基于GIS的含水層富水性評價及分區(qū)

孫尚云，張開弦，陳陸望

(1.淮北礦業(yè)股份公司通防地測部，安徽 淮北 235000；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

我國華北、華東地區(qū)，許多煤礦煤層之上都覆蓋新生界厚-巨厚松散層，在松散層底部有一層以非膠結(jié)砂土、砂礫、礫石為骨架的承壓含水層[1]，它直接賦存在煤系基巖的頂部，對煤礦的安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

因此，如何有效防止此類水害問題的發(fā)生已成為煤礦防治水工作的重點(diǎn)，煤礦發(fā)生突水的必要條件除了突水通道和水源以外，還有含水層的富水性也決定著煤礦發(fā)生水害事故的等級和危害程度。當(dāng)前，評價含水層富水性的依據(jù)主要是鉆孔單位涌水量[2]，該方法為傳統(tǒng)的水文地質(zhì)分析方法。除此之外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、地質(zhì)統(tǒng)計分析法、瞬變電磁方法等數(shù)理統(tǒng)計、地球物理勘探等方法也已被廣泛用來分析含水層的富水性。以祁東煤礦為例，以鉆孔單位涌水量評價祁東煤礦含水層富水性為弱-中等富水含水層。但該礦自建井以來發(fā)生過的突水事故頻數(shù)以及突水量顯然與弱-中等富水含水層的評價有所不符，故僅依照單位涌水量評價含水層富水等級的方法來指導(dǎo)煤礦防治水工作以不能滿足要求。

1 含水層富水性及其影響因素

影響含水層富水性的因素眾多，其影響機(jī)制也復(fù)雜多變，很難進(jìn)行統(tǒng)一的評價。通過收集祁東煤礦相關(guān)地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，選取含水層有效厚度、構(gòu)造發(fā)育密度、鉆孔沖洗液消耗量、滲透系數(shù)及單位涌水量五個主控因素[3]，基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的模糊層次分析多元信息融合法[4]對祁東煤礦松散層“四含”水富水性進(jìn)行評價分析，并依據(jù)分析結(jié)果對“四含”進(jìn)行了分區(qū)，為區(qū)域含水層富水性評價提供一種新的方法與思路，同時為“四含”水防治提供了基礎(chǔ)支撐。

1.1 含水層有效厚度

含水層厚度是反映含水層富水性強(qiáng)弱的直觀因素，相同條件下，厚度大的地段單位面積上的富水性強(qiáng)，反之，則弱。而含水層的有效厚度是剔除含水層中不含水部分之外的厚度，其更能體現(xiàn)出含水層富水性的大小[5]。

1.2 構(gòu)造發(fā)育密度

一般來說，斷裂構(gòu)造附近裂隙發(fā)育部位是富水性強(qiáng)的區(qū)域，這主要是由于密集的裂隙提供了大量的儲水空間。在煤礦生產(chǎn)過程中，斷層較為發(fā)育的地區(qū)往往容易發(fā)生突水事故，故將斷層密度指數(shù)列為富水含水層的強(qiáng)度主控因素之一。

1.3 鉆孔沖洗液消耗量

當(dāng)勘探孔通過含水層時，受孔隙和裂隙發(fā)育的影響，鉆孔沖洗液會發(fā)生漏失現(xiàn)象，故沖洗液消耗量反映了裂隙發(fā)育程度，裂隙發(fā)育的地方往往是富水地段[6]。

1.4 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是反映巖石滲透特性的一個指標(biāo)。滲透系數(shù)越大，巖石的透水性越強(qiáng)，巖石的富水能力也越強(qiáng)。

1.5 單位涌水量

單位涌水量是評價含水層富水性強(qiáng)弱的主要依據(jù)。含水層單孔抽水試驗(yàn)中的單位涌水量是衡量含水層富水能力的直觀評價指標(biāo)。在礦井水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)資料中也是比較容易得到的資料，故將其作為影響含水層富水性的重要主控因素。

