地面沉降風(fēng)險(xiǎn)多向性評估體系建立與全量化應(yīng)用

代如鳳，戰(zhàn) 慶*

（1.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2.自然資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072；3.上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072）

地面沉降作為一種緩變性的地質(zhì)災(zāi)害，具有長期性、區(qū)域性及可控性等特點(diǎn)[1]，隨著時(shí)間的推移，其發(fā)育面積之廣、危害程度之深、防治難度之大將國內(nèi)外科學(xué)家的目光聚集到了對地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估的探索與研究上。

1984 年，美國滑坡專家Varnes 第一次提出地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)理論：一定時(shí)期內(nèi)因特殊損害性現(xiàn)象造成的生命傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中斷的預(yù)期值，并給出定量表達(dá)公式：風(fēng)險(xiǎn)性=危險(xiǎn)性*易損性。國內(nèi)外在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估領(lǐng)域成果頗豐，但大多針對滑坡、泥石流、火山等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，國內(nèi)關(guān)于緩變性地質(zhì)災(zāi)害地面沉降的風(fēng)險(xiǎn)評估在上世紀(jì)90 年代開始出現(xiàn)。前期對于地面沉降的評估集中于經(jīng)濟(jì)損失方面，王勇、左華等[2]采用工程費(fèi)用法定量評估了上海市自1921 年至1990 年間經(jīng)濟(jì)損失；張維然、曾正強(qiáng)等[3-4]初步建立了地面沉降災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失評估體系，首次對上海市1921—2000 年間地面沉降災(zāi)害的經(jīng)濟(jì)損失、控制效益進(jìn)行了全面評估，對2001—2020 年風(fēng)險(xiǎn)損失進(jìn)行了預(yù)測。隨后，出現(xiàn)了關(guān)于地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的理論研究，于軍等[5]從易發(fā)性、易損性和抗風(fēng)險(xiǎn)性三方面進(jìn)行分析評估，初步構(gòu)建了地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系。王寒梅等[6]在闡述地面沉降風(fēng)險(xiǎn)基本內(nèi)涵及特征的基礎(chǔ)上，介紹了上海市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)及評估方法，標(biāo)志著地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估從理論走向應(yīng)用。姜媛、房浩、段梅、熊峰等[7-12]分別對北京、滄州、珠海、武漢等地開展地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性評估。目前相關(guān)研究在評估指標(biāo)選取上多聚焦于地面沉降的相關(guān)特征，多采用定性與定量結(jié)合的評估方法。本文在評估指標(biāo)選取時(shí)進(jìn)行多方面多因素綜合考量，將地面沉降發(fā)育與城市發(fā)展相結(jié)合，構(gòu)建既包括地面沉降相關(guān)因素同時(shí)又涵蓋城市規(guī)劃發(fā)展的多向性風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系，并將其應(yīng)用于上海市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)全量化評估與區(qū)劃。

1 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估方法體系建立

地面沉降風(fēng)險(xiǎn)是指特定區(qū)域一定時(shí)段內(nèi)地面沉降災(zāi)害發(fā)生及造成損失的可能性或不確定性。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)理論，地面沉降的危險(xiǎn)性和易損性共同決定了地面沉降風(fēng)險(xiǎn)程度。地面沉降危險(xiǎn)性是指特定區(qū)域一定時(shí)段內(nèi)發(fā)生地面沉降的概率和危險(xiǎn)程度，主要由地面沉降孕災(zāi)地質(zhì)條件、災(zāi)害強(qiáng)度和地勢高程等要素決定，用危險(xiǎn)性H 表達(dá)。地面沉降易損性是指承災(zāi)區(qū)遭受地面沉降破壞的概率與發(fā)生損毀的難易程度，暗含了人類社會和經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平應(yīng)對地面沉降災(zāi)害的能力，主要取決于承災(zāi)區(qū)的人口密度、重大線性工程密度、防災(zāi)減災(zāi)投入等敏感指標(biāo)，用易損性V 表達(dá)（圖1）。基于此構(gòu)建較以往更具系統(tǒng)性的地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估體系，應(yīng)用時(shí)可根據(jù)不同城市特點(diǎn)選取不盡相同的評估指標(biāo)，進(jìn)行量化分級評估。

圖1 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)多向性評估體系Fig.1 Multidirectional assessment system of land subsidence risk

