湖北武汉市典型地段岩溶塌陷风险评价

崔霖峰，陈邦松，涂 婧，杨 涛，李海涛(.中国地质环境监测院，北京 0008；.浙江华东建设工程有限公司,浙江 杭州 0000；.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 4005)

湖北武汉市典型地段岩溶塌陷风险评价

崔霖峰1，陈邦松2，涂 婧3，杨 涛3，李海涛1
(1.中国地质环境监测院，北京 100081；2.浙江华东建设工程有限公司,浙江 杭州 310000；3.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430051)

岩溶塌陷是岩溶地区的主要地质环境问题之一。长期以来，该问题一直影响和制约岩溶地区社会经济的发展。对岩溶塌陷风险性进行评价，是制定科学合理城市规划的重要基础性工作。本文选取武汉市岩溶地区典型地段，进行岩溶塌陷风险评价。在分析岩溶塌陷内在和外在影响因素的基础上，利用层次分析法，分别建立了岩溶塌陷易发性、危险性和易损性评价模型，并进行相应的评价；最后，进行了岩溶塌陷风险性评价。结果显示，典型地段岩溶塌陷高风险区位于长江沿岸原塌陷区和开采井附近，面积约16 km2，中高风险区约占研究区总面积的三分之一。因此，在制定城市规划建设的过程中，需高度重视这些区域，避免造成人民生命财产损失。

岩溶塌陷；风险评价；层次分析

0 引言

岩溶塌陷一直是我国岩溶地区存在的主要地质环境问题之一，随着社会经济的快速发展，我国岩溶环境地质问题日益突出[1]，该问题在我国中部重镇武汉市也不例外。武汉市最早有记录的岩溶塌陷事件发生于1931年，当时造成了江堤溃口，白沙洲淹没，导致人畜伤亡。据不完全统计，2015年武汉就发生了三次岩溶塌陷事件，其中，2015年8月10日的岩溶塌陷事件导致2人死亡。岩溶塌陷已经给社会和人民财产安全造成不同程度的损失，严重影响和制约着岩溶地区的城市发展。为了保障城市化进程的顺利进行和城市发展规划的制定，进行岩溶地区岩溶塌陷风险性评价是一项十分重要的工作。

地质灾害(岩溶塌陷属于其中之一)风险评价是对特定影响因子造成暴露于该因子的单体或区域地质灾害发生的机率及对人类社会产生危害的程度、时间或性质进行定量描述的系统过程[2]。国内外学者对岩溶塌陷风险评价过程中涉及的易发性评价[3]、危险性评价[4-6]、易损性评价[7]、风险评估[8]以及评价指标选取和评价方法[9-11]等方面均开展了不同程度的研究工作。本文通过对典型地段岩溶塌陷易发性、危险性、易损性评价，最终评价该地段岩溶塌陷的风险性，进而为武汉市的城市建设规划、岩溶塌陷防灾减灾等工作提供一定的基础技术支撑服务。

1 研究区概况

根据武汉市岩溶区分布范围以及1∶5万武汉市岩溶塌陷调查项目安排，选择1∶5万武昌图幅以及靠近该图幅西北角的局部地段(岩溶塌陷高发区)作为研究区(图1)。研究区北起武汉市三环线野芷湖，南至江夏区纸坊街，东抵江夏区龙泉山，西达黄家湖，涉及武汉市洪山区、江夏区和东湖新技术开发区，总面积约470 km2。

研究区位于江汉平原与鄂东丘陵山地的交接地带，基岩出露较少，主要有第四系残坡积层、冲积层、湖积层、洪冲积层，覆盖厚度一般为10～30 m。区内发育一套海、陆相交替沉积的岩石及河湖相堆积的松散层，经历多次地质构造运动及长期地下水侵蚀，沉积、堆积物中岩溶洞穴、裂隙、孔隙均较为发育。

