0.   引言

“岩溶-盖层-水”组成的体系受多重因素的作用，造成了岩溶地面塌陷，给人类生产生活带来了深远的影响。随着人类工程活动的不断加强，岩溶地区地面塌陷的发生率逐年上升，给国民经济和社会发展带来了极大的危害。

危险性评估旨在识别和评估岩溶地面塌陷的危险程度，以确定其可能引发的范围、规模、强度和发生几率。当代社会经济高速发展，城市用地逐年增长，对研究区进行地质灾害评估，不仅具有重要的科学意义，而且也为防止岩溶地面塌陷提供了重要参考依据。郑小战采取了层次分析法和定性定量判别法对岩溶地面塌陷灾害形成机理及风险进行了评估研究^[1]；蒙彦用了多参数监测预警对岩溶塌陷进行了风险防控^[2]；王忠忠等采用了综合指数对岩溶塌陷形成条件与易发性进行了评价^[3]；崔毅斌等^[4]、李明超等^[5]、史峻丞^[6]、刘晓^[7]、余佳阳^[8]、周心经等^[9]、廖康等^[10]、欧阳辉等^[11]、李勇峰^[12]、卢丹美^[13]和赵德君等^[14]应用了GIS技术和层次分析法对岩溶塌陷进行了危险性评价；吴丽清等^[15]采用AHP-信息量法对岩溶地面塌陷进行了危险性评价；贾龙采^[16]用AHP-综合指数对岩溶地面塌陷进行了危险性评价；周森^[17]采用层次分析法与概率计算综合法对岩溶地面塌陷隐患进行了识别与评价研究；赵建军^[18]、韩庆定^[19]、丁琛^[20]、高杨等^[21]、吕镁娜^[22]、王延岭^[23]、赵博超等^[24]、周水贵^[25]和姜再晨^[26]采用定性定量判别法和层次分析法对岩溶塌陷进行了危险性评价。对于以上研究可知，岩溶地面塌陷危险性预测有许多不同的方法。可溶性岩石的地面塌陷发生会产生一系列地质作用，其过程受众多因素的综合影响，这些因素多变且难以精确预测，这无疑提升了准确判定岩溶地面塌陷危险的难度。另外，现行的一些评估手段在纳入考量因素时可能存在不完整性，致使得出的评估结果通常趋于谨慎。

本文在前人工作基础上，采用综合指数法建立了岩溶地面塌陷危险性评价模型，对花都区域岩溶地面塌陷情况行了综合分析。结合2023年广东省地质灾害危险性评估实施细则，利用5项一级评价指标（岩溶条件、覆盖层条件、水文地质条件、人为条件、已发生岩溶地面塌陷灾害点）和9项二级指标（岩溶发育程度、覆盖土层岩性结构、覆盖土层厚度、地面地貌特征、岩溶地下水位及动态变化、岩溶水位降深、岩溶水单井钻孔涌水量、建筑物密度、岩溶地面塌陷灾害点密度），建立了花都区岩溶地面塌陷危险性评价模型，综合评价广州市花都地区岩溶地面塌陷的危险性，并编制相应的区域规划，为城市岩溶研究提供依据。

1.   研究区概况

花都区地处亚热带季风区，春、夏、秋、冬降雨均有显著差异，且以春季和夏季为主。1959—2023年的气候变化特点是降水具有明显的波动性，1991年为1194.3 mm，为历史最低值，2001年为2753.1 mm，为有记录以来最大的降水量。花都区降水的涨落使地下水埋深变化频繁，在持续的冲蚀侵蚀过程中，加速了溶洞的发育与扩展，为地面塌陷的发育创造了有利条件。

研究区北端起于广州市花都区山地-山前冲洪积平原交界地带，南接白云区行政区界线，东接从化行政区界线，西达佛山市行政区界线（见图1），是一个公路、桥梁、工业民用建筑高度发达的地区。另外，车辆行驶引起的地表振动会加快已有土洞的破坏进程。与此同时，房屋建筑、物件的堆放，都会加大对洞穴的压力，进而加大了塌陷的作用力。由于区域地质结构的制约，该区可能存在的易溶岩体以北东走向为主。

图  1  研究区概况图

Figure  1.  Overview of the study area

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通过对该区岩溶地貌特征的分析，认为该区岩溶主要是由可溶性的岩石构成的。另外，研究区孔隙水与溶蚀水关系十分紧密，降雨入渗后，可以强化地下水的再循环，从而促进了岩溶洞穴的发育。另外，受周围岩溶水开采的影响，地下水位也有降低的趋势，表明人类活动对地下水的影响是动态的。本区主要的地质灾害类型为岩溶地面塌陷，至今已有36次。这些地面塌陷均集中在人类活动频繁的地区，人类活动对地面塌陷的影响不容忽视。

