地面沉降风险多向性评估体系建立与全量化应用

代如凤，战 庆*

（1.上海市地质调查研究院，上海 200072；2.自然资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3.上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072）

地面沉降作为一种缓变性的地质灾害，具有长期性、区域性及可控性等特点[1]，随着时间的推移，其发育面积之广、危害程度之深、防治难度之大将国内外科学家的目光聚集到了对地面沉降风险评估的探索与研究上。

1984 年，美国滑坡专家Varnes 第一次提出地质灾害风险理论：一定时期内因特殊损害性现象造成的生命伤亡、财产损失和经济活动中断的预期值，并给出定量表达公式：风险性=危险性*易损性。国内外在地质灾害风险评估领域成果颇丰，但大多针对滑坡、泥石流、火山等突发性地质灾害，国内关于缓变性地质灾害地面沉降的风险评估在上世纪90 年代开始出现。前期对于地面沉降的评估集中于经济损失方面，王勇、左华等[2]采用工程费用法定量评估了上海市自1921 年至1990 年间经济损失；张维然、曾正强等[3-4]初步建立了地面沉降灾害经济损失评估体系，首次对上海市1921—2000 年间地面沉降灾害的经济损失、控制效益进行了全面评估，对2001—2020 年风险损失进行了预测。随后，出现了关于地面沉降风险评价的理论研究，于军等[5]从易发性、易损性和抗风险性三方面进行分析评估，初步构建了地面沉降风险评估指标体系。王寒梅等[6]在阐述地面沉降风险基本内涵及特征的基础上，介绍了上海市地面沉降风险评估指标及评估方法，标志着地面沉降风险评估从理论走向应用。姜媛、房浩、段梅、熊峰等[7-12]分别对北京、沧州、珠海、武汉等地开展地面沉降风险性评估。目前相关研究在评估指标选取上多聚焦于地面沉降的相关特征，多采用定性与定量结合的评估方法。本文在评估指标选取时进行多方面多因素综合考量，将地面沉降发育与城市发展相结合，构建既包括地面沉降相关因素同时又涵盖城市规划发展的多向性风险评估指标体系，并将其应用于上海市地面沉降风险全量化评估与区划。

1 地面沉降风险评估方法体系建立

地面沉降风险是指特定区域一定时段内地面沉降灾害发生及造成损失的可能性或不确定性。依据风险理论，地面沉降的危险性和易损性共同决定了地面沉降风险程度。地面沉降危险性是指特定区域一定时段内发生地面沉降的概率和危险程度，主要由地面沉降孕灾地质条件、灾害强度和地势高程等要素决定，用危险性H 表达。地面沉降易损性是指承灾区遭受地面沉降破坏的概率与发生损毁的难易程度，暗含了人类社会和经济技术发展水平应对地面沉降灾害的能力，主要取决于承灾区的人口密度、重大线性工程密度、防灾减灾投入等敏感指标，用易损性V 表达（图1）。基于此构建较以往更具系统性的地面沉降风险评估体系，应用时可根据不同城市特点选取不尽相同的评估指标，进行量化分级评估。

图1 地面沉降风险多向性评估体系Fig.1 Multidirectional assessment system of land subsidence risk

1.1 地面沉降危险性评估因子

地面沉降危险性评估单要素评估因子主要包括地面沉降易发程度、发育程度、预测速率及地势高程[6]。

（1）易发程度

地面沉降易发程度的判别要素主要有松散沉积物厚度、软土层厚度和地下水主采层数量等，松散沉积物及软土层厚度越大、地下水主采层数量越多，易发程度和危险性就会越高。评估标准参考《地面沉降调查与监测规范》（DZ/T 0283-2015），将地面沉降易发程度分为高、较高、中、较低、低五级。

（2）地面沉降发育程度

地面沉降发育程度的判别要素为近五年平均沉降速率、累计沉降量，沉降速率越高、累计沉降量越大，地面沉降发育程度越强，危险性越高。参考《地质灾害危险性评估规范》（GB/T 40112-2021），将地面沉降发育程度分为强、较强、中、较弱、弱五级。

