地面沉降臨界水位研究

■褚立峰 郝志林 曹頤 李曉明

（1河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院河北石家莊050021；2河北省地礦局第一地質(zhì)大隊河北邯鄲056001）

地面沉降臨界水位研究

■褚立峰1郝志林2曹頤1李曉明1

（1河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院河北石家莊050021；2河北省地礦局第一地質(zhì)大隊河北邯鄲056001）

地面沉降不等同于地面沉降災(zāi)害，實際上輕微的地面沉降不會引起災(zāi)害或不會引起明顯的災(zāi)害。只有地面沉降快速下降才會引起地面沉降災(zāi)害。地面沉降快速下降期間必然對應(yīng)一個確定的地下水位，這個水位稱為地面沉降的臨界水位。通過對地面沉降臨界水位的研究可以對那些尚未發(fā)生地面沉降災(zāi)害的地區(qū)起到預(yù)警作用。此外可以為政府部門提供科學(xué)的決策依據(jù)，使之充分合理地利用地下水資源，達到控制地面沉降成災(zāi)的目的。

地面沉降 臨界水位 危害

地面沉降是指由于自然因素或人類工程活動引發(fā)的地下松散巖層固結(jié)壓縮并導(dǎo)致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象，是一種緩變性地質(zhì)災(zāi)害。地面沉降一直是困擾我國中、東部許多城市建設(shè)和發(fā)展的地質(zhì)災(zāi)害，由于極端干旱天氣和城市規(guī)模的迅速擴大，許多地區(qū)長期過量開采地下水，導(dǎo)致地面沉降的范圍不斷擴大。地面沉降造成地基下沉、房屋開裂、路基加厚，井臺抬升、管道變形，供水供氣設(shè)施受到影響，河床下沉，防洪排澇能力降低，城市內(nèi)澇積水，加劇了地裂縫、風(fēng)暴潮災(zāi)害，地面高程資料大范圍失效。此外，地面沉降對于高層建筑、高速鐵路、南水北調(diào)等國家重要建設(shè)工程威脅尤其嚴(yán)重。給國民經(jīng)濟造成巨大的損失，已成為影響我國區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

1 地面沉降臨界水位的研究意義

地面沉降不等同于地面沉降災(zāi)害，實際上輕微的地面沉降不會引起災(zāi)害或不會引起明顯的災(zāi)害。只有地面沉降快速下降才會引起地面沉降災(zāi)害。地面沉降快速下降期間必然對應(yīng)一個確定的地下水位，這個水位稱為地面沉降的臨界水位，也可稱為地面沉降致災(zāi)水位。即地下水開采不超過該水位，地面沉降不會引起明顯下沉，如果超過該臨界水位將引起地面沉降快速下沉。所以對地面沉降臨界水位的研究對地面沉降的防治起到重要的指導(dǎo)意義。

2 研究區(qū)地面沉降現(xiàn)狀

滄州市研究區(qū)位于河北省東部，東臨渤海、南與山東省及衡水市交界，北依天津，西與保定市相連。地理座標(biāo)為北緯37°28′～38°57′，東經(jīng)115°42′～117°51′，東西長187km，南北寬165km，總面積14056km2。滄州市開采深層地下水始于上世紀(jì)六十年代，1971年開始發(fā)生地面沉降，當(dāng)時本市城區(qū)地面沉降量只有9mm。其后隨著深層地下水開采量的不斷增大，地面沉降速率也隨之加快。1997年之前，地面沉降速率總體上呈現(xiàn)螺旋式增長，之后，隨著滄州市地下水限采措施的逐步實施，地面沉降速率開始逐步降低。

目前在滄州區(qū)域已形成滄州市區(qū)、任丘、河間、獻縣、肅寧、東光共6個地面沉降中心。滄州市區(qū)沉降中心年平均地面沉降量已由2001年的69mm降至2014年的14mm。滄州市沉降中心2005年中心沉降量為2457mm；至2009年沉降量達2580mm，累計沉降量大于2000mm的區(qū)域9.31km2，累計沉降量1000～2000mm的面積約為1130.4km2，市區(qū)及滄縣區(qū)域內(nèi)西北部累計沉降量大，沉降范圍廣，東南部累計沉降量小，沉降量變化較大，由東南往西北，沉降范圍呈扇狀分布。2010年累計沉降量達2602mm，沉降速率22mm/a。2014年累計沉降量達2690mm，沉降速率14mm/a，其中累計沉降量大于2000mm的區(qū)域83.28km2，累計沉降量1000～2000mm的面積約為 3066.56km2，累計沉降量小于 1000mm的區(qū)域10906.16km2。在地面沉降中心沉降速率減小的同時，滄州市周圍地區(qū)地面沉降速率仍然較大，滄州南部泊頭、南皮、東光一些區(qū)域地面沉降速率超過了100mm/a，地面沉降嚴(yán)重區(qū)域在逐步轉(zhuǎn)移。

