于林弘，殷焘，杨宁，韩明智，胡艳萍

(山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264004)

0 引言

岩溶塌陷是指覆盖在溶蚀洞穴之上的松散土体，在外动力或人为因素作用下产生的突发性地面变形破坏，并在地面形成塌陷坑的一种岩溶动力作用与现象[1]。岩溶塌陷成因复杂，影响因素众多，且具有隐蔽性、突发性的特点[2-5]。自20世纪30年代起，国内外研究学者针对岩溶发育成因、规律、影响因素及岩溶塌陷的成因机理、分布规律、影响因素和防治治理措施等进行了系统的研究和总结，为岩溶塌陷治理和防治提供了理论支撑[6-20]。

山东烟台白洋河岩溶水系统自2005年10月首次发生岩溶塌陷，2016—2017年为岩溶塌陷高发期，虽无人员伤亡，但对当地居民造成了财产损失和心理恐慌。张杰等[21]系统总结栖霞中桥地区岩溶塌陷时空分布规律及成因分析;杨宁等[22]对中桥地区岩溶发育特征及分布规律进行了总结，并建立了评价体系，对中桥地区岩溶发育规律进行了评价分区；孙佑光等[23]分析了中桥地区岩溶塌陷机理，并提出了防治措施。

研究区内对岩溶塌陷的研究较少，且仅对部分岩溶塌陷进行了分析研究，未对白洋河岩溶水系统进行岩溶发育特征、岩溶塌陷影响因素及成因机理分析。本次以白洋河岩溶水系统作为研究对象，采用定性与定量相结合原则，覆盖型岩溶区采用定性方法，裸露型与埋藏型岩溶区采用定量方法进行评价，其中覆盖型岩溶区选取岩溶发育程度、地下水动力条件、覆盖层特征3个因素作为一级评价因子，建立研究区易发性评价体系，进行白洋河岩溶水系统岩溶塌陷易发性评价及区划，为地质灾害防治与治理提供地质依据。

1 研究区概况

白洋河岩溶水系统位于山东省烟台市福山区西部、栖霞市庙后镇。该系统北部以吴阳泉断裂为边界，西侧以寨里断裂为界，南部和东部以地表分水岭及地层岩性为界，总面积229.06km2，白洋河自西向东贯穿全区。地形总体趋势呈西北高、东南低，最高海拔为+202.9m，位于马院山。地貌为剥蚀丘陵，坡度一般为9°～20°。

1.1 地质背景

白洋河岩溶水系统大地构造单元为华北板块(Ⅰ)胶辽隆起区(Ⅱ)胶北隆起(Ⅲ)胶北断隆(Ⅳ)臧格庄凹陷(Ⅴ)，出露有古元古代粉子山群和荆山群、新元古代蓬莱群、中生代白垩系、新生代第四系，第四系覆盖层厚度一般小于30m，岩浆岩主要为中生代燕山晚期二长花岗岩、斜长角闪岩，断裂构造走向主要为EW、NNE，其主要断裂有吴阳泉断裂、大谷家断裂、燕地河西断裂、东吴家断裂。

1.2 水文地质条件

区内地下水含水岩组分为第四纪松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组以及碎屑岩类孔隙含水岩组。松散岩类孔隙含水岩组主要分布在水道观—中桥镇—大潘家村的河谷地带，岩性主要为砂、砾石及碎石土，该含水岩组厚度一般为5～30m，地下水水位埋深一般为1.60～10.00m；富水性分布不均匀，单井涌水量一般小于500m3/d，在白洋河河谷冲洪积层富水性较好，含水层岩性以粗砂和砾石为主，单井涌水量为500～1000m3/d，局部地段可达1000m3/d以上。碳酸盐岩类岩溶裂隙含水岩组研究区内大面积分布，其岩性主要为蓬莱群香夼组二段中厚层灰岩、粉子山群巨屯组变粒岩夹硅化石墨大理岩、张格庄组白云石大理岩，岩溶发育深度一般80m以浅，最深可达180.0m，该含水岩组富水性好，单井涌水量一般大于500m3/d，在中桥村东部、东厅、门楼村地段，单井涌水量可达1000～3000m3/d，南桥村附近可达5000m3/d。碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组在研究区西部分布，其岩性主要为白垩纪青山群八亩地组的安山岩、安山质集块角砾岩、凝灰岩等，以风化裂隙水为主，地下水位埋深较浅，一般为2.0～4.0m，整体富水性较差，单井涌水量一般小于100m3/d，局部构造发育地带，可达1000m3/d，地下水水化学类型为HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca·Mg型水，矿化度一般小于0.5g/L。基岩裂隙水在研究区内零星分布，岩性主要为中生代燕山期侵入花岗岩和新太古代栖霞闪长质片麻岩及荆山群疙瘩状石榴矽线二云片岩、石榴黑云片岩夹透镜状透辉大理岩、黑云变粒岩、长石石英岩等。该含水岩组以风化裂隙水为主，风化裂隙含水带厚度一般为10.00～25.00m，地下水水位埋深随地形起伏较大，一般为1.90～12.80m，富水性较差，单井涌水量一般小于100m3/d，在岩性接触带上，风化及构造裂隙发育，可形成局部富水地段，单井涌水量可达500m3/d，水化学类型主要为HCO3·Cl-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca型水，矿化度一般小于0.5g/L(图1)。

