安徽阜陽中心城區(qū)地面沉降災害風險評價

王齊鑫，王龍平，王澤宇

(1.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251；2.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001; 3.江蘇省地質(zhì)勘查技術院，江蘇 南京 210008)

0 前言

伴隨著城市化水平的不斷提高，所帶來的諸如超采地下水、工程建設、地面動靜荷載不斷加大等人類活動日益頻繁，其直接加劇地面沉降的誘發(fā)，使得地面沉降現(xiàn)已成為我國城市主要的地質(zhì)災害之一[1]。阜陽市作為全國嚴重沉降地區(qū)之一，近年來，地面沉降對阜陽市水利工程、市政工程、以及鐵路工程建設等方面都產(chǎn)生了不利影響[2]。因此，開展阜陽市地面沉降風險性評價研究，對于指導阜陽市國土空間科學規(guī)劃、提高應急防災減災水平以及協(xié)調(diào)人類活動與地質(zhì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展都有著積極的現(xiàn)實意義。

地面沉降風險評價是指評價一定空間尺度內(nèi)的地面沉降災害對社會經(jīng)濟所造成危害的大小及其可能性[3]，包括地面沉降發(fā)生的可能性(即易發(fā)性或危險性) 和造成的后果(即易損性) 兩個方面[4]。近些年，國內(nèi)外學者大多從地面沉降機理、成因分析、模擬計算等方面開展研究[5-11]，并且在風險性評價的研究方向上也主要集中在突發(fā)型地質(zhì)災害(滑坡和泥石流等) 的風險性評價上, 而對于地面沉降這類緩變型地質(zhì)災害的風險性評價文獻較少[12-14]。

1 研究區(qū)概況

本次研究區(qū)范圍以阜陽市為中心，南北長約29.4 km，東西長約34 km，面積約1 000 km2。地理坐標為：東經(jīng)115°37′58″～115°59′46″，北緯32°46′17.6″～33°02′32.5″。行政區(qū)劃包括阜陽市潁州區(qū)、潁泉區(qū)、潁東區(qū)及阜南縣、潁上縣(圖1)。阜陽市地處黃淮海大平原南端、淮北平原西部，地形平坦，地面標高一般在26～36 m。地勢總趨勢西北高、東南低，平均地面坡降約1/8 000。阜陽市松散沉積層厚度650～850 m，上部135～150 m 為第四系，由松散的亞黏土、亞砂土、粉砂、中細砂相間互層，下部為上第三系，由半固結(jié)中粗砂與亞黏土互層[15]。阜陽市地下水類型為單一的松散巖類孔隙水，按埋藏條件可稱其為第一含水層組(淺層)；第二含水層組(埋深50～150 m)、第三含水層組(埋深150～500 m)和第四含水層組(埋深500～1 000 m)。根據(jù)地下水開采和水準測量等方面的資料推測，阜陽市始于在20世紀70年代初。至1980年，最大累計沉降量僅為83.7 mm。之后，地面沉降快速發(fā)展，到1999年，沉降中心累計最大沉降量達到了1 347.4 mm[16]。近年來，阜陽市地面沉降增長日趨嚴重，市區(qū)已形成一近橢圓形淺漏斗形態(tài)沉降區(qū)域，漏斗面積約為1 200 km2，研究區(qū)廣泛受到不同程度沉降影響，截止2017年底，城市地面沉降中心累計最大沉降量已達1 838.2 mm，最大沉降速率約為35 mm/a。

2 評價思路

研究首先基于地面沉降風險評價理論，收集阜陽市地面沉降相關資料，來分析獲取所需的地面沉降數(shù)據(jù)信息。之后，按照相關文獻規(guī)范,結(jié)合研究區(qū)實際情況，建立地面沉降危險性與地面沉降易損性評價指標體系以及分級標準共同構(gòu)建地面沉降風險評價指標體系，并引入層次分析-綜合指數(shù)法對各評價單元進行評分。最終運用MapGIS平臺，基于地面沉降風險評價模型疊加各單因子指標評價結(jié)果得到最終的地面沉降風險性評價成果圖，并以此為依據(jù)提出相關的防控風險建議(圖2)。

圖2 技術路線圖Fig.2 Flow chart for land use planning

其中，評價方法具體步驟如下所示：

(1)層次分析法

層次分析法是將評價指標體系劃分為目標、準則、指標等層次，在此基礎上進行定性和定量分析的新型多目標決策方法[17]。其評價步驟如下：

①建立層次結(jié)構(gòu)模型：將決策的目標、考慮的因素(決策準則)和決策對象按它們之間的相互關系分為最高層、中間層和最低層，繪出層次結(jié)構(gòu)圖。這其中最高層又稱目標層，表示解決問題的目的，即層次分析要達到的總目標。