2 模糊層次分析法

2.1 應(yīng)用模糊層次分析法的計算過程

1)將各影響因素列為a1，a2，a3，a4，…，an。進(jìn)行兩兩比較，采用0.1～0.9的評價尺度進(jìn)行數(shù)量標(biāo)度(見表1)，得到如下模糊互補(bǔ)判斷矩陣

(1)

模糊互補(bǔ)矩陣A=(aij)m×n滿足以下條件：①i=j時，aij=0.5；②aij+aji=1。

表1 AHP評價尺度

2)將矩陣A進(jìn)行行和歸一化得到排序向量W

W=(w1，w2，w3，…，wn)T

(2)

3)對模糊判斷矩陣A以及排序向量W對應(yīng)的各因素權(quán)重值的合理性進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。該模糊判斷矩陣A的特征矩陣為

(3)

引入相容性指標(biāo)

(4)

當(dāng)I(A，W*)≤α?xí)r，認(rèn)為模糊判斷矩陣是一致的。決策者可以根據(jù)結(jié)果要求的準(zhǔn)確性，對α進(jìn)行取值，對結(jié)果的準(zhǔn)確性要求越高的話，α取值越小。本次決策中α取值為0.1。

4)檢驗(yàn)判斷矩陣的相容性

在一般問題中，當(dāng)對多個控制因素賦予不同的權(quán)重時，會得到不同的判斷矩陣和不同的權(quán)重向量。在進(jìn)行模糊互補(bǔ)判斷矩陣一致性檢驗(yàn)之前，有必要檢驗(yàn)各判斷矩陣之間的相容性。

I(Ak，Al)≤α，k≠l，k，l=1，2，3，…，n

(5)

5)權(quán)重向量的確定

若式(5)成立，則模糊互補(bǔ)判斷矩陣Ak(k=1，2，3，…，n)是滿足相容性的，綜合評價矩陣的結(jié)果也總是可以接受的。因子集X的權(quán)重分布向量是m分量的平均值，相應(yīng)的表達(dá)式為

W=(W1，W2，…，Wn)

(6)

2.2 GIS與AHP耦合進(jìn)行富水性評價

以GIS為操作平臺，以多元信息集成理論為基礎(chǔ)，在分析確定影響水資源富集的控制因素的基礎(chǔ)上，通過收集和處理數(shù)據(jù)，建立了各控制要素的專題圖層。然后利用專題圖層數(shù)據(jù)復(fù)合疊加原理，通過對模型的辨識，利用模糊層次分析法確定各控制因子的權(quán)重，建立了相應(yīng)的富水分區(qū)信息融合模型。模型為[7-9]

(7)

式中：VI為多元信息融合指標(biāo)值；x，y為地理坐標(biāo)；fk(x，y)為第k個主控因素歸一化后影響值函數(shù)；n為主控因素的個數(shù)；Wk為主控因素權(quán)重。

最后將富水性分區(qū)在GIS中制圖顯示出來，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

3 實(shí)例分析

3.1 祁東煤礦水文地質(zhì)條件

祁東煤礦為第三、四系松散層復(fù)蓋下的全隱蔽礦床。地下水含水層可劃分為第三、四系松散層孔隙含水層、二疊系煤系砂巖裂隙含水層和煤系下伏灰?guī)r巖溶裂隙含水層，其中第四系松散層孔隙含水層中的第四含水層為礦井開采過程中最主要的含水層，自建井以來發(fā)生過多次“四含”突水，最大突水量達(dá)1 520m3/h。因此，急需解決礦井“四含”的富水性評價問題，指導(dǎo)礦井“四含”水害防治工作。

3.2 含水層富水性主控因素專題圖層的建立

1)含水層有效厚度分析

在整理整個礦區(qū)有效鉆孔資料數(shù)據(jù)，統(tǒng)計“四含”有效厚度的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的插值功能，繪制出了祁東煤礦“四含”有效厚度專題圖層(見圖2)。由圖可知，礦區(qū)內(nèi)“四含”有效厚度整體分布不均勻，礦區(qū)北部和東南部“四含”有效厚度較大，礦區(qū)兩側(cè)，尤其是東部“四含”有效厚度較小，平均厚度為28m左右，局部最大厚度可達(dá)57m。

