基于模糊綜合評判法的地質災害危險性評價

王磊

摘要：本文依托收集及現場調查所得的大量資料，分析得出地質災害危險性的評價指標，采用層次分析法確定各評價指標的權重，分定性和定量兩種情況求出評價指標相應于各危險等級的隸屬度，接著進行了綜合評價計算，最后按照最大隸屬度原則確定出了危險性等級，實現了用模糊綜合評判法對阿干礦區地質災害危險性的定量評價，取得了較為滿意的結果。

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.

關鍵詞：地面塌陷;泥石流;危險性;模糊綜合評判;層次分析

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

中圖分類號：P694? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0236-05

0? ?引言

阿干礦區位于甘肅省蘭州市七里河區阿干鎮（圖1），行政區劃屬蘭州市七里河區管轄，距蘭州市城區22km，有蘭阿公路和鐵路專用線相通，交通便捷。礦區地理坐標介于東經103°49′23″～103°51′41″，北緯35°52′05″～35°57′13″，礦區東西寬0.9～3.3km，南北長9km，面積20.8km2。

位于甘肅省蘭州市七里河區的阿干礦區是歷史采礦和計劃經濟時期建立的老礦業基地，其開采歷史悠久，可追溯至明代。2000年10月，因煤炭資源瀕臨枯竭，礦山地面塌陷造成采礦成本過大，煤礦虧損嚴重而宣告破產。

1? 研究區自然地質背景

礦區屬大陸性半干旱氣候，晝夜溫差大，年最低氣溫在1月中下旬，歷年來最低氣溫為-23℃，年最高氣溫在7月或8月，最高氣溫為37.6℃（1997年7月3日），年平均氣溫4.3℃;年降水量334～500mm，平均為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。蒸發量在1500mm以上，平均無霜期145天，最大凍土深度1.03m，最大風速21.4m/s，主導風向為北北東，次風向為南西。

礦區地質構造非常復雜，以南北向的褶皺及逆斷層為主，有少量東西向逆斷層。礦區處于蘭州盆地南部構造剝蝕低中山區，地勢總體南高北低，最高點為鐵冶溝溝腦雙咀山，海拔3121m，最低點為八里鎮雷壇河谷底，其海拔約1940m，最大相對高差近1180m。依地貌特征和成因類型，本區可分為山地地貌和河（溝）谷地貌兩大單元。礦區出露的地層由老到新為中元古界興隆山群（Pt2x）、奧陶系上中統霧宿山群（Ow）、侏羅系下統大西溝組（J1dx）、侏羅系中統窯街組（J2y）、侏羅系上統享堂組（J3x）、白堊系下統河口群（K1hk）和第四系，區內第四系分布廣泛，成因類型較多，有風積、沖積、洪積、殘坡積、重力侵蝕堆積等，第四系覆蓋層厚度約為40m。依據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015），本區地震動峰值加速度為0.20g，抗震設防烈度為8度。

2? 采礦地質條件

阿干礦區煤層賦存于呈復雜向斜構造的侏羅系地層中，由南至北，向斜軸面走向由南北向折而呈北北西向，且受周邊斷層控制，阿干井田平面形態基本呈北西—南東走向的不規則“8”字型。井田含煤地層主要為中生界侏羅系下統大西溝組及中統窯街組，總厚度397m。礦區有一層基本穩定的可開采煤層及其上部呈透鏡狀的不可開采煤層，已探明煤炭儲量1330萬噸，煤質屬低灰低硫高發熱量的不粘煤，屬良好的化工及動力用煤。

可采煤層在全礦區范圍內普遍存在，井田南部出現分岔現象。煤層結構簡單，局部地段含夾石一層，夾石厚度在1.0～3.5m之間，巖性多為灰黑色頁巖或灰色砂巖，分布無規律。煤層厚度變化大，最大厚度39.60m，最小為1.46m，平均厚度11.0m。煤層厚度由南而北波狀增厚的趨勢明顯，南部采區平均厚度為9.90m，向北厚度增至21m左右，向斜軸部厚度較大，向兩翼厚度變薄。煤層傾角在0°～90°之間變化，平均為50°，局部倒轉。井田周邊及內部受斷層切割，煤層波狀起伏頻繁，1700m水平以上東翼為52°左右，西翼為36°;1700～1350m水平東翼為54°，西翼為62°;1350m以下東翼為72°，西翼為70°。礦區不可開采煤層僅局部地段達到可采厚度，且多呈透鏡狀出現，層位不穩定，厚度變化極大。

