基于灰色关联度理论的苏锡常地裂缝危险性评价_方冬.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster, Ministry of Land and Resources Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, China Abstract Su-xi-chang area is one of severe ground fissure areas in China, has caused great economic losses to the production and living of the local residents. The grey relational grade theory was used to analyze the ground fis- sures in the area. Based on the analysis of the ation conditions of the ground fissures in the area, six impact factors were selected the depth of the bedrock, the roughness of bedrock surface, the thickness of the second con- fined aquifer, the thickness of clay soil, the depth of ground water level below the ground surface and the gradient of land subsidence. Then, the correlation degree and influence weight of each impact factor were calculated, and the dangerous extent of the ground fissures was uated in the subareas of the Suxichang area accordingly. The entire study area was divided into the safe, transitive, more dangerous, and the most dangerous subareas of the ground fissures. The quantification of the factors affecting the development of ground fissures in Su-xi-chang area was studied through the grey relational grade theory, which provides a theoretical basis for the prevention and con- trol of ground fissure disasters. Keywords Suzhou-Wuxi-Changzhou area; ground fissure; grey relational grade; risk zoning 苏锡常地区地处长江三角洲太湖经济发展区黄 金地带，面积约 13 180 km2，是我国经济最发达、 城市工业化程度较高的地区之一，已成为长江三角 洲经济区的核心地带[1]。但是，经济的快速发展给 当地地质环境带来了巨大压力。自 20 世纪 80 年代 末以来，由于城市化进程加快，地下水抽取量增加， 苏锡常地区相继出现 25 条地裂缝， 给当地群众的生 产生活造成了巨大的经济损失。目前，该地区地裂 ChaoXing 138 煤田地质与勘探 第 46 卷 缝主要分布在常州武进、无锡锡山、江阴以及张家 港等地市[2-4]。近些年来，苏锡常地裂缝的成因机制 受到越来越多的专家学者的关注，但由于苏锡常地 裂缝有本身潜伏期长、难以观测等特点，在关于影 响地裂缝发育因素的研究中往往定性结论较多，定 量结论较少。 灰色系统理论于 1982 年由邓聚龙[5]教授创立， 是一种研究少数据、贫信息不确定性问题的方法。 其基本思想是根据事物或因素的序列曲线的相似 程度来判断其关联程度， 若两条曲线的形状彼此相 似，则关联度大；反之，关联度就小[6]。