3 地面沉降與地下水位的關(guān)系

經(jīng)過對滄州市歷年地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)分析，并對沉降速率、累計沉降量與水位變幅、水位埋深的關(guān)系對比研究發(fā)現(xiàn)，地面沉降速率基本隨著地下水水位的變化而變化，水位下降地面沉降速率增加，水位回彈地面沉降速率減小，但地面沉降速率的變化要滯后于水位的變化；滄州市1980年以前地面沉降速率相對較小，這一階段水位埋深在70m以淺，1980年第三含水組承壓水水位埋深達到了70m，地面沉降出現(xiàn)快速發(fā)展，這說明地面沉降主要受水位變化的制約，水位下降越快地面沉降速率越大，反之，地面沉降速率越小。

4 地面沉降與臨界水位的關(guān)系研究

臨界水位系指不引起或不明顯引起地面沉降的極限水位。開采地下水引起的水位下降超過這一極根值，就要引起地面沉降，超值越大沉降越嚴(yán)重；否則，將不引起或不明顯引起地面沉降。不同地區(qū)由于地層巖性、分布及厚度的不同，各地的地面沉降臨界水位有所不同，現(xiàn)以滄州市為例闡述地面沉降臨界水位的問題。以水位埋深（m）為縱坐標(biāo)，以沉降量（mm）為橫坐標(biāo)繪出滄州市地下水埋深與地面沉降量關(guān)系曲線（圖略），根據(jù)曲線上各點及曲線的變化態(tài)勢分析，曲線可分為三個變化時段：

（1）當(dāng)水位降深<50m時，地面沉降速率處于緩慢變化階段，即隨著地下水位降深增加，沉降量緩慢增加，水位每下降1m，地面相應(yīng)沉降2.30mm，說明水位降深<50m時，超靜孔隙水壓力減少量、土層厚度及上覆壓力變化均較小，土層應(yīng)力變化后的壓縮量較小。

（2）水位降深在50m～70m時地面沉降呈現(xiàn)明顯增加趨勢，隨地下水位下降地面沉降變化量明顯大于前一階段，水位每下降1m，地面相應(yīng)沉降9.28mm，說明50m水位降深應(yīng)是一個警戒水位降深值，超過這一值，隨降深的不斷增加累計沉降量將加速增大；

（3）當(dāng)水位降深大于70m時，地面沉降呈快速增加趨勢。水位埋深達到70m時，水位每下降1m，地面相應(yīng)沉降17.56mm，之后隨著水位持續(xù)下降，地面沉降日趨嚴(yán)重，地面沉降呈指數(shù)趨勢增加，直到后期水位出現(xiàn)一定恢復(fù)，地面沉降快速發(fā)展的趨勢才能得以減緩，通過曲線分析，70m降深應(yīng)該是一個限制降深(止采)值，是臨界水位值，超過它將產(chǎn)生嚴(yán)重的沉降后果。

（4）在地面沉降量與地下水水位埋深曲線變化的后期，由于外部條件的變化，地下水開采量減小，水位不再延續(xù)下降的趨勢，出現(xiàn)恢復(fù)，而粘性土地層壓縮具有塑性變形的特征，具有一定的滯后效應(yīng)，加之受區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景條件的影響，沉降仍在發(fā)展，但發(fā)展速率快速減小。

5 結(jié)束語

地面沉降是一種累進性地質(zhì)災(zāi)害，一旦形成就很難逆轉(zhuǎn)。因此對于地面沉降的治理應(yīng)以預(yù)防為主。通過對地面沉降臨界水位的研究可以對那些尚未發(fā)生地面沉降災(zāi)害的地區(qū)起到預(yù)警作用。此外可以為政府部門提供科學(xué)的決策依據(jù)，使之充分合理地利用地下水資源，達到控制地面沉降成災(zāi)的目的。

[1]河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北省地面沉降調(diào)查報告，2015年3月.

P642.26[文獻碼]B

1000-405X（2016）-5-59-1