天津市區(qū)地?zé)衢_采與地面沉降關(guān)系研究

徐佳 解大可 王淼

(天津市控制地面沉降工作辦公室，天津 300061)

地?zé)豳Y源是集熱、水、礦為一體的具有復(fù)合特性的礦產(chǎn)資源，作為一種清潔的新能源，與傳統(tǒng)能源相比有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。天津市地下蘊(yùn)藏著豐富的中低溫地?zé)豳Y源［1］。地?zé)豳Y源的開發(fā)利用作為開采地下流體的一種形式和開采地下水引起地面沉降的機(jī)理基本相同。天津市區(qū)地?zé)崴_采由來已久，從開采量和開采層位上已經(jīng)形成了較大的規(guī)模，多年監(jiān)測(cè)資料顯示，天津市區(qū)地?zé)崴_采層水位也在逐年下降，實(shí)踐證明天津市區(qū)地?zé)衢_采是導(dǎo)致天津地面沉降的重要因素之一［2］。

1 天津中心市區(qū)地?zé)衢_發(fā)利用現(xiàn)狀

由于針對(duì)地?zé)釋?duì)地面沉降的影響進(jìn)行研究，多年研究表明基巖地?zé)崴Y源的開發(fā)利用對(duì)地面沉降的影響很小，因此本次報(bào)告中地?zé)嵫芯績(jī)?nèi)容重點(diǎn)涉及新近系的明化鎮(zhèn)組，由于地層原因館陶組在市區(qū)開采井分布很少(市區(qū)只有4眼)，對(duì)于基巖儲(chǔ)熱層不做介紹。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)天津市區(qū)地?zé)峋饕性诔鞘械臇|部和南部地區(qū)王蘭莊地?zé)崽锓秶鷥?nèi)，市區(qū)東北部有少數(shù)地?zé)峋畬儆谏綆X子地?zé)崽锓秶傮w以明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層地?zé)峋八E縣系霧迷山組地?zé)峋疄橹鳌?/p>

2010年市區(qū)及新四區(qū)共有新近系明化鎮(zhèn)組地?zé)峋?0眼，其中3眼為回灌井。市區(qū)及新四區(qū)開采量為342.9×104m3(2010年中心市區(qū)地下水開采量為249.4×104m3)，本年度該熱儲(chǔ)層的3眼地?zé)峋鶡o(wú)回灌量［4］。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可看出:本年度該熱儲(chǔ)層以市區(qū)及新四區(qū)為集中開采區(qū)，雖然集中開采區(qū)開采量比2009年度有所減少，但仍占全市該層開采總量的72.9%(全市明化鎮(zhèn)組開采量為470.1×104m3);本年度外圍地區(qū)開采量增加了99.5×104m3。

2 地?zé)衢_采引起地面沉降分析

通過前文數(shù)據(jù)可以看出，天津市中心市區(qū)隨著地下水不斷減采，市區(qū)及周邊新近系地?zé)崴_采量(2010年342.9×104m3)已經(jīng)大于市區(qū)地下水開采量(2010年249.4×104m3)。為了研究開采地?zé)崴畬?duì)天津市區(qū)地面沉降造成的影響，本文選取小范圍的研究示范區(qū)進(jìn)行分析比較，示范區(qū)如圖1所示。選擇區(qū)域內(nèi)有兩組新近系明化鎮(zhèn)組地?zé)岵晒嗑謩e是NK-21，NK-21B和NK-22，NK-22B均屬于南開海河樓所有的地?zé)峋妶D2，兩組地?zé)峋扇∫徊梢还噙\(yùn)行模式，但由于新近系地層原因每年幾乎沒有回灌量，并且區(qū)域內(nèi)無(wú)其他地下水開采井分布。

