基于GIS的含水层富水性评价及分区

孙尚云，张开弦，陈陆望

(1.淮北矿业股份公司通防地测部，安徽 淮北 235000；2.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009)

我国华北、华东地区，许多煤矿煤层之上都覆盖新生界厚-巨厚松散层，在松散层底部有一层以非胶结砂土、砂砾、砾石为骨架的承压含水层[1]，它直接赋存在煤系基岩的顶部，对煤矿的安全生产构成严重威胁。

因此，如何有效防止此类水害问题的发生已成为煤矿防治水工作的重点，煤矿发生突水的必要条件除了突水通道和水源以外，还有含水层的富水性也决定着煤矿发生水害事故的等级和危害程度。当前，评价含水层富水性的依据主要是钻孔单位涌水量[2]，该方法为传统的水文地质分析方法。除此之外，人工神经网络分析法、地质统计分析法、瞬变电磁方法等数理统计、地球物理勘探等方法也已被广泛用来分析含水层的富水性。以祁东煤矿为例，以钻孔单位涌水量评价祁东煤矿含水层富水性为弱-中等富水含水层。但该矿自建井以来发生过的突水事故频数以及突水量显然与弱-中等富水含水层的评价有所不符，故仅依照单位涌水量评价含水层富水等级的方法来指导煤矿防治水工作以不能满足要求。

1 含水层富水性及其影响因素

影响含水层富水性的因素众多，其影响机制也复杂多变，很难进行统一的评价。通过收集祁东煤矿相关地质及水文地质资料，选取含水层有效厚度、构造发育密度、钻孔冲洗液消耗量、渗透系数及单位涌水量五个主控因素[3]，基于地理信息系统(GIS)的模糊层次分析多元信息融合法[4]对祁东煤矿松散层“四含”水富水性进行评价分析，并依据分析结果对“四含”进行了分区，为区域含水层富水性评价提供一种新的方法与思路，同时为“四含”水防治提供了基础支撑。

1.1 含水层有效厚度

含水层厚度是反映含水层富水性强弱的直观因素，相同条件下，厚度大的地段单位面积上的富水性强，反之，则弱。而含水层的有效厚度是剔除含水层中不含水部分之外的厚度，其更能体现出含水层富水性的大小[5]。

1.2 构造发育密度

一般来说，断裂构造附近裂隙发育部位是富水性强的区域，这主要是由于密集的裂隙提供了大量的储水空间。在煤矿生产过程中，断层较为发育的地区往往容易发生突水事故，故将断层密度指数列为富水含水层的强度主控因素之一。

1.3 钻孔冲洗液消耗量

当勘探孔通过含水层时，受孔隙和裂隙发育的影响，钻孔冲洗液会发生漏失现象，故冲洗液消耗量反映了裂隙发育程度，裂隙发育的地方往往是富水地段[6]。

1.4 渗透系数

渗透系数是反映岩石渗透特性的一个指标。渗透系数越大，岩石的透水性越强，岩石的富水能力也越强。

1.5 单位涌水量

单位涌水量是评价含水层富水性强弱的主要依据。含水层单孔抽水试验中的单位涌水量是衡量含水层富水能力的直观评价指标。在矿井水文地质钻孔数据资料中也是比较容易得到的资料，故将其作为影响含水层富水性的重要主控因素。

2 模糊层次分析法

2.1 应用模糊层次分析法的计算过程

1)将各影响因素列为a1，a2，a3，a4，…，an。进行两两比较，采用0.1～0.9的评价尺度进行数量标度(见表1)，得到如下模糊互补判断矩阵

(1)

模糊互补矩阵A=(aij)m×n满足以下条件：①i=j时，aij=0.5；②aij+aji=1。

表1 AHP评价尺度

2)将矩阵A进行行和归一化得到排序向量W

W=(w1，w2，w3，…，wn)T

(2)

3)对模糊判断矩阵A以及排序向量W对应的各因素权重值的合理性进行一致性检验。该模糊判断矩阵A的特征矩阵为

(3)

引入相容性指标

(4)

当I(A，W*)≤α时，认为模糊判断矩阵是一致的。决策者可以根据结果要求的准确性，对α进行取值，对结果的准确性要求越高的话，α取值越小。本次决策中α取值为0.1。

