一种地面沉降评价及预警管控方法与流程

本发明涉及地质信息评价，尤其涉及一种地面沉降评价及预警管控方法。

背景技术：

1、城市地质安全是生态文明建设的基础。近年来，随着城市化进程的持续加快，人们对原有自然环境改造的同时由于缺乏系统全面的地质安全意识，从而破坏了自然原有的平衡性，诱发了如滑坡、泥石流、崩塌、地面沉降、岩溶塌陷和砂土液化等各种各样地质灾害的发生，随着城市化建设进程的持续加快，城市面临的地质安全问题进一步凸显，城市地质安全危险性评价及预警管控方法亟待建立。地面沉降即在自然条件与人类活动因素的作用下，由于土体被压缩而导致区域性地面标高降低的一种地质现象。地面沉降的危害包括：

2、(1)测量基准点失效，地面沉降的发生会造成城市地面水准点失效。地面水准点是城市规划和建设过程中的主要依据，基准点失效会对某些工作带来影响和干扰。

3、(2)基础下沉导致地裂缝频频发生，地面的不均匀下沉，可能会对桥梁、道路造成危害，导致裂缝的发育，桥墩下陷、桥面开裂。此外，民用建筑的地基也会出现一定程度的下沉，影响居民的住房安全。

4、(3)城市管网安全受到威胁，城市中分布着大量的地下管网，当地面下沉时，会对地下管网产生一系列不均匀的应力，导致其弯曲变形、破裂，甚至折断，妨碍工业生产和影响城市居民的正常生活。

5、(4)井管上升，地面沉降的发生，可能会导致深部基岩上的井管向上抬升，使之暴露出地面，缩短其使用寿命，加剧管道的腐蚀，严重时可能使其折断，造成严重的危害。

6、(5)建筑物倾斜，城市中分布着大量的建筑物，若地面发生不均匀沉降，会导致上部建筑物发生倾斜，若倾斜程度过大过快，易造成建筑物倒塌，从而对建筑物内部及建筑物周围的人员的生命财产安全造成伤害和损失。

7、目前，对于国外而言，如何精确地对评价指标和评价结果进行危险性等级划分成为了国外学者进一步探索的重难点；国内在以往的地质灾害评价中，对评价因子的选取各不相同，没有形成系统的框架和完整的体系；另外，对于评价指标的量化取值和危险性分级仍然有待探讨。因此目前存在以下问题：

8、(1)虽然目前大多数的地质灾害致灾体都有其相应的评价指标体系，但是针对系统的城市地质安全危险性评价指标体系尚有欠缺；

9、(2)在以往的评价中，指标因子的分级与取值仍有待探讨；

10、(3)对城市地质安全土层隐患的可视化相对缺乏；

11、(4)城市地质安全监测预警方法较为单一。

技术实现思路

1、为解决现有技术问题，本发明的目的在于提供了一种地面沉降评价及预警管控方法，采用层次分析法结合专家打分的方式，得到了各评价因子的权重，保证了指标体系构建的完整性；结合地质环境、诱发因素和历史沉降状况构建评价指标体系，结合软件进行分析评价并对隐患重点区进行监测预警；具体内容如下：

2、一种地面沉降评价及预警管控方法，包括以下步骤：

3、s1、确定评价因子，建立地面沉降安全危险性评价指标体系；

4、s2、对评价指标体系中各评价因子进行权重计算，对评价因子进行等级划分与标准化处理；

5、s3、查明研究区的地质情况，采集研究区数据，用三维可视透明模型揭示致灾体的地质土层隐患分布；

6、s4、通过软件对研究区地面沉降进行危险性评价，得出其危险性程度及分区；

7、s5、根据评价结果和指标体系中的评价因子，对研究区的地质隐患重点区域进行监测预警，同时提出管控措施。

8、进一步地，所述步骤s1中所述评价指标体系的构建使用层次分析法和专家打分法；所述层次分析法将系统分解为目标层、准测层和方案层；所述目标层为地面沉降危险性评价指标体系，所述准测层包括地质环境、诱发因素和历史灾害情况；地质环境方案层包括软土累计厚度、压缩系数、含水层累计厚度、地下水位埋深；诱发因素方案层包括地下水开采强度和上部建筑物荷重；历史灾害情况方案层包括累计沉降量、沉降速率和建筑物倾斜度。

