地面沉降風險多向性評估體系建立與全量化應用

代如鳳，戰 慶*

（1.上海市地質調查研究院，上海 200072；2.自然資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072；3.上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072）

地面沉降作為一種緩變性的地質災害，具有長期性、區域性及可控性等特點[1]，隨著時間的推移，其發育面積之廣、危害程度之深、防治難度之大將國內外科學家的目光聚集到了對地面沉降風險評估的探索與研究上。

1984 年，美國滑坡專家Varnes 第一次提出地質災害風險理論：一定時期內因特殊損害性現象造成的生命傷亡、財產損失和經濟活動中斷的預期值，并給出定量表達公式：風險性=危險性*易損性。國內外在地質災害風險評估領域成果頗豐，但大多針對滑坡、泥石流、火山等突發性地質災害，國內關于緩變性地質災害地面沉降的風險評估在上世紀90 年代開始出現。前期對于地面沉降的評估集中于經濟損失方面，王勇、左華等[2]采用工程費用法定量評估了上海市自1921 年至1990 年間經濟損失；張維然、曾正強等[3-4]初步建立了地面沉降災害經濟損失評估體系，首次對上海市1921—2000 年間地面沉降災害的經濟損失、控制效益進行了全面評估，對2001—2020 年風險損失進行了預測。隨后，出現了關于地面沉降風險評價的理論研究，于軍等[5]從易發性、易損性和抗風險性三方面進行分析評估，初步構建了地面沉降風險評估指標體系。王寒梅等[6]在闡述地面沉降風險基本內涵及特征的基礎上，介紹了上海市地面沉降風險評估指標及評估方法，標志著地面沉降風險評估從理論走向應用。姜媛、房浩、段梅、熊峰等[7-12]分別對北京、滄州、珠海、武漢等地開展地面沉降風險性評估。目前相關研究在評估指標選取上多聚焦于地面沉降的相關特征，多采用定性與定量結合的評估方法。本文在評估指標選取時進行多方面多因素綜合考量，將地面沉降發育與城市發展相結合，構建既包括地面沉降相關因素同時又涵蓋城市規劃發展的多向性風險評估指標體系，并將其應用于上海市地面沉降風險全量化評估與區劃。

1 地面沉降風險評估方法體系建立

地面沉降風險是指特定區域一定時段內地面沉降災害發生及造成損失的可能性或不確定性。依據風險理論，地面沉降的危險性和易損性共同決定了地面沉降風險程度。地面沉降危險性是指特定區域一定時段內發生地面沉降的概率和危險程度，主要由地面沉降孕災地質條件、災害強度和地勢高程等要素決定，用危險性H 表達。地面沉降易損性是指承災區遭受地面沉降破壞的概率與發生損毀的難易程度，暗含了人類社會和經濟技術發展水平應對地面沉降災害的能力，主要取決于承災區的人口密度、重大線性工程密度、防災減災投入等敏感指標，用易損性V 表達（圖1）?；诖藰嫿ㄝ^以往更具系統性的地面沉降風險評估體系，應用時可根據不同城市特點選取不盡相同的評估指標，進行量化分級評估。

圖1 地面沉降風險多向性評估體系Fig.1 Multidirectional assessment system of land subsidence risk

1.1 地面沉降危險性評估因子

地面沉降危險性評估單要素評估因子主要包括地面沉降易發程度、發育程度、預測速率及地勢高程[6]。

（1）易發程度

地面沉降易發程度的判別要素主要有松散沉積物厚度、軟土層厚度和地下水主采層數量等，松散沉積物及軟土層厚度越大、地下水主采層數量越多，易發程度和危險性就會越高。評估標準參考《地面沉降調查與監測規范》（DZ/T 0283-2015），將地面沉降易發程度分為高、較高、中、較低、低五級。

（2）地面沉降發育程度

地面沉降發育程度的判別要素為近五年平均沉降速率、累計沉降量，沉降速率越高、累計沉降量越大，地面沉降發育程度越強，危險性越高。參考《地質災害危險性評估規范》（GB/T 40112-2021），將地面沉降發育程度分為強、較強、中、較弱、弱五級。

