山東省地面沉降監(jiān)測(cè)與防治工作進(jìn)展

張永偉，邵明，肖敏

(1.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，山東 濟(jì)南 250014；2.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

地面沉降是一種致使地面高程降低的緩變性地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。山東省地面沉降區(qū)域位于華北平原的最南緣，近年來(lái)已成為山東省較為突出和重點(diǎn)防治的地質(zhì)災(zāi)害類型之一。山東省地面沉降主要分布在魯北和魯西平原的德州、濱州、東營(yíng)、聊城、濟(jì)寧、菏澤等地區(qū)。魯北平原在德州市德城區(qū)，東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)、廣饒縣城，濱州市濱城區(qū)、博興縣城一帶已形成地面沉降漏斗區(qū)。魯西平原區(qū)地層結(jié)構(gòu)松散，固結(jié)程度低，地下水超采現(xiàn)象在區(qū)內(nèi)普遍存在。地下水超采形成區(qū)域性的地下水降落漏斗，地面沉降較為突出，目前已產(chǎn)生一定危害。地面沉降的發(fā)生過(guò)程一般是不可逆的，一旦形成便難以恢復(fù)。地面沉降使地面高程降低，造成城市防汛設(shè)施的防御能力降低，沿海城市風(fēng)暴潮加??；造成江河橋梁凈空減少，內(nèi)河航運(yùn)受阻，碼頭受淹；導(dǎo)致深水井井管抬升、傾斜、甚至脫裂報(bào)廢。地面不均勻沉降造成建筑物地基下沉，基礎(chǔ)和墻體開(kāi)裂，房屋等建筑物損壞；引發(fā)鐵路路基、橋梁基礎(chǔ)工程不均勻下沉，威脅高鐵列車行駛安全。地面沉降對(duì)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，如輸排水管道、高架道路、燃?xì)夤芫W(wǎng)、通訊線路等也會(huì)造成嚴(yán)重的安全隱患，增大維護(hù)成本。地面沉降監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期堅(jiān)持的公益性地質(zhì)工作，是城市、水利工程、交通發(fā)展建設(shè)規(guī)劃、社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)和地下水開(kāi)發(fā)利用必須考慮的重要因素。

1 山東省地面沉降監(jiān)測(cè)防治情況

1.1 地面沉降監(jiān)測(cè)調(diào)查工作進(jìn)展

1.1.1 地面沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)施情況

2013—2017年，山東省累計(jì)投入資金10610.3萬(wàn)元，安排實(shí)施了14個(gè)地面沉降防治項(xiàng)目，開(kāi)展1∶5萬(wàn)比例尺地面沉降調(diào)查8407km2，地下水開(kāi)采量調(diào)查3000km2，地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)16065點(diǎn)次，建設(shè)基巖標(biāo)5座(濟(jì)寧2座、東營(yíng)2座、德州1座)，分層標(biāo)5組(德州1組、濟(jì)寧2組、東營(yíng)1組、濱州1組)，增建二等水準(zhǔn)路線2092km2；開(kāi)展二等水準(zhǔn)測(cè)量8928.18km2，B級(jí)GPS測(cè)量375點(diǎn)次、收集CORS站點(diǎn)數(shù)據(jù)超過(guò)50點(diǎn)次，基本完成了近期地面沉降調(diào)查、監(jiān)測(cè)任務(wù)，為構(gòu)建統(tǒng)一、全面的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)(表1)。

表1 山東省地面沉降主要監(jiān)測(cè)設(shè)施情況

對(duì)全省地面沉降監(jiān)測(cè)設(shè)施逐點(diǎn)進(jìn)行登記、造冊(cè)，加大保護(hù)力度，委托當(dāng)?shù)卣⑸鐣?huì)團(tuán)體、企事業(yè)單位或個(gè)人對(duì)地面沉降監(jiān)測(cè)設(shè)施進(jìn)行維護(hù)，簽訂保管協(xié)議，確保監(jiān)測(cè)設(shè)施正常使用。截至目前，山東省全面建立了“四網(wǎng)合一”(水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)、GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)、分層標(biāo)和基巖標(biāo)監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè))的地面沉降監(jiān)測(cè)體系，INSAR監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了山東全省覆蓋。