据统计，研究区内从1977年至今，发生多起岩溶塌陷事件，有详细记录资料的塌陷共9起(图1)，塌陷坑42个。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of research area

2 风险评价方法及流程

2.1 风险评价方法

联合国发布的自然灾害风险的定义：风险是在一定区域和给定时段内，由于某一自然灾害而引起的人们生命财产和经济活动的期望损失值，相应的风险度表达式见公式(1)：

风险度=危险度×易损度

(1)

岩溶塌陷风险评价一般由易发性评价、危险性评价、易损性评价等组成。易发性评价主要是建立在地质环境条件基础上；危险性评价则在易发性评价基础之上，考虑外在诱发因素的综合动态影响，更进一步刻画地质灾害发生的可能性大小；易损性是对受灾体损失的预测。风险评价方法有调查和专家打分法、层次分析法、模糊数学法、蒙特卡罗模拟法等常用方法，其中层次分析法应用的最为广泛[12-13]。

层次分析法是将与决策有关的元素分解成目标、准则、指标等层次，在此基础上进行定性和定量分析的新型多目标决策方法，其特点是可细化风险评价因素体系和权重体系，使其更为合理[14]。层次分析法的步骤如下[15]：

(1)在已建立的层次结构上，建立判断矩阵

对于评价因子x1，x2，…xm，运用T.L.Satty1～9标度(表1)两两比较得到判断矩阵T。

表1 层次分析法判断矩阵标度及其含义Table 1 Scale of Judgment Matrix on AHP

据此得到判断矩阵T，见公式(2)：

(2)

求出T的最大特征值及所对应的特征向量，所求特征向量即为各评价因素的重要性排序。假设有一同阶正则向量A，使得存在，解此特征方程所得到的A经正规化后(一般采用方根法)即为各项评价因子的权重值。

(2)一致性检验

由于客观事物的复杂及对事物认识的片面性，构造的判断矩阵不一定是一致性矩阵(也不强求是一致性矩阵)，但当偏离一致性过大时，会导致一些问题的产生。因此得到λmax后，还需进行一致性和随机一致性检验。

2.2 风险评价流程

本文依托“1∶5万武汉市岩溶塌陷调查”项目，在查阅武汉市区域地质及水文地质、岩溶发育、岩溶塌陷等相关资料的基础上，初步归纳和总结了武汉市岩溶塌陷的内在和外在影响因素。通过层次分析法建立相对应的评价模型，确定目标层、准则层和指标层，依次进行了研究区岩溶塌陷易发性评价、危险性评价和易损性评价和风险性评价。具体评价流程见图2。

图2 岩溶塌陷风险评价流程图Fig.2 Flow chart of karst collapse risk assessment

3 岩溶塌陷风险性评价

3.1 易发性评价

3.1.1 易发性影响因素分析

岩溶塌陷易发性影响因素主要与地质环境条件相关。根据武汉市1∶5万岩溶塌陷调查和以往岩溶塌陷事件调查成果资料综合分析，影响典型地段岩溶塌陷易发性的因素主要包括岩溶条件、覆盖层条件、水文地质条件、构造条件等。

岩溶条件：研究区下伏地层为三叠系下统大冶组和二叠系中统栖霞组可溶性碳酸盐。岩性为多灰岩、生物碎屑灰岩，薄-厚层状构造或块状构造，方解石含量达93%以上，基岩顶部岩溶发育。因此，选取岩溶发育程度作为影响因素评价指标。

覆盖层条件：研究区发生塌陷的区域土层总厚度一般在20～30 m，上覆地层为第四系全新统盖层。具“上粘下砂”的二元结构：上部土层为粘性土，以粘土，粉质粘土为主，下部土层为砂性土，以粉细砂，细砂等为主[16]。二元结构中，上部粘性土层较薄，也就是砂性土的埋深较浅。因此，选取第四系土层厚度和第四系土层结构作为影响因素评价指标。