（3）預測速率

根據區域地面沉降資料及研究程度，選用數值模型法、統計分析法等評估方法，對未來十年平均沉降速率作預測評估分區，預測速率越大，危險性越高，將預測速率分為大、較大、中、較小、小五級。

（4）地勢高程

地勢高程對地面沉降危險性評估的影響主要體現在安全高程的損失，地勢高程越低，危險性越高。依據區內的實測地勢數據，將區內地勢高程按照影響程度進行分區，可分為高、較高、中等、較低、低五級。

1.2 地面沉降易損性評估因子

地面沉降易損性評估因子主要有人口密度、單位面積GDP、建設用地比重、重大線性工程密度、減災防護投入等，各城市可結合地方實際另行增設自選指標。

（1）人口密度

人口密度是表征城市化程度的重要指標，人口密度越大，城市化程度越高，易損性越大。根據區域內的人口資料，按人口密度（萬人/km2）進行分區，可分為大、較大、中等、較小、小五級。

（2）單位面積GDP

單位面積GDP 是表征城市的經濟發展水平，單位面積GDP 越大，易損性越大。根據區域內的GDP 數據資料，按單位面積GDP（億元/km2）進行分區，可分為大、較大、中等、較小、小五級。

（3）建設用地比重

單位面積建設用地所占比重反映房屋建筑、公益設施規模等。比重越大，易損性越大。根據區域內的建設用地資料，按建設用地比重（%）進行分區，可分為大、較大、中等、較小、小五級。

（4）重大線性工程密度

地面沉降會對線性工程產生嚴重影響，威脅線性工程（包括重要交通干線、海堤防汛墻、軌道交通、重要供水供油管線、輸調水工程等）的運營安全。根據線性工程實際分布情況，按單位面積重大線性工程密度（km/km2）進行分區，可分為大、較大、中等、較小、小五級。

（5）防災減災投入

為應對地面沉降，各地采用不同措施進行減災防護，包括地面沉降監測站、水位觀測井、地面水準點、回灌設施等。這些設施的投入，降低了地面沉降易損程度。單位面積減災防護投入越大，承災區易損性越小。根據減災防護實際情況，按單位面積減災防護投入（萬元/km2）進行分區，可分為大、較大、中等、較小、小五級。

1.3 地面沉降風險評估方法

（1）地面沉降危險性評估方法

選用層次分析法等方法確定各評估因子權重，基于單要素評估結果，將評估區網格化，確定各因子各網格分級量值[6]。根據公式（1）計算各網格的危險性指數，將危險性劃分為高、較高、中等、較低、低五級。

式中：H為地面沉降危險性指數；Wi 為各評估因子權重；Ni 為各評估因子等級量值；n 為評估因子個數。

（2）地面沉降易損性評估方法

選用層次分析法等確定各因子權重，基于單要素評估結果，以縣或鎮為單元開展地面沉降易損性綜合評估[6]。根據公式（2）計算不同單元的易損性指數，將易損性劃分為低、較低、中等、較高、高五級。

式中：V 為地面沉降易損性指數；Wi 為各評估因子權重；Ni 為各評估因子等級量值；n 為評估因子個數。

（3）地面沉降風險性評估方法

對危險性和易損性評估結果進行等級量化，等級取值范圍在[0,1]之間，量值范圍為[0，0.2]、(0.2，0.4]、(0.4，0.6]、(0.6，0.8]、(0.8，1.0]五個級別。根據量化成果進行區相交分析，利用風險度計算公式：風險度=危險等級*易損等級，計算得出相交區的風險評估結果。依據風險度計算結果設置風險性分區標準，分為低、較低、中等、較高、高五級。合并風險等級相同的評估單元，形成地面沉降風險區劃圖。