同传统数 理统计分析方法如回归分析、方差分析、主成分 分析等比较，灰色关联分析方法适用于任意大小 和规律的样本库，而且计算量小，不会出现量化结 果与定量分析结果不符的情况， 弥补了采用数理统 计方法进行系统分析所导致的不足[7]。从灰色系统 的角度对苏锡常地区地裂缝研究现状分析， 由于目 前还不能完全解释苏锡常地裂缝的成因机制， 所以 将其整体作为一个灰色系统进行研究， 以求从非确 定性模型的角度来研究苏锡常地裂缝形成的影响 因素。 笔者通过对苏锡常地区地裂缝形成条件进行具 体分析，选取了影响地裂缝形成的各项因素，利用 灰色关联度分析出地裂缝形成过程中各因素的定量 关系， 确定其权重， 在此基础上利用 ArcGIS 软件对 整个苏锡常地区进行地裂缝危险性分区。 1 研究区概况 苏锡常地区位于长江三角洲南缘，包括常州、 无锡、苏州 3 个地级市，全区地势较低平，平均海 拔不足 6 m。地形整体上呈由西向东、由南向北倾 斜趋势。基岩主要出露于环太湖低山丘陵地带，在 中部高亢平原也有零星出露。地貌类型主要为冲湖 积和湖沼积平原，受起伏不平的基底控制，区内形 成岩相复杂且厚薄不均的第四纪沉积层。沉积层总 体上由西向东逐渐加厚，西部厚约 100 m 左右，东 部最厚可达 300 m 以上。地层在垂向上具砂土、粉 土、粉质黏土交替组合的特征。 在水文地质条件方面，除了潜水层，区内地下 水可大致划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3 个承压含水层，第Ⅱ 承压含水层在苏锡常全区都有分布，是主要的地下 水开采层。含水层在空间上分布不均，具有明显的 地区性特征，只有苏州含水层分布较为齐全。含水 层中的地下水主要受到长江的侧向补给，其次是相 邻含水层的越流补给。人工开采是地下水的主要消 耗途径。 苏锡常地区地裂缝目前主要出露于常州无锡 之间，该区域内基岩埋深较浅、基岩面起伏大，导 致其第四纪地层厚度变化大，另外，过量抽取地下 水也造成地面发生不均匀沉降，从而导致该区域内 地裂缝较发育[8]。从地质背景条件考虑，基岩面 起伏变化较大、浅部含水砂层的差异以及浅部土 层岩性差异，为地裂缝孕育了内因条件；从人为 诱发因素考虑，超量开采地下水是诱发地裂缝的 直接原因[9-10]。所以，苏锡常地裂缝的形成和发展 受地质背景条件、人为诱发因素两方面的制约。从 苏锡常地裂缝的时间和空间分布特征以及野外调查 综合分析，地质环境背景因素包括基岩埋深、基岩 面起伏、第Ⅱ承压含水层厚度和黏性土层厚度，人 为诱发因素包括主采层第Ⅱ承压含水层水位埋 深、地面沉降梯度[11-13]。 2 灰色关联度分析 2.1 指标体系选取 a. 基岩埋深 取每条地裂缝发育位置的基岩埋 深值，埋深值越小，表征地面开裂程度越严重。 b. 基岩面起伏度 假设基岩面连续起伏，将地 裂缝发育位置处的基岩埋深和两侧一定距离基岩埋 深进行比较， 用基岩面的平均坡度代表基岩起伏度， 其值可按式1计算。 maxi HH L   1 式中 为基岩起伏度；Hi为地裂缝主线处基岩埋 深，m；Hmax为地裂缝两侧最大基岩埋深，m；L 为 主线基岩埋深点和最大基岩埋深点之间的水平距 离，m。 c. 第Ⅱ承压含水层厚度 第Ⅱ承压含水层是本 区域地下水主要开采层。由于第四纪沉积层厚度不 均一，第Ⅱ承压含水层厚度变化大，故选取第Ⅱ含 水层厚度作为量化对象。 d. 黏性土层累计厚度 黏性土层是地面沉降的 主要变形层， 也是影响地裂缝形成的主要因素之一。 研究区内第四纪沉积层以砂层和粉质黏土为主。第 Ⅰ承压含水层和第Ⅲ承压含水层在全区分布面积较 小，第Ⅰ承压含水层仅在张家港常熟苏州平 望以东及常州市北部沿江地区分布。第Ⅲ承压含水 层分布局限于常州市北部及苏州东部平原地区。同 时，由于埋藏最浅的孔隙潜水含水层岩性以黏性土 为主，故用基岩的埋深值减去第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ含水层 累计厚度所得的差值作为黏性土层的累计厚度，如 式2所示[14] MH–M1–M2–M3 2 ChaoXing 第 2 期 方冬等 基于灰色关联度理论的苏锡常地裂缝危险性评价 139 式中 M 为黏性土层厚度，m；H 为基岩埋深，m； M1、M2、M3分别为第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ承压含水层厚 度，m。 