评价结果可靠等优点，因此本文结合三都周边地区的经验[4-7]，选择该方法对三都镇周边岩溶塌陷易发性进行评价。

1 研究区地质背景条件

本文结合三都镇城镇规划，选定三都镇三都社区—屯边—大河一带作为研究区，面积为4 km2。

1. 1 地形地貌条件

研究区地貌属岩溶谷地，局部耸立岩溶孤峰和峰林；地势西高东低，较为平坦开阔，地面标高为183～335.77 m，谷地地面相对高差一般小于10 m。

1. 2 岩性及构造

研究区基岩为石炭系中统大埔组(C2d)白云岩、石炭系中统(C2)灰白色厚层—块状白云岩和石炭系下统巴平组(C1-2d)灰色厚层状灰岩，见图1。屯边—大河一带发育一条北东走向性质不明断层。

图1 三都地区地质简图Fig.1 Geologic sketch of Sandu area

1. 3 覆盖层土体特征

研究区第四系广布，在岩溶谷地内土层厚度为1.5～11 m，平均厚度为5.7 m，从上到下依次为填土或耕植土、硬塑状黏土。据地质雷达显示，研究区内存在土洞异常20个，密度达100个/km2，土洞宽度为1～8.5 m、高度为0.5～2.5 m。土工试验结果显示，研究区土层具有较高的含水量，属坚硬—硬塑状土，中等透水，具中等压缩性，并以膨胀土为主。三都地区土层分布见图2。

图2 三都地区土层分布图Fig.2 Distribution of soil in Sandu area

1. 4 水文地质条件

研究区内地下水为碳酸盐岩裂隙溶洞水，富水中等—丰富，主要接受西部峰丛谷地、洼地岩溶水侧向补给，同时接受大气降水面状渗入补给。通过对图2切4条剖面(见图3)，并结合钻孔柱状剖面图(见图4)分析发现，研究区含水空间以溶洞、溶蚀裂隙为主，构成网状的裂隙-溶洞含水体系，地下水以脉状隙流为主，受构造控制局部管道状集中径流，径流方向总体向东，柳江为附近地下水排泄基准面。但近年来三都镇大力发展现代农业，建有较大规模的自动灌溉系统，使地表水下渗亦成为区内地下水的重要补给来源。

图3 三都地区三维地质剖面图Fig.3 Three-dimensional geologic profile of Sandu area

图4 研究区典型钻孔柱状剖面图Fig.4 Profile for typical drilling histogram

研究区地下水水位埋深一般小于10 m，年水位变幅多小于5 m。岩溶泉年流量动态变化较大，三都下降泉(S077)年最大流量为115.38 L/s，最小流量为37.8 L/s，不稳定系数为0.33，具有管道流特征。

1. 5 岩溶塌陷发育现状

研究区内共存在16个塌陷坑(TX017～TX030、TX039、TX040)，包括大河塌陷群(TX020～TX030、TX040)、大河屯塌陷13(TX039)、屯村塌陷2(TX019)、屯村塌陷1(TX018)和屯村塌陷3(TX017)，见图5。研究区这16个塌陷坑均位于农田或农田边，其中7个位于公路附近，塌陷发生时间在1960—2010年。研究区塌陷坑形态呈锥状、圆柱状，坑深小于10 m，面积为0.07～113.04 m2，规模为小型—中型，部分坑底见基岩面和地下水，均属浅覆盖型岩溶塌陷。

