三河市齐心庄—高楼一带岩溶塌陷风险评价研究
摘要： 文章充分收集了研究区的地质资料，分析研究了齐心庄-高楼一带岩溶发育特征，运用模糊综合评判法[1]。文章选取岩溶条件、覆盖层条件、地下水条件、地质构造、地形地貌5个一级因素，采用经验法确定各一级因素和二级因素的权重，建立层次模糊数学预测模型，划分了稳定性好Ⅰ、稳定性中等Ⅱ、稳定性较差Ⅲ、稳定性差Ⅳ共4个岩溶塌陷级别。为实验区的经济建设、工程选址提供基础资料；为预防地面塌陷地质灾害提供科学依据。
Abstract： In order to investigate the karst development characteristic for the test region， this paper analyzes and collects geological data of the experimentation area. The study area， utilizing the empirical method to determine weights of the 5 first factors in the hierarchical fuzzy mathematics forecast model， was divided into 4 karst collapse levels by the fuzzy comprehensive evaluation method[1]， good， middle， bad and worse. The 5 first class factors are karst condition， coverage condition， groundwater condition， geological structure and topographic features. The research conclusions can provide basic data for the project and better economic development in the test region， prevent ground subsidence geological disasters and provide scientific basis， in order to achieve the purpose of disaster prevention and mitigation.
关键词： 岩溶条件；岩溶塌陷；模糊综合评判法；风险评价
Key words： karst condition；karst collapse；fuzzy comprehensive evaluation method；risk assessment
中图分类号：P642.252 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）18-0166-04
0 引言
齐心庄-高楼一带为岩溶发育区，大胡庄村3年内发生2次地面塌陷[2]，部分地段地面沉降较快，初步开展了相关地面塌陷成因和分析。研究区基底灰岩岩溶洞隙发育，连通性好；灰岩上覆粘土层的不连续发育，有利于岩溶水和第四系孔隙水的连通，第四系中的冲洪积粉质粘土及砂土有利于土洞的形成、发展，地下水开采、人类工程活动等因素，导致地面塌陷的不断发生。
本次是在充分研究岩溶条件及塌陷成因机理的基础上，选定了适合本区域评价因子及参数，运用模糊综合评判法，建立适合本区域岩溶塌陷评价因子和评判指标，开展岩溶塌陷风险评价，为该区经济建设、工程选址提供基础资料，为预防地面塌陷地质灾害提供科学依据，以达到防灾减灾的目的。
1 研究区地质背景
1.1 地层 研究区除孤山有小面积的奥陶系灰岩出露，大面积为第四纪地层覆盖，下伏基岩主要为新元古界青白口系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系地层。
1.2 构造 研究区位于中朝准地台（I）华北断拗（Ⅱ）冀中台陷（Ⅲ）的次级构造单元大兴断凸（Ⅳ）。断裂有大洛泡断裂、燕郊断裂、夏垫断裂等[3]。在这些大断裂之间，还发育一系列北北东至北东向断层，断层性质基本上属平移断层，倾向南东，倾角60-70°。由于上述构造的影响，岩溶裂隙发育，形成了皮各庄-高庙-齐心庄强富水区。
2 水文地质条件
2.1 主要含水層 研究区位于潮白河、鲍邱河冲积平原水文地质区，主要含水层为新生界第四系松散岩类孔隙含水层和深层古生界奥陶系[4]碳酸盐岩含水层。
