（岩土工程专业论文）基于gis的南水北调中线工程北京段岩溶塌陷危险性评价研究.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 本文利用g i s 强大的空闯信息管理和分析功能，以南水北调中线工程北京段所处 地质环境为工程背景，展开对北京段引水工程所经区域地质条件分析和岩溶塌陷地质 灾害危险性评价研究。 针对南水北调中线北京区段地质条件和地质灾害发育特征，以岩溶塌陷灾害为 例，通过分析探索岩溶塌陷的形成机理、评价因素、形态特征及空间分布规律等，建 立岩溶塌陷危险性评价的模糊综合评判数学模型和地理信息模型，优化选择影响因 子，探讨了基于g i s 的岩溶塌陷地质灾害危险性评价系统的设计与建立。 利用通用g i s 软件m a p i n f 0 6 5 、m a p x 5 0 作为开发平台，通过可视化编程语言 v i s u a lb a s i c ：进行二次开发，通过编程实现系统的模糊综合评判功能，建立专用的、区 域性的g i s 系统，解决了包括空间数据和属性数据在内的地质环境信息的规范管理、 数学分析模型评价和结果处理显示等问题，在g i s 平台和专业信息之间架起“桥梁”。 该系统是面向用户的应用g i s 系统，操作简单，具有信息收集与录入、信息查询、 数学模型评价、信息可视与地图化、结果输出和系统帮助等功能，其中既包括m a p l n f o 软件的基本功能又包括g i s 扩展功能，为施工和决策部门的地质灾害评价以及选取有 效而科学的防灾、减灾和救灾措施提供科学依据。在地质灾害评价中采用g i s 技术和 多级模糊综合评判方法将本来模糊的主观性很大的定性评估转交为定量评判，其思路 清晰且评价结果直观，能够满足地质灾害信息管理与评价的要求，是提高评估结果科 学性的一种有效方法。 关键词：g i s ，危险性评价，地质灾害，模糊综合评判 北京科技大学硕士学位论文 a s s e s s m e n ts t u d y0 1 1k a r s tc o l l a p s eo c c u r r e n c el e v e lo f b e i j i n gd i v i s i o no fm i d d l e r o u t es o u t h - t o - n o r t ht r a n s f e rp r o j e c t b a s e d o n g i s a b s t r a c t w i t hp o w e r f u ls p a t i a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n da n a l y s i sl l m c t i o n so fg i s ，t a k i n g t h eg e o l o g i c a le n v i r o n m e n to fb e i j i n gd i v i s i o no fm i d d l er o u t eo fs o u m - t o - n o r t h t m n s f e rp r o j e c ta sb a c k g r o l m d , t h i sp a p e rs t a r t sak a r s tg e o l o g i c a lh a z a r da n a l y s i sa n d e v a l u a t i o ns m d i e sb a s e do nt h er e g i o n a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s i n v e s t i g a t i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dg e o l o g i c a lh a z a r ds e c t i o nf e a m r e so ft h i s r e g i o n , i tt a k e sk a r s tc o l l a p s ea s 姐e x a m p l e b ya n a l y z i n gt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f k a r s tc o l l a p s e , e v a l u a t i o nf a c t o r s ，s p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dm o r p h o l o g y , i te s t a b l i s h e sa f u z z ym a t h e m a t i c a lr i s ka s s e s s m e n tm o d e la n dg e o g r a p b i ci n f o r m a t i o nm o d e l e x p l o r et h e d e s i g na n db u i l do f g e o l o g i c a lh a z a r de v a l u a t i o ns y s t e mb a s e d 0 1 1g i s w i t hc 伽m o ng i ss o f t w a r em e p l n f 0 6 5 m a p x 5 0a st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m , i t d e v e l o p st h eg i ss y s t e mb yv i s u a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e - v i s u a lb a s i c 。