柳州三都地區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性評價

周 健，萬佳威，張勤軍

(廣西壯族自治區(qū)地質調查院，廣西 南寧 530023)

三都位于廣西柳州市柳江區(qū)，在三都鎮(zhèn)北東方向1 km處的屯邊至大河一帶，自1960年起持續(xù)發(fā)生巖溶塌陷，現(xiàn)已形成1處塌陷群(含塌陷坑12個)和4處塌陷坑，它們分布于農田內及公路邊，嚴重影響了農民及過往車輛的安全，制約了三都鎮(zhèn)的城鎮(zhèn)發(fā)展。因此，對該地區(qū)進行巖溶塌陷預測評價十分重要。

前人對巖溶塌陷預測評價方法已進行過系統(tǒng)研究，目前常用的評價方法有模糊綜合評判法、灰色模糊綜合評判法、人工神經網絡、支持向量機、信息量法、證據權法等[1-3]。其中，模糊綜合評判方法具有操作簡便、應用廣泛且評價結果可靠等優(yōu)點，因此本文結合三都周邊地區(qū)的經驗[4-7]，選擇該方法對三都鎮(zhèn)周邊巖溶塌陷易發(fā)性進行評價。

1 研究區(qū)地質背景條件

本文結合三都鎮(zhèn)城鎮(zhèn)規(guī)劃，選定三都鎮(zhèn)三都社區(qū)—屯邊—大河一帶作為研究區(qū)，面積為4 km2。

1. 1 地形地貌條件

研究區(qū)地貌屬巖溶谷地，局部聳立巖溶孤峰和峰林；地勢西高東低，較為平坦開闊，地面標高為183～335.77 m，谷地地面相對高差一般小于10 m。

1. 2 巖性及構造

研究區(qū)基巖為石炭系中統(tǒng)大埔組(C2d)白云巖、石炭系中統(tǒng)(C2)灰白色厚層—塊狀白云巖和石炭系下統(tǒng)巴平組(C1-2d)灰色厚層狀灰?guī)r，見圖1。屯邊—大河一帶發(fā)育一條北東走向性質不明斷層。

圖1 三都地區(qū)地質簡圖Fig.1 Geologic sketch of Sandu area

1. 3 覆蓋層土體特征

研究區(qū)第四系廣布，在巖溶谷地內土層厚度為1.5～11 m，平均厚度為5.7 m，從上到下依次為填土或耕植土、硬塑狀黏土。據地質雷達顯示，研究區(qū)內存在土洞異常20個，密度達100個/km2，土洞寬度為1～8.5 m、高度為0.5～2.5 m。土工試驗結果顯示，研究區(qū)土層具有較高的含水量，屬堅硬—硬塑狀土，中等透水，具中等壓縮性，并以膨脹土為主。三都地區(qū)土層分布見圖2。

圖2 三都地區(qū)土層分布圖Fig.2 Distribution of soil in Sandu area

1. 4 水文地質條件

研究區(qū)內地下水為碳酸鹽巖裂隙溶洞水，富水中等—豐富，主要接受西部峰叢谷地、洼地巖溶水側向補給，同時接受大氣降水面狀滲入補給。通過對圖2切4條剖面(見圖3)，并結合鉆孔柱狀剖面圖(見圖4)分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)含水空間以溶洞、溶蝕裂隙為主，構成網狀的裂隙-溶洞含水體系，地下水以脈狀隙流為主，受構造控制局部管道狀集中徑流，徑流方向總體向東，柳江為附近地下水排泄基準面。但近年來三都鎮(zhèn)大力發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)，建有較大規(guī)模的自動灌溉系統(tǒng)，使地表水下滲亦成為區(qū)內地下水的重要補給來源。

圖3 三都地區(qū)三維地質剖面圖Fig.3 Three-dimensional geologic profile of Sandu area

圖4 研究區(qū)典型鉆孔柱狀剖面圖Fig.4 Profile for typical drilling histogram

研究區(qū)地下水水位埋深一般小于10 m，年水位變幅多小于5 m。巖溶泉年流量動態(tài)變化較大，三都下降泉(S077)年最大流量為115.38 L/s，最小流量為37.8 L/s，不穩(wěn)定系數為0.33，具有管道流特征。

