江蘇鹽城地面沉降風(fēng)險評價

顧晟彥，姚維軍，徐明鉆，王 丹

(江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇 南京 210008)

0 引言

地面沉降是地下水主采區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害，由于超采和開采布局不合理等因素，地下水位逐年下降，形成局部或區(qū)域性降落漏斗，地面沉降問題也隨之而來。此外，隨著城市擴(kuò)建和重大工程的增加，工程荷載造成的地面沉降也日趨嚴(yán)重。江蘇省鹽城市作為典型區(qū)域，地面沉降危害嚴(yán)重。多位學(xué)者對該區(qū)地面沉降進(jìn)行了分析研究，如許乃政等[1]、龔習(xí)煒等[2]對江蘇沿海地區(qū)的地面沉降現(xiàn)象及其危害進(jìn)行了闡述，董山等[3]、盧毅等[4]對鹽城及其周邊地面沉降計算和監(jiān)測方法進(jìn)行了研究。而對地面沉降風(fēng)險評價研究較少，地面沉降風(fēng)險評價在國內(nèi)外已有多位學(xué)者開展研究，HUANG B J等[5]總結(jié)了利用野外觀測和ArcGIS空間建模對地下水過度開采引起的地面沉降進(jìn)行危險風(fēng)險評估的方法，JULIO-MIRANDA P等[6]對墨西哥圣路易斯地區(qū)地面沉降風(fēng)險要素進(jìn)行論述并開展了風(fēng)險評價，劉德成等[7]、段梅[8]、胡喜梅等[9]分別對北京通州地區(qū)、廣東珠海-坦洲地區(qū)以及江蘇沿海地區(qū)開展了地面沉降風(fēng)險評價。

為了有效的降低研究區(qū)地面沉降造成的危害，本文以鹽城地區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)和地面沉降現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，分析了區(qū)內(nèi)地面沉降的機(jī)理和影響因素；以MapGIS為基礎(chǔ)平臺，利用層次分析-綜合指數(shù)法進(jìn)行地面沉降風(fēng)險評價，為城市規(guī)劃及防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)；并在詳細(xì)調(diào)查鹽城地區(qū)防治現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了符合鹽城實(shí)際切實(shí)可行的改進(jìn)措施和建議，為鹽城地面沉降防控管理積累經(jīng)驗(yàn)。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 自然地理

研究區(qū)地處我國東部沿海地帶，總面積約16 972 km2。區(qū)內(nèi)人口密集，經(jīng)濟(jì)、交通發(fā)達(dá)，河渠縱橫、水網(wǎng)密布，灘涂資源豐富。

1.2 地貌地質(zhì)

研究區(qū)地貌均為平原，地面高程除鹽城—阜寧一線斷續(xù)分布的古砂堤及廢黃河高漫灘標(biāo)高大于4 m外，一般在1.6～2.4 m。本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造基本格局主要形成于燕山晚期—喜馬拉雅早期的拉伸運(yùn)動，持續(xù)、緩慢、不均勻的沉降活動導(dǎo)致區(qū)內(nèi)現(xiàn)今厚度百至數(shù)千米的第四紀(jì)與新近紀(jì)沉積物大面積覆蓋，多為淤泥、淤泥質(zhì)亞黏土、亞黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、亞砂土等組成的一套多層狀結(jié)構(gòu)的松散沉積物。隨著近年來工程建設(shè)、圍海造陸等活動的快速發(fā)展，人工填土分布范圍劇增，區(qū)內(nèi)分布著大量高壓縮性、高含水量和低承載力的軟土和人工填土組成的軟弱類土，故本區(qū)土體穩(wěn)定性很差。

1.3 水文地質(zhì)

研究區(qū)可分為長江下游、淮河流域、沂沭泗三個地下水系統(tǒng)，大部分地區(qū)自上而下發(fā)育潛水和第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ、第Ⅴ承壓含水層(組)。由于歷史上多次海侵海退[10-11]，加上局部海水倒灌的影響，地表水和淺層地下水(潛水、第Ⅰ承壓含水層)水質(zhì)較差，深層地下水大部分水質(zhì)優(yōu)良，其中第Ⅱ、第Ⅲ和第Ⅳ承壓含水層是研究區(qū)當(dāng)前地下水主采層，由于多年不斷超量開采，導(dǎo)致深層地下水水位明顯下降，出現(xiàn)了水位降落漏斗并引發(fā)了地面沉降問題，并且由于內(nèi)陸地區(qū)的水位低于濱海地區(qū)，面臨著海水入侵和淺層咸水越流污染的風(fēng)險[12-13]。

