基于地下水模型的巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法在臨沂市城區(qū)的應(yīng)用

雷曉東,邵景力，李 娟，姚春梅,楊 軍

（1.北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，北京 102218；2.北京市華清地?zé)衢_(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，北京 102218；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京100083；4.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，濟(jì)南 250014；5.北達(dá)科他州立大學(xué)土木工程系，法戈，美國(guó) 58102）

基于地下水模型的巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法在臨沂市城區(qū)的應(yīng)用

雷曉東1,2,邵景力3，李 娟1，姚春梅4,楊 軍5

（1.北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，北京 102218；2.北京市華清地?zé)衢_(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，北京 102218；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京100083；4.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，濟(jì)南 250014；5.北達(dá)科他州立大學(xué)土木工程系，法戈，美國(guó) 58102）

巖溶塌陷是山東省臨沂市區(qū)最重要的地質(zhì)災(zāi)害類型，一旦發(fā)生，會(huì)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失，因此對(duì)巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)十分必要。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)包括現(xiàn)狀評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，主要分3個(gè)步驟來(lái)完成：危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、易損性評(píng)價(jià)和期望損失評(píng)價(jià)。利用地下水流模型確定調(diào)采方案下的相關(guān)評(píng)價(jià)因子，預(yù)測(cè)了巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)性。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)地下水調(diào)采后，原巖溶塌陷高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)范圍大為縮小。地下水流數(shù)值模型和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法結(jié)合，可以確定合理的巖溶水規(guī)劃開(kāi)采方案，對(duì)于指導(dǎo)和防治巖溶塌陷具有重要意義。

巖溶塌陷；風(fēng)險(xiǎn)；地下水；臨沂

0 緒言

巖溶塌陷是一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害。山東省臨沂市城區(qū)位于我國(guó)東部巖溶發(fā)育區(qū)，近年來(lái)，巖溶塌陷頻發(fā)，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了安全隱患。預(yù)測(cè)和控制巖溶塌陷發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)防治巖溶塌陷意義重大。

控制巖溶塌陷的因素主要有地質(zhì)條件和水動(dòng)力條件，其中人類活動(dòng)影響地下水動(dòng)力條件的改變是重要的可控因素之一。通過(guò)地下水流模型模擬地下水動(dòng)力條件的變化，優(yōu)選地下水規(guī)劃開(kāi)采方案，可達(dá)到抑制巖溶塌陷發(fā)生和發(fā)展的目的[1,2,3]。

為給巖溶區(qū)的地下水資源規(guī)劃管理提供決策依據(jù)，科學(xué)防治巖溶塌陷，應(yīng)開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，采取有效措施規(guī)避塌陷風(fēng)險(xiǎn)。巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)作為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一種，目前比較完整的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程包括塌陷的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、易損性評(píng)價(jià)和期望損失評(píng)價(jià)。由于易損性和期望損失不易定量化，早期的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)僅包括危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)一部分。雷明堂（1993）首次提出了基于GIS技術(shù)的巖溶塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法[4]，先后完成了唐山市、湘潭市等城市的巖溶塌陷評(píng)價(jià)工作[5～6]。繆鐘靈（1995）認(rèn)為塌陷是在多種因素控制下的一種概率事件，引入塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法，建立了塌陷災(zāi)害經(jīng)濟(jì)評(píng)估方案[7]。雷明堂（2002）建立了基于GIS的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[8]。I? k Yilmaz（2007）綜合利用多元數(shù)據(jù)對(duì)巖溶塌陷的敏感性進(jìn)行了分區(qū)評(píng)價(jià)[9]。在評(píng)價(jià)方法上，主要有綜合指數(shù)法[10]、層次評(píng)判法[11]、模糊綜合評(píng)判[12]、灰色系統(tǒng)理論[13]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]等。目前將巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與地下水模型結(jié)合起來(lái)的研究還很少。

2004—2005年，山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站在研究區(qū)內(nèi)開(kāi)展了1：5萬(wàn)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作，查明了研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷發(fā)育現(xiàn)狀，分析了形成機(jī)理和發(fā)展趨勢(shì)，并提出了切實(shí)可行的防治對(duì)策，初步建立了臨沂市區(qū)巖溶塌陷監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。邵景力（2009）等首次將地下水流數(shù)值模型與巖溶塌陷危險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型耦合起來(lái)，利用地下水流模型獲取相關(guān)評(píng)價(jià)因子，在研究區(qū)進(jìn)行了巖溶塌陷的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[15]。雷曉東（2010）等基于研究區(qū)已建的地下水流模型，確定了巖溶塌陷的主控因子為地下水水位，提出了控制巖溶塌陷的方法，確定了地下水的合理開(kāi)采方案[16]。

