曹艷妮，劉 偉，許墨陶，王愛軍，趙 陽

(1 長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710064； 2 中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北 保定 071051)

0 前 言

國內(nèi)外許多學(xué)者對區(qū)域性災(zāi)害做了大量的研究，內(nèi)容主要涵蓋災(zāi)害損失指標(biāo)體系、災(zāi)害損失評估方法、災(zāi)害區(qū)域劃分原則與原理、災(zāi)害綜合區(qū)域劃分方法、災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)方法、防災(zāi)減災(zāi)對策等[1-4]。對地質(zhì)災(zāi)害的研究方向是進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查，包括災(zāi)害空間分布、原因分析、誘發(fā)因素、危害程度及影響范圍等[5]。本文根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局2016年對陽泉市(陽泉、平定、盂縣)39座礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查基礎(chǔ)上，基于模糊理論和GIS技術(shù)通過對災(zāi)害類型、災(zāi)害數(shù)量、穩(wěn)定性、危害特征、工程活動(dòng)、降雨量、地震活動(dòng)7個(gè)因素對地質(zhì)災(zāi)害的影響，得出陽泉39個(gè)礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度，并提出防治地質(zhì)災(zāi)害對策。以期為陽泉市的礦山地質(zhì)災(zāi)害治理提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，并為其它類似區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害的治理提供參考。

1 區(qū)域概況

1.1 自然地理特征

陽泉市位于山西省東部，是一座新被發(fā)掘的工業(yè)城市。陽泉市北鄰忻州市，東靠石家莊市，西接太原市，南毗晉中市。地理位置東經(jīng)112(°)54(′)～114(°)40(′)，北緯37(°)40(′)～38(°)31(′)，行政區(qū)東西向?qū)挾?2～56 km，南北向長度80～106 km，總面積約4 452 km2。陽泉市位于兩座省會(huì)城市太原與石家莊中間地帶，于北京相距390 km。陽泉為山西省第二個(gè)擁有高鐵動(dòng)車的城市，鐵路連接北京、天津、河北、河南、山東、山西，為晉東鐵路樞紐，還有32條支線或?qū)Ｓ镁€。陽泉?dú)夂蚴芗撅L(fēng)與地形地貌影響，不同區(qū)域氣候有較大差異，總體特點(diǎn)為：四季分明，春季干冷，多風(fēng)少雨；夏季溫度隨地形影響變化較大，年均降雨量較大；秋季晝夜溫差大，濕潤多雨；冬季寒冷干燥，多有西北風(fēng)。年平均降水為505.5～735.4 mm，最高年降水量886.4 mm，最低年降水量240.4 mm；最大日降水量152.1 mm。

1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

陽泉市位于太行山中部西側(cè)、沁水盆地東北部邊緣地帶。區(qū)域內(nèi)地層主要為沉積形成，整體較為平緩，傾向主要為南西。區(qū)域內(nèi)二疊系、三疊系、石炭系、奧陶系、寒武系地層，均有不同厚度的沉積，其它時(shí)代地層均缺失。新華夏構(gòu)造體系與太行斷塊形成的走向北西、傾向南西的單斜基礎(chǔ)上，發(fā)育了大量縱橫交錯(cuò)的平緩褶皺，形成了該區(qū)域特有的地質(zhì)構(gòu)造景觀。含水層組主要為碳酸鹽巖類巖溶水、碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙水、含水巖組碎屑巖類層間裂隙水含水、巖組松散巖孔隙水含水巖組。

2 地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀

礦區(qū)現(xiàn)狀的總體上看北部較好、南部較差、中部最差。造成這種差別的主要原因是采掘業(yè)在礦山分布密集的地區(qū)環(huán)境差，礦山分布較少的地區(qū)環(huán)境較好。同時(shí)與礦山的生產(chǎn)年限、礦體厚度、采礦方法、生產(chǎn)規(guī)模有明顯的關(guān)系。主要地質(zhì)災(zāi)害類型有地裂縫、地面塌陷、泥石流、滑坡、地面沉降和崩塌等[6]。

