亳州市地面沉降成因分析與防治對(duì)策

辛洪光 朱虎 辛翌龍

引言

亳州市位于華北平原南端的安徽省淮北平原的西北部，東部、西部和北部均與河南省接壤，是三國(guó)曹操故里，為國(guó)家級(jí)歷史名城，具“酒鄉(xiāng)”和“藥都”的美譽(yù)。隨著國(guó)家的改革開放和國(guó)民經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，亳州的城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市居住人口迅速增長(zhǎng)，城市工業(yè)用水和城市居民生活飲用水需求量逐年增加。2004年，亳州市工業(yè)級(jí)居民生活用水總開采量為7.8萬(wàn)m3/d，其中對(duì)深層地下水的開采量達(dá)5.05萬(wàn)m3/d。集中和超采地下水，必然引起下伏松散地層的壓密（縮）變形，引發(fā)地面沉降，導(dǎo)致城市地質(zhì)災(zāi)害，其南部的阜陽(yáng)市就曾發(fā)生過類似的地面沉降（圖1、圖2）。

本文旨在對(duì)亳州市地下水開采條件、開采歷史和地面沉降發(fā)展過程進(jìn)行分析和回顧，指出引起地面沉降的主要因素，提出具有針對(duì)性的地面沉降控制與防治對(duì)策。

研究區(qū)自然地理、地質(zhì)條件及水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件概況

（一）氣象、水文條件

1.氣象

亳州市地處暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，光照充足，氣候溫和，雨量適中，常年平均氣溫14.1℃，最高氣溫40.5℃，最低氣溫-22.3℃。1953年至2003年，亳州市年平均降水量為808.08mm，有效降水量為686.87mm，年最大降水量為1472.1mm（1963年），年最小降水量為472.7mm（1978年）；降水多集中在6月、7月、8月3個(gè)月，占全年降水量的57%，冬季降水量占全年降水量的6%。1954至2003年平均蒸發(fā)量1668.8mm。

圖1 地下水超采引起的墻體開裂

2.水文

區(qū)內(nèi)地表水系不甚發(fā)育，一級(jí)支流有渦河，屬于淮河水系，另發(fā)育有二、三級(jí)支流4條，貫穿研究區(qū),它們分別為南北向宋湯河、龍鳳新河和近東西向的急三道河、趙王河，常年有水；一般溝渠不甚發(fā)育，多已半干涸。大氣降水是其主要補(bǔ)給來源，河流水位、流量的變化與大氣降水密切相關(guān)。

（二）地形地貌

本區(qū)屬淮北平原的一部分，地形平坦，自西北向東南傾斜，地面標(biāo)高34～37m，自然坡降約1/8000，呈微波狀起伏。地貌成因類型為堆積地形，為晚新生代以來河流泛濫而形成的堆積物。本區(qū)可分為河流沖擊泛濫微高地和河流沖擊泛濫坡平地，其中河流沖擊泛濫坡平地主要分布于河流間；另外還分布著一些微地貌，如河漫灘、自然堤和淺平洼地等。

（三）地層與構(gòu)造

圖2 地下水超采引起的水泥路面開裂

本區(qū)屬華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)中的淮北地層小區(qū)。第四系覆蓋全區(qū)，除下元古界、中元古界、下古生界志留系、上古生界泥盆系及中生界侏羅系缺失外，其余地層均有不同程度的發(fā)育。

地下水開采層位主要為第四系和上第三系上新統(tǒng)明化鎮(zhèn)上段（圖3），供水井深度一般不大于450m。

本區(qū)位于淮北陷褶斷帶（Ⅱ11）內(nèi)的亳州穹褶束（Ⅱ11-1）中南部，自晚白堊世末以來，受阜陽(yáng)深大斷裂影響發(fā)生劇烈沉陷；其基底為寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)灰?guī)r，褶皺斷裂發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜。

（四）水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件

1.水文地質(zhì)條件

亳州市位于淮北平原水文地質(zhì)區(qū)的西北部，地表地勢(shì)平坦，自晚第三紀(jì)以來，沉積了巨厚層的上第三系和第四系松散堆積物。本區(qū)開采的地下水主要是埋深小于450m松散巖類的孔隙水。據(jù)地下水的埋藏條件、水動(dòng)力特征以及地下水與大氣降水、地表水水力聯(lián)系強(qiáng)弱等特征，將松散巖類孔隙含水巖組劃分為淺部含水層組、深部含水層組和中部弱透（含）水層組。

