湖北武汉岩溶塌陷易发性评价

涂 婧，刘长宪，姜 超，郑晓明，熊志涛，廖明政，李海涛

(1.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430000；2.中国地质环境监测院，北京 100081)

0 引言

武汉市属于长江中游特大城市之一，位于长江和汉江交汇处，地处江汉平原东部，也是我国主要的岩溶地区城市之一。近三十年来，随着武汉市城市化进程的不断发展，岩溶塌陷地质灾害时有发生，给城市建设和人民生命财产造成了一定的损失，严重制约了武汉市社会经济的发展。为了提出科学合理的岩溶塌陷地质灾害防治措施和保障城市化进程的顺利进行，开展岩溶塌陷易发性评价是一项十分重要的工作。

一般来说，对地质灾害的评估主要包括易发性评价、危险性评价、易损性评价及风险评价等几个过程[1]。地质灾害易发性评价主要针对地质灾害体自身条件的综合评价，是地质灾害评价过程中的重要基础[2-3]。对于岩溶塌陷来说，岩溶塌陷易发性评价主要是针对岩溶体自身所处的地质环境条件进行综合性评价。近年来，有关岩溶塌陷易发性评价的研究成果较多，如王爱云等[4]提出了一种基于GIS技术和不均匀钻孔数据的岩溶地面塌陷易发性评价的新方法；周国清等[5]采用模糊层次分析法，建立岩溶塌陷模型，完成了广西来宾市吉利村岩溶塌陷的定量评价。

本文在以往武汉市岩溶地质调查、勘查、监测资料和开展的1∶5万岩溶塌陷调查成果资料[6-9]的基础上，采用层次分析法和综合指数法相结合，评价了武汉市主要城区的岩溶塌陷易发性，可为武汉市城市建设规划、防灾减灾等工作提供技术支撑。

1 评价区概况

武汉市是我国中部重镇，在我国长江经济带发展战略规划中具有举足轻重的地位。评价范围覆盖武汉市主要7个中心城区(武昌区、洪山区、青山区、汉阳区、硚口区、江汉区、江岸区)，4个远城区(蔡甸区、汉南区、江夏区、东西湖区)以及2个国家级开发区(武汉东湖新技术开发区、武汉经济技术开发区)(图1，红框内为评价区)。

图2 评价区地形地貌图Fig.2 Topographic and geomorphological map of the study area1—冲积平原；2—湖冲积平原；3—湖积平原；4—剥蚀堆积垄岗地貌；5—构造剥蚀丘陵地貌

图1 武汉市交通位置图(图中红框为1∶5万调查范围)Fig.1 Location map of the Wuhan City

评价区地貌可划分为湖冲积平原、剥蚀堆积垄岗和构造剥蚀丘陵。湖冲积平原主要分布在长江、汉江沿岸及各湖泊周缘，为河流湖泊漫滩和一级阶地；剥蚀堆积垄岗地貌单元分布范围最广，地形呈波状起伏，为长江三级阶地台面；构造剥蚀丘陵主要呈近东西向念珠状有序产出、带状或零星残丘状分布，分布面积较小(图2)。

评价区详细的可溶岩分布及埋藏特征、岩溶层组类型、岩溶水发育特征、岩溶发育特征等可参考李慧娟等[7]文献，岩溶地质条件、第四系土层特征、水文地质条件可参考涂婧等[9]文献。

2 岩溶塌陷易发性评价方法

由于影响岩溶塌陷的基本因素错综复杂且没有界限值，具有一定的不确定性、模糊性，难以用准确的数学描述方法去阐述岩溶塌陷的过程，但各影响因素之间又具有明显的空间相关性[10]，难以采用定量的方法对岩溶塌陷易发性进行评估，层次分析法是一种较为合理的定性定量相结合的系统分析方法[11]。

易发性评价的基本流程如图3所示，主要包括评价指标体系的建立、评价指标权重的确定、评价模型的建立等主要环节。

3 武汉市岩溶塌陷易发性评价

3.1 评价指标体系

3.1.1评价指标体系选择原则

评价指标体系的选择原则主要包括：

（二）整合教学的策略。教师要从课程内容方面实现三种目标的整合，而不是每节课都机械地按照三个维度来陈述教学目标。比如在学习西方国家的传统节日这一课时，先布置学生课前整理搜集相关资料，课堂上进行小组合作讨论自己最喜欢的节日以及理由，最终小组反馈讨论结果并谈一谈在苏州体会到的西方节日气氛如何。

