（环境工程专业论文）基于gis的渭河盆地地裂缝灾害危险性评价研究.pdf

摘要 近年来，地裂缝作为一种表生地质灾害现象，在世界许多国家都有发现，尤其在 一些经济发达人口稠密的大中型的城市，其发生频率与灾情状况更是逐年加剧。作为 主要的地质灾害之一，渭河盆地发育了规模不一、成因各异的1 9 1 条地裂缝，已造成 严重的经济损失，危害到城市市政设施和建设、农村居民房屋以及耕地灌溉。所以开 展地裂缝灾害的评价、预测及防治的研究工作迫在眉睫。 本文结合国家地质调查局委托长安大学西部地区地裂缝地面调查计划项目的 渭河盆地1 ：1 0 0 0 0 地裂缝灾害调查研究成果，首先对研究区的地质环境背景的进行分 析，探讨了渭河盆地地裂缝灾害的特征和成因分类，然后以a r c g i s 软件为平台建立 了空间数据库，用模糊综合评判法对地裂缝灾害进行了危险性评价，使用3 0 0 m * 3 0 0 m 的评价单元，最终得到的地裂缝危险性分区图与实际调查的地裂缝状况吻合较好。本 文研究的主要成果有： ( 1 ) 分析了地裂缝灾害发育的自然地理环境和地形地貌、地层岩性、水文地质、新 构造运动与地震等地质环境背景； ( 2 ) 分析了地裂缝灾害的分布特征与形态特征，成因分类及危害影响分析； ( 3 ) 确定了地裂缝危险性评价指标体系，选取了评价因子，根据评价模型的特点选 取了合理的指标量化方法并利用层次分析法确定了指标的权重； ( 4 ) 以a r c g i s 为平台对各图层的图形信息和属性信息进行采集，建立了研究区的 地裂缝灾害空间数据库，实现了查询分析、叠加分析及缓冲区分析的空间分析功能； 确定了研究区地裂缝灾害危险性评价数学模型( 多级模糊综合评判法) ； ( 5 ) 运用栅格叠加运算生成了研究区地裂缝灾害危险性程度分区图，将研究区分为 轻度( i ) 、中度( i i ) 、中高度( ) 和高度( n ) 四个等级，研究结果显示地裂缝 灾害危险性最高的区域主要分布在大荔县、泾阳县、三原县和西安市，面积约为 3 5 5 5 0 9 k m 2 ，占总面积的1 2 5 ；危险性中高度区面积约为2 9 4 0 1 2 k m 2 ，占总面积的 1 0 4 ；危险性中度区面积约为9 3 9 0 4 2 k m 2 ，占总面积的3 3 0 ；危险性轻度区面积约 为1 2 5 2 1 1 6 k m 2 ，占总面积的4 4 1 。 关键词：地裂缝灾害地理信息系统危险性评价模糊数学评判渭河盆地 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a sa l lp h e n o m e n o no fs u r f a c eg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，t h eg r o u n df i s s u r e s i nt h ew o r l da r ef o u n di nm a n yc o u n t r i e s ，e s p e c i a l l yi ns o m eb i ga n de c o n o m i c a l l y d e v e l o p e dc i t i e sw h i c hh a v el o t so fp e o p l e ，a n di t s 行e q u e n c ya n ds i t u a t i o no ft h ed i s a s t e ri s a g g r a v a t e dy e a rb yy e a r a so n eo ft h em a j o rg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，t h en u m b e ro fg r o u n d f i s s u r e sw h i c hv a r i e ss c a l ea n dv a r yo r i g i ni nt h ew e i h er i v e rb a s i na r e1 9 1 , t h eg r o u n d f i s s u r e sh a v ec a u s e ds e r i o u se c o n o m i cl o s s e sa n dd oh a r mt ot h ec i t ya n dt h ec o n s t r u c t i o no f m u n i c i p a lf a c i l i t i e s ，h o u s i n gf o rr u r a lr e s i d e n t s ，a sw e l la si r r i g a t i o no fa r a b l el a n d t h e r e f o r e ，w em u s tc a r r yo u tt h er e s e a r c hw o r ko ft h eg r o u n df i s s u r e so fd i s a s t e r a s s e s s m e n t ，p r e d i c t i o na n dp r e