根據(jù)研究區(qū)最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn):不268數(shù)據(jù)顯示見表1，2001年～2002年間該監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量較小，隨著海河樓區(qū)域建設(shè)開始(建設(shè)時(shí)間為2003年～2006年)，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量突然增大，到2007年工程建設(shè)完成，在2008年～2010年工程建設(shè)結(jié)束只有地?zé)峋掷m(xù)開采期間，沉降量逐步回落并穩(wěn)定在一個(gè)較高數(shù)值并始終高于施工之前的沉降值，沉降量并沒有因施工停止而恢復(fù)到原先的程度，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)間序列圖3中可以分析得知，開采新進(jìn)系地?zé)岬拇_會(huì)對(duì)地面沉降產(chǎn)生一定的影響。

由于天津市區(qū)分層標(biāo)較淺，標(biāo)組最深處只能反映市區(qū)350 m以下的沉降量，不能將開采地?zé)嵋l(fā)的地面沉降數(shù)值完全分離，因此根據(jù)現(xiàn)有成果(塘沽分層標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果)，并且塘沽區(qū)新近系巖性與市區(qū)新近系巖性相似，進(jìn)行地面沉降量與深層地?zé)崴_采量的方程擬合:擬合方程為:

其中，S為開采層沉降量，mm;Q為開采層開采量，×104m3/年。

表1 研究區(qū)不268監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量 mm

圖1 沉降研究區(qū)內(nèi)地下水開采井分布圖

圖2 沉降研究區(qū)內(nèi)地?zé)峋植紙D

當(dāng)置信度為95%時(shí)，二者的相關(guān)系數(shù)為0.99，可用來計(jì)算地?zé)衢_采量與沉降量關(guān)系。新近系明化鎮(zhèn)開采井基本都集中在市區(qū)，由式(1)可得在市區(qū)由于地?zé)嵋蛩卦斐傻某两盗考s4.5 mm。另外，市區(qū)附近西青區(qū)分層標(biāo)深度可達(dá)566.2 m，本次研究認(rèn)為566.2 m以下產(chǎn)生的沉降量均為地?zé)崴_采引起的，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示地?zé)衢_采引起的沉降量約3.8 mm，因此可認(rèn)為由開采新近系地?zé)嵋鸬牡孛娉两嫡贾行氖袇^(qū)總沉降量因素見表2。

圖3 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)曲線

表2 地?zé)岢两狄蛩匕俜直?/p>

由表2可見，地?zé)岬拈_采對(duì)中心市區(qū)地面沉降產(chǎn)生了3.8 mm～4.5 mm左右的沉降量，已經(jīng)占天津市區(qū)沉降量的19%～27%，由此可見地?zé)崴拈_采已經(jīng)對(duì)天津市區(qū)的地面沉降產(chǎn)生了一定的影響。

3 結(jié)論與建議

天津市的地?zé)衢_采已經(jīng)對(duì)市區(qū)的地面沉降造成了影響，在地下水不斷減采的前提下，控制地?zé)崴_采引起的地面沉降是現(xiàn)今的主要任務(wù)之一［5］。

在地下熱水資源開采中應(yīng)通過嚴(yán)格控制新近系開發(fā)利用規(guī)模，提高地?zé)豳Y源利用率，嚴(yán)格禁止非地?zé)岙惓^(qū)的地?zé)衢_發(fā)，提高地?zé)峄毓嗦实仁侄?，預(yù)防地?zé)豳Y源開發(fā)利用加劇地面沉降災(zāi)害。

［1］林 黎，趙蘇民，王心義.天津地?zé)崴_發(fā)利用狀況及保護(hù)對(duì)策研究［J］.河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(2):105-110.

［2］馬鳳如，林 黎，王穎萍，等.天津地?zé)豳Y源現(xiàn)狀與可持續(xù)性開發(fā)利用問題［J］.地震調(diào)查與研究，2006，29(3):222-228.

［3］張阿根，魏子新.中國(guó)地面沉降［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005:55-72.

［4］2008～2010年天津地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)年報(bào)［R］.天津:天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，2008-2010.

［5］姜衍祥，于 強(qiáng)，王 威.天津市地面沉降控制與城市新發(fā)展［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010(S37):277-281.