2.   地质灾害危险性影响因素

岩溶地面塌陷危险性是由多种因素影响的，根据花都区地面塌陷点的特点，以及可能诱发地质灾害的情况的因素进行分析。

2.1   岩溶发育程度

岩溶发育程度是指在特定地质条件下，如石灰岩、白云岩等由于水的溶解作用而形成的岩溶地貌的发展程度。受地质构造、地层岩性和地下水变化等诸多因素影响，花都区岩溶发育。从勘察孔资料来看，花都区岩溶以溶蚀形成的溶槽、溶沟、漏斗和石芽为主，土洞偶尔发育，钻孔见洞率为 52.9%，线岩溶率为 37.3%，溶洞发育深度一般为8.0～55.0 m，溶洞洞高为 0.1～15.6 m，剖面上溶洞通常为串珠状发育。

在充分利用勘察孔资料的基础上，根据岩溶见洞率划分出研究区的岩溶发育程度图（图2）。结果表明：研究区岩溶强发育区呈条带状分布，局部呈块状，主要分布于主城区，赤坭镇西北部，炭步镇东南部，花山镇和花东镇；岩溶中等发育区呈主要分布于主城区西部、北部和东部；岩溶弱发育区分布比较散乱，大致呈块状分布。

图  2  研究区岩溶发育程度图

Figure  2.  Karst development degree map in the study area

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2.2   覆盖层条件

岩土体覆盖层条件是指在地表以下的土层或岩层与地表之间的过渡层，也称为覆盖层。本次选取覆盖土层岩性结构、覆盖土层厚度和地面地貌特征进行研究。

研究区第四系覆盖层厚度整体较薄，山前形成的冲洪积平原的土层厚度一般小于6.0 m，河流和冲积平原地区土层厚度可以达到10.0～20.0 m（图3）。覆盖层土层结构可分为单层、双层和多层结构（图4），单土层主要分布在山前丘陵区，岩土成份主要为粉质黏土和石英砂；双层和多层结构主要分布在人类活动的平原区和河谷两岸，岩土成份主要由粉质黏土、石英砂和软土组成。

图  3  研究区第四系等厚度线

Figure  3.  Quaternary isothickness line in the study area

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图  4  研究区第四系土层结构图

Figure  4.  Structure map of quaternary soil layer in the study area

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花都区总体地势北高南低，东高西低，地貌以丘陵、平原为主。研究区主要以平原为主，地面高程主要是5.0～50.0 m；台地和丘陵主要分布在赤坭镇、炭步镇和秀全街道交界处（图5）。

图  5  研究区地貌图

Figure  5.  Geomorphological map of the study area

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2.3   水文地质条件

岩溶区水文地质条件是指有关地下水形成、分布和变化规律等条件的总称，本次选取岩溶地下水位及动态变化和岩溶水位降深进行研究。

根据勘察资料抽水井统计资料，研究区西部和东部的地下水静止水位埋深主要为3～4 m，主城区和南部地区地下水静止水位埋深主要为4～7 m（图6）；地下水位年内随降水量的变化而变化，丰水年水位回升幅度较大，枯水年则下降幅度大。

图  6  研究区地下水位埋深等值线

Figure  6.  Isobaric line of groundwater level buried depth in the study area

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研究区中南部和主城区南部地下水动水位降深主要为5～10 m，北部和东部地区动水位降深主要为10～15 m（图7），静止水位埋深和动水位降深的区别主要是，动水位降深是抽水状态，静止水位是无抽水状态。侧向补给对地下水降深的影响较大，靠近河流地区的抽水井抽水时，水位降深普遍较小；没有侧向补给地方的抽水井抽水，水位降深较大。

图  7  研究区地下水动水位降深等值线

Figure  7.  Isocline of groundwater dynamic level in the study area

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根据勘察资料抽水井统计资料，研究区中部和西部的碳酸岩盐水量丰富，单井钻孔涌水量为大于1000 m³/d；研究区中南部、西部和北部碳酸岩盐水量中等，单井钻孔涌水量为100～1000 m³/d；研究区东部和中西部碳酸岩盐水量贫乏，单井钻孔涌水量为小于100 m³/d。抽水井涌水量与岩溶地下水通道、补给来源密切相关（图8）。

图  8  研究区岩溶水富水性分区图

Figure  8.  Karst water-rich zoning map in the study area

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2.4   人类工程活动

建筑密度指在一定范围内，建筑物的基底面积总和与占用地面积的比例，从图9中可以看出，研究区主城区建筑物比较密集，研究区东部和西部山区丘陵地区建筑物分散。总之，人类工程活动与地质环境之间的关系非常密切。在赤坭、花山、花东、新雅、狮岭、新华一带，人口密集，工业较发达，当地居民大量开采地下水作为工业及生活用水，导致区域地下水水位下降，加剧了隐伏岩溶区土洞的形成，当地下水得不到充足补给时，易发生地面塌陷，给当地人民的生命财产安全造成威胁。