水文地质条件：发生塌陷的区域地表水(长江)与地下水(孔隙水和岩溶水)之间水力关系密切。丰水期，地表水补给地下水；枯水期，地下水补给地表水。丰、枯水期长江水位波动可达15 m，地下水水位波动可达3 m。据监测资料，大部分塌陷区的孔隙水水位高于岩溶水水位，孔隙水常年补给岩溶水。而在发生岩溶塌陷时，往往是由于岩溶水水位的突然剧烈变化引起的。因此，选取岩溶水水位波动幅度和第四系含水岩组富水性作为影响因素评价指标。

构造条件：研究区塌陷均位于褶皱的核部或是近核部位置。褶皱的形成过程中，岩层受到挤压，产生裂隙，地下水的进一步侵蚀下，有利于溶洞的形成。因此，选取断层作为影响因素评价指标。

另外，通过对以往塌陷点的调查研究，已有塌陷点存在重复致塌的特征。因此，在易发性评价中，还考虑以往塌陷点条件，将已有塌陷点作为影响因素评价指标。

3.1.2 易发性评价

根据层次分析法的基本原理，建立易发性层次评价模型(图3)。目标层(A)为岩溶塌陷的易发性评价。准则层(B)为易发性影响因素包括岩溶条件(B1)、覆盖层条件(B2)、水文地质条件(B3)、构造条件(B4)以及已有塌陷点条件(B5)。指标层(C)为各准则层所包含的岩溶塌陷影响因素评价指标。

图3 岩溶塌陷易发性评价模型图Fig.3 Assessment model of susceptibility for karst collapse

根据以往资料和岩溶塌陷调查资料，对7个指标因子进行统计分析，确定赋值表(表2)。在已建立的层次结构上，建立判断矩阵，通过一致性检验，运用T.L.Satty1～9标度构建权重分析矩阵，采用方根法计算指标权重，判断矩阵和权重结果见表3和表4。

表2 岩溶塌陷易发性评价指标因子赋值表Table 2 Value assignment of factors for susceptibility assessment of karst collapse

表3 判断矩阵Table 3 Judgment matrix

表4 组合权重表Table 4 Combined weights

易发性的综合指数评价模型见公式(3)。

W易发=C1λ1+C2λ2+C3λ3+C4λ4+
C5λ5+C6λ6+C7λ7

(3)

根据计算结果统计分析，将易发性评价结果在3.5～5.0之间，定义为高易发性区；在2.5～3.5之间，定义为中易发性区；在0～2.5之间，定义为低易发性区。从而得到岩溶塌陷易发性分区图(图4)和易发性评价统计表(表5)。

图4 岩溶塌陷易发性分区图Fig.4 Susceptibility distribution of karst collapse

表5 易发性评价统计表Table 5 Area statistics of susceptibility assessment for karst collapse

3.2 危险性评价

3.2.1 危险性影响因素分析

危险性评价是在易发性评价基础之上，考虑外在诱发因素的综合动态影响，进一步刻画地质灾害发生的可能性大小。

诱发因素主要包括自然因素和人为因素。自然因素如降水和重力等，人为因素如工程施工、地面荷载和地下水开采等。根据已发生塌陷点的调查报告统计，2000年以后，研究区岩溶塌陷的外在诱发因素主要为人为因素——工程施工。随着城市建设进程加快，大量旧城改造，新区建设。在工程施工的过程中，普遍采用冲击钻等传统工艺，对于诱发岩溶塌陷有直接影响。同时，在开挖地基坑的过程中，进行基坑降水，大量抽排地下水，造成地下水位的急剧变化，也会引发岩溶塌陷。因此，选取人类工程活动强度和地下水开采作为评价指标。

3.2.2 危险性评价

根据层次分析法的基本原理，建立危险性性层次评价模型(图5)。目标层为危险性评价D，准则层为易发性评价E1和诱发因素E2，指标层为人类工程活动强度F1和地下水开采F2。对于研究区的人类工程活动强度分区，主要参考城市规划建设和人均GDP的数据，分区赋值结果见表6。

