超采地下水引發(fā)的區(qū)域地面沉降動態(tài)風險評估及區(qū)劃研究

鐘 卓

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

超采地下水引發(fā)的地面沉降災害已成為地區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素，如何從風險方面為決策者提供支持，實現(xiàn)災害防治從被動應對向主動防御轉(zhuǎn)變，是地面沉降防治研究領域的新課題[1]。目前對地面沉降地質(zhì)災害風險評價分類主要有危險性、易損性、破壞損失、風險性評價等。羅元華等[2]、王國良[3]分別對地面沉降危險性分級標準進行了探討；劉會平等[4]采用模糊數(shù)學層次分析法和相應的指標體系，并在GIS技術和基礎地理信息數(shù)據(jù)庫的支持下對廣州市地面沉降危險性進行了評價；Ki-Dong Kim[5]等運用GIS技術評估了廢棄地下煤礦的地面沉降危害性；魏風華[6]進行了河北省唐山市地面沉降危險性區(qū)劃和地面沉降物質(zhì)財富風險區(qū)劃研究；胡蓓蓓等[7]從危險性評價、易損性評價及防災減災能力三方面對天津市濱海地區(qū)、郊區(qū)分別進行了地面沉降風險評估與區(qū)劃。綜合分析國內(nèi)目前的研究現(xiàn)狀[8- 15]，危險性評價是地面沉降風險評估的難點，而在現(xiàn)有文獻中進行危險性評價時選擇指標無統(tǒng)一標準和規(guī)則，這為評價結(jié)果帶來很多困擾。另外，現(xiàn)有的風險評估都是靜態(tài)的，只能描述某一個時間點或者相對較短時間的風險情況，對地面沉降在特定環(huán)境下的演變趨勢不能評估，即動態(tài)風險評估。關于地面沉降的動態(tài)風險評估尚未見有關的研究文獻。危險性評價指標的選擇根據(jù)不一，有些選擇地質(zhì)條件指標、有些選擇沉降結(jié)果作為指標，這些都是片面的，不能很好的反映地面沉降的特點。單一化的評價模型使得具有諸多不確定性因素的模型結(jié)果可靠性偏低，不能提供給決策者合乎實際問題的理論依據(jù)。此外，靜態(tài)的風險評估已不能滿足社會可持續(xù)發(fā)展的需求，需對風險進行預測，實現(xiàn)地面沉降風險的動態(tài)評估，從而使地面沉降防治由被動防御轉(zhuǎn)化為積極應對。

1 研究思路

本文將立足于危險性、易損性進行區(qū)域地面沉降風險評估的思想體系，借助相應的數(shù)學方法及信息處理技術，針對前人研究中存在的不足，對地面沉降的形成機理做系統(tǒng)分析，從而構(gòu)建反映沉降特點的危險性評價指標體系，并綜合各評價方法的優(yōu)缺點，選擇建立適合研究區(qū)實際沉降情況的評價模型，這一評價體系可為超采地下水為主的地面沉降風險評估提供借鑒。同時，為滿足長期科學化防治地面沉降，嘗試對地面沉降風險進行預測，給決策者提供動態(tài)的沉降特征數(shù)據(jù)。

1.1 危險性評價

1.1.1評價指標篩選

根據(jù)地面沉降成因及機理分析，對地面沉降誘發(fā)因素通過敏感性分析等方法進行篩選，選擇能真實反映沉降特點的因子作為危險性評價指標。危險性評價指標體系及指標權重見表1。

表1 危險性評價指標體系及指標權重

1.1.2沉降滯時研究

地面沉降是有一定滯后性的，是在地下水開采一段時間后才會發(fā)生的，需要對地面沉降滯時進行研究，以此確定反映當前的地面沉降的地下水開采強度(作為地面沉降的直接外力因素)，保證危險性評價結(jié)果的準確性。

1.1.3指標權重確定

對區(qū)域地面沉降危險性評價指標權重的計算是比較關鍵的部分，常用的方法有層次分析法、主成分分析法、灰色系統(tǒng)分析法等，在所選研究區(qū)的危險性評價中根據(jù)實際指標情況進行篩選，提出較適合的方法。

