秦皇岛市地面塌陷模糊层次综合预测

吕菲，刘亚军

（河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北秦皇岛066001）

秦皇岛市地面塌陷模糊层次综合预测

吕菲，刘亚军

（河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北秦皇岛066001）

通过对大量实际数据的分析，得到了影响秦皇岛市地面塌陷的主要因素有历史条件、地质条件、人为条件。在此基础上，建立了秦皇岛市地面塌陷模糊层次综合预测模型，模型包括3个层次、3个条件，对研究区划分了8070个单元格并进行计算，得到地面塌陷危险性分区结果。该地面塌陷模糊层次综合预测模型的预测结果符合研究区实际情况，具有较高的可信度。

地面塌陷；影响因素；模糊层次；预测

秦皇岛市地面塌陷主要集中在柳江盆地区，按其成因有采空塌陷和岩溶塌陷两种。据调查，秦皇岛市山区共发育采空塌陷12处，由地下采矿所致。建国以来，本市采空塌陷共毁坏房屋59间，造成3.7hm2(56亩)农田减产或绝收，直接经济损失达269.3万元人民币，12处灾害灾情均为一般级[1]。共发生岩溶塌陷群3处，规模全为小型，其威胁对象主要为农田。因此，对全市进行地面塌陷预测和防治研究意义重大。

对于发育度较高且历史记载较全面的地质灾害，可以采用信息量预测法进行评价，但研究区地面塌陷的信息量并不具有代表性，不宜采用信息量预测法进行评价[2]。

本文采用的预测方法是模糊层次综合预测法。具体方法为：在分析各主要导致地面塌陷影响因素的基础上，建立模糊层次评价的模型，确定不同层次、不同影响因子的权重[3]；采用模糊数学方法，结合MapGIS软件进行秦皇岛市地面塌陷的危险性分区。

1 地面塌陷模糊层次综合预测

1.1 建立地面塌陷预测的层次结构模型

通过对研究区地面塌陷形成条件的分析，认为秦皇岛地区的地面塌陷主要与历史条件（历史灾害发育程度）、地质条件（地质构造、工程地质岩组、矿产资源埋藏情况、岩溶发育程度）、人为条件（人类地下采矿活动程度、地下水开采程度）等因素有关[4]。因此，本次预测将以上3个条件7个因子作为模糊层次综合预测因子，由此构造出研究区地面塌陷预测因子层次结构模型，如图1所示。

图1 地面塌陷预测因子层次结构模型分析[5]

1.2 预测因子的等级划分和取值

根据地质灾害形成因素分析，确定本次预测的7个预测因子的等级指标，见表1。

表1 地面塌陷影响因子等级指标[5]

1.3 进行单因素评价，建立模糊矩阵

因子的等级指标确定后，从单因素逐个确定危险性对等级指标的隶属度，进而得到模糊关系矩阵Cj。

1.4 用层次分析法确定各因子权重

在建立了图1所示的综合评价指标体系后，可运用层次分析法确定各因素的权重分配问题。采用Satty教授提出的1～9级标度法给予数量标度，从第二层开始，对上一层某个元素与下一层相关的元素进行两两对比，按其重要程度等级得到判断矩阵。

为使判断结果更好地与实际状况相吻合，需进行一致性检验。评价判断矩阵一致性的检验指标为：CR=CI/RI。其中CI为一致性检验指标，CI=(λmax-n)/(n-1)；n为判断矩阵的阶数；RI为平均随机一致性指标。当CI=0时，判断矩阵具有完全一致性，CI值越大，说明判断矩阵的一致性越差。当CR〈0.1时，判断矩阵具有满意的一致性；否则就需要对判断矩阵进行调整[3]。

通过条件层（B）与因子层（C）相对权重的连乘，得到各预测因子的计算权重值，然后分别选取10个塌陷程度不同，但已明确的单元进行反演，对个别矛盾的因子权重进行适当调整，调试合理后的权重值作为最终权重（见表2）。

表2 地面塌陷影响因子计算权重值

1.5 建立模糊层次计算模型

采用模糊数学方法，将预测层次模型中的预测目标（地面塌陷危险性）A划定评价集为：A={基本无灾害（a1）,微度灾害（a2）,轻度灾害（a3）,中度灾害（a4），重度灾害（a5）}相应的条件层各预测指标对A的评价模糊子集为

