錫西—澄南典型地面沉降區(qū)地面沉降風險評價

于 軍，束龍倉，溫忠輝，武健強，王曉梅，陳 宇，張 于

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018;2.河海大學，江蘇 南京 210098)

錫西—澄南典型地面沉降區(qū)地面沉降風險評價

于 軍1，束龍倉2，溫忠輝2，武健強1，王曉梅1，陳 宇2，張 于1

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018;2.河海大學，江蘇 南京 210098)

選擇長三角蘇錫常地面沉降最為典型地段——無錫西部至江陰南部地區(qū)，系統(tǒng)分析了地面沉降現(xiàn)狀及成因機理，建立了地面沉降風險評價指標體系。結合該區(qū)實際對體系中的評價指標進行了優(yōu)選，依據(jù)地面沉降分層標監(jiān)測數(shù)據(jù)、各評價指標要素對地面沉降災害的貢獻率分別對地面沉降易發(fā)性和易損性指標權重進行了修正。在地面沉降易發(fā)性、易損性評價基礎上，利用GIS進行了地面沉降風險評價，根據(jù)評價結果提出了地面沉降風險控制規(guī)劃建議。

地面沉降;易發(fā)性;易損性;指標體系;風險評價;江蘇無錫

0 引言

長江三角洲蘇錫常地區(qū)因長期過量開采地下水引發(fā)了非常嚴重的地面沉降地質(zhì)災害，而錫西—澄南地區(qū)則最為典型。該地區(qū)位于蘇錫常地下水位降落漏斗、地面沉降漏斗中心地帶，也是地裂縫災害多發(fā)區(qū)，滬寧高速公(鐵)路、滬寧城際鐵路、西氣東輸管線等一些國家重要干線工程均通過此處。地面沉降、地裂縫災害對沿線工程長期安全運行構成威脅，也嚴重制約了當?shù)亟?jīng)濟建設的可持續(xù)發(fā)展。在該地區(qū)開展地面沉降風險評價，旨在通過深入分析地面沉降地質(zhì)條件、防控過程中的地下水與地面沉降動態(tài)關系，評價不同地段的地面沉降風險度，確定地面沉降風險控制的有效方法，為城市規(guī)劃及防災減災提供科學依據(jù)，為蘇錫常全區(qū)地面沉降防控管理積累經(jīng)驗。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 自然地理

錫西—澄南地區(qū)位于無錫城市規(guī)劃區(qū)北部和江陰市南部，由10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)組成，行政區(qū)劃上分屬惠山區(qū)(玉祁、洛社、前洲、堰橋)，統(tǒng)稱為錫西地區(qū);錫山區(qū)(錫北、東港)和江陰市(青陽、霞客、祝塘、長涇)統(tǒng)稱為澄南地區(qū)，面積約690 km2(圖1)。研究區(qū)內(nèi)人口密集，經(jīng)濟、交通發(fā)達，河道縱橫;屬亞熱帶海洋性氣候，多年平均降水量1 100 mm。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 地貌地質(zhì)

研究區(qū)屬華夏系構造體系，地貌以平原為主，地面高程為2～5 m，區(qū)內(nèi)基巖地層發(fā)育較齊全，老自震旦系、新至漸新統(tǒng)都有鉆孔揭示，但地表出露極少。本區(qū)地質(zhì)構造基本格局主要形成于印支和燕山運動，并控制了第四紀地層的空間分布。從總體上看，區(qū)內(nèi)第四系厚度在80～170 m之間，為一套多層狀結構組成的松散沉積物，根據(jù)含水砂層的成因時代、埋藏分布、水力聯(lián)系及水化學特征等，自上而下可依次劃分為潛水含水層(組)和第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ承壓含水層(組)。