2 地面沉降現(xiàn)狀與影響因素

2.1 地下水開采歷史和地面沉降現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代末至今，鹽城地區(qū)地下水的開發(fā)利用大致可分為地下水開發(fā)利用初級階段、城市地下水開采階段、城市地下水超采階段、區(qū)域地下水超采階段、區(qū)域地下水控制開采階段及區(qū)域地下水壓縮開采階段6個階段[14-15]。期間由于不合理地開采地下水，使得承壓水頭下降，引起含水砂層的壓密和頂?shù)装屦ば酝翆庸探Y(jié)，進(jìn)而導(dǎo)致大面積地面沉降的發(fā)生[9]。后期隨著《江蘇省地下水超采區(qū)劃分方案》、《鹽城市地下水壓采方案》的陸續(xù)啟動，鹽城市正式進(jìn)入禁采、壓采階段，地下水年開采總量逐年下降，主采層水位均有所回升[16]，地面沉降速率明顯減緩，但受滯后效應(yīng)、部分地區(qū)開采依舊強(qiáng)烈及工程荷載等因素影響，地面沉降仍在繼續(xù)。

截至到2016年全市累計地面沉降量均大于100 mm，其中累計地面沉降量大于200 mm的區(qū)域面積為10 812 km2，約占鹽城市總面積的63.86%，形成多個地面沉降漏斗區(qū)(圖1)。

圖1 1985—2016年累計地面沉降量與2016年水位降落漏斗分布圖Fig.1 Cumulative land subsidence volume from 1985 to 2016 and distribution of water level drop funnel in 2016

2016年鹽城市發(fā)生地面沉降的區(qū)域?yàn)? 041.8 km2，約占鹽城市總面積的一半，其中地面沉降速率超過20 mm/a的地區(qū)主要分布在北部的射陽縣城區(qū)、阜寧縣城區(qū)、濱?？h城區(qū)、濱海港鎮(zhèn)、響水縣城區(qū)、陳家港鎮(zhèn)以及東南部的大豐港(圖2)，而鹽城市區(qū)這個歷史上的沉降重災(zāi)區(qū)，由于措施得力，沉降速率已明顯減緩。

圖2 2016年地面沉降速率Fig.2 Rate of land subsidence in 2016

2.2 地面沉降影響因素

地面沉降是自然因素或/和人為因素作用下形成的一定區(qū)域范圍內(nèi)地面標(biāo)高損失。造成地面沉降的原因很多，天然因素有新構(gòu)造活動的構(gòu)造沉降，近期沉積的欠固結(jié)土層的壓密；人為因素有過量開采地下水、油氣，以及工程建筑引起的土體變形等[17]。對比鹽城累計地面沉降量與水位降落漏斗發(fā)現(xiàn)，有多個沉降中心與區(qū)域單一水位降落漏斗或多層復(fù)合水位降落漏斗區(qū)基本一致(圖1)，如射陽、響水等地，清楚反映了鹽城北部、中北部地區(qū)地面沉降的發(fā)生在時空上與地下水開采密切相關(guān)。這充分說明過量開采地下水是造成這一地區(qū)地面沉降的最主要原因。此外，城市擴(kuò)建和重大工程建設(shè)增加軟土地基的地表載荷也是造成地面沉降重要因素[18]，如鹽城市區(qū)、大豐港。

3 地面沉降風(fēng)險評價

地面沉降風(fēng)險是一定空間尺度內(nèi)的地面沉降災(zāi)害所造成社會經(jīng)濟(jì)危害的大小及其可能性[19]，主要包括地面沉降發(fā)生的可能性(危險性)和造成的后果(易損性)兩個方面。其核心研究內(nèi)容涉及風(fēng)險識別、風(fēng)險估算、風(fēng)險評價和風(fēng)險決策四個階段(圖3)。其中風(fēng)險識別是估算和評價的前提，主要包括地面沉降的形成機(jī)理、地質(zhì)條件、空間差異性、地面沉降現(xiàn)狀以及受體損失識別，并初步選擇參與評價的風(fēng)險因子；風(fēng)險估算是風(fēng)險產(chǎn)生概率和由此帶來的損失程度的預(yù)估，最終選定參與評價的風(fēng)險因子；風(fēng)險評價是風(fēng)險管理的核心，通過構(gòu)建評價模型進(jìn)行空間上的地面沉降風(fēng)險定量化[19]；風(fēng)險決策指為規(guī)避和降低風(fēng)險所采取的各種處理措施、防控方案及規(guī)劃建議等。

圖3 地面沉降風(fēng)險系統(tǒng)要素構(gòu)成關(guān)系示意圖Fig.3 Model of risk evaluation on land subsidence