本文在已有地下水模型和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行巖溶塌陷的易損性評(píng)價(jià)和期望損失評(píng)價(jià)，綜合得到巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)結(jié)果，并通過(guò)地下水模型模擬預(yù)測(cè)地下水水位等相關(guān)因子的變化，進(jìn)行給定地下水開(kāi)采方案下的巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，說(shuō)明地下水模型與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相結(jié)合進(jìn)行巖溶塌陷防治決策的過(guò)程，供國(guó)內(nèi)外同行借鑒。

1 研究區(qū)概況

臨沂市城區(qū)地處臨沂單斜水文地質(zhì)單元前緣，祊河、沂河沖積平原內(nèi)，地形較為平坦，坡降較小，為巖溶裂隙水的富水地帶，地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要有大氣降水、河水滲漏和灌溉水入滲，排泄途徑主要有人工開(kāi)采、泉水等，其運(yùn)動(dòng)方向受地形、巖層傾向及斷裂構(gòu)造的制約，總體由西北向東南。單元內(nèi)分布有寒武系、奧陶系、石炭系及第四系不同類型的含水巖組，其中奧陶系灰?guī)r分布廣、厚度大，巖溶發(fā)育，富水性良好，是主要含水巖層。城區(qū)第四系厚度較薄，約為6～12m。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)概略圖

該單元西部邊界包括北部的巖坡斷裂北段及巨龍山—臥牛山地下水分水嶺一線，為隔水邊界；北部及東部邊界由探沂—臨沂斷裂構(gòu)造組合帶構(gòu)成，也是隔水邊界；在單元南部一帶分布中奧陶統(tǒng)灰?guī)r，地下水由北向南運(yùn)動(dòng)流出本區(qū)。因此，臨沂水文地質(zhì)單元為一東、北、西三邊隔水、南部透水的半開(kāi)放型巖溶水系統(tǒng)（圖1）[17～18]。

長(zhǎng)期以來(lái)巖溶地下水為研究區(qū)內(nèi)主要的生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的供水水源。1996年前主要供水水源為自來(lái)水公司一水廠，另外城區(qū)及其附近地段有自備井近400眼。1996年后，由地下水與地表水聯(lián)合供水。臨沂市城區(qū)部分工業(yè)及生活用水靠引用岸堤水庫(kù)水，其供水量約為3650×104m3/a，城區(qū)平均開(kāi)采巖溶水量約近4000×104m3/a。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，長(zhǎng)期開(kāi)采巖溶地下水已導(dǎo)致臨沂城區(qū)發(fā)生19 次巖溶塌陷，形成陷坑30多個(gè)，其中2003 年發(fā)生巖溶塌陷4次，巖溶塌陷造成地面建筑物開(kāi)裂，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成很大威脅。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)概念

風(fēng)險(xiǎn)是未來(lái)?yè)p失的可能性或不確定性。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（Risk Asseessment）就是對(duì)承災(zāi)體受到損失的可能性及可能的程度做出評(píng)價(jià)的系統(tǒng)過(guò)程。巖溶塌陷是“巖溶-蓋層-水”構(gòu)成的系統(tǒng)在各種因素影響下表現(xiàn)出來(lái)的系統(tǒng)失穩(wěn)過(guò)程在地表的宏觀表現(xiàn)[19]，它的發(fā)生有很大的隨機(jī)性，且發(fā)生后對(duì)自然環(huán)境和人類生活所造成的損失具有很大的不確定性。評(píng)價(jià)巖溶塌陷發(fā)生的可能性以及由此可能造成的損失，可以使防治決策過(guò)程更具有針對(duì)性和科學(xué)性。巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要包括3方面的內(nèi)容：危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、易損性評(píng)價(jià)和期望損失評(píng)價(jià)。

3 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)通過(guò)分析與巖溶塌陷密切相關(guān)的因素確定巖溶塌陷危險(xiǎn)區(qū)的范圍。本文采用基于AHP（層次分析）技術(shù)的模糊識(shí)別理論[20]評(píng)價(jià)巖溶塌陷的危險(xiǎn)性。主要步驟包括評(píng)價(jià)因子及其權(quán)重的確定、評(píng)價(jià)等級(jí)劃分及評(píng)價(jià)單元隸屬值的確定、綜合評(píng)價(jià)。