r e a l i z e st h e f u n c t i o n so ff u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na n de s t a b l i s h e ss p e c i a la n dr e g i o n a lg i s s y s t e n xi ts o l v e st h ep r o b l e m so f c a n o n i c a lm a n a g e m e n to f s p a t i a la n d a t t r i b u t ed a t ao f t h e g e o l o g i c a le n v i r o n m e n t , m a t h e m a t i c a lm o d e le v a l u a t i o na n dr e s u l t sd i s p l a y i ts o su pa b r i d g e ”b e t w e e np r o f e s s i o n a li n f o r m a t i o na n d g i sp l a t f o r m t h eu s e r - o r i e n t e dg 1 sa p p l i c a t i o ns y s t e mi ss i m p l yo p e r a t e d ，i th a sb a s i cf u n c t i o n so f i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dr e c o r d i n g , i n f o r m a t i o nq u e r y , m a t h e m a t i c a lm o d e le v a l u a t i o n , i n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o na n dm a p p i n g , r e s u l t so u i p u ts y s t e mh e l pa n ds oo n , w h i c h c o n t a i n sn o to n l yt h eb 勰i ef u n c t i o n so f m a p i n f os o f t w a r eb u ta l s oo t h e re x p a n d i n go n e s i t l 撕o v i d e s & s c i e n t i f i cb a s i sf o rc o n s l n l c t i o ns e g t i o n $ a n dd e c i s i o n - m a k i n gd e p a r t m e n t st o e v a l u a t et h eh a z a r d sa n da d o p te f f e c t i v ea n ds c i e n t i f i cd i s a s t e rp r e v e n t i o n , m i t i g a t i o na n d s u c fm 黜t l e s e v a l u a t i o no fg e o l o g i c a lh a z a r d si nt h eu s eo fg i st e c h n o l o g ya n d 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 dc a ni r s u s f o n nv a g u es u b j e c t i v e - 2 北京科技大学硕士学位论文 q u a l i t a t i v ee v a l u a t i o nt oq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o n w i t ht h ea d v a n t a g e so ft h o u g h tc l e a r l y a n dv i s u a lr e s u l t s , i ti sa l le f f e c t i v em e t h o dt oa s s e s st h es c i e n t i f i cr e s u l t sa n dc a l lm e e tt h e r e q u i r e m e n t so f g e o l o g i c a lh a z a r d sm a n a g e m e n ta n da s s e 豁m e n t k e yw o r d s ：g i s ，h a z a r de v a l u a t i o n ，g e o l o g i c a i 埘s 淞t e bf u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a 任o n 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得研究成果。