v e n t i o n i nt h i sp a p e r , t h es t a t eo fg e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o nr e q u e s t e dc h a n g a nu n i v e r s i t yt h a t ”t h eg r o u n df i s s u r e so fw e s t e r nr e g i o na n dt h eg r o u n di n v e s t i g a t i o n ”m yp a p e ru s et h e r e s e a r c hr e s u l t so f t h eg r o u n df i s s u r e so f w e i h er i v e rb a s i np r o j e c t ( 1 ：1 0 0 0 0 ) f i r s to f a l l ， t h es t u d ya r e ao fg e e e n v i r o n m e n t a lb a c k g r o u n dh a sb e e na n a l y z e da n dt h ec a u s e s 、 c l a s s i f i c a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r o u n df i s s u r e si nt h ew e i h er i v e rb a s i n , a n dt h e n w eu s ea r c g i ss o r w a r ea sap l a t f o r mt oe s t a b l i s has p a t i a ld a t a b a s ea n dc a l t yo u tt h ef u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o dt oa p p r a i s et h ed a n g e ro ft h eg r o u n df i s s u r e sd i s a s t e r , t h e nw eu s et h e3 0 0 r n 3 0 0 me v a l u a t i o nu n i t ，a n du l t i m a t e l yw eg e tt h ed a n g e ro ft h e g r o u n df i s s u r e sp a r t i t i o nm a pw h i c hi sm a t c h e dw i t ht h ea c t u a ls t a t u so ft h ei n v e s t i g a t i o n t h em a i nr e s u l t so ft h i ss t u d yi nm yp a p e ra r e ( 1 ) a na n a l y s i so ft h eg r o u n df i s s u r e sd i s a s t e rt ot h ee n v i r o n m e n ta n dt h ed e v e l o p m e n t o fp h y s i c a lg e o g r a p h yt o p o g r a p h y , l i t h o l o g y , h y d r o g c o l o g y , t h en e wt e c t o n i cm o v e m e n t a n ds e i s m i ca n do t h e rg e o l o g i c a le n v i r o n m e n t a lb a c k g r o u n d ； ( 2 ) a na n a l y s i so ft h ed i s t r i b u t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r o u n df i s s u r e s 们t ht h e m o r p h o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，c a u s e s ，c l a s s i f i c a t i o na n da n a l y s i so fh a z a r d s ； ( 3 ) t os e tt h eg r o u n df i s s u r e si n d e xs y s t e mo fr i s ka s s e s s m e n t ，s e l e c ta ne v a l u a t i o n f a c t o r ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee v a l u a t i o nm o d e lt os e l e c tar e a s o n a b l em