天津市區及近郊區地面沉降災害風險評估與區劃

摘要 風險評估與區劃是災害管理的重要內容。本文對 1985－2005年累計地面沉降量、加權算術平均速率和地下水開采強度三個因子進行分析和疊 加評價，完成了天津市區及近郊區地面沉降災害危險性分區圖；以人口密度、單位面積GDP 和建設用地比重作為指標進行了易損性分析；從每平方公里水準測量公里數、地下水壓采量 占開采量的百分比和城市化水平這三個方面考慮防災減災能力；在此基礎上，借助GIS空間 分析方法，將危險性分區圖、易損性分區圖和防災減災能力分區圖進行疊加分析，完成了天 津市區及近郊區地面沉降災害風險區劃圖，共分為低風險區、較低風險區、中等風險區、較 高風險區、高風險區五等。研究結果可為區域可持續發展和防災減災決策提供依據。

關鍵詞 地面沉降；風險指數；風險評估；風險區劃

中圖分類號 U456.33 文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104(2008)04-0028-07 

地面沉降是在自然和人為因素作用下，由于地殼表層土體壓縮而導致區域性地面標高降低的 一種緩變性地質災害，是一種不可補償的永久性環境和資源損失，是地質環境系統破壞所導 致的惡果［1］。國內外對地面沉降的研究主要集中在成因分析、監測方法、經濟損 失評估、時空分布、預測、危害及防治對策等領域［2～7］。有些學者對地面沉降危 險性分級標準進行了探討［8～9］；部分學者采用模糊數學層次分析法和相應的指標 體系對廣州市地面沉降危險性進行了評價［10］；Ki-Dong Kim等運用GIS技術［ 11］評估了廢棄地下煤礦的地面沉降危害性；魏風華［12］進行了河北省唐山市地 面沉降危險性區劃和地面沉降物質財富風險區劃研究。然而，地面沉降災害風險評估與區劃 尚無成熟先例。地面沉降災害風險是地面沉降對人類社會及其生存環境所造成危害或不利影 響的可能性及不確定性的描述。為了對地面沉降災害風險進行有效管理，減小損失發生的影 響，必須進行地面沉降災害風險評估與區劃。天津市是我國地面沉降比較嚴重的區域之一， 地面沉降給天津市造成了多方面的危害，如建筑物下沉變形、開裂乃至破壞；市政給排水管 線的破壞；海水倒灌造成的地下水質破壞；地面標高損失，風暴潮災害加劇；河流泄洪能力 的喪失；土壤的鹽漬化等。研究區人口密集、經濟發達，地面沉降嚴重，并具備比較完整的 監測數據。因此，選擇該區域進行地面沉降災害風險評估與區劃具有較大的理論與實踐 意義。

1 研究區概況

天津市位于九河下梢，渤海灣西岸。整個天津和鄰近地區處于華北斷塊盤地的東北部，從構 造分區上看西部為滄東隆起的一部分，東部則包括了黃驊凹陷的一大部分，由古近紀以前的 沉積巖層和古老的結晶基底，組成了本區的地質構造基礎，長期以來緩慢下降，沉積了巨厚 的松散沉積物。

研究區包括天津市和平、河東、河西、南開、河北和紅橋市內六區，以及東麗、西青、津南 和北辰外圍四區，總面積2 054.01km2(見圖1)。2005年底，總人口518.96萬人 ，地區生產總值760.30億元［13］。

隨著社會經濟的快速發展，由于過量開采地下流體資源，地面沉降已經成為研究區最為嚴重 的災害之一，該區域1985-2005年累計地面沉降量最大達2.93m；累計地面沉降量超過1 000mm 的面積達623.88km2，占總面積的

