潘宗源，賈 龍，劉寶臣

（1.中國地質科學院巖溶地質研究所/巖溶塌陷防治重點實驗室，廣西　　桂林 541004；2.桂林理工大學，廣西　　桂林 541004）

基于AHP和書ArcGlS技術的巖溶塌陷風險評價——以遵義永樂鎮(zhèn)為例

潘宗源1，賈 龍1，劉寶臣2

（1.中國地質科學院巖溶地質研究所/巖溶塌陷防治重點實驗室，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學，廣西桂林 541004）

對遵義永樂鎮(zhèn)巖溶塌陷區(qū)域風險因素進行了識別和確定，選取巖溶條件、覆蓋層條件、構造條件、地下水條件等4個準則層，共13個風險因子來建立層次結構模型。結合當?shù)厮牡刭|背景，運用層次分析法（AHP）計算出風險因子權重；確定各區(qū)域巖溶塌陷風險等級，借助ArcGIS技術對研究區(qū)進行巖溶塌陷風險評價。結果表明：塌陷極危險區(qū)呈北北西向、不規(guī)則條帶狀位于研究區(qū)中部；塌陷危險區(qū)和次危險區(qū)依次位于極危險區(qū)的兩側；最外側的為次穩(wěn)定區(qū)；最南邊及東邊局地為穩(wěn)定區(qū)。該結果與近年來發(fā)生巖溶塌陷的地理位置和塌陷危害程度相吻合。

巖溶塌陷；風險因素；層次結構模型；ArcGIS；風險評價；遵義

我國可溶巖覆蓋面廣泛，尤其是西南地區(qū)為主要發(fā)育區(qū)。在可溶巖發(fā)育及一定蓋層厚度的基礎地質背景下，附加外動力影響條件下（如地下水劇烈波動、大幅度抽排地下水、強降雨或工程施工等）較容易發(fā)生巖溶塌陷。近年來，巖溶塌陷在巖溶覆蓋區(qū)時有發(fā)生，其在時空領域上的隱蔽性和突發(fā)性，給塌陷區(qū)人民生命財產帶來嚴重損失，巖溶塌陷是我國主要地質災害之一。

我國學者自20世紀60年代就開始對巖溶塌陷進行分析研究，并取得了非常豐碩的成果。在碳酸鹽巖覆蓋區(qū)，文獻［1-6］將地質調查與試驗手段相結合，對巖溶發(fā)育特征、塌陷形成機制、塌陷分布規(guī)律、塌陷誘發(fā)因素等進行了定量的研究分析；在巖溶塌陷危險性區(qū)域分區(qū)評價和預測方面，文獻［7-15］運用不同的評價體系對巖溶塌陷地區(qū)進行了時間和空間上的定量化預測分析和初步評價；在巖溶塌陷危險區(qū)監(jiān)測方面，文獻［16-18］通過預埋光纖的手段對隱伏巖溶土洞及覆蓋層厚度變化進行監(jiān)測，以達到對巖溶塌陷進行預警的目的；在對巖溶發(fā)育特征勘測方面，文獻［19-22］合理地運用地球物理勘探方法對地下巖溶發(fā)育特征進行探測分析，證明物理勘探能有效地探明巖溶發(fā)育位置及特征。

本文通過總結前人的工作成果，以貴州省遵義市永樂鎮(zhèn)為研究對象，分析影響巖溶塌陷的風險因子，將層次分析法（AHP）與ArcGIS相結合，對研究區(qū)進行巖溶塌陷風險評價。

1　研究方法

本文綜合運用AHP和ArcGIS技術對巖溶發(fā)育區(qū)域進行塌陷風險性評價分析。層次分析法（AHP）是將對總目標構成影響性的基本因子，根據因子間關聯(lián)性和隸屬關系分為多層次結構，以兩兩因子相比較來確定其重要程度，最終通過層層比較和專家經驗來確定基本因子的權重。該方法可以將對總目標（目標層）有影響性的不確定性基本因子都囊括在內，巖溶塌陷本身受控的因子就是復雜且多變的，大體上可分為：土層厚度、土層結構、巖溶發(fā)育程度、距斷裂構造距離、巖層結構、地下水波動情況和人類影響因素等7方面［23］，相互間都有著緊密的聯(lián)系，難以用定量的統(tǒng)計方法對巖溶塌陷危險區(qū)進行評價。而ArcGIS在地理信息統(tǒng)計分析和應對圖層拆解、疊加方面的具有優(yōu)勢，結合AHP能對巖溶塌陷風險性作較全面和直觀的預測評價。