松散岩类孔隙水:1—单井涌水量1000～3000m3/d；2—单井涌水量500～1000m3/d；3—单井涌水量<500m3/d;碎屑岩类孔隙裂隙水:4—单井涌水量100～1000m3/d；5—单井涌水量<100m3/d;碳酸盐岩类裂隙岩溶水:6—单井涌水量>1000m3/d；7—单井涌水量<1000m3/d;基岩裂隙水:8—块状岩类裂隙水单井涌水量<100m3/d;9—层状状岩类裂隙水单井涌水量<100m3/d;10—地质界线；11—碳酸岩类富水性界线；12—松散岩类富水性界线图1 烟台白洋河水文地质略图

2 岩溶塌陷发育规律

研究区自2005—2019年共发生17次岩溶塌陷，其中2次为重复塌陷，主要分布在泗水村、中桥村、吕家庄村、水道观村、杨家夼村，平面形态多为似圆形、椭圆形，剖面形态为坛形[24](表1)。

2.1 岩溶塌陷时间分布规律

岩溶塌陷发生的季节性较为明显，研究区60%以上的塌陷集中在7月份，6月份降雨较少，地下水位处于年中最低水位，为农业灌溉的集中开采期；而7月份强降雨后，地下水位急速上升，为岩溶塌陷多发期[20](图2)。

图2 研究区岩溶塌陷发生月份分布图

2.2 岩溶塌陷空间分布规律

2.2.1 空间位置

岩溶塌陷多集中分布于地下水径流带或分水岭、地质构造或地层分界以及河床、冲沟和两岸阶地附近(表1)，由表1可知，岩溶塌陷发生于地下水径流带或分水岭位置占总数的82.35%；发生于地质构造或地层分界附近占总数的47.06%；发生于河床、冲沟沿线及其两岸的阶地占总数的35.29%。

表1 烟台白洋河岩溶塌陷点基本情况一览表

2.2.2 地层结构

岩溶塌陷多发生在第四系覆盖层厚度较薄的地段，其中发生在第四系覆盖层厚度<15m地段,占塌陷总数70.59%；发生在厚度15～25m地段，占塌陷总数的11.76%；发生在土层厚度>25m地段，占塌陷总数的17.65%。塌陷主要发生在第四系覆盖层为单层结构、多层结构的地段，占塌陷总数的84.62%，第四系底部岩性以粉质黏土、碎石土为主，以砂为辅；其次发生在第四系底部为碎石土的双层结构的地段，其中单层结构多位于河床内。

2.2.3 地下水位变幅

根据白洋河岩溶水系统长期观测孔2000—2019年水位年变幅与塌陷次数关系图(图3)可知：岩溶塌陷多发生在水位年变幅2.47m以上，其中水位年变幅在2.47～3.64m，发生4次，占总岩溶塌陷次数的23.53%；水位变幅>4m时，发生13次，占总岩溶塌陷次数的76.47%，岩溶塌陷多发生在岩溶水位年变幅骤增或骤减时。

图3 研究区水位变幅与塌陷次数关系图

3 岩溶塌陷易发性评价

3.1 评价指标

3.1.1 评价指标选取的原则

岩溶塌陷易发性评价系统是一个多层次、多因素的复杂系统，影响和控制岩溶塌陷的因素很多，合理选择对评价目的起主导作用，比较稳定，可量化表示的参评因子是评价工作的关键，本文主要针对白洋河岩溶水系统岩溶塌陷的特征，采取针对性、定性与定量相结合的原则，针对覆盖型岩溶区采用定量方法进行分析，裸露型、埋藏型采用定性方法进行分析[24-34]。