1. 5 巖溶塌陷發(fā)育現(xiàn)狀

研究區(qū)內共存在16個塌陷坑(TX017～TX030、TX039、TX040)，包括大河塌陷群(TX020～TX030、TX040)、大河屯塌陷13(TX039)、屯村塌陷2(TX019)、屯村塌陷1(TX018)和屯村塌陷3(TX017)，見圖5。研究區(qū)這16個塌陷坑均位于農田或農田邊，其中7個位于公路附近，塌陷發(fā)生時間在1960—2010年。研究區(qū)塌陷坑形態(tài)呈錐狀、圓柱狀，坑深小于10 m，面積為0.07～113.04 m2，規(guī)模為小型—中型，部分坑底見基巖面和地下水，均屬淺覆蓋型巖溶塌陷。

圖5 三都地區(qū)巖溶塌陷分布圖Fig.5 Distribution of karst collapse in Sandu area

2 研究區(qū)典型巖溶塌陷的形成分析

研究區(qū)大河塌陷群(TX020～TX030、TX040)近年來持續(xù)發(fā)生巖溶塌陷，影響較大，故將其周邊影響區(qū)域劃定為典型巖溶塌陷區(qū)。

大河塌陷群區(qū)域地勢平坦開闊，相對高差小于10 m。據鉆孔資料顯示，巖溶塌陷上覆土層為第四系殘坡積硬塑狀黏土，厚度1.5～11 m不等，處于易塌范圍；下部基巖處于石炭系中統(tǒng)大埔組(C2d)白云巖和石炭系下統(tǒng)巴平組(C1-2d)灰?guī)r的接觸帶位置，巖溶發(fā)育，基巖面起伏較大，發(fā)育有若干近東西向溶溝溶槽，影響著巖溶塌陷的發(fā)育和分布。此外，該區(qū)域附近地下水較為豐富，地下水水位埋深多小于10 m，水位變幅一般小于5 m，且多在巖土界面附近處波動，利于地下水掏空土體形成土洞。

該區(qū)域塌陷坑主要分布于公路兩側的農田中，表明其與人類活動緊密相連。大河塌陷群附近為大片自動灌溉的香菜種植園，每年灌溉用水量需求大，監(jiān)測資料顯示其經常造成地下水水位短時間的強烈波動，這可能是誘發(fā)巖溶塌陷的重要原因。

由于大河塌陷群巖溶空腔之上的土層較薄，在自然因素和人為因素的長期作用下容易發(fā)生崩解剝落并形成土洞，土洞不斷向四周擴張，并最終在地下水流、氣流、重力等作用下發(fā)生巖溶塌陷。

3 研究區(qū)巖溶塌陷的影響因素分析

研究區(qū)巖溶塌陷形成發(fā)育的主要影響因素有基巖因素、覆蓋層因素、自然條件下地下水活動因素和人類工程活動因素等。

3. 1 基巖因素

受巖性及構造等條件的控制，研究區(qū)發(fā)育有巖溶泉、溢洪溶洞、消水洞、伏流等天然水點，物探及鉆孔驗證也探明研究區(qū)45 m以淺存在較多小規(guī)模溶洞。以三都—大河—屯村為界，其南東側巖溶強發(fā)育，北西部巖溶中等發(fā)育，特別是斷層附近、地質界線附近的灰?guī)r—白云巖接觸帶位置，溶蝕現(xiàn)象明顯，淺部溶孔、溶洞發(fā)育，巖溶管道相對發(fā)育，這為巖溶塌陷的產生提供了前提條件。

3. 2 覆蓋層因素

研究區(qū)覆蓋層為土層，成分主要為殘積黏土，具較高含水量、大孔隙性，大部分為硬塑狀，具中等壓縮性和膨脹性，故其抗?jié)撐g、抗塌陷能力較弱。除局部的孤峰和峰林地區(qū)外，研究區(qū)第四系厚度受底部基巖巖溶發(fā)育的影響，介于1.5～11 m不等，起伏較大，屬于易塌陷厚度范圍。在屯村—覺山一帶，土層蓋于溶溝、溶槽之上，巖土界面高低起伏，使?jié)撐g、沖蝕、掏空作用更易于集中在局部位置，促進了土洞—塌陷的形成。