阿干礦區煤層的頂板巖層主要是灰白色細礫巖及粗砂巖，大部分區段與煤層直接接觸。該巖層巖性顆粒分選性差，膠結一般，層理發育，力學強度低，厚度一般在5.0～8.0m，孔隙率為6.26%，吸水率為1.30%，抗壓強度3.31MPa，粘聚力14.2kPa，內摩擦角為14°。局部地段煤層之上為灰及灰白色粗砂巖、中砂巖，泥質膠結，松散，厚度不穩定，但成層性好，一般在3～5m之間。

區內煤層底板主要為砂質泥巖、炭質頁巖及粉砂巖，厚度不大，一般0.8～3.0m，吸水性強，遇水膨脹，易發生底鼓。粉砂巖孔隙率為5.17%，吸水率為2.32%，抗壓強度2.72MPa。

3? 地質災害

根據收集及現場調查所得的大量資料，阿干礦區內地質災害主要為地面塌陷和泥石流。

3.1 地面塌陷

根據現場調查訪問以及礦區采礦工作面間斷性監測資料，礦區地面塌陷始發于上世紀50年代中、后期，嚴重時期基本出現在1983年～1998年，長期的大規模開采，形成了面積達5.4km2的采空區，礦區地表形成呈北西～南東走向的長8.7km，寬0.2～1.8km，面積達9.06km2的似葫蘆形帶狀塌陷區，塌陷區內裂縫縱橫交錯，主體裂縫走向由南部的南北向至北部呈北西向，裂縫延伸長0.08～3.7km，寬達0.5～3.0m，其間距在20～380m之間，順裂縫走向坡體逐級形成錯落坎或帶狀塌陷槽、串珠狀塌陷坑，坎高一般在0.3～17m，陷槽沉幅0.7～20m，塌陷坑直徑達8～15m，深3～12m，大部分地段如小山頂、杏樹灣、鐵治村、大草洼、山寨村等地表整體沉陷幅度達4～15m。山寨溝北岸山體受南北向裂縫與順坡向裂縫穿插交錯而呈碎裂塊狀，巖體已發生錯落、位移。

3.2 泥石流

礦區泥石流溝為大西溝，該溝頻繁爆發泥石流，現從泥石流形成的三個基本條件來進行說明。

3.2.1 地形條件

大西溝流域面積13.63km2，流域平面形態似柳葉形，流域內溝壑密集，共發育大小沖溝26條，其中長度大于1km的溝谷11條，小于1km的15條，沖溝總長25.4km，平均溝壑密度1.86km/km2。受構造運動差異抬升作用，大西溝向北侵蝕，形成南岸寬北岸窄的不對稱流域形態，南岸沖溝發育，支溝流域面積較大，主溝長多大于1km，而北岸多發育山坡形沖溝，溝谷較短且密度較小。

大西溝主溝長7.3km，最大相對高差624m，主溝平均縱比降104‰，主溝上游山勢突起，坡陡谷深，坡面植被覆蓋良好，覆蓋率在30～50%;中游溝谷多呈“谷中谷”的復式形態：上部谷形呈開闊的“V”型，坡度在30°～50°之間，部分呈陡崖，相對高差在80～170m之間;下部受大西溝地表水流切蝕而呈窄深的“U”型谷，溝壁陡立，深18～24m，谷底寬7～16m之間，平均縱比降38.7‰，兩側溝臺地發育，臺面平坦而總體向溝谷方向緩傾，坡度3°～8°，寬30～140m。下游谷形開闊，兩側溝坡坡度多在30°以上，主溝南側一、二級溝臺地較北側發育，臺地上多被村民建房占據或耕地利用，受人為建房及開挖公路擠占、壓迫溝道，其主溝道寬在5.2～13.4m，深1.5～8.0m，平均縱比降15.8‰。大西溝主溝直接匯入雷壇河，溝口無扇形地分布。