（1）巖溶塌陷影響因素分析

總結(jié)研究區(qū)歷年巖溶塌陷的發(fā)生規(guī)律及形成原因，認(rèn)為巖溶塌陷的影響因素包括地質(zhì)條件和水動(dòng)力條件兩大方面。其中地質(zhì)條件主要是指巖溶發(fā)育程度和上覆土層性質(zhì)、厚度，是巖溶塌陷的內(nèi)因。裂隙巖溶越發(fā)育，越易誘發(fā)巖溶塌陷。可溶巖上覆土層性質(zhì)和厚度是巖溶塌陷形成的重要條件。一般情況下，覆蓋層厚度小于30m，易發(fā)生巖溶塌陷。臨沂市城區(qū)巖溶塌陷區(qū)覆蓋層較薄（＜16m），在第四系與灰?guī)r接觸帶附近巖溶極發(fā)育，而且覆蓋層中砂層結(jié)構(gòu)松散，巖性以中粗砂為主，粉砂次之，易被水流帶走，產(chǎn)生潛蝕作用生成土洞，土洞不斷擴(kuò)展導(dǎo)致塌陷。地下水是巖溶塌陷物質(zhì)遷移及能量轉(zhuǎn)換的載體，它是產(chǎn)生潛蝕、真空吸蝕、失托加荷效應(yīng)的動(dòng)力條件，尤其是與人為開(kāi)采密切相關(guān)，因此地下水動(dòng)力條件是巖溶塌陷的誘因和動(dòng)因，主要表現(xiàn)在地下水徑流速度和水位變幅。通過(guò)分析歷次巖溶塌陷與地下水水位時(shí)空變化過(guò)程的關(guān)系，得出規(guī)律：①地下水水位變幅越大，升降速度越快，塌陷頻率越高。②巖溶塌陷數(shù)量一般隨水位降深增大而增多。③地下水水位在降低到基巖頂板之下后尤其容易引發(fā)塌陷。因此巖溶塌陷易在枯水期末豐水期初發(fā)生，例如苗莊小區(qū)、蘭山小區(qū)、杜家三崗、全莊紅埠寺塌陷點(diǎn)（圖1），且這些塌陷點(diǎn)均在地下水降落漏斗范圍內(nèi)。距離抽水井越近，抽水井開(kāi)采量越大，造成塌陷的可能性也越大。

（2）評(píng)價(jià)因子及其權(quán)重的確定

前已述及，巖溶塌陷的控制性因素包括兩個(gè)方面，地質(zhì)條件和地下水動(dòng)力條件。其中地質(zhì)條件包括巖溶發(fā)育程度和上覆蓋層土體性質(zhì)和厚度；地下水條件主要是地下水水位及其變幅、地下水開(kāi)采強(qiáng)度等。本區(qū)巖溶塌陷發(fā)育程度可以由單井涌水量、斷裂發(fā)育情況確定，單井涌水量越大，距離斷裂越近，巖溶發(fā)育程度越高。由于研究區(qū)第四系土層性質(zhì)、結(jié)構(gòu)差異不大，故只考慮土層厚度對(duì)巖溶塌陷的影響。地下水條件方面，水位降深越大、變幅越頻繁、距離水位降落漏斗中心越近，越容易發(fā)生巖溶塌陷。在此基礎(chǔ)上，考慮人類活動(dòng)的影響，主要是地下水的開(kāi)采，開(kāi)采強(qiáng)度越大，距離開(kāi)采井越近，巖溶塌陷發(fā)生的可能性越大。同時(shí)，由于巖溶塌陷具有重復(fù)性的特點(diǎn)，已發(fā)生過(guò)塌陷的地區(qū)很有可能繼續(xù)發(fā)生塌陷，故在評(píng)價(jià)時(shí)考慮已發(fā)生巖溶塌陷點(diǎn)的分布。

通過(guò)以上分析，最終確定研究區(qū)巖溶塌陷主要與巖溶條件、地下水條件（水位與界面距離、水位變幅、與降落漏斗中心距離）、蓋層條件、環(huán)境條件（抽水強(qiáng)度和與抽水井距離）和歷史條件有關(guān)。因此，本次評(píng)價(jià)將以上述5個(gè)條件共8個(gè)因子作為其塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子，從而構(gòu)造出研究區(qū)巖溶塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型。并利用A.L.Satty提出的“1—9標(biāo)度”法[21]，得到各評(píng)價(jià)因子的計(jì)算權(quán)重值。評(píng)價(jià)因子層最終權(quán)重為：

