董加強(qiáng)，李 偉，石 婷

（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北 滄州 061000）

0 引言

地面沉降是由土層壓縮而引起地面標(biāo)高降低的一種常見(jiàn)而緩慢的地質(zhì)現(xiàn)象［1］，日益嚴(yán)峻的地面沉降災(zāi)害會(huì)造成地面高程降低、城市內(nèi)澇積水、影響南水北調(diào)引水工程安全、河道防洪排瀝能力降低、影響油田正常開(kāi)發(fā)等一系列災(zāi)害［2-3］，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)刂卮蠊こ探ㄔO(shè)和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

地面沉降易發(fā)區(qū)是指地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地下水動(dòng)態(tài)變化和氣候等條件容易或者可能引發(fā)或加劇地面沉降的區(qū)域［4］。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)是以基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境條件（內(nèi)在控制因素）為出發(fā)點(diǎn)，靜態(tài)考察地質(zhì)災(zāi)害在相對(duì)穩(wěn)定的孕災(zāi)環(huán)境中發(fā)生的可能性大小［5］。

通過(guò)對(duì)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件和地質(zhì)災(zāi)害的分布與發(fā)育特征的分析，利用模型方法實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害空間發(fā)生的可能性大小的區(qū)劃，科學(xué)評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性，可為國(guó)土規(guī)劃、地質(zhì)災(zāi)害防治和監(jiān)測(cè)預(yù)警提供基礎(chǔ)依據(jù)［6］，為合理調(diào)整防控措施提供決策依據(jù)，為地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)?；疑P(guān)聯(lián)度分析法來(lái)源于灰色理論，是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度，作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法，可以減少人為因素的主觀判斷。筆者針對(duì)獻(xiàn)縣地面沉降影響因子，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法建立評(píng)價(jià)模型，對(duì)獻(xiàn)縣地面沉降發(fā)育易發(fā)性進(jìn)行分區(qū)，并提出防治建議。

1 區(qū)域概況

河北省獻(xiàn)縣地處冀中平原，位于滄州市西部，東部與滄縣相鄰，南部與泊頭市和衡水市武強(qiáng)縣相靠，西部與衡水市饒陽(yáng)縣和肅寧縣相接，北部與河間市相連，下轄18 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積1174 km2，全縣常住人口56.93 萬(wàn)，是京津冀都市圈、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈縣之一，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。

獻(xiàn)縣屬?zèng)_積扇平原與沖積平原的交接地區(qū)，地勢(shì)平坦，海拔10～15 m，坡降約萬(wàn)分之一。人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)地貌形態(tài)破壞較大。獻(xiàn)縣屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春季干燥多風(fēng)，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季干燥寒冷。年平均氣溫11 ℃，年平均降水量560.7 mm。境內(nèi)主要有滏陽(yáng)河、滏陽(yáng)新河、滹沱河、子牙河、子牙新河等5 大河流。縣境西部滏陽(yáng)河與滹沱河交匯的三角地帶為滯洪區(qū)，俗稱“四十八村”，是全國(guó)重點(diǎn)蓄滯洪區(qū)之一。獻(xiàn)縣全境被第四系覆蓋，沉積厚度360～480 m，巖性多為砂、砂礫、粘性土層交錯(cuò)的巨厚松散砂粘土互層。

獻(xiàn)縣區(qū)域按地下水埋藏條件及動(dòng)力特征，將第四系松散巖類孔隙水分為淺層地下水（潛水或微承壓水）與深層地下水（承壓水）2 種類型。

淺層地下水賦存于全新統(tǒng)（Q4）地層，底界深度30～40 m，含水層以粉砂為主，少量細(xì)砂，厚度7～15 m，條帶狀分布，單位涌水量＜1 m3/h·m，為潛水-微承壓水，動(dòng)態(tài)類型為入滲-蒸發(fā)型。深層地下水底界埋深480～550 m，含水層巖性為粉砂、細(xì)粉砂等，砂層厚度10～60 m，單位涌水量1～5 m3/h·m。其補(bǔ)給來(lái)源主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，其次是上覆含水層的越流補(bǔ)給，其動(dòng)態(tài)類型為開(kāi)采-疏干型。