9、进一步地，步骤s2中进行权重计算时通过设置矩阵利用专家打分法构建两两比较判断矩阵，计算各指标权重并检验其一致性，当一致性检验不通过时，再次调整矩阵直至一致性检验通过；具体包括以下步骤：

10、s2.1、结合实际情况、地质灾害种类及其具体影响因素，筛选出容易获取及便于量化的指标，将它们组合成集合的形式：

11、x＝{x1、x2、x3、x4、x5}

12、s2.2、从已构建好的指标体系中，将处在同一层次的各种评价指标因子根据不同角度和重要性程度出发，构造如公式(2.3)所示的判别构造矩阵，其主要表示各个指标之间的相对重要性:

13、

14、式中：rij—表示在一定条件下要素i比要素j之间的相对重要性，通过专家打分法对指标进行量化并确定其相对重要性；

15、如rij＝1时表示因素xi与xj同等重要；

16、如rij＝3时表示因素xi比xj稍微重要；

17、如rij＝5时表示因素xi比xj较为重要；

18、如rij＝7时表示因素xi比xj重要得多；

19、如rij＝9时表示因素xi与比极为重要；

20、如rij＝2,4,6,8时分别表示相邻判断1～3，3～5，5～7，7～9的中间值；

21、倒数表示xi与xj比较，xj比xi重要的程度；

22、s2.3、计算重要性排序及权重，通过判断矩阵，计算得出t的最大特征根所对应的特征向量，并对其进行归一化处理可得到指标因子的权重，最后根据各指标因子的相对权重进行排序，从而得到主要因子、一般因子和次要因子，因子权重计算公式如下(2.4)所示：

23、

24、s2.4、评价指标权重一致性检验，由于专家打分法具有主观性，为了使结果更有效，通过所构造的判断矩阵求出的特征向量，需要对判断矩阵进行一致性和随机性检验，其公式如下(2.5)所示：

25、cr＝ci/ri                    (2.5)

26、式中：cr为判断矩阵的随机一致性比率；ci为判断矩阵一致性指标；其计算公式如下2.6所示：

27、

28、式中：λmax为最大特征，计算公式如下(2.7)所示：

29、

30、式中：(ta)i表示向量ta的第i个元素，其表达式为如下(2.8)所示：

31、

32、式中：m—为判断矩阵阶数；ri为判断矩阵的平均随机一致性指标，由大量试验得到，对于低阶判断矩阵，ri取可根据下述对应关系进行取值：

33、阶数m中1至11分别对应ri值为0.00、0.00、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.45、1.49、1.51；若cr≤0.1，则认为一致性检验通过，说明权重分配合理；否则，需对判断矩阵进行重新调整，直到cr≤0.1为止。

34、进一步地，权重计算结果如下：

35、准则层中地质环境、诱发因素和历史灾害情况权重值分别为0.2793、0.2585和0.0867；方案层中软土累计厚度、压缩系数、含水层累计厚度、地下水埋深、地下水开采强度、上部建筑物荷重、累计沉降量、沉降速率和建筑物倾斜度分别为0.1037、0.2041、0.0680、0.0527、0.3673、0.0612、0.0613、0.0205和0.0612。

36、进一步地，选取地质环境、诱发因素及历史灾害情况作为本次地面沉降危险性评价的一级指标；选取软土累计厚度、压缩系数、含水层累计厚度、地下水位埋深、地下水开采强度、上部建筑物荷重、累计沉降量、沉降速率以及建筑物倾斜程度共计九个因素作为本次地面沉降危险性评价的二级指标；所述步骤s4中基于ps-insar技术，使用软件arcgis中反距离权重插值法和重分类工具绘制所述二级指标的对应图像对地面沉降危险性进行评价；其中使用重分类工具绘图时依据城市地质安全危险性评价指标因子危险性分级及取值标准表中的划分标准。

