基于模糊综合评判法的地质灾害危险性评价

王磊

摘要：本文依托收集及现场调查所得的大量资料，分析得出地质灾害危险性的评价指标，采用层次分析法确定各评价指标的权重，分定性和定量两种情况求出评价指标相应于各危险等级的隶属度，接着进行了综合评价计算，最后按照最大隶属度原则确定出了危险性等级，实现了用模糊综合评判法对阿干矿区地质灾害危险性的定量评价，取得了较为满意的结果。

Abstract： Based on the large amount of data obtained from the collection and on-site investigation， this paper analyzes the evaluation index of geological hazard risk， and uses AHP to determine the weight of each evaluation index. The qualitative and quantitative methods are used to determine the evaluation index corresponding to each risk. The degree of membership is then comprehensively evaluated and calculated. Finally， the risk level is determined according to the principle of maximum membership degree. The fuzzy comprehensive evaluation method is used to quantitatively evaluate the risk of geological disasters in the Agan mining area， and satisfactory results have been obtained.

關键词：地面塌陷;泥石流;危险性;模糊综合评判;层次分析

Key words： ground subsidence;debris flow;hazard;fuzzy comprehensive evaluation;analytic hierarchy process

中图分类号：P694                                         文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）21-0236-05

0   引言

阿干矿区位于甘肃省兰州市七里河区阿干镇（图1），行政区划属兰州市七里河区管辖，距兰州市城区22km，有兰阿公路和铁路专用线相通，交通便捷。矿区地理坐标介于东经103°49′23″～103°51′41″，北纬35°52′05″～35°57′13″，矿区东西宽0.9～3.3km，南北长9km，面积20.8km2。

位于甘肃省兰州市七里河区的阿干矿区是历史采矿和计划经济时期建立的老矿业基地，其开采历史悠久，可追溯至明代。2000年10月，因煤炭资源濒临枯竭，矿山地面塌陷造成采矿成本过大，煤矿亏损严重而宣告破产。

1  研究区自然地质背景

矿区属大陆性半干旱气候，昼夜温差大，年最低气温在1月中下旬，历年来最低气温为-23℃，年最高气温在7月或8月，最高气温为37.6℃（1997年7月3日），年平均气温4.3℃;年降水量334～500mm，平均为417mm，雨季集中在7～8月份，占全年降水量的56%，日最大降水量96.8mm。蒸发量在1500mm以上，平均无霜期145天，最大冻土深度1.03m，最大风速21.4m/s，主导风向为北北东，次风向为南西。

矿区地质构造非常复杂，以南北向的褶皱及逆断层为主，有少量东西向逆断层。矿区处于兰州盆地南部构造剥蚀低中山区，地势总体南高北低，最高点为铁冶沟沟脑双咀山，海拔3121m，最低点为八里镇雷坛河谷底，其海拔约1940m，最大相对高差近1180m。依地貌特征和成因类型，本区可分为山地地貌和河（沟）谷地貌两大单元。矿区出露的地层由老到新为中元古界兴隆山群（Pt2x）、奥陶系上中统雾宿山群（Ow）、侏罗系下统大西沟组（J1dx）、侏罗系中统窑街组（J2y）、侏罗系上统享堂组（J3x）、白垩系下统河口群（K1hk）和第四系，区内第四系分布广泛，成因类型较多，有风积、冲积、洪积、残坡积、重力侵蚀堆积等，第四系覆盖层厚度约为40m。依据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015），本区地震动峰值加速度为0.20g，抗震设防烈度为8度。

2  采矿地质条件

阿干矿区煤层赋存于呈复杂向斜构造的侏罗系地层中，由南至北，向斜轴面走向由南北向折而呈北北西向，且受周边断层控制，阿干井田平面形态基本呈北西—南东走向的不规则“8”字型。井田含煤地层主要为中生界侏罗系下统大西沟组及中统窑街组，总厚度397m。矿区有一层基本稳定的可开采煤层及其上部呈透镜状的不可开采煤层，已探明煤炭储量1330万吨，煤质属低灰低硫高发热量的不粘煤，属良好的化工及动力用煤。