3.2.2 松散固體物質條件

固體松散物質是泥石流的重要組成部分，其儲量大小及補給條件控制著泥石流的性質、規模。根據實際調查，大西溝及其支溝—馱水溝泥石流的固體松散物質主要來源于滑坡、坍滑塌、人工堆積體（堆渣）及坡面松散堆積物等。

大西溝流域（不含已治理的沙子溝）內共發育滑坡8處，分布于主溝兩側及兩側規模較大的支溝內，呈零散分布的特征，滑動面積76.2×104m2，擾動土石方量達842.8×104m3。其中巖質錯落體1處，即老爺山巖移體，黃土滑坡5處，堆積層滑坡2處，除巖質滑坡外，其余滑坡均以前緣坍塌及坡體物質被逐步沖蝕的形式不斷進入溝道補給泥石流。而老爺山巖移體位于溝口，巖體整體性較好且已穩定，其補給泥石流的物質僅為坡面松動的巖土體，并以面蝕的方式進入溝道。據調查測算，大西溝內滑坡可補給泥石流的松散物質儲量137.9×104m3。大西溝流域內滑坡除礦區2處滑坡受地表塌陷直接誘發而成，其它均與區內陡峻的地形，黃土特殊的巖性條件及地表水流沖蝕等作用密切相關。

流域內坍滑塌分布于主溝中上游及支溝內兩側溝岸，受地表水流切蝕，主溝及較大規模支溝兩側溝岸陡立，其物質松散，易形成坍塌、滑塌，擾動的土體直接堆積于溝道內，它是泥石流最直接、最易啟動的固體松散物質。區內坍滑塌單個規模、體積小，分布分散，沿溝岸呈線狀分布特征。經實際調查，流域內坍滑塌共32處，總體積近l1.6萬m3。

人工堆渣主要分布于大西溝流域下游礦區段，此外在其支溝—馱水溝溝腦有所分布。前己述及，上述渣體大部直接堆積于溝道內，易被地表匯流及溝谷洪水直接沖蝕而補給泥石流，其補給泥石流的物質量達9.78萬m3。

坡面松散物質指溝坡殘坡積層和陡坡段黃土體。區內殘坡積物質分布較廣，由于構造斷裂發育，巖體破碎，基巖風化強烈，碎石、巖屑在坡面形成堆積，厚度較大，質地松散，粘結力差，易被水流沖蝕、搬運。而黃土廣布于流域內，在暴雨條件下，陡坡段土體易被面狀沖蝕進入溝道，成為泥石流的主要物源之一。不僅如此，流域下游采礦工程活動引發的地表塌陷直接松動溝坡巖土體，加大了溝坡松散物質數量，使面狀沖蝕強度及水土流失面積不斷增加。根據水保資料和調查分析統計，流域內可轉化為泥石流的坡面松散物質總量為48萬m3。不僅如此，流域下游采礦工程活動引發的地表塌陷直接松動溝坡巖土體，加大了溝坡松散物質數量，使面狀沖蝕強度及水土流失面積不斷增加。根據水保資料和調查分析統計，流域內可轉化為泥石流的坡面松散物質總量為48萬m3。

經實際調查測算，大西溝流域可轉化為泥石流的固體松散物質數量達207.3×104m3，單位面積固體松散物質儲量16.6×104m3/km2。

3.2.3 降水條件

據統計資料顯示，大西溝流域年降水量328～596mm，平均為462mm，降水年內分配極不均勻，主要集中在7～9月，三個月降水占全年降水量的56%以上，且多以大、暴雨的形式出現，具有降水集中、雨強大的特點。本區日最大降水量96.8mm，1h最大降雨量47mm，短歷時高強度的降水為泥石流的形成提供了充足的水源條件。研究資料表明，泥石流的形成與前期降雨和短歷時降雨強度關系最為密切。根據前人對蘭州西固洪水溝泥流災害（1964.7.20，平均雨強37.5mm/h）和拱北溝泥石流災害（1978.8.27，平均雨強50.0mm/h）研究，蘭州地區形成泥石流所需的最小雨強約25mm/h，成災雨強40mm/h。而大西溝流域年大于30mm/h的降雨日數平均為1天，最多達5天，這也是該溝泥石流頻繁爆發的原因。

