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0 引言
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河南北部平原地区是中国粮棉主产区、国家优质小麦生产基地和河南省畜牧生产加工基地。河南省提出了中原经济区建设，经国务院批准上升为国家战略。研究区主要包括河南省的安阳、鹤壁、济源、焦作、新乡、濮阳共 6个地级市（图1），平原面积2.12×104 km²，占河南省总面积的17.13%。自20 世纪 70 年代以来，研究区陆续发生大面积的地裂缝，造成建筑物损坏、道路变形、管道破裂、农田漏水等严重后果（郭朝晖等 2021；江思义等，2021；宋高举等，2021；黄继超等，2022），制约了工农业生产、工程建设、城市规划、生命线工程和土地利用等发展国民经济的各项工作，成为亟待解决的城乡地质环境问题（黄继超，2020；刘建军等，2022；任静等，2023）。
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地裂缝研究属于表生地质研究范畴，为了有效地防治地裂缝灾害，减少因灾造成的经济损失。本文在分析研究区地裂缝的发育特征、地质结构特征的基础上，基于 ArGIS 的空间分析功能（宋德东等， 2022），在分析地裂缝灾害发生的活动条件、灾害强度及范围、致灾体的孕灾环境和灾害敏感性的基础上运用层次分析法（AHP）选取距断裂距离、岩土体结构、地震危害、地下水开发程度、年平均降雨量、人类工程活动强度、地裂缝分布密度、距地裂缝距离、距古河道距离共 9 个评价指标。建立易发性评价指标体系，并利用综合评价模型叠加分析及预测，对研究区地裂缝易发性进行划分，并对地裂缝防治措施提出合理化的建议，以期为今后地裂缝灾害的预警、防灾减灾提供参考（王春艳和牛丽贤， 2016；王小东等，2022；张万里，2022；朱刚，2022；左龙和侯辉，2022）。
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1 地裂缝的发育特征
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1.1 地裂缝的分类
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研究区地裂缝的形成大致可以分成3个主导因素：自然内营力、自然外营力和人类活动作用力，按照这一划分，可将地裂缝的类型划分成2个大类：构造地裂缝和非构造地裂缝。构造性地裂缝以断层蠕滑型地裂缝为主，非构造型地裂缝主要包括自然因素和人为因素引发的地裂缝（表1）。
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构造地裂缝（断层蠕滑型）：研究区内共发育 5 处，其特征为地裂缝的延伸长度和深度均较大，延伸方向单一。其断面可出现水平扭错、垂直落差和张裂三向位移，根据研究区多年地震资料显示，其发育常与小震有关。例如焦作市白庄地裂缝和清丰县高堡乡地裂缝，地裂缝发育方向，与构造方向一致。
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其他非构造因素引发的地裂缝：研究区多属于该类型，其诱发因素主要包括自然因素和人为因素引发的地裂缝。其中自然因素主要包括降雨、干旱、局部重力作用、地下水潜蚀以及膨胀土胀缩等； 人为因素是指所有违背客观规律的不合理的人类生产与生活活动，可能引发或加剧地裂缝的活动和发育。主要包括过量抽取地下水、农田大水漫灌的地表渗水、矿坑排水以及地下采矿活动形成的一定范围的地下采空区等。
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图1 研究区位置图
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1.2 地裂缝成因特征
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河南北部平原地区地裂缝的成因复杂多样，主要可归结为以下几个方面：
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（1）断裂构造：地裂缝的发育与活动断裂密切相关。研究区内地裂缝的优势走向（近NNE向、NW 向）与活动断裂的优势走向相吻合，表明活动断裂对地裂缝的孕育具有显著的构造控制作用。特别是汤西断裂带（F2）、长垣断裂带（F6）、聊兰断裂 （F7）等 NNE 向断裂带，成为地裂缝的主要发育区域。此外，地裂缝的活动区域与地震活动密集区也表现出一定的对应关系，进一步证实了断裂构造对地裂缝形成的重要影响。
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（2）岩土体结构：不同性质的土层对地裂缝的响应程度存在显著差异。压缩性土层（如黏土、粉质黏土等）在地下水开采过程中易发生固结沉降变形，从而诱发地表开裂。而中细砂、粉土、粉质黏土等中软土层则在一定程度上抑制了地裂缝的活动性和发育规模。这种岩土体结构的差异性，为研究区地裂缝的形成提供了物质基础。
