太原盆地地面沉降發(fā)育特征及成因分析★

趙 強 路 堯

(1.山西省地震局，山西 太原 030021； 2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

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·巖土工程·地基基礎·

太原盆地地面沉降發(fā)育特征及成因分析★

趙 強1,2路 堯1,2

(1.山西省地震局，山西 太原 030021； 2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

結合太原盆地地面沉降的發(fā)育情況，從地下水開采、粘性土分布不均、斷層構造、地面載荷等方面，分析了影響地面沉降的因素，并建立了相對完善的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡體系，以提高觀測精度，為地面沉降地裂縫防治、預測及預警提供數(shù)據(jù)支撐。

盆地，地面沉降，地下水，沉降速率

太原盆地是山西省最早發(fā)生地面沉降的地區(qū)，也是地面沉降最為嚴重的地區(qū)。山西省省府太原市位于該盆地最北端。早在20世紀50年代，太原市就開始出現(xiàn)地面沉降。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，以太原市區(qū)、晉中市榆次區(qū)等為中心城市的經(jīng)濟圈迅速形成，同時各縣以縣城為重心的縣域經(jīng)濟也逐步形成。這些地區(qū)逐步成為地下水超采區(qū)，導致了地面沉降不斷發(fā)展。至2012年，太原盆地出現(xiàn)了多個地面沉降區(qū)。

1 太原盆地地面沉降發(fā)育情況

1.1 太原市地面沉降區(qū)

該區(qū)位于太原盆地最北端，主要包括了太原市、清徐縣。該區(qū)地面沉降最早于1956年出現(xiàn)于太原市，并逐步向市區(qū)南部的小店區(qū)、晉源區(qū)發(fā)展，根據(jù)2012年地面沉降二等水準測量數(shù)據(jù)，清徐縣城西北三國城沉降中心是近年來太原市地面沉降速率最快的地區(qū)，沉降速率達7 cm/年。

太原市地面沉降區(qū)雛形始于太原市吳家堡沉降中心，后陸續(xù)出現(xiàn)了城區(qū)沉降區(qū)、北固碾沉降區(qū)、小店沉降區(qū)、清徐縣沉降區(qū)等，各沉降區(qū)逐步擴展，最終形成了一個大的沉降區(qū)。

1.2 太谷—祁縣—平遙—文水—交城縣沉降區(qū)

該區(qū)位于太原盆地中部，是太原盆地最大的一個沉降區(qū)，該區(qū)包括多個沉降漏斗中心。在20世紀70年代，榆次區(qū)開始出現(xiàn)了地面沉降，地面沉降平均速率為10 mm/年～20 mm/年。近些年來由于大力開發(fā)二疊系、三疊系碎屑巖類裂隙水，減少了對第四系松散巖類孔隙水的開采，地面沉降速率逐步減緩。太谷—祁縣—平遙—文水—交城縣沉降區(qū)最大沉降速率中心位于清徐縣與太谷交界地帶(代李青村)一帶，根據(jù)水準監(jiān)測，2010年5月～10月間沉降量達134 mm，該地區(qū)目前也是山西省斷陷盆地沉降速率最大的沉降區(qū)。

1.3 太原盆地西側邊山沉降區(qū)

該區(qū)位于太原盆地西部邊界、呂梁山前一帶，沉降區(qū)如串珠狀分布在山前地帶，自北而南有交城縣縣城以北磁窯河—瓦窯河—三角村沉降區(qū)；文水馬西至汾陽城關一線的山前沉降區(qū)，形狀似斜條形，范圍北起文水南峪口順西南而下，經(jīng)文水神堂溝、汾陽的杏花、羅城、峪道河、向陽河、禹門河至汾陽栗家莊一帶；孝義邊山沉降區(qū)，包括孝義市邊山傾斜平原區(qū)。

1.4 介休—孝義沉降區(qū)

該區(qū)位于太原盆地南端，沉降范圍主要包括介休市區(qū)以北、孝義市大孝堡—梧桐鎮(zhèn)以東、汾陽市演武鎮(zhèn)以南區(qū)域，沉降中心位于介休市與孝義市交界處。鐵道部第十二工程局1983年在介休市的義棠、義安一帶進行了水準測量，發(fā)現(xiàn)有3處水準點下降100多毫米，1985年以來一些抽水井曾多次出現(xiàn)拔井管現(xiàn)象。根據(jù)長安大學2008年—2010年INSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)，中心沉降速率大于4 cm/年。

2 太原盆地地面沉降原因分析

地面沉降成因多樣而復雜，主要包括超采地下水、土層固結、構造活動、濕陷、地面荷載增加等等。太原盆地地面沉降前人做過相關研究，尤其是太原市研究程度較高。研究認為超采地下水對太原市地面沉降貢獻值最大，是太原市地面沉降的主導因素，同時還受土層自身固結、構造活動、地面荷載等等的影響。

2.1 地下水開采的影響

太原盆地地下水按照淺層孔隙水、中深層孔隙水進行了開采強度分區(qū)，開采強度按照單位面積年開采量劃分為強開采區(qū)(>100萬m3/(km2·年))、中等開采區(qū)(50萬m3/(km2·年)～100萬m3/(km2·年))、弱開采區(qū)(<50萬m3/(km2·年))三類。

