東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

李飛飛, 龐 煒, 黃溯航, 項(xiàng) 京, 朱杭琦, 王 濤

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101)

巖溶是可溶巖在水的化學(xué)溶蝕作用下，伴隨水流的沖蝕、侵蝕等機(jī)械作用形成的地質(zhì)現(xiàn)象。中國(guó)可溶巖面積分布廣泛，約占國(guó)土面積的1/8[1-2]，皖南山區(qū)由于受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和水流侵蝕的影響，溶洞發(fā)育普遍具有多層性的特點(diǎn)[3]。巖溶區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害往往具有隱蔽性和突發(fā)性的特點(diǎn)，在巖溶區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，由于巖溶破壞了基巖的完整性，導(dǎo)致巖體的強(qiáng)度和承載力大幅度降低，給工程的設(shè)計(jì)和施工帶來一定的困難，影響工程建設(shè)的安全。

影響巖溶發(fā)育的誘因眾多，影響因素復(fù)雜，巖溶引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害是多因素共同作用的結(jié)果。多年來眾多學(xué)者對(duì)巖溶發(fā)育機(jī)理、巖溶危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)及巖溶塌陷的防治等方面做了大量工作。馮文凱等[4]通過對(duì)貴州某機(jī)場(chǎng)巖溶成因機(jī)制、分布規(guī)律進(jìn)行了探討和分析，對(duì)場(chǎng)地巖溶發(fā)育特征進(jìn)行了研究。賀彬等[5]根據(jù)上覆土層和基巖間的組合關(guān)系，通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模擬對(duì)武漢地鐵6號(hào)線的巖溶發(fā)育特征進(jìn)行研究，并提出巖溶治理比選方案。目前，隨著巖溶理論水平和地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)技術(shù)的發(fā)展，中外對(duì)巖溶區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)主要涉及評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取和評(píng)價(jià)方法的選擇[6-8]、巖溶塌陷的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[9-11]、易發(fā)性評(píng)價(jià)[12]等，使巖溶評(píng)價(jià)方法更趨于多元化和科學(xué)性。賀懷振等[13]采用ArcGIS中的ModelBuilder工具建立了徐州地鐵模糊綜合評(píng)價(jià)模型，將地鐵沿線劃分了4個(gè)不同的危險(xiǎn)等級(jí)。武鑫等[14]運(yùn)用層析分析-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)徐州市巖溶塌陷易發(fā)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到了徐州市巖溶塌陷易發(fā)程度分區(qū)圖。崔霖峰等[15]、王恒恒等[16]、吳麗清等[17]選取不同評(píng)價(jià)因子，采用層次分析法對(duì)武漢市巖溶塌陷危險(xiǎn)性進(jìn)行了分區(qū)評(píng)價(jià)。

巖溶發(fā)育是多因素長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果，其發(fā)育過程多表現(xiàn)為具有復(fù)雜形成機(jī)理的非線性動(dòng)力現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和前期地質(zhì)勘察成果，東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育主要沿麻川河及支流呈條帶狀分布，且揭露溶洞多為串珠狀，研究區(qū)未發(fā)現(xiàn)巖溶塌陷坑，地表溶蝕現(xiàn)象不明顯。研究區(qū)地表水分布、地下水動(dòng)態(tài)特征以及覆蓋層條件為研究區(qū)控制巖溶發(fā)育的主要因素。鑒于此，在對(duì)東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育特征分析的基礎(chǔ)上，選取影響研究區(qū)巖溶發(fā)育的6項(xiàng)主控因素，利用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)將定性與定量相結(jié)合的思路解決了實(shí)際問題，得出了更加科學(xué)的各地質(zhì)因素對(duì)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性的貢獻(xiàn)權(quán)重，應(yīng)用GIS和AHP多源信息相融合的方法，構(gòu)建了東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)模型，對(duì)研究區(qū)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測(cè)分區(qū)，并將鉆孔揭露巖溶情況與評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果進(jìn)行擬合校正。結(jié)果表明采用GIS和AHP構(gòu)建的巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)方法科學(xué)合理，預(yù)測(cè)效果較好。研究成果對(duì)東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、規(guī)劃和巖溶區(qū)防災(zāi)減災(zāi)具有一定的指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)位于黃山市黃山區(qū)譚家橋鎮(zhèn)，屬皖南山區(qū)腹地，東接旌德，南依湯口，西鄰黃山風(fēng)景名勝區(qū)，被稱為黃山的東大門。譚家橋鎮(zhèn)所在的黃山區(qū)域位于皖南“三山三湖”山水觀光旅游發(fā)展帶，是皖南文化旅游發(fā)展的核心。東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施配套工程建設(shè)主要包括道路工程、給水、排水管網(wǎng)工程、污水廠和自來水廠、客運(yùn)中心站和核心區(qū)公交場(chǎng)站、河道治理等工程。

