基于专家-层次分析法的岩溶地面塌陷易发性评价——以广西平桂区为例

江思义，吴福，黄希明，李海良，何德顺

（1.广西壮族自治区地质环境监测站，广西 南宁 530029；2.贺州市平桂区自然资源局，广西 贺州 542827)

0 引言

岩溶地面塌陷是喀斯特地区特有的地质灾害，制约城乡规划与开发，威胁人民生命财产安全（雷明堂和项式钧，1997；吴福等，2019）。

对岩溶地面塌陷进行易发性分区评价，对城乡建设有重要意义。国内外学者对这方面的研究枚不胜举，吴福等（2019）利用地质环境要素对桂林规划中心城区展开了岩溶塌陷易发性评价研究；贾龙等（2017）利用层次分析法对广州、佛山和肇庆市的岩溶区进行了岩溶塌陷易发性分析；张国丽等（2015）以湖北省鄂州程潮铁矿和黄石大冶铁矿为例，利用BP神经网络对研究区进行了岩溶塌陷易发性评价研究；谭松林等（2009）以湖南宁乡煤炭坝矿区为例，对该区域的岩溶塌陷和易发性进行了研究；何书等（2009）利用模糊贴近度理论，对武山铜矿区上屋周地段岩溶塌陷进行了岩溶塌陷易发性评价；尹欧（2014）利用地质环境要素对大成桥岩溶塌陷成灾机制及易发性评了评价研究。类似的研究成果不胜枚举，针对不同区域所选取的岩溶塌陷易发性评价的因子和评价方法成为研究的关键。

本文以广西贺州市平桂区地质灾害详细调查资料为依据，选取针对该区的影响岩溶塌陷易发性的地质环境因素为评价因子，采用层次分析法对平桂区岩溶塌陷易发性进行了评价研究。

1 评价方法

本次研究采用在定性分析平桂区岩溶塌陷易发性的影响因子的基础上，基于GIS平台利用专家-层次分析定权法（蔡鹤生等，1998）对贺州市平桂区岩溶塌陷易发性进行划分。步骤如下（吴福等，2019；江思义等，2019a，2019b，2019c）：

（1）根据实际情况，用专家打分法确定评价因子；

（2）通过GIS软件按各因子的影响程度进行划区，并对各区进行参数赋属性；

（3）用层次分析法计算出各因子的权重；

（4）用GIS软件的属性管理功能计算出各单元网格的适宜性指数F值。计算公式如下：

式（1）中：F——岩溶塌陷易发性指数；R(i)——各因子权重；G(i)——对应因子的判别分值。F越小，表示该单元的岩溶塌陷的易发性越高；反之亦然。

（5）利用GIS平台自动生成F等值线图，得到研究区易发性分区图，最后做出评价。

2 工程实例及评级研究

2.1 研究区概况

贺州市平桂区地处桂东北，贺州市中部，坐标为 东 经111°12′～111°41′，北 纬23°52′～24°34′，面积2022 km2。平桂区地形复杂、地质构造较复杂，区内人类工程活动频繁，地质灾害频发，研究区岩溶分布面积618.4 km2，占调查区总面积的30.6%。据统计，岩溶地面塌陷共98处，占地质灾害总数的24.56%，灾害数量为调查区第二多的灾种。岩溶地面塌陷主要集中在沙田镇、黄田镇、公会镇等。岩溶地面塌陷制约城乡规划和开发建设，威胁人民生命财产安全（江思义等，2019d，2019e，2019f）。

2.2 评价因子的选取

从平桂区的地质概况实际出发，并结合《1∶50000岩溶塌陷调查规范》（送审稿），以岩溶塌陷易发性做为目标层，二级评判因子（准则层）选择了基岩、土层、地下水、已有塌陷和人类工程活动构成；根据调查成果对工作区地质灾害发育特征、形成条件和影响因素的综合分析，三级评判因子（措施层）包括：塌陷密度、岩溶发育程度、第四系底部土层液性指数、第四系底部土层岩性、土层结构、土层厚度、岩溶水承压性、地下水年变化幅度、居民地密度、路网密度、矿山开采强度11个影响岩溶地面塌陷易发性的地质环境因素。平桂区岩溶塌陷易发性评价指标体系见图1。

图1 岩溶塌陷易发性分区评价指标体系

对各评价因子进行分析，得出各评价因子的分区评价图，具体如下。

（1）岩溶发育程度（X1）：对平桂区岩溶发育程度单因子进行分区：岩溶塌陷易发性的强弱与岩溶发育程度强弱呈正比。岩溶发育程度与岩溶塌陷易发性的强、中、弱三个级别分别一一对应，岩溶发育程度由强到弱对应的分值分别是：4分、3分、2分，非岩溶区计分1分。