4)检验判断矩阵的相容性

在一般问题中，当对多个控制因素赋予不同的权重时，会得到不同的判断矩阵和不同的权重向量。在进行模糊互补判断矩阵一致性检验之前，有必要检验各判断矩阵之间的相容性。

I(Ak，Al)≤α，k≠l，k，l=1，2，3，…，n

(5)

5)权重向量的确定

若式(5)成立，则模糊互补判断矩阵Ak(k=1，2，3，…，n)是满足相容性的，综合评价矩阵的结果也总是可以接受的。因子集X的权重分布向量是m分量的平均值，相应的表达式为

W=(W1，W2，…，Wn)

(6)

2.2 GIS与AHP耦合进行富水性评价

以GIS为操作平台，以多元信息集成理论为基础，在分析确定影响水资源富集的控制因素的基础上，通过收集和处理数据，建立了各控制要素的专题图层。然后利用专题图层数据复合叠加原理，通过对模型的辨识，利用模糊层次分析法确定各控制因子的权重，建立了相应的富水分区信息融合模型。模型为[7-9]

(7)

式中：VI为多元信息融合指标值；x，y为地理坐标；fk(x，y)为第k个主控因素归一化后影响值函数；n为主控因素的个数；Wk为主控因素权重。

最后将富水性分区在GIS中制图显示出来，技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

3 实例分析

3.1 祁东煤矿水文地质条件

祁东煤矿为第三、四系松散层复盖下的全隐蔽矿床。地下水含水层可划分为第三、四系松散层孔隙含水层、二叠系煤系砂岩裂隙含水层和煤系下伏灰岩岩溶裂隙含水层，其中第四系松散层孔隙含水层中的第四含水层为矿井开采过程中最主要的含水层，自建井以来发生过多次“四含”突水，最大突水量达1 520m3/h。因此，急需解决矿井“四含”的富水性评价问题，指导矿井“四含”水害防治工作。

3.2 含水层富水性主控因素专题图层的建立

1)含水层有效厚度分析

在整理整个矿区有效钻孔资料数据，统计“四含”有效厚度的基础上，利用ArcGIS的插值功能，绘制出了祁东煤矿“四含”有效厚度专题图层(见图2)。由图可知，矿区内“四含”有效厚度整体分布不均匀，矿区北部和东南部“四含”有效厚度较大，矿区两侧，尤其是东部“四含”有效厚度较小，平均厚度为28m左右，局部最大厚度可达57m。

2)构造发育密度分析

祁东矿区范围内主要构造为褶曲和断层，将断层作为构造发育密度，以100m×100m的单元格为单位，计算出断层线穿过每个统计单元格的次数。绘制出的构造发育密度专题图层(见图3)，由图3可知，研究区域北部和南部各有一个构造发育密集区域，但是研究区北部构造整体发育较为稀疏，南部构造整体发育较为密集。

图3 祁东煤矿构造发育密度专题图

3)钻孔冲洗液消耗量分析

通过“四含”钻孔数据进行统计分析，利用ArcGIS的插值功能，绘制出了钻孔冲洗液消耗量专题图层(见图4)，由图4可知，整个祁东煤矿“四含”钻孔冲洗液消耗量在南部采区要明显大于北部，矿区中间部分区段钻孔冲洗液消耗量较大，矿区东部整体钻孔冲洗液消耗量较小，以上分布说明在矿区的中南部分裂隙较为发育。

图4 祁东煤矿钻孔冲洗液消耗量专题图

4)渗透系数分析

对矿区内“四含”抽水试验数据进行整理，得到祁东煤矿“四含”渗透系数与钻孔涌水量数据，利用ArcGIS的插值功能，绘制出了渗透系数专题图层(见图5)，由图5可知，祁东煤矿的渗透系数分布不均匀，但总体分布大致呈阶梯式分布。在矿区南部的渗透系数达到最大。

图5 祁东煤矿渗透系数专题图

5)单位涌水量分析

利用ArcGIS的插值功能，绘制出了单位涌水量专题图层(见图6)，由图6可知，整个矿区“四含”单位涌水量总体趋势上呈现出东低西高，自东向西呈现出增大→减小→增大的趋势，在矿区南部单位涌水量速率变化较快。

图6 祁东煤矿单位涌水量专题图

3.3 各因素权重计算

根据富水区域各主要控制因素的不同程度，采用三种标准对各因素进行评分，然后判断各打分矩阵的兼容性，如果矩阵判断相容性的结果是可以接受的，则取平均值作为对富水分区各因素的权重分配向量。