相应的因子层各预测指标对A的评价模糊子集为：

在建立的模型中，基本条件层3个，因子层7个评价指标，则某评价单元j所构成的相应模糊子集为：

利用层次分析法确定各因子权重的模糊子集W。

对于基本条件层：

对于因子层：

结合权重得到某预测单元j评价集的计算模型：

式中a1代表基本无灾害，a2代表微度灾害,a3代表轻度灾害，a4代表中度灾害，a5代表重度灾害。

根据单元评判结果，按最大隶属度原则，确定其所处单元的级别，并据此分别得到各个单元网格的地质灾害的危险等级[6]。举例说明，如单元格3510计算结果为：

WC={0.153，0.121，0.121，0.182，0.182，0.169，0.072}乘以

其危险性隶属度计算结果为A3510={0.153，0.0723，0.1212，0.1818，0.4717}，取最大的为第5项，其所对应的危险性级别为重度灾害，则第3510号单元格危险性分区为地面塌陷重度灾害区。依此过程对研究区划分8070个单元格进行计算，得地面塌陷危险性分区结果，如图2所示。

3 预测结果可信度分析

由于本项目预测范围较大、条件复杂多变、影响因素标志及界线模糊不清，需综合考虑各种影响因素所产生的影响程度，采用模糊层次综合法来进行研究区的地面塌陷危险性预测评价是比较适合的。

从预测结果来看，研究区内基本无灾害区、微度灾害区、轻度灾害区、中度灾害区、重度灾害区的面积之比是77.03%∶11.27%∶5.75%∶3.73%∶2.21%；各分区的塌陷点个数分别占塌陷总数的0，0，13.3%，20%，66.7%；平均塌陷密度比为0∶0∶4.5∶10.3∶57.8。绝大部分的塌陷密集区分布在中度灾害区、重度灾害区，这比较符合研究区的实际情况，说明层次模糊预测模型的预测结果合理，具有较高的可信度。

4 结论

（1）本文通过对实际数据的分析，得出了研究区地面塌陷的主要影响因素有历史条件、地质条件和人为条件。

（2）在分析研究区地面塌陷影响因素的基础上，建立了研究区地面塌陷模糊层次综合预测模型，模型包括3个层次、3个条件共7个因子，全面反映了自然和人为两大因素对地面塌陷的影响。

（3）采用研究区地面塌陷模糊层次综合预测模型对研究区进行了预测，并划分为基本无灾害区、微度灾害区、轻度灾害区、中度灾害区、重度灾害区共5个区。预测结果比较符合研究区的实际情况，说明层次-模糊预测模型的预测结果是比较客观合理的，具有较高的可信度，为今后地质灾害危险区评价提供了一定的参考。

图2 地面塌陷危险性分区[5]

[1]刘亚军，邸有鹏，贡长青，等.河北省秦皇岛市地质灾害核查报告[R].秦皇岛：河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，2009.

[2]肖和平，潘芳喜.地质灾害与防御[M].北京：地震出版社，2000.

[3]付雁鹏，高嘉瑞.模糊数学在水质评价中的应用[M].武汉：华中工学院出版社，1986.

[4]秦皇岛市国土资源局.秦皇岛市地质灾害防治规划（2004-2020年）[Z].2003.

[5]邸有鹏，张显，贡长青，等.秦皇岛市地质灾害风险区划报告[R].秦皇岛：河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，2009.

[6]陈学军.水口山铅锌矿地面塌陷机制——形成模式分析[J].南京大学学报：地质灾害及其防治专辑,1991（11）：13-15.

Fuzzy-Hierarchy Prediction of Ground Collapse of Qinhuangdao City

Lv fei，Liu Yajun
（Qinhuangdao Team of mineral and Hydrogeology and Engineering Geology,Hebei Bureau of Geoexploration,Qinhuangdao Hebei 066001,China）

Based on the analysis of the actual data of Qinhuangdao,the main factors influencing ground collapse are

which have historical conditions,geological conditions and human conditions.On this basis,the paper established a fuzzy-hierarchy prediction model of ground collapse of Qinhuangdao city.The model included three layers and three conditions.8070 cells were divided and calculated in the study area,the results of ground collapse risk zoning were obtained.The results received from ground collapse prediction model consistents with the actual situation of the study area,the model has high credibility.

ground collapse；influence factors；fuzzy-hierarchy；prediction

P628

A

1008-813X（2011）04-0032-04

10.3969/j.issn.1008-813X.2011.04.010

2011-06-02

吕菲（1981-），女，河北省秦皇岛人，毕业于河北广播电视大学水文地质与工程地质专业，助理工程师，主要从事地质灾害评估、勘查、治理及矿山地质环境评价工作。