（3）評(píng)價(jià)等級(jí)劃分及評(píng)價(jià)單元隸屬值的確定

根據(jù)巖溶地層穩(wěn)定性程度的不同，將層次結(jié)構(gòu)模型中的評(píng)價(jià)目標(biāo)A劃為5級(jí)：

A={穩(wěn)定區(qū)(1)，基本穩(wěn)定區(qū)(2)，次不穩(wěn)定區(qū)(3)，不穩(wěn)定區(qū)(4)，極不穩(wěn)定區(qū)(5)}

本評(píng)價(jià)采用與地下水模型尺度相同的正方形網(wǎng)格（即300m×300m）作為評(píng)價(jià)單元，評(píng)價(jià)區(qū)共有1792個(gè)單元，取單元網(wǎng)格中心各評(píng)價(jià)因子分級(jí)屬性值（表1）作為整個(gè)單元的分級(jí)隸屬值。根據(jù)各單元評(píng)判的結(jié)果，按最大隸屬度原則，確定其所處單元的級(jí)別，然后再根據(jù)各單元的級(jí)別進(jìn)行研究區(qū)整體危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)[21]。

表1 評(píng)價(jià)目標(biāo)分區(qū)界線

（4）綜合評(píng)價(jià)

危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖2。其中5級(jí)區(qū)代表巖溶塌陷發(fā)生的危險(xiǎn)性最大，1級(jí)區(qū)代表危險(xiǎn)性最小。由圖可見(jiàn)，臨沂市城區(qū)巖溶塌陷危險(xiǎn)性較大的地區(qū)（5級(jí)區(qū)）在研究區(qū)西南部齊家莊地下水降落漏斗區(qū)域以及東北部原巖溶塌陷點(diǎn)附近，總面積28.84km2。

圖2 危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評(píng)價(jià)分級(jí)圖

4 易損性評(píng)價(jià)

危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和易損性評(píng)價(jià)是巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，通過(guò)易損性評(píng)價(jià)可以確定可能遭受巖溶塌陷災(zāi)害的人口、工程、財(cái)產(chǎn)以及資源、環(huán)境的空間分布與破壞損失率；期望損失評(píng)價(jià)是巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的核心，目的是預(yù)測(cè)塌陷可能造成的人口傷亡、經(jīng)濟(jì)損失以及資源、環(huán)境的破壞損失程度，綜合反映巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)水平。

具體的評(píng)價(jià)過(guò)程是，根據(jù)研究區(qū)1:50000實(shí)際材料圖、街道分布圖、鐵路、公路分布圖以及水域分布圖等，生成研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與基礎(chǔ)條件分區(qū)圖（圖3），鐵路周圍設(shè)緩沖區(qū)10m，高速國(guó)道設(shè)緩沖區(qū)20m，主要街道設(shè)緩沖區(qū)15m，水系設(shè)緩沖區(qū)5m。 然后，評(píng)價(jià)這些要素的易損性和期望損失[22]。其中易損性評(píng)價(jià)，又可以分為社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)易損性評(píng)價(jià)。

4.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性評(píng)價(jià)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性評(píng)價(jià)（V-social）評(píng)估巖溶塌陷可能給社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)?yè)p失的幾率，主要從人口的密集情況、經(jīng)濟(jì)水平、克服災(zāi)害的能力以及對(duì)整個(gè)社會(huì)的重要程度等方面考慮，賦值范圍在0～1之間，值越大，表示易損性越大（表2）。

（1）人口密度及社會(huì)功能方面的考慮

考慮人口的易損性，農(nóng)村人口相對(duì)較少，易損性低；城區(qū)人口密集，易損性高。另外考慮社會(huì)功能、經(jīng)濟(jì)的易損性，將研究區(qū)現(xiàn)有土地利用類型分為城區(qū)居民地、農(nóng)業(yè)農(nóng)村用地、政府所在地、工業(yè)用地、鐵路、公路等道路用地。其中政府所在地、高速公路等的易損性值就比較高，為0.8～1；社會(huì)重要性較高的場(chǎng)所，如工業(yè)用地，易損性值也比較高，為0.6～0.7；非建筑物分布區(qū)，如水域、耕地以及農(nóng)業(yè)農(nóng)村用地等，易損性指標(biāo)較低，為0.1～0.4。