2 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀

獻(xiàn)縣地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育類型主要為地面沉降，具有影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)展時(shí)間緩慢、成因機(jī)制復(fù)雜及防治難度大等特點(diǎn)［7］。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獻(xiàn)縣地面沉降發(fā)育普遍，縣域內(nèi)沉降發(fā)育程度不一，沉降速率不同，商林鎮(zhèn)累計(jì)沉降量已超過(guò)1600 mm，沉降量較低區(qū)域在1000 mm 左右（圖1）。近5 年獻(xiàn)縣境內(nèi)沉降速率最大值發(fā)生于2017 年，為81 mm/a，近2年整體有減緩趨勢(shì)，縣域內(nèi)沉降速率發(fā)育不均勻，最大沉降速率為50 mm/a 以上，最小沉降速率為20 mm/a 以下（圖2）。

圖1 累計(jì)地面沉降量Fig.1 Accumulated land subsidence

圖2 沉降速率Fig.2 Rate of land subsidence

3 地面沉降影響因子

地面沉降影響因子較多且關(guān)系復(fù)雜，大量研究表明，地下水資源不合理開(kāi)發(fā)利用是誘發(fā)地面沉降的主要因素［8］，第四系厚度是產(chǎn)生地面沉降的內(nèi)部影響因素，汪洋等［9］提出第四系地層厚度與地面沉降量大體呈正相關(guān)趨勢(shì)；杜東等［10］在北京市通州區(qū)地面沉降特征與影響因素研究中，提出了路網(wǎng)密度大小與地面沉降嚴(yán)重程度呈正相關(guān)。路網(wǎng)密度即區(qū)域路網(wǎng)長(zhǎng)度與區(qū)域面積的比值，用來(lái)代表影響地面沉降的動(dòng)載荷。

充分考慮研究區(qū)潛在地面沉降強(qiáng)度和現(xiàn)狀地面沉降強(qiáng)度［11］，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景、地下水水文地質(zhì)條件、沉降發(fā)展現(xiàn)狀及現(xiàn)有社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀，確定研究區(qū)6 個(gè)影響因子，分為潛在地面沉降影響因子與現(xiàn)狀地面沉降影響因子［9］。其中，潛在地面沉降強(qiáng)度影響因子為：淺層地下水水位、深層地下水水位、第四系厚度；現(xiàn)狀地面沉降影響因素為：累計(jì)沉降量、沉降速率、路網(wǎng)密度。

4 影響因子權(quán)重

本文根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度原理建立評(píng)價(jià)模型，確定研究區(qū)地面沉降各影響因子權(quán)重，減少人為因素主觀判斷，使權(quán)重更客觀，定量分析各影響因子間關(guān)系［12-13］。

首先確定評(píng)價(jià)單元，本次評(píng)價(jià)以獻(xiàn)縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位，將評(píng)價(jià)區(qū)分為18 個(gè)評(píng)價(jià)單元。將影響因子量化賦值，結(jié)合文獻(xiàn)資料及獻(xiàn)縣整體地質(zhì)情況，按相等組距、相等分裂的方法將影響因子分為4 個(gè)等級(jí)并賦值（見(jiàn)表1）。

表1 地面沉降影響因子及賦值Table 1 Impact factors and assignments of land subsidence

然后對(duì)各影響因子根據(jù)2020 年滄州市地面沉降監(jiān)測(cè)報(bào)告、2020 年地下水統(tǒng)測(cè)結(jié)果、河北省北京市天津市區(qū)域地質(zhì)志和中國(guó)分層級(jí)道路矢量數(shù)據(jù)（OSM），將獻(xiàn)縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（評(píng)價(jià)單元）評(píng)分賦值，形成數(shù)列，Xi=｛X0，X1，X2，X3，X4，X5｝=｛累計(jì)沉降量，沉降速率，淺層地下水水位，深層地下水水位，第四系厚度，路網(wǎng)密度｝，Yj=｛Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9，Y10，Y11，Y12，Y13，Y14，Y15，Y16，Y17，Y18｝=｛張村鄉(xiāng)，陌南鎮(zhèn)，樂(lè)壽鎮(zhèn)，商林鄉(xiāng)，十五級(jí)鄉(xiāng)，淮鎮(zhèn)，高官鄉(xiāng)，臨河鄉(xiāng)，韓村鎮(zhèn)，本齋回族鄉(xiāng)，陳莊鎮(zhèn)，段村鄉(xiāng)，郭莊鎮(zhèn)，河城街鎮(zhèn)，壘頭鄉(xiāng)，南河頭鄉(xiāng)，西城鄉(xiāng)，小平王鄉(xiāng)｝，由Xi和Yj形成賦值結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 地面沉降災(zāi)害分值數(shù)據(jù)Table 2 Land subsidence disaster score data

