天津地下水長期開發(fā)地區(qū)地面沉降特征

張姣姣，牛文明，呂瀟文，柳玉潔，李兆楠

（天津市地質環(huán)境監(jiān)測總站，天津 300191）

地面沉降是天津平原區(qū)最主要的地質災害，地面沉降災害具有形成時間長、影響范圍廣、防治難度大、難以恢復等特點，威脅著城市安全以及軌道交通、水利工程等，已成為影響天津市可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

引起地面沉降的因素可分為自然因素和人為因素，其中人為因素中地下水超采對地面沉降貢獻最大[1-5]。天津平原區(qū)地下水基本上都處于超采狀態(tài)，水位普遍下降。西青區(qū)位于天津中心城區(qū)西南部，多年來地下水開采量較大，已引起嚴重的地面沉降。本文將對分層標多年監(jiān)測數(shù)據以及水位長觀數(shù)據進行分析，闡述西青區(qū)地面沉降特征。

1 地質條件概況

天津市屬華北地層大區(qū)冀魯豫地層區(qū)的華北平原分區(qū)。地層由老到新主要有中新元古界長城系、薊縣系和青白口系，下古生界寒武系、奧陶系，上古生界石炭系、二疊系，中生界侏羅系、白堊系，新生界的古近、新近系和第四系。本文涉及的地層有新近系上新統(tǒng)和第四系，地層特征見表1。

2 區(qū)域地面沉降背景

天津市地面沉降現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于1923年，到1985年，天津平原區(qū)地面沉降災害已十分嚴重。從1986年開始，天津市開始集中治理地面沉降，逐漸壓縮中心城區(qū)和濱海新區(qū)各城區(qū)地下水開采量，地面沉降逐漸減小。中心城區(qū)平均地面沉降由86 mm/a減至2016年的18 mm/a；塘沽平均沉降量由100 mm/a減至2016年的16 mm/a。隨著區(qū)縣經濟的發(fā)展，城市建設區(qū)逐漸擴大，中心城區(qū)周邊地下水開采量逐漸增大，沉降中心向東麗區(qū)、津南區(qū)、西青區(qū)、北辰區(qū)轉移。西青辛口鎮(zhèn)地區(qū)1985年至今累計沉降量已超過1600 mm（圖1）。

表1 地層及含水組劃分Table 1 Divided of stratigraphic and aquifer

2017年天津市平均沉降量24 mm，西青區(qū)平均沉降量30 mm，比2016年減少5 mm，區(qū)內西北部、中部、東南部地區(qū)沉降量較大。

3 地下水開采與水位降落漏斗

2016年西青區(qū)地下水開采量1 584萬m3，其中農業(yè)灌溉用水1 095.94萬m3，占總開采量的69.2%；城鎮(zhèn)生活用水32.92萬m3，占總開采量的2.1%；工業(yè)用水205.5萬m3，占總開采量的12.9%；林牧漁副業(yè)用水和生態(tài)用水分別為161.05萬m3和89.28萬m3，占總開采量的10.2%和5.6%。其中農業(yè)灌溉用水占較大比重，其次為工業(yè)用水[6]。

圖1 1985-2015年辛口鎮(zhèn)地區(qū)累計沉降量等值線圖Fig.1 Accumulated settlement equivalent chart of Xinkou in 1985-2015

地下水位降落漏斗是指過量開采地下水引起水位下降，形成區(qū)域性漏斗狀凹面。本次研究用等水位線來圈定漏斗分布，第Ⅱ含水組地下水位降落漏斗按水位埋深大于50 m計算，第Ⅲ含水組按水位埋深大于60 m計算，第Ⅳ含水組按水位埋深大于70 m計算。地下水持續(xù)開發(fā)利用，地下水位已呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域下降，第Ⅲ含水組與第Ⅳ含水組水位下降漏斗已在天津西南部地區(qū)連片分布，基本覆蓋西青區(qū)全部范圍[6]。