尽我所知，除了文中特另l j ) j l l 以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得北京科技大学或 其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：监导师签名：之垒：日期：塑幺垒盐 北京科技大学硕士学位论文 1 引言 1 1 地质灾害危险性评价研究概述 1 1 1 地质灾害危险性含义 地质灾害危险性是表征地质灾害活动程度的主要标志，其分析可以是对一个特定 灾害点或灾害事件的评价，也可以是对一个地区或区域地质灾害活动水平的综合评 价。 v a r n 龉d j - ( 1 9 m ) 认为危险性是在特定时间和区域内某种潜在灾害发生的可能 性i ”。e i n s t e l n h m ( 1 9 8 8 ) 认为危险性是在给定时间内某个特定灾害发生的概率【2 】。 刘希林等( 1 9 9 5 ) 认为泥石流危险度即指遭到泥石流损害的可能性大小【3 】。张梁( 1 9 9 6 ) 认为地质灾害危险性分析是度量地质灾害体的活动程度、活动特征、地理分布及其对 影响区的威胁程度，它是评价地质灾害破坏损失程度的基础【4 】。罗元华等( 1 9 9 8 ) 认 为地质灾害危险性是自然灾害自然属性的体现，其中的核心要素是地质灾害的活动程 度【s q 。 1 1 2 地质灾害危险性评价的内容与方法 地质灾害危险性评价主要是评价地质灾害危险性的相对程度，其采用的基本指标 是地质灾害发生的影响因子，主要包括地质条件、地貌条件、水文条件、人为条件等， 对于历史地质灾害可以通过调查统计比较容易地获取这些数据。对于潜在地质灾害刚 需要通过一系列分析过程才能获取这些数据，这是危险性评价研究的主要内容。 不同范围地质灾害危险性评价的精度要求不同，影响地质灾害活动程度的要素不 同，所以评价的内容也不完全一致，可以分为点评价、面评价和区域评价。 点评价主要是对潜在灾害体或已经出现的灾害现象预期灾情进行分析评价。它要 求给出今后这种灾害发生或进一步发展的概率或速率有多大，可能规模和危害范围有 多大，在危害范围内灾害活动的程度以及与此密切相关的破坏强度如何分布，因此， 点评价的基本目标和主要内容是确定灾害活动概率或发展速率，划分成灾范围以及不 同强度的危险区。面评价是对一个地区某一类或几类地质灾害的活动进行分析评价， 要求给出评价区今后可能发生多少次或多少处灾害活动，它们活动的强度、规模、危 害范围以及在不同地区所具有的破坏能力有多大。因此，面评价的基本目标和主要内 容是分析评价灾害活动数量、发生概率或发展速率、危害面积以及划分危险区。区域 评价是大面积的多种地质灾害活动程度的综合分析评价，主要通过危险性区划方式， 显示区域灾害活动水平。所以，区域评估的基本目标和主要内容是根据地质灾害危险 北京科技大学硕士学位论文 性构成，进行危险性区划【刀 地质灾害危险性区划的基本途径是将评价区按照定的条件划分为若干单元，利 用层次分析等方法把控制地质灾害危险性的各方面要素转化成量化的权重，建立数学 模型，通过分析数学方法迸行评判，做出地质灾害危险性分区评价。 根据地质灾害危险性评价的手段不同，地质灾害危险性的评价方法有：统计分析 法 s , g l 、模糊评判法【1 0 l 、层次分析法t m l 射、主成分分析法【1 4 1 、神经网络法f 1 5 ，嘲、信息 量法i i l 和g i s 计算机技术分析1 1 s 2 0 等。 统计分析法( s t a t i s t i c a la n a l y s i s ) 是运用数理统计理论，根据已知研究区的地质 灾害分布情况，建立影响因子和灾害发生与否的数学统计模型，在测试区得到验证后， 将其应用到地质环境相同或相似的地区，预测研究区的灾害危险性分布规律。最常用 的统计分析是判别分析和回归分析，前者更适合于连续变量，后者可以应用于含有定 性变量的分析。 主成分分析法( p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ) 在地质灾害综合评估中的应用， 是根据主成分分析法的分类原理和实施步骤以及多指标体系中指标的选取，针对地质 灾害的危险性，建立了评价的多指标体系和分级特征，对地质灾害危险性进行分段综 合评价，并给出建设工程可能诱发或加剧的地质灾害和建设工程本身可能遭受的地质 灾害危害的程度。