1.1 地面沉降危險(xiǎn)性評估因子

地面沉降危險(xiǎn)性評估單要素評估因子主要包括地面沉降易發(fā)程度、發(fā)育程度、預(yù)測速率及地勢高程[6]。

（1）易發(fā)程度

地面沉降易發(fā)程度的判別要素主要有松散沉積物厚度、軟土層厚度和地下水主采層數(shù)量等，松散沉積物及軟土層厚度越大、地下水主采層數(shù)量越多，易發(fā)程度和危險(xiǎn)性就會越高。評估標(biāo)準(zhǔn)參考《地面沉降調(diào)查與監(jiān)測規(guī)范》（DZ/T 0283-2015），將地面沉降易發(fā)程度分為高、較高、中、較低、低五級。

（2）地面沉降發(fā)育程度

地面沉降發(fā)育程度的判別要素為近五年平均沉降速率、累計(jì)沉降量，沉降速率越高、累計(jì)沉降量越大，地面沉降發(fā)育程度越強(qiáng)，危險(xiǎn)性越高。參考《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估規(guī)范》（GB/T 40112-2021），將地面沉降發(fā)育程度分為強(qiáng)、較強(qiáng)、中、較弱、弱五級。

（3）預(yù)測速率

根據(jù)區(qū)域地面沉降資料及研究程度，選用數(shù)值模型法、統(tǒng)計(jì)分析法等評估方法，對未來十年平均沉降速率作預(yù)測評估分區(qū)，預(yù)測速率越大，危險(xiǎn)性越高，將預(yù)測速率分為大、較大、中、較小、小五級。

（4）地勢高程

地勢高程對地面沉降危險(xiǎn)性評估的影響主要體現(xiàn)在安全高程的損失，地勢高程越低，危險(xiǎn)性越高。依據(jù)區(qū)內(nèi)的實(shí)測地勢數(shù)據(jù)，將區(qū)內(nèi)地勢高程按照影響程度進(jìn)行分區(qū)，可分為高、較高、中等、較低、低五級。

1.2 地面沉降易損性評估因子

地面沉降易損性評估因子主要有人口密度、單位面積GDP、建設(shè)用地比重、重大線性工程密度、減災(zāi)防護(hù)投入等，各城市可結(jié)合地方實(shí)際另行增設(shè)自選指標(biāo)。

（1）人口密度

人口密度是表征城市化程度的重要指標(biāo)，人口密度越大，城市化程度越高，易損性越大。根據(jù)區(qū)域內(nèi)的人口資料，按人口密度（萬人/km2）進(jìn)行分區(qū)，可分為大、較大、中等、較小、小五級。

（2）單位面積GDP

單位面積GDP 是表征城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，單位面積GDP 越大，易損性越大。根據(jù)區(qū)域內(nèi)的GDP 數(shù)據(jù)資料，按單位面積GDP（億元/km2）進(jìn)行分區(qū)，可分為大、較大、中等、較小、小五級。

（3）建設(shè)用地比重

單位面積建設(shè)用地所占比重反映房屋建筑、公益設(shè)施規(guī)模等。比重越大，易損性越大。根據(jù)區(qū)域內(nèi)的建設(shè)用地資料，按建設(shè)用地比重（%）進(jìn)行分區(qū)，可分為大、較大、中等、較小、小五級。

（4）重大線性工程密度

地面沉降會對線性工程產(chǎn)生嚴(yán)重影響，威脅線性工程（包括重要交通干線、海堤防汛墻、軌道交通、重要供水供油管線、輸調(diào)水工程等）的運(yùn)營安全。根據(jù)線性工程實(shí)際分布情況，按單位面積重大線性工程密度（km/km2）進(jìn)行分區(qū)，可分為大、較大、中等、較小、小五級。

（5）防災(zāi)減災(zāi)投入

為應(yīng)對地面沉降，各地采用不同措施進(jìn)行減災(zāi)防護(hù)，包括地面沉降監(jiān)測站、水位觀測井、地面水準(zhǔn)點(diǎn)、回灌設(shè)施等。這些設(shè)施的投入，降低了地面沉降易損程度。單位面積減災(zāi)防護(hù)投入越大，承災(zāi)區(qū)易損性越小。根據(jù)減災(zāi)防護(hù)實(shí)際情況，按單位面積減災(zāi)防護(hù)投入（萬元/km2）進(jìn)行分區(qū)，可分為大、較大、中等、較小、小五級。

