基于AHP和GIS技术的湖南怀化地区岩溶塌陷易发性评价

吴远斌; 刘之葵; 殷仁朝; 雷明堂; 戴建玲; 罗伟权; 潘宗源

doi:10.11932/karst2021y44

基于AHP和GIS技术的湖南怀化地区岩溶塌陷易发性评价

doi: 10.11932/karst2021y44

吴远斌^{1, 2},
刘之葵^1,,
殷仁朝²,
雷明堂²,
戴建玲²,
罗伟权²,
潘宗源^{1, 2}

1.
桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004
2.
中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室/中国地质调查局岩溶塌陷防治重点实验室，广西桂林 541004

基金项目:

中国地质调查项目 DD20190266, DD20160254

国家自然科学基金项目 41867039, 42077273, 41877300

中国地质科学院岩溶地质研究所基本科研业务费项目 2020016, 2015017, 2020002

广西自然科学基金资助项目 2018GXNSFAA294020

详细信息

作者简介:
吴远斌（1987-），男，助理研究员，博士研究生，主要从事岩溶地质灾害监测预警与风险防控工作。E-mail：wuyb86@qq.com。

通讯作者:
刘之葵（1968-），男，教授，博士，博士生导师，主要从事岩土工程方面的研究。E-mail：Liuzhikui@126.com。

中图分类号: P208
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出版历程
- 收稿日期: 2021-09-16
- 发布日期: 2022-02-25
- 刊出日期: 2022-02-25

Evaluation of karst collapse susceptibility in Huaihua area,Hunan Province based on AHP and GIS

1.
College of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004， China
2.
Institute of Karst Geology， CAGS/Key Laboratory of Karst Dynamic， MNR&GZAR/Key Laboratory of Karst Collapse Prevention， CGS， Guilin， Guangxi 541004， China

Funds:

DD20190266, DD20160254

41867039, 42077273, 41877300

2020016, 2015017, 2020002

2018GXNSFAA294020

摘要

摘要: 湖南省怀化市为新兴区域交通枢纽城市，在近年来的大量工程活动影响下，城区发生多起岩溶塌陷灾害，对当地人民群众生命财产安全和城市发展造成较大威胁。依托岩溶塌陷专项地质调查成果，选择岩溶发育程度、到断层的距离、土层结构、土层厚度、岩溶水位波动幅度、岩溶水位与基岩面关系、地下水开采强度、岩溶塌陷密度8个因素作为评价因子，运用层次分析法建立岩溶塌陷易发性多因素判别模型，并系统研究各因素对岩溶塌陷形成的影响作用，确定各因素权重赋值。在此基础上，运用地理信息系统（GIS）技术，对怀化地区进行岩溶塌陷易发性评价，结果显示：怀化地区岩溶塌陷高、中易发区面积分别为107.48 km²、157.13 km²，分别占易发区总面积的34.7%、50.7%；区内穿越岩溶塌陷高易发区、中易发区的各类交通线路长度分别为16.4 km、88.9 km，占穿越易发区总线路长度的12.9%和69.9%，受岩溶塌陷地质灾害威胁较大。
- 层次分析法 /
- GIS /
- 怀化地区 /
- 岩溶塌陷 /
- 易发性评价
Abstract: The scope of this study area mainly involves Hecheng district， Chengdong new district， Hexi district， Zhongfang county from Huaihua city， a regional transportation hub in Hunan Province， with a total area of about 1，122 km². This city borders 1 municipality， Chongqing， and 2 provinces， 1 autonomous region Hubei， Guizhou and Guangxi. The study area has a humid subtropical monsoon climate with mild climate and abundant rainfall.The average rainfall is 1，326.3 mm over the years， and the maximum rainfall is 1，663 mm. April to August is the rainy season， with the largest precipitation accounting for more than 70% of the average precipitation over years. The geomorphic type is the low hill and open valley with tectonic dissolution. Located in the southeast margin of the Yangtze block and on the contact zone of two structural units-Yuanma basin and Xuefeng thrust belt， the geological structure conditions in the study area are complex，with densely developed faults and karst. The soil layer structure in the area is mainly divided into single-layer structure and double-layer structure， respectively which are distributed in the dissolution valley and on both banks of the river in the valley. The groundwater in the karst area is mainly fissure water from carbonatite karst cave， which is recharged by atmospheric rainfall and the outer edge water from the surrounding mountain area with clastic rocks.In recent years， with the acceleration of urbanization and under the influence of a large number of engineering activities， 49 karst collapses （collapse groups） and 111 karst collapse pits have occurred in the area， posing a great threat to people’s lives and property， and urban development. Therefore， it is necessary to carry out the susceptibility evaluation and zoning of karst collapse in Huaihua city， so as to provide geological basis for urban development， and disasters prevention and reduction of engineering construction .In view of the characteristics of covertness and suddenness of karst collapse， comprehensive technical means such as evaluation and monitoring are often used for the prediction and prevention of karst collapse. Among these means， the evaluation of karst collapse susceptibility is an important mean in the current comprehensive prevention and control of karst collapse.The purpose is to judge the possibility of karst collapse from the perspective of geological conditions，and it is the basis for risk and risk assessment in the later stage. Its reliability， practicability and applicability depend on the selection of evaluation methods and evaluation factors.Based on the results of special geological survey of karst collapse， this paper selects eight evaluation factors including karst development degree， the distance to the fault， soil layer structure， soil layer thickness， fluctuation range of karst water level， relationship between karst water level and bedrock surface， groundwater mining intensity and karst collapse density， and establishes a multi-factor discrimination model for karst collapse susceptibility by using analytic hierarchy process. The influence of each factor on the formation of karst collapse is systematically studied， and the weight assignment of each factor is determined. Meanwhile， geographic information system （GIS） technology is used to evaluate the susceptibility of karst collapse in Huaihua area.The evaluation results show that the high and medium prone areas of karst collapse in Huaihua area respectively accounts for 34.7% （107.48 km²） and 50.7% （157.13 km²） of the total prone area. Most of the collapse occurs in these two types of prone areas where exist karst development， thin soil layer and strong groundwater hydrodynamic conditions. The results show that the analytic hierarchy process has good applicability in the evaluation of karst collapse susceptibility in the study area， and the evaluation results have high reliability.The length of various traffic lines passing through high and medium prone areas of karst collapse is 16.4 km and 88.9 km in this area respectively， accounting for 12.9% and 69.9% of the total length of the lines passing through the karst collapse prone area. Which are greatly threatened by karst collapse geological disasters. It is suggested that the risk assessment of karst collapse for important traffic lines should be evaluated， and the management of engineering activities（such as pumping and drainage， pile foundation， blasting vibration， etc.）should be strengthened along the line.
- analytic hierarchy process /
- GIS /
- Huaihua area /
- karst collapse /
- susceptibility evaluation
注释:

1) 吴远斌，刘之葵，殷仁朝，等.基于AHP和GIS技术的湖南怀化地区岩溶塌陷易发性评价［J］.中国岩溶，2022，41（1）：21-33.

2)

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图 1 研究区水文地质略图

Figure 1. Hydrogeological sketch of the study area

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图 2 岩溶塌陷易发性评价指标体系

Figure 2. Evaluation index of karst collapse susceptibility

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图 3 岩溶发育程度分区图

Figure 3. Division of karst development degrees

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图 4 到断层的距离分区

Figure 4. Distance to partition fault

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图 5 第四系土层结构分区

Figure 5. Division of Quaternary soil structure

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图 6 第四系土层厚度分区

Figure 6. Division of Quaternary soil thickness

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图 7 地下水位波动幅度分区

Figure 7. Division of karst groundwater-level fluctuation

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图 8 地下水位与基岩面关系示意图

Figure 8. Schematic diagram of relationship between groundwater level and bedrock surface