表2 易損性及期望損失取值表

圖3 研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與基礎(chǔ)條件分區(qū)圖

（2）生命線的考慮

主要考慮交通線的易損性。各大交通樞紐（比如鐵路公路交匯處）、高速公路等是臨沂市與外界聯(lián)系的重要途徑，如果發(fā)生破壞，將給社會(huì)帶來(lái)重要影響，因此，周圍設(shè)緩沖區(qū)20m，在該影響范圍內(nèi)，易損性值取0.9。研究區(qū)公路分高速公路、國(guó)道、一般公路和主要街道，其中高速公路、國(guó)道和主要街道因社會(huì)影響較大，易損性值0.8；一般公路0.6。

4.2 結(jié)構(gòu)易損性評(píng)價(jià)

結(jié)構(gòu)易損性評(píng)價(jià)（V-stru）目的是從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的角度，評(píng)估不同土地利用要素的抗塌陷能力，以塌陷時(shí)發(fā)生破壞的可能性表示，取值在0～1之間（表2）。

（1）社會(huì)功能方面的考慮

盡管非建筑物分布區(qū)，如水域、耕地等，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活的影響不大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性指標(biāo)較低，但塌陷時(shí)發(fā)生破壞的可能性卻很高。為此，結(jié)構(gòu)易損性指標(biāo)為1；城市居民地的抗塌陷能力也較弱，易損性指標(biāo)為0.9；而工業(yè)用地和政府所在地等，由于具有較好的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，抗塌陷能力也較強(qiáng)，易損性指標(biāo)為0.2～0.3。

（2）生命線的考慮

在緩沖區(qū)范圍內(nèi)，交通生命線抗塌陷能力均較差，所以，易損性指標(biāo)取0.3～0.6之間。

5 期望損失評(píng)價(jià)

期望損失評(píng)價(jià)是指計(jì)算評(píng)價(jià)巖溶塌陷的期望損失，本文從國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)損失的角度，參考國(guó)內(nèi)其它地區(qū)塌陷損失情況[8]，評(píng)估塌陷發(fā)生時(shí)帶來(lái)的損失，表示為V-eco以萬(wàn)元為單位（表2）。最后由易損性值與經(jīng)濟(jì)損失值得到期望損失值（V-loss），并對(duì)其進(jìn)行分級(jí)。

（1）社會(huì)功能方面的考慮

可能造成較大經(jīng)濟(jì)損失的是行政辦公用地、工業(yè)用地、交通樞紐和居住用地等，參考國(guó)內(nèi)其它地區(qū)取值，本區(qū)易損性指標(biāo)定為100～1000萬(wàn)元；而耕地、綠地等損失最小，為5萬(wàn)元；其它類型用地均在10～50萬(wàn)元之間。

（2）生命線的考慮

鐵路因其重要地位，易損性值為200萬(wàn)元；高速公路70萬(wàn)元，國(guó)道50萬(wàn)元，一般公路35萬(wàn)元，主要街道為10萬(wàn)元，其它交通為50～250萬(wàn)元。

對(duì)易損性評(píng)價(jià)結(jié)果和經(jīng)濟(jì)損失評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合處理，可得期望損失評(píng)價(jià)結(jié)果（V-loss）：由（1）即可求出發(fā)生塌陷時(shí)，各土地利用單元的最終損失值，然后按照損失大小對(duì)其分級(jí)，共分為5級(jí)，5級(jí)損失最高，1級(jí)最小，得出期望損失分級(jí)圖（圖4，圖中1到5分別對(duì)應(yīng)表2的分級(jí)區(qū)）。

6 風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

（1）現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)（R）是潛在塌陷危險(xiǎn)性（Q）和期望損失（V）的函數(shù)[11]，即：

在本次評(píng)價(jià)中，選用以下模型進(jìn)行：

實(shí)際操作中，將巖溶塌陷危險(xiǎn)性分區(qū)圖和期望損失分級(jí)圖的屬性按對(duì)應(yīng)單元相乘，生成一個(gè)初步的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別（表3），再對(duì)這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別重分類，確定巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為五級(jí)，其中最高風(fēng)險(xiǎn)為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，最低風(fēng)險(xiǎn)為五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。由圖5可知，研究區(qū)內(nèi)各級(jí)別風(fēng)險(xiǎn)區(qū)均有分布，其中一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，面積約12.7km2，位于臨沂市中心城區(qū)和羅莊區(qū)西北部地帶，以及部分交通要道沿線，這些區(qū)域巖溶塌陷的危險(xiǎn)性較高，又屬于城區(qū)居民區(qū)，人口密集，一旦塌陷社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)損失很大。

