基于長期監(jiān)測的天津市地面沉降影響分析

羅立紅，白晉娬，呂瀟文，邵 興

（天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，天津 300191）

基于長期監(jiān)測的天津市地面沉降影響分析

羅立紅，白晉娬，呂瀟文，邵 興

（天津市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，天津 300191）

根據(jù)天津1950年以來的研究成果，結(jié)合長期監(jiān)測資料，首次對天津地面沉降影響因素進行量化分析。通過本次分析發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)地面沉降影響因素組成不同，即使開采同一層位地下水其引起的沉降變形量差異較大，這給地面沉降量化分析增加了難度。本次主要依據(jù)地面沉降影響因素分布，對天津市地面沉降影響因素進行分區(qū)，根據(jù)近5年來沉降速率均值又進一步分了亞區(qū)；以D2亞區(qū)為例，分析了地面沉降影響因素比例，其中500m以淺地下水及500m以深流體開采比例均較大，因此在控制該區(qū)地面沉降發(fā)展時可以對500m以淺及500m以深流體開采分別建立監(jiān)管體系。

地面沉降；影響因素；量化分析；長期監(jiān)測數(shù)據(jù)

天津于1959年發(fā)現(xiàn)地面沉降，上世紀(jì)70年代以來，天津市開始布設(shè)地面沉降監(jiān)測一等水準(zhǔn)控制網(wǎng)，到2012年天津地面沉降監(jiān)測體系已經(jīng)比較完善，主要包括水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)、GPS監(jiān)測網(wǎng)、分層標(biāo)組監(jiān)測、地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，通過這些監(jiān)測手段得出的成果基本能反映區(qū)域地面沉降災(zāi)害發(fā)展情況、垂向上不同含水組開采對應(yīng)地層變形特征、沉降中心與地下水開采漏洞對應(yīng)情況等。近年來天津地面沉降機理研究、控制地面沉降工作措施方法都有的進一步認(rèn)識與提高，然而對各類因素對地面沉降量化成果較少。國內(nèi)對地面沉降影響因素定量分析主要應(yīng)用在沒有分層標(biāo)監(jiān)測的地區(qū)，且主要分析各含水組與地面沉降的對應(yīng)關(guān)系[1]。因此本文考慮各種因素影響程度不同，主要依據(jù)長期監(jiān)測資料進行量化分析。

1 地面沉降量化分區(qū)

由于地理位置、構(gòu)造部位、地層等條件的不同，影響天津地面沉降的各因素分布具有明顯差異性。根據(jù)以往研究成果及監(jiān)測資料，結(jié)合天津目前地下流體資源開采范圍、規(guī)模和城市建設(shè)發(fā)展方向，繪制出天津市平原區(qū)近年來地面沉降影響因素分區(qū)[2]。

其中各因素分布范圍如下：

（1）構(gòu)造因素：主要分析寶坻斷裂以南區(qū)域；

（2）軟土分布：西青大寺、東麗、大港區(qū)的部分區(qū)域，津南、塘沽、漢沽所有區(qū)縣；

（3）地下水開采分布：在寶坻以南的平原區(qū)；

（4）地?zé)衢_采分布：主要集中在中心城區(qū)、濱海地區(qū)和武清楊村地區(qū)；

（5）油氣開采：主要集中在大港南部；

（6）人類工程活動：各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心均有不同程度的人類活動；大規(guī)模工程活動集中在武清楊村地區(qū)、中心城區(qū)和濱海新區(qū)。根據(jù)上述各影響因素分布情況進行影響因素的疊加分區(qū)，綜合考慮每個區(qū)人類活動強烈程度，將寶坻斷裂以南區(qū)域主要分為5個不同影響區(qū)（圖1），各區(qū)地面沉降影響因素如表1所示。

圖1 天津市地面沉降影響因素分區(qū)Fig.1 The zoning of influence factors of land subsidence schematic in Tian jin

表1 地面沉降影響因素分區(qū)Table 1 The zoning of influence factors of land subsidence

2 長期監(jiān)測資料的量化分析

根據(jù)天津地區(qū)積累的大量實測數(shù)據(jù)進行分類整理，首先對各類影響因素進行量化分析，然后結(jié)合分層標(biāo)實測資料對各區(qū)域地面沉降進行分區(qū)量化分析。