3.1.2 评价指标的选取

根据研究区实际调查资料和地质灾害因子分析结果，针对覆盖型岩溶区选取岩溶发育程度(B1)、地下水动力条件(B2)、覆盖层特征(B3)3个因素，作为岩溶塌陷易发性评价的一级判别因子，根据白洋河岩溶水系统的岩溶塌陷发育规律及影响因素，同时对一级因子进一步划分二级指标。其中：B1—岩溶发育程度指数，包括2个二级因子，C1—地质构造，C2—基岩富水性；B2—地下水动力条件指数，包括2个二级因子，C3—水位变幅，C4—水位与基岩面关系；B3—覆盖层特征指数，包括3个二级因子，C5—覆盖层砂性土占比，C6—覆盖层厚度指数，C7—覆盖层底板特征，C8—覆盖层结构指数。

3.2 评价模型

选用综合指数模型中的加权平均法对各评价单元进行评价。评价公式(1)：

(1)

式中：Ri—第i单元的易发性综合指数；j—评价因子；ai—第j评价因子在第i单元的赋值；bj—第j个评价因子的权重；m—评价单元数；n—评价因子数。

3.3 评价因子分级及权重确定

3.3.1 评价因子分级

根据研究区的岩溶塌陷地质环境特点，将评价因子分为3级，即强、中、弱(表2)。

表2 评价因子分级标准

3.3.2 评价因子量化分级

根据研究区岩溶塌陷发育、分布规律及相关规范，对评价因子量化分级见表3。

表3 评价因子量化分级表

3.3.3 权重确定

采用层次分析法(AHP)计算评价因子权重，一级因子、二级因子权重确定见表4。

表4 评价权重

3.4 评价结果

将研究区划分为1km×1km的单元网格共计717个，每个单元格根据单项评价因子分别进行赋值(图4)，运用MapGIS空间分析功能，得到各单元的地质环境质量评价结果；最后根据实际调查情况进行必要的修正，通过叠加计算其指标值为3.2～8.39。依据本次岩溶塌陷易发性划分原则，按综合指数指标进行分区合并，共分为岩溶塌陷易发性高、中、低3个等级。划分原则为：综合指数指标≥6为岩溶塌陷高易发区；4.5<综合指数指标<6为岩溶塌陷中易发区；综合指数指标≤4.5为岩溶塌陷低易发区(图5)。

(a)—距地质构造位置分区;(b)—水位年变幅分区；(c)—水位与基岩面关系分区;(d)—覆盖层百度分区;(e)—底部黏性土厚度分区;(f)砂性土占比分区;(g)—覆盖层结构分区图4 研究区各评价指标分区图

(1)岩溶塌陷高易发区。主要位于中桥村—泗水村—水道观村及东南地区，面积为4.92km2。该区域岩溶发育，松散覆盖层厚度<30m，且主要为多层结构；该区位于矿山排水影响带中，并有大量抽取岩溶水活动，岩溶地下水水位波动频繁、变幅较大，地下水动力条件变化明显；区内已经发生过多次岩溶塌陷。

(2)岩溶塌陷中易发区。主要位于臧家庄镇前姜格庄，燕地村以南、北城子村—京甲村—后高格庄村一带及庙后镇杨家夼西南河道内，面积为7.43km2，占研究区总面积的5.75%，该区域岩溶发育为中等发育，松散覆盖层厚度多<30m，局部地区>30m，为单层或多层结构；该区位于矿山排水影响带及附近，抽取岩溶水活动较少，岩溶地下水位变幅相对较小，地下水动力条件变化较弱。

(3)岩溶塌陷低易发区。面积为268.38km2，岩溶中等发育—不发育；覆盖层为非可溶岩或非可溶岩与第四系组合，岩溶地层埋藏深度较大；矿山排水和人为抽取岩溶水对本区部分地段造成了一定的影响，但上覆的非可溶岩地层结构相对致密，隔断了第四系与下伏岩溶地层的联系，岩土体整体相对稳定。该区域东侧为裸露型岩溶区，岩溶发育为中等发育；无覆盖层或覆盖层较薄；本区位于矿山排水和人为抽取岩溶水的影响带之中，本区虽有岩溶溶隙、溶洞发育，但由于岩体结构致密，地下水活动对本区岩土体的稳定性影响较轻。

4 结论与建议

(1)结合白洋河岩溶水系统实际情况，总结岩溶塌陷发育规律，并建立岩溶塌陷易发性评价模型，得出中桥村—泗水村—水道观村一带为岩溶塌陷高易发区，为防灾减灾提供理论依据。

(2)岩溶塌陷高易发区主要发生在岩溶地下水水位波动频繁、变幅较大的区域，该区域人类活动频繁，周边存在矿山企业、居民等大规模开采地下水，建议在岩溶塌陷高易发区建立地下水动态监测网，实时监测地下水动态变化，同时建立群测群防体系，发现异常及时上报主管部门。

(3)本次评价主要针对岩溶塌陷自身影响因素进行评价，未考虑人口密度、工程建设、自然灾害等因素影响，在地质灾害治理过程中，需增加易损性评价。