e t h o d t oq u a n t i f yt h ei n d i c a t o r sa n dt h eu s eo fa h pt od e t e r m i n ew e i g h t so ft h ei n d i c a t o r s ； ( 4 ) a sap l a t f o r m f o ra l la r c g i sl a y e r so fg r a p h i c si n f o r m a t i o na n da t t r i b u t e h i i n f o r m a t i o nf o rt h ec o l l e c t i o n , t h es t u d ya r e aw a se s t a b l i s h e dt oc r a c kd i s a s t e rs p a t i a l d a t a b a s e ，aq u e r ya n a l y s i s ，o v e r l a ya n a l y s i sa n db u f f e ra n a l y s i s ，s p a t i a la n a l y s i sf u n c t i o n ； i d e n t i f i e dr e s e a r c ht h eg r o u n df i s s u r e si n d i s a s t e ra r e a st om a t h e m a t i c a lm o d e lo fr i s k a s s e s s m e n t ( m u l t i - l e v e lf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o d ) ； ( 5 ) t h eu s eo fg r i dc o m p u t i n gt og e n e r a t eas u p e r p o s i t i o no ft h es t u d ya r e at o t h e e x t e n to fc r a c k si nh a z a r dz o n i n gm a po ft h es t u d ya r e aa n di tw i l lb ed i v i d e di n t om i l d ( i ) ， m o d e r a t e ( i i ) ，h i g h ( ) a n dh i g h ( i v ) i nf o u rl e v e l ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg r o u n d f i s s u r e si nt h eh i g h e s th a z a r da r e a sa r em a i n l yd i s t r i b u t e di nd a l ic o u n t y ，j i n g y a n gc o u n t y ， s a n y u a nc o u n t y , a n d x i a l lc i t y ，w i t ha na r e ao fa b o u t3 5 5 5 0 9 k m 2 ，a c c o u n t i n gf o r1 2 5 o f t h et o t a la r e a ；h i g h l yd a n g e r o u sa r e ao fa b o u t2 9 4 0 12 k m 2 ，a c c o u n t i n gf o r10 4p e r c e n to f t h et o t a la r e a ；t h er i s ko fm o d e r a t ea r e ao fa b o u t9 3 9 0 4 2 k r n 2 ，a c c o u n t i n gf o r3 3 0p e r c e n to f t h et o t a la r e a ；d a n g e r o u sa r e am i l da b o u t1 2 5 2 1 1 6 k i n 2 ，a c c o u n t i n gf o r4 4 1p e r c e n to ft h e t o t a la r e a k e y w o r d s ：t h eg r o u n df i s s u r e s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，m s ka s s e s s m e n t ， e v a l u a t i o no ff u z z ym a t h e m a t i c s ，w e i h er i v e rb a s i n i v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 嘲年r 月2 ，日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 却若够 | 专元_ ： 氐 州年月矽e t 矿f 月矽日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题由来及研究意义 地裂缝是地表岩、土体在自然或人为因素作用下产生开裂，并在地面形成一定长 度和宽度裂缝的一种地质现象。