廣饒縣地面沉降成因及預(yù)測(cè)分析

張樂,趙景蒲，王浩，康曉霞

(1.東營市國土資源局，山東 東營 257091;2.山東省魯北地質(zhì)工程勘察院,山東 德州 253000;3.東營市國土資源局東營分局,山東 東營 257091)

我國自20世紀(jì)20年代初在上海和天津市區(qū)發(fā)現(xiàn)地面沉降以來，短短幾十年，長江三角洲主要城市及平原區(qū)、天津市平原區(qū)、華北平原東部地區(qū)相繼產(chǎn)生地面沉降；20世紀(jì)80年代，中小城市和農(nóng)村地區(qū)地下水開采利用量大幅度增加，地面沉降范圍也由此從城市向農(nóng)村擴(kuò)展，在城市連片發(fā)展[1]。東營市自2002年首次進(jìn)行地面沉降水準(zhǔn)測(cè)量，廣饒縣為沉降中心[2]。目前已與濱州博興縣地面沉降中心連成一片，由于地面沉降具有持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣、成因機(jī)制復(fù)雜和防治難度大等特點(diǎn)，對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活構(gòu)成極大的威脅[3]。

1 地質(zhì)背景條件

1.1 地層

廣饒縣地層發(fā)育較齊全。中生代以來受燕山運(yùn)動(dòng)和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響，該區(qū)一直緩慢下降，其上沉積了巨厚的新生代地層，對(duì)該區(qū)地面沉降可能存在影響的地層主要有古近紀(jì)孔店組、沙河街組、東營組，新近紀(jì)館陶組、明化鎮(zhèn)組及第四系[4]。

區(qū)內(nèi)第四系根據(jù)地層結(jié)構(gòu)、成因類型和沉積物來源分為山前平原區(qū)和三角洲平原區(qū)。山前平原區(qū)主要分布于中南部地區(qū)，層底埋深168.45～269.0m。以沖積洪積相沉積為主，并有湖相沉積；地層巖性主要為粉土、粉質(zhì)粘土及砂層的互層，局部以粉土為主，砂層顆粒南粗北細(xì)，多為中細(xì)砂，顏色以棕黃、褐黃為主，其次為棕紅、灰綠，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，局部鈣層膠結(jié)成巖。黃河三角洲平原區(qū)主要指廣饒縣北部地區(qū)，層底埋深252.0～320.0m，主要為沖積、海積及湖積相沉積。巖性以粉質(zhì)粘土為主，夾粉土及細(xì)砂或粉細(xì)砂，顏色多為棕黃、棕紅、灰綠等[5]。

1.2 水文地質(zhì)條件

廣饒縣位于黃河下游黃河三角洲地區(qū)，中南部是泰沂山北麓山前沖洪積平原與黃河三角洲交接地帶，深層沉積物主要來源于南部河流搬運(yùn)來的沖洪積物[6]。自古近紀(jì)以來，隨著地殼的下降，泰沂山北麓山前沖洪積扇不斷向南縮退，被黃河沖積和海相層覆蓋，使含水層組的分布和富水性具有水平和垂直分帶規(guī)律：含水層自南向北，由下而上，層數(shù)由少到多，單層厚度由厚變薄；含水層顆粒由粗變細(xì)；南部含水層巖性主要為中粗砂夾礫石，向北逐漸變?yōu)橹屑?xì)砂和粉砂。區(qū)內(nèi)的地下水系統(tǒng)由淺層潛水—微承壓水系統(tǒng)(埋深0～60m)，中深層承壓水系統(tǒng)(埋深60～200m)，深層承壓水系統(tǒng)(埋深>200m)構(gòu)成。

1.2.1 淺層潛水—微承壓水

淺層淡水主要分布于石村—顏徐—稻莊一線以南山前沖洪積平原。廣饒縣城北部附近為山前沖洪積扇(裙)的前緣地帶，含水層巖性以細(xì)砂、粉細(xì)砂為主，累計(jì)厚度小于5m，單井涌水量小于500m3/d。廣饒縣南部主要有李鵲—石村、西營—稻莊、大王鎮(zhèn)—南郭大致SN向3條淄河古河道展布，含水層巖性以細(xì)砂、中細(xì)砂為主，局部有中粗砂和含礫粗砂，砂層厚度10～20m，單井涌水量500～1000m3/d。水化學(xué)類型為重碳酸鹽型。

