武汉市岩溶塌陷区域风险评价与管理研究

王卫东

(福鼎市矿产站,福建 福鼎 355200)

风险管理是人们对潜在的意外损失进行辨识、评估、预防和控制的过程[1]。20世纪30年代初，风险管理从美国开始萌芽，许多经济学家以风险管理问题为研究对象，至20世纪50年代，风险管理受到欧美各国的普遍重视，逐步成为企业管理科学中一门独立学科，“风险管理”一词开始出现。美、欧、亚太和相关国际组织均在该领域进行了积极有益的探索，20世纪70年代以后，一些国家建立了全国性和地区性的风险管理协会，风险管理的发展进入了新阶段，国外在这一领域做了大量工作，并形成一套较规范化的工作方法。而中国至1980年“风险”一词才首次提出，近二十多年来，中国风险分析、风险决策的相关论述开始显现，风险管理的研究较少，研究仍处于早期阶段。

地质灾害风险管理是一项集技术决策、政府管理、社会参与、法律制定及成本核算、效益分析等为一体的综合决策行为，是地质灾害管理的高级阶段。由于科技发展水平等限制因素，中国(不含香港地区)的地质灾害风险管理还处于刚刚起步的阶段。武汉市岩溶地质条件复杂、岩溶塌陷地质灾害频发，对城市建设和经济发展产生了较大的影响和制约，通过对风险管理理论和方法的研究，寻找对岩溶塌陷地质灾害风险进行有效管理的途径，逐步提高岩溶塌陷地质灾害风险管理水平，对防灾减灾具有重要意义。

1 区域岩溶地质环境条件

1.1 地质构造

武汉市在大地构造上位于秦岭褶皱系和扬子准地台两大构造单元交接部位。北为秦岭褶皱系，南为扬子准地台。秦岭褶皱系进一步划分为桐柏—大别隆起(Ⅱ级)的桐柏山复背斜(Ⅲ级)，南部扬子准地台进一步划分为扬子台坪(Ⅱ级)的大冶台褶带(Ⅲ级)，本区仅出露武汉台褶束、梁子湖凹陷两个Ⅳ级构造单元，断裂活动和新构造运动强烈。襄阳—广济断裂以南大都被第四系覆盖，志留系—三叠系地层构成了走向近东西向的线状褶皱，一般向斜窄、背斜宽，并发育NWW、NW、NE三组断裂。同时受襄阳—广济断裂和麻城—团风断裂控制，发育有新洲凹陷和梁子湖凹陷两个凹陷。主要的基岩构造发育，断裂大多数隐伏地下，隐伏褶皱在局部地表有不同程度的露头，为背斜开阔、向斜紧闭的线性褶皱，北部多倒转，向南过渡为正常类型，一般呈近东西—北西西向延伸。

1.2 碳酸盐岩分布特征

武汉市隐伏可溶岩总体呈近东西向条带状分布，局部地区由于受构造影响岩溶条带发生折曲，条带宽度一般为0.8～6.8 km，最宽可达12 km，隐伏可溶岩分布总面积约1 118.70 km2。隐伏可溶岩主要位于向斜核部，少数位于向斜翼部。武汉市由北至南共分为8个岩溶条带，分别为天兴洲岩溶条带、大桥岩溶条带、白沙洲岩溶条带、沌口岩溶条带、军山岩溶条带、金水闸岩溶条带、老桂子山岩溶条带、斧头湖岩溶条带。

1.3 岩土体结构特征

武汉市第四系地层极为发育，沉积类型齐全，分布广泛。河流冲积平原区土层普遍厚度在10～50 m，局部厚度可达80 m以上；剥蚀残丘、岗地区土层普遍厚度在10～30 m。针对第四系土层岩性特征，武汉市第四系土层结构可划分为单层结构、双层结构和多层结构三种类型。单层结构土层岩性以较单一的粘性土为主，武汉市三级阶地广泛分布。双层结构土层主要为上粘下砂结构，零星分布于长江、汉江沿岸。多层结构土层主要分布于长江北部、汉江沿岸，呈带状分布。

