山東煙臺白洋河巖溶水系統巖溶塌陷發育規律及易發性評價

于林弘，殷燾，楊寧，韓明智，胡艷萍

(山東省第三地質礦產勘查院，山東 煙臺 264004)

0 引言

巖溶塌陷是指覆蓋在溶蝕洞穴之上的松散土體，在外動力或人為因素作用下產生的突發性地面變形破壞，并在地面形成塌陷坑的一種巖溶動力作用與現象[1]。巖溶塌陷成因復雜，影響因素眾多，且具有隱蔽性、突發性的特點[2-5]。自20世紀30年代起，國內外研究學者針對巖溶發育成因、規律、影響因素及巖溶塌陷的成因機理、分布規律、影響因素和防治治理措施等進行了系統的研究和總結，為巖溶塌陷治理和防治提供了理論支撐[6-20]。

山東煙臺白洋河巖溶水系統自2005年10月首次發生巖溶塌陷，2016—2017年為巖溶塌陷高發期，雖無人員傷亡，但對當地居民造成了財產損失和心理恐慌。張杰等[21]系統總結棲霞中橋地區巖溶塌陷時空分布規律及成因分析;楊寧等[22]對中橋地區巖溶發育特征及分布規律進行了總結，并建立了評價體系，對中橋地區巖溶發育規律進行了評價分區；孫佑光等[23]分析了中橋地區巖溶塌陷機理，并提出了防治措施。

研究區內對巖溶塌陷的研究較少，且僅對部分巖溶塌陷進行了分析研究，未對白洋河巖溶水系統進行巖溶發育特征、巖溶塌陷影響因素及成因機理分析。本次以白洋河巖溶水系統作為研究對象，采用定性與定量相結合原則，覆蓋型巖溶區采用定性方法，裸露型與埋藏型巖溶區采用定量方法進行評價，其中覆蓋型巖溶區選取巖溶發育程度、地下水動力條件、覆蓋層特征3個因素作為一級評價因子，建立研究區易發性評價體系，進行白洋河巖溶水系統巖溶塌陷易發性評價及區劃，為地質災害防治與治理提供地質依據。

1 研究區概況

白洋河巖溶水系統位于山東省煙臺市福山區西部、棲霞市廟后鎮。該系統北部以吳陽泉斷裂為邊界，西側以寨里斷裂為界，南部和東部以地表分水嶺及地層巖性為界，總面積229.06km2，白洋河自西向東貫穿全區。地形總體趨勢呈西北高、東南低，最高海拔為+202.9m，位于馬院山。地貌為剝蝕丘陵，坡度一般為9°～20°。

1.1 地質背景

白洋河巖溶水系統大地構造單元為華北板塊(Ⅰ)膠遼隆起區(Ⅱ)膠北隆起(Ⅲ)膠北斷隆(Ⅳ)臧格莊凹陷(Ⅴ)，出露有古元古代粉子山群和荊山群、新元古代蓬萊群、中生代白堊系、新生代第四系，第四系覆蓋層厚度一般小于30m，巖漿巖主要為中生代燕山晚期二長花崗巖、斜長角閃巖，斷裂構造走向主要為EW、NNE，其主要斷裂有吳陽泉斷裂、大谷家斷裂、燕地河西斷裂、東吳家斷裂。

1.2 水文地質條件

區內地下水含水巖組分為第四紀松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組以及碎屑巖類孔隙含水巖組。松散巖類孔隙含水巖組主要分布在水道觀—中橋鎮—大潘家村的河谷地帶，巖性主要為砂、礫石及碎石土，該含水巖組厚度一般為5～30m，地下水水位埋深一般為1.60～10.00m；富水性分布不均勻，單井涌水量一般小于500m3/d，在白洋河河谷沖洪積層富水性較好，含水層巖性以粗砂和礫石為主，單井涌水量為500～1000m3/d，局部地段可達1000m3/d以上。碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水巖組研究區內大面積分布，其巖性主要為蓬萊群香夼組二段中厚層灰巖、粉子山群巨屯組變粒巖夾硅化石墨大理巖、張格莊組白云石大理巖，巖溶發育深度一般80m以淺，最深可達180.0m，該含水巖組富水性好，單井涌水量一般大于500m3/d，在中橋村東部、東廳、門樓村地段，單井涌水量可達1000～3000m3/d，南橋村附近可達5000m3/d。碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組在研究區西部分布，其巖性主要為白堊紀青山群八畝地組的安山巖、安山質集塊角礫巖、凝灰巖等，以風化裂隙水為主，地下水位埋深較淺，一般為2.0～4.0m，整體富水性較差，單井涌水量一般小于100m3/d，局部構造發育地帶，可達1000m3/d，地下水水化學類型為HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca·Mg型水，礦化度一般小于0.5g/L?；鶐r裂隙水在研究區內零星分布，巖性主要為中生代燕山期侵入花崗巖和新太古代棲霞閃長質片麻巖及荊山群疙瘩狀石榴矽線二云片巖、石榴黑云片巖夾透鏡狀透輝大理巖、黑云變粒巖、長石石英巖等。該含水巖組以風化裂隙水為主，風化裂隙含水帶厚度一般為10.00～25.00m，地下水水位埋深隨地形起伏較大，一般為1.90～12.80m，富水性較差，單井涌水量一般小于100m3/d，在巖性接觸帶上，風化及構造裂隙發育，可形成局部富水地段，單井涌水量可達500m3/d，水化學類型主要為HCO3·Cl-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca型水，礦化度一般小于0.5g/L(圖1)。