2.1 各類因素量化方法

（1）構(gòu)造活動

首先分析該區(qū)域構(gòu)造單元劃分，然后對同一構(gòu)造單元內(nèi)各點進行構(gòu)造引起沉降變形分析。主要分析方法又可分為兩大類，一類為歷史水準(zhǔn)點沉降分析，主要依據(jù)1959年以前水準(zhǔn)監(jiān)測點沉降情況；二類為沉積物同位素測齡、考古、垂直形變剖面、斷層位移測量等方法，間接反映構(gòu)造活動對地面沉降影響程度。對同一構(gòu)造單元內(nèi)各點的結(jié)果取算術(shù)平均值可作為本構(gòu)造單元因構(gòu)造活動引起的沉降變形量。在前人研究基礎(chǔ)上進行總結(jié)，將寶坻斷裂以南地區(qū)由構(gòu)造活動引起的沉降劃分為兩個區(qū)，滄縣隆起、冀中坳陷地區(qū)平均沉降為1.5mm/a，黃驊拗陷地區(qū)平均沉降為2.0mm/a。

（2）地震

地震是突發(fā)性的災(zāi)害，它是地球內(nèi)部地應(yīng)力逐漸聚集、釋放與消散的過程。在這一過程中，地應(yīng)力的變化對地面沉降的影響是存在的，有時也是嚴(yán)重的。依據(jù)唐山地震時，天津監(jiān)測資料顯示臨震和震時階段，將引起地面沉降的明顯下降，而在震后，地面沉降則明顯減緩。上述資料僅是唐山地震時，對天津地面沉降的影響，是不是普遍規(guī)律，尚無其他資料證實。

（3）欠固結(jié)軟土

濱海地區(qū)第一海相地層基本為欠固結(jié)的軟弱土層，為監(jiān)測其變形規(guī)律，在塘沽、漢沽、開發(fā)區(qū)、臨港工業(yè)區(qū)等所建設(shè)的分層標(biāo)組中，均有分層標(biāo)控制該地層的變形規(guī)律。

以軍糧城第一海相層（監(jiān)測深度4～18m）分層監(jiān)測標(biāo)資料顯示自1995年至2009年累計變形量14.55mm，平均0.97mm/a。該分層標(biāo)坐落于工廠內(nèi)，周圍建筑物較少且未見高層建筑。受工廠改造施工影響，2010年以后該分層標(biāo)房周邊有基坑開挖工程。

市區(qū)大直沽、陳塘莊分層標(biāo)組中，也埋設(shè)了控制第一海相地層的分層標(biāo)，但長期監(jiān)測資料顯示，幾十年來沒有明顯的壓縮變形，這是因為市區(qū)的第一海相層屬于正常固結(jié)地層。

（4）過量開采地下水

過量開采地下水是引起地面沉降的主要原因，這是眾所周知的，地下水具有流動性，其水位隨開采量的變化而變化，潛水還會隨季節(jié)變化，天津地區(qū)深部承壓水也存在高水位期、低水位期，且水位漏斗也處于一種動態(tài)平衡中。因此本次主要分析近5年內(nèi)的地下水與分層標(biāo)監(jiān)測資料。天津地區(qū)截至2012年已建成分層標(biāo)12組。依據(jù)分層標(biāo)的監(jiān)測資料，結(jié)合與分層標(biāo)對應(yīng)的長觀孔水位情況，計算各含水組不同的水位動態(tài)下地層的單位變形量（即各含水組地層每米每年的變形量），從而區(qū)分同一層位不同區(qū)域沉降變形。

根據(jù)天津地區(qū)分層標(biāo)組監(jiān)測資料分析各含水組不同地區(qū)其單位變形量均不相同。以第Ⅱ含水組單位變形計算為例（表2），充分考慮了近年來二組、三組水位變化情況，表2顯示的地層單位變形量差異較大，同一層位開采單位變形量最大的西青區(qū)為0.12mm/m·a，市區(qū)大直沽為0.0038 mm/m·a，同樣地層厚度西青區(qū)第二含水組地層變形量為市區(qū)的31.6倍；兩分層標(biāo)位置相距20多公里，單位變形量差異較大的原因主要為地下水現(xiàn)狀開采情況及開采歷史差異性，天津市區(qū)在1985年以前經(jīng)歷了大規(guī)模超采期地層固結(jié)已基本完成因此變形量小，而西青區(qū)一直處于超采狀態(tài)。通過分層標(biāo)資料依次可以計算出第三含水組、第四含水組、第五含水組地層單位變形量，為地下水開采引起沉降計算提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

依據(jù)所計算地區(qū)各含水組的地下水位埋深變化趨勢及相鄰含水組的動態(tài)特征，就可選取相應(yīng)條件下的單位變形量。有了單位變形量的數(shù)據(jù)，結(jié)合所計算地區(qū)各含水組地層的厚度，兩者相乘既為該含水組地下水開采所引起的地面沉降量。

（5）地?zé)帷⒂蜌赓Y源開發(fā)