1.3 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估方法

（1）地面沉降危險(xiǎn)性評估方法

選用層次分析法等方法確定各評估因子權(quán)重，基于單要素評估結(jié)果，將評估區(qū)網(wǎng)格化，確定各因子各網(wǎng)格分級量值[6]。根據(jù)公式（1）計(jì)算各網(wǎng)格的危險(xiǎn)性指數(shù)，將危險(xiǎn)性劃分為高、較高、中等、較低、低五級。

式中：H為地面沉降危險(xiǎn)性指數(shù)；Wi 為各評估因子權(quán)重；Ni 為各評估因子等級量值；n 為評估因子個(gè)數(shù)。

（2）地面沉降易損性評估方法

選用層次分析法等確定各因子權(quán)重，基于單要素評估結(jié)果，以縣或鎮(zhèn)為單元開展地面沉降易損性綜合評估[6]。根據(jù)公式（2）計(jì)算不同單元的易損性指數(shù)，將易損性劃分為低、較低、中等、較高、高五級。

式中：V 為地面沉降易損性指數(shù)；Wi 為各評估因子權(quán)重；Ni 為各評估因子等級量值；n 為評估因子個(gè)數(shù)。

（3）地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性評估方法

對危險(xiǎn)性和易損性評估結(jié)果進(jìn)行等級量化，等級取值范圍在[0,1]之間，量值范圍為[0，0.2]、(0.2，0.4]、(0.4，0.6]、(0.6，0.8]、(0.8，1.0]五個(gè)級別。根據(jù)量化成果進(jìn)行區(qū)相交分析，利用風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算公式：風(fēng)險(xiǎn)度=危險(xiǎn)等級*易損等級，計(jì)算得出相交區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算結(jié)果設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，分為低、較低、中等、較高、高五級。合并風(fēng)險(xiǎn)等級相同的評估單元，形成地面沉降風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。

2 上海市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)全量化評估

在評估指標(biāo)選取上，首次將地面沉降發(fā)育與城市發(fā)展相結(jié)合，構(gòu)建既包括地面沉降相關(guān)因素同時(shí)又涵蓋城市規(guī)劃發(fā)展的多向性風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系。根據(jù)上海市地面沉降孕災(zāi)地質(zhì)條件、地面沉降歷史發(fā)育特征，選取易發(fā)程度、歷史災(zāi)害強(qiáng)度、預(yù)測速率和地勢高程等作為危險(xiǎn)性評估因子。根據(jù)遭受地面沉降的敏感度及城市發(fā)展規(guī)劃特點(diǎn)，在易損性評價(jià)因子選取中將供水管密度、軌道交通及高架道路密度、防汛墻及海堤密度等單要素作為重大線性工程指標(biāo)參與評價(jià)，其他相關(guān)指標(biāo)則選擇了房屋面積密度（圖2）。

圖2 上海市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)多向性評估體系Fig.2 Multidirectional assessment system of land subsidence risk in Shanghai

2.1 地面沉降危險(xiǎn)性全量化評估

根據(jù)上海市地質(zhì)條件資料、地面沉降發(fā)育資料、地面沉降預(yù)測速率及2021 年全市地勢高程數(shù)據(jù)制定危險(xiǎn)性分級標(biāo)準(zhǔn)（表1），對上海市地面沉降危險(xiǎn)性進(jìn)行單要素評估。基于此，運(yùn)用本文1.3（1）提出的地面沉降危險(xiǎn)性評估方法對上海市地面沉降危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評估。

表1 地面沉降危險(xiǎn)性單要素分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Single element classification standard of land subsidence hazard

在地質(zhì)環(huán)境危險(xiǎn)性評價(jià)中，確定各類影響因素的權(quán)重非常重要，它直接關(guān)系到評價(jià)結(jié)果的合理性和真實(shí)性。此次在傳統(tǒng)的層次分析法的基礎(chǔ)上，引入改進(jìn)的模糊層次分析法，構(gòu)建地面沉降危險(xiǎn)性評價(jià)體系。改進(jìn)后的模糊層次分析法能夠更好地解決判斷矩陣的一致性問題，有效解決解的收斂速度及精度問題，以此求得與實(shí)際相符的排序向量，因此可用于確定地質(zhì)環(huán)境危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)權(quán)重（表2）。

表2 地面沉降危險(xiǎn)性單要素權(quán)重Table 2 Single element weight of land subsidence hazard