（3）预测速率

根据区域地面沉降资料及研究程度，选用数值模型法、统计分析法等评估方法，对未来十年平均沉降速率作预测评估分区，预测速率越大，危险性越高，将预测速率分为大、较大、中、较小、小五级。

（4）地势高程

地势高程对地面沉降危险性评估的影响主要体现在安全高程的损失，地势高程越低，危险性越高。依据区内的实测地势数据，将区内地势高程按照影响程度进行分区，可分为高、较高、中等、较低、低五级。

1.2 地面沉降易损性评估因子

地面沉降易损性评估因子主要有人口密度、单位面积GDP、建设用地比重、重大线性工程密度、减灾防护投入等，各城市可结合地方实际另行增设自选指标。

（1）人口密度

人口密度是表征城市化程度的重要指标，人口密度越大，城市化程度越高，易损性越大。根据区域内的人口资料，按人口密度（万人/km2）进行分区，可分为大、较大、中等、较小、小五级。

（2）单位面积GDP

单位面积GDP 是表征城市的经济发展水平，单位面积GDP 越大，易损性越大。根据区域内的GDP 数据资料，按单位面积GDP（亿元/km2）进行分区，可分为大、较大、中等、较小、小五级。

（3）建设用地比重

单位面积建设用地所占比重反映房屋建筑、公益设施规模等。比重越大，易损性越大。根据区域内的建设用地资料，按建设用地比重（%）进行分区，可分为大、较大、中等、较小、小五级。

（4）重大线性工程密度

地面沉降会对线性工程产生严重影响，威胁线性工程（包括重要交通干线、海堤防汛墙、轨道交通、重要供水供油管线、输调水工程等）的运营安全。根据线性工程实际分布情况，按单位面积重大线性工程密度（km/km2）进行分区，可分为大、较大、中等、较小、小五级。

（5）防灾减灾投入

为应对地面沉降，各地采用不同措施进行减灾防护，包括地面沉降监测站、水位观测井、地面水准点、回灌设施等。这些设施的投入，降低了地面沉降易损程度。单位面积减灾防护投入越大，承灾区易损性越小。根据减灾防护实际情况，按单位面积减灾防护投入（万元/km2）进行分区，可分为大、较大、中等、较小、小五级。

1.3 地面沉降风险评估方法

（1）地面沉降危险性评估方法

选用层次分析法等方法确定各评估因子权重，基于单要素评估结果，将评估区网格化，确定各因子各网格分级量值[6]。根据公式（1）计算各网格的危险性指数，将危险性划分为高、较高、中等、较低、低五级。

式中：H为地面沉降危险性指数；Wi 为各评估因子权重；Ni 为各评估因子等级量值；n 为评估因子个数。

（2）地面沉降易损性评估方法

选用层次分析法等确定各因子权重，基于单要素评估结果，以县或镇为单元开展地面沉降易损性综合评估[6]。根据公式（2）计算不同单元的易损性指数，将易损性划分为低、较低、中等、较高、高五级。

式中：V 为地面沉降易损性指数；Wi 为各评估因子权重；Ni 为各评估因子等级量值；n 为评估因子个数。

（3）地面沉降风险性评估方法

对危险性和易损性评估结果进行等级量化，等级取值范围在[0,1]之间，量值范围为[0，0.2]、(0.2，0.4]、(0.4，0.6]、(0.6，0.8]、(0.8，1.0]五个级别。根据量化成果进行区相交分析，利用风险度计算公式：风险度=危险等级*易损等级，计算得出相交区的风险评估结果。依据风险度计算结果设置风险性分区标准，分为低、较低、中等、较高、高五级。合并风险等级相同的评估单元，形成地面沉降风险区划图。