主成分分析法在保证数据信息损失最小的前提下，经线性变换和舍 弃一小部分信息，以少数新的综合变量取代原始采用的多维变量，能较好地进行地质 灾害的分区，但也存在变量多重相关性的危害作用，有时会扭曲客观结论，故在指标 的选取上要合理。该方法的具体计算结果的解释更加重要。 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是基于现代生物学研究人脑组织的成 果基础上，用大量简单的处理单元广泛连接组成的复杂网络，有模拟人脑的学习、记 忆、推理、归纳等功能。陈佩佩等( 2 0 0 1 ) 在分析地裂缝灾害成因的基础上，利用地 理信息系统( g i s ) 的空间分析功能，建立了构造、地下水开采、地层和地貌4 个地 学信息专题层图；采用人工神经网络( a n n ) 这一以工程技术手段模拟人脑神经网 络的结构和功能特征的技术系统，建立了地裂缝灾害危险性非线性模拟评价模型，开 发研制了危险性评价系统，进而对榆次地裂缝灾害危险性进行了非线性模拟评价，并 将研究区按危险性系数进行了分区【2 。 信息量法( i n f o r m a t i o nv a l u em e t h o d ) 用于地质灾害危险性区划的主要思路【1 7 , 2 2 1 ： 通过对已变形或破坏区域的现实情况和提供的信息，把反映各种影响区域稳定性因素 的实测值转化为反映区域稳定性的信息量值，然后通过某些因素对所提供的研究对象 信息量的计算来评价，即用信息量的大小来评价影响因素与研究对象关系的密切程 北京科技大学硕士学位论文 度。信息量用条件概率计算，实际计算时可用频率估计条件概率来估算。 地理信息系统计算机技术分析( c o m p u t e rt e c h n o l o g yb a s e do ng i s ) 是利用g i s 在收集、分析空间数据方面的能力，将实际工作所收集到的离散数据点进行统计识别， 生成系列图件和模拟地图，进行空间检索与分析、属性数据的调用、图表计算、数学 模拟，及对不同图层的复合、分解、叠加等运算，来实现不同的分析目的】。尽管 g i s 的基本构成并不具备地质灾害定量评价的功能，但是它却能为定量评价提供强有 力的支持。通过构建地质灾害危险性评价数据库、知识库和危险性评价数字环境模型， 在g i s 的支持下，提取主要的危险性影响因子，依据知识库对各类因子进行分级和赋 权，与其它评价方法或模型结合，实现对地质灾害危险性的评价或区划。 从上面的分析可以看出，各种分析评价方法有各自的优点和缺点，在进行地质灾 害危险性评价时，可同时采用几种评价方法，以弥补单独使用某种方法时的不足，如 极差分析模糊评判法、层次分析模糊评判法、信息模糊评判法、基于g i s 的人工神经 网络法、基于g i s 的信息量法等。 综合上述各种方法的特点，本文采用基于g i s 的层次分析模糊评判法。层次分析 模糊评判法是采用层次分析法选取与地质灾害密切相关的因子，确定出不同层次不同 影响因子的权重，以此来刻画各影响因素对产生地质灾害的影响程度及各影响因素之 间的组合效应，然后通过模糊综合评判法，在确定各因子隶属度的基础上进行多因子 综合，穆到各单元的地质灾害危险性程度评价结果。本文利用g i s 的空间分析、信息 收集、专题图输出等功能将区域内的地质灾害资料建立g i s 空间分析模型，结合层次 分析模糊综合评判对南水北调中线工程北京段区域内岩溶塌陷地质灾害危险性进行 分区评价研究，这是本论文研究的主要内容。 1 2 应用g i s 进行地质灾害危险性评价的研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外尤其发达国家将g i s 应用于地质灾害研究方面已做了很多工作t 2 4 - 2 9 1 从2 0 世纪8 0 年代至今，g i s 技术的应用也从数据管理、多源数据集数字化输入和绘图输 出，发展到d e m 或d t m 模型的使用，g i s 结合灾害评价模型的扩展分析，g i s 与 决策支持系统的集成和网络g 1 8 。根据现有资料显示。将g i s 应用于地质灾害研究， 最早是美国加利福尼亚m e n l op a r k 地质调查局的e a r le b r a b b ，他于1 9 8 6 年应用g i s 技术对加利福尼亚s a nm a t e o 地区进行了地质灾害研究，使用了g i s 的数据处理、数 字绘图及数据管理等功能。1 9 8 7 年仍然是该地质调查局的c a r t hm w e n t w o r t h 和 s t e p h e n d e l l e n 等用g i s 对区域工程地质作了进一步分析。1 9 8 9 年美国的m i c h a e la 北京科技大学硕士学位论文 f i n n e y 和n a n c yr b a i n 用g i s 技术分析滑坡灾害。d o u g l a sc p e t e r 等用g i s 对工程 数据进行评价。以上早期g i s 应用多利用了g i s 的数据处理、数据管理、绘图输出 等基本功能。印度r o o r k e e 大学地球科学系的r p g u p t a 和b c j o s h i 用g i s 方法 对喜马拉雅山麓的r a m g r n g ac a t c h m e n t 地区迸行滑坡灾害危险性分带。