2　研究區(qū)概況

2.1環(huán)境地質條件

2.1.1地理氣候條件 研究區(qū)位于貴州省遵義市東部永樂鎮(zhèn)，茅官河西岸斜坡上。其中部一帶地形平緩，地形坡度為5°～20°；北西山脊一帶地形抬升，坡度為20°～35°；南東河岸地帶地形陡峭，多呈陡崖，高20～37 m。該地氣候上屬亞熱帶季風氣候，年均降雨量為1 200 mm，年平均相對濕度在82%左右。

2.1.2地質構造 區(qū)域構造上位于黔北臺隆遵義斷拱風岡北北東向構造變形區(qū)，地處川黔南北向構造帶與風岡北北東向構造帶交匯部位，蝦子場復向斜東翼。區(qū)內地層為單斜構造，巖層總體向南西傾斜，傾角較平緩（6°～20°）。在研究區(qū)內共有斷層9條，其中：北東向和北北東向兩組斷裂構造最為發(fā)育（6條），處于大斷裂構造南西端尖滅部位；另有近東西向斷層3條。

2.1.3地層分布及特征 區(qū)內出露地層為志留系、三疊系和二疊系，以三疊系和二疊系為主，缺失志留系上統(tǒng)、泥盆系與石炭系。上覆蓋土層厚度為0～5 m，耕植土層較薄，主要為黃褐色粘土、粉質粘土，中夾雜碎石。覆蓋層下為二疊系長興組（P3c）灰色含燧石生物屑泥晶灰?guī)r，下部有厚10 m左右的含碳泥質灰?guī)r夾頁巖，頂部為薄層泥灰?guī)r及鈣質粘土巖，厚約38 m。

2.1.4地下水補徑排 大氣降水是地下水的主要補給來源，由于區(qū)域內碳酸鹽巖地層巖溶發(fā)育，溶蝕裂隙、落水洞等較多，降水一方面通過裂隙入滲補給地下水，另一方面匯成地表水從落水洞流入直接補給地下水。區(qū)內為單斜地層，地形北高南低，茅官河從研究區(qū)北面由西向東，再轉向南，呈圓弧形繞研究區(qū)邊緣而過，為該區(qū)地下水的排匯基準面。由金竹山起，過田月包至老鷹巖山脊一帶為地下水分水嶺，出露二疊系龍?zhí)督M（P3l）薄—中層狀粉砂巖、粉砂質粘土巖隔水層，呈東西向延伸，將研究區(qū)分成兩個水文系統(tǒng)單元：Ⅰ單元，即隔水層以北區(qū)域內，地下水由南向北匯流；Ⅱ單元，隔水層以南區(qū)域內，地下水呈“扇”形向南東方向匯流，于茅官河岸兩個泉水點集中排泄。

2.2巖溶發(fā)育特征

研究區(qū)內上二疊統(tǒng)長興組（P3c）、下三疊統(tǒng)夜郎組第二段（T1y2）巖溶發(fā)育較為強烈，其巖性分別為薄—中厚層狀灰?guī)r、含燧石結核灰?guī)r和中厚層含燧石灰?guī)r，地理位置上分布于區(qū)域北面山頂?shù)奶镌掳?、黃泥頂，區(qū)內及其周邊地帶，以及南西白土壩、新田壩、華家灣一帶。研究區(qū)巖溶發(fā)育特征如圖1所示。地表上，溶潭、落水洞（消水洞）發(fā)育：溶潭直徑為29～35 m，深度不詳，常年有積水，消水能力差，大雨后水位上升約5 m，之后水位緩慢下降，但一般不會干枯；落水洞直徑一般為0.2～0.5 m，多為不規(guī)則形，可見深度0.5～1.0 m；落水洞消水量最大1.5 L/s，主要來源于洼地地表水補給。地下則發(fā)育較多巖溶裂隙和溶洞，溶洞埋深一般在13～20 m，高度為0.5～1.8 m，多為半充填或無充填，充填物為黃色軟塑狀黏土。底部基巖溶蝕發(fā)育，多見溶蝕裂隙和孔洞，裂隙有黃色軟塑狀黏土充填。