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)第Ⅱ承壓含水層是本區(qū)主要的地下水開采層位，水質(zhì)良好，巖性由中更新統(tǒng)沖積相中細砂、中粗砂及含礫中粗砂構成，含水層頂板埋深一般小于80 m，富水性受古河道分布的影響，在古河床部位，富水性好，水量豐富，單井用水量一般100～1 000 m3/d。地下水禁采前水位埋深普遍大于50 m，洛社、玉祁等鎮(zhèn)水位埋深超過80 m，致使含水層處于疏干開采狀態(tài)。2000年地下水禁采后，水位有所恢復，但大部分地區(qū)水位埋深仍超過45 m。

2 地面沉降現(xiàn)狀與成因分析

錫西—澄南地區(qū)地面沉降始于20世紀70年代，到2000年成為蘇錫常地面沉降最嚴重的地區(qū)，累計沉降量均超過1 000 mm，不均勻地面沉降引發(fā)的地裂縫等地質(zhì)災害多達16處。自2000年地下水限、禁采實施后，地面沉降速率明顯減緩，但受滯后效應影響，地面沉降仍在繼續(xù)。截至2006年，從監(jiān)測資料反映，錫西—澄南地區(qū)地面沉降速率已控制在10～20 mm/a之間(圖2)。

圖2 地面累計沉降量及地裂縫分布圖

錫西—澄南地區(qū)發(fā)生地面沉降主要是因為長期大量開采地下水所致(薛禹群等，2006;于軍等，2006a)，砂層中的孔隙水壓力由于地下水被抽取后未能及時得到補給或補給量不足而減小，表現(xiàn)為含水層水頭降低，即出現(xiàn)“失衡層”。據(jù)太沙基有效應力原理，砂粒之間的有效應力也隨之增加，砂層中由承壓水頭承擔的一部分應力的逐漸減小，使得含水砂層顆粒重新排序，這種重新排序表現(xiàn)為砂粒水平間的位移及垂直間的壓密，砂層產(chǎn)生壓縮變形。多年的分層標監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，含水砂層的壓縮變形在總沉降量中占有相當大的比重(于軍等，2004，2006a)。

而差異性地面沉降則是地裂縫災害發(fā)生的直接原因，根據(jù)以往的研究成果，本區(qū)地裂縫成因主要有5種模式，而基巖潛山型、基巖陡崖型則是最主要的成因類型(于軍等，2004，2006b)。研究區(qū)內(nèi)，基巖表面形態(tài)及埋深的明顯差異造成固結土層厚度的不均勻分布，地裂縫正是在這種特定的地質(zhì)環(huán)境條件下，受強烈開采地下水作用，土層產(chǎn)生較大的差異變形，局部拉張應力集中程度超過土層的抗拉強度，導致土層的開裂變形。上述情形在本區(qū)地面沉降水準測量和錫山、江陰 GPS監(jiān)測資料中反映得尤為明顯。

3 地面沉降風險評價

地面沉降風險是指地面沉降災害對人類社會及其生存環(huán)境所造成危害或不利影響的可能性及不確定性。開展地面沉降風險評價，可以有效管理地面沉降風險，減小損失造成的影響(圖3)。其核心研究內(nèi)容主要包括在地面沉降風險分析的基礎上構建風險評價指標體系、進行地面沉降易發(fā)性、易損性評價、開展地面沉降風險綜合評估、提出地面沉降風險防控規(guī)劃建議等(劉會平等，2006;于軍等，2008a，2008b)。

圖3 地面沉降風險系統(tǒng)要素構成關系示意圖

3.1 地面沉降風險評價指標體系

地面沉降災害風險來源于自然和人為因素兩方面，自然風險源包括構造及地震活動、海平面上升等;人為風險源包括過量開采地下水(石油、天然氣)以及大規(guī)模的工程建設等(王國良，2006)。受體即風險承受者，包括人、生物和區(qū)域環(huán)境等。圖3表示了地面沉降風險系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間的相互關聯(lián)性及其作用關系。顯然，風險源的易發(fā)性、受體的易損性兩者共同決定了系統(tǒng)的狀態(tài)，它們在一定的條件下形成地面沉降風險。