1.4 岩溶发育特征

受构造及地壳升降运动影响，岩溶现象具多期性，且在垂向上有一定的分带性。武汉市揭露灰岩的钻孔中，均有不同程度的岩溶现象，岩溶现象在石炭系、二叠系以及三叠系碳酸盐岩地层中均有发育。从钻孔揭露的岩溶特征来看，岩溶形态主要为溶洞、溶蚀裂隙、溶槽及小溶孔等。溶洞高一般为0.1～6.0 m，个别>10.0 m，局部串珠状溶洞最厚可达二三十米。溶洞大多呈全充填或半充填状态，充填物一般为粘土、碎石粘土及砂，少数溶洞充填物为碎石粘土及岩溶崩塌堆积的岩屑，少部分溶洞无充填。溶洞主要发育在标高-80 m以上，标高范围在5～-15 m、-20～-25 m、-30～-35 m为岩溶强发育段，钻孔中见溶洞及岩溶现象的最多，标高范围在>5 m、-15～-20 m、-25～-30 m、-35～-80 m为岩溶中等发育段，标高范围在<-80 m为岩溶弱发育段。

1.5 水文地质条件

根据地下水的含水介质、赋存条件及水动力特征，将地下水类型分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水、碎屑岩类裂隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水及变质岩类风化裂隙水五类。全新统孔隙潜水含水岩组和承压水含水岩组水量最为丰富，且与地表水水力联系密切，多呈相互补给的关系，其它类型地下水多在层内和相邻含水层之间向水头小处径流排泄。

2 岩溶塌陷基本特征和形成机理

2.1 岩溶塌陷基本特征

武汉市岩溶地质条件十分复杂，岩溶塌陷频发。自有详细记录的1977年汉阳中南轧钢厂岩溶塌陷至2018年，武汉市内先后发生过33处(38次)岩溶塌陷，特别是2008年以后，几乎每年均有岩溶塌陷产生。

武汉市已有岩溶塌陷均为碳酸盐岩的可溶岩类型、上覆土体破坏的土层塌陷。除少数时间较早的自然塌陷外，其余均为人为因素诱发的塌陷。塌陷主要分布在洪山区、武昌区、汉阳区和江夏区(见图1)，集中于中心城区所在的一级阶地，其中白沙洲岩溶条带长江两岸分布最为密集。近几年来，随着武汉市城区范围的不断扩大以及远城区城镇化的推进，岩溶塌陷也向远郊新城区扩散，如江夏区，近年来发生多起岩溶塌陷。此外，岩溶塌陷处的地质特征也不再局限于长江沿岸、上覆土层为“上粘下砂”二元结构的覆盖型岩溶，在上覆单层红粘土的覆盖型岩溶区，以及上覆红砂岩较薄的埋藏型岩溶区内，人类工程活动也诱发了多起岩溶塌陷[2-3]。

据不完全统计，武汉市已发生的岩溶塌陷至少造成直接经济损失11 409.1万元，塌陷危害对象包括居民、道路交通、房屋建筑及设施、农田、工程施工、江堤等。多处塌陷坑造成房屋倾斜、墙体拉裂、水泥地坪开裂，影响工程施工安全和工程运行，个别塌陷还造成局部水泥路面完全断裂，房屋倒塌，主供水管道破裂，损毁农田和江堤。

图1 武汉市碳酸盐岩及岩溶塌陷分布图
Fig.1 Distribution map of carbonate rock and karst collapse in Wuhan
1.覆盖型岩溶区；2.埋藏型岩溶区；3.岩溶塌陷点。

2.2 岩溶塌陷影响因素

影响岩溶塌陷的主要因素为下伏可溶岩岩溶发育程度、上覆第四系土层厚度和结构、地下水位及变动幅度和频率。自然条件下，岩溶塌陷多受降雨和地表水入渗、地下水位季节性波动诱发，在人类工程活动的影响下，还能引起瞬时或长期的地下水运移和岩土变形，特别是在岩溶发育区，常引发岩溶塌陷地质灾害，造成严重的经济损失。

2.3 岩溶塌陷形成机理

武汉市岩溶塌陷的形成机理有多种，包括潜蚀效应、(真空)吸蚀效应、垂直渗压效应、重力(自重和加载)效应、振动效应等，岩溶塌陷的形成和发展是多机制的，因此不同地段的塌陷，其成因机理及致塌模式存在一定的差异。

3 武汉市岩溶塌陷风险评价

风险管理是基于风险评价的一种管理决策，即使用科学的管理方式降低可能发生的风险。风险评价是风险管理的基础，其主要内容包括：风险识别、风险的量化和度量、风险评估等流程。