e. 主采层水位埋深 取第Ⅱ承压含水层水位埋 深值。水位埋深越大，表征影响地面开裂的作用越 明显。事实上，将“主采层水位降幅”作为影响因子 能更好地反映抽采地下水活动，但由于研究区缺乏 初始水位数据，而“主采层水位埋深”易于获取且能 间接反映抽采地下水活动的强烈程度，因此，选取 “主采层水位埋深”作为影响因子。 f. 地面沉降梯度 取每条地裂缝单位水平距离 地面沉降量的差值，如式3所示 LSGSi1–Si/L 3 式中 LSG 为地面沉降梯度； Si1 为第 i1 点的地面 沉降量，mm； Si为第 i 点地面沉降量，mm；L 为 第 i1 点到第 i 点的水平距离，mm。 从灰色系统角度分析， 另外需要选取一个表征苏 锡常地裂缝灾害发育程度的指标。 本文采用地裂缝发 育长度乘以地裂缝发育宽度所得到的地裂缝发育面 积来表征地裂缝发育程度， 面积越大表征地裂缝灾害 程度越大，并将该指标命名为地裂缝发育面积。 2.2 关联度计算分析 关联度分析的过程如下 a. 确定各影响因素的影响因子 灰色系统理论 具有“少信息、贫数据”的优点，所以针对目前苏锡 常全区所有地裂缝研究不是特别清楚的情况，灰色 关联度理论可以用尽可能少的地裂缝基本数据得出 较为准确的结论。苏锡常全区共发育 25 条地裂缝， 其中的 14 条地裂缝发育比较典型、研究比较完善。 分析中，对调查数据缺失或不准确的部分地裂缝将 不纳入考虑范围。 苏锡常地区研究比较完善的 14 条 地裂缝的发育面积和每条地裂缝发育位置的 6 个影 响因子的具体量值如表 1 所示[15-16]。 b. 建立参考数列和比较数列 14 个样本的地裂 缝发育面积 构成参考数 列，记为 X0k[x01, x02,,x014]；每条地裂缝发育位置的基岩埋深、 基岩起伏度、第Ⅱ承压含水层厚度、黏性土层厚度、 主采层水位埋深第Ⅱ承压含水层、地面沉降梯度 等 6 项因子的量化值构成比较数列，分别记作 X1k[x11, x12,, x114] X2k[x21, x22,, x214]  X6k[x61, x62,, x614]。 c. 无量纲化处理 由于以上各个影响因子单位 不一致，如果直接运用公式进行关联度计算，会由 于数据单位不统一造成所得结果不准确，同时考虑 到数据的整体性，此处需要运用均值法进行无量纲 化处理，其基本公式如式4所示，无量纲处理后结 果如表 2 所示。 i i i x k X k X  4 式中 1 [1214] 14 iiii Xxxx i0,1,2,,6；k1,2,,14 表 1 苏锡常地裂缝发育面积及影响因子数据 Table 1 The area and influence factors of the ground fissures in Suxichang area 序号 地裂缝名称 地裂缝发育 面积/103 m2 基岩埋 深/m 基岩起 伏度 第Ⅱ承压含 水层厚度/m 黏性土层 厚度/m 主采层水位 埋深/m 地面沉降 梯度 1 无锡江阴市长泾镇 40 148.57 3.83 20.3 123.57 47.22 0.01 2 无锡锡山区张泾杨墅里20 33.40 15.75 31.5 28.40 51.63 0.01 3 无锡江阴市河塘镇 30 86.40 13.49 30.6 61.40 50.27 0.01 4 无锡江阴市祝塘镇 15 25.51 15.02 29.4 10.51 53.84 0.01 5 无锡锡山区洛社 2 79.14 21.44 16.1 54.14 76.72 0.001 6 无锡钱桥 24 0.52 10.17 3.2 0.83 74.96 0.01 7 无锡东亭镇 108 154.07 10.41 33.3 119.07 64.46 0.03 8 无锡石塘湾西蔡因果岸85 62.85 20.24 23.6 27.85 72.53 0.001 9 常州武进湖塘 4.8 155.65 1.69 18.5 130.65 49.65 0.01 10 常州戚墅堰 0.6 169.27 11.82 39.7 134.27 71.83 0.01 11 常州横林孟瑶头大坟头42.5 157.96 6.95 32.6 122.96 74.00 0.01 12 常州武进市漕桥镇 35 16.92 5.98 3.7 11.92 25.88 