圖4 期望損失分級(jí)圖

圖5 風(fēng)險(xiǎn)性現(xiàn)狀評(píng)價(jià)結(jié)果

塌陷危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果分別見(jiàn)圖6和圖7。由圖7可知，原齊家莊降落漏斗附近及羅莊城區(qū)由原來(lái)的一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)降為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，最低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)）的范圍有所擴(kuò)大，西北部大部分地區(qū)已降為四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別大大降低。一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)范圍為原巖溶塌陷點(diǎn)附近區(qū)域和市區(qū)部分地區(qū)，面積約2.8km2。對(duì)比圖6和圖7可知，經(jīng)過(guò)地下水調(diào)采后，原巖溶塌陷高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)范圍大為縮小，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)范圍大為增加，但原巖溶塌陷點(diǎn)附近區(qū)域和市區(qū)部分地區(qū)無(wú)論現(xiàn)狀還是預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)始終處于一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)。

表3 R值重分類及風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別確定

（2）風(fēng)險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

在預(yù)測(cè)條件下，設(shè)定的地下水規(guī)劃調(diào)整開(kāi)采方案為城區(qū)巖溶水開(kāi)采量減少11.65×104m3/d，將此開(kāi)采條件通過(guò)地下水流模型模擬計(jì)算出相關(guān)因子[16]，即可進(jìn)行巖溶

7 結(jié)論

本文采用基于層次分析的模糊綜合評(píng)判法，對(duì)臨沂市巖溶塌陷現(xiàn)狀進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。地下水水位降落漏斗范圍內(nèi)及原有塌陷區(qū)附近，巖溶塌陷危險(xiǎn)性級(jí)別較高。在危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上進(jìn)行了易損性評(píng)價(jià)和期望損失評(píng)價(jià)，綜合得出了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分級(jí)圖。城區(qū)及原巖溶塌陷區(qū)附近，風(fēng)險(xiǎn)性級(jí)別較高。利用地下水流模型預(yù)測(cè)得出的相關(guān)因子，評(píng)價(jià)了給定地下水調(diào)采方案下，巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)性。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)地下水調(diào)采后，原巖溶塌陷高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)范圍大為縮小。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可以明確風(fēng)險(xiǎn)的影響因素，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的范圍和風(fēng)險(xiǎn)值的大小，結(jié)合地下水流數(shù)值模擬技術(shù)，可以確定合理的巖溶水規(guī)劃開(kāi)采方案。這對(duì)于指導(dǎo)和防治巖溶塌陷，減少由此可能帶來(lái)的潛在損失有很重要的意義。

圖6 巖溶塌陷危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

圖7 巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

[1] O Kaufmann, Y Quinif. Geohazard map of covercollapse sinkholes in the ‘Tournaisis’ area, southern Belgium[J], Engineering Eeology, 2002, 65:117～124.

[2] H Wang, Y Li, E Wang, et al. Strategic ground water management for the reduction of karst land collapse hazard in Tangshan, China[J]. Engineering Geology, 1997, 48:135～148.

[3] Y Feng, W Q Luo. The effect of groundwater on karst collapse in Wuhan City, China[A]. In: 12th International Symposium on Water-Rock Interaction (WRI-12), Kunming: PEOPLES R CHINA, 2007:1377～1380.

[4]雷明堂，蔣小珍，李 瑜. 地理信息系統(tǒng)（GIS）在巖溶塌陷評(píng)價(jià)中的運(yùn)用[J]. 中國(guó)巖溶，1994，4(13)：351～356.

[5]雷明堂，蔣小珍，李 瑜. 巖溶塌陷預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)及其應(yīng)用——以唐山巖溶塌陷為例[J]. 中國(guó)巖溶，1997，2(16)：97～103.

[6]雷明堂，蔣小珍，李 瑜. 湘潭市巖溶塌陷的綜合預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1997，(8)：69～77.

[7] 繆鐘靈，宗鳳書. 桂林巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1995，2(6)：58～66.