2.1 地裂縫

從地面裂縫破壞對象來看，其主要受災(zāi)體是居住、水塔、電塔，其次是道路與耕地。損失較大的地面裂縫地質(zhì)災(zāi)害有：平定縣張莊鎮(zhèn)上馬郡頭村地面裂縫，單縫長10～15 m、寬0.2～0.25 m，分布面積0.045 km2，毀壞房屋300間、造成水井干枯，共計(jì)損失170萬元。平定縣冠山鎮(zhèn)水域溝村地面裂縫，單縫長2～3 m、寬0.001～0.1 m，分布面積0.003 km2，毀壞房屋100間，造成水井干枯，經(jīng)濟(jì)損失共計(jì)120萬元。陽泉市郊區(qū)河底鎮(zhèn)關(guān)家峪地面裂縫，縫寬0.2～0.3 m，使400多間房屋遭到嚴(yán)重?fù)p壞，破壞耕地100多畝，共造成經(jīng)濟(jì)損失164萬元。

2.2 地面塌陷

從地面塌陷破壞對象來看，其主要受災(zāi)體是房屋、耕地、水源、水井，其次是道路。境內(nèi)造成較大經(jīng)濟(jì)損失的地面塌陷主要有：盂縣孫家莊鄉(xiāng)西吉村地面塌陷，呈群集式排列，塌陷坑數(shù)5個(gè)，直徑3～10 m，毀壞耕地30畝，破壞房屋50余間，地下水資源遭到嚴(yán)重破壞，共造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)116萬元。

2.3 泥石流

泥石流發(fā)生過程一般歷時(shí)短暫，具突發(fā)性，運(yùn)動(dòng)速度快，呈直進(jìn)式的特點(diǎn)，其危害對象主要是房屋，耕地、道路、堤壩、涵洞等。市內(nèi)泥石流造成損失較大的有：1999年8月13日，盂縣上社鎮(zhèn)、梁家寨鄉(xiāng)發(fā)生泥石流，據(jù)統(tǒng)計(jì)，死亡3人，重傷4人，沖毀道路92 km，沖毀房屋672間，造成危房785間，沖走糧食5 055 kg，沖毀耕地1 613畝、低壓線路1 381 km，沖走雞3 430只、豬27頭、羊1 195只，造成全鄉(xiāng)87人斷糧，821人無房居住，經(jīng)濟(jì)損失巨大。1996年的平定縣發(fā)生泥石流，使60余戶村民院墻倒塌，西郊公路有9.5 km不同程度損壞，造成交通中斷，沖毀農(nóng)田1 950畝，堤壩5 928 m，直接經(jīng)濟(jì)損失350萬元。

2.4 滑坡

滑坡地質(zhì)災(zāi)害的主要的受災(zāi)體是房屋、耕地，其次是道路。市內(nèi)滑坡災(zāi)害危害較大的有：盂縣上社鎮(zhèn)大西里村滑坡，滑坡體積1 000 m3，毀壞房屋10間，威脅人口10人，威脅財(cái)產(chǎn)10萬元，共造成經(jīng)濟(jì)損失40.2萬元。盂縣西潘鄉(xiāng)車谷村滑坡，滑坡體積3 000 m3，毀壞房屋10間，威脅人口30人，威脅財(cái)產(chǎn)20萬元，共造成經(jīng)濟(jì)損失30.3萬元。

2.5 崩塌

由于崩塌多發(fā)生于高陡邊坡處，而人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)及主要建筑物多遠(yuǎn)離這些崩塌體，雖然陽泉市自然及人為崩塌分布較多，但造成地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性較小。據(jù)縣郊地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報(bào)告資料顯示，市內(nèi)共發(fā)現(xiàn)4處崩塌，其中1處為自然崩塌型，其余3處為人工崩塌型。這些崩塌地質(zhì)災(zāi)害均分布于平定縣，主要由降水、修路切坡等人類工程活動(dòng)引起，共造成直接經(jīng)濟(jì)損失5.06萬元。其受災(zāi)體以建筑物為主，其次為道路、耕地。