鳳尾魚(yú)片的最佳優(yōu)化工藝參數(shù)為：100 g魚(yú)肉，3 g精鹽，2 g雞精，5 g五香粉，5 g胡椒粉，10 g土豆淀粉，5 g白糖，0.1 g味特鮮，0.1 g蔥粉，0.1 g姜粉，10 g黃酒，5 g白酒：烘干工藝：每10 dm2 120 g，微波功率3 kW，烘干時(shí)間12 min。

表3 賦值無(wú)量綱化數(shù)據(jù)Table 3 Assignment of dimensionless data table

以數(shù)列X0為參比數(shù)列，對(duì)表3 數(shù)據(jù)計(jì)算：

得到絕對(duì)差數(shù)列（表4）。

表4 絕對(duì)差數(shù)列Table 4 Absolute difference sequence

根據(jù)表4 得 到Δmin=0.01411，Δmax=1.60471，計(jì)算關(guān)聯(lián)度：

其中，ρ為分辨系數(shù)，取值［0，1］，其不影響關(guān)聯(lián)序，一般取值0.5。計(jì)算得數(shù)列Xj對(duì)參考數(shù)列X0的關(guān)聯(lián)系數(shù)，見(jiàn)表5。

表5 Xj對(duì)X0關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 5 Xj to X0 correlation coefficient

根據(jù)關(guān)聯(lián)度公式：

由表5 計(jì)算數(shù)列Xj對(duì)參考數(shù)列X0的關(guān)聯(lián)度，得到表6。

表6 Xj與X0的關(guān)聯(lián)度Table 6 The correlation between Xj and X0

求矩陣R各行平均值)，i=0，1，2，……，5。根據(jù)式（4）計(jì)算各影響因子權(quán)重（見(jiàn)表7）。

表7 影響因子權(quán)重Table 7 Influence factor weight

根據(jù)影響因子權(quán)重計(jì)算結(jié)果，對(duì)各因子進(jìn)行排序，深層地下水位影響權(quán)重最大，其次依次為淺層地下水位、第四系厚度、沉降速率、累計(jì)沉降量、路網(wǎng)密度。

5 易發(fā)區(qū)劃分

采用綜合指數(shù)法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地面沉降易發(fā)分區(qū)。

（1）單元柵格劃分。將獻(xiàn)縣縣域進(jìn)行柵格劃分，每個(gè)柵格大小1 km×1 km，共分為1130 個(gè)單元柵格。

（2）影響因子指數(shù)計(jì)算。對(duì)各柵格進(jìn)行影響因子評(píng)價(jià)賦值，按照綜合易發(fā)性指數(shù)計(jì)算公式（5），用加權(quán)的方法計(jì)算各柵格單元地面沉降易發(fā)性指數(shù)（G值）。

（3）綜合指數(shù)處理。利用ArcGIS 空間分析功能對(duì)各影響因素進(jìn)行疊加分析，得到疊加后研究區(qū)的易發(fā)性指數(shù)和易發(fā)指數(shù)分布圖（圖3），經(jīng)計(jì)算得到最高值為3.8911，最低值為1.1737（圖4），平均值為2.4455，標(biāo)準(zhǔn)差為0.5195。數(shù)值分布較平穩(wěn)，變異系數(shù)較小，說(shuō)明研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性在區(qū)域上有一定遞變性［14］，低易發(fā)區(qū)與高易發(fā)區(qū)之間有一定過(guò)渡區(qū)，突變型的區(qū)域較少。評(píng)價(jià)柵格中數(shù)值越大，表示地面沉降易發(fā)性越大。