將沉降區(qū)與地下水開采強度分區(qū)進行對比可以發(fā)現(xiàn)，太原盆地幾個沉降區(qū)：太原市地面沉降區(qū)、太谷—祁縣—平遙—文水—交城縣沉降區(qū)、太原盆地西側邊山沉降區(qū)、介休—孝義沉降區(qū)均與太原盆地中深層地下水強開采區(qū)、中等開采區(qū)有一定的對應性，對應性最好的是清徐縣邊山一帶，其次是榆次—太谷—祁縣一帶及介休—孝義交界帶一帶，但是這兩處沉降區(qū)相比較強、中等開采區(qū)，均偏向盆地中心區(qū)。說明了太原盆地地面沉降成因的復雜性，受第四系含水層、第四系地層結構等因素影響制約。

2.2 第四系地層分布的影響

超采地下水是太原盆地地面沉降主導因素，在總體發(fā)展演變趨勢及總體沉降格局上，均存在很好的對應性。但是具體到每個沉降中心，發(fā)現(xiàn)其時空分布與地下水降落漏斗時空分布存在差異性，分布地區(qū)差異性非常明顯。這與第四系地層結構特點，尤其是粘性土分布特點是密切相關的。

地面沉降漏斗中心與地下水降落漏斗相比較，地面沉降漏斗中心明顯偏向粘性土厚的一側，并且在粘性土層巨厚地帶，地下水降落漏斗在前期并無地面沉降漏斗中心與之對應；太原市中南部及北部地下水水位普遍出現(xiàn)上升，但是北部地區(qū)地面沉降迅速停止并且出現(xiàn)回彈，而中南部地面沉降依然在繼續(xù)。可見，太原市地面沉降總體格局受粘性土層的分布影響嚴重，不僅影響著地面沉降量值、沉降速率，還影響著地面沉降發(fā)生的時間。

2.3 構造活動的影響

以太原市沉降區(qū)為例，西山山前斷裂是太原市西部山盆交界處主控大斷裂，基本可反映太原市斷裂活動對太原市地面沉降的影響。收集了1956年—2012年地面沉降量的數(shù)據(jù)(見表1)，分析其與西山山前斷裂的活動關聯(lián)性。

通過表1可以看出：晉祠斷裂年位移量與太原市地面沉降年均沉降量之比值位于2.0%～81.52%區(qū)間，在地面沉降量小區(qū)(靠近邊山區(qū))，該比值大，晉祠斷裂活動量貢獻非常大，在地面沉降量大區(qū)(盆地中心區(qū))，該比值非常小，晉祠斷裂活動量貢獻極小?？梢姡瑫x祠活動斷裂對太原市地面沉降無控制性作用，只是在

地面沉降量較小地區(qū)，其影響可以凸顯出來，而在沉降量大的地區(qū)，其影響微乎其微。

表1 太原市地面沉降速率與晉祠斷裂活動關聯(lián)性分析

2.4 其他影響因素

隨著近年來城市化在迅猛發(fā)展，地面荷載增加而壓密致沉作用值得重視。太原盆地尤其是市縣地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，2000年以來，城市化發(fā)展迅猛，高層建筑物的高度、密度急劇增加，荷載的增加將逐漸轉移到土體骨架上，土體骨架有效應力增加，會造成壓密釋水而出現(xiàn)地面沉降。

另外，太原市第四系地層厚一般介于150 m～500 m，向南向盆地中心厚度逐漸增加，向北向兩側厚度逐漸減小。較厚的第四系松散覆蓋層在自身重力作用下，也同樣存在釋水壓密的作用，加劇地面沉降。

3 結語

盆地內主要沉降區(qū)依然處于監(jiān)測空白區(qū)，除太原市建立了地面沉降水準監(jiān)測網(wǎng)、GPS監(jiān)測網(wǎng)及地下水監(jiān)測網(wǎng)互為補充的相對完善的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡體系，其他重點城市監(jiān)測手段單一，監(jiān)測精度較差，不能滿足需要?，F(xiàn)有的地面沉降地裂縫監(jiān)測網(wǎng)無論是從監(jiān)測范圍，還是監(jiān)測精度來講，均不能達到地面沉降地裂縫防治、預測及預警的需要，不能很好為地方經(jīng)濟建設、城市防災減災及國家重大工程建設提供依據(jù)。

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Analysis on land subsidence development characteristics and causes of Taiyuan basin★

Zhao Qiang1,2Lu Yao1,2

(1.ShanxiSeismologicalBureau,Taiyuan030021,China; 2.TaiyuanContinentalRiftDynamicsNationalFieldResearchStation,Taiyuan030025,China)

Combining with the development situation of land subsidence in Taiyuan basin, from the groundwater exploitation, cohesive soil uneven distribution, fault structure, ground load and other aspects, analyzed the factors influence of land subsidence, and established the relatively perfect land subsidence monitoring network system, in order to improve the observation accuracy, provided data support for land settlement cracks prevention and control, and forecast early warning machine.

basin, land subsidence, groundwater, sedimentation rate

1009-6825(2017)07-0041-02

2016-09-26★：中國地震局監(jiān)測、預測、科研三結合課題(2016)(課題編號：160401)；山西省地震局科研項目(SBK-1733)

趙 強(1983- )，男，工程師

P624

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