圖3 地層剖面圖

（1）淺部含水層組

主要分布于亳州市城區(qū)及其外圍，砂層發(fā)育較好，向南、向西漸變薄，顆粒變細(xì)，該層組底界埋深約50m，呈現(xiàn)南薄北厚的特點(diǎn)，主要含水砂層的底界埋深一般不超過35m。該層組由第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及少部分中更新統(tǒng)松散層組成，垂向上巖性表現(xiàn)為上細(xì)下粗或粗細(xì)相間的二元或多元結(jié)構(gòu)，區(qū)內(nèi)發(fā)育1～3層，累計(jì)厚度17～40m。

砂層分布受古河道控制，沿古河道主流帶，砂層厚度大，巖性以細(xì)砂、中砂為主，而古河道泛流帶砂層厚度變薄或尖滅，巖性以粉砂為主。含水層底板平均埋深在50m左右。古河道主流分布區(qū)，單井涌水量在1000～3000m3/d，泛流區(qū)單井涌水量在500～1000m3/d；淺部含水層水位埋深在1～4m。

淺層工程地質(zhì)含水巖組由第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)上不松散沉積物組成；巖性主要為中細(xì)沙、粉砂及粉質(zhì)黏土、黏土組成，地層新，時(shí)代晚，孔隙度、含水量高，易變形，屬于高—中壓縮性軟土工程地質(zhì)層組。

（2）中部弱含水層組

位于淺部與深部之間，厚度109～145m。該層組以黏性土為主，在上部、下部分別夾有1～2層薄層或透鏡狀的粉細(xì)砂，平面上南薄北厚，局部?jī)H為50m厚，含水量微小，無(wú)供水意義。本層位以中更新統(tǒng)下部、下更新統(tǒng)上部的黏性土為主，砂性土占比僅為2%～3%。

（3）深部含水層組

本層組主要由第三系黏性土和含水砂層組成。頂板埋深191～211m，單層砂層厚度4～20m，最大53m，累計(jì)砂層厚度46.5～118.15m，平均95m左右。該層組富含承壓水，水量豐富，是亳州市主要供水開采層位。巖性主要為灰綠色、淺棕黃色粉質(zhì)黏土，黏土與中砂、細(xì)砂互層；局部含有粉砂、中粗砂；水位埋深26～34m，水位標(biāo)高17～2m；單井涌水量1000～3000m3/d，滲透系數(shù)K為8～12m/d，導(dǎo)水系數(shù)900～1200m2/d。

該層組內(nèi)砂層較松散，含水豐富；黏性土多為中—低壓縮性土，其工程地質(zhì)性較好。

亳州市城區(qū)深層地下水開采狀況

亳州市地處安徽省西北部平泛區(qū)，前身為亳縣，隸屬于阜陽(yáng)市。20世紀(jì)80年代末撤縣設(shè)市，后又改為省級(jí)市。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市居民不斷增加，對(duì)地下水的開采量也逐年增加（表1）。據(jù)其開采量變化情況，可大致分為下面幾個(gè)階段：

第一階段：20世紀(jì)80年代前，經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，大型企業(yè)較少，地表水環(huán)境較好，就連古井酒廠也只有淺層地下水水井1眼。人們以開采淺層地下水為主。據(jù)1978年亳縣縣委大院內(nèi)施工的水文地質(zhì)孔抽水試驗(yàn)資料表明，當(dāng)時(shí)深層地下水水頭高出地面，出現(xiàn)自流。亳縣水廠也多為淺層地下水開采井，深層地下水區(qū)域上少有開采，流場(chǎng)基本處于天然徑流狀態(tài)。

第二階段：1982年至1989年，由于農(nóng)業(yè)上農(nóng)藥的普遍使用，使人們對(duì)淺層地下水的水質(zhì)問題產(chǎn)生擔(dān)憂。亳縣自來水廠在老城區(qū)施工了3口250m左右的深層供水井，以保證縣城區(qū)生活飲用水的供給，其開采量?jī)H為6312m3/d，1988年又增加了2口深水井，開采量達(dá)到了9468m3/d。