图  9  研究区建筑物分布图

Figure  9.  Distribution of buildings in the study area

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3.   岩溶地面塌陷评价

3.1   评价方法

岩溶地面塌陷危险性评价的方法有很多，有AHP-模糊综合评判法^{[27 − 28]}，模糊综合评价法^[29]，权重反分析方法^[30]，数值模拟方法^{[31 − 32]}，数值模拟和层次分析法等^[33]。本文根据广东省地质灾害危险性评估实施细则，及发生岩溶地面塌陷的地质复杂性，优先采用客观性强的综合指数法。计算方法的模型如下：

式中：I————第i单元的危险性指数；

b_i——第i个评价指标在第i评价单元的赋值；

c_j——第j个评价指标的权重；

i——评价单元；

j——评价指标；

m——评价指标数；

n——评价单元数。

3.2   评价指标的确定

考虑到影响岩溶地面塌陷致灾因子有很多，且这些因子间具有互相制约、影响的关系，因此，必须结合研究区的具体地质条件，筛选出精确反映该地区岩溶地面塌陷致灾因子的评价指标，保证评价结果的准确性，本文选取的评价因子见表1。

表  1  指标因子分级表

Table  1.  Index factor grading table

指标	分级
	1级	2级	3级	4级
岩溶发育程度	无灰岩，无溶洞、土洞	灰岩质地不纯，地下 溶洞、士洞等不发育	以次纯灰岩为主，地下 存在小型溶洞、土洞等	厚层质纯灰岩为主，地下存在中大型 溶洞、土洞或有地下暗河通过
覆盖土层岩性结构	均一可塑-硬塑粘性土	双层或多层， 粘性土与砂土互层	均一稍密-中密砂土； 双层或多层砂土，底为沙砾	均一松散砂层或软土
覆盖土层厚度（m）	>30	20≤～<30	10≤～<20	<10
地面地貌特征	台地、坡地、高阶地	山前缓坡、中高阶地	平原、谷地、低阶地	低洼地带临近地表水体
岩溶地下水位及动态变化	水位埋深>15 m， 水位变化小	水位埋深10 m≤～<15 m， 水位变化较小	水位埋深5 m≤～<10 m， 水位变化较大	水位埋深<5 m，水位变化大
岩溶水位降深（m）	<15	15≤～<25	25≤～<30	≥30
岩溶水单井钻孔涌水量（m3/d）	<100，富水性贫乏	100≤～<500，富水性较弱	500≤～<1000，富水性中等	≥1000，富水性强
建筑物密度（m2/km2）	<0.1	0.1≤～<0.2	0.2≤～<0.3	≥0.3
岩溶地面塌陷灾害点密度 （个/10 km2）	0	1	2	大于2

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3.3   各因子权重的确定

致灾因子权值计算如下：①利用层级结构模型，将复杂问题分为几个层级，每一层级又包含多个相关因素，或直接或间接，或上或下，彼此间有依存关系。图10最上面岩溶地面塌陷是文章研究的目标层，中间的二级指标是准则层，下面三级指标是文章的指标层。

图  10  岩溶地面塌陷危险性评价模型图

Figure  10.  Karst ground collapse risk assessment model

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②利用对比法，识别出各要素间的相关程度，并与上一级标准进行比较，从而构造出一种评判矩阵。从第二级起，可以用1到9的比例尺对这个比较进行度量（表2）。

表  2  模型的判断矩阵标志及其含义

Table  2.  The judgment matrix flag of the model and its meaning

标度	含义
1	两个因子相比具有同样重要性
3	一个因子比另一个因子稍微重要
5	一个因子比另一个因子明显重要
7	一个因子比另一个因子强烈重要
9	一个因子比另一个因子极端重要
2，4，6，8	上述两因子之间重要性
倒数	因子Xi 与Xj 比较得到判断uij，则因子j与i比较的 判断uij ＝1/uij

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③加权矢量的计算与评价，有助于检验二者的一致性。然而，当判断矩阵不符合现实时，就会产生许多问题。在求出极大特征值λmax后，接下来就是对判定矩阵的相合性与随机相合性做严格的检查。一致性指标 CI 是这样定义的：

当一致性指标 CI<0时，则表示判断矩阵有误，需作适当调整。在 CI=0的情况下，表示判定矩阵是完全一致的。但是，如果 CI>0，则其值较大，表明存在较大的不相容性。