1.2.2 中深層承壓水

廣饒縣陳官鄉(xiāng)—丁莊鄉(xiāng)一線以南，含水層巖性以粉細(xì)砂、細(xì)砂為主，含水層厚度20～40m，單井出水量500～1000m3/d，為礦化度小于1g/L的重碳酸硫酸鹽型、重碳酸鹽型及重碳酸氯化物型水。廣饒縣南部石村—西劉橋一線以南，含水層巖性以粉細(xì)砂、細(xì)砂為主，局部有中粗砂，含水層厚度40～50m，單井出水量大于1000m3/d，主要為礦化度小于1g/L的重碳酸鹽型和重碳酸硫酸鹽型水。

1.2.3 深層承壓水

主要分布于廣饒縣城及其西南部，廣饒縣大碼頭鄉(xiāng)以東及陳官鄉(xiāng)西部，含水層巖性以細(xì)砂、粉細(xì)砂為主，累計(jì)厚度40～50m，單層厚度一般2～5m，含水層頂板埋深大于230m，單井涌水量大于1000m3/d，礦化度一般小于1g/L，水化學(xué)類型主要為重碳酸氯化物-鈉型，其次為重碳酸硫酸氯化物-鈉型。

1.3 工程地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔資料，廣饒縣主要沉降區(qū)域埋深700m以內(nèi)地層可劃分為6個(gè)含水層及7個(gè)壓縮層。各壓縮層、含水層的劃分宏觀上以地層為界，原則上把砂層劃為含水層，粘性土劃為壓縮層；砂性土視相鄰地層巖性而定，以降低區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)層的復(fù)雜程度為目的，相應(yīng)地劃入含水層及壓縮層，各主要壓縮層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 主要壓縮層物理力學(xué)參數(shù)

2 地面沉降現(xiàn)狀

2.1 地面沉降現(xiàn)狀

將2004年7月進(jìn)行的水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)與2016年2月測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)結(jié)合國土測(cè)繪院2008—2014年GPS地面沉降測(cè)量數(shù)據(jù)，廣饒縣沉降中心YD10號(hào)點(diǎn)處(山泰集團(tuán)商務(wù)會(huì)館附近)，自2004年7月以來累計(jì)沉降量已超過1.5m(2004年7月的地面標(biāo)高為8.012m，到2016年2月地面標(biāo)高降低至6.577m，標(biāo)高損失1.535m)(圖1)，且目前沉降速率仍大于70mm/a[7]。

圖1 2004—2016年地面沉降量等值線圖(mm)(據(jù)東營市地面沉降網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫建設(shè)報(bào)告，2016年)

2.2 沉降發(fā)展規(guī)律

以2004年7月為起始點(diǎn)，分別與2008年6月、2012年8月、2016年2月測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，從圖2可以看出，原點(diǎn)組沒有沉降，淄博市境內(nèi)各點(diǎn)沉降量很小，進(jìn)入廣饒后沉降點(diǎn)出現(xiàn)了明顯的下沉，隨著路線向北延伸，沉降量逐漸增大，在廣饒縣城北開發(fā)區(qū)沉降量達(dá)到最大為1535.0mm；再向北延伸沉降量有所減少，在牛莊鎮(zhèn)沉降量最小為142.0mm。

圖2 廣饒南北線地面沉降剖面圖(據(jù)東營市地面沉降網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫建設(shè)報(bào)告，2016年)

廣饒城區(qū)累計(jì)沉降量最大的YD10監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2002年12月的地面標(biāo)高為8.182m，到2016年2月地面標(biāo)高降低至6.577m，標(biāo)高損失1.605m，平均每月?lián)p失10.15mm。地面標(biāo)高變化在曲線圖上表現(xiàn)為線性持續(xù)下降(圖3)，說明廣饒縣地面沉降中心沉降速率變化很小，近15年來一直以較穩(wěn)定的沉降速率持續(xù)下沉。