2)構(gòu)造發(fā)育密度分析

祁東礦區(qū)范圍內(nèi)主要構(gòu)造為褶曲和斷層，將斷層作為構(gòu)造發(fā)育密度，以100m×100m的單元格為單位，計算出斷層線穿過每個統(tǒng)計單元格的次數(shù)。繪制出的構(gòu)造發(fā)育密度專題圖層(見圖3)，由圖3可知，研究區(qū)域北部和南部各有一個構(gòu)造發(fā)育密集區(qū)域，但是研究區(qū)北部構(gòu)造整體發(fā)育較為稀疏，南部構(gòu)造整體發(fā)育較為密集。

圖3 祁東煤礦構(gòu)造發(fā)育密度專題圖

3)鉆孔沖洗液消耗量分析

通過“四含”鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，利用ArcGIS的插值功能，繪制出了鉆孔沖洗液消耗量專題圖層(見圖4)，由圖4可知，整個祁東煤礦“四含”鉆孔沖洗液消耗量在南部采區(qū)要明顯大于北部，礦區(qū)中間部分區(qū)段鉆孔沖洗液消耗量較大，礦區(qū)東部整體鉆孔沖洗液消耗量較小，以上分布說明在礦區(qū)的中南部分裂隙較為發(fā)育。

圖4 祁東煤礦鉆孔沖洗液消耗量專題圖

4)滲透系數(shù)分析

對礦區(qū)內(nèi)“四含”抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到祁東煤礦“四含”滲透系數(shù)與鉆孔涌水量數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的插值功能，繪制出了滲透系數(shù)專題圖層(見圖5)，由圖5可知，祁東煤礦的滲透系數(shù)分布不均勻，但總體分布大致呈階梯式分布。在礦區(qū)南部的滲透系數(shù)達(dá)到最大。

圖5 祁東煤礦滲透系數(shù)專題圖

5)單位涌水量分析

利用ArcGIS的插值功能，繪制出了單位涌水量專題圖層(見圖6)，由圖6可知，整個礦區(qū)“四含”單位涌水量總體趨勢上呈現(xiàn)出東低西高，自東向西呈現(xiàn)出增大→減小→增大的趨勢，在礦區(qū)南部單位涌水量速率變化較快。

圖6 祁東煤礦單位涌水量專題圖

3.3 各因素權(quán)重計算

根據(jù)富水區(qū)域各主要控制因素的不同程度，采用三種標(biāo)準(zhǔn)對各因素進(jìn)行評分，然后判斷各打分矩陣的兼容性，如果矩陣判斷相容性的結(jié)果是可以接受的，則取平均值作為對富水分區(qū)各因素的權(quán)重分配向量。

構(gòu)建的三個模糊互補(bǔ)判斷矩陣A1、A2、A3如下(見表2)。其中C1～C5分別代表“四含”有效厚度、構(gòu)造發(fā)育密度、過“四含”鉆孔沖洗液消耗量、“四含”滲透系數(shù)以及“四含”單位涌水量。

按照公式(2)～式(6)進(jìn)行計算，得到結(jié)果如表3所示。對以上三個矩陣相容性進(jìn)行計算，得到I(A1，A2)=0.056；I(A2，A3)=0.056；I(A1，A3)=0.032。均比我們設(shè)定值0.1小，三個模糊互補(bǔ)判斷矩陣A1、A2、A3的相容性是一致可接受的。

表3 權(quán)重向量計算結(jié)果

3.4 含水層富水性影響因素歸一化處理

由于選取的5個主控因素單位及物理含義各不相同，并且數(shù)值范圍相差較大，為消除各主控因素之間因不同物理量綱對評價結(jié)果帶來的影響，采用歸一化方法，把各主控因素映射到0～1范圍內(nèi)進(jìn)行處理，公式如下

(8)

式中：A為歸一化處理后的數(shù)據(jù)；xi為歸一化處理前的原始數(shù)據(jù)；xmax、xmin分別為歸一化處理前原始數(shù)據(jù)的最大值與最小值。