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（3）地震危害：地震活动与地裂缝的周期性对应关系明显。研究区内地震活动的频繁期往往伴随着地裂缝活动的加剧，且地裂缝活动高潮通常滞后于地震活动高潮 1~2 a。这表明地震活动对地裂缝的群发作用具有短期和长期的双重效应，是地裂缝形成的重要外部诱发因素之一。
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（4）地下水开发影响：地下水开发对地裂缝的发生具有显著的加速和诱导作用。地下水集中开采导致的地面沉降，以及人工灌溉、强降雨等因素，均可能诱发或加剧地裂缝的发展。特别是在地下水漏斗区的边缘地带，地裂缝往往更为集中发育。
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（5）地裂缝密度特征：研究区内地裂缝的分布具有显著的地域性差异。濮阳市和焦作市是地裂缝的高发区，其地裂缝点密度远高于其他地区。而南部地区（如新乡市）的地裂缝发育数量也略多于北部地区（如安阳市）。这种地裂缝密度的分布特征，为研究区地裂缝的易发性评价提供了重要依据。
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（6）古河道影响：研究区内埋藏的古河道受新构造差异运动影响显著，形成了砂层厚度大、分布密集的古河道带。这些古河道在剖面形态上表现出由中心向两侧沉积差异明显的特性，为地裂缝的形成提供了有利条件。同时，古河道区域的抽水和集水活动也加剧了地裂缝的发展。
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2 评价方法的选取
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2.1 评价方法的确定
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通过对比分析并结合本研究的实际情况，拟采用层次分析法进行（林琴等，2023）。根据研究区地裂缝灾害发生的活动条件、灾害强度及范围、致灾体的孕灾环境和灾害敏感性等特点，构建结构模型。在此模型下，复杂问题被分解为元素的组成部分（卢志强等，2022）。这些元素按属性及关系形成若干层次，上一层次的元素作为准则对下一层次有关元素起支配作用（图2）。
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图2 递阶层次结构图
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2.2 评价指标体系的建立
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评价指标体系的选取主要根据区域地质灾害的地质规律，使建立的模型能较好地反映地质模型的基本特征。本研究通过综合分析，选取以下 9 个指标作为易发性评价的主要参评指标：距断裂距离、岩土体结构、地震危害、地下水开发程度、年平均降雨量、人类工程活动强度、地裂缝分布密度、距地裂缝距离、距古河道距离。评价指标体系及分级标准见表2。
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2.3 各评价因子归一化分析
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根据各评价因子对地裂缝易发性的影响程度，划分为轻度、中度、中高度和高度共 4 个等级，再经栅格化和归一化处理后参与评价（图3）。
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3 地裂缝易发性评价
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3.1 评价单元的划分
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本研究采用水文解析法进行评价单元的划分。采用反向DEM数据对水文汇水盆地分析，即将原始 DEM 沿某一水平线反转，原来 DEM 高点变为低点，求取的新的汇水边界就变成了河谷线（卜朦朦等， 2022；窦晓东和贾昊冉，2022；黄继超等，2022）。在最终获取斜坡单元栅格数据集的基础上，通过 GIS 软件的栅格矢量转换功能，得到斜坡面域。在此转换过程中，会产生许多假的面集和许多面积很小或不协调面集单元，再次通过GIS的融合归并功能，削除不合理元素，最终得到评价单元面数据集。本研究基于研究区 1∶10 万比例尺 DEM 数据，采用水文解析的方法将全区划分为7528个单元（图4）。
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图3 研究区各评价因子归一化图