0.005 13 常州武进横林红联小学30 139.90 9.57 31.1 114.90 75.04 0.01 14 苏州张家港塘桥杨圆村50 182.37 5.53 2.1 132.37 24.77 0.008 ChaoXing 140 煤田地质与勘探 第46卷 表 2 苏锡常地裂缝发育面积及影响因子无量纲化处理结果 Table 2 Results of nondimensionalization of the development area and influence factors of the ground fissures 序列 地裂缝名称 地裂缝发 育面积 基岩埋深 基岩起 伏度 第Ⅱ承压含 水层厚度 黏性土层 厚度 主采层水 位埋深 地面沉降 梯度 1 无锡江阴市长泾镇 1.15 1.47 0.35 0.90 1.61 0.81 0.85 2 无锡锡山区张泾杨墅里0.58 0.33 1.45 1.40 0.37 0.89 0.85 3 无锡江阴市河塘镇 0.86 0.86 1.24 1.36 0.80 0.87 0.85 4 无锡江阴市祝塘镇 0.43 0.25 1.38 1.30 0.14 0.93 0.85 5 无锡锡山区洛社 0.06 0.78 1.98 0.71 0.71 1.32 0.08 6 无锡钱桥 0.69 0.01 0.94 0.14 0.01 1.29 0.85 7 无锡东亭镇 3.11 1.53 0.96 1.48 1.55 1.11 3.39 8 无锡石塘湾西蔡因果岸2.44 0.62 1.87 1.05 0.36 1.25 0.08 9 常州武进湖塘 0.14 1.54 0.16 0.82 1.70 0.86 0.85 10 常州戚墅堰 0.02 1.68 1.09 1.76 1.75 1.24 0.85 11 常州横林孟瑶头大坟头1.22 1.57 0.64 1.45 1.60 1.27 1.70 12 常州武进市漕桥镇 1.01 0.17 0.55 0.16 0.16 0.45 0.42 13 常州武进横林红联小学0.86 1.39 0.88 1.38 1.50 1.29 0.85 14 苏州张家港塘桥杨圆村1.44 1.81 0.51 0.09 1.73 0.43 0.68 d. 求出差序列，最大差，最小差 差序列为 0 i ki XkX k 5 i1,2,,6；k1,2,,14 其中最大差为 maxmax i k M ik  最小差为 minmin i k m ik  e. 计算关联度系数 i k i i k mM k M       6 式中 为分辨系数，取0.5[5]。 f. 关联度计算及权重确定 关联度 14 1 1 14 ii k rk    7 权重 6 0 i i i i r n r    8 计算所得的关联度及权重如表3所示。 g. 关联度分析 影响因子关联度越大， 表征该 影响因子与地裂缝发育程度的联系越紧密。由前 面分析可知，6个影响因子关联度从大到小的顺序 为r6r5r1r2r4r3，即地面沉降梯度、主采层 水位埋深、基岩埋深、基岩起伏度、黏性土层厚 度、第Ⅱ承压含水层厚度。这表明地面沉降梯度 与苏锡常地裂缝发育状况联系最为密切，对地裂 缝的影响效果最为显著。从影响权重分析，基岩 起伏度占16.5，地面沉降梯度占18.4，主采层 水位埋深为16.7，黏性土厚度占16.3，基岩埋 深占16.6，第Ⅱ承压含水层厚度占15.6，其中 地面沉降梯度影响权重最大，第Ⅱ承压含水层厚 度影响权重最小。 表 3 关联度及权重 Table 3 Calculated correlation and weight 影响因子 基岩埋深 基岩起伏度 第Ⅱ承压含水层厚度 黏性土层厚度主采层水位埋深 地面沉降梯度 关联度 ri 0.726 0.721 0.685 0.712 0.731 0.804 权重 ni 0.166 0.165 0.156 0.163 0.167 0.184 3 地裂缝危险性分区 将苏锡常地区地裂缝的基岩埋深、 主采层水位埋 深、 黏性土层厚度的资料图件进行空间校正并矢量化 得到相关数据， 地面沉降梯度和基岩面起伏度的具体 数据分别利用地面累计沉降值和基岩埋深经ArcGIS 软件坡度分析得到数据， 第Ⅱ承压含水层厚度利用数 据资料成图。将以上6个影响因子制成对应的子图 件，为苏锡常地裂缝危险性分区赋值做准备。 