当这种现象发生在有人类活动的地区时，便可成为一 种地质灾害。 地裂缝灾害是一个世界范围内普遍发育的灾种，我国区域性地裂缝灾害相当严重， 在陕西、山西、河南、安徽等省均有地裂缝造成的破坏的报道。渭河盆地地裂缝由来 已久，特别是近8 0 年代以来，由于过量抽取承压水导致地裂缝两侧不均匀沉降进一步 加剧了地裂缝的活动( 以西安城区最为明显) ，地裂缝所经之处居民房屋墙壁开裂乃 至倒塌，耕地灌溉水资源浪费，农田龟裂干化，公路、铁路、桥梁和渠道被破坏，地 下供水、输气管道被切断，危及文物古迹的安全，造成了很大的经济损失，给人们的 生产和生活带来不便。因此研究地裂缝的分布特征和成因机制，在利用地理信息系统 ( g i s ) 和现有资料的基础上对渭河盆地地裂缝灾害的危险性进行准确地分区和评价、 预测其发展趋势，并提出控制和减轻灾害的有效方案，具有十分重要的现实意义和深 远的历史意义。 而g i s 概念的提出，要追溯到5 0 年代。由于电子计算机技术的兴起和它在航空 摄影测量与地图制图学中的应用，人们开始利用电子计算机来搜集、存储和处理各种 与空间和地理分布有关的图形和数据，并通过计算机对数据的分析，直接为管理和决 策部门服务，这样就导致了g i s 的问世。g i s 是以地理空间数据库为基础，用计算 机对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析 方法，适时的提供多种空间和动态地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来 的软件系统。它具有以下三方面的特征：其一，具有采集、管理、分析和输出各种地 理空间信心的能力；其二，具有强大的空间分析和多要素综合分析以及动态预测的能 力，并能产生高层次的地理信息；其三，计算机系统的支持使得地理信息系统对复杂 的事物能进行快速、准确、综合地空间定位和动态分析，完成人类本身难以胜任的工 作。 在保护地质环境，有效防治地裂缝灾害方面，其危险性评价起着重要的作用。但 是传统的灾害灾情评价的大量资料分散保存在各个单位和个人的手中，数据难以共享； 第一章绪论 各种数据资料绝大多数以文字报告、统计图表和专题地图的形式保存，限制了调查成 果充分便捷的利用；灾评过程中产生大量的自然、社会和经济数据计算起来速度慢， 误差大且评估的时效性差。如今飞速发展的g i s 克服了这些不足，将数据收集、空间 分析和决策过程合为一个共同的信息流，如再结合遥感技术，将大大提高工作效益。 人类经济活动与地裂缝灾害之间也是相互作用、相互影响的，一方面，地裂缝的 发育和发展影响和制约了工程建设和人民生活；另一方面，工程活动如抽取地下水活 动又导致地裂缝的进一步增加、发展，造成更大的经济损失。地裂缝危险性评价研究 的目的就是掌握其分布规律性，正确认识灾害对人类的危害和影响。评价的意义在于 指导人们合理地进行工程活动以避免或减少对地裂缝灾害的诱发降低其影响，减少工 程活动带来不合理的处理费用和巨额的附加费用，从而降低损失和不安全隐患，为城 市规划及土地利用提供较为可靠的依据，促进并保持环境与经济的协调发展。 本文就是在渭河盆地地裂缝调查项目的现有成果的基础上开展的。该成果属于基 础调查，查明了渭河盆地总的地裂缝条数及分布概况，但是大部分资料没有在地理信 息系统中体现，且不具有查询和分析功能。所以本文利用g i s 技术建立渭河盆地地裂 缝的信息库，将孤立、分散的资料进行统一的管理，能实现数据库的查询、分析等功 能，能快速准确实现地裂缝危险性区划，极大地提高了工作效率和操作性。因此对促 进地质科技进步，加强地裂缝灾害的防治具有现实意义。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 地裂缝国内外研究现状 在国外，地裂缝问题比较严重的美国于1 9 5 0 年率先开展了地裂缝的研究和探讨， 对地裂缝的成因模式已获得综合性的认识。由于美国的现代地裂缝主要集中发育于新 构造活动比较明显、地下水长期超采并导致明显的地面沉降的构造盆地和构造谷地范 围，因此，关于地裂缝的成因集中形成了三种不同的观点：构造成因观、地下水开采 成因观、综合成因观1 。 而近年来土耳其的安纳托利亚、泰国曼谷、利比亚等也相继开展地裂缝研究，但 程度相对较低。美地区的墨西哥、东非的埃塞阿比亚、亚洲的菲律宾、日本、等国家 也都开展了不同程度的地裂缝观测和理论研究，总结了当地地裂缝发育的影响因素， 对这些地区的减灾防灾起到了一定的指导作用。 我国是世界上地裂缝灾害最严重的国家之一，但地裂缝问题的研究开展得较晚。 ，2 长安大学硕士学位论文 它起源于1 9 7 4 年落实地震异常和为城市抗震防灾工作服务，目前在2 5 个省、市、自 治区的3 0 0 多个县市发现地裂缝数千条。主要分布在大华北区，即陕西、山西、河北、 山东、河南、安徽、江苏七省，占全国地裂缝总数的7 0 以上，面积达6 0 余万平方 千米。