1.1.4評價模型

目前常用的風險評價方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型、信息量法、模糊綜合評判法、敏感因子模型、定性分析推理等，比較這些方法的優(yōu)缺點，綜合某幾種方法，揚長避短，構(gòu)建反映地面沉降特征的危險性評價模型。

1.1.5危險性評價

在確定評價指標及權重的基礎上，結(jié)合相應的危險性評價模型，借助GIS空間分析方法，分析和預測研究區(qū)某時段內(nèi)產(chǎn)生地面沉降的可能性。

1.2 易損性評價

在充分調(diào)查研究區(qū)內(nèi)地面沉降受災體的種類、數(shù)量和社會經(jīng)濟條件的基礎上，劃分受災體類型、調(diào)查統(tǒng)計各類受災數(shù)量及分布情況、分析各種受災體遭受的破壞程度及其價值損失率，建立研究區(qū)地面沉降易損性評價指標體系，采用相應的方法確定指標權重，基于GIS進行易損性評價。易損性評價指標體系及指標權重見表2。

表2 易損性評價指標體系及指標權重

1.3 綜合風險動態(tài)評估

靜態(tài)的綜合風險評估已不能滿足社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要，必須對風險進行預測，實現(xiàn)風險的動態(tài)評估。在上述綜合風險評估的基礎上，采用相關的動態(tài)評價方法(如投影尋蹤聚類法、可拓物元法、馬爾科夫法、信息熵法或幾種方法的結(jié)合)進行研究區(qū)地面沉降風險動態(tài)評估。本文采用加權綜合評價分析方法對超采地下水區(qū)的地面沉降綜合風險進行動態(tài)評估。計算方程為：

(1)

式中，Vj—不同區(qū)域地面沉降綜合風險評估值；W—評價指標的權重；i—危險性和易損性評估指標；Dij—不同區(qū)域的第i指標的歸一化指數(shù)；n—評價指標的總數(shù)。

2 動態(tài)風險評估指標的量化

按照不同風險等級，結(jié)合各影響因素和評價指標對地下水超采地區(qū)的動態(tài)風險評估指標體系進行構(gòu)建，并對各指標的分類標準進行劃分，見表3。

表3 地面沉降動態(tài)風險評估指標體系及指標分類標準

3 本溪地區(qū)超采地下水風險動態(tài)風險評估分析

3.1 區(qū)域概況

以遼東本溪地區(qū)為研究實例，本溪地區(qū)各區(qū)域地下水埋深在0.4～7.6m之間，全區(qū)河流沿岸均分布第四紀地層，孔隙潛水為主要地下水存儲類型，土層縱向分布依次為棕壤、砂壤或者礫石，主要土質(zhì)為第四紀沉積物。本區(qū)地下水埋深變幅總體在0.3～5.5m之間，地下水埋深變化受區(qū)域年際降水影響程度較大。近些年來，隨著城市化發(fā)展水平的不斷提高，區(qū)域地下水開采量也逐年增加，由于本溪地區(qū)地處遼寧的山丘區(qū)，地質(zhì)條件十分復雜，地下水的開采對其地面沉降影響十分明顯，從2010年開始，本溪地區(qū)在最嚴格的水資源管理制度下，嚴控地下水開采量，并增加地面沉降監(jiān)測點和地下水監(jiān)測站點，為合理規(guī)劃區(qū)域地下水開采量，尤其是對地下水超采區(qū)地面沉降進行風險評估，開展對區(qū)域地下水開采區(qū)地面沉降風險進行動態(tài)評估研究。本溪地區(qū)地下水監(jiān)測站點及地面沉降監(jiān)測點分布如圖1所示。

圖1 本溪地區(qū)地下水監(jiān)測站點及地面沉降監(jiān)測點分布

3.2 地下水及地面沉降量變化分析

結(jié)合本溪地區(qū)不同區(qū)域地下水埋深監(jiān)測數(shù)據(jù)，對各分區(qū)1959—2019年地下水埋深變化趨勢進行分析，并基于各分區(qū)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對各分區(qū)1979—2019年地面沉降進行趨勢分析，結(jié)果分別如圖2—3所示。

