基于ArcGIS和AHP的煤层顶板含水层富水性评价

[摘 要]为了查明某矿井充水含水层富水性分布规律，在分析确定影响该矿井含水层富水性评价指标基础上，采集各评价指标数据信息，在 ArcGIS9.3中，作出各评价指标的专题图，并结合地理信息系统强大的空间分析功能与层次分析法耦合的富水性指数区域分布实现了充水含水层富水性的分区。

[关键词]ArcGIS、层次分析法、富水性

中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）40-0162-02

0 引言

煤矿开采过程中，当工作面影响范围内有含水层时，常常会发生突水现象，从而影响正常的开采工作。对矿井含水层富水性的正确评价，是进行矿井水害危险性评价的首要基础，是保证矿井正常开采工作的重要前提。本文首先对影响含水层的各主要因素进行分析，以某矿为例选取含水层脆塑性岩厚度比、含水层的厚度、含水层单位涌水量、含水层渗透系数四个因素，利用ArcGIS的数据管理和空间分析功能，引入层次分析法确定各因素对含水层富水性的影响权重，及多源地学叠加功能，对各影响因素进行叠加分析。最终，对含水层富水性进行分区，为矿井的开采工作提供参考。

1 ArcGIS和层次分析法

ArcGIS是美国环境系统研究所开发的GIS软件，是目前世界上应用最为广泛的GIS软件之一，其ArcGIS Tools Box集成了大量的空间分析工具，例如空间信息分类、叠加、网络分析、地统计分析等。空间分析是GIS的核心和灵魂，它从空间物体的空间位置和联系等方面去研究物体，从目标之间的空间关系中获取派生的信息和新的知识。[1]利用ArcGIS9.3的空间叠加分析功能对输入的评价指标数据进行相应的处理和计算，能够以直观图形的方式给出各评价指标的专题图和依据不同权重的各评价指标的叠加图[2]，是进行科学管理、分析决策的有力工具。

20世纪70年代，美国运筹学家T.L.SAATY提出了一种对存在不确定性因素以及一些主观信息的问题作出决策的简明有效的方法―层次分析法（AHP），基本原理是将评价系统有关替代方案的各种要素分解成目标层、准则层、方案层，在此基础上进行定性和定量的决策分析。[3]煤层顶板含水层富水性评价具有很多不确定因素的特点，因此运用层次分析法确定影响煤层顶板含水层富水性各评价指标的权重值。

2 评价过程

2.1 评价指标

根据实际所做的水文地质试验以及现有相关资料，通过对影响煤层顶板充水含水层富水性的主要控制因素的分析，主要从以下四个主要因素分析该矿含水层富水性：含水层的厚度、含水层脆塑性岩厚度比、含水层单位涌水量、含水层渗透系数。

含水层的厚度：是表征含水层富水性的最直观因素。它直接影响含水层含水量的多少。在相同的条件下，含水层厚度越大，富水性越强。

含水层脆塑性岩厚度比：在高地应力作用下，脆性岩体积累大量的弹性应变能。在构造运动或工程扰动情况下，极易发生脆性破坏，岩体裂隙丛集，为地下水的赋存提供场所。

含水层单位涌水量：是表征含水层出水能力的重要指标，是进行富水性评价的直观依据。

含水层渗透系数：是表征岩石渗透性能的参数，渗透系数越大，岩石的透水性越强，裂隙连通性能越好，富水性也就越高。

依据该矿的钻孔资料，运用ArcGIS9.3得到以上四个评价指标的专题图如下：

2.2 各评价指标权重

依据AHP得到各评价指标的权重如表2所示：

其中N1、N2、N3、N4分别代表单位涌水量、渗透系数、含水层脆塑性岩比、含水层厚度；CI代表富水性指数；Wi代表权重。

2.3 富水性分区

应用AHP分析得到的富水性指数模型，应用GIS对以上各专题图进行叠加，得含水层富水性分区图（如图2-5）。含水层富水性中部富水性较强，南部富水性次之，北部最弱。

3 结论

（1）讨论了含水层厚度、脆塑性岩厚度比、单位涌水量、渗透系数4个地质因素对该矿井煤层顶板含水层富水性的影响。

（2）建立了该矿井煤层顶板富水性AHP 结构模型，得出了影响顶板含水层富水性的4个因素的权重值。

（3）通过ArcGIS对各个因素专题图的叠加，计算了富水性指数CI，最终对该矿井顶板含水层富水性进行了分区。

参考文献

[1] 许伟，张发旺，陈立，蔡子昭.基于ArcGIS的地下水空间变异特征分析[J].信息技术，2013，03：63-65.

[2] 吴静，何必，李海涛.ArcGIS9.3 Desktop地理信息系统应用教程[M].北京：清华大学出版社，2011.

[3] 吴伟征，康莉莉.基于ArcGIS和ECM-AHP的煤层底板突水后果严重度评价研究[J].中州煤炭，2014，05：51-54+93.