可采煤层在全矿区范围内普遍存在，井田南部出现分岔现象。煤层结构简单，局部地段含夹石一层，夹石厚度在1.0～3.5m之间，岩性多为灰黑色页岩或灰色砂岩，分布无规律。煤层厚度变化大，最大厚度39.60m，最小为1.46m，平均厚度11.0m。煤层厚度由南而北波状增厚的趋势明显，南部采区平均厚度为9.90m，向北厚度增至21m左右，向斜轴部厚度较大，向两翼厚度变薄。煤层倾角在0°～90°之间变化，平均为50°，局部倒转。井田周边及内部受断层切割，煤层波状起伏频繁，1700m水平以上东翼为52°左右，西翼为36°;1700～1350m水平东翼为54°，西翼为62°;1350m以下东翼为72°，西翼为70°。矿区不可开采煤层仅局部地段达到可采厚度，且多呈透镜状出现，层位不稳定，厚度变化极大。

阿干矿区煤层的顶板岩层主要是灰白色细砾岩及粗砂岩，大部分区段与煤层直接接触。该岩层岩性颗粒分选性差，胶结一般，层理发育，力学强度低，厚度一般在5.0～8.0m，孔隙率为6.26%，吸水率为1.30%，抗压强度3.31MPa，粘聚力14.2kPa，内摩擦角为14°。局部地段煤层之上为灰及灰白色粗砂岩、中砂岩，泥质胶结，松散，厚度不稳定，但成层性好，一般在3～5m之间。

区内煤层底板主要為砂质泥岩、炭质页岩及粉砂岩，厚度不大，一般0.8～3.0m，吸水性强，遇水膨胀，易发生底鼓。粉砂岩孔隙率为5.17%，吸水率为2.32%，抗压强度2.72MPa。

3  地质灾害

根据收集及现场调查所得的大量资料，阿干矿区内地质灾害主要为地面塌陷和泥石流。

3.1 地面塌陷

根据现场调查访问以及矿区采矿工作面间断性监测资料，矿区地面塌陷始发于上世纪50年代中、后期，严重时期基本出现在1983年～1998年，长期的大规模开采，形成了面积达5.4km2的采空区，矿区地表形成呈北西～南东走向的长8.7km，宽0.2～1.8km，面积达9.06km2的似葫芦形带状塌陷区，塌陷区内裂缝纵横交错，主体裂缝走向由南部的南北向至北部呈北西向，裂缝延伸长0.08～3.7km，宽达0.5～3.0m，其间距在20～380m之间，顺裂缝走向坡体逐级形成错落坎或带状塌陷槽、串珠状塌陷坑，坎高一般在0.3～17m，陷槽沉幅0.7～20m，塌陷坑直径达8～15m，深3～12m，大部分地段如小山顶、杏树湾、铁治村、大草洼、山寨村等地表整体沉陷幅度达4～15m。山寨沟北岸山体受南北向裂缝与顺坡向裂缝穿插交错而呈碎裂块状，岩体已发生错落、位移。

3.2 泥石流

矿区泥石流沟为大西沟，该沟频繁爆发泥石流，现从泥石流形成的三个基本条件来进行说明。

3.2.1 地形条件

大西沟流域面积13.63km2，流域平面形态似柳叶形，流域内沟壑密集，共发育大小冲沟26条，其中长度大于1km的沟谷11条，小于1km的15条，冲沟总长25.4km，平均沟壑密度1.86km/km2。受构造运动差异抬升作用，大西沟向北侵蚀，形成南岸宽北岸窄的不对称流域形态，南岸冲沟发育，支沟流域面积较大，主沟长多大于1km，而北岸多发育山坡形冲沟，沟谷较短且密度较小。