集中在汾渭地堑系、华北平原地堑系、郯庐断裂带和大别山北缘断裂系四个活 动断陷盆地和断裂带上，最具代表性的是汾渭地裂缝。研究的重点地区是西安、邯郸、 临汾和大同等城市，研究的中心内容是关于地裂缝的成因机制问题。 谢广林于1 9 7 9 年根据地裂缝区域性分布特点和唐山地震前后中国东部及华北地 区的地壳运动趋势的关联，提出区域地裂缝的构造成因，认为地裂缝是区域性地壳剧 烈变动在地表产生的一种缓慢形变。根据导致地裂缝灾害的营力条件，地裂缝灾害可 划分为构造地裂缝和非构造地裂缝两种基本类型。构造地裂缝由内营力作用引起，地 震、火山活动和构造蠕动是其主要成因；而非构造地裂缝则是由外营力导致的，滑塌、 塌陷、胀缩、湿陷、渗蚀、干旱及融冻等动力地质作用均可导致地裂缝的形成h 】。 李永善和王景明于1 9 8 6 年通过对汾渭地堑地裂缝的成因研究，提出中国现代区域 地裂现象是近期区域性构造运动强化的结果。汾渭地堑是我国比较典型的新构造活动 区域，该区域的地裂缝现象的集中发生与区域性构造活动的强化在时间上明显同步， 并且地裂缝在展布、活动方式等诸多方面均明显表现出统一的构造特征。夏其发和张 咸恭于1 9 9 0 年则认为汾渭地堑地裂缝主要由构造作用或地震活动形成，而后又受外 力或人类活动的诱发作用加速了地裂缝的发生和发展，形成灾害。王绍中于1 9 8 5 年等 根据地裂缝的分布、发育特点，综合提出地裂缝是现代构造活动、外力作用和人为因 素共同作用的结果。 西安地裂缝问题的研究开展的较早，系统研究始于2 0 世纪7 0 年代中期。最初其 主要目的是落实震兆，研究初期以地裂缝灾害勘查为工作重点，以查明地裂缝的发育 规律及灾害特点为主要研究目的，重点研究西安地裂缝的成因机制问题。后来的学者 研究认为西安地裂缝是多种因素叠加作用的结果，是深部断裂在统一区域应力场作用 长期蠕动而成隐伏微细地裂缝，在地下水活动和其他附加因素作用影响下，隐伏地裂 缝扩张呈现于地表并发生位移。地质构造因素在其长期的发展史中一直起到控制、支 配作用，它们反映了近代张应力场作用下西安断陷盆地中断块差异沉降，作为环境地 质因素的地下水位等只是在其发育的某阶段起到加速和促进地裂缝发展作用。陕西地 矿局和中国地质大学采用信息量方法提出了西安地裂缝活动的空间预测预报模型，并 根据模型计算的结果编制了西安地裂缝活动程度空间预测图，对西安市未来不同地块 3 第一章绪论 的地裂缝灾害发育烈度进行了有意义的评价。 1 2 2 基于g i s 的地裂缝研究现状 自1 9 9 0 年以来，g i s 在地质灾害危险性评价、风险管理和防灾减灾管理方面发挥 了重大的作用。而g i s 在应用于地裂缝方面，研究工作起步还是较晚的。 2 0 0 1 年董东林、孙桂敏应用g i s 软件对山西临汾市区地裂缝的发展进行了合理的 预测，该软件通过对影响山西省临汾市地裂缝的七种物理因子的分析，分别给予不同 的权重，建立空间数据库，形成了临汾市区的地裂缝灾害分区，为临汾市城市规划及 土地利用提供了较为可靠的依据。 2 0 0 2 年武强、陈佩佩等在详尽分析了山西榆次地裂缝的各个致灾因子的基础上， 利用g i s 技术建立了地质学意义上的专题层；然后采用人工神经网络技术构建出了地 裂缝灾害活动性的评价模型，并建立了地裂缝活动性的评价系统，对榆次地裂缝进行 了灾害活动性评价旧1 。影响榆次地裂缝灾害的因素较多，如新构造、地下水开采、地 层和地貌等，这些因素均具有空间分布特征。应用g i s 的空间分析、缓冲区分析和绘 图等功能，分别进行构造分区、绘制地下水位等值线、地层分区和地貌单元划分等工 作，对各致灾因子分别建立了专题层图，并进行量化处理，进而计算地裂缝危险性系 数，进行空间区域的地裂缝灾害的危险性评价，以反映各分区地裂缝灾害的活动程度。 2 0 0 4 年郭新荣、陈志新等在g i s 支持下对西安市地裂缝预报系统进行了开发与研 究，首先收集分析了区域资料、地质资料、观测资料的信息特征与应用特征，以空间 数据库的理论及关系数据库的规范为基础研究了这些信息的概念模型及逻辑模型，提 出了“西安地裂缝预报一系统的需求分析。对地裂缝活动性的分析预测方法，在参考 国内外相关研究成果基础上提出了利用“灰色模型”及“神经网络 模型作为数学基 础进行分析预测。在分析目前g i s 技术基础上，运用e o m 技术作为主要开发技术，选 取m a p g i s 为基础平台，按需求分析作出了软件设计，设计了m a p e d i t o c x 等一系列功 能组件。以v c + + 为基础平台，集成了m a p g i s 组件、m a p e d i t o c x 组件、多媒体组件， 实现了“西安市地裂缝预报 系统软件。 2 0 0 5 年陶虹对西安地裂缝在m a p g i s 的基础上进行了分析应用，将具有统一地理 坐标和空间分析能力的m a p g i s 地理信息系统应用于地裂缝活动强度评价，根据对地 裂缝影响因素的分析建立层次分析模型计算每一影响因素的权重，确定在g i s 支 持下的地裂缝活动强度评价模型。再通过m a p g i s 图形、图像处理等模块对各单因素 4 长安大学硕士学位论文 专题层进行地图代数运算，得出地裂缝影响因素叠加图像并确定分区阈值以此为依 据对西安地裂缝活动强度进行分区进而实现对地裂缝活动强度的预测。 