地?zé)?、油氣資源開采引起地面沉降問題，主要指開采孔隙型資源引起的地面沉降。對于基巖地?zé)醿娱_采對地面沉降影響很小可以忽略不計。開采孔隙型地下熱水開采量與地面沉降量耦合關(guān)系，目前研究還較少且有些問題有待于進一步證實。目前研究認(rèn)為，在短期內(nèi)開采量與地面沉降有一個線形對應(yīng)關(guān)系[3]；對長期開采條件下，還沒證實開采量與沉降量線形對應(yīng)關(guān)系的可靠性，有待深入研究。開采石油引起的沉降監(jiān)測資料較少，目前研究程度有限，其量化分析仍需大量實物工作量。

（6）人類工程活動

近年來天津地區(qū)新增大量基礎(chǔ)建設(shè)項目，如：新建高層建筑深基坑開挖、地鐵車站和區(qū)間段盾構(gòu)隧道施工、南水北調(diào)引水隧道工程和合流污水管道的施工等。工程建設(shè)具有時限性、影響范圍限定性，且隨工程建設(shè)不同階段對地面沉降影響逐漸減小。因此，對人類工程活動量化隨工程規(guī)模、建設(shè)階段、施工工藝等的不同量化值差異較大。目前主要依據(jù)水準(zhǔn)監(jiān)測方法，將建設(shè)前高程值作為基礎(chǔ)值，建設(shè)期間高程變化值為建筑物建設(shè)引起的沉降量化值。

2.2 分層標(biāo)監(jiān)測資料的分區(qū)量化分析

上述敘述了各類因素的量化分析，如果應(yīng)用到某一區(qū)域還需要進一細(xì)化。以2006～2010年平均沉降量為基礎(chǔ)，將其按影響因素剖分，剖分依據(jù)：前一節(jié)自然因素構(gòu)造、欠固結(jié)軟土在天津地區(qū)基本為穩(wěn)定值；人為因素中地下水開采、人類工程活動主要依據(jù)分層標(biāo)監(jiān)測資料進行定量化。

表2 第二含水組地層單位變形量Table 2 The second aquifer stratum unit deformation scale

以地質(zhì)條件為背景的地面沉降影響分區(qū)為基礎(chǔ)，對其中D類區(qū)進行量化分析，根據(jù)近5年平均沉降集中程度D類區(qū)又可分為三個亞區(qū)D1、D2、D3（圖2），其平均沉降速率約50mm/a，30mm/a，20mm/a。以D2區(qū)為例其各影響因素對地面沉降貢獻率如表3，其計算過程中構(gòu)造因素、欠固結(jié)軟土前面已經(jīng)介紹；人類活動主要計算分層標(biāo)監(jiān)測的淺層（50m以內(nèi)）沉降減去欠固結(jié)軟土引起的沉降量，當(dāng)然這個值代表整個D2區(qū)偏小，但也能說明分層標(biāo)所在區(qū)域一定范圍內(nèi)的實際情況；地下水開采主要利用了D2區(qū)內(nèi)的塘沽堿廠分層標(biāo)的監(jiān)測成果，其監(jiān)測深度295.2m，295.2～500m內(nèi)變形量計算主要依據(jù)與此區(qū)開采情況類似的大港區(qū)分層標(biāo)監(jiān)測成果，采用單位變形量計算，最終計算500m以淺地下水開采引起的沉降變形量為12.19mm/a，所占比例為41.5%；水準(zhǔn)點監(jiān)測的總沉降量減去構(gòu)造因素、欠固結(jié)軟土、人類工程活動、地下水開采引起地面變形量，其余歸結(jié)為500m以深流體開采引起的沉降變形量。

圖2 D類影響因素亞區(qū)分布Fig.2 The distribution of D type sub-region

D2區(qū)為濱海新區(qū)核心區(qū)，近年來地下水限采禁采的主要行政區(qū)，1986年以來平均沉降由100mm/a將至30mm/a，主要措施為限采地下水，水源轉(zhuǎn)換。該區(qū)2015年較2005年常住人口增長1倍，多數(shù)外來務(wù)工人員集中居住在塘沽周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)平方，飲用水源多為地下水。同時，鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)多為地下水開采，因此，多年水位漏斗集中在塘沽區(qū)與東麗區(qū)、咸水沽交接地帶。地下水開采影響比例較大，與周邊地下水開采影響有一定相關(guān)性。

表3 D2類近年來各影響因素占總沉降比例Table 3 The influence factors in total settlement of ratioin of D2 type in recent years

