珠三角地区岩溶塌陷多参数监测预警与风险防控研究取得新进展

发布时间:2020-05-14

  珠江三角洲的广花盆地位于粤港澳大湾区北部核心位置,是我国典型的浅覆盖型岩溶区,近年来,随着人类工程活动加剧和极端气候变化,岩溶塌陷已成为该地区最为突出的地质环境问题之一,是地方国土空间规划布局、重大工程建设和生态环境保护迫切需要解决的地质灾害问题。如何解决岩溶塌陷“在哪塌,何时塌,如何塌”的科学命题是自然资源部中国地质调查局岩溶地质研究所珠三角岩溶塌陷研究团队一直努力的研究方向。

近日,在国家自然科学基金、地质调查项目和岭南英杰人才培养工程等项目的联合资助下,岩溶所珠三角岩溶塌陷研究团队发挥地调与科研结合优势,依托中国地质调查局岩溶塌陷防治技术创新中心和广州市岩溶地质灾害研究基地,利用自主设计的岩溶塌陷多参数监测预警试验系统,以典型岩溶塌陷成因机理耦合分析为基础,开展了珠三角地区岩溶塌陷多参数监测预警理论技术方法与风险防控措施研究,取得了新的进展与认识:

一是珠三角广花盆地的地质条件非常利于岩溶塌陷发育,既是我国岩溶塌陷防控的重点地区,也是开展综合研究的理想场所。广花盆地为浅覆盖型岩溶区,标高负35-80米岩溶发育最强,以大中型溶洞为主,岩溶地下水丰富,受人类工程活动影响后波动幅度巨大,极易导致岩溶塌陷,岩溶区城市地下空间开发利用应采取特殊措施或尽量避免此区段。广花盆地岩溶塌陷的形成演化对应着城市发展的三个阶段,85%以上与地下工程开挖、石灰石矿山开采、水源地抽水和基础工程施等人类工程活动密切相关。按照作用方式、力学机制和形成过程组合思路建立的潜蚀-断裂-坍塌、潜蚀-吸压-陷落、贯穿-抽吸-流漏和振动-液化-垮塌四种发育模式利于全面认识广花盆地岩溶塌陷的触发因素和形成机制,为开展多参数监测预警和风险防控提供了前提和基础。

二是通过多参数监测可以大幅度提高广花盆地的岩溶塌陷预警精度和水平。从岩溶塌陷关键触发因素出发,提出了基于“物质能量转化守恒”和“黑箱模型”的多参数监测预警思路方法,运用地下水水位变幅、地下水流速、地下水水化学特征和地下水浑浊度四个指标组合进行了岩溶塌陷多参数监测预警研究,结果表明地下水水化学特征监测能够反映区域土洞发育情况,地下水水位变幅和地下水流速监测能够预判岩溶塌陷发生的时间,地下水浑浊度监测能够动态反映岩溶塌陷,特别是土洞型岩溶塌陷的形成演化过程,可以用于岩溶塌陷发生区域和形成时间的预警。四个指标组合分析可以大幅度提高岩溶塌陷监测预警精度和水平,且利于实际推广应用。

三是广花盆地岩溶塌陷高风险区比重大,需加强防控工作。从易发性、危险性和易损性三个层次对广花盆地岩溶塌陷进行了风险区划研究,在指标运用上综合考虑了岩土水相互作用、触发因素、防控措施、土地利用类型和地块GDP等参数,结果表明广花盆地岩溶塌陷高风险区面积为416.18 平方千米,占可溶岩总面积的58.15%,主要分布在广州市的花都区、白云区和佛山市的南海区。针对触发因素因子中,水源开采水位降深因子权重最大的评估结果,通过野外和室内试验结合的方法,得出了地下水开采水位降深控制在9米以内,地下水禁采区直径划分不小于700米,可大幅度降低广花盆地岩溶塌陷发生概率的结论。据此提出了控制水位降深、改变抽水方式和划定禁采区范围等有针对性的岩溶塌陷防控措施和建议,该结果对于科学指导广花盆地岩溶塌陷防控具有实际意义。

研究取得的相关成果已在《Environmental Earth Sciences》《Water Resources》《Geochemistry international》等国际期刊和中文核心期刊《中国岩溶》上发表,并成功申请了两项国家发明专利和软件著作权。未来,研究团队将逐步推进科研和地质调查成果在粤港澳大湾区岩溶塌陷防治工作中的转化应用与服务示范。

基于地下水浑浊度监测的岩溶塌陷预警曲线

基于地下水浑浊度监测的岩溶塌陷预警曲线

 

基于地下水流速监测的岩溶塌陷预警曲线

基于地下水流速监测的岩溶塌陷预警曲线

 

基于地下水水化学特征的土洞发育位置预测图

基于地下水水化学特征的土洞发育位置预测图

 

基于地下水水位变幅监测的岩溶塌陷预警曲线

基于地下水水位变幅监测的岩溶塌陷预警曲线