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图 9 岩溶水位与基岩面关系分区图

Figure 9. Zoning of relationship between karst water level and bedrock surface

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图 10 地下水开采强度分区

Figure 10. Division of groundwater exploitation intensity

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图 11 岩溶塌陷密度分区

Figure 11. Division of karst collapse density

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图 12 岩溶塌陷易发性分区

Figure 12. Division of karst collapse susceptibility

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图 13 重要交通线路岩溶塌陷易发性分区

Figure 13. Division of karst collapse susceptibility of important traffic lines

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表 1 研究区岩溶塌陷成因统计表

Table 1. Statistical table of causes of karst collapse in the study area

塌陷成因			塌陷坑/个	分项合计/个	所占比例/%
自然因素	暴雨		44	44	39.64
自然因素	天然地水位波动		40	40	36.04
人为因素	抽排水	矿山疏干	8	18	16.22
		基坑抽水	3
		机民井、泉点抽水	7
	工程施工	桩基施工	3	5	4.50
	工程施工	钻探	2	5	4.50
	荷载	地面堆载	1	4	3.60
	蓄水	水田蓄水	1
	蓄水	水库蓄水	2

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表 2 可溶岩层组类型及特征

Table 2. Types and characteristics of soluble rock formations

层组类型	地层	遇洞率/%	平均线岩溶率/%	塌陷密度/个∙10 km^-2	富水性
纯碳酸盐岩	C₂d	20.8	15.3	3.67	强-中等
	CPm	34.8	9.3	5.33	强-中等
	P₂m	23.5	21.6	4.27	强-中等
	P₂q	37.5	12.6	6.81	强-中等
	P₃w	28.3	11.0	0.00	强-中等
	T₁d²	0	/	2.78	贫乏
灰砾岩	K₁s	40	8.3	0.87	中等
碳酸盐岩夹碎屑岩	∈_3-4t	/	/	0.00	贫乏
碎屑岩夹碳酸盐岩	Z	/	/	0.00	贫乏
碎屑岩夹碳酸盐岩	∈_2-3w	/	/	0.00	贫乏

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表 3 岩溶强发育区

Table 3. Strong karst development area

岩溶发育程度分区	分布范围	地层代号	岩溶发育特征及富水性
灰岩强发育区	泸阳—西牛泉一带	CPm、P₂q、P₂m、P₃w	溶蚀谷地地貌；岩溶水点密度0.73 个∙km^-2，塌陷密度0.82 个∙km^-2；钻孔遇洞率60.87%，平均线岩溶率13.85%；泉流量一般11.5~41.56 L∙s^-1，最大流量228.0 L∙s^-1，为强富水。
灰岩强发育区	怀化城区—高铁南站一带	CPm、P₂q、P₂m、P₃w	溶蚀谷地地貌；岩溶水点密度0.46 个∙km^-2，塌陷密度0.20 个∙km^-2；钻孔遇洞率45.45%，平均线岩溶率3.76%；泉流量一般1.0~4.0 L∙s^-1，最大流量15.4 L∙s^-1，为强富水。
白云岩强发育区	分布于白沙—菜门溪村一带	C₂d	溶蚀峰脊谷地地貌，强富水；岩溶水点密度0.55 个∙km^-2，塌陷密度0.55 个∙km^-2；钻孔遇洞率25.0%，单孔线岩溶率1.40%；泉流量一般2.55~5.00 L∙s^-1，最大流量6.80 L∙s^-1，地下河流量最大137.5 L∙s^-1，为强富水。