该研究基于 多源数据集，如航空像片m s s 磁带数据m s s 图像，假彩色合成图像及各种野外数据， 包括地震、构造、地形、土地利用及滑坡分布。以上数据需要进行数字处理或者图像 处理，然后解译绘制出地质图( 岩性与构造) ，滑坡分布图、土地利用图等专题平面 图这些数字化图件及属性数据都存储在g i s 系统中，从中可找出与滑坡灾害评价相 关的因素，和用g i s 的存储、更新、网格化、空间叠加功能，得到一张综合图件，图 上反映的是每个地区的权重总和。根据给定标准，即可在这张图上勾绘出滑坡灾害危 险性分区。1 9 9 1 年美国弗吉尼亚州地质调查局r u s s e l lh c a m p b d l 等用g i s 对滑坡灾 害进行空问预报。美国密苏里州的r b j a c o b s o n 等用g i s 分析滑坡位置，意大利 a c a r m m 等学者将g i s 技术与统计模型结合应用于滑坡灾害的评价。加拿大的 c f c h u a n g 和a g f a b b r i 等学者将g i s 应用在滑坡灾害分区的多因素综合分析。新西 兰学者i l s o e t e r s 等将g i s 技术与遥感技术i t s 结合并应用于山地灾害分析与环境评 价法国的e l e r o i 等将遥感技术与g i s 技术应用于滑坡灾害制图工作。美国科罗拉 多州立大学m a r i om e j i a - n a v a r r o 和e l l e n w o b l 利用g i s 对哥伦比亚麦德林地区地震灾 害进行了分析和研究。重点考虑了基岩和地表地质条件、构造地质条件、气候、地形、 地貌单元及其形成作用、土地利用和水文条件等因素。根据各因素的组成成分和灾害 信息存储、缓冲区分析d e m 模型及叠加分析等功能，对有关滑坡、洪水和河岸侵蚀 等灾害倾向地区进行了灾害分区，并对菜一具体事件各构成因素的脆弱性进行了评 价。m a r i om e j i a - n a v a r r o 博士后等人将g i s 技术与决策支持系统结合，利用o i s 主要 是地理资源分析支持系统g r a s s 软件以及工程数学模型建立了自然灾害及风险评估 的决策支持系统，并应用在科罗拉多州的g l e n w o o ds p r i n g s 地区。应用g i s 建立指标 因素数据库，并建立基于g i s 的多个控制变量的权重关系式。对泥石流、洪水、地面 沉降、由风引起的火灾等灾种进行了灾害敏感性分析，脆弱性分析及风险评估，辅助 政府部门决策 3 0 3 。 1 2 2 国内研究现状 冒内应用g i s 技术开展地质灾害研究工作起步较晚，研究程度较低。目前，尚未 见到较成熟实用的地质灾害评价预测g i s 系统。国内在煤矿地质灾害和滑坡地质灾害 中研究相对较多，其它方面涉及较少。 郑世书、孙亚军等在岩矿地下开采工作面漏水预测及矿区岩溶水害预测中应用了 北京科技大学硕士学位论文 g i s 技术。曹中韧、孙苏南等在岩矿底板突水危险性预测中也应用了g i s 技术，在分 析岩矿地质水文地质条件及突水资料的基础上，建立起能反映较多因素综合作用的突 水模式，以帮助岩矿生产决策人员比较直观地正确判断底板突水情况。姜云、王兰生 在山区城市地面岩体稳定性管理与控制中应用g i s 。他们以重庆市为典型研究对象， 在对城市地面岩体变形破坏形成机制系统研究的基础上，以i d r i s i 系统为工具，对地 面岩体变形破坏进行了时间、空间预测预报；同时，通过分析城市地质环境对土地工 程利用的制约关系，对各种土地利用类型的土地能力作了定量的分析与评价，运用 c i s 的信息存储、查询、空间叠加运算及d e m 模型等功能，得到土地能力的定量分级、 斜坡稳定性综合评价分区图。雷明堂、蒋小珍等在岩溶塌陷评价中运用g i s 技术，根 据塌陷影响因素，如岩溶化程度、断裂分布、土层厚度、水动力条件及已有塌陷分布， 利用g i s 的距离分析、标量分析、网格叠加分析、分级分组分析等功能，完成研究区 塌陷危险性评价及分区。原地质矿产部水文地质、工程地质研究所在。八五”期间承 担的国家攻关项目专题研究京津唐地质灾害预测防治计算机辅助决策系统，获得 了国家“八五”重大科技成果奖，该系统由信息资源数据库、图形图像辅助分析、模 拟预测、经济评价和防治决策分析专家系统等五个子系统构成，总体结构采用了“四 库一体”的设计思想，即以地质灾害的预测和防治为目标，将相关的数据库、图形库、 模型库和知识库融为一个藕联整体，从而实现了数据加模型的定量计算与知识加推理 的定性分析闻的相互结合、相互渗透，实现了地理信息系统技术和智能决策支持系统 的结合。使该系统不仅具有定量计算和定性分析的能力，而且具有更加丰富、形象化= 的空间分析能力 3 0 , 3 1 】。 1 3 岩溶塌陷灾害研究历史及现状 岩溶塌陷( g a r s tc o u o p s e ) 是在岩溶地区因岩溶作用而发生的一种地面变形和破 坏的灾害。它是指岩溶洞隙上方的岩、土体在自然或人为因素作用下引起破坏变形， 并在地面形成塌陷坑洞的一种地质作用与现象f 3 2 l 。 国内外对岩溶塌陷的研究大体可以分为三个阶段【打, 3 4 1 ： 第一阶段：2 0 世纪5 0 年代以前，岩溶塌陷作为岩溶地表形态和参与岩溶发育语 言化的一种动力因素，被纳入岩溶学的研究范畴。