4 地面沉降特征

4.1 分層標監(jiān)測

分層標是埋設在不同深度松散土層中的地面水準觀測標志。分層標監(jiān)測是天津市地面沉降監(jiān)測網的重要組成部分，用來監(jiān)測不同深度土層的變形情況，監(jiān)測精度可達0.01 mm。西青分層標組位于辛口鎮(zhèn)，始建于2003年，最大監(jiān)測深度566 m（表2）。標組包括地面標1個、分層標7個、水位長觀孔4個，目前此分層標組已納入天津市地面沉降水準監(jiān)測控制網，進行聯(lián)測。

表2 西青分層標分層情況Table 2 Layering of layerwise mark in Xiqing

4.2 沉降監(jiān)測數(shù)據分析

圖2是2011年至2018年西青分層標監(jiān)測深度范圍內（0-566 m）的沉降數(shù)據，雖然在2017年沉降量稍有增加，但地面沉降總體上呈減小趨勢，在2013年沉降量最大，為42.98 mm，逐漸減小到2018年的21.6 mm。從圖3的2018年分層沉降數(shù)據來看，C0-3第Ⅱ含水組以上地層沉降量較小，各層沉降量均小于2mm，C1-2第Ⅰ含水組地層出現(xiàn)了回彈；C3-5第Ⅲ含水組地層沉降6.19 mm，占總沉降量的29%；C5-6第Ⅳ含水組地層沉降10.67 mm，占總沉降量的49%；C6-7第Ⅴ含水組地層沉降2.36 mm，占總沉降量的11%?？梢姷冖蟆ⅱ艉M地層是影響西青區(qū)地面沉降的主要層位。

圖2 2011～2018年分層標沉降量Fig.2 Subsidence of layerwise mark in 2011～2018

圖3 2018年分層沉降情況Fig.3 Subsidence of different layers in 2018

4.3 水位監(jiān)測數(shù)據分析

G1、G2水位長觀孔監(jiān)測第Ⅰ含水組與第Ⅱ含水組水位動態(tài)變化特征，多年監(jiān)測情況來看，第Ⅰ含水組水位在波動中基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，第Ⅱ含水組水位有所下降，在40 m左右基本保持平穩(wěn)。對應分層標監(jiān)測層C1-3，地層壓縮很小，反映出水位的變化對地面沉降影響較?。▓D4）。

圖4 第I II含水組水位動態(tài)曲線Fig.4 Dynamic curve of groundwater level of No.1 and No.2 aquifer

G3孔監(jiān)測第Ⅲ含水組水位動態(tài)變化特征，對應分層標監(jiān)測層位為C3-5。2011年1月至2014年10月，第Ⅲ含水組持續(xù)保持低水位，水位埋深為98 m左右，相應地層持續(xù)壓縮，累計沉降量46 mm，月平均沉降量1 mm；2015年以后水位有所回升，上升幅度約10 m，但截止2016年10月，地層仍呈持續(xù)壓縮趨勢，期間累計沉降量為15 mm；2017年水位明顯回升，水位埋深為50 m左右，2017年至2018年C3-5地層累計沉降量為15.62 mm，月平均沉降量0.65 mm（圖5）。

圖5 第Ⅲ含水組沉降量與水位變化曲線Fig.5 Subsidence value and groundwater level of No.3 aquifer

G5孔對應第Ⅴ含水組水位監(jiān)測情況，2011年至2018年水位在波動中基本保持平穩(wěn)，有小幅回升趨勢（圖6），對應C6-7層位壓縮情況也相對比較平穩(wěn)，由2011年5 mm下降至2018年2.36 mm。

圖6 第V含水組水位動態(tài)曲線Fig.6 Dynamic curve of groundwater level of No.5 aquifer

5 分層沉降原因討論

隨著地下水的開采，地下水位下降，地層由于附加應力增加而壓縮，表現(xiàn)為地面沉降。以往對西青區(qū)C6孔黏性土做了前期固結壓力試驗，地層埋深180 m以淺，前期固結壓力Pc值基本在自重應力線P0兩側擺動，表現(xiàn)為地層正常固結，此類地層中如果存在地下水開采，地下水位下降便會引起地面沉降；地層埋深180～400 m，前期固結壓力Pc值普遍大于自重應力P0值，表現(xiàn)為超固結，埋深400 m以下超固結程度更加明顯[7-9]（圖7），此類地層附加荷載超過Pc-P0時才會發(fā)生地面沉降。