圖1　研究區(qū)巖溶發(fā)育示意圖Fig.1 Karst development characteristics in research area

3　巖溶塌陷風險定量評價

3.1巖溶塌陷層次結構模型

巖溶塌陷是指在巖溶地區(qū)，下部可溶巖層中的溶蝕洞穴或上覆土層中的土洞，在外在營力或自然因素變化時發(fā)生地面下陷現(xiàn)象。之前有不少學者選取不同影響因素，對巖溶塌陷的必要因素和誘發(fā)因素進行了分析［3-8］。通過對本研究區(qū)水文地質條件的分析，總結區(qū)內巖溶發(fā)育情況如下：（1）區(qū)內地形較緩，地表巖溶發(fā)育特征明顯，巖溶塌陷、溶潭、落水洞、豎井、天窗等巖溶形態(tài)點較多，是降雨匯入地下河的良好運輸通道，使得在遭遇極端氣候條件下地下水位容易劇烈波動，對較為脆弱的土層頂板產生壓-吸效應；（2）現(xiàn)場踏勘資料顯示，研究區(qū)內共有9條斷層，對地層切割作用強烈，裂隙和溶蝕管道較發(fā)育；（3）根據地質鉆探資料，該區(qū)覆蓋層厚度較薄，土洞埋深淺，因而容易向上擴展最終導致塌陷；（4）區(qū)內地下水位為10～17 m，該區(qū)段亦為裂隙和溶蝕洞穴發(fā)育強烈區(qū)間，在大量抽排水和暴雨時地下水動力會急劇增強，地下水位快速抬升或下降，加大巖溶塌陷的風險。

因此，本文選擇4項共13方面的風險因素構建層級結構模型。其中準則層包括巖溶條件、覆蓋層條件、構造條件、地下水條件，這是巖土體發(fā)生巖溶塌陷需要具備的基本因素；子準則層則是地層巖性、巖體結構特征、地下巖溶發(fā)育情況、覆蓋層結構、覆蓋層厚度、覆蓋層巖性、斷層位置、斷層特征、斷層附近巖溶發(fā)育情況、地下水位變化幅度、地下水距基巖高度、地下水徑流強度、地下水抽取強度等，這是巖溶塌陷發(fā)生的誘發(fā)因素（圖2）。

圖2　研究區(qū)巖溶塌陷層次結構模型Fig.2 Hierarchical structure of karst collapse in research area

3.2建立風險因子判斷矩陣及確定因子權重

3.2.1判斷矩陣結構 根據兩兩因子間的重要程度判據（圖3），對風險因子進行賦值，并結合圖2的巖溶塌陷層次結構模型，建立不同層級間關聯(lián)判斷矩陣，如表1～表5所示。

表　1 目標層　A-準則層　Bi的關聯(lián)判斷矩陣Table 1 Related judgment matrix of target level A to criteria level Bi

表2　準則層　B1-子準則層　Ci的關聯(lián)判斷矩陣Table 2 Related judgment matrix of criteria level B1to secondary criteria level Ci

表3　準則層　B2-子準則層　Ci的關聯(lián)判斷矩陣Table 3 Related judgment matrix B2of criteria level B2to secondary criteria level Ci

圖3　風險因子重要性判據及賦值Fig.3 Importance judgment of risk factors and assessment score

表4　準則層　B3-子準則層　Ci的關聯(lián)判斷矩陣Table 4 Related judgment matrix of criteria level B3to secondary criteria level Ci

表5　準則層　B4-子準則層　Ci的關聯(lián)判斷矩陣Table 5 Related judgment matrix of criteria level B4to secondary criteria level Ci

3.2.2風險因子權重的確定及排序 ①以目標層A-準則層Bi的關聯(lián)判斷矩陣為例，求得n階矩陣行向量乘積的n次方根數(shù)fai為

同理可得

為

因此，判斷矩陣A滿足一致性檢驗要求。

同理，求得其他判斷矩陣一致性檢驗結果為

子準則層權重向量為F=［Fb1，F(xiàn)b2，F(xiàn)b3，F(xiàn)b4］T，即F=［0.493 4，0.195 8，0.310 8，0.209 8，0.549 9，0.240 2，0.163 4，0.297 0，0.539 6，0.199 6，0.453 6，0.091 7，0.255 1］T，

歸一化后為

經驗算后符合一致性檢驗要求，因此各子準則層因子及對應的風險因子權重如表6所示。對風險因子進行權重大小排序為：覆蓋層厚度、地層巖性、斷層附近巖溶發(fā)育、地下水距基巖高度、地下巖溶發(fā)育、斷層特征、地下水抽取強度、覆蓋層巖性、覆蓋層結構、地下水位變化幅度、巖體結構特征、斷層位置、地下水徑流強度（圖4）。可見，覆蓋層厚度、地層巖性、斷層附近巖溶發(fā)育為塌陷內在基礎條件，地下水距基巖高度、地下水抽取強度、地下水位變化幅度、地下水徑流強度為塌陷外在動力條件，因而在覆蓋層較薄和巖溶發(fā)育程度比較高的區(qū)域進行大型工程建設需要抽排地下水時應采取有效的防護措施。

