海河流域重點(diǎn)區(qū)域地面沉降分析

【摘要】海河流域地處京津及華北大部地區(qū)的咽喉要地，河流錯(cuò)綜復(fù)雜，各地區(qū)沉降不一致，產(chǎn)生了河道淤塞、扭曲。海河流域區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛快速，地面沉降給國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的隱患。為此，研究河流和水工建筑物的沉降規(guī)律以及地區(qū)區(qū)域性的沉降特點(diǎn)十分重要。本文根據(jù)三期針對(duì)于海河流域重點(diǎn)區(qū)域的統(tǒng)一高程測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，找出沉降變化規(guī)律，為水利規(guī)劃設(shè)計(jì)，水利工程建設(shè)、管理和防洪抗災(zāi)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】地面沉降；高程測(cè)量；變化規(guī)律

1、前言

地面沉降會(huì)給人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和生存環(huán)境產(chǎn)生極大的危害，也會(huì)給水利工程造成極大的危害。河流和水閘跟隨地面一同下沉，下沉速率不一樣，大大降低了河流的泄洪功能和抗風(fēng)暴潮能力，造成堤防和閘體的水位和過水能力變化，影響堤防和閘體的防洪和抗災(zāi)能力。根據(jù)海河流域1989年與2002年以及2010年三期水準(zhǔn)測(cè)量資料對(duì)比，天津、滄州、德州三地區(qū)均存在地面沉降，產(chǎn)生了很明顯的沉降漏斗。定期對(duì)河流、堤防、水閘進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，為水利規(guī)劃設(shè)計(jì)，水利工程建設(shè)、管理和防洪抗災(zāi)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2、沉降分析資料

2.1 資料來源

海河流域高程測(cè)量主要分為三個(gè)階段：

第一階段是海河水利委員會(huì)于1983年決定在國(guó)家一、二等水準(zhǔn)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行海河流域的水準(zhǔn)測(cè)量，將全流域的高程系統(tǒng)統(tǒng)一到1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。測(cè)量工作從1985年5月～1989年5月完成，共施測(cè)二等水準(zhǔn)路線562km，施測(cè)三等水準(zhǔn)支線281條計(jì)1141.3km，連測(cè)了227個(gè)水文站、152座大中型水工建筑物的基本水準(zhǔn)點(diǎn)。將國(guó)家在海河流域布設(shè)的133條二等水準(zhǔn)路線的觀測(cè)資料和其他系統(tǒng)48條二等以上水準(zhǔn)路線資料，在國(guó)家一等水準(zhǔn)網(wǎng)10個(gè)環(huán)內(nèi)分別組成10個(gè)結(jié)點(diǎn)平差單元和11條附合路線，進(jìn)行二等水準(zhǔn)的平差計(jì)算，形成一個(gè)海河流域二等水準(zhǔn)點(diǎn)成果。根據(jù)國(guó)家一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)和海河流域已測(cè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)成果，組成22個(gè)結(jié)點(diǎn)平差單元和96條附合路線，進(jìn)行三等水準(zhǔn)的平差計(jì)算。此項(xiàng)工作建立了海河流域1985國(guó)家高程基準(zhǔn)的高精度高程控制網(wǎng)系統(tǒng)。簡(jiǎn)稱1989年高程。

第二階段為2000-2002年布設(shè)的海河流域京津沉降區(qū)及漳衛(wèi)南運(yùn)河系堤防水準(zhǔn)測(cè)量，測(cè)量范圍主要包括京津沉降區(qū)的北運(yùn)河系、永定河系、子牙河系及漳衛(wèi)南運(yùn)河系等的主要河段，共施測(cè)水準(zhǔn)路線4490km。本次測(cè)量使得海河流域平原地區(qū)的部分河道第一次獲得了寶貴的沉降資料，初步掌握了河道的沉降狀況，為河道整治、水工建筑物運(yùn)行管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。簡(jiǎn)稱2002年高程。