表1 亳州市城市深層地下水開采量統(tǒng)計(jì)表

第三階段：1990年至1995年，隨著城市人口增長(zhǎng)和新建企業(yè)的入駐，城市供水水源井和企業(yè)生產(chǎn)自備井的數(shù)量不斷增加。亳州市深層地下水的開采量也由1990年的14564m3/d逐年增加到1995年的27486m3/d。

第四階段：1996年至2004年，在老城區(qū)水源地周邊和井距相隔較遠(yuǎn)區(qū)域不斷增加深層地下水開采井?dāng)?shù)量，強(qiáng)行擴(kuò)大開采量，但水量仍供不應(yīng)求，為此委托了安徽省地礦局三一二地質(zhì)隊(duì)進(jìn)行了城南水源地的勘查評(píng)價(jià)，新建了城南二水廠。2004年，城南水源地由于管網(wǎng)等原因，僅投入2眼水井并網(wǎng)供水。

第五階段：2005年至2007年，城南水源地深井投入使用，2005年4眼，2007年10眼，此時(shí)開采量已達(dá)95860m3/d。

第六階段：2008年至今，在此期間，渦北三水廠和渦北水源地水源井投入使用，3年間先后增加了44口深水井，2011年亳州市城市深層地下水開采量已達(dá)128950m3/d，后又對(duì)城南水源地?cái)U(kuò)大探采，增加淺層和深層地下水，開采量達(dá)到15萬(wàn)m3/d。深層地下水遭受嚴(yán)重超采，降落漏斗不斷擴(kuò)展。據(jù)初步估測(cè)，亳州市目前地下水日開采量在35萬(wàn)m3左右，深層地下水開采量在19萬(wàn)m3/d；降落漏斗面積已大于4000km2，其中心水頭埋深現(xiàn)已下降至80m左右。

地面沉降分析

（一）地面沉降形成機(jī)理

亳州市坐落于巨厚層松散堆積物之上。長(zhǎng)期超量開采地下水，尤其是深層地下水，造成承壓水頭不斷下降，降落漏斗不斷擴(kuò)大。其下伏黏性土層為中—低壓縮性，在水頭壓力差作用下，黏性土層發(fā)生越流或者壓密釋水，本身測(cè)壓水頭降低，土體垂直受到壓縮；而砂性含水層，由于其水頭減小而彈性釋水，含水層內(nèi)原本由承壓水頭承擔(dān)的那部分上覆荷載（應(yīng)力）就轉(zhuǎn)嫁到含水層砂礫間，致使含水層內(nèi)部砂礫間的有效壓力增大，含水層垂向上受到壓密。降落漏斗范圍內(nèi)，各黏性土和含水砂層的壓縮量之和，即是反映在地表（垂直投影）的沉降量。

亳州市地面沉降的主要誘發(fā)因素是長(zhǎng)期超強(qiáng)度開采地下水（尤其是深層地下水），物質(zhì)基礎(chǔ)是城市下覆發(fā)育一套可壓縮的松散沉積物；次要影響因素是城市建筑物的荷載增加。

（二）地面沉降的特征

由于亳州市深層地下水含水層埋深較大，中間弱透水層較厚，一般為109～145m，故其在發(fā)生時(shí)間和沉降強(qiáng)度上均有自己的特點(diǎn)，歸納起來如下：

1.地面沉降量與深層地下承壓水開采量呈明顯的正相關(guān)，且呈線性相關(guān)關(guān)系。

2.地面沉降中心與深層地下水開采漏斗中心近似重合，兩等值線形態(tài)高度一致。

3.沉降發(fā)生時(shí)間比降落漏斗形成時(shí)間滯后，中間的弱透水層越厚，滯后時(shí)間越長(zhǎng)。

4.由于深部含水層埋藏深、中間弱透水層組厚度大，地面沉降具滯后性、緩變性和區(qū)域性等特征。常表現(xiàn)為地面整體下降緩慢，多為塑性變形；其對(duì)城市管道工程、水利工程和建筑物未造成明顯的剪切破壞。