第四系冲洪积松散岩类孔隙含水层：区内广泛分布，含水层岩性为亚砂土、亚粘土夹粉细砂、细砂、中砂和粗砂，厚度0-450m，单井出水量一般在1200-2000m3/d，部分地段单井出水量仅有50-200m3/d，单位涌水量10-15 m3/h·m，矿化度0.322-0.550g/L，pH值7.8-8.1，水化学类型为HCO3-Ca-Na和HCO3-Na-Ca型，局部地段含氟化物较高达1.0-4.8mg/L。
奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层：分布齐心庄、高庙至皮各庄一带，为隐伏在山前冲洪积平原第四系地层之下的奥陶系中下统岩溶裂隙含水层，岩性以石灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩、白云岩为主，厚度900-1100m，含水层埋深88.70-335.84m。
2.2 地下水补给径流条件 研究区位于燕山南麓丘陵区与山前冲洪积平原的交接地带，地下水补给径流排泄条件较好，直接接受大气降水、地表水和地下径流的侧向补给，并向下游中部平原排泄。100m以上浅层第四系含水层水位与河水水位动态变化基本一致，深层第四系与基岩含水层水位虽经大量开采有较大幅度的下降，但仍随季节变化而变化，说明补给来源仍为降水和地表水渗入。自1999年之后，连续干旱，年降水量小于多年平均值，河流断流，地下水位大幅下降。
区域地下水水流场以夏垫断裂为界，以西地下水流向自西北向东南流，并在齐心庄至幸福庄之间出现一个高水位区，反映了基岩裂隙岩溶含水层对第四系含水层的顶托补给。夏垫断裂以东总的地下水流向为自北向南，低水位由于大厂夏垫和三河泃阳镇地下水位下降漏斗的干扰，地下水流场有所改变，但总的规律仍反映出本区地下水含水层的补给来源：①来自西北方向潮白河冲洪积扇和岩溶含水层的侧向补给；②来自北及东北方向泃河冲洪积扇的地下径流补给。
2.3 地下水動态特征 1999年以来，连年干旱、地下水开采量不断加大，第四系地下水水位与埋深总体呈下降趋势。一般5月份达到最低值，6-7月雨季到来，降雨量增大，地下水开采量减少，水位有所回升。低水位期一般在6月，水位埋深25-35m左右，高庙水源地周边大于30m，齐心庄水源地小于25m。高水位期一般在3月，水位埋深15-30m左右，高庙水源地周边大于25m，齐心庄水源地小于20m。
上世纪90年代初水源地地质勘查时基岩含水层水位埋深3m左右，2011年已达到30-35m以下，年平均水位下降2m左右；一年中的地下水位动态受控于农田灌溉的抽水量及降水量。低水位期出现在5-6月，埋深35-42m，皮各庄、黄辛庄、高楼辛庄、高庙一带水位埋深大于40m。高楼、程官营至康家湾一带埋深36-40m。齐心庄一带埋深小于36m。高水位期出现在3月，埋深29-37m，皮各庄、黄辛庄、高楼辛庄、高庙一带水位埋深大于35m。高庙、高楼一带埋深30-35m。齐心庄一带埋深小于30m。
3 工程地质条件
研究区工程地质特征除受地貌、地层岩性、地质构造条件制约外，还受水文地质条件、自然地质作用和人类工程活动的直接影响。区内岩土介质可划分为岩体和土体两大类。按照建造类型、结构类型并结合强度，又进一步划分为中厚层状较坚硬—软弱砂岩、泥岩夹炭质页岩岩组；厚层状坚硬—较坚硬灰岩、白云岩岩组。土体又进一步划分为砂砾石、砂性土、粘土层。
4 岩溶发育特征
研究区岩溶发育主要为古生代和新生代两个时期，以古生代岩溶发育为主[5]。在奥陶纪末至中石炭纪这段一亿多年的历史时期，整个华北基本上处于海平面以上，使岩石遭受长期的剥蚀溶蚀，当时地表一定深度产生了溶洞及溶痕，并未风化残余矿物充填[6]。从本区处于大兴断凸构造相对较高的部位，上覆的中生界、古生界等中上部地层遭受了强烈的剥蚀，从而使大部分地区的奥陶系灰岩直接与新生界接触，进而成为该区溶蚀孔、洞最为发育的层位。中石炭纪初，地壳开始下降接受沉积，从而结束此期岩溶化作用。白垩纪之后，受喜山运动的影响，由于强烈断块抬升而与华北平原分离，开始了一个新的岩溶发育期，在包气带或地下水垂直循环带发育一些垂向洞穴或溶蚀裂隙，对前期发育的岩溶进行了改造和叠加[7]。