②確定各層次各因素之間的權(quán)重：Santy等人提出一致矩陣法，即通過對各評價指標進行兩兩比較相對重要性程度，形成判斷矩陣，用A=(aij)n×n，aij>0表示，判斷矩陣的中各元素aij用1～9標度方法表示(表1)，容易看出若Xi與Xj對Z的影響之比為aij，則Xj與Xi對Z的影響之比為：

(1)

表1 判斷矩陣標度及其含義

③層次單排序及其一致性檢驗：對應于判斷矩陣最大特征根λmax的特征向量，經(jīng)歸一化處理排序并進行一致性檢驗，首先定義一致性指標如下：

(2)

式中：CI——一致性指標；

λmax——最大特征根；

n——矩陣階數(shù)。

CI為平均隨機一致性指標，取值如表2所示，CI為隨機一致性比率。只有在CI<0.10時，判斷矩陣可以說才具有較為滿意的一致性，所獲取的權(quán)值才是合理的。

表2 層次分析法的平均隨機一致性比率

④層次總排序及其一致性檢驗：計算某一層次所有因素對于最高層(總目標)相對重要性的權(quán)值，這一過程是從最高層次到最低層次依次進行，最后得到組合權(quán)。

(2)綜合指數(shù)法

綜合指數(shù)法首先接著按權(quán)重將屬于同一評價單元的各個評價因子的指標值進行加合，得出這個評價單元的評價值。再將各個評價單元的評價值按權(quán)重進行加合，最終得到每一個評價單元最終的評價指數(shù)，并通過綜合分析，進而得到總體評價結(jié)果。綜合指數(shù)法的模型如下式：

(3)

式中：Wi——第i單元的綜合得分；

p——評價因子數(shù)；

j——評價因子；

ai——第j單元評價因子在第i評價單元的賦值；

bj——第j個評價因子的權(quán)重。

3 數(shù)據(jù)來源

危險性指標數(shù)據(jù)是對現(xiàn)有的地面沉降水準、GPS監(jiān)測網(wǎng)點獲取掌握地面沉降的速率變化和選取不同時間段的遙感圖像進行D-InSAR解譯分析出區(qū)域性累計地面沉降量大小，其他指標數(shù)據(jù)來源于《阜陽市地面沉降監(jiān)測報告》。易損性指標數(shù)據(jù)是從2017年社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒獲取人口密度與GDP數(shù)據(jù)，高程數(shù)據(jù)通過對安徽省高程DEM分析獲取，以及從現(xiàn)有土地利用現(xiàn)狀圖整合得出建設工程分布現(xiàn)狀。

4 評價過程

4.1 構(gòu)建評價指標體系及權(quán)重確定

依據(jù)相關文獻[18-19],風險性評級指標體系是由危險性評價指標體系與易損性評價指標體系組成(表3)。結(jié)合阜陽市地質(zhì)環(huán)境實際條件，分別從地面沉降現(xiàn)狀、自然因素與人類活動三個方面構(gòu)建阜陽市地面沉降危險性評價指標體系。

選取累計地面沉降量與地面沉降速率兩個指標表征地面沉降現(xiàn)狀。累計地面沉降量可表示經(jīng)過歷史發(fā)展，研究區(qū)地面沉降現(xiàn)狀分布情況，地面沉降速率則可表示對未來研究區(qū)地面沉降的預測評估。這兩個指標并不體現(xiàn)重要性程度的高低，且指標相互獨立，故本次將其分別給予相同權(quán)重。

選取黏土厚度與砂土厚度表征自然因素。軟弱土層是地面沉降發(fā)生的主導因素，研究區(qū)黏土與砂土分布廣泛且厚度較大，地下水位下降會產(chǎn)生附加應力并引起黏土與砂性土體顆粒重排列壓密沉降。因此，隨著粘土厚度與砂土厚度越大的區(qū)域，發(fā)生地面沉降的可能性就越大。

選取地下水開采漏斗與建筑物荷載表征人類活動。長期以來，超采地下水導致地下水位下降故形成降水漏斗。隨著地下水水頭壓力的消散，土體傳遞的有效應力相應增大，顆粒之間孔隙度降低，加之水流滲透作用，土體顆粒重新排列變得更密實，同時降低顆粒本身強度，土體被壓縮固結(jié)[4]。此外，建筑物上部荷載傳遞于軟類土層上加劇土體發(fā)生壓密固結(jié)，誘發(fā)建筑物發(fā)生下沉。