3. 3 自然條件下地下水活動因素

研究區(qū)炎熱多雨，氣候干濕變化，地下水水位頻繁波動，利于潛蝕、滲蝕、真空吸蝕等作用的發(fā)生。在自然條件下，研究區(qū)內地下水水位一般隨季節(jié)在基巖面附近波動，這有利于地下水對土體產生持續(xù)掏空。

在童嶺和覺山之間的北東走向巖溶谷地，暴雨時常常受淹，最長可達半月之久，淹沒深度可達0.5～2 m；雨停后地下水水位下降，大量地表水滲入地下加劇了潛蝕作用，提高了巖溶塌陷發(fā)生的可能性。屯村—大河一帶地表水系雖然相對發(fā)育，但水量較小，多為小溪水溝，年水位變幅較小，一般在5 m以內，頻度較低，因而其對兩岸的地下水水位影響較小，促進巖溶塌陷產生的作用較弱。

3. 4 人類工程活動因素

研究區(qū)內人類工程活動頻繁，主要有地下水開采、公路建設、居民建筑、水渠開挖、土地整理等。近年來，由于三都鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴大，公路民建得到不斷發(fā)展，村鎮(zhèn)學校用水量也在逐年增多，而抽取地下水對巖溶塌陷的形成發(fā)育往往起到了重要作用。研究區(qū)內地下水開采點包括1處機井和1處民井，其中區(qū)內南西角的三都水廠機井(KCJ30)裝泵量達80 m3/h，日開采時間為11 h，年開采量為32.12萬m3，供水人口2 084戶，約8 000人。

另外，研究區(qū)巖溶谷地內現(xiàn)代農業(yè)自動灌溉加劇了局部地下水水位的改變。在研究區(qū)北東方向的巖溶塌陷典型區(qū)附近有一大片蔬菜基地，需要經常性灌溉，而據自動長期監(jiān)測資料顯示，這一地帶地下水水位變幅大且波動頻繁，在這一作用下，地下水水位急劇變化，使土洞拱頂土層更易解體并趨于失穩(wěn)，有利于巖溶塌陷的形成。

4 研究區(qū)巖溶塌陷的易發(fā)性綜合評價

本文選擇模糊綜合評價方法對三都地區(qū)巖溶塌陷的易發(fā)性進行評價，具體評價過程如下。

4. 1 隸屬度函數的確定

本文采用嶺形分布隸屬函數來確定各因素對各評價等級的隸屬度，具體原則如下：

(1) 當變量x位于兩評價等級界限值中間1/2步長范圍時，隸屬度為1；

(2) 當變量x逐漸離開此范圍時，該變量對某評價等級的隸屬度從1減小為0；

嚴重及長距離的周圍神經損傷或者缺損依舊是臨床治療的一個難題［1］。目前治療周圍神經缺損的金標準是自體神經移植，但因來源受限，造成拆東墻補西墻的困境使供區(qū)失神經支配而帶來諸多并發(fā)癥［2］。近年來，神經組織工程的研究為長距離神經缺損的治療提供了新的希望［3］。然而，如何為神經組織工程植入活性和功能良好的種子細胞成為目前研究的熱點。

(3) 當變量x取評價等級界限值時，隸屬度為0.5。

具體隸屬度(以三個評價等級為例)函數公式如下：

其中：

對于定性因素，隸屬度(以三個評價等級為例)函數公式如下：

4. 2 評價因子的選取與分級

由前述的影響因素分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)巖溶塌陷的發(fā)育形成與基巖因素、覆蓋層因素、自然條件下地下水活動因素以及人類工程活動因素密切相關,因此本文將此作為因素類，并選定巖溶發(fā)育程度、土層厚度、土洞密度、地下水水位年變幅、地下水滲流強度、抽水強度、地面附加荷載7項子因素作為評價因子。由于巖溶塌陷現(xiàn)狀是研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)程度的真實反映，是當前評價資料的有效補充，因此本文還將“塌陷坑密度”列入評價因子中。故本文選取的評價因子共計5類8項。