图5 岩溶塌陷危险性评价模型图Fig.5 Assessment model of danger for karst collapse

表6 岩溶塌陷危险性评价指标因子赋值表Table 6 Value assignment of factors for danger assessment of karst collapse

危险性评价类似于易发性评价，采用层次分析法计算指标权重，根据专家意见，按照九标度构建权重分析矩阵，采用方根法计算指标权重，判断矩阵和权重结果见表7、表8。

表7 判断矩阵Table 7 Judgment matrix

表8 组合权重表Table 8 Combined weights

危险性的综合指数法评价模型见公式(4)。

W危险=E1λ1+F1λ2+F2λ3

(4)

根据计算结果统计分析，将危险性评价结果在3.5～5.0之间，定义为高危险区；在2.5～3.5之间，定义为中危险区；在0～2.5之间，定义为低危险区。从而得到危险性分区图(图6)和危险性评价统计表(表9)。

图6 岩溶塌陷危险性分区图Fig.6 Danger distribution of karst collapse

表9 危险性评价统计表Table 9 Area statistics of danger assessment for karst collapse

3.3 易损性评价

3.3.1 易损性影响因素分析

易损性是对受灾体损失的预测，主要分为生命易损性，社会经济易损性和资源环境易损性。生命易损性主要是通过人口密度来体现；社会经济易损性主要利用土地利用规划、交通要道等体现。对于资源环境易损性，由于资料收集困难，且有一部分内容与土地利用规划相重复，在本次评价中未作考虑。因此，选取人口密度、土地利用规划、公路和铁路等作为评价指标[17]。

3.3.2 易损性评价

根据层次分析法的基本原理，建立危易损性层次评价模型(图7)。目标层为易损性评价G，准则层包括生命易损性H1和社会经济易损性H2，指标层中选择人口密度I1作为生命易损性指标[18]，选择土地利用规划I2、公路I3、铁路I4等作为社会经济易损性指标，各指标赋值见表10。类似于易发性和危险性评价，采用层次分析法计算指标权重，根据专家意见，按照九标度构建权重分析矩阵，采用方根法计算指标权重，判断矩阵和权重结果见表11和表12。

图7 岩溶塌陷易损性评价模型图Fig.7 Assessment model of vulnerability for karst collapse

表10 岩溶塌陷易损性评价指标因子赋值表Table 10 Value assignment of factors for vulnerability assessment of karst collapse

表11 判断矩阵Table 11 Judgment matrix

表12 组合权重表Table 12 Combined weights

易损性的综合指数法评价模型见公式(5)。

W易发=I1λ1+I2λ2+I3λ3+I4λ4

(5)

根据计算结果统计分析，将易损性评价结果在3.5～5.0之间，定义为高易损区；在2.5～3.5之间，定义为中易损区；在0～2.5之间，定义为低易损区。从而得到易损性分区图(图8)和易损性评价统计表(表13)。

3.4 岩溶塌陷风险性评价

根据公式(1)，风险性是危险性与易损性的结果相乘得到的，将两者相乘的结果与表14对应，从而得到风险性分区图(图9)和风险性评价统计表(表15)。

表13 易损性评价统计表Table 13 Area statistics of vulnerability assessment for karst collapse

表14 风险性等级分区表Table 14 Partition table of karst collapse risk

4 结论与建议

(1)根据本文岩溶风险评价结果得出：岩溶塌陷高风险区主要位于研究区的西北部，分布于长江沿岸原塌陷区和开采井附近，面积约16 km2。

(2)在选择的典型地段内，岩溶塌陷高风险性区和中风险区的面积之和约占岩溶区面积的一半、研究区总面积的三分之一，影响范围较大，建议在制定城市建规划以及施工过程中高度重视这些区域，避免造成人民生命财产损失。