易損性評價指標體系則由地面高程、人口密度、單位面積GDP以及工程重要性分級組成，指標權(quán)重則通過層次分析法來確定。地勢高程對地面沉降危險性評價的影響主要體現(xiàn)在安全高程的損失，阜陽現(xiàn)有地勢高程由于歷史地面沉降因素呈現(xiàn)中心洼地現(xiàn)象；地面沉降中承災體易損性取決于承災體的破壞風險和社會性參數(shù)，是預估城市潛在的最大損失，通常是從財產(chǎn)數(shù)量和生命數(shù)量兩方面評價，故此次研究選取人口密度與單位面積GDP來表征；由于地面不均沉降導致建筑物產(chǎn)生裂縫和傾斜或倒塌，鐵路、公路以及地下管線等線性工程變形甚至斷裂，車站、港口等重要設施地下下沉等，尤其是關系到經(jīng)濟民生的重要建設工程，其一旦受損對于社會的負面影響程度大，所以其易損性程度也較大。根據(jù)阜陽市現(xiàn)狀建設用地所占比重的實際情況，將工程重要性劃分三個等級。

表3 地面沉降風險評價指標體系

4.2 建立評價模型

根據(jù)1992年聯(lián)合國人道主義事務部對自然災害風險的定義：風險是指在一定區(qū)域和一定時段內(nèi)，由于特定的自然災害而引起的人民生命財產(chǎn)和經(jīng)濟活動的期望損失值，在數(shù)值上采用了“風險度(R)=危險度(H)×易損度(V)”的表達式[3]。本次研究將以此模型為基礎，通過MapGIS平臺實現(xiàn)對研究區(qū)地面沉降風險性進行評價。具體操作步驟為：

首先按照地面沉降風險性評價指標體系(表3)所示，運用MapGIS平臺的屬性功能對個評價單因子指標賦予屬性分值，再通過空間分析功能疊加各單因子指標圖得出各相交區(qū)的評價結(jié)果。之后對各相交區(qū)進行統(tǒng)計分析并設置參數(shù)，以賦予不同顏色來區(qū)分不同評價結(jié)果。最終，按照不同顏色表示等級分類信息，成圖得到最終成果。

5 評價結(jié)果

(1)地面沉降危險性評價

地面沉降危險性評價結(jié)果如圖3所示，從圖中可分析出，高危險性區(qū)域面積為392.7 km2，其位于寧老莊鎮(zhèn)-程集鎮(zhèn)-辛橋鎮(zhèn)，占研究區(qū)總面積的39.27%，該區(qū)域位于研究區(qū)北部、中部和東部，北部為高地勢區(qū)，中、東部為低地勢區(qū)，微地貌類型為河漫灘、河間洼地、河間平地。中等危險性區(qū)域面積為486.6 km2，占研究區(qū)總面積的48.66%。低危險性區(qū)域面積120.7 km2，其主要位于三塔鎮(zhèn)大部，占研究區(qū)總面積的12.07%，該區(qū)位于研究區(qū)西南部，主要為高地勢區(qū)，微地貌類型為河間洼地、河間平地。

(2)地面沉降易損性評價

地面沉降易損性評價結(jié)果如圖4所示，從圖中可分析出，高易損性區(qū)域面積為174.6 km2，其位于寧老莊鎮(zhèn)-程集鎮(zhèn)-辛橋鎮(zhèn)，占研究區(qū)總面積的17.46%，該區(qū)位于研究區(qū)中部，為低地勢區(qū)，微地貌類型為河間洼地、河間平地。中等易損性區(qū)域面積為160.4 km2，其位于新橋鎮(zhèn)-潁南鎮(zhèn)，占研究區(qū)總面積的16.04%，該區(qū)位于研究區(qū)東部和南部，地勢主要為中地勢，微地貌類型為河間平地。低易損性區(qū)域面積為665 km2，其位于插花鎮(zhèn)-袁寨鎮(zhèn)-三塔鎮(zhèn)，占研究區(qū)總面積的66.50%。該區(qū)位于研究區(qū)四周部，主要為高地勢區(qū)，微地貌類型為河漫灘、河間洼地、河間平地。

圖3 地面沉降危險性分區(qū)圖Fig.3 Zoning diagram of land subsidence

(3)地面沉降風險性評價

地面沉降風險性評價結(jié)果如圖5所示，從圖5中可分析出，高風險性區(qū)域面積為203.7 km2，占研究區(qū)總面積的20.37%，其中主要分布在阜陽市城區(qū)與潁西鎮(zhèn)大部分地區(qū)，并以此區(qū)域為中心向四周擴展。中等風險性區(qū)域面積為681.5 km2，占研究區(qū)總面積的68.15%，其位于研究區(qū)東部和北部。主要分布在程集鎮(zhèn)-寧老莊鎮(zhèn)-周鵬鎮(zhèn)-辛橋鎮(zhèn)-三十里鋪鎮(zhèn)-王店鎮(zhèn)外圍環(huán)狀區(qū)域。此區(qū)域地貌類型為平原，微地貌類型為河漫灘、河間洼地、河間平地。低風險性區(qū)域面積為114.7 km2，占研究區(qū)總面積的11.47%，該區(qū)位于研究區(qū)西部、南部。主要為高地勢區(qū)，微地貌類型為河間洼地、河間平地。