图5 三都地区岩溶塌陷分布图Fig.5 Distribution of karst collapse in Sandu area

2 研究区典型岩溶塌陷的形成分析

研究区大河塌陷群(TX020～TX030、TX040)近年来持续发生岩溶塌陷，影响较大，故将其周边影响区域划定为典型岩溶塌陷区。

大河塌陷群区域地势平坦开阔，相对高差小于10 m。据钻孔资料显示，岩溶塌陷上覆土层为第四系残坡积硬塑状黏土，厚度1.5～11 m不等，处于易塌范围；下部基岩处于石炭系中统大埔组(C2d)白云岩和石炭系下统巴平组(C1-2d)灰岩的接触带位置，岩溶发育，基岩面起伏较大，发育有若干近东西向溶沟溶槽，影响着岩溶塌陷的发育和分布。此外，该区域附近地下水较为丰富，地下水水位埋深多小于10 m，水位变幅一般小于5 m，且多在岩土界面附近处波动，利于地下水掏空土体形成土洞。

该区域塌陷坑主要分布于公路两侧的农田中，表明其与人类活动紧密相连。大河塌陷群附近为大片自动灌溉的香菜种植园，每年灌溉用水量需求大，监测资料显示其经常造成地下水水位短时间的强烈波动，这可能是诱发岩溶塌陷的重要原因。

由于大河塌陷群岩溶空腔之上的土层较薄，在自然因素和人为因素的长期作用下容易发生崩解剥落并形成土洞，土洞不断向四周扩张，并最终在地下水流、气流、重力等作用下发生岩溶塌陷。

3 研究区岩溶塌陷的影响因素分析

研究区岩溶塌陷形成发育的主要影响因素有基岩因素、覆盖层因素、自然条件下地下水活动因素和人类工程活动因素等。

3. 1 基岩因素

受岩性及构造等条件的控制，研究区发育有岩溶泉、溢洪溶洞、消水洞、伏流等天然水点，物探及钻孔验证也探明研究区45 m以浅存在较多小规模溶洞。以三都—大河—屯村为界，其南东侧岩溶强发育，北西部岩溶中等发育，特别是断层附近、地质界线附近的灰岩—白云岩接触带位置，溶蚀现象明显，浅部溶孔、溶洞发育，岩溶管道相对发育，这为岩溶塌陷的产生提供了前提条件。

3. 2 覆盖层因素

研究区覆盖层为土层，成分主要为残积黏土，具较高含水量、大孔隙性，大部分为硬塑状，具中等压缩性和膨胀性，故其抗潜蚀、抗塌陷能力较弱。除局部的孤峰和峰林地区外，研究区第四系厚度受底部基岩岩溶发育的影响，介于1.5～11 m不等，起伏较大，属于易塌陷厚度范围。在屯村—觉山一带，土层盖于溶沟、溶槽之上，岩土界面高低起伏，使潜蚀、冲蚀、掏空作用更易于集中在局部位置，促进了土洞—塌陷的形成。

3. 3 自然条件下地下水活动因素

研究区炎热多雨，气候干湿变化，地下水水位频繁波动，利于潜蚀、渗蚀、真空吸蚀等作用的发生。在自然条件下，研究区内地下水水位一般随季节在基岩面附近波动，这有利于地下水对土体产生持续掏空。

在童岭和觉山之间的北东走向岩溶谷地，暴雨时常常受淹，最长可达半月之久，淹没深度可达0.5～2 m；雨停后地下水水位下降，大量地表水渗入地下加剧了潜蚀作用，提高了岩溶塌陷发生的可能性。屯村—大河一带地表水系虽然相对发育，但水量较小，多为小溪水沟，年水位变幅较小，一般在5 m以内，频度较低，因而其对两岸的地下水水位影响较小，促进岩溶塌陷产生的作用较弱。

3. 4 人类工程活动因素

研究区内人类工程活动频繁，主要有地下水开采、公路建设、居民建筑、水渠开挖、土地整理等。近年来，由于三都镇规模不断扩大，公路民建得到不断发展，村镇学校用水量也在逐年增多，而抽取地下水对岩溶塌陷的形成发育往往起到了重要作用。研究区内地下水开采点包括1处机井和1处民井，其中区内南西角的三都水厂机井(KCJ30)装泵量达80 m3/h，日开采时间为11 h，年开采量为32.12万m3，供水人口2 084户，约8 000人。

