基于ArcGIS 和信息量模型的鄂州市矿集区地面塌陷易发性评价

2024-04-09尹业梦任宵莹

国土与自然资源研究 2024年1期

张波，尹业梦，任宵莹

（湖北省地质局第五地质大队，鄂州 436000）

0 引言

地面塌陷是鄂州市矿集区主要的地质灾害类型之一，共计30 处，地面塌陷总影响面积135.39×104m2，造成直接经济损失16 573.3 万元，占全市地质灾害经济损失总量的91.6%，威胁人口2 364 人，威胁财产16 168万元。随着鄂州市城市建设的发展，特别是鄂州花湖机场物流配套的建设，用地需求激增，对矿集区进行地面塌陷易发性评价尤为必要。

目前，常用的地质灾害易发性评价模型有Logistic回归法[1]、趋势面分析法[2]、概率指数模型[3]、遗传神经网络[4]、AHP 层次分析法[5-6]、逻辑回归和人工神经网络模型[7]、证据权法[8-9]、聚类分析和支持向量机[10]、CF 和Logistic 模型法[11-12]、确定性系数和支持向量机模型[13]、加权频率比模型[14-15]等。在众多模型中，信息量[16-18]属于统计分析模型的一种，相比其他模型而言其物理意义明确、操作简单，在地质灾害易发性评价的研究和实践中得到了广泛的应用。

随着“3S”技术的迅速发展，ArcGIS 已成为现有和潜在地质灾害风险评估的有效工具[19]。本文在分析矿集区地质灾害特征的基础上通过ArcGIS 软件平台利用加权信息量模型对研究区进行易发性评价，为矿集区地面塌陷防治和建设规划提供参考。

1 研究区地质背景

研究区位于鄂州市东南部，面积共172.41 km2（图1）。区域内金属矿山18 家，开矿多采用地下开采充填法，活动造成的采空区22 处。本区域的地质构造主要有花马湖- 碧石渡复式向斜影响，长约10 km，轴向北西西向，两端略发生偏斜，走向上呈反“S”形。两翼不对称，北翼倾向南南西，倾角为40°～77°；南翼倾向北东，倾角20°～45°。向斜恰在一开阔的负性低洼地貌带内，第四系覆盖较厚，仅局部地段组成一些北西西向的残丘和小山。核部为侏罗系，两翼依次为桐竹园组、王龙滩组及蒲沂组。本区断层主要为北北西向。区内岩溶性岩层较为发育，主要位于研究区北部，中部零星分布，由下二叠统和早三叠世嘉陵江组、大冶组组成，岩性主要为灰岩、白云质灰岩、燧石结核灰岩、白云岩、生物灰碎屑灰岩。岩溶发育程度中等，一般为中厚- 块状完整结构，局部呈“架空结构”，岩石致密坚硬、力学强度高。受上述因素影响，鄂州市30处地面塌陷全部发育在本区域，其具体分布如图2 所示。影响本区地面塌陷发育的主要因素有采空区、地质构造、岩溶发育、覆盖层厚度、水文条件5 种因素[20]。

图1 研究区交通位置图

图2 地面塌陷分布及地质背景图

2 评价模型

本文结合信息量法和层次分析法的优点，采用加权信息量法评价其指标，最终得到易发性的划分结果，模型可以表述如下[21]：

式中，I预测区某单元信息量预测值；Wi为第i个评价因子的权重值；Si为因素xi所占单元总面积为因素xi单元中发生地质灾害的单元面积之和；Ii值的大小直接说明该单元产生地质灾害的可能性，是地质易发性区划的重要性指标。

利用信息量方法[22-23]进行鄂州市地面塌陷易发性评价，根据评价单元比例尺[24]，全区划分为30 m×30 m 的栅格单元共191 559 个。

3 孕灾因子分析与权重选取

3.1 因子分析

3.1.1 采空区距离

鄂州市采矿活动特别强烈，评价区内矿山采空区共计22 个，由其形成的地表变形和地面塌陷具有影响大、破坏性强、危害面广、损失严重等特点[25]。根据采空区发育情况及相关经验将其影响范围划分为五个带：0～500 m，500～750 m，750～1 000 m，＞1 500 m，如图3a所示。图4a 所示评价区内最有利于地面塌陷发生的是采空区0～500 m 范围内，其栅格数占总栅格的14.69%，发生地面塌陷比例为40%，利用公式（1）计算出该因子信息量为1.45。距采空区影响带越远信息量大体上呈递减趋势，在大于1 500 m 的区域，其栅格数占总数的13.49%，发生地面塌陷的比例为3.33%，信息量为-2.02，地面塌陷不易发生。