改進(jìn)的模糊層次分析法采用三標(biāo)度（0，0.5，1），只需要在兩兩指標(biāo)之間比較重要性，更容易做出判斷。并且改進(jìn)的模糊層次分析法運(yùn)用模糊一致性判斷矩陣，不必再進(jìn)行復(fù)雜的一致性檢驗(yàn)，減小了計(jì)算量的同時(shí)，可使計(jì)算結(jié)果更為精準(zhǔn)。

2.2 地面沉降易損性全量化評估

上海作為高密度的超大城市，軌道交通及高架道路發(fā)達(dá)、供水管密度大、房屋面積密度高，且上海水系較為發(fā)達(dá)，防汛墻和海堤對城市安全十分重要，因此選取城市人口密度、單位面積GDP、建設(shè)用地比重、供水管密度、軌道交通和高架道路密度、防汛墻及海堤密度、房屋面積密度以及防災(zāi)減災(zāi)投入作為易損性評估指標(biāo)。根據(jù)《2022 年上海統(tǒng)計(jì)年鑒》《2022 年上海市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》以及各行政區(qū)規(guī)劃和自然資源局提供等數(shù)據(jù)資料，分析并制定易損性單要素分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)（表3），對各行政區(qū)易損性進(jìn)行單要素評估。基于此，利用1.3（2）地面沉降易損性評估方法對上海市各行政區(qū)地面沉降易損性進(jìn)行綜合評估。

表3 地面沉降易損性單要素分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Single element classification standard of land subsidence vulnerability

城市化是提高易損性的重要因素。事實(shí)表明，人口集中和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)與受到地面沉降風(fēng)險(xiǎn)增長存在著密切關(guān)聯(lián)。城市作為人口、建筑、企業(yè)、交通、通訊、政治等要素高度集中的中心，其易損性和災(zāi)害連發(fā)性大大高于非城市化地區(qū)。如果城市功能受到嚴(yán)重?fù)p壞，足以使一個(gè)地區(qū)以至國家運(yùn)行陷于癱瘓，易損性顯而易見。這意味著城市化程度越高，面臨的易損性風(fēng)險(xiǎn)因素也越大。因此，人口密度是表征城市化程度的重要指標(biāo)。人口密度越大，城市化程度越高，面臨的易損性風(fēng)險(xiǎn)越大。根據(jù)《2022 年上海統(tǒng)計(jì)年鑒》，全市年末常住人口2 489.43 萬人，其中外來人口1 031.99 萬人，全市人口密度0.39 萬人/ km2，其中虹口區(qū)人口密度最高達(dá)3.04 萬人/ km2，崇明區(qū)人口密度最低達(dá)0.05 萬人/ km2。根據(jù)分級原則，保證落入各等級行政區(qū)數(shù)量盡量相當(dāng)，在均分法基礎(chǔ)上根據(jù)各行政區(qū)人口密度范圍進(jìn)行分級，其余指標(biāo)的選定及分級過程同上。

易損性單要素權(quán)重的確定方法為專家打分法，邀請15 位地面沉降領(lǐng)域?qū)＜覍? 個(gè)易損性單要素兩兩對比確定各單要素的重要性，并以此為基礎(chǔ)，經(jīng)過采用模糊綜合評判法得到因子權(quán)重（表4）。

表4 地面沉降易損性單要素權(quán)重Table 4 Single element weight of land subsidence vulnerability

2.3 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性全量化評估

在地面沉降危險(xiǎn)性及易損性綜合評估基礎(chǔ)上運(yùn)用1.3（3）地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性評估方法進(jìn)行等級量化并計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)度，依風(fēng)險(xiǎn)度制定地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性分級標(biāo)準(zhǔn)（表5），根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性評估。

表5 地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性分級標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Land subsidence risk classification standard

地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)基于危險(xiǎn)性及易損性等級量化結(jié)果，利用Mapgis 空間分析功能進(jìn)行區(qū)相交分析，依據(jù)公式風(fēng)險(xiǎn)度=危險(xiǎn)等級*易損等級計(jì)算出相交區(qū)危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果，對各自的評價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，區(qū)劃成圖（圖3）。

圖3 上海市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估圖Fig.3 Shanghai land subsidence risk assessment map