3 形成條件及誘發(fā)因素

陽泉礦區(qū)處屬山地丘陵，境內(nèi)山巒起伏不平，溝谷縱橫間距大，邊坡坡度較陡，原生地形造就該處地質(zhì)條件較差，本身就容易引發(fā)各類地質(zhì)災(zāi)害。而陽泉市是山西省重要的煤炭開采型城市，煤炭開采具有分布廣、時(shí)間長、程度深等特點(diǎn)。煤炭開采形成了大量的地下采空區(qū)，誘發(fā)了地面裂縫、地面塌陷、邊坡崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；地表煤炭開采形成了大量的高陡邊坡，誘發(fā)了邊坡崩塌與滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。同時(shí)煤炭開采還產(chǎn)生了大量的采礦廢棄物，采礦廢棄物的堆放，也誘發(fā)了廢棄物邊坡崩塌、滑坡及泥石流地質(zhì)災(zāi)害。

4 礦山地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)構(gòu)建

4.1 評價(jià)方法

信息量分析模型通過計(jì)算各個(gè)影響因素對斜坡變形破壞所提供的信息量值，作為區(qū)劃的定量指標(biāo)，既能正確地反映地質(zhì)災(zāi)害的基本規(guī)律，又簡單方便[7]。計(jì)算原理與過程如下：

1)計(jì)算單因素(指標(biāo))xi提供斜坡失穩(wěn)(A)的信息量I(xi/A)：

(1)

式中P(xi/A)——斜坡變形破壞條件下出現(xiàn)xi的概率；

P(xi)——礦區(qū)內(nèi)指標(biāo)xi出現(xiàn)的概率。

具體運(yùn)算時(shí)，總體概率用樣本頻率代替，即：

(2)

式中S——礦區(qū)總數(shù)；

N——已知樣本中變形破壞的礦區(qū)總數(shù)；

Si——有xi的礦區(qū)個(gè)數(shù)；

Ni——有指標(biāo)xi的變形破壞礦區(qū)個(gè)數(shù)。

2)計(jì)算某一單元P種因素組合情況下，提供斜坡變形破壞的信息量Ii，即：

(3)

3)根據(jù)Ii的大小，給調(diào)查礦區(qū)內(nèi)確定穩(wěn)定性等級。Ii<0，表示該礦區(qū)內(nèi)變形破壞的可能性小于礦區(qū)平均變形破壞的可能性；Ii=0，表示該礦區(qū)變形破壞的可能性等于礦區(qū)平均變形破壞的可能性；Ii>0，表示該礦區(qū)單元變形破壞的可能性大于礦區(qū)平均變形破壞的可能性；即單元信息量值越大，斜坡變形破壞越嚴(yán)重。

4)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析(主觀判斷或聚類分析)找出突變點(diǎn)作為分界點(diǎn)，將區(qū)域分成不同等級。評價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均為定量描述的數(shù)據(jù)，須采用標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化、均勻化，或?qū)?shù)、平方根等數(shù)值變換方法統(tǒng)一量綱，方可代入評價(jià)模型[8]。

4.2 評價(jià)指標(biāo)體系

本次地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度評價(jià)即以各企業(yè)礦區(qū)為評價(jià)單元進(jìn)行。評價(jià)指標(biāo)如圖1。

圖1 陽泉礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度評價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)前述分析，陽泉礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度評價(jià)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重(表1)。

表1 陽泉礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度評價(jià)各個(gè)指標(biāo)權(quán)重分配

4.3 評價(jià)指標(biāo)

評價(jià)指標(biāo)包括定量和定性兩個(gè)指標(biāo)體系。對于定量指標(biāo)，如災(zāi)害數(shù)量取其具體數(shù)字，并作適當(dāng)?shù)臄?shù)值變換；對于定性指標(biāo)，如災(zāi)害類型、穩(wěn)定性及危害特征等，建立一個(gè)評價(jià)指標(biāo)的分級劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)對應(yīng)不同級別的相對貢獻(xiàn)來取值。具體指標(biāo)量化如下：