圖3 YD10高程動(dòng)態(tài)變化曲線

3 地面沉降影響因素分析

3.1 地下水開采

3.1.1 淺層地下水開采

廣饒縣小清河以南淡水資源豐富，多年來對(duì)地下水的開發(fā)利用一直處在一個(gè)較高的水平上(2010—2015年均維持在5000萬m3/a左右)。水位埋深相差較大，總體特征是南深北淺，至李鵲—大王一線附近(即漏斗中心)達(dá)到最大，再向南又逐漸減小。根據(jù)2015年水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，小清河附近地下水年平均水位埋深在5.49m左右，而漏斗中心大王鎮(zhèn)附近最深埋深已達(dá)41.54m。從淺層地下水等水位線與地面沉降量圖(圖4)可以看出，淺層地下水漏斗中心與地面沉降中心相距較遠(yuǎn)，并無明顯相關(guān)性，由此分析，淺層地下水開采不是該地區(qū)地面沉降的主要因素[8]。

1—淺層地下水位等值線(m)；2—2004—2016年地面累積沉降量等值線(mm)圖4 淺層地下水等水位線與地面沉降量圖

3.1.2 中深層地下水開采

(1)地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)特征

中深層地下水開采：區(qū)內(nèi)中深層淡水主要分布于廣饒縣陳官鄉(xiāng)臥佛莊—丁莊鄉(xiāng)丁屋—廣北農(nóng)場(chǎng)一線以南，集中開采區(qū)主要有廣饒縣經(jīng)開區(qū)、大王鎮(zhèn)和稻莊鎮(zhèn)，全縣近年來中深層地下水開采量在2000萬m3/a左右(2010—2015年)。

水位動(dòng)態(tài)：根據(jù)廣饒縣中深層地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其水位在不同地段相差較大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)年平均水位標(biāo)高及埋深見表2。

表2 廣饒縣中深層、深層地下水年平均水位和埋深(2015年度)

中深層、深層地下水水位受大氣影響極其微弱，而主要受人工開采的影響，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)年內(nèi)水位主要呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。如廣饒縣丁莊鎮(zhèn)郭王監(jiān)測(cè)井，年初月平均水位為-21.00m，年末月平均水位為-21.48m，下降了0.48m；大碼頭東燕監(jiān)測(cè)井部分時(shí)段上升，部分時(shí)段下降，可能是受周邊其他開采井的影響，但總體上還是呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，其年初和年末月平均水位分別為-48.49m和-49.86m，下降了1.37m。

地下水降落漏斗：根據(jù)廣饒縣地下水多年監(jiān)測(cè)資料，水位主要呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。如廣饒縣丁莊鎮(zhèn)郭王監(jiān)測(cè)井(J1)，建點(diǎn)初期水位標(biāo)高為-12.68m(2012年1月)，至2015年年底，下降了8.80m，平均下降速率2.20m/a(圖5)。

圖5 郭王監(jiān)測(cè)井J1地下水水位動(dòng)態(tài)曲線圖

目前集中開采的廣饒縣城北部地區(qū)已形成了超采漏斗，其中心水位埋深已達(dá)95m左右(圖6)。根據(jù)水位監(jiān)測(cè)資料，漏斗中心近10多來水位平均下降速率在2m/a以上，其他地區(qū)水位下降速率一般小于1.5m/a。

1—2004—2016年地面累積沉降量等值線(mm)；2—中深層地下水位等值線(m)圖6 中深層地下水等水位線與地面沉降量圖

(2)地下水開采與地面沉降相關(guān)性

區(qū)內(nèi)自20世紀(jì)60年代開采中深層地下水以來，地下水位埋深不斷下降，水頭不斷降低，中深層及深層地下水一直處于超采狀態(tài)[9]。從圖4可以看出，深層地下水降落漏斗中心與地面沉降中心位置一致，均處于廣饒縣城區(qū)北側(cè)一帶，且漏斗形狀和擴(kuò)展范圍也基本相似。漏斗中心水位標(biāo)高與地面標(biāo)高隨時(shí)間的變化曲線也基本相似，兩者之間存在高度的相關(guān)性[10]。結(jié)合工作區(qū)實(shí)際情況，可以看出中深層地下水的超量開采是該區(qū)域地面沉降產(chǎn)生的主要因素。

3.2 城市建設(shè)

主要包括地面建筑物、公路交通造成的地面沉降。隨著區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，建筑物越來越密集，特別是高層建筑的興建，對(duì)其下部地層持續(xù)加載，造成上部松散地層固結(jié)壓縮，引起較大范圍的地面沉降[11]。因此城市建設(shè)對(duì)地面沉降也有一定的影響。