(1)选择指标要对岩溶塌陷有明显影响，且在评价区内有明显差异，且能出现临界值；

(2)尽量选择基础资料较完整，可进行计量或估量的指标，便于定量分析；

(3)尽量选择相对独立的指标。

3.1.2评价指标体系选择

武汉市岩溶塌陷的孕育、发展和形成受到多种因素的影响。归纳起来，主要有3个影响因素：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、发展最基础的控制性因素；覆盖土层是塌陷产生的物质来源，不同厚度、不同性质土层对塌陷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。

图3 易发性评价流程图Fig.3 Flow chart of susceptibility assessment

根据武汉市岩溶塌陷调查成果资料及岩溶塌陷影响因素分析[6]，选择了4个条件、共8个指标因子，作为武汉市岩溶塌陷易发性评价指标，形成评价指标体系(表1)。

3.2 权重确定

权重确定是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[12]。根据层次分析法，计算、调整、确定指标权重(表2)。

3.3 评价模型

采用加权平均综合指数模型，进行岩溶塌陷易发性评价。加权平均法是将各个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。权值的引入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：

表1 武汉市岩溶塌陷易发性评价指标体系

表2 组合权重表

(1)

式中：PI——加权平均综合指数；

Wi——权值。

根据表1和表2，易发性评价模型为：

PI=0.24×C1+0.12×C2+0.07×C3+0.04×

C4+0.22×C5+0.02×C6+0.06×C7+0.23×C8。

将单因子得分值代入加权平均公式计算综合指数，最后确定易发性评价等级，由高到低依次为高易发区、中易发区、低易发区、不易发区等(表3)。

3.4 易发性评价结果

在确定评价指标体系、指标权重值、评价模型等后，根据调查成果资料，编制评价指标单要素图，利用评价模型，评价武汉市岩溶塌陷易发性，评价结果如图4所示。

表3 岩溶塌陷易发性等级分级表

根据评价结果(图4、表4)，高易发区(含四个亚区)面积149.62 km2，占评价区总面积的5.61%，主要分布于长江一级阶地或单层黏土层较薄的覆盖型岩溶区，岩溶发育程度强-中等，岩溶地质条件脆弱，所有塌陷分布于高易发区；中易发区(含五个亚区)面积约231.02 km2，占评价区总面积的8.67%，主要分布于上覆较厚的单层黏土、岩溶强-中等发育的覆盖型岩溶区；低易发区(含五个亚区)面积约384.35 km2，占调查区总面积的14.42%，主要为岩溶弱发育或埋藏型岩溶区；其余为不易发区。

4 结论及建议

4.1 结论

本文结合武汉市岩溶地质条件，采用层次分析法和综合指数法相结合，对评价区岩溶塌陷易发性进行了评价。评价结果显示，岩溶塌陷易发程度在空间分布上具有明显的地带差异性：岩溶塌陷高易发区面积149.62 km2，主要分布于长江一级阶地或单层黏土层较薄的覆盖型岩溶区，岩溶地质条件脆弱；中易发区面积约231.02 km2，主要分布于上覆较厚的单层黏土、岩溶强-中等发育的覆盖型岩溶区；低易发区面积约384.35 km2，主要为岩溶弱发育或埋藏型岩溶区。

图4 岩溶塌陷易发性评价分区图Fig.4 Zoning map of susceptibility assessment for karst collapse1—高易发区；2—中等易发区；3—低易发区；4—不易发区

表4 岩溶塌陷易发性评价分区结果统计表

根据评价结果，武汉市主要城区的大部分区域为岩溶塌陷不易发区、低易发区或中易发区。高易发区虽然面积占比小，但目前的岩溶塌陷事件基本都发生在高易发区，需要引起重视[13]。

4.2 建议

(1)岩溶塌陷易发性评价主要针对岩溶塌陷地质灾害体自身条件进行综合评价，还没有考虑外界因素或经济社会因素的影响，如大气降雨、地下水开采、人类工程活动、人口密度分布等，制定详细的岩溶塌陷防治措施，还需要进行危险性评价和风险性评价等研究工作。

(2)根据岩溶塌陷易发性评价结果，在岩溶塌陷高易发区，原则上应该避免进行大规模的工程建设，如地下工程、超高建构筑物等；在中易发区，在进行大规模建设之前，应该对场地岩溶地质条件进行更为详细的勘查，并制定相应岩溶塌陷防治措施和预案；在低易发区或不易区，一般不会产生岩溶塌陷，适宜大多数工程建设，地下工程、建构筑物、道路交通等应优先选择在这些区域。但武汉市岩溶地质条件是错综复杂的，仍需高度关注工程施工对地质环境造成的变化和影响，避免出现伤亡事故等。