表6　子準則層因子及對應權重值Table 6 Related secondary criteria level factors to the weights of elements

圖4　巖溶塌陷風險因子權重排序Fig.4 Weight function ranking model of karst collapse risk factors

3.3巖溶塌陷風險因子等級劃分

由于各因素的地質條件背景有差異，對塌陷的影響程度也有所不同，因此建立巖溶塌陷風險因子等級區(qū)劃，明確各部分評判標準和劃分范圍（表7）。

3.4巖溶塌陷危險性區(qū)域評價

3.4.1構建評價體系 根據當?shù)丨h(huán)境地質情況，結合表7對可能造成巖溶塌陷的危險因子如地層巖性、巖體結構特征、地下巖溶發(fā)育等均進行綜合考慮，選取如下評價體系公式來求取巖溶塌陷危險指數(shù)

式中：n=13；U為巖溶塌陷危險指數(shù)，其值越大表示潛在塌陷危險性越大，在評價圖上表現(xiàn)的顏色也愈深，相反則表示危險性愈低；A表示巖溶塌陷危險因子；Bi表示危險因子權重值。

3.4.2評價實例 選取遵義市永樂鎮(zhèn)作為研究對象，對集鎮(zhèn)及周邊耕地均納入考慮范圍，采用1 m ×1 m的網格將集鎮(zhèn)劃分為若干區(qū)域，對該區(qū)域及周邊的踏勘、鉆探和地質雷達等資料進行分析后確定塌陷危險因子，運用層次分析法得出各因子權重；借助ArcGIS在圖形分析處理上區(qū)別于其他地理信息系統(tǒng)軟件的優(yōu)越性，對各危險因子圖層屬性表進行賦值等方式，結合式（1）得出巖溶塌陷危險指數(shù)；最后，利用ArcGIS的空間分析功能，對數(shù)據參數(shù)進行賦值、重分類以及多層面合并后得出巖溶塌陷危險性評價圖（圖5），評價圖中圖形顏色的深淺表示發(fā)生巖溶塌陷可能性的大小，即穩(wěn)定區(qū)（Ⅰ）、次穩(wěn)定區(qū)（Ⅱ）、次危險區(qū)（Ⅲ）、危險區(qū)（Ⅳ）、極危險區(qū)（Ⅴ）等5個區(qū)域。

3.4.3評價結果分析 結合當?shù)氐匦蔚刭|條件，對5個塌陷危險性區(qū)域的分析如下。

（1）巖溶塌陷極危險區(qū)。主要分布在北面法庭周邊、東面敬老院和南面鎮(zhèn)政府、郵電局及計生站一帶。該區(qū)域第四系覆蓋層厚度＜3 m，土體結構較為混雜，為粘土、含碎石粉質粘土、碎石土等。地層為中厚層含燧石灰?guī)r，下部有厚10 m左右的含碳泥質灰?guī)r夾頁巖，頂部為薄層泥灰?guī)r及鈣質粘土巖（厚約38 m）。區(qū)域內洼地、漏斗和落水洞較多，鎮(zhèn)政府一帶為地下水富集區(qū)域，全年地下水徑流模數(shù)為7～13 L/（s·km2）。地下溶洞和裂隙強烈發(fā)育，溶洞最高1.8 m，充填物多為黏土或松散堆積物。綜合考慮該區(qū)域巖溶水文地質條件充分滿足發(fā)生巖溶塌陷地質災害的最低限度，結合近年來發(fā)生巖溶塌陷的情況，將該區(qū)域劃入塌陷極危險區(qū)是符合實際條件的。

表7　巖溶塌陷區(qū)域風險因素等級劃分Table 7 Gradation division of karst collapse area

圖5　研究區(qū)巖溶塌陷風險性評價圖Fig.5 Risk evaluation map of karst collapse in research area

（2）巖溶塌陷危險區(qū)。分布于北北西和東南部，呈條帶狀覆蓋至國土所、鎮(zhèn)政府西部，該區(qū)第四系覆蓋層厚度為3～5 m，多為粘土和碎石粉質粘土。靠近巖溶塌陷極危險區(qū)，受到地下水波動影響也較為強烈，下伏基巖小型溶洞及裂隙發(fā)育，綜合考慮將其納入危險區(qū)范圍。