2 上海市地面沉降风险全量化评估

在评估指标选取上，首次将地面沉降发育与城市发展相结合，构建既包括地面沉降相关因素同时又涵盖城市规划发展的多向性风险评估指标体系。根据上海市地面沉降孕灾地质条件、地面沉降历史发育特征，选取易发程度、历史灾害强度、预测速率和地势高程等作为危险性评估因子。根据遭受地面沉降的敏感度及城市发展规划特点，在易损性评价因子选取中将供水管密度、轨道交通及高架道路密度、防汛墙及海堤密度等单要素作为重大线性工程指标参与评价，其他相关指标则选择了房屋面积密度（图2）。

图2 上海市地面沉降风险多向性评估体系Fig.2 Multidirectional assessment system of land subsidence risk in Shanghai

2.1 地面沉降危险性全量化评估

根据上海市地质条件资料、地面沉降发育资料、地面沉降预测速率及2021 年全市地势高程数据制定危险性分级标准（表1），对上海市地面沉降危险性进行单要素评估。基于此，运用本文1.3（1）提出的地面沉降危险性评估方法对上海市地面沉降危险性进行综合评估。

表1 地面沉降危险性单要素分级标准Table 1 Single element classification standard of land subsidence hazard

在地质环境危险性评价中，确定各类影响因素的权重非常重要，它直接关系到评价结果的合理性和真实性。此次在传统的层次分析法的基础上，引入改进的模糊层次分析法，构建地面沉降危险性评价体系。改进后的模糊层次分析法能够更好地解决判断矩阵的一致性问题，有效解决解的收敛速度及精度问题，以此求得与实际相符的排序向量，因此可用于确定地质环境危险性评价指标权重（表2）。

表2 地面沉降危险性单要素权重Table 2 Single element weight of land subsidence hazard

改进的模糊层次分析法采用三标度（0，0.5，1），只需要在两两指标之间比较重要性，更容易做出判断。并且改进的模糊层次分析法运用模糊一致性判断矩阵，不必再进行复杂的一致性检验，减小了计算量的同时，可使计算结果更为精准。

2.2 地面沉降易损性全量化评估

上海作为高密度的超大城市，轨道交通及高架道路发达、供水管密度大、房屋面积密度高，且上海水系较为发达，防汛墙和海堤对城市安全十分重要，因此选取城市人口密度、单位面积GDP、建设用地比重、供水管密度、轨道交通和高架道路密度、防汛墙及海堤密度、房屋面积密度以及防灾减灾投入作为易损性评估指标。根据《2022 年上海统计年鉴》《2022 年上海市国民经济和社会发展统计公报》以及各行政区规划和自然资源局提供等数据资料，分析并制定易损性单要素分区标准（表3），对各行政区易损性进行单要素评估。基于此，利用1.3（2）地面沉降易损性评估方法对上海市各行政区地面沉降易损性进行综合评估。

表3 地面沉降易损性单要素分级标准Table 3 Single element classification standard of land subsidence vulnerability

城市化是提高易损性的重要因素。事实表明，人口集中和经济发达与受到地面沉降风险增长存在着密切关联。城市作为人口、建筑、企业、交通、通讯、政治等要素高度集中的中心，其易损性和灾害连发性大大高于非城市化地区。如果城市功能受到严重损坏，足以使一个地区以至国家运行陷于瘫痪，易损性显而易见。这意味着城市化程度越高，面临的易损性风险因素也越大。因此，人口密度是表征城市化程度的重要指标。人口密度越大，城市化程度越高，面临的易损性风险越大。根据《2022 年上海统计年鉴》，全市年末常住人口2 489.43 万人，其中外来人口1 031.99 万人，全市人口密度0.39 万人/ km2，其中虹口区人口密度最高达3.04 万人/ km2，崇明区人口密度最低达0.05 万人/ km2。根据分级原则，保证落入各等级行政区数量尽量相当，在均分法基础上根据各行政区人口密度范围进行分级，其余指标的选定及分级过程同上。

易损性单要素权重的确定方法为专家打分法，邀请15 位地面沉降领域专家对8 个易损性单要素两两对比确定各单要素的重要性，并以此为基础，经过采用模糊综合评判法得到因子权重（表4）。