图4 影响因子灾害数量、信息量相关性统计图

3.1.2 地质构造

评价区内地质构造较为复杂，以北北东向褶皱和北北西向断裂为主，岩层被各种构造面切割错断呈不连续状，较为破碎，这就为降雨等水流进入地下提供了通道，使斜坡体在长期的水岩作用下，失稳并进而发生塌陷。根据鄂州市断层和褶皱的发育规模及影响范围[26]，利ArcGIS 的多环缓冲功能，分别以距断层或褶皱500 m、750 m、1 000 m、1 500 m 划分5 个距离区间。如图3b 所示，评价区内最有利于地面塌陷发生的区域是在断层和褶皱0～500 m 范围内，其栅格数占总栅格的50.94%，发生地面塌陷比例为66.67%，提供的信息量为0.39。距离断层越远信息量大致呈减小趋势，在大于1 500 m 的区域，其栅格数占总数的7.79%，发生地面塌陷的比例为0，信息量为0，不提供地面塌陷发育的信息。

3.1.3 岩溶发育

评价区内的岩溶发育在碳酸盐岩工程地质岩类中，主要由嘉陵江组（T1-2j）、蒲圻组（T2p）、大冶组（T1d）组成，岩性主要为灰岩、白云质灰岩、燧石结核灰岩、白云岩、生物灰碎屑灰岩。根据发育情况可分为非岩溶发育区和岩溶发育区（图3c）。岩溶发育区栅格数占总栅格的2.74%（图4c），发生地面塌陷比例为56.67%，提供的信息量为0.39，有利于地面塌陷的发生；非岩溶发育区栅格数占总数的97.26%，发生地面塌陷的比例为43.33%，信息量为-0.06，不利于地面塌陷的发生。

3.1.4 覆盖层厚度

本区域内覆盖层厚度分为5 类，分别为＜5 m，5～10m，10～15 m，15～20 m，＞20 m[27-28]（图3d），其中地面塌陷最易于发生在覆盖层厚度为15～20 m 的区域内（图4d），其栅格数仅占总栅格的12.35%，发生地面塌陷比例却为23.33%，提供的信息量为0.92。地面塌陷不易发生的区域覆盖层厚度为0～5 m，其栅格数占总栅格的48.92%，发生地面塌陷的比例为30%，信息量为-0.71。

3.1.5 降水漏斗区

评价区内矿山疏排地下水形成6 个降水漏斗区（图3e），根据发育情况可分为非降水漏斗区和降水漏斗区。降水漏斗区栅格数占总栅格的17.60%，发生地面塌陷比例为76.67%，提供的信息量为2.12，有利于地面塌陷的发生；非降水漏斗区栅格数占总栅格的82.40%，发生地面塌陷的比例为23.33%，信息量为-1.82，不利于地面塌陷的发生。

3.2 因子分析与权重

利用前面已经提取和分析影响地面塌陷的因子，通过信息量模型[29]及其理论公式计算得到参与预测各因子的信息量（表1）。

表1 各指标信息量一览表

应用层次分析法确定权重[30]，对所选的5 个评价指标进行分析，划分有序层次，建立评价模型层次结构。按照各评价因子相互的内在关系，通过相关专家经验及本区域地面塌陷实际发育情况，对各因子进行两两比较建立判断矩阵[31]，进行层次排序，确定各因子的权重值，并进行一致性检验。易发性评价因子判断矩阵见表2，计算结果按权重从大到小排序，见表3。

表2 地面塌陷易发性评价因子判断矩阵

表3 地面塌陷易发性评价因子权重

利用ArcGIS 软件的空间分析功能中的加权总和工具，完成各影响因子加权信息量的叠加，按照类内差异最小，类间差异最大的原则，利用统计学中常用的自然断点法（Natural break）将易发性区划图重新分类，将鄂州市的地面塌陷易发性划分为3 级：取信息量I＞0.26为地面塌陷高易发区，信息量-0.63＜I≤-0.26 为地面塌陷中等易发区，信息量I≤-0.63 为地面塌陷低易发区，如表4 所示。