2 0 0 6 年撒利伟、许五弟对西安市地裂缝和地面沉降情况进行了描述，运用土力学 原理，对西安市地裂缝和地面沉降及其相关因素的相关性进行简单论述；利用g i s 技 术对数据信息进行编辑处理，对数据进行转换，建立空间数据库，对空间数据库数据 进行空间分析，并对西安市地裂缝和地面沉降空间分布特征加以描述。 目前利用g i s 对地裂缝灾害进行危险性评价尚无前例，本文在前人的基础上进一 步利用g i s 技术对渭河盆地地裂缝灾害分布实现管理、可视化、空间查询和输出等功 能。如果通过g i s 已有的功能来处理与地质灾害有关的多源空间数据，建立危险性评 价模型，并利用该软件的功能模块来实现g i s 基础之上的专业评价预测，进行地质灾 害风险评价，这样就可以大幅度提高工作效率，降低劳动强度，提高资料数据的利用 率，为防灾减灾决策做出贡献。 1 3 本文研究的主要内容和技术路线 1 3 1 研究内容 本文在广泛收集前人的研究资料和理论成果的基础上，以渭河盆地的地理地质环 境为背景，以地裂缝灾害的发育及分布特征为基础，以a r c g i s 软件为基础平台建立 了地裂缝灾害的空间数据库，建立研究区地裂缝危险性评价指标体系，并通过咨询专 家建立了分级标准。最后以模糊综合评判模型的数学方法对研究区的地裂缝灾害进行 了危险性的分区评价。 5 第一章绪论 1 3 2 技术路线图 图1 1 技术路线图 6 长安大学硕士学位论文 第二章渭河盆地地裂缝灾害发育的地质环境背景与特征 2 1 地裂缝灾害发育的地质环境背景 2 1 1 自然地理背景乜7 1 ( 1 ) 地理概况 渭河盆地位于陕西省中部，南依秦岭，北抵渭北北山( 老龙山、嵯峨山、药王山、 尧山等) ，西起宝鸡，东至潼关，东经1 0 7 。3 0 1 0 7 。3 77 ，北纬3 3 。3 97 3 5 。5 07 之间。海拔约3 2 5 - 8 0 0 m ，平均海拔为5 2 0 m ，东西长约3 6 0 k m 。南北宽窄不 一，东部最宽达l o o k m ，西安附近约7 5 k m ，眉县一带仅2 0 k m ，至宝鸡逐渐闭合成峡 谷，形似“新月，面积约3 4 1 0 4 k r n 2 ，约占全省土地总面积的1 9 。因在函谷关 和大散关之间( 一说在函谷关、大散关、武关和萧关之间) ，古代称“关中”。春秋战 国时为秦国故地，号称“八百里秦川”。行政区划包括5 个地级城市：西安、咸阳、宝 鸡、渭南、铜川。区内自然条件优越，地势平坦，土地肥沃，气候温和，交通便利， 物产丰富，文化教育事业发达，工业城镇密集，全区集中了全省6 0 的人口和工业以 及5 2 的耕地，是陕西省政治、经济、文化的中心地带，也是我国重要的粮棉产区和 国家建设的重点地区。 渭河盆地夹持于陕北高原与秦岭山脉之问，为喜马拉雅运动时期形成的巨型三面 环山、向东敞开的新生代断陷带，南北两侧山脉由东向西到宝鸡闭合形成峡谷。盆地 两侧均为高角度正断层，断层线上有一连串泉水和温泉出露。南北两侧山脉沿断层线 不断上升，盆地徐徐下降，形成地堑式构造平原。南面是山势陡峭的秦岭中高山，海 拔1 0 0 0 - - - 2 3 2 0 m ，主峰太白山3 8 0 0 m ，著名的西岳华山，海拔2 4 3 7 m ，雄伟壮观。北 面是低山丘陵，海拔7 0 0 - - - , 1 2 5 0 m ，称为“北山。在北山和秦岭之间为一西宽东窄 的平原，西高东低，渭河东西向纵贯其中。渭河平原形成后，不仅有黄土堆积其间， 更重要的是渭河及其两侧支流携带大量泥沙填充淤积其中，第四纪松散沉积，最大厚 度达7 0 0 余米。因地壳间歇性变动和河流下切，形成高度不等的阶地。一二级阶地组 成关中平原的主体，当地称“原，自上而下如阶梯状的头道原、二道原、三道原。 三道原相当于二级阶地。原面受渭河南北支流切割而破碎。渭河以北，从西向东有西 平原、和尚原、周原、积石原、始平原、毕原、美原、许原等；渭河以南从西向东有 五丈原、细柳原、神禾原、少陵原、白鹿原、铜人原、阳郭原、孟原等。 7 第二章渭河盆地地裂缝灾害发育环境背景与特征 ( 2 ) 气象水文 陕西地处内陆，远离海洋，属于大陆性季风气候。由于秦岭阻挡，省内南北气候 相差显著。渭河盆地处于中纬度地区，区内属温带半干旱、半湿润气候，多年气候气 温1 2 - - 1 3 6 。c ，多年平均降水量5 3 0 - - 7 0 0 m m ，西部多于东部，南部多于北部：而蒸 发量西部为9 0 0 m m ，东部达1 0 0 0 - - 1 2 0 0 r a m 。降水量年际与年内分配不均，年内降水 量主要集中在七八九三个月，其降水量占全年4 5 左右。多年平均蒸发量1 0 0 0 - - 1 2 0 0 m m ，多年平均相对湿度6 1 7 2 ，平均潮湿系数0 6 左右，属于湿度适中带。 渭河盆地河流主要是渭河水系。黄河在盆地东界流过，由北到南至潼关，纳西来 之渭河后转向东流，黄河出龙门基岩峡谷后，河谷开阔，流速顿减，泥沙大量沉积， 形成了大片的高低河漫滩地。由龙门至向东入河南段河长1 4 0 k m 。