3.1 岩溶塌陷风险评价方法

在进行岩溶塌陷地质灾害风险管理控制工作开展之前，需针对不同目的和评价要求，对研究范围进行界定，确定灾害风险评价与管理控制的层次、精度以及不同评价尺度的适用范围。针对范围较小的地级市或县市级的防灾减灾规划，适合采用中等比例尺(1∶200 000～1∶50 000)进行评价[4-6]分析基础数据资料，确定岩溶塌陷地质灾害风险的控制因素、诱发因素等；分析引起岩溶塌陷地质灾害可能风险的影响因子，并确定它们在风险中所占的权重。通常通过专门调查法、层次分析法、数理统计模型法、指标量化敏感性统计模型法、信息模型法、灰色模型法等来实现[7-8]，最终再确定拟采用的评价模型与方法[9]。采用层次分析法确定权重，它是一种较为合理的定性定量相结合的系统分析方法。针对各评价因子之间的重要程度，构建一个能够反应评价因子两两之间关系的判断矩阵，再通过层次分析，计算出各评价因子的权重，并进行一致性检验以保证其客观性。

岩溶塌陷风险评价是将岩溶塌陷风险源的危险性评价结果和受险对象的易损性评价结果叠加而得到的，因此岩溶塌陷风险评价又可分为岩溶塌陷危险性评价和受险对象易损性评价两个方面。

3.2 岩溶塌陷危险性评价

岩溶塌陷危险性评价往往是在岩溶塌陷易发性评价的基础上，叠加考虑诱发因素(如人类工程活动程度)得到的。

3.2.1岩溶塌陷易发性评价指标选取

武汉市岩溶塌陷风险评价，风险识别及量化等，可视为岩溶塌陷影响因子的确定及评价指标归一化过程。岩溶塌陷的孕育、发展和形成受到多种因素的影响，归纳起来主要有以下3个方面：下伏基岩岩溶发育程度、上覆土层特征和地下水动力条件。岩溶发育程度是岩溶塌陷形成、发展的最基础的控制性因素；上覆土层是塌陷产生的物质来源，不同厚度、不同性质的土层对塌陷的形成具有不同的影响；地下水活动条件是岩溶发育、塌陷形成的最重要的动力因素。

由于影响岩溶塌陷的指标因素很多，如果将每一项都选作评价指标，不仅会增加实际调查的工作量，而且大量的实践经验证明也没有必要，只须从诸多指标中选取少数几个能够真实全面反映岩溶塌陷易发性的评价指标即可。根据评价指标的选取原则及武汉市岩溶塌陷资料的获取情况，选取了表1中4个条件8个因子作为本项目的评价指标。主要影响因素参数分级参照中国地质调查局岩溶塌陷调查规范(1∶50 000)中表4-表6所示各因素对岩溶塌陷的影响分级来确定。

表1 岩溶塌陷主要影响因素分级表Table 1 Classification table of main influence factors of karst collapse

3.2.2确定权重

由于地质环境系统的复杂性、不可逆性、模糊性，用精确的完全定量化的定权模型来求取评价因素的权重难度很大，有时对地质环境系统分析不够时，过分地相信定权模型，反而使权重不尽合理，即不能合理地度量其对风险的贡献。根据专家的经验判断，有时其结论还较为可靠。可采用层次分析法确定权重[10](图2)，它是一种较为合理的定性定量相结合的系统分析方法。针对各评价因子之间的重要程度，构建一个能够反应评价因子两两之间关系的判断矩阵，再通过层次分析，计算出各评价因子的权重，并进行一致性检验以保证其客观性。

图2 岩溶塌陷易发性评价层次分析法结构图
Fig.2 Diagram of structure in analytic hierarchy process forsusceptibility assessment of karst collapse

根据表1的赋值，权重分析矩阵和权重结果见表2-表4。

表2 准则层B相对于目标层A的判断矩阵Table 2 Judgment matrix of criterion layer B relative to target layer A

表3 指标层C2 j相对于准则层B2的判断矩阵Table 3 Judgment matrix of indicator layer C2j relative to criterion layer B2

表4 指标层C3 j相对于准则层B3的判断矩阵Table 4 Judgment matrix of indicator layer C3j relative to criterion layer B3

根据判断矩阵，利用线性代数知识，求出T的最大特征值及所对应的特征向量，所求特征向量即为各评价因素的重要性排序。通过计算，得到同一层次相应因素对上一层次某元素相对重要性的排序权重，其值均<0.1，满足一致性检验；再根据单排序权重求出各评价指标在整体系统中的相对重要性排序权重，并通过一致性检验，综合结果见表5。

3.2.3 建立岩溶塌陷易发性评价模型

采用加权平均综合指数模型对武汉市岩溶塌陷地质灾害易发性进行评价。

表5 组合权重表Table 5 Comprehensive weight table

加权平均法是将各个单因子先按分级标准判断为四级，并将其从高易发到不易发依次评分为3，2，1，0，作为单因子得分值。将单因子得分值代入加权平均公式计算综合指数，最后按表6确定单元等级。其权值Wi的引入可以反映出不同要素对岩溶塌陷的不同影响程度。其计算公式如下：