4? 模糊綜合評判

選定整個阿干礦區進行模糊綜合評判（兩級綜合評判）：

4.1 確定危險性等級

4.2 合理選擇因子集

根據地面塌陷和泥石流危險性的影響因素、收集及現場調查所得的大量資料并且在參考了大量論文后，建立了如圖2的地質災害危險性綜合評價指標體系[1][2][3][4]。

評價的因子集U={U1，U2}={地面塌陷，泥石流}，U1是第一層次中的第一個因素，它又由下一層次中的6個因素決定，即為U1={u11，u12，u13，u14，u15，u16}={第四系覆蓋層厚度，地質構造，地形地貌，煤層傾角，年降雨量，塌陷面積}。同理，U2={u21，u22，u23，u24，u25，u26}={人為活動，固體松散物質儲量，主溝縱比降，流域相對高差，地震烈度，年降水量}

4.3 確定權重

確定權重的方法有多種，本文采用層次分析法。運用層次分析法，得到打分表：

通過和積法[5]得到：

4.4 計算隸屬度，確定模糊矩陣R

各評價因子對各級地質災害的危險程度的隸屬函數公式[6]為：

式中，Y1，Y2，Y3，Y4分別為某評價因子對于V1，V2，V3，V4四個地質災害危險程度的隸屬度，s1，s2，s3，s4為評價指標對于危險性等級的分級閾值，x是實測值。

對于可定量表達的因素，根據各評價因子實測值和隸屬函數，并參照各評價因子對于危險性等級的分級閾值一覽表（表4），可求出其相應于各危險等級的隸屬度。

對于不可定量表達的因素，同樣參考表4并直接根據因素的實際特征狀態所屬的危險性等級而定[11]。即當因素的實際特征狀態屬于危險度高等級時，則認為該因素對于危險性高這個等級的隸屬度是1，該因素對于其它危險性等級的隸屬度均為0。

最終得出模糊矩陣R。

影響地面塌陷的定量因素的實測值分別為：第四系覆蓋層厚度約為40m，傾角平均為50°，年降雨量平均為417mm，塌陷面積為9.06km2。

影響泥石流的定量因素的實測值分別為：固體松散物質儲量為207.3萬m3，主溝縱比降為104‰，流域相對高差為624m，地震烈度為8度，年降水量平均為462mm。

分定性和定量兩種情況求出評價指標相應于各危險等級的隸屬度，最終可確定出模糊關系矩陣。

先作單因素模糊評判，即從決定地面塌陷的因素值u1i著眼，確定該因素在V上的評判結果r1ij（j=1，2，3，4），再用6個單因素的評判結果構成因素集U與評價集V之間的模糊關系，即6×4階單因素模糊評判矩陣R1。

同理，用決定泥石流的6個單因素的評判結果構成因素集U與評價集V之間的模糊關系，即6×4階單因素模糊評判矩陣R2。

4.5 綜合評價計算

按模糊數學中最大隸屬度原則[12]，取B中最大隸屬度所對應的評判等級為該單元的最終評判等級。即若bk=max{b1，b2，b3，b4}，則該單元的最終評判等級為k級。

所以本區地質災害危險性等級為Ⅲ級，危險性較高。5? 結論

甘肅省阿干礦區開發所引起的地質災害主要為地面塌陷和泥石流。利用兩級模糊綜合評判，對阿干礦區的地質災害危險性進行了評價，最終評判出礦區地質災害危險性為較高，該結論與實際情況基本相符，證明選取的方法是可靠有效的。

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