(3)运用层次分析法进行风险评价，需慎重选取指标层各影响因素，应结合区域地质环境特点，构建合理的评价指标体系，科学评价岩溶塌陷风险性，对于大区域岩溶风险评价来说，评价过程中还应考虑大气降雨在内的其他因素的影响。

图9 岩溶塌陷风险性分区图Fig.9 Risk distribution of karst collapse

表15 风险性评价统计表Table 15 Area statistics of risk assessment for karst collapse

[1] 袁道先. 新形势下我国岩溶研究面临的机遇和挑战[J]. 中国岩溶, 2009, 28(4): 4-6. YUAN Daoxian. Challenges and opportunities for karst research of our country under the new situation[J]. Carsologica Sinica, 2009, 28(4): 4-6.

[2] 黄崇福. 自然灾害风险评价理论与实践[M]. 北京: 科学出版社, 2006. HUANG Chongfu. Risk assessment of natural disaster theory & practice[M]. Beijing: Science Press Ltd, 2006.

[3] 刘善军. 隐伏岩溶区岩溶塌陷易发程度评价—以泰安为例[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2004, 15(3): 91-94. LIU Shanjun. Evaluation on the karst collapse susceptible degree in covered karst region—Example for Taian City[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2004, 15(3): 91-94.

[4] 钟宇,张明堃,潘玲,等. 基于GIS的武汉市武昌区岩溶塌陷危险性评价[J]. 天津师范大学学报(自然科学版), 2015, 35(1): 50-55. ZHONG Yu, ZHANG Mingkun, PAN Ling,etal. Risk assessment for urban karst collapse in Wuchang District of Wuhan based on GIS[J]. Journal of Tianjin Normal University (Natural Science Edition), 2015, 35(1): 50-55.

[5] Zisman ED. A standard method for sinkhole detection in the Tampa, Florida, Area[J]. Environmental & Engineering Geoscience, 2001, 7(1): 31-50.

[6] Gao Y,Alexander EC. The Development of a karst feature database for Southeastern Minnesota[J]. Journal of Cave & Karst Studies, 2002, 64(1): 51-57.

[7] Mejía-navarro M,Garcia LA. Natural hazard and risk assessment using decision support systems, application: Glenwood Springs, Colorado[J]. Environmental & Engineering Geoscience, 1996, 2(3): 299-324.

[8] 雷明堂,蒋小珍,李瑜,等. 城市岩溶塌陷地质灾害风险评估——以贵州六盘水市为例[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2000, 11(4): 26-30, +55. LEI Mingtang, JIANG Xiaozhen, LI Yu, et al. The risk assessment of karst collapse in urban area—A Case study in Liupanshui, Guizhou, China[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2000, 11(4): 26-30, +55.

[9] 雷明堂,蒋小珍,李瑜. 岩溶塌陷综合预测评价的理论与方法[J]. 中国地质灾害与防治学报, 1997, 8(S1): 46-50. LEI Mingtang, JIANG Xiaozhen, LI Yu. Comprehensive evaluation and prediction of karst collapse: theory and method[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 1997, 8(S1): 46-50.

[10] 王维理,李文平. 岩溶塌陷地质灾害的评价方法探讨[J]. 地质灾害与环境保护, 2008, 19(3): 80-83. WANG Weili, LI Wenping. Discussion on the method of evaluation of karst collapse[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation, 2008, 19(3): 80-83.

[11] 张丽芬,曾夏生,姚运生,等. 我国岩溶塌陷研究综述[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2007, 18(3): 132-136. ZHANG Lifen, ZENG Xiasheng, YAO Yunsheng, et al. Review on karst collapse in China[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2007, 18(3): 132-136.

[12] 金艳珠,谈树成,虎雄岗,等. 基于层次分析法与GIS相结合的岩溶塌陷地质灾害易发性分区评估——以云南省师宗县为例[J]. 热带地理, 2012, 32(2): 63-68. JIN Yanzhu, TAN Shucheng, HU Xionggang, et al. Geo-Hazard susceptibility zoning evaluation of karst collapse based on the combination of AHP and GIS: a case study of Shizong, Yunnan[J]. Tropical Geography, 2012, 32(2): 63-68.