2 上海市地面沉降風險全量化評估

在評估指標選取上，首次將地面沉降發育與城市發展相結合，構建既包括地面沉降相關因素同時又涵蓋城市規劃發展的多向性風險評估指標體系。根據上海市地面沉降孕災地質條件、地面沉降歷史發育特征，選取易發程度、歷史災害強度、預測速率和地勢高程等作為危險性評估因子。根據遭受地面沉降的敏感度及城市發展規劃特點，在易損性評價因子選取中將供水管密度、軌道交通及高架道路密度、防汛墻及海堤密度等單要素作為重大線性工程指標參與評價，其他相關指標則選擇了房屋面積密度（圖2）。

圖2 上海市地面沉降風險多向性評估體系Fig.2 Multidirectional assessment system of land subsidence risk in Shanghai

2.1 地面沉降危險性全量化評估

根據上海市地質條件資料、地面沉降發育資料、地面沉降預測速率及2021 年全市地勢高程數據制定危險性分級標準（表1），對上海市地面沉降危險性進行單要素評估?；诖?，運用本文1.3（1）提出的地面沉降危險性評估方法對上海市地面沉降危險性進行綜合評估。

表1 地面沉降危險性單要素分級標準Table 1 Single element classification standard of land subsidence hazard

在地質環境危險性評價中，確定各類影響因素的權重非常重要，它直接關系到評價結果的合理性和真實性。此次在傳統的層次分析法的基礎上，引入改進的模糊層次分析法，構建地面沉降危險性評價體系。改進后的模糊層次分析法能夠更好地解決判斷矩陣的一致性問題，有效解決解的收斂速度及精度問題，以此求得與實際相符的排序向量，因此可用于確定地質環境危險性評價指標權重（表2）。

表2 地面沉降危險性單要素權重Table 2 Single element weight of land subsidence hazard

改進的模糊層次分析法采用三標度（0，0.5，1），只需要在兩兩指標之間比較重要性，更容易做出判斷。并且改進的模糊層次分析法運用模糊一致性判斷矩陣，不必再進行復雜的一致性檢驗，減小了計算量的同時，可使計算結果更為精準。

2.2 地面沉降易損性全量化評估

上海作為高密度的超大城市，軌道交通及高架道路發達、供水管密度大、房屋面積密度高，且上海水系較為發達，防汛墻和海堤對城市安全十分重要，因此選取城市人口密度、單位面積GDP、建設用地比重、供水管密度、軌道交通和高架道路密度、防汛墻及海堤密度、房屋面積密度以及防災減災投入作為易損性評估指標。根據《2022 年上海統計年鑒》《2022 年上海市國民經濟和社會發展統計公報》以及各行政區規劃和自然資源局提供等數據資料，分析并制定易損性單要素分區標準（表3），對各行政區易損性進行單要素評估?；诖?，利用1.3（2）地面沉降易損性評估方法對上海市各行政區地面沉降易損性進行綜合評估。

表3 地面沉降易損性單要素分級標準Table 3 Single element classification standard of land subsidence vulnerability

城市化是提高易損性的重要因素。事實表明，人口集中和經濟發達與受到地面沉降風險增長存在著密切關聯。城市作為人口、建筑、企業、交通、通訊、政治等要素高度集中的中心，其易損性和災害連發性大大高于非城市化地區。如果城市功能受到嚴重損壞，足以使一個地區以至國家運行陷于癱瘓，易損性顯而易見。這意味著城市化程度越高，面臨的易損性風險因素也越大。因此，人口密度是表征城市化程度的重要指標。人口密度越大，城市化程度越高，面臨的易損性風險越大。根據《2022 年上海統計年鑒》，全市年末常住人口2 489.43 萬人，其中外來人口1 031.99 萬人，全市人口密度0.39 萬人/ km2，其中虹口區人口密度最高達3.04 萬人/ km2，崇明區人口密度最低達0.05 萬人/ km2。根據分級原則，保證落入各等級行政區數量盡量相當，在均分法基礎上根據各行政區人口密度范圍進行分級，其余指標的選定及分級過程同上。

易損性單要素權重的確定方法為專家打分法，邀請15 位地面沉降領域專家對8 個易損性單要素兩兩對比確定各單要素的重要性，并以此為基礎，經過采用模糊綜合評判法得到因子權重（表4）。