松散巖類孔隙水:1—單井涌水量1000～3000m3/d；2—單井涌水量500～1000m3/d；3—單井涌水量<500m3/d;碎屑巖類孔隙裂隙水:4—單井涌水量100～1000m3/d；5—單井涌水量<100m3/d;碳酸鹽巖類裂隙巖溶水:6—單井涌水量>1000m3/d；7—單井涌水量<1000m3/d;基巖裂隙水:8—塊狀巖類裂隙水單井涌水量<100m3/d;9—層狀狀巖類裂隙水單井涌水量<100m3/d;10—地質界線；11—碳酸巖類富水性界線；12—松散巖類富水性界線圖1 煙臺白洋河水文地質略圖

2 巖溶塌陷發育規律

研究區自2005—2019年共發生17次巖溶塌陷，其中2次為重復塌陷，主要分布在泗水村、中橋村、呂家莊村、水道觀村、楊家夼村，平面形態多為似圓形、橢圓形，剖面形態為壇形[24](表1)。

2.1 巖溶塌陷時間分布規律

巖溶塌陷發生的季節性較為明顯，研究區60%以上的塌陷集中在7月份，6月份降雨較少，地下水位處于年中最低水位，為農業灌溉的集中開采期；而7月份強降雨后，地下水位急速上升，為巖溶塌陷多發期[20](圖2)。

圖2 研究區巖溶塌陷發生月份分布圖

2.2 巖溶塌陷空間分布規律

2.2.1 空間位置

巖溶塌陷多集中分布于地下水徑流帶或分水嶺、地質構造或地層分界以及河床、沖溝和兩岸階地附近(表1)，由表1可知，巖溶塌陷發生于地下水徑流帶或分水嶺位置占總數的82.35%；發生于地質構造或地層分界附近占總數的47.06%；發生于河床、沖溝沿線及其兩岸的階地占總數的35.29%。

表1 煙臺白洋河巖溶塌陷點基本情況一覽表

2.2.2 地層結構

巖溶塌陷多發生在第四系覆蓋層厚度較薄的地段，其中發生在第四系覆蓋層厚度<15m地段,占塌陷總數70.59%；發生在厚度15～25m地段，占塌陷總數的11.76%；發生在土層厚度>25m地段，占塌陷總數的17.65%。塌陷主要發生在第四系覆蓋層為單層結構、多層結構的地段，占塌陷總數的84.62%，第四系底部巖性以粉質黏土、碎石土為主，以砂為輔；其次發生在第四系底部為碎石土的雙層結構的地段，其中單層結構多位于河床內。

2.2.3 地下水位變幅

根據白洋河巖溶水系統長期觀測孔2000—2019年水位年變幅與塌陷次數關系圖(圖3)可知：巖溶塌陷多發生在水位年變幅2.47m以上，其中水位年變幅在2.47～3.64m，發生4次，占總巖溶塌陷次數的23.53%；水位變幅>4m時，發生13次，占總巖溶塌陷次數的76.47%，巖溶塌陷多發生在巖溶水位年變幅驟增或驟減時。

圖3 研究區水位變幅與塌陷次數關系圖

3 巖溶塌陷易發性評價

3.1 評價指標

3.1.1 評價指標選取的原則

巖溶塌陷易發性評價系統是一個多層次、多因素的復雜系統，影響和控制巖溶塌陷的因素很多，合理選擇對評價目的起主導作用，比較穩定，可量化表示的參評因子是評價工作的關鍵，本文主要針對白洋河巖溶水系統巖溶塌陷的特征，采取針對性、定性與定量相結合的原則，針對覆蓋型巖溶區采用定量方法進行分析，裸露型、埋藏型采用定性方法進行分析[24-34]。