30.37%；1985-2005年平均地面沉降速率為29.99mm 天津市控制地面沉降工作辦公室.1986-2006天津市地面沉降年報。。

2 研究方法

2.1 自然災害風險指數法

自然災害系指自然變異超過一定的程度，對人類和社會經濟造成損失的事件。自然災害風險 指未來若干年內可能達到的災害程度及其發生的可能性。自然災害風險評估（Risk Assessm ent of Natural Disaster）是指通過風險分析的手段或觀察外表法，對尚未發生的自然災 害之致災因子強度、潛在受災程度，進行評定和估計，是風險分析技術在自然災害學中的應 用［14］。

胡蓓蓓等：天津市區及近郊區地面沉降災害風險評估與區劃中國人口#8226;資源與環境 2008年 第4期[HT] 一定區域自然災害風險是由自然災害危險性(hazard)、承災體的易損性(vulnerability)兩 個因素相互綜合作用而形成的［15］。近年來，一些學者認為防災減災能力(emergen cy response recovery capability)也是制約和影響自然災害風險的因素［16～17］ 。

自然災害危險性，是指造成災害的自然變異的程度，主要是由災變活動規模(強度)和活動頻 次(概率)決定的。一般災變強度越大，頻次越高，災害所造成的破壞損失越嚴重，災害的風 險也越大。承災體的易損性，是指在給定危險地區存在的所有任何財產由于潛在的危險因素 而造成的傷害或損失程度，其綜合反映了自然災害的損失程度。一般承災體易損性愈低，災 害損失愈小，災害風險也愈小。防災減災能力表示受災區在長期和短期內能夠從災害中恢復 的程度，包括應急管理能力、減災投入、資源準備等，一般分為工程性防災減災措施和非工 程性防災減災措施。防災減災能力越高，可能遭受潛在損失就越小，災害風險越小［18 ］。

基于以上認識，自然災害風險數學計算公式為：

式中：Dr-災害風險；H-危險性；V-易損性；R-防災減災能力。

2.2 GIS空間分析方法

主要運用ArcGIS空間分析中的內插分析、重分類和柵格運算等。內插分析（Interpolate to

Raster）對矢量點數據進行內插產生柵格數據，每個柵格的值根據其周圍（搜索范圍）的 點的值計算。ArcGIS柵格分析模塊中，通過柵格插值運算生成表面主要有三種實現方式：反 距離權重插值（IDW）、樣條函數插值（Spline）和克里克插值（Kriging）。重分類（Recl assify）即基于原有數值，對原有數值重新進行分類整理從而得到一組新值并輸出；重分類 一般包括新值替代、舊值合并、重新分類和空值設置四種基本類型。柵格運算（Raster Cal culator）指兩個以上層面的柵格數據系統以某種函數關系作為復合分析的依據進行逐網格 運算，從而得到新的柵格數據系統的過程。對多個柵格數據進行運算，常用于綜合評價 ［19］。國外學者利用GIS空間分析方法對地面沉降災害時空變化進行了科學預測［2 0］，Ki-Dong Kim等［11］利用該方法對廢棄地下煤礦的地面沉降危害進行了可靠 評估，本研究將借鑒他們的成功經驗首次對地面沉降災害風險進行評估與區劃。

2.3 加權綜合評價法(WCA)

加權綜合評價法綜合考慮了各個因子對總體對象的影響程度，是把各個具體的指標的優劣綜 合起來，用一個數量化指標加以集中，表示整個評價對象的優劣，因此，這種方法特別適合 于對技術、決策或方案，進行綜合分析評價和優選，是目前最為常用的計算方法之一［ 17，18］，計算公式為：

式中：Vj是評價因子的總值；Wi是指標i的權重；Dij是對于因子j的指標i的歸一 化值；n是評價指標個數。

3 地面沉降災害風險評價指標體系

3.1 地面沉降災害系統模式的構建

基于自然災害系統理論［21］，區域自然災害系統是由孕災環境、致災因 子和承災 體共同組成的地球表層異變系統，災情是這個系統中各子系統相互作用的結果（見圖2）。

地面沉降孕災環境主要受區域地貌類型、含水巖系、

水文地質構造條件和地下流體資源等共同影響，這些環境條件在一定程度上能加強或減弱地面沉降致災因子，直接影響災情。

地面沉降災害影響因素非常復雜，總體可以歸納為自然和人為兩大因素。自然因素中， 包括 構造活動引起的沉降、軟弱土層形成的沉降以及地震活動等引起的沉降；人為因素中，過量 開采地下流體資源以及大規模的工程建設等均可引起地面沉降。許多研究表明，天津地區地 面沉降最主要的致災因子是過量開采地下流體資源和現代構造沉降［2，22］。