圖4 地面沉降易損性分區(qū)圖Fig.4 Vulnerability zoning diagram of land subsidence

圖5 阜陽市地面沉降風險性分區(qū)圖Fig.5 Risk zoning map of land subsidence in Fuyang City

6 防控建議

根據(jù)對研究區(qū)地面沉降影響因素以及風險性評價結(jié)果，地面沉降防治工作主要從以下幾個方面開展：

(1)減少深層地下水開采量

據(jù)統(tǒng)計，阜陽市的地表水、淺層地下水較豐富，且目前開發(fā)利用率較低，可適當增加對這兩類水源的開發(fā)補充供水，一方面減少對深層地下水依賴，有利于緩解地面沉降，另一方面，深層地下水一旦受到污染，恢復難度極大,從而保護地下水環(huán)境。結(jié)合中深層與深層地下水大量開采的實際現(xiàn)狀,應針對中心城區(qū)危險性等級較高的區(qū)域盡快實施全面查封中深層地下水開采井，制定切實可行的方案，建立應用地表水取供水工程，限期限批次大量減少深層地下水開采，以緩解阜陽市城區(qū)地面沉降趨勢。

(2)建立地面沉降的預警體系

阜陽中心市區(qū)以及周邊寧老莊鎮(zhèn)、程集鎮(zhèn)、袁寨鎮(zhèn)、周棚鎮(zhèn)易損性等級較高,由于西氣東輸管線、在建商合杭高速鐵路、鄭合高速鐵路沿線及飛機場周邊等大量重要基礎工程通過上述區(qū)域，應即作為重點地面沉降布點和監(jiān)測對象，建立實施專門性工程地面沉降災害防治方案，完善地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡，建立地面沉降的預警體系。

(3)科學規(guī)劃

對于未來阜陽市城鎮(zhèn)規(guī)劃中，應避免在地下水降水漏斗中心附近選址應急水源地，應選擇在水文地質(zhì)條件較好的外圍區(qū)域，對于黏土與砂層較厚的區(qū)域上工程建設應加強對于軟土地基的處理措施以及地面沉降的監(jiān)測。

7 研究結(jié)論

(1)阜陽市高風險性區(qū)域面積為203.7 km2，占研究區(qū)總面積的20.37%，其中主要分布在阜陽市城區(qū)與潁西鎮(zhèn)大部分地區(qū)，并以此區(qū)域為中心向四周擴展。中等風險性區(qū)域面積為681.5 km2，占研究區(qū)總面積的68.15%，其位于研究區(qū)東部和北部。低風險性區(qū)域面積為114.7 km2，占研究區(qū)總面積的11.47%，該區(qū)位于研究區(qū)西部、南部。

(2)結(jié)合阜陽市地質(zhì)條件，從誘發(fā)地面沉降機理條件出發(fā)，從地面沉降現(xiàn)狀、自然因素與人類活動3個方面建立了適用于阜陽市地面沉降的危險性評價指標體系，考慮社會經(jīng)濟條件，從地面高程、單位面積GDP、人口密度與工程重要性4個方面建立易損性評價指標體系，共同組成風險性評價指標體系。并引入層次分析-綜合指數(shù)法評價模型完成開展地面沉降風險性評價研究。

(3)基于研究區(qū)現(xiàn)有地質(zhì)條件與風險評價研究結(jié)果分析，提出具有針對性的地面沉降防治措施，為以后阜陽市國土空間開發(fā)與城鎮(zhèn)規(guī)劃提供地學依據(jù)。

8 不足與展望

本次研究還存在一定的局限性。主要包括：研究在開展風險性評價過程中，鑒于研究區(qū)范圍較大，各工程抗風險等級的基礎數(shù)據(jù)可信度與可獲得性，以及對區(qū)域性整體沉降與差異性沉降的不同表現(xiàn)及其后果研究不夠深入，研究僅僅從宏觀上對研究區(qū)不同區(qū)域地面沉降風險性劃定等級，對于易損性評價中工程重要性指標劃分僅僅從承災體受破壞后造成不利影響程度考慮，層次分析-綜合指數(shù)法受主觀因素影響較大，只能通過經(jīng)驗判斷評價模型對現(xiàn)行情況的合理性。對于下一步研究工作，應進一步提高收集資料數(shù)據(jù)的精度，細化現(xiàn)有評價指標體系，對于重大工程自身具有的設防標準與能力與地面沉降相互關系展開針對性分析，驗證不同評價方法對于現(xiàn)行條件的適用性。