渭河入境后接纳了 由南北而来的近百条大小支流，尤其源于秦岭的支流平行密布，习有“秦岭七十二裕一 之称，这些支流径流较短，水流湍急，受降水影响河水位和流量变化很大，它们在流 经山前砂、砾河床时，河水大量渗漏，甚至断流，转化为地下水。渭河北岸支流较少， 源于或穿越北山的主要有金陵河、千阳河、漆水河、泾河、石川河、洛河等。这些河 流大多源远流长，河支流较少，河水具有暴涨暴落、含砂量大的特点。 2 1 2 地质环境背景 ( 1 ) 地形地貌 坦荡低平的渭河盆地，平均海拔4 0 0 m ，地势西高东低，向东缓倾。自盆地中心 向两侧山地，地形呈阶梯状隆升，依次为河流阶地、冲积平原、黄土台塬、山前冲洪 积扇裙。盆地边缘层峦迭嶂的山脉带，在地貌上表现为明显的断层崖和断层线崖，比 高数百米，三角面发育良好，沿断层崖的崖脚，无数泉水成列出现。渭河顺盆地中轴 向东奔流直注黄河，其南岸支流源于秦岭，流径短且平行密布；北岸支流较少，源于 鄂尔多斯台地，源远流长。山地的陡峻，沟谷的深切，黄土台塬和河流阶地的广泛发 育及其差异性，雕塑出了渭河盆地独具一格的地理地貌特征。 渭河盆地三面环山，南北高中部低，西高东低，西窄东宽，渭河自西向东过盆地 中部，从南北山前到盆地中心，呈阶梯状依次分布有山前洪积扇、黄土台塬、冲积平 原等地貌类型。在渭河和洛河之间的阶地上，还有一狭长沙丘地形分布。 具体可分为如下几个地貌单元。 渭河及其支流河谷阶地 8 长安大学硕士学位论文 渭河及其支流两岸的阶地最高为五级，阶地呈不对称分布。一、二级阶地比较发 育，阶面平坦开阔，二级以上的各级阶地上均有不同时期的黄土覆盖，形成上为黄土 堆积下为河流冲击的二元结构。三至五级阶地主要分布在宝鸡至眉县和西安一带及较 大支流如灞河、千河等东岸。黄土覆盖有一定的规律性，二级阶地上的黄土中含一层 古土壤，三级阶地含3 - - - , 5 层，四级阶地含6 - - , 8 层，五级阶地含1 6 - - 1 8 层。各阶地的 接触关系均为陡坎接触，只在西安以东渭河北岸呈缓坡接触。 黄土台塬 区内黄土台塬分布面积较为广阔。按其塬面高程、形态、组成物质及下伏基底构 造，可划分为一级和二级黄土台塬。 一级：塬面较低( 5 0 0 - - 9 0 0 m ) ，面积广，分布连续。塬面平坦，多呈阶状地形。 塬面上洼地发育，与河谷平原为陡坎接触。组成物质上部是8 0 , - - - ，1 2 0 m 厚的黄土，夹有 多层古土壤。下部是下更新统的冲、洪、湖相等沉积物。 二级：塬面较高( 6 0 0 一- 1 0 0 0 m ) ，塬面洼地和冲沟发育，与一级黄土台塬或高阶地 呈陡坎接触。组成物质上部是6 0 , - 一1 2 0 m 厚的黄土，且西部厚，东部稍薄，夹有多层古 土壤。 总体来说，以漆水河为界，漆水河西部的黄土台塬塬面较为破碎，河谷深切；东 部的黄土台塬塬面较平整，塬内洼地密布。 山前洪积平原 主要分布于秦岭山、北山山前一带。单个的洪积扇在秦岭山、北山已经互相连接 成群，形成带状分布的洪积群或山前倾斜平原、秦岭山前洪积扇具有时代新，洪积物 颗粒粗、厚度大的特点：北山山前洪积物颗粒较细，主要为砾石、砂、砂质粘土，交 互堆积，上面还覆盖有黄土及黄土状砂质粘土。据地表形态、组成物质和结构特征， 洪积扇结构类型可划分为埋藏型洪积扇和内迭或上迭型洪积扇。 沙丘 主要分布在渭河和洛河之间的一级阶地上，东西长3 0 k m ，南北宽6 - 1 0 k r a 2 。沙 丘是由古渭河、洛河河道迁移起沙，经风吹扬而引起的，沙丘面积大约2 5 0 k m 2 ，厚 2 0 - - - ，3 0 m ，主要由细沙组成。 ( 2 ) 地层岩性 渭河盆地发育在鄂尔多斯台地与秦岭褶皱带交界的部分，其地层系统分属于华北 和秦岭两大地层区，出露地层从老到新有太古界、中晚元古界、寒武一奥陶系、泥盆 9 第二章渭河盆地地裂缝灾害发育环境背景与特征 系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系及新生界。前新生界及花岗岩构成了 盆地基底并出露于盆缘山地，巨厚的新生界形成了辽阔的渭河平原。主要地层自老至 新简述如下u 训： 太古界太华群( a r t h ) ：为北秦岭褶皱带最古老的结晶基底。主要出露于盆地南 侧潼关蓝田一带，在骊山、韩城等地有零星出露。 元古界( p t ) ：主要出露于盆地南侧的清姜河、斜峪关一涝峪口、汤峪、寺沟一 带及骊山南坡，宝鸡以西冯家山附近的千阳河西岸也有出露。 寒武系( c ) ：主要分布于西崛山、瓦罐岭、羊毛湾、张家山、禹门口等地。 奥陶系( o ) ：分布于瓦罐岭、唐王陵、嵯峨山、药王山及韩城禹门口等地。岩 性主要为浅海相的泥页岩、泥灰岩、鲕状灰岩、灰岩和白云岩。与下伏元古界呈平行 不整合接触。 石炭系( c ) ：主要分布于盆地北缘的将军山、尧山、韩城等地，南缘眉县、李 家河一带也有出露。 二叠系( p ) ：分布于石川河以西的黄里镇、口镇、韩城等地。 三叠系( t ) ：出露于韩城禹门口一带及洛河、泾河、漆水河、冶峪河等河谷中。 白垩系( k ) ：主要出露于宝鸡一陇县的金陵河两侧及风翔县背面的西河、蟠桃 河一带。 第三系( e ) ：分布于白鹿原、同仁原、横岭原以及骊山周边地带，分老第三系 和新第三系，依次围绕骊山向西、南、东成扇状分布，近骊山者新。