1.1.2 山東省地面沉降監(jiān)測(cè)調(diào)查成果

根據(jù)國(guó)土資源部辦公廳、水利部辦公廳印發(fā)的地面沉降區(qū)和海水入侵區(qū)地下水壓采方案編制技術(shù)要求，結(jié)合山東省地面沉降監(jiān)測(cè)實(shí)際情況，將年沉降速率作為地面沉降發(fā)育程度的主要?jiǎng)澐种笜?biāo)，近五年平均沉降速率大于等于50mm/a為地面沉降強(qiáng)發(fā)育區(qū)；近五年平均沉降速率在30～50mm/a之間為地面沉降中等發(fā)育區(qū)；近五年平均沉降速率在10～30mm/a之間為地面沉降弱發(fā)育區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山東省發(fā)生地面沉降面積約20239km2，其中：地面沉降強(qiáng)發(fā)育區(qū)6個(gè)，主要分布在德州、聊城、濱州、東營(yíng)、濰坊等5個(gè)市，面積約1216m2，占比6%；地面沉降中等發(fā)育區(qū)8個(gè)，主要分布在德州、聊城、濱州、東營(yíng)、淄博、濟(jì)寧、菏澤等7個(gè)市，面積約1698km2，占比8%；地面沉降弱發(fā)育區(qū)面積約17325km2，占比86%(圖1)。經(jīng)初步估算，全省地面沉降下降總體量已達(dá)2.97億m3。

圖1 山東省地面沉降發(fā)育現(xiàn)狀圖

1.1.3 山東省地面沉降成因初步分析

(1)粘性土厚度對(duì)地面沉降的影響。地面沉降的產(chǎn)生是隔水層的壓縮量和含水層的壓縮量之和，研究表明含水砂層的壓縮量很小，且壓縮變形具有彈性變形的特點(diǎn)，是可以恢復(fù)的，在水位回升之后，砂層會(huì)回彈；粘性土隔水層的壓縮量較大，且壓縮變形具有塑性變形的特點(diǎn)，在水位回升之后，粘性土層的壓縮量無(wú)法恢復(fù)，地面沉降主要由粘性土隔水層的壓縮引起。因此，粘性土的存在是地面沉降產(chǎn)生發(fā)展的必要條件之一，粘性土厚度的大小，在一定程度上決定了地層的最大壓縮量。在山東平原區(qū)，第四系地層的粘土層，主要開(kāi)采層位的粘性土層壓縮推動(dòng)了地面沉降的發(fā)生、發(fā)展，加劇深層地下水長(zhǎng)期過(guò)量開(kāi)采，水位下降，粘性土層釋水壓縮，從而導(dǎo)致許多地面沉降中心與區(qū)域主要開(kāi)采層位的粘性土厚度中心基本一致。

(2)粘性土的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)地面沉降的影響。土體的壓縮主要發(fā)生在塑性變形階段，即有效應(yīng)力克服了結(jié)構(gòu)屈服力，使得土體結(jié)構(gòu)力產(chǎn)生損傷之后一段時(shí)期內(nèi)，該時(shí)期單位有效應(yīng)力增加產(chǎn)生的壓縮量較大。若有效應(yīng)力不能克服土體結(jié)構(gòu)屈服力，土體基本為彈性變形，壓縮量相對(duì)較小，回彈量也相對(duì)較大。水位的變化反映了土體所受有效應(yīng)力的變化，當(dāng)水位下降到一定程度，有效應(yīng)力克服了土體結(jié)構(gòu)屈服力后，隨著水位下降，土體的塑性變形量迅速增大，地面沉降進(jìn)入快速發(fā)展期。從土體壓縮性與地面沉降的關(guān)系看，土體越容易壓縮，單位水位下降引起的地面沉降越嚴(yán)重，土體可壓縮性的差異導(dǎo)致各地區(qū)水位下降引起的地面沉降也不同。

