模糊層次分析法對巖溶塌陷易發程度的評估——以廣西來賓市吉利村為例

周國清 ，何素楠，陳昆華，岳濤

(1.桂林理工大學測繪與地理信息學院，廣西桂林 541004;2.廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西桂林 541004)

1 引言

巖溶地貌在我國分布較廣，巖溶塌陷是區域內發生的最突出的地質災害，是巖溶地區因巖溶作用而發生的一種地面變形和破壞的災害，它的發生不僅會給交通運輸、城市建設和人民生活帶來嚴重危害，還會惡化生態環境，影響各種資源的開發利用，造成嚴重的經濟損失和社會影響。因此，通過分析巖溶塌陷的形成機理及影響塌陷發生的主要因素，準確地對其易發程度進行評估預測，對于防災減災具有重要的理論和現實意義［1，2］。近年來，有關巖溶塌陷這一地質災害的調查研究成果很多。雷明堂等［3］以GIS為基礎，研制巖溶塌陷預測評價系統，結合唐山市地質災害評估因子的分布特征，實現了研究區的塌陷危險性分區。何書等［4］運用模糊貼近度理論，結合研究區巖溶塌陷的特點及影響因素，建立巖溶塌陷易發性分級評價模型，有效地對江西瑞昌的武山銅礦區進行了巖溶塌陷易發性評估。姜春露等［5］采用Fisher判別分析法，建立巖溶塌陷的Fisher線性判別函數，確定判別因子，完成了對桂林市巖溶塌陷的預測判別。李忠等［6］在建立巖溶塌陷評價指標體系的基礎上，采用改進型BP－神經網絡方法，建立巖溶塌陷安全性評價模型，對唐山市區巖溶塌陷區進行了預測。這些調查研究成果，都為本次研究奠定了很好的理論基礎，提供了有效的方法借鑒。

吉利村位于廣西來賓市興賓區良江鎮，地處23°34'40″N ～ 23°36'21″N 和 109°10'23″E ～ 109°11'35″E之間(如圖1所示)。該研究區發育有世界上著名的峰林平原型巖溶，巖溶化嚴重，具有典型的巖溶地貌。根據研究區的具體地質狀況，在借鑒以上研究方法的基礎上，本文嘗試采用模糊層次分析法對該區的巖溶塌陷易發程度進行分區評估，反映研究區巖溶塌陷地質災害的總體風險水平，指導資源開發，促進環境可持續發展，為巖溶塌陷災害防治工作提供科學依據。

圖1 研究區域示意圖

2 研究區地質環境條件

廣西來賓市吉利村位于北回歸線附近，屬于季風性南亞熱帶濕潤氣候，氣候溫和、日照充足、雨量充沛，多年平均氣溫21℃，多年平均降雨量 1 339 mm，隸屬于紅水河系，年徑流量 608.3×108m3，年水位變幅20.85 m。其地貌類型屬于溶蝕堆積——殘峰殘丘平原地貌，總體地勢南高北低，丘包與孤峰相伴發育，總體上地表平坦，稍呈波狀起伏。研究區位于桂林——來賓斷裂帶內，地質構造復雜，區域上褶皺斷裂發育，構造線呈北東——北北東走向，其初露地層主要有第四系、白堊系下統、石炭統中統和石炭系下統。研究區域巖溶形態有埋藏型巖溶、裸露型巖溶，局部為覆蓋型巖溶，地下水類型主要有松散巖類孔隙水、碳酸鹽類裂隙溶洞水、基巖裂隙水三類，富水程度豐富，且其內存在一條沿構造斷裂帶發育的地下河。這些特殊的水文地質環境都為該區巖溶發育提供了有利條件，能夠進一步促進巖溶塌陷地質災害的發生。