根據資料的詳實程度和評價需求，本文將研究區(qū)內的巖溶塌陷易發(fā)程度劃分為低、中、高3個等級，并根據《1∶50 000巖溶塌陷調查規(guī)范》和前人所做的統(tǒng)計[1]，在充分考慮單因子致塌效應后，對8項評價因子進行了相應分級，其分級結果見表1。各評價因子等級的劃分依據如下：

(1) 巖溶發(fā)育程度：根據前文對巖溶發(fā)育程度等級的描述進行等級劃分，使其與表1相對應。

(2) 土層厚度：根據前文土層厚度情況，并結合圖2進行等級劃分。但需要注意的是基巖裸露區(qū)不發(fā)生巖溶塌陷。

(3) 土洞密度：根據調查和探明到的土洞發(fā)育情況，柵格化后得到土洞發(fā)育密度，并以此為據劃分等級。

(4) 地下水水位年變幅：根據調查結果，結合前文地下水水位相應描述進行等級劃分。

(5) 地下水滲流強度：由于評價區(qū)面積較小(僅4 km2)，現(xiàn)有資料難以支撐內部細化，故參照區(qū)域水文地質條件進行整體劃分。根據前文水點的特征、徑流帶和補徑排條件，將評價區(qū)統(tǒng)一劃分為中等。

(6) 抽水強度：根據前文描述可知，評價區(qū)內集中開采區(qū)開采量大、抽水強度高，而分散開采區(qū)則相反，結合不開采區(qū)，將其3者與抽水強度的強、中等、弱相對應。

(7) 地面附加荷載：按照一般認識，將集中高大建筑群地帶劃為強，一般城鎮(zhèn)和大村居民區(qū)域劃為中等，其余地區(qū)劃為弱。

(8) 塌陷坑密度：根據前文巖溶塌陷發(fā)育現(xiàn)狀和圖5，對評價區(qū)進行相應的等級劃分。

表1 評價因子的分級Table 1 Classification for evaluation factors

4. 3 評價因子權重的確定

確定因子權重的方法有德爾菲法、層次分析法(AHP)、主成分分析法、因子分析法、熵值法等[8]。其中,AHP法由于能較好地將主觀評價和客觀計算結合在一起，妥善解決各因子之間相互關聯(lián)的問題，已得到了廣泛應用[9-10]。故本文利用AHP法確定各評價因子的權重，其主要步驟為：①運用1～9標度法確定各類評價因素類和子因素的判斷矩陣；②根據判斷矩陣的最大特征值計算對應的特征向量；③標準化處理后得到每個因素類和子因素的權重值，并通過一致性檢驗。

經過判斷和計算，研究區(qū)因素類權重從大到小依次為：人類工程活動、覆蓋層、巖溶塌陷現(xiàn)狀、自然條件下地下水活動和基巖，其中子因素權重較大的巖溶發(fā)育程度、塌陷坑密度、抽水強度、土洞密度，這與實際情況相符，具體詳見表2。

表2 評價因子的權重Table 2 Weight of evaluation factors

4. 4 模糊綜合評判及分區(qū)

為了使評價結果可視化并更具實用性，本文利用GIS平臺的空間疊加分析功能實現(xiàn)了模糊子集和權矩陣的合成，在完成模糊綜合評判的同時輸出了研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖。具體操作方法為：①對不同影響因子分圖層進行單因子評價；②根據各影響因子圖層，在GIS平臺上按照10 m×10 m的網格對矢量圖進行柵格化；③進行空間疊加分析，按照低、中、高3個等級輸出評價結果圖件，完成研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性綜合評價。