（3）巖溶塌陷次危險區(qū)。分布于西北部，向西至派出所、居委會一帶，及東南邊雜木林一帶。覆蓋層厚度為5 m左右，為粘土或碎石粉質粘土。偏離地下河補排管道及巖溶較發(fā)育地區(qū)，經全面分析將其納入次危險區(qū)。

（4）巖溶塌陷次穩(wěn)定區(qū)。主要分布于該區(qū)西部汽車站、南部磚廠附近一帶，覆蓋層為粘土，厚度為3～5 m。基巖溶蝕裂隙微發(fā)育，落水洞、漏斗發(fā)育較少，地下水波動不大，因而確定為塌陷次穩(wěn)定區(qū)。

（5）巖溶塌陷穩(wěn)定區(qū)。主要分布于覆蓋型灰?guī)r不發(fā)育地區(qū)，位于南西面附近的黃泥坡、東部農田一帶，地層巖性主要以黃綠、灰綠色頁巖及鈣質頁巖為主，夾少量泥灰?guī)r，下伏基巖裂隙發(fā)育程度較低，發(fā)生巖溶塌陷的危險很低。

4　結束語

（1）綜合覆蓋層厚度、地下水系富集程度和波動頻率、下伏基巖溶蝕裂隙和孔洞發(fā)育程度，以及周邊斷層構造影響等因素，永樂鎮(zhèn)發(fā)生巖溶塌陷可能性較高的地區(qū)主要位于北部和中部。評估結果與近年來集鎮(zhèn)發(fā)生巖溶塌陷的地點相吻合，表明運用層次分析法和ArcGIS技術相結合的方法對巖溶塌陷危險評估是可行的，其結果能為地質災害的防治、重點區(qū)域規(guī)劃以及土地開發(fā)利用等提供一定的科學依據和技術支持。

（2）研究區(qū)覆蓋層條件、可溶巖發(fā)育和地下水條件3個巖溶塌陷基本因素主要通過鉆孔資料獲得，在一定時段較好地體現(xiàn)了區(qū)內巖溶發(fā)育程度。而地下巖溶發(fā)育有著潛伏性和隱蔽性，巖溶塌陷也有其突發(fā)性和不可預見性，在遭遇極端天氣情況或者樁基施工等外在誘發(fā)因素時，容易造成地下水位劇烈變化或土洞頂板突然垮塌。因此，建議在巖溶強烈發(fā)育區(qū)域內建立巖溶塌陷監(jiān)測點，有針對性地對地下水氣壓力進行監(jiān)測，在巖溶塌陷危險區(qū)域將會起到很好的預警作用。

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Risk evaluation of karst collapse based on technology of AHP and ArcGIS—A case of Yongle Town in Zunyi City

PAN Zong-yuan1，JIA Long1，LIU Bao-chen2
（1.Institute of Karst Geology and Key Laboratory of Karst Collapse Prevention，Chinese Academy of Geological Sciences，Guilin 541004，China；2.Guilin University of Technology，Guilin 541004，China）

The risk factors causing karst collapse of Yongle Town in Zunyi city are recognized and confirmed.In the hierarchical structure model there are 13 factors belonging to 4 conditions：karst development condition，overburden condition，geotectonic condition，groundwater condition.Combined with local hydrogeology background，weight of risk factors was calculated by Analytic Hierarchy Process（AHP）.The risk gradation division of karst collapse of each zone was confirmed，and risk evaluation of karst collapse in research area was defined by ArcGIS technology.The result shows that the most subsidence area is distributed on the central region of research area，which is presented as NNW irregular stripe.The more likely and likely subsidence areas are successively distributed at the two sides of the most likely subsidence area.The less stable and stable areas are respectively distributed at the outside or around the edge of south and the east.The results are adaptable to the geographical location and hazard degree of collapse in recent years.

karst collapse；risk factors；hierarchical structure model；ArcGIS；risk evaluation；Zunyi

P642；X43

A

1674-9057（2016）03-0464-07

10.3969/j.issn.1674-9057.2016.03.008

2015-10-20

國家自然科學基金項目（41402284）

潘宗源 （1987—），男，碩士，研究方向：巖溶地質災害防治及GIS應用，zypan@karst.ac.cn。

引文格式：潘宗源，賈龍，劉寶臣.基于AHP和ArcGIS技術的巖溶塌陷風險評價——以遵義永樂鎮(zhèn)為例［J］.桂林理工大學學報，2016，36（3）：464-470.