[8] 雷明堂，蔣小珍，李 瑜. 城市巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估——以貴州六盤水市為例[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2000，4（11）23～27.

[9] I Yilmaz. GIS based susceptibility mapping of karst depression in gypsum: A case study from Sivas basin (Turkey). Engineering Eeology, 2007, 90:89～103.

[10] 蘇貴臣. 高灘地區(qū)巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評(píng)價(jià)[J]. 巖土工程界，2006，9（9）：76～78.

[11] 高云福，郭會(huì)榮. 咸寧市城區(qū)巖溶地面塌陷預(yù)測(cè)[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1999，3(10)：95～101.

[12] 曾玉瑩，鄭小戰(zhàn). 巖溶地面塌陷危險(xiǎn)性模糊評(píng)價(jià)方法[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào).2007（1）15：62～65.

[13] 邱向榮. 巖溶塌陷穩(wěn)定性的灰色模糊綜合評(píng)判[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004，4：58～60.

[14] 賀玉龍，楊立中，黃 濤. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在巖溶塌陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1999，4(10)：86～90.

[15] J L Shao, X D Lei, C M Yao, et al. Risk assessment of karst collapse based on groundwater flow modeling in Linyi city[A].Calibration and Reliability in Groundwater Modeling “Managing Groundwater and the Environment”. WuHan, China: China University of Geosciences Press, 2009.59～62.

[16]雷曉東，姚春梅，邵景力等. 臨沂市城區(qū)巖溶塌陷危險(xiǎn)性控制[J]. 地學(xué)前緣，2010，6（11）：271～277.

[17]姚春梅,馮克印,王元波等. 數(shù)值模擬在巖溶塌陷預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用——以臨沂市城區(qū)巖溶塌陷為例[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34(4)：94～97.

[18]馮克印,任翠愛(ài),姚春梅等. 地下水?dāng)?shù)值模擬在巖溶塌陷預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用——以山東臨沂市城區(qū)巖溶塌陷為例[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007，2:116～120.

[19] 彥 仁. 中國(guó)南方巖溶塌陷[M]. 南寧：廣西科學(xué)出版社，1990，25～40.

[20]趙煥臣. 層次分析法[M]. 北京：科學(xué)出版社，1986，20～40.

[21]陳學(xué)軍，羅元華. GIS支持下的巖溶塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2001，4：15～18.

[22]雷明堂，蔣小珍，李 瑜等. 城市巖溶塌陷災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法——以貴州六盤水市為例[J]. 火山地質(zhì)與礦產(chǎn)，2000，2（21）：118～127.

Application of Groundwater Model for Risk Assessment of Karst Collapse in Linyi City

LEI Xiaodong1,2, SHAO Jingli3, LI Juan1,YAO Chunmei4, JUN Yang5

(1.Beijing Institute of Geo-Exploration and Technology, Beijing 102218; 2.Beijing Huaqing Geothermal Exploitation Company Ltd., Beijing 102218; 3.China University of Geosciences, Beijing 100083; 4. Shandong Monitoring Center of Geological Environment, Ji’nan 250014; 5. Civil Engineering, North Dakota State University, Fargo, USA 58102)

The karst collapse is the most important types of geological disasters in Linyi city of Shandong province. Once the occurrence of karst collapses, it may lead to greater economic and property losses, so it should be very necessary for risk control and prediction of karst collapse. Risk assessment includes current situation evaluation and forecast evaluation, mainly consists of three steps: hazard assessment, vulnerability assessment and expected loss evaluation. This paper adopts the fuzzy comprehensive evaluation based on AHP method in risk assessment fi rstly, then vulnerability assessment and expected loss evaluation is given, and a comprehensive assessment classi fi cation map of present situation is developed. The risk of karst collapse is predicted using the groundwater fl ow model with witch the relevant evaluation factor is determined by the adjusting groundwater pumping scheme. By comparison, the high risk area of karst collapse is greatly reduced through adjusting pumping scheme. It has important significance to prevent occurrence of karst collapse by the reasonable karst water pumping scheme with the combination of numerical model of groundwater fl ow and risk assessment methods.

Karst collapse; Risk; Groundwater; Linyi

P642.254

B

1007-1903（2013）03-0050-08

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃“973項(xiàng)目”（2010CB428804）

雷曉東(1983－ ), 男，工程師，碩士，從事水文地質(zhì)及綜合勘查工作：E-mail：lei-xiaodong@139.com