研究區(qū)單因子評價結果如下：

(1) 巖溶發(fā)育程度分區(qū)：以三都—大河—屯村為界，南東側劃分為高，北西部劃分為中[見圖6(a)]。

圖6 三都地區(qū)單因子評級分區(qū)圖Fig.6 Zoning plan for single factor rating in Sandu area

(2) 土層厚度分區(qū)：將第四系覆蓋區(qū)均劃分為高，圖2中顯示的6處基巖裸露區(qū)不發(fā)生巖溶塌陷，故將其剔除。

(3) 土洞密度分區(qū)：將屯村—覺山一帶以及三都社區(qū)—大河一帶劃分為高，其他區(qū)域劃分為中[見圖6(b)]。

(4) 地下水水位年變幅分區(qū)：將屯村—覺山一帶劃分為中，其他區(qū)域劃分為低[見圖6(c)]。

(5) 地下水滲流強度分區(qū)：將評價區(qū)統(tǒng)一劃分為中。

(6) 抽水強度分區(qū)：將三都水廠、屯村等區(qū)域劃分為高，其他區(qū)域劃分為中[見圖6(d)]。

(7) 地面附加荷載分區(qū)：將城鎮(zhèn)和大村的居民區(qū)域劃分為中，其他區(qū)域劃分為低[見圖6(e)]。

(8) 塌陷坑密度分區(qū)：將大河—龍繞一帶劃分為高，其他區(qū)域劃分為低[見圖6(f)]。

研究區(qū)巖溶塌陷的易發(fā)性綜合評價結果見圖7。

圖7 三都地區(qū)巖溶塌陷的易發(fā)性分區(qū)圖Fig.7 Zoning map for susceptibility evaluation in Sandu area

由圖7可見，研究區(qū)分為巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)(面積為1.18 km2)、中等易發(fā)區(qū)(面積為2.56 km2)和不易發(fā)區(qū)(面積為0.26 km2)。其中，巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)分為2個塊段，分別為屯邊—大河一帶和三都水廠周邊；巖溶塌陷不易發(fā)區(qū)分為5個塊段，均為基巖裸露區(qū)，這與研究區(qū)巖溶塌陷形成發(fā)育的實際情況基本一致。

5 結 論

本文從巖溶塌陷的影響因素分析出發(fā)，綜合考慮了自然因素和人為因素對三都地區(qū)巖溶塌陷形成發(fā)育產生的實際影響，并在此基礎上，選定了巖溶發(fā)育程度、土層厚度、土洞密度、地下水水位年變幅、地下水滲流強度、抽水強度、地面附加荷載、塌陷坑密度8項子因素作為評價因子，按照從定性到定量的思路建立了模糊綜合評判模型，利用AHP方法計算了各評價因子的權重，通過GIS平臺進行空間疊加分析，并輸出了評價結果圖件(即研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)性分區(qū)圖)。該評價結果客觀、合理，能夠與實際情況相互印證，具有較高的可信度。

參考文獻：

[1] 萬佳威,張勤軍,石樹靜.巖溶塌陷不確定性預測評價綜述[J].中國巖溶,2017,36(6):764-769.

[2] 雷明堂,項式均.近20年來中國巖溶塌陷研究回顧[J].中國地質災害與防治學報,1997,8(增刊):1-5.

[3] 項式均,廖如松,陳健.巖溶塌陷災害的預測和評價[J].地質災害與防治,1990,1(1):54-66.

[4] 陳學軍,陳植華,陳先華,等.桂林市西城區(qū)巖溶塌陷模糊層次綜合預測[J].桂林理工大學學報,2000,20(2):112-116.

[5] 陳新宇,盧新中,王琛.昆明市地質災害易損性模糊綜合評價[J].安全與環(huán)境工程,2012,19(2):54-57.

[6] 劉江龍,劉文劍,吳湘濱,等.基于GIS廣州市主城區(qū)地面塌陷危險性評價[J].工程地質學報,2007,15(5):630-634.

[7] 潘宗源,賈龍,劉寶臣.基于AHP和ArcGIS技術的巖溶塌陷風險評價——以遵義永樂鎮(zhèn)為例[J].桂林理工大學學報,2016,36(3):464-470.

[8] 郭亞軍.綜合評價理論、方法及應用[M].北京：科學出版社,2008.

[9] 鄧雪,李家銘,曾浩健,等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].數學的實踐與認識,2012,42(7):93-100.

[10]劉瑩昕,劉颯,王威堯.層次分析法的權重計算及其應用[J].沈陽大學學報(自然科學版),2014,26(5):372-375.