在这个时期的研究中，般只是零 星的现象描述和记载，有的地方志把塌陷与地震现象列在一起记载。 第二阶段：从2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代中后期，随着世界各国经济建设的飞速 发展，岩溶塌陷的出现日益频繁，特别是许多矿区疏干排水后产生了大规模的塌陷和 沉陷，造成了巨大的损失。如南非的金矿区，俄罗斯的北乌拉尔铝土矿，我国广东凡 北京科技大学硕士学位论文 口铅锌矿，湖南水口山铅锌矿，河北开滦、柳江、邯郸，山东淄博及山西太原、潞安 等煤矿区，是最早出现严重塌陷的地方，引起了水文工程地质界和工程界的重视，从 矿床岩溶水文地质学的角度对其开展了较广泛的研究。这一时期除矿区塌陷外，城镇 工业及农业供水抽取岩溶地下水也陆续产生了许多塌陷，对此也进行了有关的调查研 究和总结。 第三阶段：从2 0 世纪7 0 年代后期以来，由于全球经济的快速发展和人口增加对 环境造成破坏，岩溶塌陷的发展更趋严重，不仅矿区塌陷日益增多，而且在许多城镇 地区、铁路、公路沿线及岩溶水库等也广泛出现塌陷，成为岩溶地区在人为作用下发 育最普遍的一种地质灾害和环境地质问题。同时，由于科学技术的飞速发展，一些先 进技术方法被引入到岩溶塌陷研究中，使得8 0 年代以来的岩溶塌陷研究进入一个新 的阶段 1 3 1 国外岩溶塌陷研究历史及现状 国外研究岩溶塌陷以俄罗斯研究最早、资料较多，美国和德国也较早对其进行了 研究俄罗斯有关岩溶塌陷和漏斗内容的报道，最早见于1 7 7 1 1 8 0 9 年间的刊物上， 其后有苏潘1 9 1 4 年关于岩溶塌陷带来的环境变迁的描述。1 9 3 3 年舍维亚科夫院士发 起召开了第一届全苏喀斯特会议，尔后有1 9 3 3 年地质勘探辞典、1 9 3 4 年舒金等 对岩溶塌陷的描述。1 9 6 1 年a 丸科洛佳日娜娅曾对乌拉尔铝土矿的矿床岩溶水文地 质闯题进行了研究。1 9 7 4 年马克西维奇教授发起召开了第二届喀斯特会议，决定必 须把喀斯特作为个独立学科进行研究，从而推动了喀斯特的研究向纵深发展。相继 有格法捷茨基、马克西莫维奇、a b 巴甫洛夫、丸马克耶夫、b b 雷日科夫、索科诺 夫等学者发表了文章与著作，较多地叙述了岩溶塌陷的形成机制等问题。a b 巴甫洛 夫还开创了潜蚀作用是岩溶塌陷的机制的理论。1 9 6 3 年报道了在莫斯科一高尔基长 4 0 0 k m 的双线铁路线上，有三段发生于石膏层中的严重岩溶塌陷问题。 1 9 9 0 年，v v t o l m a e h e v 和r e u t e r 出版了工程岩溶学一书莫斯科卅立大学 的a l e x a n d e r 和v a n i k e e v ( 1 9 9 1 、1 9 9 3 、1 9 9 5 、1 9 9 9 ) 也对岩溶塌陷进行了较深入 的研究。 在美国，b i l g e 于1 9 3 0 年报道了1 9 2 2 年密苏里州s b a n o n 县菜公路段内发生的一 处岩溶塌陷。g r e r a e r 于1 9 4 1 年第一个提出岩溶塌陷的分类，随后有些作者陆续发表 了一些文章。2 0 世纪7 0 年代以后，由于岩溶塌陷发育的广泛性和危害性，引起了国 际社会的普遍关注。 1 9 7 3 年在德国的汉诺威首次举行了“岩溶塌陷与沉陷与可溶岩有关的工程 地质问题”国际讨论会，有1 3 个国家参加，提交了4 7 篇论文，分四方面议题：塌 北京科技大学硕士学位论文 陷和沉陷形成的地质和地球化学条件；塌陷与沉陷韵机理；塌陷区的区划和地下 洞穴位置的探测方法；工程实例和工程措施。 1 9 7 8 年美国西肯塔基大学成立了岩溶与洞穴研究中心，将岩溶塌陷列为研究内 容。 1 9 8 0 年1 0 月在土耳其举行的。在可溶岩上建筑的工程地质问题国际讨论会”也 涉及到岩溶塌陷的工程地质问题。 1 9 8 3 年由b a r r y b e c k 和h e r r i n g 负责成立了美国佛罗里达州岩溶塌陷研究所。 1 9 8 4 年，美国存在岩溶塌陷问题的几个州，相继建立了岩溶塌陷数据库，并将 其存放于公共信息系统中，大大提高了岩溶塌陷资料的利用率。 1 9 8 4 年美国就尝试了运用地质雷达进行潜在塌陷的监测工作结果表明，地质 雷达能提供具高度可重复性的监测资料，完全可达到对塌陷进行长期监测的目的。然 而由于地质雷达设备昂贵，探测成本高，难以在塌陷监测中推广运用。 1 9 8 4 年3 月在威尼斯召开的第三届国际地面沉降会议上，把岩溶塌陷列为会议 的七个议题之一。 1 9 8 4 年1 0 月在美国佛罗里达州奥兰多举行了第一届有关岩溶塌陷的多学科国际 讨论会( t h e1 s tm u h i d i s c i p l i n a r yc o n f e r e n c eo ns i n k h o l e sa n dt h ee n g i n e e r i n ga n d e n v i r o n m e n t a li m p a c t so f k a r s t ) ，提交了6 4 篇论文，分7 个议题：塌陷发育的地质 结构和机制：塌陷敏感性的场地研究和评价；假岩溶塌陷的特征；塌陷的环境 和社会影响；塌陷治理工程实例；易塌陷的工程：对岩溶塌陷的名词术语的分 类。 