式中：PI——加权平均综合指数；Wi——权值；pi——各单因子得分值。

根据以上模型公式和表5的组合权重，得到易发性评价模型为：

H=0.24*岩溶发育程度+0.12*土层厚度+0.07*土层结构+0.04*底部土层岩性+0.22*非可溶岩地层厚度+0.02*变化幅度+0.06*岩溶水承压性+0.23*塌陷坑(土洞)密度。

表6 加权平均模型易发性等级分级表Table 6 Susceptibility classification table of weighted average model

3.2.4岩溶塌陷危险性评价

采用相同的方法，在岩溶塌陷易发性评价的基础上叠加诱发因素，按照公式W危险=岩溶塌陷易发性*0.666 7+人类工程活动强度*0.333 3，计算得到W危险，依据表7将岩溶塌陷危险性评价分为四个等级。

表7 危险性等级分级表Table 7 Classification of hazard classes

3.3 岩溶塌陷易损性评价

易损性评价主要分为生命易损性、社会经济易损性和资源环境损失。根据土地利用现状图及城市规划、人口分布、土地价值等资料，划分人口密度分区、土地利用分区等，结合遥感影像，对各因子分区赋予相应属性值(表8)。利用MAPGIS空间分析模块，将各易损性因子进行叠加分析。对叠加区进行lab点提取并将其属性导出，根据层次分析法计算指标权重，最后利用综合指数法计算每一个评价单元的易损性指数。通过对易损性指数计算结果的分析，结合全区易损度分布情况，同时参考专家建议，将全区易损性划分为3个等级，分别对应易损度指数区间。根据易损性分级表(表9)，将调查区划分为高易损区、中易损区和低易损区3级。

表8 易损性评价因子评分表Table 8 Scoring table of vulnerability evaluation factors

表9 易损性等级分级表Table 9 Vulnerability rating scale table

3.4 岩溶塌陷风险评价

在城市地质环境分区单元划分的基础上，逐一在各单元提取相应的评价因子，分别进行地质灾害危险性分区评价、地质灾害易损性分区评价。最后叠加两大板块的评价结果，构成岩溶塌陷地质灾害风险性分区评价成果。

地质灾害风险程度用风险性指数来度量，指数值越大，则岩溶塌陷风险性越高。评价指标用以下公式计算，根据各单元的危险性和易损性进行岩溶塌陷地质灾害风险性分区，作出评价区的风险评价分区图，风险性等级分级表见表10。

W风险=W危险*W易损

式中：W风险为评价单元的风险性指数；W危险为评价单元的危险性指数；W易损为评价单元的易损性指数。

结合图1中岩溶塌陷的分布，评价结果显示各分区的塌陷点个数分别占塌陷总数的75%、25%、0%。已有的岩溶地面塌陷均分布在高风险区和中等风险区，比较符合武汉市岩溶地面塌陷的实际情况(图3)。

岩溶塌陷地质灾害风险高区主要分布于白沙洲、青菱乡、鹦鹉大道、楚雄大街、南湖大道、法泗街、汉南区陡埠村—金水一村一带。该区土地利用类型为居民用地及交通线路，人口密集，交通较发达，人类工程活动频繁。在白沙洲、青菱乡、法泗街一带近年曾有岩溶塌陷地质灾害发生。

表10 岩溶塌陷风险性等级分级表Table 10 Classification table of karst collapse risk

图3 岩溶塌陷风险性评价分区图
Fig.3 Risk assessment division for karst collapse in Wuhan
1.高风险区;2.中等风险区;3.低风险区。

岩溶塌陷地质灾害风险中等区主要位于汤逊湖周边、黄家湖南、三角湖周边、岱家山、谌家叽、青山镇、后官湖大道周边、墨水湖以南长江以西区域，墨水湖北沿琴台大道条状分布。该区土地利用类型以乡镇建设用地为主，人口较密，建设开发程度较高，交通较发达，人类工程活动较频繁。其次在江夏区法泗街老桂子山西南侧，虽然多为农田，但岩溶发育、岩溶塌陷易发性高，为岩溶塌陷中风险区。

岩溶塌陷地质灾害风险低区广泛分布于除高、中风险区以外的可溶岩分布区。该区土地利用类型主要为乡镇边缘的建设用地、耕地、林地及水域，部分为拟开发用地，人口密度较低(以农村人口为主)，建设开发程度一般，交通线路密度较低，经济较不发达，无较强的人类工程活动影响，地下水开发利用深度较浅(一般为松散岩类孔隙水)，无岩溶塌陷地质灾害发生历史。

