基于GIS道路塌陷评价系统研究

张海波，刘芳芳

（1.河北理工大学，河北 唐山063009；2.河北地质职工大学 地质系，河北 石家庄050000）

1 研究区的塌陷现状

目前踩空塌陷主要分布在以下几个范围：南湖公园，位于市中心区南新道以南约 700m处，总面积130000000m2，水面16500000m2，即塌陷面积约为16500000m2。其他，如西窑煤矿的塌陷，位于唐山市路北区西缸窑西北，南为唐山第六瓷厂，东为湾道山，西北为陡河环绕，南侧为陶瓷道。其塌陷面积约为38000m2。还有其他小面积的采空塌陷零星分布在开平区及古冶区一带。采煤引起的地面塌陷，严重破坏了矿区周围生态环境，大片可耕地塌陷后积水，出现地裂成为不毛之地[1]。市中心区南部的唐山矿采煤塌陷地，目前形成了袁庄塌陷、石庄塌陷、岳各庄塌陷；东部国各庄、屈庄一带的塌陷区有缸窑塌陷区、屈庄塌陷坑。

唐山市区基岩以不用时代的碳酸盐系为主。中元古界蓟县系为燧石条带白云岩、隐藻白云岩、白云灰质岩及泥质白云岩，分布于市中心的西部；其中晶间孔隙、溶隙发育。古生界寒武纪为豹皮灰岩、紫色页岩、泥质灰岩和竹叶状灰岩，分布于市区中部及开平盆地北缘；其中溶隙普遍发育。奥陶纪为豹皮灰岩、白云灰质岩、局部含泥质角砾岩，出露在市区中部、东部和市中心的凤凰山、大城山一带。其中晶间、粒间孔隙发育，生物骨架孔隙分布普遍，溶隙、溶孔、溶穴、溶洞发育，石炭、二叠纪杂色粉砂岩、细砂岩、页岩及煤系地层分布于开平向斜的核部[2]。对于唐山的岩溶塌陷，分布在地下水降落漏斗之内，且多分布在地下来水方向上，或导水良好的隐伏构造破碎带上。在路北和路南区的北部，集中发育在以下两个地带：一是西部的张各庄（6号小区）——体育场——啤酒厂一带，以中段的体育场——兴隆区附近最严重。二是东部的大城山——凤凰山——大钊公园一带，以中段的西北井—地震陈列馆附近最为严重。

2 道路塌陷系统结构、模块功能

2.1 系统结构

为了实现对唐山市区道路塌陷进行管理、分析与评价，基于GIS的唐山市区道路塌陷评价信系统，将Visual Basic6.0与ESRI公司的地图控件MO2.1评估版相结合，采用组件式技术开发。评价系统包括三个模块：图形处理模块、数据库管理模块、道路塌陷评价模块。

2.2 图形处理模块

本模块包括图形的编辑、图层关联、属性编辑、查询检索以及符号标注等基本功能。

2.3 数据库管理模块

该模块实现对Acess数据库的输入、管理、查询以及编辑功能。数据库是评价系统的核心部分。评价系统的数据库有属性数据和空间数据组成。系统充分利用了GIS对海量数据的输入、存储、查询、管理和分析的功能，对评价系统所涉及的各种数据进行统一的管理。

2.4 道路塌陷评价模块

该模块包括三个子模块：道路塌陷现状评价、道路塌陷危险评价，分别对道路塌陷的危险性、发育程度以及可能发生塌陷的道路等级进行评价。

3 道路塌陷危险评价

道路环境评价单元的划分方式有三种[3]：一是以区域行政区为评价单元；二是以区域自然地理或地质构造作为评价单元；三是以经纬度或者平面坐标格网为基础，以划分的正方形为评价单元，这样同一单元内道路环境具有相对均一性。本文采用第三种方法—网格法，将研究区划分为17890个100m×100m网格单元，每个评价单元的实际面积为10000m2。

将扭转冲击工具安装并固定在试验台架上，接上高压软管。开泵后，泵的排量从0逐渐增大到10L/s，工具开始启动，冲击锤开始摆动。工具冲击频率随着排量的增大而逐渐增大，冲击功也逐渐增大。

道路塌陷危险评价通过对已发生的道路塌陷进行调查，考虑评价塌陷的几个方面的因素，归一化数据处理结果，通过专家给出因素的权重。本文选取的评价因素如表1所示：

表1 评价因子的选取

3.1 单因素模糊评价

单因素模糊评价是指单独从一个影响因素出发进行评价，以确定评价对象对评语集元素的隶属度，称为单因素模糊评价[4]。

设对因素集的第i个因素Ui进行评价，它对于评价集各因素vi的隶属度为rij（i=1, 2, …, n），则对此因素的评价集可以表示为向量Ri：

将各单因素的评价集Ri组成模糊关系矩阵R：

3.2 模糊综合评价

单因素模糊评价只反映了一个因素对评价对象的影响，为了得到正确全面地评价结果，必须要考虑所有因素的综合影响，这就要进行模糊综合评价。

定义模糊向量B，表示评价单元综合评价隶属于不同等级的相对值，A为权重向量，表示为：

B就可以由A和R运算求出，表示为：

利用VB和MO编程实现唐山市区道路环境评价的过程中，关键是要新建一个面状（MoPolygon）图层，用来显示综合评价结果。在此图层的研究区域范围内绘满100m×100m的多边形，每个多边形对象代表一个评价单元。将此图层和Access数据库挂接，这样每个多边形（评价单元）的属性就可以存储在外挂的Access数据库中，有利于提高运行与检索的速度。在MO中图层与Access数据库挂接的方法如下：