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a—地裂缝分布密度归一化图；b—地下水开发强度归一化图；c—地震频发性归一化图；d—距地裂缝距离归一化图；e—距断裂距离归一化图； f—距古河道距离归一化图；g—人类活动强度归一化图；h—年均降水量归一化图；i—岩土体类型归一化图
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图4 研究区计算单元剖分图
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3.2 易发性分区
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3.2.1 分区原则
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（1）相似性原则：将类似的地区划归为同一单元，而把不相似的地区划归为另一单元。
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（2）区域完整性原则：考虑区域自然条件的完整性，以大的地貌类型、土层岩性、现状条件下出现过地裂缝的活动断层区和地下水位降幅组合为地裂缝易发程度区划的基本界线。
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（3）科学性原则：地裂缝易发程度预测必须依据对地裂缝的机理和分布规律的理性认识，选取可靠的指标，进行独立的的预测，科学的预见，推断地裂缝资料欠缺或空白的地段发生地裂缝的危险的可能性。
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（4）重复性原则：发生过地裂缝的某些地方，地裂缝活动具有重复性，表明该区域形成地裂缝的条件比较完备，因为制约地裂缝的各种地质条件变化是非常缓慢的，它们对地裂缝活动会长期发生作用，所以在历史上和现代地裂缝多发区内未来地裂缝也可能会重复发生。
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（5）综合判定原则：为了避免使用单一因子判定地裂缝易发程度的局限性，必须应用综合性评判的方法，尽可能地将影响地裂缝易发程度和地裂缝灾害的多项因子组合在一起，综合考虑其联合作用，以便较客观地反映未来地裂缝的易发程度和灾害程度。
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3.2.2 模型建立
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易发性评价用易发性指数的分级来区划，模型表示为：
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式（1）中：n 为参评指标数量，本文选取距断裂距离、岩土体结构、地震危害等9个指标参与评价；R 为地裂缝灾害综合易发性指数，即空间叠加分析后的栅格像元数值；m 为地裂缝地质灾害评估因子的标度取值；W为第i个评价因子的权重，X为第i个评价因子概化分级并标准化后的值。各评价因子按权重因素叠加后，进行空间分析，最终得到研究区易发性分区图（图5）。
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首先，划分评估单元网格，在前文中已经划分； 其次，分别矢量化相应因子图层，确定研究区域地裂缝的评估因子；通过对各评估因子赋予相应的权重，严格按照以上表格中的特征进行分级和取值，根据地裂缝易发程度的判别式进行函数运算得到该评估单元的地质灾害综合易发性指数R。最后将地质灾害综合易发性指数（R）分区间，利用GIS图形处理模块的区编辑，根据属性赋参数将新图层中所有图面单元赋予不同深浅的颜色，分别表示地裂缝地质灾害易发性的 4 个级别，即高易发区、中易发区、低易发区和非易发区。
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3.2.3 分区结果
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根据地质灾害易发性评价结果，综合考虑地形地貌、岩土体类型和结构特征以及人类工程活动影响范围及强弱程度，对研究区地裂缝易发程度进行分区，如图5所示。
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图5 地裂缝易发性分区图
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（1）高易发区（I）
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地裂缝灾害高易发区主要分布于焦作市、濮阳市、清丰县、南乐县一带，总面积约 3046.58 km2，占全区面积的 14.77%。该区发育地裂缝灾害点 27 处，占地裂缝总数的 56.25%，地裂缝点密度达到了 8.86处/1000 km2。