研究區(qū)地貌為山間谷地，整體地形為南高北低，屬于典型的沖洪積沉積地層(圖1)。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.3 ℃，年降雨量2 058 mm，境內(nèi)水資源豐富，河流縱橫，主要河流為麻川河及其支流。構(gòu)造單元屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)江南過渡帶太平復(fù)向斜北翼，自古生代以來，經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了比較復(fù)雜的褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造形跡，主要有譚家橋向斜和譚家橋-湯口斷裂。區(qū)內(nèi)地層屬揚(yáng)子地層區(qū)江南地層分區(qū)的廣德-黃山地層小區(qū)，區(qū)域地層主要有寒武系荷塘組、寒武系西陽(yáng)山組、華嚴(yán)寺組、第四系沖洪積地層。其中，寒武系西陽(yáng)山組地層為灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r，呈青灰色，主要分布在研究區(qū)中部和北部，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地下水流侵蝕作用下，巖溶裂隙、洞穴發(fā)育。地下水類型主要有第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水，地下水流向與研究區(qū)地形地貌大致一致，總體為自南至北流。

圖1 研究區(qū)三維地貌示意圖Fig.1 Three-dimensional topographic map of the study area

2 巖溶發(fā)育主控因素及專題圖建立

2.1 主控因素的確定

影響巖溶發(fā)育的因素是多方面的，且各因素之間相互影響、相互制約。通過對(duì)研究區(qū)巖溶發(fā)育特點(diǎn)和鉆孔揭露巖溶的分析，確定了東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育的影響因素主要有巖溶發(fā)育條件、地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件等。其中，第四系下伏灰?guī)r為巖溶發(fā)育的物質(zhì)條件；地下水水位波動(dòng)以及地下水與地表水體的水力聯(lián)系為巖溶發(fā)育提供了動(dòng)力條件；第四系沖洪積物的厚度及沉積物特征對(duì)第四系松散巖類孔隙水和巖溶裂隙水的水力聯(lián)系具有一定的影響。因此，綜合考慮了研究區(qū)巖溶分布規(guī)律和發(fā)育特征，從巖溶發(fā)育條件、第四系覆蓋層條件和水文地質(zhì)條件3個(gè)角度出發(fā)，結(jié)合前人研究成果，選取地層巖性、鉆孔遇洞率、覆蓋層厚度、土層結(jié)構(gòu)、地下水水位埋深、距地表河流的距離等6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為巖溶發(fā)育的主控因素，構(gòu)建了研究區(qū)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)層次分析結(jié)構(gòu)模型(圖2)。

圖2 巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性層次分析結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structural model for analytic hierarchy process of karst development risk

2.2 主控因素專題圖的建立

根據(jù)研究區(qū)收集到的區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，利用鉆孔揭露溶洞情況及地表水分布情況，提取各影響因素?cái)?shù)據(jù)，應(yīng)用GIS軟件對(duì)各主控因素進(jìn)行賦值和插值計(jì)算處理，構(gòu)建各主控因素專題圖(圖3)。

(a)基巖分布

由圖3(a)可以看出，灰?guī)r區(qū)主要分布在研究區(qū)中部和北部，南部?jī)H零星分布。根據(jù)鉆孔揭露情況，研究區(qū)北部和中部均有鉆孔揭露溶洞，鉆孔見洞率為0.4～0.8。由圖3(b)可以看出，研究區(qū)東南部第四系覆蓋層厚度較小，土層厚3.0～6.2 m，中部和北部第四系覆蓋層厚度較大，厚 4.0～ 12.5 m。由圖3(d)可以看出，研究區(qū)西南部土層結(jié)構(gòu)主要為單層或雙層結(jié)構(gòu)，其他區(qū)域主要為多層結(jié)構(gòu)，土層厚度越薄、土層結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，大氣降雨和地下水的水力聯(lián)系越緊密，越有利于巖溶發(fā)育。由圖3(e)可以看出，研究區(qū)地下水位整體表現(xiàn)為由南至北地下水位逐漸降低的特點(diǎn)，與研究區(qū)地形地貌大致一致。由圖3(f)可以看出，距離地表河流越近，地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給越強(qiáng)烈，水力聯(lián)系越緊密，越有利于巖溶的發(fā)育。