4.1 岩溶形态 岩溶形态以溶隙为主，溶孔、溶洞次之。工作区内收集钻孔25孔。洞隙可见率为100%，溶孔可见率为76%，钻孔遇洞率32%。齐心庄镇附近10个钻孔中，溶孔可见率为90%，溶洞可见率为60%。洞隙宽度一般为0.1-3cm，部分由粘土和方解石充填，溶孔直径一般小于5cm，多呈蜂窝状和网格状密集分布，部分被粘土和方解石充填，连通性较差。岩溶强发育带多位于纯灰岩层及构造断裂带和古潜山山峰地区。单个溶洞最大可见高度3.16m，单孔累计溶洞高度最大达8.67m。
4.2 岩溶发育与岩性关系密切 在质地较纯的灰岩中岩溶发育，是形成溶洞的主要岩性。在泥质和非可溶物质含量较高的灰岩中岩溶发育较弱，多发育溶孔。中奥陶地层岩性以较纯的灰岩为主，岩溶发育较强，下奥陶统及寒武系地层中岩性含泥质、白云质成分较多，岩溶相对发育较弱。
4.3 岩溶发育受埋藏条件控制明显 岩溶发育程度随埋藏深度的减少而增大，从而形成了皮各庄、高庙和齐心庄三个浅埋区的强富水地段，尤其以齐心庄最为明显。在此三个浅埋地段，岩溶发育强度明显高于深埋地段。盖层岩性不同，其岩溶发育也有差异：盖层为第四系地层的地段，岩溶发育强度比石炭、二叠系埋藏地段的要强。因为第四系沉积前基岩侵蚀基准面愈低，岩溶发育的深度及强度随之也愈大。如齐心庄“古潜山”区的岩溶发育段为171.8-295.7m之间，而鲍丘河深切河谷地段岩溶相对强发育段为397.0-431.5m。这种差异，实质上反映了水动力条件对岩溶发育的影响。
4.4 岩溶发育受构造影响明显 在断层附近地段，岩层破碎，裂隙岩溶发育较强，而远离断层的地段，裂隙岩溶发育较弱。另外在构造发育的部位，裂隙岩溶的发育的深度也相对较大，而离断层远的地段岩溶发育深度较小。
4.5 岩溶发育深度 根据该地区钻孔资料成果，岩溶发育深度较大，其中西北部G12孔岩溶发育深度440.42m仍未揭穿。南部万家庄G25孔岩溶发育深度达431.50m。东南部覆盖层厚度最大达450m。推测本区基岩最低侵蚀基准面埋深不小于500m，裂隙岩溶发育的底界亦不小于500m。
5 岩溶塌陷风险区划
5.1 岩溶塌陷风险评价
①岩溶塌陷风险评价方法。岩溶地面塌陷风险性评价方法较多，本次评价采用模糊综合评判法[8]，选取了岩溶条件、覆盖层条件、地下水条件、地质构造、地形地貌5个一级因素。每一个一级因素又划分1-3个二级因素，共9个二级因素。采用经验法确定各一级因素和二级因素的权重，建立层次模糊数学预测模型，将评价结果（A）划定为预测集：A={稳定性好（a1）、稳定性中等（a2）、稳定性较差（a3）、稳定性差（a4）}。在所建立的模型中，评价单元j所构成的相应模糊子集为：Bj={B1，B2，B3，B4，B5}T和Cj={C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9}T。其评判指标的稳定性分级标准见表1。
②层次因子的确定。选取岩溶条件（岩溶地层、岩溶发育程度）、覆盖层条件（土层厚度、第四系底部岩性、土层结构）、构造条件（距断裂距离）、地下水条件（第四系水位变幅、基岩裂隙水变幅）、地形地貌条件（地貌单位）等5个条件共9个因子作为模糊层次评判预测因子，由此得出评估区岩溶地面塌陷预测的层次结构模型，如图1。
③预测因子权重的确定。根据本区岩溶塌陷条件及影响因素分析，所选用的权重，采用经验法，参考《唐山市岩溶塌陷区域风险评价》风险因子及风险比值[9]，确定一套试算权重初值，选择大胡庄地已发生塌陷区和其他未发现塌陷的不同类型单元进行权重反演，弱相差太大时，再对权重进行调整，经过多次调试后确定的计算权重如表2。
5.2 岩溶塌陷风险性分区 通过将调查区及东部齐心庄镇岩溶发育区范围，按照1km×1km划分72个网格，并生成Label点。然后分别将岩溶地层岩性、岩溶发育程度、覆盖层厚度、土层岩性、土层结构、距断裂的距离、第四系水位变幅、基岩岩溶裂隙水位变幅、地貌单元等属性进行赋值。通过计算得出每个单元的评价结果，然后再利用MAPGIS软件中空间分析-DTM分析-离散数据网格化-平面等值线绘制，形成实验区1：25000比例尺的岩溶塌陷风险区划图（图2）。
环境地质、地下水开采及其他人类工程活动资料。评价方法采用模糊综合评判法，选取了岩溶条件、覆盖层条件、地下水条件、地质构造、地形地貌5个一级因素，每个一级因素又分1-3个二级因素，共9个二级因素。将评价区按照1km×1km网格，划分72个评价单元。根据经验值进行反复试算，确定各因素权重。按最大隶属度原则，计算各单元评判结果。划分了稳定性好（Ⅰ）、稳定性中等（Ⅱ）、稳定性较差（Ⅲ）、稳定性差（Ⅳ）4个级别。参考文献：
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