3.1.2 評價指標的選取

根據研究區實際調查資料和地質災害因子分析結果，針對覆蓋型巖溶區選取巖溶發育程度(B1)、地下水動力條件(B2)、覆蓋層特征(B3)3個因素，作為巖溶塌陷易發性評價的一級判別因子，根據白洋河巖溶水系統的巖溶塌陷發育規律及影響因素，同時對一級因子進一步劃分二級指標。其中：B1—巖溶發育程度指數，包括2個二級因子，C1—地質構造，C2—基巖富水性；B2—地下水動力條件指數，包括2個二級因子，C3—水位變幅，C4—水位與基巖面關系；B3—覆蓋層特征指數，包括3個二級因子，C5—覆蓋層砂性土占比，C6—覆蓋層厚度指數，C7—覆蓋層底板特征，C8—覆蓋層結構指數。

3.2 評價模型

選用綜合指數模型中的加權平均法對各評價單元進行評價。評價公式(1)：

(1)

式中：Ri—第i單元的易發性綜合指數；j—評價因子；ai—第j評價因子在第i單元的賦值；bj—第j個評價因子的權重；m—評價單元數；n—評價因子數。

3.3 評價因子分級及權重確定

3.3.1 評價因子分級

根據研究區的巖溶塌陷地質環境特點，將評價因子分為3級，即強、中、弱(表2)。

表2 評價因子分級標準

3.3.2 評價因子量化分級

根據研究區巖溶塌陷發育、分布規律及相關規范，對評價因子量化分級見表3。

表3 評價因子量化分級表

3.3.3 權重確定

采用層次分析法(AHP)計算評價因子權重，一級因子、二級因子權重確定見表4。

表4 評價權重

3.4 評價結果

將研究區劃分為1km×1km的單元網格共計717個，每個單元格根據單項評價因子分別進行賦值(圖4)，運用MapGIS空間分析功能，得到各單元的地質環境質量評價結果；最后根據實際調查情況進行必要的修正，通過疊加計算其指標值為3.2～8.39。依據本次巖溶塌陷易發性劃分原則，按綜合指數指標進行分區合并，共分為巖溶塌陷易發性高、中、低3個等級。劃分原則為：綜合指數指標≥6為巖溶塌陷高易發區；4.5<綜合指數指標<6為巖溶塌陷中易發區；綜合指數指標≤4.5為巖溶塌陷低易發區(圖5)。

(a)—距地質構造位置分區;(b)—水位年變幅分區；(c)—水位與基巖面關系分區;(d)—覆蓋層百度分區;(e)—底部黏性土厚度分區;(f)砂性土占比分區;(g)—覆蓋層結構分區圖4 研究區各評價指標分區圖

(1)巖溶塌陷高易發區。主要位于中橋村—泗水村—水道觀村及東南地區，面積為4.92km2。該區域巖溶發育，松散覆蓋層厚度<30m，且主要為多層結構；該區位于礦山排水影響帶中，并有大量抽取巖溶水活動，巖溶地下水水位波動頻繁、變幅較大，地下水動力條件變化明顯；區內已經發生過多次巖溶塌陷。

(2)巖溶塌陷中易發區。主要位于臧家莊鎮前姜格莊，燕地村以南、北城子村—京甲村—后高格莊村一帶及廟后鎮楊家夼西南河道內，面積為7.43km2，占研究區總面積的5.75%，該區域巖溶發育為中等發育，松散覆蓋層厚度多<30m，局部地區>30m，為單層或多層結構；該區位于礦山排水影響帶及附近，抽取巖溶水活動較少，巖溶地下水位變幅相對較小，地下水動力條件變化較弱。

(3)巖溶塌陷低易發區。面積為268.38km2，巖溶中等發育—不發育；覆蓋層為非可溶巖或非可溶巖與第四系組合，巖溶地層埋藏深度較大；礦山排水和人為抽取巖溶水對本區部分地段造成了一定的影響，但上覆的非可溶巖地層結構相對致密，隔斷了第四系與下伏巖溶地層的聯系，巖土體整體相對穩定。該區域東側為裸露型巖溶區，巖溶發育為中等發育；無覆蓋層或覆蓋層較??；本區位于礦山排水和人為抽取巖溶水的影響帶之中，本區雖有巖溶溶隙、溶洞發育，但由于巖體結構致密，地下水活動對本區巖土體的穩定性影響較輕。

4 結論與建議

(1)結合白洋河巖溶水系統實際情況，總結巖溶塌陷發育規律，并建立巖溶塌陷易發性評價模型，得出中橋村—泗水村—水道觀村一帶為巖溶塌陷高易發區，為防災減災提供理論依據。

(2)巖溶塌陷高易發區主要發生在巖溶地下水水位波動頻繁、變幅較大的區域，該區域人類活動頻繁，周邊存在礦山企業、居民等大規模開采地下水，建議在巖溶塌陷高易發區建立地下水動態監測網，實時監測地下水動態變化，同時建立群測群防體系，發現異常及時上報主管部門。

(3)本次評價主要針對巖溶塌陷自身影響因素進行評價，未考慮人口密度、工程建設、自然災害等因素影響，在地質災害治理過程中，需增加易損性評價。