（2）土层厚度（X2）：对平桂区土层厚度单因子进行分区：一定厚度的覆盖层是岩溶塌陷的必要条件之一，上覆土层的内聚力强，含水量低，土层越厚越不容易引起塌陷。将平桂区内土层厚度划分成三个等级：0～15 m（计分4分）、15～30 m（计分3分）、＞30 m（计分2分），非岩溶区计分1分。

（3）土层结构（X3）：对平桂区土层结构单因子进行分区：土层结构与土的崩解程度存在正相关关系，即土层结构越多土体强度越低，土质越疏松土层稳定性越差。土体结构包括单层、双层、多层三种形式，多层土体结构对岩溶塌陷影响最显著（计分4分），双层土体结构次之（计分3分），单层土体结构对岩溶塌陷影响最弱（计分2分），非岩溶区计分1分。

（4）第四系底部土层岩性（X4）：对平桂区第四系底部土层岩性单因子进行分区：第四系底部土层岩性对土体崩解和崩塌的影响明显，土层岩性粘粒含量愈多，崩解量愈少。砂土、淤泥对岩溶塌陷影响程度最为显著（计分4分），粉土次之（计分3分），碎石土、粉质粘土、粘土对岩溶塌陷影响程度最弱（计分2分），非岩溶区计分1分。

（5）第四系底部土层液性指数（X5）：对平桂区第四系底部土层液性指数单因子进行分区：第四系底部土层液性指数愈大愈容易崩解，第四系底部土层液性指数为流塑（软塑）对岩溶塌陷影响程度最显著（计分4分）、可塑状次之（计分3分）、硬塑（坚硬）影响最弱（计分2分），非岩溶区计分1分。

（6）地下水年变化幅度（m/年）（X6）：对平桂区地下水年变化幅度单因子进行分区：地下水年变化幅度与岩溶塌陷也呈正相关。地下水位变化幅度分为＞10 m对岩溶塌陷影响程度最显著（计分4分）、5～10 m次之（计分3分），＜5 m影响最弱（计分2分），非岩溶区计分1分。

（7）岩溶水承压性（X7）：对平桂区岩溶水承压性单因子进行分区：岩溶水的承压性主要影响地下水位的波动。岩溶水在基岩面上下反复波动时，对土体影响最大，最容易使土体崩解，产生崩塌。岩溶水在基岩面上下反复波动对岩溶塌陷影响程度最显著（计分4分）、在基岩面以下波动次之（计分3分）、在基岩面以上波动影响最弱（计分2分），非岩溶区计分1分。

（8）已有塌陷密度（X8）：对平桂区已有塌陷密度单因子进行分区：根据规范，塌陷密度分为≥10个/10 km2对岩溶塌陷影响程度最显著（计分4分）、2～10个/10 km2次之（计分3分）、＜2个/10 km2影响最弱（计分2分），非岩溶区计分1分。

（9）居民地密度（X9）：对平桂区居民地密度单因子进行分区：首先利用遥感技术，对平桂区的居民地密度进行解译分区，并结合野外实际核查，根据野外地灾调查及易发村屯核查工作中统计的、对致灾有影响的高陡切坡及低矮致灾切坡分布情况，对平桂区居民地密度进行划分，将平桂区共划分为居民地密度高、中、低、极低4个区，对应的计分分别是4分、3分、2分和1分。

（10）路网密度（X10）：对平桂区路网密度单因子进行分区：根据平桂区交通情况，利用遥感技术，对平桂区的路网密度进行解译分区，并结合野外实际核查，对平桂区路网密度进行划分，将平桂区共划分为路网密度高、中、低、极低4个区，对应的计分分别是4分、3分、2分和1分。

（11）矿山开采强度（X11）：对平桂区矿山开采强度单因子进行分区：首先利用收集资料，并利用遥感技术对平桂区的矿山开采强度进行解译分区，并结合野外实际核查，将平桂区共划分为矿山开采强度强、中、低3个区，其他区域为非矿山开采区，对应的计分分别是4分、3分、2分和1分。

2.3 评价因素权重计算和分级赋值

2.3.1 评价层次结构模型

本次研究目标层（U层）为岩溶塌陷易发性分区，一级指标为准则层（F层）共5个二级影响因子，分别是基岩（F1）、土层（F2）、地下水（F3）、已有塌陷（F4）和人类工程活动（F5）这5个，方案层（X层）共11个二级影响因子，分别为岩溶发育程度（X1）、土层厚度（X2）、土层结构（X3）、第四系底部土层岩性（X4）、第四系底部土层液性指数（X5）、地下水年变化幅度（X6）、岩溶水承压性（X7）、塌陷密度（X8）、居民地密度（X9）、路网密度（X10）和矿山开采强度（X11）。