大多数掩埋于平 原之下，其上为第四系覆盖，仅在深切沟谷或山地边缘见及。 第四系( q ) ：广布全区，岩性以黄土和砂砾卵石为主，成为类型复杂，以风积、 冲洪积、湖积为主，另有冰积、坡积、滑塌堆积。第四系与下伏第三系为不整和接触。 由于原始地形崎岖不平，使第四系沉积厚度差别极大，由西北而东南增厚。盆地沉积 中心处的户县、固市等处，第四系厚度最大，一般为7 0 0 - 8 0 0 m ，极者达1 3 0 0 m 。河 谷区一般均大于4 0 0 m ，黄土塬区一般厚1 0 0 - - 3 0 0 m 或小于l o o m 。 下更新统- - = i - j 组( q 1 。) ：大部分伏于平原地表之下，仅河谷等局部地段出露地表。 中更新统泄湖组( q 2 y ) ：分布在原、梁、峁区，并覆盖在渭河及其一、二级支流 的高阶地上。岩性为浅灰褐色较疏松无层理的黄土，夹多层红褐色古土壤，时代与“离 石黄土 相当，代表性剖面为蓝田猿人下颌骨发现地点陈家窝子剖面，以泄湖组中第 1 0 长安大学硕士学位论文 八层古土壤为界可分为上、下两部分。 上更新统乾县组( q 3 a ) ：成因类型复杂，有风积、洪积和冲积等，代表性剖面为 乾县大北沟水库剖面。 全新统( q 4 ) ：主要为现代河流冲积、洪积层和山前洪积坡积，分布于河流一级 阶地及河漫滩、山前冲洪积扇上，原边为重力滑塌堆积。 ( 3 ) 地质构造1 2 3 渭河地堑系新生代断陷盆地，新构造运动强烈，活动性断裂发育，地震活动频繁， 区域稳定性差。活动性断裂以近东西、北东东、北东向为主，北西向次之。近东西向 断裂形成于中生代末新生代初，直接控制着侏罗、白垩、老第三系和中新统的分布， 第三纪以来仍有活动，如口镇一关山大断裂；北东东向断裂形成于中新世早期上新 世初，直接控制着中新统和上新统的分布，直至现在仍有活动，如渭河大断裂、乾县 一临猗大断裂。同期的还有北北东向断裂，如韩城断裂；北东向断裂形成于第三纪末 至第四纪初，控制着第三系张家坡组，第四系上、中更新统的分布，现在仍在活动， 主要有毛家河断裂、白龙潭断裂等。同期的还有北西向断裂，如八渡一虢镇断裂。断 裂皆为高角度断层，直接控制、影响沉陷的形成和发展，使本区形成具差异性断块构 造的某些特征。近东西向地堑与北东向凹陷迭加形成断陷洼地，如陵前洼地、保南洼 地、卤阳洼地等，近东西向地垒与北东向隆起带共同作用形成断块中低山、断块黄土 塬，如嵯峨山、将军山、尧山、五龙山、九龙塬、紫金塬、焦作塬、铁镰塬等。 秦巴断块隆起，系由走向东西的紧密褶皱和压性断裂组成的强烈挤压带，地质构 造极为复杂。多深大断裂，且具长期活动性，产状、性质变化大等特点。因差异升降 形成汉中一西乡、安康断陷盆地，和北北东向斜列的石门、洛南、商丹、山阳等中、 新生代断陷盆地，断裂活动明显，沟谷深切，地形破碎，动力地质作用强烈。 第= 苹耐河盐地地裂缝灾害发育环境背景与特征 圈l l 渭河盆地地质构遗田 f 4 ) 水文地质“” 由于受地质地貌和气象水文等因素控制不同地貌单元上地下水含水介质、赋存 状况，埋藏条件等存在明显差异。 秦岭与北山之间的关中盆地，地势低平，第四纪松散堆积物厚度大，分布广，富 水性好，加之降水较多，又有出山口河流渗漏，补给条件良好，因此总的看地下水较 为丰富。盆地中部的渭河沿岸及各支流阶地、山前洪积扇前缘等区域和局部地下水捧 泄为主要的富水地段。盆地内广大地区地下水以水平运动为主，主要由南北两侧向盆 地中部渭河径流、排泄。含水介质以第四系松散覆盖层孔隙、孔隙裂隙水含水岩类为 主，并常常组合成上部潜水与下部承压水双层含水结构。其它古水岩类出露于分布面 积较小，仅于骊山地区有少量块状基岩裂隙水含水岩类存在。 松散岩类孔隙及孔隙裂隙水：冲积砂、砂砾石央粉细砂与亚粘土潜水层主要分 布于渭河及其较大支流的阶地。洪积黄土状土、砂、砂砾卵石、漂石夹亚粘土潜水层 主要分布于盆地边缘北山及秦岭的山前地带，前缘下部与河湖相地层交互沉积，界限 不易划分。风积、洪积黄土、黄土状土孔隙一裂隙水，主要分布于盆地中黄土台塬地 带。以冲湖积为主的砂、砂砾石、亚祜土互层承压水广泛的分布于眉县以东地段，埋 伏于上述各古水层之下。厚度巨大。第三纪砂、砂砾石与砂粘土或半胶结砂岩、砾岩 长安大学硕士学位论文 与砂泥岩互层潜水或承压水层，主要分布于蓝田及户县以西的河谷地区。 ( d 块状基岩裂隙水：含水岩组仅于骊山地区有少量出露。区内地下水主要接受大 气降水的补给，地下水流向与地形基本一致，渠灌区的渠道渗漏和灌水入渗对地下水 的补给也十分显著。盆地天然水化学场空间分布主要受自然地理、地质、地貌及水文 地质条件等的制约，沿地下水径流方向，潜水水化学类型、离子对当量比值、矿化度 等水文地球化学参数分带规律明显，水化学场空间分布符合正向演化的基本规律。 ( 5 ) 地震活动m 1 渭河盆地地震活动在时间和空间分布上均表现出明显的不均匀性，它反映了本 区构造活动程度和断裂活动强度的变化规律。 历史地震的时间分布特征在时间分布上表现出明显的不均匀性，即历史地震活动 的频度和强度随时间的推移有明显的起伏变化。地震灾害的空间分布特征有：地震层 与中地壳低速一高导层相吻合；地震平面分布具有明显的分区、分带和线状分布特征； 空间分布还具有东部的中强震绝大多数分布在构造凹陷或其边缘的特点。 渭河盆地现今地震活动