自1 9 8 4 年起，这项会议每隔2 3 年举办一次历次会议的议题主要包括：岩 溶塌陷的调查研究；岩溶塌陷实例分析；岩溶塌陷的形成与发展；岩溶地区的 工程地质与水文地质评价；岩溶塌陷的地貌研究；岩溶区的地下水污染与水力学； 岩溶区的排洪与疏干； 岩溶地区的地球物理勘探；岩溶塌陷整治与其他工程问 题； 岩溶地区的规划与控制( 调节) 的重要关系。 在历届的国际工程地质大会和有关的国际地质学术会上也有少量的有关岩溶塌 陷的文章交流。 1 3 2 国内岩溶塌陷研究历史及现状 国内从2 0 世纪5 0 年代开始，就对岩溶塌陷这特殊地质现象给予了关注并开展 了初步的调查研究工作。 钱学溥在1 9 6 0 年就发表了对山西高原喀斯特发育特征的论述文章，并根据煤田 勘查资料明确提出“山西太原、霍县、阳泉、襄垣及晋城附近煤田中发现有柱状陷落 北京科技大学硕士学位论文 构造，这种陷落柱又名环状柱或无炭柱，直径由十数米至数百米，其成因可能与石膏 溶蚀及喀斯特塌陷有关”。这是我国北方最早的岩溶塌陷记录。 1 9 6 6 年王锐曾论述了岩溶塌陷的水文地质问题，同年，项式均等还对湖南水口 山铅锌矿区进行了塌陷危险性的分区。 把岩溶塌陷作为重大地质问题来研究和论述，则始于1 9 7 3 年广东省地质局撰写 的隐伏岩溶类型矿区水文地质特征及勘探方法一书 1 9 7 3 年以后，国内先后举办了十几次规模不等的专题讨论交流会，这些会议都 曾对我国岩溶塌陷的特征、分类、成因、影响因素、力学机制及防治措旌等方面进行 了较深入的研究与讨论。特别是2 0 0 1 年在北京召开的首届国际岩溶地区可持续发展 会议，有2 1 个国家代表参加，会议着重讨论了岩溶地区生态、资源与环境可持续发 展的问题，分析了滑坡、岩溶塌陷等地质灾害的危险性，并为今后的研究指出了明确 的方向 经过几十年的艰苦努力，国内学者对我国岩溶塌陷的调查研究已取得了很大的进 展，积累了较丰富的资料，其主要成果概括起来有以下几个方面【3 2 】： ( 1 ) 1 9 8 3 1 9 9 3 年：中国地质科学院岩溶地质研究所康彦仁、项式钧、陈健、 谢代兴、覃有强等，先后开展了“中国南方岩溶塌陷研究”，。长江流域的岩溶塌陷” 和“中国北方岩溶塌陷研究”等项研究，相继出版了专著和发表了论文。这是我国首 次开展岩溶塌陷的专门研究。通过这一工作，初步摸清了我国岩溶塌陷发育的现状和 宏观分布规律，确定了我国岩溶塌陷的基本类型，提出了我国岩溶塌陷的基本分类方 案及岩溶塌陷的多机制特性等论点。特别应该指出得是，中国地质科学院岩溶地质研 究所在初步总结我国岩溶塌陷特征和规律的基础上，对我国岩溶塌陷危险性进行了宏 观区划，编制出版了1 ；6 0 0 万中国岩溶塌陷图及说明书( 中国地质科学院地质 研究所，1 9 9 2 ) 。 ( 2 ) 1 9 8 5 1 9 8 9 年：铁道部第二勘测设计院陈国亮等开展了“铁路沿线岩溶塌 陷及防治”项目的研究工作，对贵昆线小哨一秧田冲段、分宜车站、泰安车站等5 0 余处岩溶塌陷严重发育区进行了全面勘查、治理，取得了显著的效果。陈国亮于1 9 9 4 年出版了专著岩溶地面塌陷的成因与防治。 ( 3 ) 在岩溶塌陷的成因理论上，国外学者多支持“潜蚀致塌论”，国内的学者在 潜蚀论的基础上又提出了新的理论，诸如徐卫国等( 1 9 8 1 ) 的“真空吸蚀论”，徐卫 国等( 1 9 8 1 ) 、陈国亮( 1 9 9 4 ) 的“压强差论”等理论，其中“真空吸蚀论”已为大 多数人所接受。1 9 9 2 年康彦仁在论岩溶塌陷形成的致塌模式一文中总结提出了 岩溶塌陷的8 种致塌模式，多机制成因说已渐为多数人所接受。尽管有可能其中一种 北京科技大学硕士学位论文 起主导作用，但绝大多数岩溶塌陷是多种机制综合作用的结果。 ( 4 ) 1 9 9 1 1 9 9 3 年：在地质行业基金的支助下，中国地质科学院岩溶地质研究 所建成了大型岩溶塌陷物理模型实验室。通过模型试验，可以再现岩溶塌陷的全过程， 解决不同类型岩溶塌陷的发育机理、塌陷发育与主要影响因素之间的关系，以及岩溶 塌陷发育的临界条件等问题。在1 9 9 3 1 9 9 7 年间，先后完成了武汉、唐山、湘潭、 玉林、铜陵、桂林六个城市的岩溶试验工作，为这些地区岩溶塌陷综合治理发挥了积 极作用。 ( 5 ) 在岩溶塌陷的探测方法上，包括她质雷达、浅层地震和电磁波、声波透视 ( c t ) 等技术在内的综合物探方法，在地矿部门组织实施的武汉、唐山、湘潭、玉 林、深圳、桂林等城市的岩溶塌陷防治勘察以及铁道部门组织的贵昆、南昆线铁路岩 溶段岩溶塌陷勘探工作中发挥了重要作用。 ( 6 ) 岩溶塌陷评价预测方面，她理信息系统技术的应用，使得岩溶塌陷危险性 预测评价上升到一个新的水平。国内先后有雷明堂、石建省、王洪涛、陈学军、茹铭 文等运用g i s 的空间数据管理、分析处理和建模技术，对潜在塌陷危险性进行了评价， 取得了良好的效果。贺可强、王滨( 2 0 0 2 ) 利用普氏平衡拱理论及极限平衡理论，分 别建立了内部塌陷阶段的临界土洞的高度公式及地表塌陷阶段的渗压效应力学模型， 并利用建立的公式及模型对枣庄市岩溶塌陷进行了后验分析与预测及评价。