表4 地面沉降易損性單要素權重Table 4 Single element weight of land subsidence vulnerability

2.3 地面沉降風險性全量化評估

在地面沉降危險性及易損性綜合評估基礎上運用1.3（3）地面沉降風險性評估方法進行等級量化并計算風險度，依風險度制定地面沉降風險性分級標準（表5），根據該標準進行地面沉降風險性評估。

表5 地面沉降風險性分級標準Table 5 Land subsidence risk classification standard

地面沉降風險性評價基于危險性及易損性等級量化結果，利用Mapgis 空間分析功能進行區相交分析，依據公式風險度=危險等級*易損等級計算出相交區危險性評價結果，對各自的評價結果進行統計分析并進行參數設置，區劃成圖（圖3）。

圖3 上海市地面沉降風險評估圖Fig.3 Shanghai land subsidence risk assessment map

地面沉降風險評估結果顯示，上海市地面沉降風險程度在空間上的分布特征為：以中心城區為中心形成地面沉降的三級體系，即中心城區基本處于地面沉降風險高區，近郊區處于地面沉降較高至中等區，郊區處于地面沉降風險較低和低區。由中心城區至郊區無論在人類活動、地下空間開發強度還是城市化進程、重大基礎設施密度等方面均逐級降低，故引發及遭受的地面沉降地質災害的風險逐漸減小，與評估結論相符，同時側面驗證了地面沉降風險評估方法體系的科學性。本次地面沉降風險評估結果支撐了上海市地面沉降防治區劃劃定，提升上海地面沉降災害的防治能力。

3 討論

（1）地面沉降危險性、易損性評估因子選取合理性分析

地下水開采程度是影響地面沉降的一個重要因素，但上海地區經過50 余年的禁限采措施及大量的人工回灌，大部分區域水位已恢復接近歷史最高水位，直接利用歷史開采數據表征地下水開采程度作為危險性評估因子有諸多不合理之處，故本次未選取該指標，在后續研究中結合現狀對地下水開采方面加以考慮。地面沉降易損性是反映承災區生命財產和各項經濟活動對地質災害的抵御能力與可恢復能力的指標，地勢高程作為地面沉降發生的動力條件之一，影響地面沉降災害發生的強烈程度，相比之下選取其作為危險性評估因子。

（2）地面沉降危險性、易損性單要素分級標準可靠性分析

單要素分級標準有多種方法。首先，均分法，其優點在于普適性強、可行性高但過于機械化。其次，單要素可根據本身特征采用不同分級標準。例如，地勢高程的分級可結合降水等級標準或本區域不同等級降水發生概率等進行劃分，累計沉降量的分級可結合地面沉降引發危害的嚴重程度或造成經濟損失等級進行劃分等。綜合各分級標準的優缺點，危險性單要素分級采用均分法。

地面沉降易損性單要素分級標準在危險性單要素分級標準（均分法）基礎上稍加改進，易損性資料收集單位為行政區，為達到評估目的應使各個行政區盡量均分在不同等級，以此為原則在均分法的基礎上對易損性單要素制定了更加合理的分級標準。

4 結論

（1）建立了適用于緩變性地質災害地面地面沉降風險多向性評估體系，涵蓋危險性和易損性兩方面內容。在評估指標選取時進行多方面多因素綜合考量，將地面沉降發育與城市發展相結合，構建既包括地面沉降相關因素同時涵蓋城市規劃發展的多向性風險評估指標體系。

（2）所建評估方法體系成功應用于上海市地面沉降風險性全量化評估工作中。以往評價基本采用定性定量相結合的方法，本次在地面沉降危險性、易損性、風險性方面均為全量化評價。由中心城區至郊區無論在人類活動、地下空間開發強度還是城市化進程、重大基礎設施密度等方面均逐級降低，故引發及遭受地面沉降地質災害的風險逐漸減小，與評估結果相符，同時側面驗證了地面沉降風險評估方法體系的科學性。本次地面沉降風險評估結果支撐了上海市地面沉降防治區劃劃定，提升上海地面沉降災害的防治能力。