1)災(zāi)害類型

陽泉礦區(qū)已有地質(zhì)災(zāi)害類型指標(biāo)包括地裂縫、地面沉陷、泥石流、滑坡和崩塌。在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評價(jià)時(shí)，按各礦區(qū)內(nèi)發(fā)生的災(zāi)害類型數(shù)與總災(zāi)害類型數(shù)5的比值。

2)災(zāi)害數(shù)量

按各礦區(qū)范圍內(nèi)災(zāi)害數(shù)量與礦區(qū)面積的比值統(tǒng)計(jì)。為了使賦分更加客觀合理，具體計(jì)算時(shí)按泥石流、地面沉陷、地裂縫、滑坡和崩塌5類分別進(jìn)行。之后，再依據(jù)采煤沉陷區(qū)不同災(zāi)種危害程度分別按0.4、0.25、0.2、0.1和0.05權(quán)重統(tǒng)計(jì)。

3)穩(wěn)定性

災(zāi)害的穩(wěn)定性可按穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和不穩(wěn)定3種狀態(tài)衡量。具體計(jì)算時(shí)將不穩(wěn)定狀態(tài)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度系數(shù)定義為1，基本穩(wěn)定狀態(tài)的定義為0.6，穩(wěn)定狀態(tài)的定義為0。

4)危害特征

可以根據(jù)災(zāi)害威脅到的具體生命財(cái)產(chǎn)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)。陽泉礦區(qū)各類地質(zhì)災(zāi)害主要影響或威脅的對象有居民、房屋、道路、電力基礎(chǔ)設(shè)施、耕地、林地、荒地等。具體計(jì)算時(shí)將影響或威脅到人員的災(zāi)害發(fā)育度系數(shù)定義為1，影響或威脅到房屋的定義為0.8，影響或威脅到道路或電力設(shè)施的定義為0.6，影響或威脅到耕地或林地的定義為0.4，影響或威脅到荒地的定義為0。

5)人類工程活動(dòng)

具體計(jì)算時(shí)將采空區(qū)引發(fā)滑坡的災(zāi)害發(fā)育度系數(shù)定義為1，露天開采形成高陡邊坡引發(fā)滑坡的定義為0.9，廢棄物堆放引發(fā)泥石流的定義為0.8，廢棄物堆放引發(fā)滑坡的定義為0.7，地下開采引發(fā)地裂縫的定義為0.6，地下開采引發(fā)地面沉陷的定義為0.5，露天開采形成高陡邊坡引發(fā)崩塌的定義為0.4。

6)降雨量

根據(jù)陽泉市的降雨特性，依據(jù)陽泉市氣象局多年的統(tǒng)計(jì)資料可知具體計(jì)算時(shí)按行政區(qū)定量，將降水量大于566 mm(市、郊區(qū))、550 mm(盂縣)、505.5 mm(平定)的災(zāi)害發(fā)育度系數(shù)定義為1，介于歷史年最大降水量和歷史年最小降水量的定義為0.5，小于歷史年最小降水量的定義為0。

7)地震活動(dòng)

陽泉市地震烈度為Ⅵ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40～0.45 s，抗震設(shè)防烈度7度，全區(qū)基本一致。另據(jù)歷史記載，陽泉市及鄰區(qū)5級以上地震很少。所以此項(xiàng)指標(biāo)對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度的影響較小，均按0.1計(jì)算。

4.4 基于GIS的模糊綜合評判

在前述評價(jià)指標(biāo)分析和數(shù)據(jù)量化的基礎(chǔ)上，首先，應(yīng)用ArcGIS系統(tǒng)的空間疊加與統(tǒng)計(jì)功能，統(tǒng)計(jì)每一評價(jià)單元的所有指標(biāo)值，得到數(shù)字矩陣的計(jì)算結(jié)果；然后，再利用ArcGIS平臺提供的分析計(jì)算功能，將各評價(jià)單元數(shù)據(jù)按照權(quán)重分配結(jié)果(表1)進(jìn)行疊加計(jì)算。經(jīng)過對各個(gè)因子信息的疊加計(jì)算，得到評價(jià)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度評價(jià)結(jié)果[9]。