圖2 本溪不同區(qū)域1959—2019年地下水埋深變化趨勢

圖3 本溪不同區(qū)域1979—2019年地面沉降量變化趨勢

從本溪地區(qū)地下水埋深變化可看出，各區(qū)域地下水埋深均呈現(xiàn)遞減變化，其中東部和南部屬于地下水埋深較大的區(qū)域，而西部和北部地下水埋深相對較小，從年代際變化可看出，2000年后各區(qū)域地下水埋深變幅在0.6～3.5m之間逐步變化，尤其是西部和北部區(qū)域，地下水埋深的遞減幅度高于東部和南部區(qū)域，這主要是因為本溪東部和南部降水量要偏多于北部和西部，地下水埋深補充量也相應較高，使得其埋深總體變幅要低于西部和北部。從各區(qū)域地面沉降變化可看出，各區(qū)域地面沉降變化總體變化趨勢和地下水埋深變化較為相似，除南部外，其他區(qū)域地面沉降均呈現(xiàn)遞增變化，尤其是在2000年以后，地面沉降變幅較大，總體在60～120mm之間變化，從各區(qū)域地面沉降變化可看出，本溪山丘地帶的地面沉降變幅最大，而南部相對較小。

3.3 風險評估指標權重及歸一化指數(shù)計算

采用層次分析方法對地面沉降風險指標權重進行設置并對各影響因子的歸一化指數(shù)進行分析，結(jié)果見表4—5。

表4 本溪地區(qū)各分區(qū)地面沉降評估指標權重設置結(jié)果

表5 本溪地區(qū)各分區(qū)地面沉降評估指標歸一化指數(shù)計算結(jié)果

從權重分析結(jié)果可看出，對于地下水開采區(qū)地面沉降危險性影響因素而言，地面沉降累積量的影響權重最大，各區(qū)域權重在0.61～0.67之間，地下水開采強度的影響權重最小，在0.13～0.18之間，對于易損性而言，人口分布比例影響權重最大，在0.31～0.37之間，地下水超采比重影響權重最小，在0.24～0.28之間，從歸一化指數(shù)分析結(jié)果可看出，各指標的歸一化指數(shù)和其權重相關度不高，主要因為指標的歸一化指數(shù)是是考慮到地面沉降的綜合影響，進行的標準化處理，因此和各指標的權重相關度較小。

圖4 不同地下水開采強度下本溪地區(qū)地面沉降風險綜合評估結(jié)果

3.4 不同開采量下區(qū)域地面沉降風險動態(tài)評估結(jié)果

對不同地下水開采強度下的地面沉降風險進行了動態(tài)評估，評估結(jié)果如圖4所示。

從分析結(jié)果可看出，隨著地下水開采強度的動態(tài)變化，區(qū)域地面沉降綜合風險也呈現(xiàn)較為明顯的動態(tài)變化，隨著地下水開采強度的增加，中風險和較高風險的區(qū)域逐步外擴，當?shù)叵滤_采強度為3×104m3/(km2·a)時，低風險和較低風險的區(qū)域面積所占比例在45%左右，高風險區(qū)域主要集中在本溪地區(qū)的南部區(qū)域，所占面積比例為6%，而隨著地下水開采強度的增加，低風險的區(qū)域有所減少，而中等風險的區(qū)域呈現(xiàn)明顯增加變化，且從北向南，發(fā)生地面沉降的風險不斷增大，當?shù)叵滤_采強度達到10×104m3/(km2·a)時，從圖4中可看出，本溪地區(qū)地下水開采強度的高風險區(qū)域主要分布在西南部一帶，這一帶區(qū)域高風險沉降面積比例達到15%左右。

3.5 不同地下水超采比重下地面沉降風險動態(tài)評估結(jié)果

對不同地下水開采比重下的地面沉降進行了動態(tài)風險的綜合評估，評估結(jié)果如圖5所示。

從不同地下水超采比重下的地面沉降動態(tài)風險評估結(jié)果可看出，隨著地下水超采比重的加大，區(qū)域地面沉降的高風險分布區(qū)域較為集中，主要分布在西南和東部一帶，這一帶區(qū)域由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)原因，發(fā)生地面沉降的風險比例最大，經(jīng)過統(tǒng)計分析，當?shù)叵滤杀戎卦?5%～20%之間時，這一區(qū)域發(fā)生地面沉降高風險的概率在30%～50%之間，因此需要注意這些區(qū)域地下水開采比重的合理規(guī)劃。從圖5中還可看出，隨著地下水超采比重的逐步增加，北部山區(qū)發(fā)生地面沉降的風險較為集中，因為這一區(qū)域地下水埋深一般較高，且山體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，因此發(fā)生地面沉降的風險也相對較小。