构建的三个模糊互补判断矩阵A1、A2、A3如下(见表2)。其中C1～C5分别代表“四含”有效厚度、构造发育密度、过“四含”钻孔冲洗液消耗量、“四含”渗透系数以及“四含”单位涌水量。

按照公式(2)～式(6)进行计算，得到结果如表3所示。对以上三个矩阵相容性进行计算，得到I(A1，A2)=0.056；I(A2，A3)=0.056；I(A1，A3)=0.032。均比我们设定值0.1小，三个模糊互补判断矩阵A1、A2、A3的相容性是一致可接受的。

表3 权重向量计算结果

3.4 含水层富水性影响因素归一化处理

由于选取的5个主控因素单位及物理含义各不相同，并且数值范围相差较大，为消除各主控因素之间因不同物理量纲对评价结果带来的影响，采用归一化方法，把各主控因素映射到0～1范围内进行处理，公式如下

(8)

式中：A为归一化处理后的数据；xi为归一化处理前的原始数据；xmax、xmin分别为归一化处理前原始数据的最大值与最小值。

各因素所得到的归一化专题图如图7所示。

(a) “四含”有效厚度归一化图

(c) 钻孔冲洗液消耗量归一化图

(d) “四含”渗透系数归一化图

(e) “四含”单位涌水量归一化图图7 各因素归一化专题图

3.5 富水性分区结果

经计算，祁东煤矿“四含”富水性评价的5个主控因素权重大小如表4所示，由此得出，祁东煤矿“四含”富水性评价分区多元信息融合模型

VI=0.18f1(x，y)+0.19f2(x，y)+0.215f3(x，y)+0.2f4(x，y)+0.215f5(x，y)

(9)

式中：VI表示富水性指数，范围在0 ～ 1；fk(x，y)表示的意思是第k个控制因素归一化后影响值。

利用GIS软件对各控制因素处理后的专题图进行叠加，处理后得到，研究区域“四含”富水性分区评价专题图(见图8)，通过对含水层富水性指数的分析，可以将祁东煤矿“四含”富水性范围划分为4个区域：富水性极弱区(0

图8 祁东煤矿“四含”富水性分区图

由图8可知，祁东煤矿“四含”富水性分布为：富水性强区位于祁东煤矿南部以及东部零星区域；富水性中等区位于祁东煤矿南部除去富水性强区

的剩余区域以及正北方向零星区域；富水性弱区位于祁东煤矿中部，横跨东西方向且紧邻富水性强区；富水性极弱区位于祁东煤矿的北部边界处，分布区域较窄且被富水性弱区的边界一分为二。整体分布呈现出自北向南富水性逐渐增大的趋势。

各分区内主控因素取值范围如表4所示。一般而言，富水性强的区域，各主控因素的均值也较高，但是不同富水性区域之间各因素值的范围并非连续也无绝对界限。这主要是因为各富水性分区主控因素数值都存在个别过高或过低的情况，加大了数值分布的范围。同时，这一现象也说明的含水层富水性是受多个因素控制的，由多个因素共同控制，分析的结果并非是对某单个控制因素的绝对依赖，从侧面证明了分析方法的可行性与科学性。

表4 各主控因素在对应富水性分区内取值范围表

4 结论

(1)基于GIS多元信息集成的含水层富水性模糊层次分析法真实地分析了含水层富水性影响因素，反应了富水性强弱受到多个控制因素的影响，将主控因素权重系数与信息分析处理相结合评价含水层富水性的方法较为科学合理。

(2)通过建立“四含”富水性分区评价模型，总体评价祁东煤矿“四含”富水性差异较大，整体分布呈现出自北向南富水性逐渐增大的趋势，将矿区“四含”划分为四个区域：富水性强区(0.68

(3)根据“四含”富水性分区结果分析，祁东煤矿受“四含”水害威胁的区域主要分布在二采区、三采区、四采区和南部采区浅部，与祁东煤矿揭露的“四含”水文地质情况较为吻合。矿井在上述区域进行采掘活动时主要采取增加采煤工作面支架工作阻力、顶板预裂爆破、长观孔水位降速预警、控制推进速度、合理布设排水系统等水害防治措施，取得了较好的防治效果。