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该区域进一步可划分为 2 个亚区，一是太行山前亚区（I1）：分布在太行山山前倾斜平原区，主要包括焦作市西北部、辉县北部、淇县山前及鹤壁山前地区，面积约 1087. 07 km2，占高易发区面积的3 5.69%。该亚区发育地裂缝灾害 11 处，占地裂缝总数的 22.92%，地裂缝点密度达到了 10.11 处/ 1000 km2；二是濮—清—南亚区（I2）：主要集中濮阳县、清丰县、南乐县一带，面积约 1959.51 km2，占高易发区面积的 64.31%。区内发育地裂缝灾害 16 处，占地裂缝总数的 33.33%，地裂缝点密度为 8.42 处/1000 km2。
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（2）中易发区（Ⅱ）
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地裂缝灾害中易发区主要分布在温县—武陟 —获嘉—辉县太行山山前倾斜平原和滑县东部— 濮阳西部黄河故道及决口扇一带，总面积约 4451.37 km2，占全区面积的 21.58%。区内发育地裂缝灾害点 9 处，占地裂缝总数的 18.75%，地裂缝点密度为2. 02处/1000 km2。
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该区域进一步可划分为2个亚区。一是温县— 武陟—获嘉—辉县亚区（Ⅱ1）：主要包括焦作市南部、辉县西北部山前地区，面积约2164.35 km2，占中易发区面积的 48.62%。该亚区发育地裂缝灾害 2 处，占地裂缝总数的 4.17%，地裂缝点密度为 0.92 处/1000 km2；二是滑县—濮阳亚区（Ⅱ2）：主要集中滑县—濮阳一带，面积约 2287. 02 km2，占中易发区面积的51.38%。该亚区发育地裂缝灾害7处，占地裂缝总数的 14.58%，地裂缝点密度为 3. 06 处/1000 km2。
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（3）低易发区（Ⅲ）
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地裂缝灾害低易发区主要分布在新乡—淇县 —安阳等黄河冲积平原地区，海拔高程±50 m，地表出露岩性主要为第四系全更新统（Qh）冲积层黄褐色粉土及砂层，总面积约 8215.10 km2，占全区面积的 39.82%。人类活动主要以农业种植为主，区内发育地裂缝灾害6处，占地裂缝总数的12.5%，地裂缝点密度为0.73处/1000 km2。
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（4）非易发区（IV）
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地裂缝灾害非易发区主要分布在原阳—延津 —封丘一带和范县、台前等黄河冲积平原地区，海拔高程±50 m，地表出露岩性主要为第四系全更新统（Qh）冲积层黄褐色粉土及砂层，总面积约 4913.25 km2，占全区面积的 23.82%。人类活动主要以农业种植为主，区内发育地裂缝灾害1处，占地裂缝总数的 2. 08%，地裂缝点密度达到了 0.20 处/ 1000 km2。
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4 地裂缝防治措施
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对于构造地裂缝，主要受构造活动的控制，一般工程措施难以防治。而非构造地裂缝分布范围、发育深度、强度主要受气候、气象、岩土体结构、地下水的控制，采取合理的工程措施如桩基、换填、加强建筑物基础和上部结构刚度等可以消除或减轻危害。
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（1）高易发区防治措施：针对构造型地裂缝，如南乐县张果屯镇、清丰县高堡乡、清丰县大屯乡、清丰县城关镇和修武县七贤镇，上述区域内单点式建筑物的基础不得跨越地裂缝分布位置。对于区域内公路、水渠、铁路等线形工程，当无法避免跨越地裂缝时，在跨越地裂缝地段可以采取预应力拱梁、悬空式架设等对不均匀沉降不敏感的结构以确保工程安全。针对西部高易发区，工程建设前应查明区内采空区的分布范围，通过采取加强基础和上部结构的刚度、加设地基褥垫层、采用桩基础等，增强建筑物抵抗不均匀沉降的能力。针对东部因地下水持续下降从而导致的地裂缝灾害，应严格控制地下水开采。高易发区在建筑物建设和使用中，应加强地裂缝的监测工作，随时掌握地裂缝变化，当变形达到设计值时，及时采取工程措施，确保建筑物安全。