各因素所得到的歸一化專題圖如圖7所示。

(a) “四含”有效厚度歸一化圖

(c) 鉆孔沖洗液消耗量歸一化圖

(d) “四含”滲透系數(shù)歸一化圖

(e) “四含”單位涌水量歸一化圖圖7 各因素歸一化專題圖

3.5 富水性分區(qū)結(jié)果

經(jīng)計算，祁東煤礦“四含”富水性評價的5個主控因素權(quán)重大小如表4所示，由此得出，祁東煤礦“四含”富水性評價分區(qū)多元信息融合模型

VI=0.18f1(x，y)+0.19f2(x，y)+0.215f3(x，y)+0.2f4(x，y)+0.215f5(x，y)

(9)

式中：VI表示富水性指數(shù)，范圍在0 ～ 1；fk(x，y)表示的意思是第k個控制因素歸一化后影響值。

利用GIS軟件對各控制因素處理后的專題圖進(jìn)行疊加，處理后得到，研究區(qū)域“四含”富水性分區(qū)評價專題圖(見圖8)，通過對含水層富水性指數(shù)的分析，可以將祁東煤礦“四含”富水性范圍劃分為4個區(qū)域：富水性極弱區(qū)(0

圖8 祁東煤礦“四含”富水性分區(qū)圖

由圖8可知，祁東煤礦“四含”富水性分布為：富水性強(qiáng)區(qū)位于祁東煤礦南部以及東部零星區(qū)域；富水性中等區(qū)位于祁東煤礦南部除去富水性強(qiáng)區(qū)

的剩余區(qū)域以及正北方向零星區(qū)域；富水性弱區(qū)位于祁東煤礦中部，橫跨東西方向且緊鄰富水性強(qiáng)區(qū)；富水性極弱區(qū)位于祁東煤礦的北部邊界處，分布區(qū)域較窄且被富水性弱區(qū)的邊界一分為二。整體分布呈現(xiàn)出自北向南富水性逐漸增大的趨勢。

各分區(qū)內(nèi)主控因素取值范圍如表4所示。一般而言，富水性強(qiáng)的區(qū)域，各主控因素的均值也較高，但是不同富水性區(qū)域之間各因素值的范圍并非連續(xù)也無絕對界限。這主要是因?yàn)楦鞲凰苑謪^(qū)主控因素數(shù)值都存在個別過高或過低的情況，加大了數(shù)值分布的范圍。同時，這一現(xiàn)象也說明的含水層富水性是受多個因素控制的，由多個因素共同控制，分析的結(jié)果并非是對某單個控制因素的絕對依賴，從側(cè)面證明了分析方法的可行性與科學(xué)性。

表4 各主控因素在對應(yīng)富水性分區(qū)內(nèi)取值范圍表

4 結(jié)論

(1)基于GIS多元信息集成的含水層富水性模糊層次分析法真實(shí)地分析了含水層富水性影響因素，反應(yīng)了富水性強(qiáng)弱受到多個控制因素的影響，將主控因素權(quán)重系數(shù)與信息分析處理相結(jié)合評價含水層富水性的方法較為科學(xué)合理。

(2)通過建立“四含”富水性分區(qū)評價模型，總體評價祁東煤礦“四含”富水性差異較大，整體分布呈現(xiàn)出自北向南富水性逐漸增大的趨勢，將礦區(qū)“四含”劃分為四個區(qū)域：富水性強(qiáng)區(qū)(0.68

(3)根據(jù)“四含”富水性分區(qū)結(jié)果分析，祁東煤礦受“四含”水害威脅的區(qū)域主要分布在二采區(qū)、三采區(qū)、四采區(qū)和南部采區(qū)淺部，與祁東煤礦揭露的“四含”水文地質(zhì)情況較為吻合。礦井在上述區(qū)域進(jìn)行采掘活動時主要采取增加采煤工作面支架工作阻力、頂板預(yù)裂爆破、長觀孔水位降速預(yù)警、控制推進(jìn)速度、合理布設(shè)排水系統(tǒng)等水害防治措施，取得了較好的防治效果。