數(shù)據(jù)歸一化處理后，將各種災(zāi)害數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，之后按下式計(jì)算，最后將各因素進(jìn)行圖形疊加，形成評判成果圖。計(jì)算公式(4)：

(4)

式中B——崩滑流發(fā)育程度指數(shù)；

bi——評價(jià)因素；

ri——權(quán)重。

各單元確定的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，見表2：

表2 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)

4.5 分區(qū)評價(jià)結(jié)果

依據(jù)陽泉礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度評價(jià)結(jié)果可知，調(diào)查范圍內(nèi)的39個(gè)采煤沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害均有不同程度的發(fā)育。

4.5.1 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度高

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度高的區(qū)域分布南婁鎮(zhèn)大賢村、南婁鎮(zhèn)攔掌村(金恒煤業(yè))、南婁鎮(zhèn)坡頭村、秀水鎮(zhèn)中蘭村、南婁鎮(zhèn)王家灣村、南婁鎮(zhèn)大溝村。調(diào)查區(qū)內(nèi)6個(gè)礦區(qū)屬于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度高的，面積46.327 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的18.24%，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)133處，以地裂縫為主，如圖2。

圖2 陽泉礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度分區(qū)

4.5.2 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度低

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度低的區(qū)域分布南婁鎮(zhèn)東南關(guān)村、南婁鎮(zhèn)南上社村(二景和諧煤業(yè))、南婁鎮(zhèn)北上社村、南婁鎮(zhèn)攔掌村(東垴煤業(yè))、南婁鎮(zhèn)秀寨村、南婁鎮(zhèn)南上社村(上社晉玉煤業(yè))、南婁鎮(zhèn)香河村。調(diào)查區(qū)內(nèi)7個(gè)礦區(qū)屬于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度低，面積50.733 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的19.97%，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)108處，基本是地裂縫和地面塌陷，如圖2。

4.5.3 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度中等

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度中等的區(qū)域分布在南婁鎮(zhèn)大溝村、路家村鎮(zhèn)石坡峪村、孫家莊鎮(zhèn)東坪村、路家村鎮(zhèn)路家村、路家村鎮(zhèn)觀溝村、路家村鎮(zhèn)劉家村、孫家莊鎮(zhèn)東坪村、路家村鎮(zhèn)清城村、家村鎮(zhèn)滴水崖村、路家村鎮(zhèn)大黃溝村、孫家莊鎮(zhèn)石店村、南婁鎮(zhèn)南上社村、蔭營鎮(zhèn)、平坦鎮(zhèn)中莊村、舊街鄉(xiāng)測石村、河底鎮(zhèn)鄧家峪村、燕龕鄉(xiāng)程莊村、陽泉市南莊路、河底鎮(zhèn)北莊村西、平坦鎮(zhèn)辛興村、平坦鎮(zhèn)坡頭村、舊街鄉(xiāng)棗園村。調(diào)查區(qū)內(nèi)26個(gè)礦區(qū)屬于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度中等的，面積最大，共156.988 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的61.79%，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)952處，仍以地裂縫和地面塌陷為主，伴隨有滑坡及泥石流，如圖2。

5 結(jié) 論

整個(gè)陽泉市研究區(qū)域,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度高區(qū)是危險(xiǎn)性最大的地區(qū)，因此所采取的保護(hù)措施是布設(shè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點(diǎn)，對災(zāi)害點(diǎn)處進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對地質(zhì)災(zāi)害處，還應(yīng)豎立警示牌并對周圍地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測評估，人口密集區(qū)或地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重時(shí),要適當(dāng)進(jìn)行人口遷移；中發(fā)育區(qū)危險(xiǎn)性相對較小,可采取必要的治理措施如卸荷、護(hù)坡、填充等,方能進(jìn)行一定規(guī)模的投資建設(shè)；低發(fā)育區(qū)是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)警和群測群防的非重點(diǎn)地區(qū)，可按時(shí)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)采取工程措施修復(fù)。