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（2）中易发区防治措施：该区地裂缝灾害的成因多与地层、古河道等有关，防治措施主要为合理控制地下水开采范围、开采层位、开采强度。区内单点式建筑物的基础可采取加固的方法，如换填垫层、钢筋混凝土梁加固上部结构等。
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（3）低易发区和非易发区防治措施：该区域内地裂缝分布数量较少，主要成因为农田灌溉形成的浅表裂缝，随着农业化耕种，其多被充填。减少对地下水的过量开采即可延缓该区内地裂缝灾害的产生。
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5 结论
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本文研究基于 ArGIS 的空间分析功能，运用层次分析法（AHP），针对研究区开展了地裂缝灾害易发性分区，结论如下：
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（1）研究区地裂缝的形成划分成2个大类：构造地裂缝和非构造地裂缝。构造性地裂缝以断层蠕滑型地裂缝为主，非构造型地裂缝主要包括自然因素和人为因素引发的地裂缝。
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（2）根据研究区地裂缝发生的地质环境条件、发育特点，选取地裂缝评价因子，主要包括活动断裂、岩土体结构、地震活动、地下水开发程度、大气降雨、人类工程活动、地裂缝分布密度、地裂缝距离、古河道距离等方面，利用层次分析法定性、定量相结合地对研究区地裂缝易发区进行综合分析评价。
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（3）根据评价结果，划分出高易发性、中易发性、低易发性、非易发性共4个分区。其中高易发区总面积约3046.58 km2，占全区面积的14.77%，共发育地裂缝灾害点27处，占地裂缝总数的56.25%，地裂缝点密度为8.86处/1000 km2；中易发区总面积约 4451.37 km2，占全区面积的21.58%，共发育地裂缝灾害点 9 处，占地裂缝总数的 18.75%，地裂缝点密度为 2. 02 处/1000 km2；低易发区总面积约 8215.10 km2，占全区面积的 39.82%，发育地裂缝灾害 6 处，占地裂缝总数的 12.5%，地裂缝点密度为 0.73 处/ 1000 km2；非易发区总面积约 4913.25 km2，占全区面积的 23.82%，发育地裂缝灾害 1 处，占地裂缝总数的2. 08%，地裂缝点密度为0.20处/1000 km2。
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（4）在高易发区地裂缝的防治措施中遵循以避让为主的原则，单点式建筑物的基础不得跨越地裂缝布位置，中等易发区合理控制地下水开采强度，加强高、中易发区地裂缝的监测工作。
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致谢 承蒙河南省地质局生态环境服务中心二级教授邓晓颖多年来对笔者工作的大力支持、帮助与指导，在项目开展过程中曾给予资料和工作的帮助，并就相关议题进行有益交流，在此再次表示衷心感谢。
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参考文献
-
卜朦朦， 索之辉， 李倩. 2022. 基于GIS的采空塌陷区稳定性及地质灾害风险评价［J］. 科学技术创新， （6）： 82‒85.
-
窦晓东， 贾昊冉. 2022. 兰州城市典型区段地质环境承载力评价及国土空间开发利用建议［J］. 甘肃地质， 31（4）： 59‒69.
-
郭朝晖， 吴德成， 肖玉华. 2021. 甘肃红柳泉北山铜多金属矿地质地球化学特征及找矿潜力分析［J］. 矿产勘查， 12（3）： 685‒691.
-
黄继超. 2020. 豫北平原地区地裂缝成因及防治措施研究［J］. 路基工程， （2）： 185‒190.
-
黄继超， 荣富强. 2022. 平顶山市地下水资源分布及开采潜力研究［J］. 河南水利与南水北调， 51（3）： 32‒34.
-
黄继超， 荣富强， 王铁霖. 2022. 郑州市经开区地热资源分布及开发利用研究［J］. 河南水利与南水北调， 51（1）： 27‒28.
-
江思义， 吴福， 黄希明， 李海良， 何德顺. 2021. 基于专家—层次分析法的岩溶地面塌陷易发性评价——以广西平桂区为例［J］. 矿产勘查， 12（11）： 2294‒2302.
-
林琴， 郭永刚， 苏立彬， 渠士豪. 2023. 基于层次分析法的林芝地区滑坡灾害稳定性模糊综合评价［J］. 西藏科技， 1： 7‒13， 56.
-
刘建军， 闫东飞， 任金鑫. 2022. 基于GIS和RS的渑池县山体范围划定研究［J］. 矿产勘查， 13（8）： 1213‒1219.