3.1 地面沉降風(fēng)險評價模型

考慮到不同地區(qū)環(huán)境承載力的不同，地面沉降風(fēng)險性是相對的，需要綜合考慮到地質(zhì)條件和社會影響兩方面，因此地面沉降評價指標(biāo)應(yīng)相互獨(dú)立，又具有一定的隸屬關(guān)系，需要建立綜合模型方法來進(jìn)行定量化處理[19]。本次地面沉降風(fēng)險評價選取荷蘭學(xué)者VAN Westen[20-21]提出的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價綜合模型：風(fēng)險(R)=危險性(H)×易損性(V)。目前國內(nèi)外有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害評價方面的研究中常采用層次分析法、模糊綜合評判法、專家評分法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、概率統(tǒng)計法等[22]。這些評價方法都從不同方面反映了地質(zhì)災(zāi)害危險性及其影響因素的不確定性，其中層次分析法由于能把復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維進(jìn)行層次化，把決策過程中定性和定量的因素有機(jī)結(jié)合起來，廣泛應(yīng)用于目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)情況下的分析與決策，尤其對于一些難以全部量化處理的復(fù)雜問題，能得到比較滿意的決策結(jié)構(gòu)。研究利用MapGIS為載體的層次分析-綜合指數(shù)法分別進(jìn)行危險性和易損性評價，主要步驟為：選擇評價因子→構(gòu)建多層次模型并確定單因子等級→結(jié)合資料和專家評分給因子賦值→通過層次分析法確定因子權(quán)重→通過綜合指數(shù)法確定危險度和易損度→選擇MapGIS的空間分析功能進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加并分區(qū)成圖。

3.2 危險性評價

危險性評價是地面沉降災(zāi)害研究的基本內(nèi)容，地面沉降的危險性取決于其產(chǎn)生機(jī)理和發(fā)育環(huán)境，主要包括風(fēng)險來源的自然因素(構(gòu)造條件、第四系地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、水土物理力學(xué)性質(zhì)、海平面上升速度等)、人為因素(地下水開采強(qiáng)度、水位變化速率、工程活動程度等)和地面沉降情況(規(guī)模、發(fā)生概率、發(fā)展速率)等[17,23]。許多研究成果表明，地面沉降是一個非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，只有在分析和預(yù)測模型中選取與沉降發(fā)生具有顯著影響作用的誘發(fā)因子，才會獲得較好的預(yù)測結(jié)果[18]，筆者根據(jù)前述的沉降機(jī)理和影響因素，對諸多評價指標(biāo)進(jìn)行篩選，最終確定以累計地面沉降量、地面沉降速率、軟土層厚度、主要開采層(即第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承壓含水層)厚度和地下水開發(fā)利用程度作為危險性評價的5項(xiàng)指標(biāo)。

3.3 易損性評價

地面沉降易損性是指受災(zāi)體遭受地面沉降破壞機(jī)會的多少與發(fā)生損毀的難易程度，主要反映地面沉降可能對當(dāng)?shù)孛癖娚?、財產(chǎn)造成威脅和破壞的程度，通常以受災(zāi)體所在地的社會、經(jīng)濟(jì)方面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)或?qū)崪y數(shù)據(jù)為依據(jù)[19,24]。一般來說，單位面積 GDP是國民經(jīng)濟(jì)最直接的反映，通常GDP越大的地區(qū)，其地面沉降易損性越大[9]；人口密度與災(zāi)害危害程度密切相關(guān)，人口密度越大的區(qū)域地面沉降易損性越高；此外由于研究區(qū)全區(qū)地勢低洼，臨海且水系發(fā)達(dá)，由于高程喪失而衍生或加劇的潮災(zāi)、澇災(zāi)等對社會經(jīng)濟(jì)活動的影響十分嚴(yán)重，也應(yīng)將其納入易損性評價體系，地面高程越低地面沉降易損性越高。為了方便統(tǒng)計，采用單位面積 GDP比重[縣(市、區(qū))單位面積 GDP/全省單位面積 GDP]來衡量各縣(市、區(qū))單位面積 GDP情況，采用人口密度比重[縣(市、區(qū))人口密度/全省人口密度]來衡量各縣(市、區(qū))人口密度情況。綜上所述，最終選定單位面積GDP比重、人口密度比重和地面高程作為易損性評價的3項(xiàng)指標(biāo)。

3.4 評價指標(biāo)體系建立及權(quán)重確定

3.4.1危險性評價

通過界定各因子對地面沉降產(chǎn)生影響的作用方式、范圍以及作用強(qiáng)度的空間分布特征，確定各因子對地面沉降危險性的貢獻(xiàn)大小，進(jìn)行歸類和分級處理，把評價系統(tǒng)分成評價要素和評價因子兩個層次，分別進(jìn)行量化打分，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(表1)，然后進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害綜合評價。計算方法如下：