地面沉降災害承災體主要包括地面沉降影響地區的建筑物、地面標高、市政給排水管線等生 命線工程和人口等，他們的數量和質量（脆弱性強度）是地面沉降成災的重要因素。

地面沉降災害災情是地面沉降致災因子、孕災環境和承災體相互綜合作用的產物，主要包括 建筑物下沉變形、市政給排水管線受損等生命線工程受損，以及由其間接導致的風暴潮災害 加劇、土壤鹽漬化、地下水質破壞和洪澇加劇等。

3.2 地面沉降災害風險評價指標體系的建立

從系統論觀點出發，根據自然災害風險指數法的理論，遵循科學性、綜合性、主導性、層次 性、動態性和可操作性原則，地面沉降災害風險指標體系包括危險性、易損性和防災減災能 力三個因素，在此基礎上根據地面沉降災害的特點確定因子層。

與地震等突發性災害不同，地面沉降是緩發性并逐年累積的，因此累計地面沉降量是反映地 面沉降危險性的主要指標。此外，有些學者還用地面沉降速率來劃分地面沉降危險性［ 9，12］。1986年以來，天津市通過控制淺層地下水開采量、調整開采層位和人工回灌等措 施，地面沉降趨勢得以緩解；因此，年代越近的地面沉降速率越能反映地面沉降發展趨勢 。為了反映地面沉降未來發展趨勢，我們對1985-1990年、1990-1995年、1995-2000年 和200 0-2005年的地面沉降速率進行加權求和計算出加權算術平均速率，采用特爾斐法確定其權重 依次為0.1、0.2、0.3和0.4。此外，由于地下水開采是研究區地面沉降最主要的致災因子， 雖然近年來研究區逐年壓減地下水開采量，但是由于生產生活需要，在一定時期內研究區仍 將開采地下水，因此，地下水開采強度也是研究區地面沉降危險性的一個重要指標。

一般認為社會經濟條件可以定性反映區域的災損敏度，即易損性的高低。社會經濟發達的地 區，人口、城鎮密集，產業活動頻繁，承災體的數量多、密度大、價值高，遭受災害時人員 傷亡和經濟損失就大。值得注意的是，社會經濟條件較好的地區，區域承災能力相對較強， 相對損失率較低，但區域絕對損失率和損失密度都不會因此而降低。同樣等級的災害，發生 在經濟發達、人口密布的地區可能造成的損失往往要比發生在經濟落后、人口稀少的地區大 得多。社會經濟易損性分析一般以一定行政單元為基礎，從而可直接利用各類統計報表與年 鑒［23］。由地面沉降災害系統模式可知，地面沉降災害主要承災體是建筑物、市政 給排水管線等生命線工程、地面標高等，地面沉降對這些承災體造成的破壞和損失，會直接 或間接影響到區域社會經濟發展和人民生產生活；因此，本文選取了人口密度、單位面積GD P及建設用地比重三個因子來反映地面沉降災害易損性。

天津市控沉工作主要圍繞監測和壓縮地下水開采量展開，因此，每平方公里水準測量公里數 和地下水壓采量占開采量的比重是影響防災減災能力的兩個主要因子；此外，隨著一個區域 城市化水平的提高，區域人口素質、文明程度、居民防災減災意識、區域科研水平、經濟發 展水平以及政府執政管理能力等都會相對提高，區域總體防災減災能力也將隨之提高，因此 ，在一定程度上城市化水平也能反映區域防災減災能力。