4 岩溶塌陷风险管理措施建议

在风险评价的基础上，首先应分析风险的可接受程度，其次再根据风险区划图最终进行风险管理、控制决策等。可接受风险、不可接受风险与可容许风险的确定方法有ALARP准则、社会风险标准值FN曲线或定性分析等，根据实际情况，如投入与效益比，再确定可容许范围内的风险是否需要采取减缓措施[11-12]。

地质灾害风险评价为地质灾害风险管理工作提供了必要的依据。结合武汉市岩溶塌陷风险评价分区，风险管理措施大致可分为以下几种情况：

(1)接受。可接受风险水平是一个综合概念，通常从人员伤亡和经济损失两方面考虑。对于经济损失，主要分析灾害发生后对经济造成的破坏程度以及可能的修复费用与采取防治措施可能花费费用的对比关系。实际中人员伤亡因素显得更加重要，可从经济损益角度来确定可接受风险水平，再综合考虑人员伤亡或受威胁人员加以修正。主要针对评价结果中的岩溶塌陷低风险区。针对岩溶塌陷风险在可接受范围内往往指塌陷不威胁到人口、财产、工程施工运行等，可不加以管理控制。

(2)规划控制。在风险不同的区域，各类型工程建设活动建设适宜性与各工程项目的工程重要性有关。工程重要性等级根据结构破坏可能产生的后果(危及人的生命，造成经济损失，产生的社会影响等)的严重性划分。如按工程建设功能划分的几类工程活动，工程重要性由高到低依次为：地下工程>房屋建筑>地上道路交通。针对全域可溶岩分布区，应加强评价结果的利用及其与规划的结合，对于风险不同区域规划、不同工程重要性的人类工程活动，严格控制工程建设类型、规模和密度，禁止开展超标准、超高度、超密度的工程建设项目，可以达到合理规划、事先预防的目的。

(3)工程措施。通过防灾减灾工程或工程建设活动本身的优化来控制风险。如加大投入、改进施工工艺，制定岩溶地区施工实施细则，规范岩溶场地预处理、施工时的具体操作规范、应达到的标准，如土洞注浆实施细则、岩溶场地处理时止水帷幕施工细则等，一道工序验收合格后方能进行下一步施工，确保各处理方案的技术可行性、经济合理性。主要针对评价结果中的岩溶塌陷高、中风险区及重大工程施工区，应加强工程处理措施，保证施工安全和工程安全运行。

(4)监测预警。主要针对评价结果中的岩溶塌陷高风险区，充分发挥监测预警作用，提升预先感知风险能力。加强地质灾害监测预警工作，对风险大小、性质不明确时，采取监测预警，针对出现的变化及时采取相应的措施。由于武汉市多为隐伏岩溶分布区的上覆土层塌陷，岩溶塌陷一般具有突发性、隐蔽性，实施监测预警是十分必要的。值得注意的是，岩溶塌陷风险管理实施的过程中，风险是动态变化的，还应监控跟踪风险的变化，及时分析管理措施有效性。

(5)规避。风险超过可接受水平，且无法通过其它控制措施降低风险时，采取规避的方式可避免损失。主要针对评价结果中的岩溶塌陷高、中等风险区实行居民点避险搬迁、线路工程改线、重大工程变更选址等。基于武汉市土地资源紧张的局面，完全避险搬迁不太切合实际，只能改变用地类型，这又回到了规划控制的范畴。

(6)防灾减灾教育。隐伏岩溶塌陷的隐蔽性使得人们往往很难意识到周围存在的巨大威胁，以人为本、强化风险意识、提高全民防灾减灾意识、普及应急逃生技能、降低人员伤亡是风险管理的重要内容。

5 结语

本文从风险评价出发，对武汉市岩溶塌陷风险管理进行了初步探讨。地质灾害区域风险评价是政府部门进行防灾减灾及地质灾害有效管理等工作的基础，实行地质灾害风险管理是今后岩溶塌陷地质灾害防治的大势所趋，在规划阶段参与控制决策、在运行阶段参与风险防控等。如何借鉴国际先进方法，结合防灾减灾的实际需要和研究管理水平现状，建立一套由地质灾害区域风险评价、监测预警、风险管理及防灾减灾等为一体的科学管理体系，对岩溶塌陷防灾减灾具有重要意义，值得更深入的研究。