第三階段是2009-2010年。對(duì)于已布設(shè)的水準(zhǔn)路線，盡量沿原路線布設(shè)，新增路線盡量沿河道或堤防布設(shè)。為了資料的完整和延續(xù)，此次測(cè)量還增加了1989年已做的灤河系、徒駭馬頰河系。海河流域重點(diǎn)區(qū)域高程測(cè)量包括海河、灤河和徒駭馬頰河三大水系，灤河、北三河、永定河、大清河、子牙河、漳衛(wèi)南運(yùn)河和徒駭馬夾河七大河系，10條骨干河流，二等水準(zhǔn)線路44條，三等水準(zhǔn)線路1條。二等水準(zhǔn)路線總長(zhǎng)度7070Km，引測(cè)檢測(cè)54公里。三等水準(zhǔn)路線總長(zhǎng)度74Km。簡(jiǎn)稱2010年高程

整個(gè)海河流域經(jīng)過這三階段的高程測(cè)量，基本完善了海河流域各河系和水工建筑物的高程資料，豐富了沉降分析的對(duì)比成果。

2.2 聯(lián)測(cè)的閘站庫(kù)情況

水準(zhǔn)路線沿靠近河道的道路及村莊布設(shè)，河道上的水文站、閘管所等水工建筑物的高程基準(zhǔn)點(diǎn)都連測(cè)于水準(zhǔn)路線中。為了觀察水工建筑物的沉降情況，第三期連測(cè)的水準(zhǔn)點(diǎn)盡量與1985年至1989年連測(cè)的一致。新增的水文站、閘等一并連測(cè)于路線中。

2.3 2010年至2002年至1989年三期統(tǒng)計(jì)

2010年至2002年至1989年三期海河流域高程測(cè)量，歷經(jīng)21年，本次沉降分析工作盡量收集和查找原水準(zhǔn)埋石點(diǎn)的數(shù)據(jù)和實(shí)地點(diǎn)位，保證水準(zhǔn)點(diǎn)高程成果的比對(duì)。然而經(jīng)過21年的變化發(fā)展，很多地方發(fā)生了變化，很多點(diǎn)也被破壞。經(jīng)過查找，2010年第三期高程測(cè)量沿用了原1989年所做高程測(cè)量中95個(gè)點(diǎn)，根據(jù)各河系沿用的相同的點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，可以繪制出2010年至2002年至1989年三期水準(zhǔn)點(diǎn)沉降圖和高程比較表。

3、沉降分析

3.1 沉降分析圖

3.2 一等水準(zhǔn)點(diǎn)沉降分析

分布在測(cè)區(qū)內(nèi)的國(guó)家一等點(diǎn)的沉降變化量不一致。1989-2010期間最大年沉降量43毫米，平均年沉降量17毫米。2010-2002最大年沉降量47毫米，平均在1989-2010期間年沉降量28毫米。有明顯的下沉加速趨勢(shì)。最大沉降點(diǎn)是Ⅰ石濟(jì)56基，年沉降量43毫米。平均年沉降量14毫米。2010年與2002年比較還是Ⅰ石濟(jì)56基沉降最大，最大年沉降量40毫米。平均年沉降量14.5毫米。如下表1和表2表統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

3.3河道沉降變化量大小區(qū)間分析

1989-2010年21年間，有很多水準(zhǔn)點(diǎn)已經(jīng)被破壞，或者丟失，相同點(diǎn)較少，可比較的點(diǎn)的數(shù)量有限，根據(jù)統(tǒng)計(jì)找到9條河系中的95相同點(diǎn)。通過上表看出按河道沉降變化量所占比例統(tǒng)計(jì)年均沉降量超過20mm占78.6%，按路線沉降變化量所占比例統(tǒng)計(jì)年均沉降量超過20mm占66.6%，由此可以看出海河流域的河道沉降現(xiàn)象已非常嚴(yán)重。