表4 地面沉降易损性单要素权重Table 4 Single element weight of land subsidence vulnerability

2.3 地面沉降风险性全量化评估

在地面沉降危险性及易损性综合评估基础上运用1.3（3）地面沉降风险性评估方法进行等级量化并计算风险度，依风险度制定地面沉降风险性分级标准（表5），根据该标准进行地面沉降风险性评估。

表5 地面沉降风险性分级标准Table 5 Land subsidence risk classification standard

地面沉降风险性评价基于危险性及易损性等级量化结果，利用Mapgis 空间分析功能进行区相交分析，依据公式风险度=危险等级*易损等级计算出相交区危险性评价结果，对各自的评价结果进行统计分析并进行参数设置，区划成图（图3）。

图3 上海市地面沉降风险评估图Fig.3 Shanghai land subsidence risk assessment map

地面沉降风险评估结果显示，上海市地面沉降风险程度在空间上的分布特征为：以中心城区为中心形成地面沉降的三级体系，即中心城区基本处于地面沉降风险高区，近郊区处于地面沉降较高至中等区，郊区处于地面沉降风险较低和低区。由中心城区至郊区无论在人类活动、地下空间开发强度还是城市化进程、重大基础设施密度等方面均逐级降低，故引发及遭受的地面沉降地质灾害的风险逐渐减小，与评估结论相符，同时侧面验证了地面沉降风险评估方法体系的科学性。本次地面沉降风险评估结果支撑了上海市地面沉降防治区划划定，提升上海地面沉降灾害的防治能力。

3 讨论

（1）地面沉降危险性、易损性评估因子选取合理性分析

地下水开采程度是影响地面沉降的一个重要因素，但上海地区经过50 余年的禁限采措施及大量的人工回灌，大部分区域水位已恢复接近历史最高水位，直接利用历史开采数据表征地下水开采程度作为危险性评估因子有诸多不合理之处，故本次未选取该指标，在后续研究中结合现状对地下水开采方面加以考虑。地面沉降易损性是反映承灾区生命财产和各项经济活动对地质灾害的抵御能力与可恢复能力的指标，地势高程作为地面沉降发生的动力条件之一，影响地面沉降灾害发生的强烈程度，相比之下选取其作为危险性评估因子。

（2）地面沉降危险性、易损性单要素分级标准可靠性分析

单要素分级标准有多种方法。首先，均分法，其优点在于普适性强、可行性高但过于机械化。其次，单要素可根据本身特征采用不同分级标准。例如，地势高程的分级可结合降水等级标准或本区域不同等级降水发生概率等进行划分，累计沉降量的分级可结合地面沉降引发危害的严重程度或造成经济损失等级进行划分等。综合各分级标准的优缺点，危险性单要素分级采用均分法。

地面沉降易损性单要素分级标准在危险性单要素分级标准（均分法）基础上稍加改进，易损性资料收集单位为行政区，为达到评估目的应使各个行政区尽量均分在不同等级，以此为原则在均分法的基础上对易损性单要素制定了更加合理的分级标准。

4 结论

（1）建立了适用于缓变性地质灾害地面地面沉降风险多向性评估体系，涵盖危险性和易损性两方面内容。在评估指标选取时进行多方面多因素综合考量，将地面沉降发育与城市发展相结合，构建既包括地面沉降相关因素同时涵盖城市规划发展的多向性风险评估指标体系。

（2）所建评估方法体系成功应用于上海市地面沉降风险性全量化评估工作中。以往评价基本采用定性定量相结合的方法，本次在地面沉降危险性、易损性、风险性方面均为全量化评价。由中心城区至郊区无论在人类活动、地下空间开发强度还是城市化进程、重大基础设施密度等方面均逐级降低，故引发及遭受地面沉降地质灾害的风险逐渐减小，与评估结果相符，同时侧面验证了地面沉降风险评估方法体系的科学性。本次地面沉降风险评估结果支撑了上海市地面沉降防治区划划定，提升上海地面沉降灾害的防治能力。