大西沟主沟长7.3km，最大相对高差624m，主沟平均纵比降104‰，主沟上游山势突起，坡陡谷深，坡面植被覆盖良好，覆盖率在30～50%;中游沟谷多呈“谷中谷”的复式形态：上部谷形呈开阔的“V”型，坡度在30°～50°之间，部分呈陡崖，相对高差在80～170m之间;下部受大西沟地表水流切蚀而呈窄深的“U”型谷，沟壁陡立，深18～24m，谷底宽7～16m之间，平均纵比降38.7‰，两侧沟台地发育，台面平坦而总体向沟谷方向缓倾，坡度3°～8°，宽30～140m。下游谷形开阔，两侧沟坡坡度多在30°以上，主沟南侧一、二级沟台地较北侧发育，台地上多被村民建房占据或耕地利用，受人为建房及开挖公路挤占、压迫沟道，其主沟道宽在5.2～13.4m，深1.5～8.0m，平均纵比降15.8‰。大西沟主沟直接汇入雷坛河，沟口无扇形地分布。

3.2.2 松散固体物质条件

固体松散物质是泥石流的重要组成部分，其储量大小及补给条件控制着泥石流的性质、规模。根据实际调查，大西沟及其支沟—驮水沟泥石流的固体松散物质主要来源于滑坡、坍滑塌、人工堆积体（堆渣）及坡面松散堆积物等。

大西沟流域（不含已治理的沙子沟）内共发育滑坡8处，分布于主沟两侧及两侧规模较大的支沟内，呈零散分布的特征，滑动面积76.2×104m2，扰动土石方量达842.8×104m3。其中岩质错落体1处，即老爷山岩移体，黄土滑坡5处，堆积层滑坡2处，除岩质滑坡外，其余滑坡均以前缘坍塌及坡体物质被逐步冲蚀的形式不断进入沟道补给泥石流。而老爷山岩移体位于沟口，岩体整体性较好且已稳定，其补给泥石流的物质仅为坡面松动的岩土体，并以面蚀的方式进入沟道。据调查测算，大西沟内滑坡可补给泥石流的松散物质储量137.9×104m3。大西沟流域内滑坡除矿区2处滑坡受地表塌陷直接诱发而成，其它均与区内陡峻的地形，黄土特殊的岩性条件及地表水流冲蚀等作用密切相关。

流域内坍滑塌分布于主沟中上游及支沟内两侧沟岸，受地表水流切蚀，主沟及较大规模支沟两侧沟岸陡立，其物质松散，易形成坍塌、滑塌，扰动的土体直接堆积于沟道内，它是泥石流最直接、最易启动的固体松散物质。区内坍滑塌单个规模、体积小，分布分散，沿沟岸呈线状分布特征。经实际调查，流域内坍滑塌共32处，总体积近l1.6万m3。

人工堆渣主要分布于大西沟流域下游矿区段，此外在其支沟—驮水沟沟脑有所分布。前己述及，上述渣体大部直接堆积于沟道内，易被地表汇流及沟谷洪水直接冲蚀而补给泥石流，其补给泥石流的物质量达9.78万m3。

坡面松散物质指沟坡残坡积层和陡坡段黄土体。区内残坡积物质分布较广，由于构造断裂发育，岩体破碎，基岩风化强烈，碎石、岩屑在坡面形成堆积，厚度较大，质地松散，粘结力差，易被水流冲蚀、搬运。而黄土广布于流域内，在暴雨条件下，陡坡段土体易被面状冲蚀进入沟道，成为泥石流的主要物源之一。不仅如此，流域下游采矿工程活动引发的地表塌陷直接松动沟坡岩土体，加大了沟坡松散物质数量，使面状冲蚀强度及水土流失面积不断增加。根据水保资料和调查分析统计，流域内可转化为泥石流的坡面松散物质总量为48万m3。不仅如此，流域下游采矿工程活动引发的地表塌陷直接松动沟坡岩土体，加大了沟坡松散物质数量，使面状冲蚀强度及水土流失面积不断增加。根据水保资料和调查分析统计，流域内可转化为泥石流的坡面松散物质总量为48万m3。