（三）地面沉降歷史與現(xiàn)狀分析（預(yù)測(cè)）

根據(jù)亳州市深層地下水的開采歷史來看，20世紀(jì)90年代初，由于不科學(xué)集中開采深部地下水，地面沉降就已經(jīng)存在，但沒有引起有關(guān)部門的重視。直到2003年11月，在城南水源地（二水廠）勘查過程中，我們對(duì)亳州市地面沉降進(jìn)行了二等水準(zhǔn)、三等水準(zhǔn)的測(cè)量，才有地面沉降的具體數(shù)據(jù)（圖4、圖5）。

圖4 地面沉降等值線（mm）（2003年11月）

地面沉降防治對(duì)策

亳州市的地面沉降的主要誘因是地下水的大量開采，尤其是深層地下水水井分布集中、開采量過大。因此，要防治其地面沉降，就是要控制和減少地下水開采強(qiáng)度。具體措施歸納如下：

（一）分散開采

保證合理的深水井井距，關(guān)閉或者減少城區(qū)深水井，向城外布置。通過群孔抽水試驗(yàn)可知，深水井井距不得小于1000m，最好為1600m，這樣就可控制深部含水層單位面積上的開采強(qiáng)度和地面沉降幅度（小于10mm/a）。

（二）控制深層地下水開采量

嚴(yán)格控制深層地下水開采量，增加淺層地下水開采量予以補(bǔ)充。深層地下水的天然補(bǔ)給區(qū)為河南（北）桐柏山區(qū)，補(bǔ)給與徑流途徑遠(yuǎn)，被開采后補(bǔ)給、恢復(fù)慢，且周邊區(qū)域（鄰區(qū)）均在開采地下水；淺層地下水可直接接受大氣降水和地表水體的入滲補(bǔ)給，其調(diào)節(jié)作用強(qiáng)，開采后容易得到快速補(bǔ)給。天然入滲補(bǔ)給量作為調(diào)儲(chǔ)資源量來規(guī)劃、布置淺層地下水的開采方案，避免與農(nóng)業(yè)、生產(chǎn)用水發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)，統(tǒng)籌考慮兩者的關(guān)系。

（三）提倡分功能取水用水和節(jié)約用水

建議廠礦企業(yè)的生產(chǎn)用水多用淺層地下水或凈化后處理的地表水，深層地下水用于保障城市居民生活，提倡一水多用，節(jié)約用水，發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

圖5 深層地下水等水頭線（m）（2003年11月）

（四）尋找替代水源

尋找和增加地表水資源供水量，有序遞減地下水開采量，尤其是深層地下水，使其水頭逐漸處于恢復(fù)上升狀態(tài)，以期達(dá)到控制亳州市地面沉降的發(fā)展趨勢(shì)。

結(jié)論

亳州市位于淮北松散平原上，下伏為巨厚的松散沉積物堆積層，由于長(zhǎng)期大量開采地下水資源，尤其是深層地下水的集中超量開采，是引起亳州市地面沉降的主要誘因，且隨著開采量不斷增加，城區(qū)沉降量也在逐漸增大。

因此，合理調(diào)配水資源比例，減少和控制深層地下水開采強(qiáng)度和開采量，增加淺層地下水資源量的開采配比，尋找新的地表水資源進(jìn)行補(bǔ)充和替代，就成為控制亳州市地面沉降的必選之措。希望政府和相關(guān)部門予以高度重視，統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市地質(zhì)環(huán)境協(xié)調(diào)，著力于城市短期和中長(zhǎng)期供水方案的科學(xué)規(guī)劃、落實(shí)，使亳州市地面沉降加速發(fā)展的勢(shì)頭得到有效遏制。必要時(shí)對(duì)亳州市地面沉降問題可進(jìn)行專題研究；同時(shí)，應(yīng)對(duì)基巖標(biāo)、分層沉降標(biāo)和分層測(cè)壓水頭等進(jìn)行系統(tǒng)的觀測(cè)，探尋其發(fā)生和發(fā)展變化規(guī)律，為亳州市地面沉降災(zāi)害的防治、城市發(fā)展規(guī)劃的制訂和政府部門的決策提供服務(wù)。