雖然很多水準(zhǔn)點(diǎn)被破壞，但從有限的相同的標(biāo)石點(diǎn)的三期高程差值比對(duì)，和每?jī)善谟?jì)算的年均沉降量對(duì)比可以看出，河道沉降趨勢(shì)非常明顯，沉降量也非常大。子牙新河左右岸、永定河左右岸、永定新河左右岸、南運(yùn)河等沿海區(qū)域沉降尤其明顯。從圖1地表沉降分析等值線圖也可以看出，在河北的滄州、廊坊地區(qū)，山東的德州地區(qū)，天津進(jìn)洪閘等區(qū)域存在明顯沉降漏斗區(qū)。

3.4閘、站、庫(kù)沉降分析

以京津唐地區(qū)11個(gè)大型閘、站、庫(kù)的高程比較為例，可以看出從2002年到2010年僅8年間，天津獨(dú)流減河進(jìn)洪閘（Ⅱ津唐10）就下沉了0.52米，年下沉65毫米，沉降變化很大。從表中可以看出其它閘的下沉也很明顯，如天津的西河閘、九宣閘、陳官屯閘、韓村閘等。水閘的下沉已經(jīng)成為一個(gè)普遍現(xiàn)象，我們應(yīng)如何分析、對(duì)待、預(yù)防地表下沉對(duì)水工建筑物造成不利的影響，已經(jīng)是一個(gè)不能回避的課題。

4、沉降原因分析

4.1 一等水準(zhǔn)點(diǎn)沉降原因分析

第三期（2010年）水準(zhǔn)測(cè)量歷時(shí)2年，作為已知點(diǎn)引用的一等點(diǎn)有16個(gè)，連測(cè)一等點(diǎn)15個(gè)，計(jì)算時(shí)以天津基巖標(biāo)京津35為主要參考點(diǎn)。從了解的幾個(gè)大項(xiàng)目如京滬高鐵二等水準(zhǔn)測(cè)量、引黃入京等項(xiàng)目測(cè)量結(jié)果來看，基巖標(biāo)的沉降比較小，因?yàn)榈乇韺?duì)其影響較小。山區(qū)的一等點(diǎn)沉降較小，而靠近沿海及靠近德州、滄州等漏斗地區(qū)沉降變化很大。

4.2 二等水準(zhǔn)點(diǎn)沉降原因分析

二等水準(zhǔn)點(diǎn)沉降原因錯(cuò)綜復(fù)雜，一方面是三期高程測(cè)量期間水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)石變動(dòng)、局部地表變化以及地殼垂直運(yùn)動(dòng)的影響，另一方面是三期高程測(cè)量水準(zhǔn)網(wǎng)用于平差的觀測(cè)數(shù)據(jù)及其歸算改正項(xiàng)差異的影響。

（1）地面沉降和標(biāo)石自身的不穩(wěn)定性影響：三期二等水準(zhǔn)標(biāo)石100%都埋設(shè)在地表土層中，它不可避免地受到非結(jié)構(gòu)或人為因素而產(chǎn)生的地表垂直運(yùn)動(dòng)的影響，地面沉降是一種區(qū)域性的緩變型地質(zhì)災(zāi)害，京津及周邊地區(qū)又是地面沉降較為嚴(yán)重的區(qū)域之一，沿渤海灣經(jīng)濟(jì)區(qū)均為沉降速率較大區(qū)域，勢(shì)必造成水準(zhǔn)標(biāo)石的不穩(wěn)定。

（2）地下水的不合理開采的影響：地下水的不合理開采是海河流域地面沉降的主要誘因。地面沉降是在一定的地表面積內(nèi)由于地殼表層土體壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，是一種不可補(bǔ)償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失。在大港地區(qū)、滄州地區(qū)、德州地區(qū)，過度開采石油、天然氣、固體礦產(chǎn)、地下水等直接導(dǎo)致了地表沉降。