-
卢志强， 冷洋洋， 赵罡. 2022. 滑坡易发性评价的层次分析法研究——以贵州省普安县为例［J］. 贵州地质， 39（3）： 287‒293.
-
任静， 申鹏凯， 王广华， 石兰君， 孟冲. 2023. 河南通许凸起（通许段）岩溶热储特征及开发利用潜力评价［J］. 矿产勘查， 14（2）： 190‒203.
-
宋德东， 龚甲桂， 高文凯， 王荣军， 靳春雷， 徐小东， 乔雨. 2022. 青云寺滑坡隐患体稳定性分析及防治措施［J］. 矿产勘查， 13（11）： 1713‒1718.
-
宋高举， 邓晓颖， 黄继超. 2021. 河南北部平原地裂缝活动规律及形成机理研究［M］. 郑州： 黄河水利出版社， 109‒121.
-
王春艳， 牛丽贤. 2016. 基于GIS的有色金属勘查开发基地区划方法研究［J］. 矿产勘查， 7（1）： 191‒197.
-
王小东， 罗园， 付景保. 2022. 基于GIS的白龙江引水工程水源区地质灾害易发性评价［J］. 南水北调与水利科技（中英文）， 20（6）： 1231‒1239.
-
张万里. 2022. 基于遥感和GIS的滑坡地质灾害风险评估探讨［J］. 科技资讯， 20（23）： 90‒93.
-
朱刚. 2022. 基于AHP的地质灾害评估［J］. 建筑技术开发， 49（15）： 150‒153.
-
左龙， 侯辉. 2022. 基于层次分析法的水文地质对矿产勘查影响分析［J］. 中国新技术新产品， （11）： 137‒139.
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摘要
本研究旨在评估特定研究区域内地裂缝灾害的易发性，以识别高风险区域，从而有效地应对地裂缝对人民群众生活、生命财产安全及地方经济社会发展的危害。基于ArcGIS的空间分析技术，结合层次分析法 （AHP）构建了一套全面的地裂缝易发性评价指标体系。通过该体系，利用综合评价模型进行数据的叠加分析与预测，科学划分地裂缝灾害的易发区域。研究区内共发育48条地裂缝，依据易发性评价结果，将该区细分为4个等级：高易发区（3046. 58 km2，占比14. 77%）、中易发区（4451. 37 km2，占比21. 58%）、低易发区（8215. 10 km2，占比39. 82%）和非易发区（4913. 25 km2，占比23. 82%）。这一分区结果详细揭示了地裂缝灾害在不同区域的潜在威胁程度，基于上述研究结果，提出了针对地裂缝灾害的合理化防治建议，旨在为未来地裂缝灾害的预警、防灾减灾工作提供科学依据和参考，以减轻其对当地社会经济和居民生活的负面影响。
Abstract
This study aims to assess the susceptibility to ground fissure hazards within a specific research area， in order to identify high-risk zones and effectively address the threats posed by ground fissures to the safety of people’s lives， property， and local socio-economic development. Using spatial analysis techniques based on ArcGIS， a comprehensive evaluation index system for ground fissure susceptibility was established in combination with the Analytic Hierarchy Process （AHP）. Through this system， data overlay analysis and prediction were conducted using a comprehensive evaluation model to scientifically delineate ground fissure hazard susceptibility zones. A total of 48 ground fissures were identified in the study area， and based on the susceptibility evaluation results， the area was classified into four levels： high susceptibility zone （3046. 58 km2， accounting for 14. 77%）， medium susceptibility zone （4451. 37 km2， accounting for 21. 58%）， low susceptibility zone （8215. 10 km2， accounting for 39. 82%）， and non-susceptibility zone （4913. 25 km2， accounting for 23. 82%）. This classification reveals the potential threat levels of ground fissure hazards across different regions. Based on these findings， rational prevention and control recommendations for ground fissure hazards are proposed， providing a scientific basis and reference for future early warning， disaster prevention， and mitigation efforts， with the goal of reducing the negative impact on local socio-economic conditions and residents’ lives.
Keywords
ground fissure ； susceptibility ； prevention measures ； Henan ； northern plain