基于地面沉降風險系統(tǒng)由風險源的易發(fā)性、受體的易損性所決定的特點，本次研究依據(jù)系統(tǒng)性、科學性、定量化、可操作性原則構建了風險源易發(fā)性指數(shù)和受體的易損性指數(shù)，其中各指數(shù)分別包含若干與地面沉降風險密切相關的社會、經(jīng)濟、管理等指標(表1)。

表1 地面沉降風險評價指標

表1列出了較為完整的體系要素，顯然指標過于繁多，可操作性差，評價效果不一定好。因此，本次研究考慮到地區(qū)實際，結合前人工作經(jīng)驗，借助地質(zhì)經(jīng)驗法對評價指標進行了篩選，最終確定軟土層厚度、第Ⅱ承壓含水層厚度、地下水位變化速率作為易發(fā)性評價的3項指標，確定建筑密度、地面高程降低速率、單位面積GDP、人口密度、耕地密度作為易損性評價5項指標。

3.2 地面沉降易發(fā)性評價

3.2.1 指標量化評分 通過界定各指標對地面沉降發(fā)生產(chǎn)生影響的作用方式、范圍以及作用強度的空間分布特征，確定各指標對地面沉降易發(fā)性的貢獻大小，為各指標進行量化打分，并進行標準化處理，得到各評價指標的量化評分(表2)。

表2 易發(fā)性評價指標量化評分

3.2.2 權重處理 評價指標的權重常采用層次分析法、灰色系統(tǒng)分析法等方法確定。本次研究則利用區(qū)內(nèi)前洲分層標自動監(jiān)測站多年監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別計算軟土層、含水層的沉降量(發(fā)現(xiàn)兩者幾乎呈線性關系，其斜率接近2)，再結合地下水位年變幅，最終確定軟土層厚度、含水層厚度和地下水位年變動速率指標對地面沉降的貢獻權重分別為0.167、0.333、0.500。

3.2.3 線性疊加評價 本次研究采用多因素權重

借助GIS空間分析功能進行易發(fā)性指數(shù)的權重線性疊加計算，得到范圍為1～3的易發(fā)性指數(shù)，其中高易發(fā)區(qū)指數(shù)2.3～3.0(面積占28.5%)，主要分布在青陽、霞客等鄉(xiāng)鎮(zhèn);中易發(fā)區(qū)1.7～2.3(面積占41.8%)，分布于祝塘、長涇等鄉(xiāng)鎮(zhèn);低易發(fā)區(qū)1～1.7(面積占25.8%)，分布于堰橋、東港等鄉(xiāng)鎮(zhèn);穩(wěn)定區(qū)面積占3.9%。數(shù)值越大，對地面沉降產(chǎn)生的貢獻就越大，地面沉降就越易發(fā)生。圖4為最終得到的地面沉降易發(fā)性評價結果。線性疊加模型進行地面沉降易發(fā)性評價，設軟土層厚度F1、含水層厚度 F2、地下水位年變動速率F3，對應的權值分別為 W1、W2、W3，將第 k個單元格參加分級的因子權重全部加起來，即得到該單元格的綜合易發(fā)性指數(shù)：

圖4 地面沉降易發(fā)性評價圖

3.3 地面沉降易損性評價

3.3.1 指標量化評分 易損性評價指標中除地面高程降低速率，均用密度表達，它與研究區(qū)大小及位置無關，是空間數(shù)據(jù)類型，有利于其區(qū)域化，采用歸一化處理后的無量綱易損性評價指標見表3。

3.3.2 權重處理 采用貢獻權重法確定各指標權重，即按照3級劃分方法將各因子分為高、中、低3個級別，然后進行貢獻率的均值化處理，得到互權重分配結果(表4)。

3.3.3 區(qū)劃模型疊加評價 利用GIS空間分析對地面沉降易損性進行區(qū)劃，采用區(qū)劃模型(式2)對各指標重分類柵格圖形賦以權重進行疊加運算，得到地面沉降易損性區(qū)劃(圖5)。