（3）因采用國(guó)家一等水準(zhǔn)點(diǎn)起算而產(chǎn)生的影響：國(guó)家一等水準(zhǔn)點(diǎn)也大部分埋設(shè)于地面表層中，也易受到地表下沉的影響而同樣下沉。根據(jù)發(fā)布的一等水準(zhǔn)點(diǎn)的高程為基準(zhǔn)點(diǎn)起算對(duì)二等水準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算直接產(chǎn)生誤差，從而導(dǎo)致二等水準(zhǔn)點(diǎn)的高程不準(zhǔn)確。

5、結(jié)束語

通過海河流域高程測(cè)量項(xiàng)目，我們獲取了很多成果，也發(fā)現(xiàn)了很多問題。針對(duì)我們發(fā)現(xiàn)的問題，特提出以下幾點(diǎn)建議，供各位專家思考。

（1）國(guó)家一等點(diǎn)

經(jīng)過這次水準(zhǔn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了很大部分國(guó)家一等點(diǎn)下沉很嚴(yán)重，尤其是京津滄州德州等沿海區(qū)域。例如：德州附近的Ⅰ石濟(jì)56基，1988年到2010年，這二十一年間，下沉了將近1米，在2002年到2010年，8年中下沉了有0.318米，下沉趨勢(shì)明顯，沉降率達(dá)到了每年5厘米。Ⅰ綏津81這個(gè)點(diǎn)，1989年到2010年，這二十一年間，下沉了將近半米，在2002年到2010年，8年中下沉了有26厘米，沉降趨勢(shì)也明顯加快。據(jù)我們了解，這些沿海區(qū)域，經(jīng)過多年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有很多國(guó)家一等點(diǎn)遭到破壞，點(diǎn)位已經(jīng)丟失。就Ⅰ綏津81這個(gè)點(diǎn)所在的北塘地區(qū)而言，我們所能使用的只有這個(gè)點(diǎn)，其他的點(diǎn)都已被破壞。由于找不到高等級(jí)起算點(diǎn)，一些建筑施工單位甚至是采用一些很低等級(jí)的水準(zhǔn)點(diǎn)或者是采用假定高程施工，導(dǎo)致高程基準(zhǔn)混亂，影響工程質(zhì)量。

（2）從上述的幾個(gè)圖表看到，海河流域京津地區(qū)地表下沉嚴(yán)重，并且有加速下沉趨勢(shì)，從整體上看就象一個(gè)大漏斗中間又套著幾個(gè)小漏斗。很典型的是天津地區(qū)進(jìn)洪閘“Ⅱ津唐10”，實(shí)際原來是一等點(diǎn)，因?yàn)檫B年沉降，在2002年連測(cè)，降到二等使用。1989年到2010年，該點(diǎn)下沉了將近1.4米，在近8年中，也下沉了半米多。由此推斷整個(gè)進(jìn)洪閘是不是也下沉得同樣多？那么其它類此情況，別的站、閘、庫(kù)的沉降又有多么嚴(yán)重呢？我們苦于沒有更多的歷史數(shù)據(jù)來證明這些站、閘、庫(kù)的沉降情況，對(duì)于那些使用不同高程系統(tǒng)甚至自己獨(dú)立系統(tǒng)的水工建筑物設(shè)施更無法分析。

參考文獻(xiàn)

[1]李東東，馮曉洲，某地區(qū)地面沉降調(diào)查分析.土工基礎(chǔ)，2011.6

[2]劉予，葉超，賈三滿.北京市平原區(qū)地面沉降區(qū)含水巖組和可壓縮性劃分.城市地質(zhì)，2007.2

[3]張阿根，魏子新.中國(guó)地面沉降.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.2

作者簡(jiǎn)介

余宣興 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 高級(jí)工程師

趙淑屏 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 工程師

朱明新 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 工程師

劉永波 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 工程師