具體評價指標體系及其權重見表1，各因子的權重利用特爾斐法確定。

3.3 指標的量化

地面沉降災害風險評價的目標集分為5級，即低級、較低級、中等級、較高級和高級。評價 指標是數學模型中的變量，必須量化。因此，表1中的指標應進行無量綱處理和定量轉化。首先根據對地面沉降災害風險的貢獻率大小，在Spatial Analyst中選擇Reclassify進行重 新分類，將每個指標分為1、2、3、4和5五等，分別對應的風險等級為低級、較低級、中等級、較高級和高級（見表2）。如將累計地面沉降量分為＜300mm、300～600mm、600～900mm、900～1 200mm和＞1 200mm 5個 等級，當某個評價單元累計地面沉降量為＜300mm時，即重新分類 后 的取值為1，該指標對應的地面沉降風險性評價目標是低級；當某個評價單元累計地面沉降 量為＞1 200mm時，即重新分類后的取值為5，該指標對應的地面沉降風險性評價目標是高級 ；其他依此類推。

3.4 數據來源

天津市自1986年開始實施三年一期的控沉措施，并在國家原有高程控制網的基礎上逐年增設 水準測量點，現已形成覆蓋全市范圍的地面沉降水準測量網。截至2006年11月，全市范圍 內共有一等水準測量路線1 520.2km，二等水準測量路線4 855km，共有2 003個水準測 量點①。本文選 取19 85－2005年天津市水準測量點監測數據，計算得到每個監測點的累計地面沉降量和地面沉降 速 率，并利用ArcGIS9.1 中Spline插值法進行空間插值，柵格單元大小為200m×200m，地下水 開采強度由1985-2005年地下水開采量計算整理所得；按區統計的人口、經濟數據根據《天 津市統計年鑒》相關數據整理計算所得［13］；按區統計的建設用地面積來自《天津 市土地利用變更調查數據匯編》②；防災減災能力由截至2005年底水準測量數據和1985-2005年地下水 開采量計算整理所得。為保證良好的空間重合性，各評價因子數據圖均在濱海新區地形圖的 基礎上進行數字化，形成統一的坐標系和投影系統。由于GIS空間分析功能采用柵格數據結 構為基礎，實現各種代數和邏輯運算［24］，因此本文利用ArcGIS中F eatures to Raster功能將數字化后的矢量數據轉化為柵格數據。

4 天津市區及近郊區地面沉降災害風險評估與區 劃

對于地面沉降災害風險的評估應當遵循地面沉降災害的形成機制，結合GIS技術分別對 形成 地面沉降風險的3個因子——危險性、易損性和防災減災能力進行分析。首先利用ArcGIS的 空間分析方法對各個因素的因子進行疊加分析，得到地面沉降災害危險性、易損性和防災減 災能力分區圖（圖3～圖5）；在此基礎上，采用加權綜合評價法(WCA)，通過柵格運算得到 地面沉降災害風險區劃圖(見圖6)。

4.1 天津市區及近郊區地面沉降災害危險性、易損性和防災減災能力

綜合考慮了1985-2005年累計地面沉降量、地面沉降速率和地下水開采強度得到 天津市區及 近郊區地面沉降危險性分區圖（見圖3），由圖3可知：天津市區及近郊區地面沉降高危 險區和較高危險區主要位于津南區和西青區，低危險區和較低危險區主要位于市內六區和東 麗區， 1985年之前地面沉降嚴重的市內六區情況逐漸好轉，市區地面沉降漏斗逐漸消失，初步分析 其原因主要是1986年至今市區采取了大量壓縮地下水開采量等措施，多年來中心市區地下水 開采量維持在較低水平，地下水開采量已經低于可開采量；而津南區和西青區地面沉降危險 性大主要原因是地下水開采以及地熱大規模的開發利用。目前，津南區主要沉降漏斗分布 于咸水沽鎮、津南經濟開發區至葛沽鎮一帶，基本與圖中津南區高危險區分布一致；西青區 主要沉降漏斗分布于楊柳青鎮、辛口鎮、張家窩鎮、南河鎮和大寺鎮，基本與圖中西青區 高危險區分布一致。