3 研究方法

層次分析法是一種把定性分析和定量分析相結合的系統分析方法，主要是在建立不同目標的基礎上，利用較少的定量信息為多目標、多準則或無結構性的復雜問題提供簡便決策［7］。由于影響巖溶塌陷的因素錯綜復雜且沒有截然的界限值，具有明顯的模糊性，難以用準確的數學工具來嚴密的描述，但是各影響因素間又具有明顯的相關性，因此，將模糊識別理論和層次分析法相結合，采用半定量的方法對巖溶塌陷易發程度進行評估較為可行［8，9］。

本研究主要通過分析來賓市吉利村的地質環境條件，確立影響塌陷的主要因素，將每種影響因素作為一個因子，建立每個影響因子的判斷矩陣，賦予不同層次不同影響因子相應的權重值并進行一致性檢驗，再對影響因子進行分級取值，以此確定不同影響因子對該區產生的影響程度及各影響因子之間的組合效應，從而實現對研究區巖溶塌陷易發程度的評估。

4 評估因子及等級確定

巖溶塌陷的發生是地質環境和人類活動共同作用的結果，它們構成了影響塌陷發生的基本要素，只要具備了這些條件，在一定的時間尺度內，塌陷就可能形成。

4.1 確定評估因子及其權重

在對巖溶塌陷的易發程度進行評估時，首先要確定塌陷的影響因素，研究區域不同，影響因素也不同。通過分析來賓市吉利村的地質環境和人類活動，得知人類活動對吉利村巖溶塌陷影響較小，而自然因素則是引發塌陷的主要因素。該區塌陷有6大影響條件，每種條件又由幾個影響因子組成:巖溶條件M1(巖溶發育程度N1、巖溶地層巖性N2)、地下水條件M2(地下水徑流強度N3、地下水量N4、水位年變幅N5、地表水入滲強度N6)、覆蓋層條件M3(土層結構N7、土層加巖層厚度N8)、環境條件M4(年降水量N9、植被覆蓋度N10)、地形地貌條件M5(地貌單元N11、地形特征N12、斷層 N13、裂縫 N14)、人為條件 M6(人工抽水強度N15)。本次評價將以上6個條件共計15個因子作為模糊層次綜合評估的預測因子，構建研究區巖溶塌陷易發程度評估的層次結構模型，如圖2所示。

圖2 巖溶塌陷預測層次結構模型分析圖

1－9標度法各標度含義 表1

在巖溶塌陷易發程度評估中，評估因子判斷矩陣的建立及一致性檢驗是確定評估因子權重的重要一步，根據已有資料和野外調查結果，利用 T．L．Satty［10］提出的“1－9標度法”(它是利用給模糊要素打分的方法，根據其得分的高低來確定這些要素對決策目標的影響程度，其各個標度含義如表1所示)，對評估因子兩兩進行比較，分別列出圖2所示的預測因子層次結構中的條件層和因子層的判斷矩陣，并對其進行一致性調整。由于各評估因子對巖溶塌陷的影響程度不同，其在評估體系中的作用也不同，根據研究區的地質狀況，采用層析分析法來評價評估因子的權重［11］，按照評估指標體系確定的層次結構，根據層次分析法的要求，結合相關專家意見，構造判斷矩陣，計算各判斷矩陣的特征值和特征向量，進行歸一化處理后得出影響研究區巖溶塌陷的各基本條件及相關因子的相對權重值。再通過條件層和因子層相對權重的連乘，得到各因子的權重值，然后分別選取幾個已經明確的塌陷程度不同的區域對個別矛盾的因子進行權重調整，將調試合理后的權重值作為最終的權重值［12，13］。如下所示:

對于條件層:

4.2 評估因子等級劃分取值及其隸屬函數的確定

評估因子的發育程度不同，對預測單元巖溶塌陷易發程度的影響也不同。預測因子分定性指標和定量指標兩類，定性指標是離散性取值，其隸屬函數是相應指標對應的級別;定量指標則是連續性區間取值，各級別呈現過渡狀態，對定量指標隸屬函數的取值原則是在各級別界限上下各取1/4區間作為各級別界限值的過渡函數，分屬于相鄰級別共有，其余的定量指標隸屬于相應的級別［14］。借助于研究區的地質資料、水文地質圖、DEM影像和中巴衛星影像，并進行實地鉆孔調查，對研究區巖溶塌陷的形成條件和影響因素進行分析，確定本次預測的15個因子的等級指標，如表2所示。