另外，需对苏锡常地区地裂缝6个影响因子具 ChaoXing 第2期 方冬等 基于灰色关联度理论的苏锡常地裂缝危险性评价 141 体数据按A、B、C、D、E 5个等级由弱到强进行范 围划分，表征各个影响因子对地裂缝发育的影响程 度[17]。然后，针对各个等级按顺序从012分进行 赋值。具体量化指标如表4所示。 表 4 苏锡常地裂缝影响因子量化 Table 4 Values of the influence factors of the ground fissures in Suxichang area A B C D E 地裂缝发育影响因子及赋值等级 0 3 6 9 12 基岩埋深/m 320 241320 161240 81160 080 基岩起伏度 03 38 912 1317 17 第Ⅱ承压含水层厚度/m 0 110 1120 2130 31 黏性土层厚度/m 010 1120 2130 3140 4150 主采层水位埋深/m 0 125 2650 5170 70 地面沉降梯度 0 120 2150 5175 76100 由影响因子量化表对ArcGIS软件形成的不同 区块进行赋值，再结合由灰色关联度分析出的各个 影响因子权重，将某区域所有影响因子的赋值乘以 各个影响因子对应的权重，最后将所得的积累加起 来，即得到该区域内所有影响因子的总得分。经 ArcGIS软件叠加分析出整个苏锡常地区的各个小 区块的分值，以目前发育地裂缝区域主要出露于常 州无锡之间为基准，使得ArcGIS软件所形成的 区域能覆盖目前已发现的所有地裂缝，此区域为危 险区。 将此区域在ArcGIS软件中对应的下限值确定 为危险区界限值， 然后将ArcGIS软件中所得最大值 减去危险区界限值的差值作为较危险区、过渡区、 安全区的区间范围，依此确定出其他区的界限值。 最后按各对应区域区间范围确定的经ArcGIS软件 确定出苏锡常地裂缝发生的危险区、较危险区、过 渡区和安全区，如图1所示。 图 1 苏锡常危险性分区 Fig.1 Risk zoning of Suxichang area 由图1可以看出，苏锡常地区易发生地裂缝的 危险区为常州东部、无锡西部 、江阴南部，较危险 区为常州西部、无锡东部以及张家港周围区域，从 危险区到安全区的过渡区为苏州东部及南部区域 ， 安全区为苏州东部零星区域和昆山周边零星区域。 从地质背景、水文条件等资料分析，在常州 无锡之间的区域内，基岩埋深较浅，绝大部分区域 地面沉降梯度较大，且地下水位较苏锡常其他区域 深，使得该地域地裂缝灾害发育剧烈。另外，在苏 州东部广大区域，由于地形较为平缓，地面沉降不 太发育，且基岩埋深较深和基岩面坡度较为平缓， 使得该区域地裂缝不太发育，故称该区域为地裂缝 安全区和过渡区。 基岩埋深较浅和基岩面起伏度较大等地质背景 较为复杂、 地面沉降坡度和地下水位埋深较大等人为 诱发因素较大的区域是地裂缝灾害重点防范区域。 这 一区域内， 在未找到合适解决方法前， 应该严格禁止 抽采地下水， 防治地下水过量开采影响地裂缝的进一 步发育。 针对较安全区域， 则可以在有限范围内抽采 地下水，以期最大化地利用地下水资源。 4 结 论 a. 苏锡常地裂缝发育影响因子关联度由大到 小的顺序为地面沉降梯度，主采层水位埋深，基 岩埋深，基岩起伏度，黏性土层厚度，第Ⅱ承压含 水层厚度。基岩起伏度、地面沉降梯度和主采层水 位与苏锡常地裂缝发育状况联系最为密切，对该区 域地裂缝的影响效果最为显著。 b. 运用灰色关联度分析方法可以定量描述各 影响因子的权重。苏锡常地裂缝各个影响因子权重 分别为基岩起伏度占16.5，地面沉降梯度占 18.4，主采层水位埋深为16.7，黏性土厚度占 16.3，基岩埋深占16.6，第Ⅱ承压含水层厚度占 15.6。地面沉降梯度影响权重最大，第Ⅱ承压含水 层厚度影响权重最小。 ChaoXing 142 煤田地质与勘探 第46卷 c. 通过ArcGIS分析， 苏锡常地区易发生地裂缝 的危险区为常州东部、无锡西部、江阴南部，较危险 区为常州西部、 无锡东部以及张家港周围区域， 从危 险区到安全区的过渡区为苏州东部及南部区域， 安全 区为苏州东部零星区域和昆山周边零星区域。 参考文献 [1] 刘聪，袁晓军，朱锦旗. 苏锡常地裂缝[M]. 中国地质大学出 版社，2004. 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