经实际调查测算，大西沟流域可转化为泥石流的固体松散物质数量达207.3×104m3，单位面积固体松散物质储量16.6×104m3/km2。

3.2.3 降水条件

据统计资料显示，大西沟流域年降水量328～596mm，平均为462mm，降水年内分配极不均匀，主要集中在7～9月，三个月降水占全年降水量的56%以上，且多以大、暴雨的形式出现，具有降水集中、雨强大的特点。本区日最大降水量96.8mm，1h最大降雨量47mm，短历时高强度的降水为泥石流的形成提供了充足的水源条件。研究资料表明，泥石流的形成与前期降雨和短历时降雨强度关系最为密切。根据前人对兰州西固洪水沟泥流灾害（1964.7.20，平均雨强37.5mm/h）和拱北沟泥石流灾害（1978.8.27，平均雨强50.0mm/h）研究，兰州地区形成泥石流所需的最小雨强约25mm/h，成灾雨强40mm/h。而大西沟流域年大于30mm/h的降雨日数平均为1天，最多达5天，这也是该沟泥石流频繁爆发的原因。

4  模糊综合评判

选定整个阿干矿区进行模糊综合评判（两级综合评判）：

4.1 确定危险性等级

4.2 合理选择因子集

根据地面塌陷和泥石流危险性的影响因素、收集及现场调查所得的大量资料并且在参考了大量论文后，建立了如图2的地质灾害危险性综合评价指标体系[1][2][3][4]。

评价的因子集U={U1，U2}={地面塌陷，泥石流}，U1是第一层次中的第一个因素，它又由下一层次中的6个因素决定，即为U1={u11，u12，u13，u14，u15，u16}={第四系覆盖层厚度，地质构造，地形地貌，煤层倾角，年降雨量，塌陷面积}。同理，U2={u21，u22，u23，u24，u25，u26}={人为活动，固体松散物质储量，主沟纵比降，流域相对高差，地震烈度，年降水量}

4.3 确定权重

确定权重的方法有多种，本文采用层次分析法。运用层次分析法，得到打分表：

通过和积法[5]得到：

4.4 计算隶属度，确定模糊矩阵R

各评价因子对各级地质灾害的危险程度的隶属函数公式[6]为：

式中，Y1，Y2，Y3，Y4分别为某评价因子对于V1，V2，V3，V4四个地质灾害危险程度的隶属度，s1，s2，s3，s4为评价指标对于危险性等级的分级阈值，x是实测值。

对于可定量表达的因素，根据各评价因子实测值和隶属函数，并参照各评价因子对于危险性等级的分级阈值一览表（表4），可求出其相应于各危险等级的隶属度。

对于不可定量表达的因素，同样参考表4并直接根据因素的实际特征状态所属的危险性等级而定[11]。即当因素的實际特征状态属于危险度高等级时，则认为该因素对于危险性高这个等级的隶属度是1，该因素对于其它危险性等级的隶属度均为0。

最终得出模糊矩阵R。

影响地面塌陷的定量因素的实测值分别为：第四系覆盖层厚度约为40m，倾角平均为50°，年降雨量平均为417mm，塌陷面积为9.06km2。

影响泥石流的定量因素的实测值分别为：固体松散物质储量为207.3万m3，主沟纵比降为104‰，流域相对高差为624m，地震烈度为8度，年降水量平均为462mm。

分定性和定量两种情况求出评价指标相应于各危险等级的隶属度，最终可确定出模糊关系矩阵。

先作单因素模糊评判，即从决定地面塌陷的因素值u1i着眼，确定该因素在V上的评判结果r1ij（j=1，2，3，4），再用6个单因素的评判结果构成因素集U与评价集V之间的模糊关系，即6×4阶单因素模糊评判矩阵R1。

同理，用决定泥石流的6个单因素的评判结果构成因素集U与评价集V之间的模糊关系，即6×4阶单因素模糊评判矩阵R2。

4.5 综合评价计算

按模糊数学中最大隶属度原则[12]，取B中最大隶属度所对应的评判等级为该单元的最终评判等级。即若bk=max{b1，b2，b3，b4}，则该单元的最终评判等级为k级。

所以本区地质灾害危险性等级为Ⅲ级，危险性较高。5  结论

甘肃省阿干矿区开发所引起的地质灾害主要为地面塌陷和泥石流。利用两级模糊综合评判，对阿干矿区的地质灾害危险性进行了评价，最终评判出矿区地质灾害危险性为较高，该结论与实际情况基本相符，证明选取的方法是可靠有效的。

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