研究區巖溶塌陷模糊評判因子等級劃分 表2

5 巖溶塌陷易發程度評估

5.1 建立巖溶塌陷易發程度評估模型

根據來賓市吉利村研究區巖溶塌陷的分布狀況，采用模糊數學的方法，將預測層次結構模型中的預測目標R劃分評價集為:

R={極易發區(r1)，較易發區(r2)，一般區(r3)，較穩定區(r4)，穩定區(r5)}

然后對因子層進行計算。

根據各單元判別結果，按最大隸屬度原則，確定其所處單元級別，然后按照各單元級別進行工作區整體易發程度分區評價。

5.2 評估單元劃分及模糊層次綜合評估

根據研究區具體情況，利用計算機的柵格化功能將 4.19 km2的研究區劃分為不同分區，作為評估單元，并確定每個評估單元所有指標的實際值，確定各個評估單元的隸屬函數值，列出各評估單元的隸屬函數矩陣Nj，各預測因子的權重WN，運用模糊層次分析法建立評估模型Rj=WNNj。舉例說明:

5.3 評估結果及可行性分析

利用Matlab軟件編程，得出評估單元目標隸屬函數的計算結果，如下所示:

應用所建立的巖溶塌陷預測的計算模型結果，根據已知的研究區地質資料，將預測結果繪制成圖件，得到來賓市吉利村巖溶塌陷易發程度評估圖如圖3所示。

圖3 研究區巖溶塌陷地質災害易發程度分區評估圖

預測結果表明來賓市吉利村研究區的極易發區、較易發區、一般區、較穩定區、穩定區的面積之比為0.12∶0.42∶1.65∶0.62∶1.38，而各分區的平均塌陷密度之比為9.24∶3.65∶0.82∶0.16∶0.09，而根據實地調查塌陷的個數及大小得知各分區的平均塌陷密度之比為9.24∶3.65∶0.82∶0.16∶0.09，絕大多數塌陷發生在極易發區和較易發區。由吉利村地質調查圖和鉆孔資料得知:極易發區地質構造十分復雜，風化強烈，區域內發育有規模較大的地下河，地下石炭系灰巖、白云巖巖溶極為發育，斷層和裂縫密集分布;易發區地質構造較為復雜，地下巖溶發育，斷層和裂縫較為密集;一般巖溶區中等發育，地質災害以老塌陷為主;較穩定區地形較為平緩，巖溶發育較弱，斷層裂縫較缺乏;穩定區上覆硅質巖巨厚，地形平緩，下部巖土體呈密實狀。以上信息表明預測結果比較符合研究區的實際情況，說明模糊層次分析法在研究區的塌陷易發程度評估中適用，具有較高的可信度。

6 結語

根據來賓市吉利村的地質環境狀況，結合巖溶塌陷評估因子的分級和取值，采用模糊層次分析法對研究區的巖溶塌陷易發程度進行評估，可以得知，巖溶塌陷的易發區集中在研究區的中部地區，造成這些地區易發程度較高的原因主要是斷層和裂縫較豐富，地下徑流和巖溶發育強烈。

本次研究同時將GIS和遙感技術引入，運用GIS軟件對研究區的DEM數據進行處理，提取坡度等信息;運用ENVI軟件對研究區的中巴衛星數據進行處理，提取植被覆蓋度等信息，對研究區巖溶塌陷易發程度的影響因素考慮更加全面，且對研究分區打鉆孔進行實地考察，預測結果較為精確。該研究方法可以為類似的巖溶地區巖溶塌陷易發程度評估作參考，研究結果可以為來賓市吉利村地區經濟發展布局和地質災害防治提供科學依據。

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