(1)

式中：H——危險性綜合指數(shù)值；

aij——該評價單元中i評價要素中j評價因子的權(quán)重；

bij——i評價要素中j評價因子的性狀數(shù)據(jù)取值(分值)；

n——評價要素總數(shù)；

m——該評價單元中i評價要素中的評價因子總數(shù)。

表1 危險性評價指標(biāo)量化評分Table 1 Quantification of susceptibility evaluation indexes

利用MapGIS中的空間分析功能進(jìn)行危險性指數(shù)的權(quán)重線性疊加計算，獲取定量化的危險性，并將其分為高危險區(qū)、中危險區(qū)和低危險區(qū)(圖4)。根據(jù)危險性評價結(jié)果，高危險區(qū)主要分布在鹽城北部的濱海-阜寧-響水-射陽縣城、陳家港、濱海港等，這與上述地區(qū)大量建工廠，過量抽取地下水的現(xiàn)狀相符，鹽城市區(qū)和大豐港口高危險區(qū)則更多與高層建筑密集建設(shè)相關(guān)。低危險區(qū)則主要分布在地下水資源相對豐富的南部和地下水開采較少的西部、沿海等地區(qū)。

圖4 地面沉降危險性分區(qū)圖Fig.4 Hazard zoning diagram of land subsidence

3.4.2易損性評價

采用貢獻(xiàn)權(quán)重法確定各指標(biāo)的權(quán)重，通過綜合指數(shù)法來定量化計算各個評價因子相應(yīng)等級的分值與權(quán)重乘積之和(表2)，對地面沉降易損性進(jìn)行評價。綜合指數(shù)法計算公式如下：

(2)

式中：V——易損性綜合指數(shù)值；

ai——評價因子的分值；

bi——評價因子的權(quán)重；

n——評價因子的個數(shù)。

計算方法同危險性，將鹽城地區(qū)分為高易損區(qū)、中易損區(qū)和低易損區(qū)(圖5)。根據(jù)易損性評價結(jié)果可知，高易損區(qū)主要集中在鹽城城區(qū)和中西部里下河低洼地區(qū)，這與市區(qū)是人口密集、政治經(jīng)濟(jì)中心以及里下河低洼地區(qū)洪澇災(zāi)害頻發(fā)的事實(shí)相符；低易損區(qū)則主要分布在人口密度較低、地勢較高的鹽城南部和古砂堤及廢黃河高漫灘等地區(qū)。

表2 易損性評價指標(biāo)量化評分Table 2 Quantification of vulnerability evaluation indexes

圖5 地面沉降易損性分區(qū)圖Fig.5 Vulnerability zoning diagram of land subsidence

3.4.3地面沉降風(fēng)險綜合評價結(jié)果

利用 MapGIS中的空間分析功能，結(jié)合風(fēng)險模型，將地面沉降危險性和易損性疊代運(yùn)算，將地面沉降風(fēng)險級別劃分為高風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū) 3個等級(圖6)。其中高風(fēng)險區(qū)面積1 546.68 km2，占研究區(qū)總面積的9.14%，主要分布在鹽城城區(qū)、響水-濱海-阜寧-射陽縣城周邊、陳家港、濱海港等地；中風(fēng)險區(qū)基本圍繞著高風(fēng)險區(qū)分布，集中在鹽城中部和北部的大部分地區(qū)，面積10 222.12 km2，占總面積的60.38%；低風(fēng)險區(qū)面積5 162.21 km2，占總面積的30.49%，主要分布在鹽城南部、古砂堤及廢黃河高漫灘等地區(qū)。

圖6 鹽城市地面沉降風(fēng)險評價圖Fig.6 Risk zoning map of land subsidence in Yancheng

4 地面沉降風(fēng)險防治建議

4.1 地面沉降防治現(xiàn)狀

近年來鹽城市對地面沉降問題十分重視，2014年頒布《鹽城市地下水壓采方案》以來進(jìn)入全面的禁采、壓采階段，2014年、2015年、2016年分別封井114眼、370眼和323眼，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承壓水埋深持續(xù)緩慢回升，鹽城市區(qū)等部分地區(qū)的地面沉降問題已得到緩解，但北部的濱阜響射地區(qū)的地面沉降依舊嚴(yán)峻。從2012年起，鹽城市已經(jīng)開展地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)工作，已建成(含建設(shè)中)地面沉降監(jiān)測分層標(biāo)6組，光纖監(jiān)測孔4個、CORS站點(diǎn)9座、GPS監(jiān)測點(diǎn)33個和48處地下水位監(jiān)測井，并完成720.1 km的水準(zhǔn)路線網(wǎng)的構(gòu)建工作和456景InSAR監(jiān)測工作(圖6)，為鹽城地面沉降防治奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