另外，研究区岩溶谷地内现代农业自动灌溉加剧了局部地下水水位的改变。在研究区北东方向的岩溶塌陷典型区附近有一大片蔬菜基地，需要经常性灌溉，而据自动长期监测资料显示，这一地带地下水水位变幅大且波动频繁，在这一作用下，地下水水位急剧变化，使土洞拱顶土层更易解体并趋于失稳，有利于岩溶塌陷的形成。

4 研究区岩溶塌陷的易发性综合评价

本文选择模糊综合评价方法对三都地区岩溶塌陷的易发性进行评价，具体评价过程如下。

4. 1 隶属度函数的确定

本文采用岭形分布隶属函数来确定各因素对各评价等级的隶属度，具体原则如下：

(1) 当变量x位于两评价等级界限值中间1/2步长范围时，隶属度为1；

(2) 当变量x逐渐离开此范围时，该变量对某评价等级的隶属度从1减小为0；

严重及长距离的周围神经损伤或者缺损依旧是临床治疗的一个难题［1］。目前治疗周围神经缺损的金标准是自体神经移植，但因来源受限，造成拆东墙补西墙的困境使供区失神经支配而带来诸多并发症［2］。近年来，神经组织工程的研究为长距离神经缺损的治疗提供了新的希望［3］。然而，如何为神经组织工程植入活性和功能良好的种子细胞成为目前研究的热点。

(3) 当变量x取评价等级界限值时，隶属度为0.5。

具体隶属度(以三个评价等级为例)函数公式如下：

其中：

对于定性因素，隶属度(以三个评价等级为例)函数公式如下：

4. 2 评价因子的选取与分级

由前述的影响因素分析发现，研究区岩溶塌陷的发育形成与基岩因素、覆盖层因素、自然条件下地下水活动因素以及人类工程活动因素密切相关,因此本文将此作为因素类，并选定岩溶发育程度、土层厚度、土洞密度、地下水水位年变幅、地下水渗流强度、抽水强度、地面附加荷载7项子因素作为评价因子。由于岩溶塌陷现状是研究区岩溶塌陷易发程度的真实反映，是当前评价资料的有效补充，因此本文还将“塌陷坑密度”列入评价因子中。故本文选取的评价因子共计5类8项。

根据资料的详实程度和评价需求，本文将研究区内的岩溶塌陷易发程度划分为低、中、高3个等级，并根据《1∶50 000岩溶塌陷调查规范》和前人所做的统计[1]，在充分考虑单因子致塌效应后，对8项评价因子进行了相应分级，其分级结果见表1。各评价因子等级的划分依据如下：

(1) 岩溶发育程度：根据前文对岩溶发育程度等级的描述进行等级划分，使其与表1相对应。

(2) 土层厚度：根据前文土层厚度情况，并结合图2进行等级划分。但需要注意的是基岩裸露区不发生岩溶塌陷。

(3) 土洞密度：根据调查和探明到的土洞发育情况，栅格化后得到土洞发育密度，并以此为据划分等级。

(4) 地下水水位年变幅：根据调查结果，结合前文地下水水位相应描述进行等级划分。

(5) 地下水渗流强度：由于评价区面积较小(仅4 km2)，现有资料难以支撑内部细化，故参照区域水文地质条件进行整体划分。根据前文水点的特征、径流带和补径排条件，将评价区统一划分为中等。

(6) 抽水强度：根据前文描述可知，评价区内集中开采区开采量大、抽水强度高，而分散开采区则相反，结合不开采区，将其3者与抽水强度的强、中等、弱相对应。

(7) 地面附加荷载：按照一般认识，将集中高大建筑群地带划为强，一般城镇和大村居民区域划为中等，其余地区划为弱。

(8) 塌陷坑密度：根据前文岩溶塌陷发育现状和图5，对评价区进行相应的等级划分。

表1 评价因子的分级Table 1 Classification for evaluation factors

4. 3 评价因子权重的确定

确定因子权重的方法有德尔菲法、层次分析法(AHP)、主成分分析法、因子分析法、熵值法等[8]。其中,AHP法由于能较好地将主观评价和客观计算结合在一起，妥善解决各因子之间相互关联的问题，已得到了广泛应用[9-10]。故本文利用AHP法确定各评价因子的权重，其主要步骤为：①运用1～9标度法确定各类评价因素类和子因素的判断矩阵；②根据判断矩阵的最大特征值计算对应的特征向量；③标准化处理后得到每个因素类和子因素的权重值，并通过一致性检验。