3.3 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

廣饒縣以及黃河三角洲位于自古近紀(jì)以來的地殼長期下沉地區(qū)。1955—1988年的地面垂直形變觀測(cè)表明，在30多年內(nèi)，黃河三角洲仍以下降為主，地面沉降速率達(dá)到3～4mm/a[12]。此影響因素在廣饒縣地面沉降發(fā)展中僅占較小的比重，不是其主要因素[13]。

3.4 土的自然固結(jié)

廣饒縣全新世的地層沉積較晚，其沉積環(huán)境受黃河和海洋交互或共同影響，形成了以細(xì)顆粒為主的地層。所表現(xiàn)出的巖性以粉土最為廣泛，其次為粉質(zhì)粘土、粉砂、粘土，土的先期固結(jié)壓力較低，在自重壓力下，仍要固結(jié)壓密，必然會(huì)自然沉降。這種自然沉降與開采地下流體導(dǎo)致的地面沉降無關(guān)，是常量，但在微量沉降條件下，自然沉降量也不可忽視。

3.5 其他影響因素

其他影響因素如人類工程活動(dòng)中油氣資源的開發(fā)、地?zé)豳Y源的開發(fā)利用等。在廣饒縣地面沉降中心區(qū)域，油氣資源開發(fā)利用相較東營市其他區(qū)域要小得多，同時(shí)廣饒縣目前僅有4眼地?zé)峋?，且因出水量較小基本處于停采狀態(tài)，因此也不是區(qū)內(nèi)地面沉降的主要影響因素[14]。

4 地面沉降預(yù)測(cè)

4.1 地面沉降模型

運(yùn)用一維太沙基固結(jié)理論中的有效應(yīng)力原理近似地解釋開采地下水所引起的地面沉降演變過程，這是目前學(xué)術(shù)界普遍應(yīng)用的一種理論[15]。廣饒縣中深層地下水集中抽水面積較大，區(qū)內(nèi)100～700mm深度內(nèi)地層結(jié)構(gòu)以粘性土為主，砂性土僅占10%～15%左右，多年來由于大量開采深層地下水，使地層內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓而壓縮，從而造成地面沉降。該次按照Terzaghi一維固結(jié)模型[16]進(jìn)行沉降量估算。

(1)按一維固結(jié)理論的總應(yīng)力法計(jì)算土層最終變形量：

式中：S∞—土層最終變形量(mm)；av—壓縮系數(shù)(kPa-1)；eo—初始孔隙比；△p—水位變化施加于土層的附加荷載(kPa)；H—計(jì)算土層厚度(mm)；△h—t1-t2時(shí)刻含水層的水位變幅(m)；rw—水的重度(kN/m3)。

(2)預(yù)測(cè)某時(shí)刻土層隨時(shí)間變化的變形量：

St=S∞*U

式中：St—某時(shí)刻t土層的變形量(mm)；U—固結(jié)度(%)；N—時(shí)間因素，無量綱；t—時(shí)間(月)；K—滲透系數(shù)(cm/s)；h—最大排水距離(mm)；Cv—固結(jié)系數(shù)(cm2/s)。

4.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)廣饒縣城區(qū)工程地質(zhì)孔實(shí)測(cè)壓縮層參數(shù)值，以2016年初為基準(zhǔn)年，沉降中心地下水位下降速率按2.0m/a計(jì)算，則10年后，沉降中心廣饒縣城區(qū)北YD10點(diǎn)處地面沉降新增總量為674mm(表4)。

表4 地面沉降預(yù)測(cè)

5 結(jié)論

自2004年廣饒縣開始地面沉降監(jiān)測(cè)以來，中心沉降區(qū)(YD10)累積沉降量已超過1.5m，且沉降速率沒有減緩的趨勢(shì)，根據(jù)綜合分析認(rèn)為，其主要原因是區(qū)內(nèi)中深層地下水的超量開采。按照漏斗中心水位下降速率1.0m/a預(yù)測(cè)，沉降中心10年后新增沉降量在674mm。而目前沉降中心中深層地下水年降速達(dá)到了2.0m/a，因此應(yīng)嚴(yán)格管控區(qū)內(nèi)地下水的開發(fā)利用，多渠道引進(jìn)水源及研究切實(shí)可行的地下水回灌方案，以防止地面沉降進(jìn)一步加劇。