4.2 風(fēng)險防治建議

開展地面沉降風(fēng)險評價的最終目的是為了區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展服務(wù)，因此在風(fēng)險評價的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)地面沉降類型、現(xiàn)狀和防治情況，總結(jié)防治對策與改進(jìn)措施如下：

4.2.1專業(yè)防范和治理

嚴(yán)格遵守《鹽城市地下水壓采方案》，依法管理地下水資源，嚴(yán)格控制全市尤其是地面沉降高風(fēng)險區(qū)的地下水開發(fā)利用，對北部(濱阜響射)高風(fēng)險區(qū)可采取地下水回灌措施，確保地下水采補(bǔ)平衡。合理規(guī)劃土地利用類型，鹽城市區(qū)周邊的地面沉降高風(fēng)險區(qū)應(yīng)控制高層建筑的密度及數(shù)量，合理布局城市發(fā)展規(guī)劃，并在工程建設(shè)中采取軟基加固等工程措施來降低地面沉降風(fēng)險。

4.2.2優(yōu)化監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)

鹽城地區(qū)現(xiàn)有的監(jiān)測網(wǎng)分布相對平均，南部低風(fēng)險區(qū)監(jiān)測密度略高，中北部地區(qū)尤其是高風(fēng)險區(qū)監(jiān)測密度則略顯薄弱，高、中風(fēng)險區(qū)的地下水位監(jiān)測井密度普遍偏低，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)。在鹽城主城區(qū)高風(fēng)險區(qū)增加GPS監(jiān)測標(biāo)石、分層標(biāo)等地面沉降監(jiān)測設(shè)施，在北部(濱阜響射)高風(fēng)險區(qū)增加地面沉降監(jiān)測設(shè)施和水位監(jiān)測井；并適當(dāng)提高對高、中風(fēng)險區(qū)地表高程及地下水位的監(jiān)測頻率；健全地面沉降監(jiān)測與安全預(yù)警體系，及時掌握沉降趨勢和地下水動態(tài)，為政府相關(guān)部門提供決策信息，為防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

4.2.3加強(qiáng)宣傳工作，提高防災(zāi)減災(zāi)意識

宣傳普及地面沉降災(zāi)害的危害性和防治知識，加大節(jié)水宣傳力度，提高民眾的防災(zāi)減災(zāi)意識。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)沉積了厚數(shù)百至數(shù)千米的第四紀(jì)與新近紀(jì)松散沉積物，為地面沉降的產(chǎn)生和發(fā)展提供物質(zhì)基礎(chǔ)。加之超采地下水、人類工程活動等影響，地面沉降現(xiàn)象普遍，成因類型多樣，整體風(fēng)險偏高。所以今后要實(shí)地研究地面沉降發(fā)育現(xiàn)狀、產(chǎn)生機(jī)制以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，因地制宜，分區(qū)分類制定合理的防治措施，以此加強(qiáng)鹽城地區(qū)地面沉降的抗風(fēng)險能力。

(2)采用層次分析-綜合指數(shù)法，選取與研究區(qū)地面沉降發(fā)生具有顯著影響作用的誘發(fā)因子，如累計地面沉降量、地面沉降速率、軟土層厚度、主要開采層厚度和地下水開發(fā)利用程度作為地面沉降危險性評價因子，選取單位面積GDP比重、人口密度比重和能夠體現(xiàn)鹽城低洼易澇特點(diǎn)的地面高程作為地面沉降易損性評價因子，展開綜合分析，編制地面沉降危險性和易損性分區(qū)圖，并根據(jù)沉降現(xiàn)狀、社會經(jīng)濟(jì)和自然災(zāi)害特點(diǎn)等對上述分區(qū)圖進(jìn)行有效性驗(yàn)證，分析結(jié)果與實(shí)際相符。結(jié)合風(fēng)險模型，合理劃分出鹽城市的地面沉降風(fēng)險區(qū)。

(3)在詳細(xì)調(diào)查鹽城防治現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合沉降機(jī)理和風(fēng)險評價結(jié)果，因地制宜，從預(yù)防與治理、監(jiān)測預(yù)警、宣傳等方面提出改進(jìn)措施，為今后地面沉降防治工作的進(jìn)一步深化打下了良好的基礎(chǔ)。