经过判断和计算，研究区因素类权重从大到小依次为：人类工程活动、覆盖层、岩溶塌陷现状、自然条件下地下水活动和基岩，其中子因素权重较大的岩溶发育程度、塌陷坑密度、抽水强度、土洞密度，这与实际情况相符，具体详见表2。

表2 评价因子的权重Table 2 Weight of evaluation factors

4. 4 模糊综合评判及分区

为了使评价结果可视化并更具实用性，本文利用GIS平台的空间叠加分析功能实现了模糊子集和权矩阵的合成，在完成模糊综合评判的同时输出了研究区岩溶塌陷易发性分区图。具体操作方法为：①对不同影响因子分图层进行单因子评价；②根据各影响因子图层，在GIS平台上按照10 m×10 m的网格对矢量图进行栅格化；③进行空间叠加分析，按照低、中、高3个等级输出评价结果图件，完成研究区岩溶塌陷易发性综合评价。

研究区单因子评价结果如下：

(1) 岩溶发育程度分区：以三都—大河—屯村为界，南东侧划分为高，北西部划分为中[见图6(a)]。

图6 三都地区单因子评级分区图Fig.6 Zoning plan for single factor rating in Sandu area

(2) 土层厚度分区：将第四系覆盖区均划分为高，图2中显示的6处基岩裸露区不发生岩溶塌陷，故将其剔除。

(3) 土洞密度分区：将屯村—觉山一带以及三都社区—大河一带划分为高，其他区域划分为中[见图6(b)]。

(4) 地下水水位年变幅分区：将屯村—觉山一带划分为中，其他区域划分为低[见图6(c)]。

(5) 地下水渗流强度分区：将评价区统一划分为中。

(6) 抽水强度分区：将三都水厂、屯村等区域划分为高，其他区域划分为中[见图6(d)]。

(7) 地面附加荷载分区：将城镇和大村的居民区域划分为中，其他区域划分为低[见图6(e)]。

(8) 塌陷坑密度分区：将大河—龙绕一带划分为高，其他区域划分为低[见图6(f)]。

研究区岩溶塌陷的易发性综合评价结果见图7。

图7 三都地区岩溶塌陷的易发性分区图Fig.7 Zoning map for susceptibility evaluation in Sandu area

由图7可见，研究区分为岩溶塌陷高易发区(面积为1.18 km2)、中等易发区(面积为2.56 km2)和不易发区(面积为0.26 km2)。其中，岩溶塌陷高易发区分为2个块段，分别为屯边—大河一带和三都水厂周边；岩溶塌陷不易发区分为5个块段，均为基岩裸露区，这与研究区岩溶塌陷形成发育的实际情况基本一致。

5 结 论

本文从岩溶塌陷的影响因素分析出发，综合考虑了自然因素和人为因素对三都地区岩溶塌陷形成发育产生的实际影响，并在此基础上，选定了岩溶发育程度、土层厚度、土洞密度、地下水水位年变幅、地下水渗流强度、抽水强度、地面附加荷载、塌陷坑密度8项子因素作为评价因子，按照从定性到定量的思路建立了模糊综合评判模型，利用AHP方法计算了各评价因子的权重，通过GIS平台进行空间叠加分析，并输出了评价结果图件(即研究区岩溶塌陷易发性分区图)。该评价结果客观、合理，能够与实际情况相互印证，具有较高的可信度。

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