地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果顯示，上海市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)程度在空間上的分布特征為：以中心城區(qū)為中心形成地面沉降的三級體系，即中心城區(qū)基本處于地面沉降風(fēng)險(xiǎn)高區(qū)，近郊區(qū)處于地面沉降較高至中等區(qū)，郊區(qū)處于地面沉降風(fēng)險(xiǎn)較低和低區(qū)。由中心城區(qū)至郊區(qū)無論在人類活動(dòng)、地下空間開發(fā)強(qiáng)度還是城市化進(jìn)程、重大基礎(chǔ)設(shè)施密度等方面均逐級降低，故引發(fā)及遭受的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)逐漸減小，與評估結(jié)論相符，同時(shí)側(cè)面驗(yàn)證了地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估方法體系的科學(xué)性。本次地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果支撐了上海市地面沉降防治區(qū)劃劃定，提升上海地面沉降災(zāi)害的防治能力。

3 討論

（1）地面沉降危險(xiǎn)性、易損性評估因子選取合理性分析

地下水開采程度是影響地面沉降的一個(gè)重要因素，但上海地區(qū)經(jīng)過50 余年的禁限采措施及大量的人工回灌，大部分區(qū)域水位已恢復(fù)接近歷史最高水位，直接利用歷史開采數(shù)據(jù)表征地下水開采程度作為危險(xiǎn)性評估因子有諸多不合理之處，故本次未選取該指標(biāo)，在后續(xù)研究中結(jié)合現(xiàn)狀對地下水開采方面加以考慮。地面沉降易損性是反映承災(zāi)區(qū)生命財(cái)產(chǎn)和各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對地質(zhì)災(zāi)害的抵御能力與可恢復(fù)能力的指標(biāo)，地勢高程作為地面沉降發(fā)生的動(dòng)力條件之一，影響地面沉降災(zāi)害發(fā)生的強(qiáng)烈程度，相比之下選取其作為危險(xiǎn)性評估因子。

（2）地面沉降危險(xiǎn)性、易損性單要素分級標(biāo)準(zhǔn)可靠性分析

單要素分級標(biāo)準(zhǔn)有多種方法。首先，均分法，其優(yōu)點(diǎn)在于普適性強(qiáng)、可行性高但過于機(jī)械化。其次，單要素可根據(jù)本身特征采用不同分級標(biāo)準(zhǔn)。例如，地勢高程的分級可結(jié)合降水等級標(biāo)準(zhǔn)或本區(qū)域不同等級降水發(fā)生概率等進(jìn)行劃分，累計(jì)沉降量的分級可結(jié)合地面沉降引發(fā)危害的嚴(yán)重程度或造成經(jīng)濟(jì)損失等級進(jìn)行劃分等。綜合各分級標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)缺點(diǎn)，危險(xiǎn)性單要素分級采用均分法。

地面沉降易損性單要素分級標(biāo)準(zhǔn)在危險(xiǎn)性單要素分級標(biāo)準(zhǔn)（均分法）基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)，易損性資料收集單位為行政區(qū)，為達(dá)到評估目的應(yīng)使各個(gè)行政區(qū)盡量均分在不同等級，以此為原則在均分法的基礎(chǔ)上對易損性單要素制定了更加合理的分級標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

（1）建立了適用于緩變性地質(zhì)災(zāi)害地面地面沉降風(fēng)險(xiǎn)多向性評估體系，涵蓋危險(xiǎn)性和易損性兩方面內(nèi)容。在評估指標(biāo)選取時(shí)進(jìn)行多方面多因素綜合考量，將地面沉降發(fā)育與城市發(fā)展相結(jié)合，構(gòu)建既包括地面沉降相關(guān)因素同時(shí)涵蓋城市規(guī)劃發(fā)展的多向性風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系。

（2）所建評估方法體系成功應(yīng)用于上海市地面沉降風(fēng)險(xiǎn)性全量化評估工作中。以往評價(jià)基本采用定性定量相結(jié)合的方法，本次在地面沉降危險(xiǎn)性、易損性、風(fēng)險(xiǎn)性方面均為全量化評價(jià)。由中心城區(qū)至郊區(qū)無論在人類活動(dòng)、地下空間開發(fā)強(qiáng)度還是城市化進(jìn)程、重大基礎(chǔ)設(shè)施密度等方面均逐級降低，故引發(fā)及遭受地面沉降地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)逐漸減小，與評估結(jié)果相符，同時(shí)側(cè)面驗(yàn)證了地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估方法體系的科學(xué)性。本次地面沉降風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果支撐了上海市地面沉降防治區(qū)劃劃定，提升上海地面沉降災(zāi)害的防治能力。