綜合考慮人口密度、地均GDP和建設用地比重得到天津市區及近郊區地面沉降易損性分 布圖（見圖4），由圖4可知：總體來說，市區的易損性比近郊區大，因為市區承災體的數量 多 、密度大、價值高，一旦地面沉降達到一定程度導致建筑物倒坍、生命線中斷等災難時人員 傷亡和經濟損失就大。其中高易損區為市中心的和平區，低易損區為北辰區和西青區。和平 區是天津市經濟最發達、人口最密集、商業最繁榮的區，2005年和平區的人口密度達43 845 人/km2，單位面積生產總值59 379.69萬元/km2；而北辰區和西青區相對來說人口稀疏 、經濟落后 ，西青區是研究區人口最稀疏的區，人口密度為556人/km2，北辰區是研究區建設用地比 重最低的區，其比重為32.87%。

單位面積生產總值綜合考慮每平方公里水準測量公里數、地下水壓采量占開 采量的比重和城市化水平得到天

津市區及近郊區地面沉降防災減災能力分區圖（見圖5），由圖5可知：總體來說市區防災減災能 力強于近郊區，這與研究區實際控沉工作相符；此外，隨著城市化水平的提高，相對來說， 市區人口素質高、防災減災意識強、政府管理能力強，并且財政收入高，防災減災有充足的 資金保證。

4.2 天津市區及近郊區地面沉降災害風險區劃

根據自然災害風險數學計算公式和表1中的指標體系和權重，計算了天津市區及近郊區地面 沉降災害系統的風險度，應用GIS技術，編制了天津市區及近郊區地面沉降災害風險區劃圖 （見圖6），并對地面沉降災害風險進行了分析。綜合考慮各因子指數編制的地面沉降災害 風 險分布有以下特點：津南區咸水沽鎮、雙河鎮和葛沽鎮等地遭受地面沉降災害的風險最 大，應該加強防御；地面沉降災害風險次高值主要分布在津南區最高值的外圍及西青區的楊 柳青鎮、辛口鎮、張家窩鎮、南河鎮，這些區域地面沉降災害危險性大，防災減災能力較弱 ，因此地面沉降災害風險較大；東麗區東北部和北辰區東北部是研究區地面沉降災害風險度 最小的區域，這些區域地面沉降危險性較小，人口相對較少、經濟相對落后，因此風 險度最小。

5 結 論

綜合考慮危險性、易損性和防災減災能力，形成了一套基于GIS的從數據采集→空間屬性數 據庫建立→指標體系選擇→評價分析→地面沉降災害風險區劃的技術路線和方法體系；構建 了地面沉降災害系統模式；建立了地面沉降災害風險區劃的基本評價指標體系，并提出了其 數量化方法。以天津市區及近郊區為研究區，構建了與地面沉降災害相關的1:1 000 000比 例 尺空間圖形數據庫；以200m×200m的區劃單元對地面沉降風險進行了空間分析，最終編制了 研究區的地面沉降災害風險區劃圖。

地面沉降危險性評價表明，高危險區主要位于津南區和西青區；易損性評估表明，高易損區 主要位于和平區；防災減災能力評價表明，市區防災減災能力相對較強，而近郊區相對較弱 ；風險區劃表明高風險區主要位于津南區咸水沽鎮、雙河鎮和葛沽鎮等地。由研究結果可 以看出，目前津南區和西青區應該成為天津市區及近郊區地面沉降災害防御的重點。

本研究主要是用來為天津市區及近郊區政府機構制定資源分配、制定高級防御管理計劃決策 、提高公眾對地面沉降災害成因和控制方法的認識等提供幫助。但由于資料和水平有限，難 免有考慮不足之處。

(編輯：王興杰)

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