2.3.2 构建判别矩阵及层次总排序

通过专家打分法确定评价因子后，再通过层次分析法（1～9标度法）判断评价因子的影响大小，具体判别过程见表1～5，CR值均满足一致性检验（检验系数CR=CI/RI，其中CI为一致性指标，RI为随机一致性指标）。

表1 判断矩阵的标度及含义

表2 分区因子判别矩阵U-F

表3 分区因子判别矩阵F2-X

表4 分区因子判别矩阵F3-X

表5 分区因子判别矩阵F5-X

2.3.3 岩溶塌陷易发性分区评价因素分级赋值。

根据研究区实际情况，分析确定评价因子的强、弱极值，根据各因子对分区结果的影响程度，对评价因子进行量化分级，分析结果见表6。

表6 平桂区岩溶塌陷易发性分区因子赋值标准及权重分级表

2.3.4 MapGIS加权叠加及量化分析

基于MapGIS空间分析功能，根据因子的权重大小对分区图进行叠加，得到平桂区岩溶塌陷的易发性指数图，再按指数的高低进行分区。叠加后指数范围为1.0～3.47，利用突变点作为界线值，其中F≤1 为非岩溶区，1 ＜F≤1.75 为岩溶塌陷低易发区，1.75 ＜F≤2.55 为岩溶塌陷中易发区，2.55＜F≤3.47为岩溶塌陷高易发区。再根据研究区实际情况对各类分区进行修编，得到贺州市平桂区岩溶塌陷易发性分区图（图2），并结合易发分区（表7）进行说明。

2.4 评价结果

将平桂区岩溶塌陷易发分区分为高、中、低、非岩溶区4种类型（图2，表7）。

图2 贺州市平桂区岩溶塌陷易发性评价图

平桂区面积为2022 km2，其中岩溶塌陷高易发区（I）的面积为87.18 km2，包括2个亚区，其中岩溶塌陷高易发区（I1）主要分布在沙田镇狮中村、芳林村、栗木村、道石村、龙尾村、龙中村、道东村、马峰村、龙井村、马东村、逸石村、沙田村、田厂村一带，面积为76.81 km2；岩溶塌陷高易发区（I2）主要分布在黄田镇英石村、担石村、长龙村、清面村、路花村等地零星分布，面积为10.37 km2。

岩溶塌陷中易发区（II）的面积为182.25 km2，包括4个亚区，其中岩溶塌陷中易发区（II1）主要分布在望高镇冯屋排-西湾街道-黄田镇龙洞一带，面积为91.36 km2，岩溶塌陷中易发区（II2）主要分布在羊头镇垒田村、波罗塘、大岩村等地，面积为30.21 km2，岩溶塌陷中易发区（II3）主要分布在鹅塘镇厦岛村、丹村、塘面村、芦岗村等地，面积为28.36 km2，岩溶塌陷中易发区（II4）主要分布在公会镇东绿村、杨会村、双洋村、联合村、石塔村、新新村、新农村等地，面积为32.32 km2。

岩溶塌陷低易发区（III）的面积为348.97 km2，包括4个亚区，其中岩溶塌陷高易发区（III1）主要分布在望高镇罗溪村、铁屎坪村、水洲口一带，面积为221.45 km2，岩溶塌陷高易发区（III2）主要分布在西湾街道-黄田镇下塘村、黄田寨等地，面积为83.56 km2，岩溶塌陷高易发区（III3）主要分布在鹅塘镇山岛村、新塘村等地，面积为10.32 km2，岩溶塌陷高易发区（III4）主要分布在沙田镇大坪村、宝马村、松木村、新民村等零星分布，面积为33.64 km2。

非岩溶区（IV）的面积为1403.6 km2。

3 结论

（1）将平桂区岩溶塌陷易发分区分为高、中、低、非岩溶区4种类型，平桂区面积为2022 km2，其中岩溶塌陷高易发区（I）的面积为87.18 km2；岩溶塌陷中易发区（II）的面积为182.25 km2；岩溶塌陷低易发区（III）的面积为348.97 km2；非岩溶区（IV）的面积为1403.6 km2。

（2）以贺州市平桂区地质灾害详细调查成果资料作为依据，利用专家-层次分析法选取了塌陷密度、岩溶发育程度、第四系底部土层液性指数、第四系底部土层岩性、土层结构、土层厚度、岩溶水承压性、地下水年变化幅度、居民地密度、路网密度、矿山开采强度11个影响岩溶地面塌陷易发性的地质环境因素，创建了贺州市平桂区岩溶地面塌陷易发性评价指标体系，再通过GIS的空间分析功能对平桂区岩溶塌陷易发性进行评价研究，评价结果对贺州市平桂区的岩溶塌陷地质灾害的防治具有指导意义。