雷明堂、 蒋小珍等( 1 9 9 4 、1 9 9 7 、2 0 0 2 ) 从模型试验地理信息系统方面对岩溶塌陷的预测及评 价也进行了较系统的研究。 t ( 7 ) 岩溶塌陷地质灾害信息管理方面，国内起步较晚，主要以m a p l n f o 桌面地 图信息系统为平台进行开发。如在中国地质环境监测院完成的“东南亚地质灾害信息 管理系统”中，岩溶塌陷作为一种灾害类型被列入其中；1 9 9 7 年，在桂林市建设规 划局的资助下，桂林岩溶地质研究所塌陷组以m a p l n f o 为平台开发了“桂林岩溶塌陷 信息管理系统”，建立了相应的数据库和图库，为桂林岩溶塌陷防治、塌陷抢险及城 市规划提供了有利条件 ( 8 ) 岩溶塌陷的防治方面，综合防治技术已提到议事日程。普遍认为，要从根 本上减少岩溶塌陷灾害的发生，必须采取地下水优化开采与工程处理措施相结合的标 本兼治的方法。在工程处理上，钻孔注浆技术是一个行之有效的手段，已被各地普遍 采用。 1 3 3 当前岩溶塌陷危险性评价方法的不足 ( 1 ) 目前的岩溶塌陷评判的结果主要以文字和数字的形式表达，分析结果较为 单一，效果不直观，不便于工程技术人员和决策人员了解地质灾害的危险性和分区等 北京科技大学硕士学位论文 情况； ( 2 ) 定性和定量的数据资料一般以图纸形式记录，运用计算机多是局限于数学 计算过程与岩溶塌陷有关的数据不能充分利用，不利于数据的查询、更新和重复利 用； ( 3 ) 岩溶塌陷是多种内因外因共同作用的结果。各种影响因素既有定量的也有 半定量和定性的，各参数的量化、权重的确定以及评判分值的计算有其不确定性，因 此传统的分析方法有其片面性； ( 4 ) 虽然在其他类型地质灾害的评价预测方面，g i s 的成功运用早有报道，但 目前国内外尚未见有直接对岩溶塌陷进行评价预测的专业g i s 系统 1 4 本章小结 在地质灾害危险性研究领域，g i s 技术的应用已从最初的数据管理、多源数据采 集数字化输入和绘图输出，发展到数字高程模型、数字地面模型的使用、g i s 结合灾 害评价模型的扩展分析、g i s 与决策支持系统的集成、g i s 虚拟现实技术的应用等， 并逐步发展与深入应用。本文决定采用层次分析模糊综合评判数学模型，利用g i s 的空间分析、信息收集、专题图输出等功能将区域内的地理信息、地质灾害信息建立 g i s 空间分析模型，对南水北调中线工程北京段区域内岩溶塌陷地质灾害危险性进行 分区评价研究，弥补上面所述岩溶塌陷危险性评价方法的不足 北京科技大学硕士学位论文 2 南水北调中线工程北京段工程地质环境 2 1 工程概况及问题的提出 2 1 1 工程概况 我国水资源分布不均，南多北少。水资源短缺引起华北地区一系列环境问题，并 严重影响到社会的经济发展。南水北调工程是优化水资源配置、合理利用水资源的一 项关系国计民生的战略性工程和特大基础设施。南水北调总体规划东线、中线和西线 三条调水线路，白南向北跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域，构成“四横三纵” 的总体布局，以利于实现我国水资源南北调配、东西互济的合理配置格局。工程规划 年调水量为4 4 8 亿o ，总投资4 8 6 0 亿元，建设期约5 0 年。 中线工程从加坝扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿唐白河流域西侧过长江 流域与淮河流域的分水岭方城垭口后，经黄淮海平原西部边缘，在郑州以西孤柏嘴处 穿过黄河，继续沿京广铁路西侧北上，基本自流到北京、天津 北京段是南水北调中线京石段应急供水工程的重要组成部分，计划2 0 0 7 年将河北 省西大洋、王快、岗南、黄壁庄等水库的水调向北京，为北京提供应急备用水源，应 急供水工程建设规模同南水北调中线第一期工程北京段自北拒马河中支南岸进入北 京境内，经房山区，穿永定河后，过丰台、海淀，沿西四环北上至颐和园团城湖，全 长8 0 k m 该段分配用水量1 0 5 2 f f a n 3 ，总干渠以管涵压力输水为主，设计流量5 0 m 3 s ， 加大流量6 0 m 。工程由北拒马河暗渠、惠南庄泵站、p c c p 输水干线、西甘池隧洞、 崇青隧洞、大宁调节池、永定河倒虹吸、西四环暗涵、团城湖明渠及地铁交叉工程等 组成，如图2 1 所示。引入的外调水将优先保证北京市区和丰台、良乡、大兴、亦庄 地区以及房山、门头沟的山前平原等地城镇生活和工业用水，若有余水再向北至昌平 南部的清河、沙河供水，供水范围面积为3 2 4 7 k m 2 总干渠来水进入团城湖后，与永 定河引水渠、京密引水渠两大供水系统形成统一的地表水供水网络，通过与官厅、密 云两大水库供水系统联合调度，使南水北调来水与北京水资源联合供水范围扩大至 5 8 7 6 k m 2 ，占北京市平原区总面积的9 0 ，受益人口约9 0 0 万人 北京科技大学硕士学位论文 图2 1 南水北谓中线工程北京段线路示意图 2 1 2 问题的提出与研究意义 南水北调工程相继开工，大范围的施工和长期的运营都会与沿线地质环境产生相 互影响，对南水北调中线北京段沿线地质灾害的分布、危害进行分析，着重进行灾害 评价研究，从而可以总结出预防灾害的具体措施，对今后的施工以及其他重大工程尤 其是长距离管线地质灾害的研究具有积极的指导意义。 收集南水北调中线