表3 易損性評價指標無量綱化結果

表4 易損性指標互權重分配結果

式(2)中，WVD為易損性計算結果;Wi為互權重;Ui為各指標權重分類值。

圖5 地面沉降易損性評價分區(qū)圖

從圖5可以看出，地面沉降高易損性區(qū)主要集中在東港鎮(zhèn)的北部、祝塘鎮(zhèn)和霞客鎮(zhèn)的中部、洛社鎮(zhèn)的西南部，面積約71 km2，占全區(qū)面積10.2%;中易損性區(qū)分布在洛社鎮(zhèn)、玉祁鎮(zhèn)、鎮(zhèn)前洲、東港鎮(zhèn)的大部分地區(qū)，面積357 km2，占51.3%;低易損性區(qū)包括堰橋、錫北、青陽等地區(qū)，面積 268 km2，占38.5%。

3.4 地面沉降風險綜合評估

利用GIS空間疊加分析功能進行地面沉降易發(fā)性和易損性疊代運算(李偉等，2006)，將地面沉降風險級別劃分為4個等級。1為高風險區(qū)，面積占21.6%;2為中風險區(qū)，面積占41.2%;3為低風險區(qū)，面積占33.3%;4為穩(wěn)定區(qū)，面積占3.9%。最終得到圖6所示的地面沉降風險評價結果。

圖6 地面沉降風險評價圖

圖6顯示出地面沉降高風險區(qū)集中在霞客鎮(zhèn)中南部、祝塘中部、青陽中部、洛社東北部、以及玉祁南部地區(qū)，總面積約 150 km2，占研究區(qū)面積的21.6%;中風險區(qū)相對較大，分布在玉祁北部、洛社西南部、前洲全部等地區(qū)，面積287 km2，占研究區(qū)面積的41.2%;低風險區(qū)主要集中在堰橋、錫北、東港南部等地區(qū)，面積 231 km2，占研究區(qū)面積的33.3%。

4 地面沉降風險控制規(guī)劃

地面沉降風險控制規(guī)劃是地面沉降風險評價之后的一項重要內(nèi)容，是進行風險決策和管理的基礎，具有一定的復雜性和難度，本次研究從規(guī)劃控制措施、工程預防措施、監(jiān)測預警措施3個方面對研究區(qū)地面沉降風險控制規(guī)劃進行了初步探索(圖7)。

圖7 地面沉降風險控制規(guī)劃圖

4.1 規(guī)劃控制措施

在地面沉降高風險區(qū)，可考慮改變原有不合理的土地開發(fā)利用項目或者轉(zhuǎn)而發(fā)展其他項目;在存在現(xiàn)實風險或潛在風險的區(qū)域應限制或調(diào)控新的建設項目;在不適合任何工程建設的地區(qū)，則還要考慮搬遷現(xiàn)有居民和財產(chǎn)，將之辟為城市花草綠地、公園或林地等。

4.2 工程預防措施

對于降低地面沉降風險區(qū)，工程措施是一種最直接的方法，既可降低地面沉降發(fā)生的概率，又可防止地面沉降發(fā)生造成的危害，主要采取地下水人工回灌，壓縮開采量等措施。

4.3 監(jiān)測預警措施

應進一步健全地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡，優(yōu)化專業(yè)監(jiān)測與群測群防相結合的地面沉降監(jiān)測預警體系，及時掌握地下水、地面沉降發(fā)展變化動態(tài)，完善地面沉降預警模型，定期開展地面沉降預測預報，為政府相關部門的科學決策與管理提供基礎數(shù)據(jù)。

5 結論

(1)本次研究系統(tǒng)分析了地面沉降現(xiàn)狀及成因，在此基礎上建立了地面沉降風險評價指標體系，通過對體系中的評價指標進行優(yōu)選，使其更加適合研究區(qū)實際。