3 長期監(jiān)測資料的量化成果分析

3.1 量化分析可靠性

對多種因素單獨分析，利用大量實測數(shù)據(jù)成果，分析不同因素對地面沉降影響時期、影響大小、影響范圍；根據(jù)各因素分布情況進行分區(qū)，并通過歷年分層標(biāo)數(shù)據(jù)、地下水位埋深數(shù)據(jù)、開采井分布資料分析各區(qū)域地面沉降量化比例。然而，對于一些影響因素還沒有充分的依據(jù)無法明確其影響量化值?？偨Y(jié)上述分析方法的主要優(yōu)缺點如下：

（1）優(yōu)點

數(shù)據(jù)來源比較準(zhǔn)確，引用成果比較可靠；分析因素全面；采用了天津地區(qū)已有分層標(biāo)的歷年資料，主要針對現(xiàn)階段實際情況給出現(xiàn)階段地面沉降的影響因素比例。

（2）缺點

人類工程活動的影響因素僅分析了分層標(biāo)點附近情況，分析的不夠全面；具體量化值說服力差，且適用范圍有限。

在沒有分層標(biāo)資料的武清楊村鎮(zhèn)、靜海、津南區(qū)主要依靠類比推測各因素量化值，得到的量化比例準(zhǔn)確性有待考證。

3.2 地面沉降影響因素量化分析成果主要應(yīng)用

（1）通過本次量化分析，提高了對天津市地面沉降影響因素的認(rèn)識，同時為地面沉降防治奠定了良好基礎(chǔ)。

（2）利用長期監(jiān)測資料對地面沉降影響因素進行量化分析，其技術(shù)方法值得推廣。

（3）通過計算對500m以淺地下水及500m以深流體開采比例有了新的認(rèn)識，因此在控制該區(qū)地面沉降發(fā)展時可以對500m以淺及500m以深流體開采分別建立監(jiān)管體系。在合理控制地下水開采方面，可以建立兩個層段不同控制地下水開采方案；在有外來水源補給時，可以根據(jù)不同層段影響程度給出合理水源分配方案。

4 結(jié)束語

天津地面沉降問題由來已久，地面沉降現(xiàn)象非常復(fù)雜，不同行政區(qū)內(nèi)沉降差異也較大，要分清各影響因素對總沉降貢獻率是非常困難得。本次提供了一種量化分析方法，通過本次量化計算使得我們對地面沉降組成有了新的認(rèn)識，從而為地面沉降防治指明了方向，其應(yīng)用前景廣泛。

（References）

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[2] 白晉娬. 天津市地面沉降預(yù)警系統(tǒng)研究[R]. 天津市地質(zhì)調(diào)查研究院,2009. Bai J W. Study on land subsidence warning system in Tianjin[R]. Tianjin Institute of Geological Survey,2009.

[3] 林黎,趙蘇民. 開采孔隙型資源對地面沉降的影響//全國控制地面沉降學(xué)術(shù)研討會論文集[C].2005. Lin L, Zhao S M. Effects of exploiting porous resources on land subsidence // Proceedings of the National Symposium on land subsidence control[C].2005.

Tianjin land subsidence influence factor quantization analysis based on long-term monitoring data

LUO Li-Hong, BAI Jin-Wu, Lü Xiao-Wen, SHAO Xing
(Tianjin Monitoring Central Station of Geological Enviroment, Tianjin 300191, China)

According to the results of research on the Tianjin area conducted since 1950 and the large amount of long-term monitoring data, a quantitative analysis of the land subsidence influence factor in Tianjin was administered for the first time. The analysis found that the land subsidence influence factor is different for different regions, even if the same stratum of groundwater mining caused the deformation of settlement to be larger. The quantitative analysis to increase the difficulty of ground settlement. Through the consideration of the main factors affecting the distribution of the ground settlement, including the Tianjin city land subsidence influence factor, and based on the nearly five years of sedimentation rate data, the region is further divided by subregion. Using subregion D1 as an example, analyzes the factors of ground settlement ratio, which is in 500 meters and deep 500 meters of the groundwater and fluid mining ratio is larger, therefore in the control of the ground subsidence development to in 500 meters and deep 500 meters to fluid a supervision system of mining was set up.

land subsidence; influence factors; quantitative analysis; long-term monitoring data

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0018-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.005

2017-04-01

修回日期: 2017-05-26

羅立紅(1982-),女,碩士,高級工程師,主要從事地面沉降監(jiān)測研究.

電子郵箱: 44534829@qq.com

聯(lián)系電話: 022-23682576

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(水[2014]02-031-011);天津市國土資源和房屋管理局科研項目“天津市低海拔地區(qū)地面沉降災(zāi)害調(diào)查及防治對策研究科研”(國土房任[2015]1號)