注：城区—高铁南站一带由于城市化建设，导致大量岩溶泉消失、流量减小。

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表 4 岩溶发育程度赋值

Table 4. Evaluation of karst development degree

岩溶发育程度	影响程度	赋值
强发育区	高影响区	9
中等发育区	中影响区	5
弱发育区	低影响区	1

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表 5 到断层的距离分区赋值

Table 5. Assignment of distance from fault

到断层的距离/m	影响程度	赋值
0~250	高影响区	9
250~500	中影响区	5

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表 6 第四系土层结构赋值

Table 6. Assignment of Quaternary soil structure

第四系土层结构	影响程度	赋值
二元结构	高影响区	9
一元结构	中影响区	5

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表 7 第四系土层厚度赋值

Table 7. Assignment of Quaternary soil layer thickness

第四系土层厚度/m	影响程度	赋值
0~15	高影响区	9
>15	中影响区	5

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表 8 地下水位波动幅度分区赋值

Table 8. Zonal assignment of karst groundwater-level fluctuation

地下水位波动幅度/m⋅a^-1	影响程度	赋值
>5	高影响区	9
2~5	中影响区	5
<2	低影响区	1

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表 9 地下水与基岩面关系

Table 9. Relationship between groundwater and bedrock surface

岩溶水位与基岩面的关系	影响程度	赋值
基岩面附近	高影响区	9
基岩面以下	中影响区	5
基岩面以上	低影响区	1

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表 10 地下水开采强度分区赋值

Table 10. Zoning assignment of groundwater exploitation intensity

地下水开采程度	影响程度	赋值
距机井距离0~250 m	高影响区	9
距机井距离250~500 m	中影响区	5

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表 11 岩溶塌陷密度分区赋值

Table 11. Zoning assignment of karst collapse density

密度/个∙km^-2	影响程度	赋值
>40	高影响区	9
10~40	中影响区	5
<10	低影响区	1

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表 12 条件层B对目标层A的判别矩阵

Table 12. Discriminant matrix of condition layer B to target layer A

A-B	岩溶发育条件B1	覆盖层条件B2	地下水动力条件B3	岩溶塌陷密度B4
岩溶发育条件B1	1	3	2	4
覆盖层条件B2	1/3	1	1/2	2
地下水动力条件B3	1/2	2	1	3
岩溶塌陷密度B4	1/4	1/2	1/3	1

注：一致性检验结果CR=0.011 6<0.1。

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表 13 因子层C对岩溶发育条件B1的判别矩阵

Table 13. Discriminant matrix of factor layer C to karst development condition B1

B1	岩溶发育程度C1	到断层的距离C2
岩溶发育程度C1	1	3
到断层的距离C2	1/3	1

注：一致性检验结果CR=0.000 0<0.1。

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表 14 因子层C对覆盖层条件B2的判别矩阵

Table 14. Discriminant matrix of factor layer C to overburden condition B2

B2	第四系土层结构C3	第四系土层厚度C4
第四系土层结构C3	1	1/3
第四系土层厚度C4	3	1

注：一致性检验结果CR=0.000 0<0.1。

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表 15 因子层C对地下水动力条件B3的判别矩阵

Table 15. Discriminant matrix of factor layer C to groundwater hydrodynamic condition B3

B3	地下水位波动幅度C5	地下水位与基岩面关系C6	地下水开采强度C7
地下水位波动幅度C5	1	2	1/2
地下水位与基岩面关系C6	1/2	1	1/3
地下水开采强度C7	2	3	1

注：一致性检验结果CR=0.008 8<0.1。

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表 16 评价因子对岩溶塌陷易发性影响的权重

Table 16. Weight of evaluation factors on the susceptibility to karst collapse

目标A	岩溶塌陷易发性A
B	岩溶发育条件B1		覆盖层条件B2		地下水动力条件B3			岩溶塌陷密度B4
矩阵B系数	0.467 3		0.160 1		0.277 2			0.095 4
C	岩溶发育C1	到断层的距离C2	第四系土层结构C3	第四系土层厚度C4	地下水位波动幅度C5	地下水位与基岩面关系C6	地下水开采强度C7	岩溶塌陷密度C8
矩阵C系数	0.75	0.25	0.25	0.75	0.297	0.163 4	0.539 6	0.095 4
底层相对于目标层权重	0.350 5	0.116 8	0.120 1	0.040 0	0.082 3	0.045 3	0.149 6	0.095 4

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表 17 重要交通线路岩溶塌陷易发性评价结果

Table 17. Statistics of evaluation results of karst collapse susceptibility of important traffic lines

类型	名称	状态	高易发段/km	中易发段/km	低易发段/km
高速铁路	沪昆高铁	运营		7.9	2.4
	张吉怀高铁	在建		1.3	2.3
	怀邵衡高铁	在建		1.7
	怀桂高铁	规划	1.4	16.3	0.3
普通铁路	湘黔线	运营	6.5	21.6	1.8
	焦柳线	运营	5.0	15.5	0.7
	渝怀复线铁路	在建		7.9	1.2
高速公路	沪昆高速	运营		2.5	1.7
	包茂高速	运营		5.3	5.9
	娄怀高速	运营		3.4	3.0
	绕城高速	运营	3.5	3.9	1.6
	怀芷高速	在建
	怀芷快速干道	在建		1.6	0.9

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