[13] 王春燕,邓曦东,危宁. 风险评价方法综述[J]. 科技创业月刊, 2006(8): 49-50. WANG Chunyan, DENG Xidong, WEI Ning. Review on risk assessment methods[J]. Pioneer with Science & Technology Monthly, 2006(8): 49-50.

[14] 赵德君,彭凤,杨建,等. 基于层次分析法的武汉市岩溶塌陷危险性分区评价[J]. 资源环境与工程, 2012, 26(S1): 101-103. ZHAO Dejun, PENG Feng, YANG Jian, et al. Evaluation of karst collapse hazard zone of Wuhan based on AHP[J]. Resources Environment & Engineering, 2012, 26(S1): 101-103.

[15] 赵焕臣，许树柏，和金生.层次分析法[M].北京:科学出版社，1986:113-194. ZHAO Huanchen, XU Shubai, HE Jinsheng. AHP Method[M]. Beijing: Science Press Ltd, 1986:113-194.

[16] 李慎奎,陶岚. 武汉地区岩溶发育特征及地铁工程中岩溶处理[J]. 隧道建设, 2015, 35(5): 69-74. LI Shenkui, TAO Lan. Features of karst development in Wuhan area and treatment of karst encountered in construction of Wuhan metro[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(5): 69-74.

[17] 黄文龙. 基于AHP-模糊综合评判的岩溶塌陷风险评价[J]. 地下水, 2016, 38(4): 120-122. HUANG Wenlong. Risk evaluation of karst collapse based on AHP with fuzzy comprehensive evaluation[J]. Ground Water, 2016, 38(4): 120-122.

[18] He K, Jia Y, Wang B, et al. Comprehensive fuzzy evaluation model and evaluation of the karst collapse susceptibility in Zaozhuang region, China[J]. Natural Hazards, 2013, 68(68):613-629.

Karst collapse risk assessment of the district in Wuhan, Hubei

CUI Linfeng1，CHEN Bangsong2，TU Jing3，YANG Tao3，LI Haitao1
(1.ChinaInstituteforGeo-EnvironmentalMonitoring,Beijing100081,China；2.ZhejiangHuaDongConstructionEngineeringCo.,LTD,Hangzhou,Zhejiang310000,China;3.HubeiProvinceGeologicalEnvironmentTerminus，Wuhan,Hubei430051,China)

Karst collapse is one of the main geo-environmental problems in the karst area. For a long time, the problem has influenced and restricted the development of social economy in karst area. To evaluate the risk of karst collapse is an important and basic work to make scientific and rational urban planning. In this paper, the typical karst area in Wuhan city is selected, and the risk assessment of karst collapse is carried out. Based on the analysis of intrinsic and extrinsic factors which influence the karst collapse, the susceptibility, danger, and vulnerability assessment models were established and evaluated by using the method of Analytic Hierarchy Process (AHP). Finally, the karst collapse risk was evaluated. The results show that the high risk area of karst collapse is located in the vicinity of the original collapse area of the Yangtze River and the exploitation wells, with an area of about 16 km2. And the middle and high risk area accounts for 1/3 of the total study area. Therefore, in the process of urban planning and construction, it is necessary to pay more attention to those areas, avoiding causing damage to the lives and property of the local people.

karst collapse; risk assessment; Analytic Hierarchy Process (AHP)

2016-07-02;

2017-02-04

武汉市岩溶塌陷调查(1212011220189)

崔霖峰(1989-)，男，助理工程师，主要从事水工环方面的研究工作。E-mail：cuilf@cigem.cn

李海涛(1979-)，男，高级工程师，主要从事水工环方面的研究工作。E-mail：liht@cigem.cn

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.02.08

P642.25

A

1003-8035(2017)02-0059-10