圖3 地面沉降易發(fā)指數(shù)柵格圖Fig.3 Grid plot of land subsidence susceptibility index

圖4 柵格賦值計(jì)算結(jié)果分布Fig.4 Grid assignment calculation result distribution

（4）易發(fā)區(qū)劃分。對(duì)易發(fā)性指數(shù)結(jié)合頻率和頻數(shù)，采用自然斷點(diǎn)法［15］，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)，劃分為3 級(jí)，劃分區(qū)域賦值結(jié)果為：高易發(fā)區(qū)域（1.1737～2.0869），中易發(fā)區(qū)域（2.0869～2.7230），低易發(fā)區(qū)域（2.7230～3.8911）。得到易發(fā)分區(qū)劃分和易發(fā)分區(qū)圖（圖5）［16］。

圖5 地面沉降易發(fā)性分區(qū)Fig.5 Zoning map of land subsidence susceptibility

根據(jù)分析結(jié)果，獻(xiàn)縣地面沉降高易發(fā)區(qū)主要分布于獻(xiàn)縣西部的陌南鎮(zhèn)、臨河鄉(xiāng)、段村鄉(xiāng)、張村鄉(xiāng)、商林鄉(xiāng)、樂(lè)壽鎮(zhèn)、小平王鄉(xiāng)區(qū)域，高易發(fā)區(qū)面積449.844 km2，占獻(xiàn)縣總面積的38.40%；中易發(fā)區(qū)主要分布于獻(xiàn)縣中部的西城鄉(xiāng)、本齋回族鄉(xiāng)、十五級(jí)鄉(xiāng)、南河頭鄉(xiāng)、陳莊鎮(zhèn)區(qū)域，中易發(fā)區(qū)面積421.557 km2，占獻(xiàn)縣總面積的35.98%；低易發(fā)區(qū)主要分布于獻(xiàn)縣東部的韓村鎮(zhèn)、壘頭鄉(xiāng)、郭莊鎮(zhèn)、河城街鎮(zhèn)、淮鎮(zhèn)和高官鄉(xiāng)區(qū)域，低易發(fā)區(qū)面積300.156 km2，占獻(xiàn)縣總面積的25.62%。

6 防控措施建議

深層地下水位是影響地面沉降的首要因素，因此應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)深層地下水開(kāi)采的管理；尤其對(duì)高、中易發(fā)區(qū)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督，嚴(yán)格控制地下水超采、防止偷采地下水，加大建設(shè)供水工程力度；低易發(fā)區(qū)應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注地下水位變化情況，必要時(shí)進(jìn)一步嚴(yán)格地下水資源管理措施［17］。

同時(shí)加強(qiáng)地下水、地面沉降動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)高易發(fā)區(qū)增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度，增加監(jiān)測(cè)頻次。高易發(fā)區(qū)應(yīng)加強(qiáng)城鎮(zhèn)市政排水系統(tǒng)建設(shè)，防止地面沉降發(fā)育帶來(lái)的城市內(nèi)澇災(zāi)害［18］。

嚴(yán)格執(zhí)行地質(zhì)災(zāi)害防治巡排查制度，建立群測(cè)群防制度，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)工作。加強(qiáng)工程建設(shè)活動(dòng)監(jiān)督管理，加強(qiáng)建設(shè)項(xiàng)目地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估，嚴(yán)格審批程序。

7 結(jié)論

（1）通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度法分析了獻(xiàn)縣地面沉降各影響因子權(quán)重，影響因子中深層地下水位所占權(quán)重最大，是影響地面沉降的首要因素。其次是淺層地下水、第四系厚度、沉降速率、累計(jì)沉降量、道路密度。

（2）采用綜合指數(shù)法進(jìn)行了地面沉降易發(fā)分區(qū)，將獻(xiàn)縣劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)3個(gè)等級(jí)。其中，高易發(fā)區(qū)面積449.844 km2，占獻(xiàn)縣總面積的38.40%；中易發(fā)區(qū)面積421.557 km2，占獻(xiàn)縣總面積的35.98%；低易發(fā)區(qū)面積300.156 km2，占獻(xiàn)縣總面積的25.62%。

（3）根據(jù)地面沉降易發(fā)分區(qū)結(jié)果，可以指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐孛娉两捣揽仡A(yù)案，針對(duì)高易發(fā)區(qū)采取重點(diǎn)防控措施。