RI为平均随机相容性指数，当阶数大于2时， CI与 RI的比值可表示为 CR= CI/RI，即随机相容比率。一般而言，当随机相容比率小于0.10时，即表示此矩阵具有良好的一致性，由此得到的估算结果也更可信。

在此基础上，本文建立了岩溶地面塌陷危险性评价模型（如图10），根据判断矩阵、一致性指标及随机相容性指数确定各项指标因子权重（表3）。

表  3  指标权重表

Table  3.  Indicator weight table

指标	B1	B2	B3	B4	B5	C层总排序
	0.375	0.240	0.160	0.124	0.101	权重
C1	1.00	0	0	0	0	0.220
C2	0	0.40	0	0	0	0.177
C3	0	0.40	0	0	0	0.177
C4	0	0.20	0	0	0	0.089
C5	0	0	0.50	0	0	0.088
C6	0	0	0.50	0	0	0.088
C7	0	0	0	0.50	0	0.043
C8	0	0	0	0.50	0	0.043
C9	0	0	0	0	1	0.075

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3.4   评价结果

本项目拟利用规则剖分方法，对研究区进行0.25 km×0.25km的等值网格剖分，得到9344个此类单元。选取其中9个主要的致灾因子指标作为评价要素，对其进行危险性评价。根据各指标的加权系数和岩溶地面塌陷灾害发育程度，得到了该地区岩溶地面塌陷的危险性分区综合指标，如表4所示。

表  4  岩溶地面塌陷模型危险性分级表

Table  4.  Karst ground collapse model risk classification table

等级	危险性小区	危险性中等区	危险性大区
综和指标	<1.8	1.8～2.5	>2.5

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最后，我们根据岩溶地面塌陷危险分区综合指标，把各个指标分成三个级别，结合现状岩溶地面塌陷发育特征最后得出岩溶地面塌陷危险性等级分区图。在花都区可溶岩危险性评价分区里，危险性大区有4128个，占岩溶发育区44.2%，危险性中等区有512个，占岩溶发育区5.5%，危险性小区有4704个，占岩溶发育区50.3%（如图11所示）。

图  11  研究区岩溶地面塌陷危险性分区图

Figure  11.  Zoning map of karst surface collapse risk in the study area

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（1）危险性大区主要位于赤坭镇和炭步镇和中心城区，其它地方零散分布。该区岩溶发育较强，且存在大量的裂缝和洞穴。同时，由于地处广州市西北部经济圈，周边地区存在着高强度的工程活动，受渗漏、微震动等因素的影响，引发岩溶坍塌的危险更大。花都区已发现的岩溶地面塌陷有36次，其中有35次是在该区发生的。

（2）危险性中等区主要位于狮岭镇西南部和赤坭镇北部，其它地方零散分布，呈条带状。该区以冲洪积平原为主，下伏灰岩岩溶高度发育，部分地段表现出异常强烈的特征。本区岩溶地貌类型为覆盖型，上部为第四系粘土层，厚度约5～25 m。这种粘性土的内聚力很高，一般不会造成坍塌。然而，由于第四系地层厚度很小，且与其下伏碳酸盐岩层有直接接触，因此极易引起地面塌陷。该区发生岩溶地面塌陷1次。

（3）危险性小区主要集中于花东镇中东部、狮岭镇中南部、赤坭镇东部和西部，其它地方零散分布，呈长条状。该区为覆盖性岩溶区；在该地区，岩溶地面塌陷一般不发生，主要是因为覆盖土层较厚。但是，局部区域，在可溶岩发育区与第四系土层交界处形成的天窗处，是具备岩溶地面塌陷发的概率。

4.   结语

精准合理的对花都区岩溶地面塌陷进行危险性评价，是一项艰巨的工作任务，需要构建一套完整的、具有可操作性的、科学的评价指标，从而为我省的城市建设与安全预警提供重要的支撑。

（1）通过对广州市西北地区花都区岩溶地面塌陷的调查，本研究选取9项评价因子，运用综合指数法，对各因子的重要程度进行了排序，通过对各指标的多次检验与修正，得到了各指标的可靠性。

（2）将研究区可溶岩层分为三个危险性等级，近年已有的35次岩溶地面塌陷事故都出现在危险大区，证明该评估的结论具有客观性、合理性。

（3）危险中等区主要集中在城镇中心城镇地区，呈带状分布；危险大区和危险中等区加起来，占岩溶地面塌陷地区总面积的49.7%，占全区总面积的60.3%。分析结果表明，随着都市的发展有必要对这些地区给予更多的重视。

（4）与以往研究相比，本次评价因子结合最新广东省地质灾害危险性评估实施细则给出，再结合已发岩溶地面塌陷地质灾害进行评价，研究成果可为岩溶地面塌陷风险管控提供参考，对地方减灾防灾更具指导意义。