37、进一步地，针对二级指标，利用层次分析法结合综合指数法，结合s2中计算出的权重，通过arcgis软件中的栅格计算工具将研究区不同评价因子根据公式(4.1)模型进行叠加分析，最后得到研究区地面沉降的危险性评价分区图和分区属性表；所述公式(4.1)如下所示：

38、

39、式中：n＝9，为地面沉降危险性评价的二级指标个数；

40、r:为地面沉降危险性评价综合指数；

41、m：为地面沉降危险性评价指标的标度取值；

42、wi为第i项评价因子的权重值。

43、进一步地，根据步骤s4中得出的危险程度评价结果，选取研究区内地面沉降隐患大的区域作为监测点布设区域；根据地下水位降深、累计沉降量以及建筑物倾斜度作为监测参数；，即当累计沉降量小于50mm时，此时风险性小，无需对外进行预警发布；当累计沉降量达到50mm至100mm之间时，发布黄色预警，表示此时风险性中等；当累计沉降量为100mm至150mm之间时，发布橙色预警，表示此时风险性较大；当累计沉量达到150mm及以上时，发布红色预警，表示此刻风险性大；即当地下水位降深小于(62.04-3.15h')/50m时，此刻风险小，无需对外发布预警信息；当地下水位降深达到(62.04-3.15h')/50m至(62.04-3.15h')/100m之间时，发布黄色预警，表示此刻风险中等；当地下水位降深达到(62.04-3.15h')/100m至(62.04-3.15h')/150之间时，发布橙色预警，表示此时风险较大；当地面沉降地下水位降深达到(62.04-3.15h')/150及以上时，发布红色预警，表示此刻风险大；当建筑物倾斜程度小于0.0002°时，此刻风险小，无需对外进行预警；当建筑物倾斜程度达到0.0002°至0.00025°之间时，发布黄色预警，表示此刻风险中等；当建筑物倾斜程度达到及以上0.00025°至0.00225°之间时，发布橙色预警，表示此刻风险较大；当建筑物倾斜程度达到0.00225°及以上时，发布红色预警，表示此刻风险性大。

44、进一步地，所述地下水位降深计算方法如下：

45、y＝-3.15x2+62.047x-152.22(5.1)

46、式中x表示地下水位埋深；y表示累计沉降量；

47、设t1时刻的地下水位为h1，t2时刻地下水数位为h2，且h2>h1，将h1和h2代入上

48、式5.1后相减后经推导可得出研究区某地t1时刻到t2时刻的地下水位降深h为：

49、

50、式中h：表示t1时刻到t2时刻的地下水位降深，当a＝0时，h取0m；

51、h1：表示t1时刻的地下水位埋深；

52、h2：表示t2时刻的地下水位埋深；

53、a：表示t1时刻到t2时刻的累计沉降量；

54、h'：表示t1时刻的地下水位为h1与t2时刻地下水数位为h2之和，即h'＝h1+h2。

55、进一步地，所述步骤s5中管控措施包括避让措施、工程防护、监测措施和建立群防体系；其中所述避让措施包括对于中风险或高风险区且地面无建筑的区域，将其用作公园、绿地的建设；对于危险度中等或危险度较大且分布有建筑的区域，应采取措施对其进行实时监测，当情况严重时采取搬迁的措施；所述工程防护包括严格管控地下水的开采和利用，必要时可采用人工回灌地下水和人工填土等措施。

56、本发明相对现有技术存在如下有益效果：

57、本发明结合了相关的行业标准规范，对城市地质安全危险性评价特别是地面沉降评价指标体系进行了构建，同时对各评价因子进行了危险性等级划分和标准化处理；接着采用层次分析结合专家打分的方法，得到了各类致灾体的指标权重。在此基础上，通过分析研究区的地质环境特征，利用三维模型揭露了研究区的隐患地层，进而采用arcgis软件实现了危险性评价，得到的结果准确；最后针对以上致灾体提出了监测预警管控方法。