圖5 不用地下水超采比重下的本溪地區(qū)地面沉降風險評估結(jié)果

圖6 不同地下水超采比重下的本溪地區(qū)地面沉降速率分析結(jié)果

3.6 不同地下水超采比重下地面沉降速率分析結(jié)果

考慮到地面沉降速率對區(qū)域地下水開采合理規(guī)劃的重要性，對本溪地區(qū)不同地下水超采比重下的地面沉降速率進行了動態(tài)分析，分析結(jié)果如圖6所示。

從分析結(jié)果可看出，不同地下水超采比重下地面沉降的速率和地面沉降動態(tài)風險評估結(jié)果較為一致，地面沉降風險較高的區(qū)域，其地面沉降的速率也相對較大，這一區(qū)域地面沉降的速率可達到55mm/a以上，部分區(qū)域地面沉降的速率高于65mm/a以上，這一區(qū)域建議進行合理的地下水開采保護，以降低地面沉降速率，保護區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境，而對于地面沉降速率在0～40mm/a的地面沉降風險相對較低的區(qū)域，可以合理的進行地下水的開采，但也需要加強對地下水開采區(qū)地面沉降的動態(tài)監(jiān)測頻次。對于地面沉降速率在40～55mm/a的區(qū)域，建議將區(qū)域的地下水超采比重嚴格控制在5%以下，從而降低這一區(qū)域地面沉降的速率和發(fā)生地面沉降的風險概率。

4 防患策略分析

4.1 通過回灌地下水來逐步抬升發(fā)生沉降的地面高度

對于地面沉降高風險地區(qū)，可通過地下水回灌措施逐步抬升地面沉降的高度，通過補充地下水，對由于地下水壓力引起的土層顆粒彈性變化，通過逐步的回灌地下水，使得區(qū)域土層地面的高度逐步回彈，并可對地面沉降產(chǎn)生一定的阻止作用。

4.2 加大區(qū)域地表水的調(diào)水力度

充分發(fā)揮區(qū)域調(diào)水工程的作用，加大調(diào)水量，補充缺水地區(qū)的用水量，從而改善區(qū)域地下水開采量，降低區(qū)域地下水超采的比重，重點調(diào)節(jié)高風險地區(qū)的地下水開采使用量。

4.3 加大環(huán)境成本經(jīng)濟政策的力度措施

對地面沉降中高風險地區(qū)應加大環(huán)境成本經(jīng)濟政策的力度措施，對于地下水開采的受益方，需要進行地下水資源費、地面沉降損失費以及開采成本的合理測算，并向用水戶收取全額費用，此外還需要通過制定相關法律來嚴格控制地下水的開采。

4.4 加強區(qū)域地下水的監(jiān)督和管理

加強對于區(qū)域地下水埋深以及區(qū)域地面沉降監(jiān)測的頻率和力度，使得地下水埋深數(shù)據(jù)和地面沉降的數(shù)據(jù)進行實時動態(tài)更新，對區(qū)域地下水管理體制進行補充和完善，加強區(qū)域地下水開采的監(jiān)督和有效管理，尤其是針對地下水超采比重較高的區(qū)域，需要嚴格落實地下水保護措施，壓實各級主體管理單位的責任，通過法律法規(guī)有效保護地下水資源，降低區(qū)域地面沉降的風險度。

5 結(jié)語

在地下水超采區(qū)地面沉降動態(tài)風險評估對危險性評價時，建議將地面沉降累積量權重設置在0.6～0.65之間，在易損性評價時，將地下水超采比重權重設置在0.24～0.28之間。

本溪地區(qū)地下水超采地面沉降的高風險主要分布在平山區(qū)及明山區(qū)，兩個區(qū)域地面沉降的速率均在在55～65mm/a之間，建議兩個區(qū)域?qū)㈤_采強度嚴格控制在3×104m3/km2以下，并適當通過回歸地下水來逐步抬升區(qū)域地面高度。

本文構(gòu)建的地面沉降的動態(tài)風險評估未能考慮地質(zhì)條件指標的影響，在今后的研究中還需要針對區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)，設置對應的地質(zhì)條件指標進行分析。