西青區(qū)埋深180 m以淺地層對應為第I含水組與第Ⅱ含水組，此二含水組鮮被開發(fā)利用，地層基本上保持了原有應力狀態(tài)，地面沉降程度相對較輕，不是主要的沉降層位；埋深180 m以下為深部第Ⅲ ⅣV含水組，第ⅢⅣ含水組已經過多年開發(fā)利用，第Ⅲ含水組2016年水位埋深已達約90 m，對應地層沉降量相對較大。

第Ⅲ、Ⅳ含水組地層持續(xù)壓縮可以用臨界水位來解釋，臨界水位是指不引起或不明顯引起地面沉降的極限水位。開采地下水，存在超固結的層位，水位埋深超過臨界水位便會引起地面沉降[10]。以往根據地層固結特征計算得出西青辛口鎮(zhèn)地區(qū)第Ⅲ含水組臨界水位為50-60 m[11]，而多年長觀水位監(jiān)測該組水位在2011年已接近100 m，到2015年水位回升后仍在90 m左右，遠遠深于該組臨界水位，期間地層持續(xù)壓縮，引發(fā)地面沉降；2017年長觀地下水位回升至臨界水位，但地層壓縮未立即停止，只是速率有所減緩，這是由于本層黏性土厚度較大，而黏性土變形有一定的滯后效應[12-14]，地面沉降將持續(xù)較長一段時間。

圖7 西青Pc隨深度變化圖Fig.7 The relationship between Pc and depth in Xiqing

圖8 辛口鎮(zhèn)地區(qū)第Ⅲ含水組水位埋深圖Fig.8 Depth of groundwater level of No.3 aquifer in Xinkou

第Ⅳ含水組在本組分層標無長觀水位監(jiān)測，但從區(qū)域水位埋深情況來看，辛口鎮(zhèn)地區(qū)水位埋深90-100 m，而第Ⅳ含水組臨界水位為40-50 m，并且結合黏性土物理力學性質，如埋深346 m的黏土含水量為35.5%，孔隙比0.989[15]，在持續(xù)超采地下水的條件下，此類土層較其他低含水量、低孔隙比的層位更易壓縮，產生地面沉降。

圖9 辛口鎮(zhèn)地區(qū)第Ⅳ含水組水位埋深圖Fig.9 Depth of groundwater level of No.4 aquifer in Xinkou

6 結論及建議

（1）根據2011年至2018年分層標監(jiān)測資料得出西青區(qū)地面沉降形勢逐漸減緩，第Ⅲ、Ⅳ含水組地層是影響西青區(qū)地面沉降的主要層位。

（2）第Ⅰ、Ⅱ含水組在西青區(qū)基本未開發(fā)利用，水位基本保持平穩(wěn)，地層處于原始應力狀態(tài)，沉降量相對較??；第Ⅲ含水組近2011-2016年持續(xù)開發(fā)利用，水位埋深接近100 m，遠遠超過該層臨界水位，對應地層持續(xù)壓縮沉降；2017年水位回升至臨界水位以上時，由于黏性土變形的滯后效應，地面沉降速率減緩，部分時間段地面沉降基本停止；第Ⅳ含水組地下水持續(xù)開發(fā)，水位埋深低于該層臨界水位，且此層黏性土具有較高的含水量和孔隙比，地下水持續(xù)超采產生的沉降量較大；第Ⅴ含水組水位基本平穩(wěn)，有小幅回升，對應地層勻速小幅沉降。

（3）辛口鎮(zhèn)地區(qū)地面沉降受地下水開采影響大，應對本地區(qū)和周邊地區(qū)深層地下水開采進行嚴格控制，利用臨界水位合理開發(fā)地下水；加快建立地面沉降監(jiān)測預警系統(tǒng)，提升地面沉降監(jiān)測長效監(jiān)管水平。