(2)選擇軟土層厚度、第Ⅱ承壓含水層厚度、地下水位變化速率作為易發(fā)性評價的3項指標，建筑密度、地面高程降低速率、單位面積 GDP、人口密度、耕地密度作為易損性評價的5項指標，具有一定的典型性、代表性和可操作性。

(3)通過利用地面沉降分層標實際監(jiān)測數(shù)據(jù)以及各評價指標要素對地面沉降災害的貢獻率對地面沉降易發(fā)性和易損性指標權重進行修正，評價結果更具科學性。

(4)在地面沉降易發(fā)性和易損性評價基礎上利用GIS開展的地面沉降風險評價，從規(guī)劃控制、工程預防、監(jiān)測預警3個方面對研究區(qū)地面沉降風險規(guī)劃提出了相應控制措施，為今后地面沉降防治工作的進一步深化打下了良好的基礎。

劉會平，王艷麗.2006.廣州市地面沉降危險性評價［J］.海洋地質(zhì)動態(tài)，22(1)：1-4.

李偉，馬學軍，楊旭東，等.2006.滄州市地面沉降災害風險區(qū)劃方法初探［J］.城市地質(zhì)，(增刊)：137-144.

王國良.2006.地面沉降危險性分級標準初探［J］.上海地質(zhì)，27(4)：39-43.

薛禹群，張云，葉淑君，等.2006.我國地面沉降若干問題研究［J］.高校地質(zhì)學報，12(2)：153-160.

于軍，王曉梅，蘇小四，等.2004.蘇錫常地區(qū)地裂縫地質(zhì)災害形成機理分析［J］.吉林大學學報：地球科學版，34(2)：236-241.

于軍，王曉梅，武健強，等.2006a.蘇錫常地區(qū)地面沉降特征及其防治建議［J］.高校地質(zhì)學報，12(2)：179-184.

于軍，陳光明，王曉梅，等.2006b.基于三維地震勘探資料的因果岸地裂縫成因分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，33(4)：117-119，123.

于軍，武健強，王曉梅，等.2008a.地面沉降風險評價初探［J］.高校地質(zhì)學報，14(3)：450-454.

于軍，武健強.2008b.蘇錫常地區(qū)地面沉降風險評價管理模型研究初探［J］.地質(zhì)學刊(原《江蘇地質(zhì)》)，32(2)：113-117.

Risk evaluation of ground subsidence in typical ground subsidence zones of western Wuxi and southern Jiangyin areas

YU Jun1，SHU Long-cang2，WEN Zhong-hui2，WU Jian-qiang1，WANG Xiao-mei1，CHEN Yu2，ZHANG Yu1

(1.Geological Survey of Jiangsu Province，Nanjing 210018，China;2.Hohai University，Nanjing 210098，China)

As the most typical zones of ground subsidence in Su-Xi-Chang of Yangtze River Delta，their actuality and formation mechanism of ground subsidence were analyzed.Through selective preference for the evaluating indicators in the system，an indicator system of risk evaluation on ground subsidence was established according to the practical situation in the areas along western Wuxi City to southern Jinagyin City.The weights of susceptibility and vulnerability of ground subsidence were revised respectively on the basis of monitoring data of layer wise mark of ground subsidence and influence of various evaluating index for the ground subsidence disaster.The suggestions of ground subsidence risk control were offered based on the evaluation of susceptibility and vulnerability of ground subsidence using GIS method to evaluate ground subsidence risk.

Ground subsidence;Susceptibility;Vulnerability;Index system;Risk evaluation;Wuxi，Jiangsu

P642.26

A

1674-3636(2012)01-0074-06

2011-09-29;編輯：詹庚申

國土資源大調(diào)查項目“蘇錫常地區(qū)地面沉降監(jiān)測與風險管理”(水［2006］012-02;1212010641203)

于軍(1968— )，男，研究員級高級工程師，博士，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)研究，E-mail：njhzmyj@163.com

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.01.74