评价单元的模糊矩阵运算实现思路为：利用图层“道路环境危险性评价区划图”的外接Access属性数据库的表存放模糊矩阵R（公式2）和模糊向量B（公式3）：其中，字段“ui”（i=1～5）用来存放向量B，字段“uij”（i=1～6，j=1～5）的存放每个评价单元对应模糊矩阵 R，“等级”字段值用来存放评价单元的评价结果（好，中等，较差，差），这样（公式3）的矩阵运算就可以通过在VB中调用Access数据库来实现。得到每个评价单元的模糊向量B后，按最大隶属度原则给“等级”字段赋值的实现过程：

步骤图如下：

图1 道路环境危险性评价步骤1

图2 道路环境危险性评价步骤2

图3 道路环境危险性评价步骤3

评价结果分为好，中等，较差，差四个等级，如下图4所示：

图4 道路环境危险性评价

各区分布及评价如表2所示。

表2 唐山市区道路环危险性评价区划图

3.3 塌陷地区的治理

对于岩溶塌陷区的道路：

（1）对岩溶塌陷严重的地区最好采取避让的原则，若是不能避让，则要详细分析该区域的岩溶水、第四系空隙水的水文地质条件以及他们的水力关系，在此基础上判断出径流通道存在的空间形态。岩溶以溶洞为主，主要是切断导水通道，通过骨料填充注浆胶结，实现封闭溶洞。

（2）对于塌陷区内的第四系松散带，采用高压旋喷与高压注浆相结合的方法进行加固处理，消除由于岩溶塌陷形成的“天窗”。对于第四系地层中的土动，采用注浆进行充填加固。浆液以水泥浆为主，必要时掺入一定数量的粉煤灰和膨胀土。

（3）对断层破碎带以注浆加固为主。浆液以水泥粉煤灰浆为主，必要时掺入水玻璃、三乙醇胺或食盐，避免浆液大量流失。注浆孔根据岩溶东西破碎带分布按方格网状布置。

（4）禁止在岩溶发育地区抽取地下水，会导致水位不断下降，水动力条件改变，产生地下水对上覆土层的潜蚀和真空扩容，形成土洞，引起地表塌陷。所以，禁止在岩溶发育地区抽取地下水，是避免产生地面塌陷的重要一环。

（5）及时回填新、老地面塌洞和塌陷。在岩溶地区分布区，为了截断地表水和大气降水的倒灌，在施工的同时切实回填新、老地面塌陷。

对采煤塌陷地区的道路：

采煤塌陷严重的地区也必须采取避让的政策，若是必须从采煤塌陷区穿过，则需要知道道路设计的最大荷载，以便进行塌陷的治理。对塌陷较浅、平均深度不超过2m且不常年积水的可采取生物和工程等综合措施，进行综合治理，恢复耕种；对于水源充足的地区宜将土地恢复为水田，种植稻米、莲藕等作物。因地制宜地采取复垦方法。一般不在大面积的塌陷地上修建道路。若在土层较厚的复垦区，可利用煤矸石填路基，进行道路建设，这样可以硬化道路。

实践证明，防治和整治地面塌陷，往往需要采取多种手段，配合进行，才能取得理想结果。

4 结 语

本系统的开发，实现了道路塌陷数据的有效管理，极大的的提高了塌陷数据的管理。唐山市区道路塌陷评价系统利用Visual Basic和美国ERSI公司开发的GIS控件作为支撑，结合数据库管理系统，将GIS的强大数据处理与空间分析功能与道路塌陷防治相结合 ，使唐山市区道路塌陷防治水平得到进一步提升。在前人对唐山市岩溶塌陷的基础上进行道路塌陷的评价，对道路的规划和建设提供有力的依据。

[1] 鲁连胜.唐山市采煤塌陷地复垦现状及其开发利用对策[J].中央民族大学学报（自然科学版）,1997,6（1）：85～88.

[2] 张梁,张业成,罗元华等.地质灾害灾情评估理论与实践[M]. 北京: 地质出版社，1998.274～275.

[3] 闫满存，王光谦，李保生等.基于模糊数学的广东沿海陆地地质环境区划[J].地理学与国土研究，2000，16（4）：41～48.

[4] 余国强,杨立中,贺玉龙等.地质灾害预测数学模型研究[J],四川师范大学学报(自然科学版),2001,24(6):637～639.