3 巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

3.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

巖溶發(fā)育是多種因素相互作用非線性動(dòng)態(tài)變化過程，各個(gè)因素在巖溶發(fā)育的影響也不盡相同，因此在評(píng)價(jià)過程中需要對(duì)各個(gè)影響因素的貢獻(xiàn)大小進(jìn)行量化。AHP是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty教授于20世紀(jì)80年代提出的一種實(shí)用的多方案或多目標(biāo)的決策方法，通過將人的主觀和經(jīng)驗(yàn)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行一定的量化分析，使之更具有條理性[18-19]。

3.1.1 建立層次結(jié)構(gòu)分析模型

將巖溶發(fā)育AHP評(píng)價(jià)模型的6個(gè)主控因素劃分為3個(gè)層次，將巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)作為模型的A層次；巖溶發(fā)育條件、覆蓋層條件和水文地質(zhì)條件影響巖溶發(fā)育影響巖溶發(fā)育規(guī)模和分布，作為模型的B層次；各個(gè)子因素作為模型的決策層(C層次)，這樣就把研究對(duì)象作為一個(gè)系統(tǒng)， 用層次分析法進(jìn)行決策，即可達(dá)到最終求解的目的。

3.1.2 構(gòu)建判斷矩陣

通過對(duì)各主控因素在巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型中貢獻(xiàn)大小進(jìn)行分析，采用Saaty創(chuàng)立的1～9標(biāo)度方法進(jìn)行打分，構(gòu)建研究區(qū)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性AHP評(píng)價(jià)判斷矩陣，如表1所示。

表1 判斷矩陣Table 1 Judgment matrix

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣一致性檢驗(yàn)系數(shù)CR=0.004，即CR<0.1，可以通過一致性檢驗(yàn)，最終得到的權(quán)重值如表2所示。

表2 各影響因素權(quán)重值Table 2 Weight of impact factors

3.2 評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

在確定巖溶發(fā)育各影響因素權(quán)重的基礎(chǔ)上，引入巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指數(shù)對(duì)研究區(qū)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型可用式(1)表示：

(1)

式(1)中：VI為巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指數(shù)；Wk為權(quán)重；fk(x,y)為評(píng)價(jià)因素指標(biāo)值，(x,y)為坐標(biāo)；n為影響因素個(gè)數(shù)。

4 巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)

各主控因素經(jīng)歸一化處理后，應(yīng)用GIS軟件對(duì)各專題圖進(jìn)行復(fù)合疊加處理，計(jì)算得到研究區(qū)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指數(shù)，依據(jù)GIS分級(jí)上常用的Natural Breaks(Jenks)對(duì)危險(xiǎn)性指數(shù)值進(jìn)行分級(jí)，最終得到東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖(圖4)。

由巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖(圖4)可以看出，研究區(qū)南部和中部東側(cè)部分區(qū)域?yàn)榉菐r溶發(fā)育區(qū)，紅色區(qū)域?yàn)閹r溶發(fā)育高發(fā)育區(qū)，主要分布于研究區(qū)北部，中部和南部零星分布，面積約0.4 km2，約占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的5%，表現(xiàn)為明顯的沿河流呈條帶狀分布的特點(diǎn)。根據(jù)后期東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目勘察鉆孔揭露情況，揭露溶洞的11個(gè)鉆孔均位于評(píng)價(jià)圖中的危險(xiǎn)區(qū)，擬合程度高，表明依據(jù)各影響因素構(gòu)建的東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)模型與實(shí)際相符。

圖4 東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖Fig.4 Zoning map of karst development risk assessment in Donghuangshan international town

5 結(jié)論

(1)綜合東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)巖溶分布規(guī)律和發(fā)育特征，從巖溶發(fā)育條件、第四系覆蓋層條件和水文地質(zhì)條件3個(gè)角度出發(fā)，選取6個(gè)主控因素作為巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了東黃山巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。

(2)應(yīng)用GIS軟件對(duì)影響巖溶發(fā)育的主控因素進(jìn)行處理，繪制了各主控因素專題圖，應(yīng)用AHP得到各主控因素的權(quán)重值，引入巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指數(shù)，構(gòu)建了東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。

(3)基于GIS-AHP多源信息相融合的評(píng)價(jià)方法得到了研究區(qū)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖，巖溶發(fā)育高發(fā)育區(qū)，主要分布于研究區(qū)北部，中部和南部零星分布，面積約0.4 km2，約占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的5%，表現(xiàn)為明顯的沿河流呈條帶狀分布的特點(diǎn)。

(4)根據(jù)鉆孔揭露，東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育多以覆蓋性串珠狀溶洞為主，揭露溶洞的11個(gè)鉆孔均位于評(píng)價(jià)圖中的危險(xiǎn)區(qū)，擬合程度高，表明依據(jù)各主控因素構(gòu)建的東黃山國(guó)際小鎮(zhèn)巖溶發(fā)育危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)模型與實(shí)際相符。