(3)地下水對(duì)地面沉降的影響。地下水開(kāi)采引起地下水水位下降，孔隙水壓力降低，地層所受有效垂直應(yīng)力增大，地層壓縮。在地下水水位下降過(guò)程中，由于粘性土的透水性差，粘性土內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)超孔隙水壓力，超孔隙水壓力的消散是時(shí)間和空間的函數(shù)，靠近抽水含水層的粘性土底部首先壓縮，并滯后的向粘性土頂部發(fā)展，當(dāng)?shù)叵滤幌陆档揭欢ㄋ徊⒈３址€(wěn)定后，粘性土的壓縮時(shí)間與超孔隙水壓力的消散一致，超孔隙水壓力消散完畢，地下水水位下降引起的粘性土的壓縮完成。由于超孔隙水壓力消散的滯后性，使得地面沉降也表現(xiàn)出滯后特點(diǎn)。原狀粘性土具有一定的結(jié)構(gòu)屈服力，對(duì)應(yīng)的地下水水位也具有臨界水位，當(dāng)?shù)叵滤怀^(guò)臨界水位時(shí)，有效垂直應(yīng)力大于土體的結(jié)構(gòu)屈服力，土體才開(kāi)始產(chǎn)生較大變形，沉降速度加快。此外，水位降幅越大，土體所受到的有效應(yīng)力就會(huì)越大，因此，水位降幅與地面沉降速率基本呈正相關(guān)關(guān)系。

(4)工程因素對(duì)地面沉降的影響。主要指由上部高層建筑附加荷載作用引發(fā)的地面沉降。該類沉降主要發(fā)生在建筑物持力層和下臥層。工作區(qū)內(nèi)一般工程建筑持力層與下臥層為1.5m以下的地層，高層建筑持力層與下臥層為30m以下的地層。

1.2 重點(diǎn)地區(qū)地面沉降研究工作

德州地區(qū)建立了三維流固耦合數(shù)值模型，對(duì)地面沉降的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了科學(xué)預(yù)測(cè)，對(duì)地面沉降的可控性研究進(jìn)行了深入分析。

1.2.1 德城區(qū)地面沉降發(fā)展過(guò)程

模型對(duì)德城區(qū)地面沉降發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地面沉降防控措施的研究。根據(jù)圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，德城區(qū)的地面沉降面積不斷擴(kuò)大，而且沉降中心區(qū)沉降量持續(xù)加大，沉降中心也有所偏移。從地面沉降擴(kuò)展的主要方向可以看出，德城區(qū)地面沉降向北部發(fā)展的速率要大于其他方向。從2008年開(kāi)始，德城區(qū)的地面沉降速率開(kāi)始降低，可見(jiàn)德城地區(qū)采取的控制開(kāi)采量和改變開(kāi)采層位的方法對(duì)地面沉降的控制起到了一定的作用。

1.2.2 德城區(qū)地面沉降可控性研究

根據(jù)南水北調(diào)配套工程進(jìn)度確定地下水壓采工作布局，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江水、黃河水等外調(diào)水逐步替代本地地下水。劃定地下水禁采區(qū)和限采區(qū)，先期壓縮城市規(guī)劃區(qū)地下水開(kāi)采規(guī)模，優(yōu)先實(shí)行深層承壓水禁采和限采。利用研究建立的地面沉降流固耦合三維模型，從2015年起減少德城區(qū)地下水開(kāi)采量，預(yù)測(cè)未來(lái)20年地面沉降的變化情況。制定了5種方案，分別為在現(xiàn)狀開(kāi)采量下減少10%，20%，30%，40%，50%，模型和邊界條件不變，預(yù)測(cè)出未來(lái)20年累計(jì)地面沉降等值線(圖2)。

圖2 減少開(kāi)采量方案下2035年德城區(qū)地面沉降等值線圖

由于地下水開(kāi)采量的減小，20年后，原有的地下水降落漏斗已經(jīng)基本消失，但在德城區(qū)與河北省的交界處仍有漏斗形態(tài)顯示。隨著開(kāi)采量的減少，地面沉降速率明顯降低，當(dāng)開(kāi)采量減少30%～50%時(shí)，部分沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)在最初幾年出現(xiàn)了地面沉降趨于停止或少量回彈的現(xiàn)象，但是隨著時(shí)間推移，回彈量減少，地面沉降繼續(xù)發(fā)展，沉降速率較未減少開(kāi)采量前明顯降低。當(dāng)?shù)叵滤_(kāi)采量減少50%時(shí)，接近地面沉降中心處的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降速率減少量大于50%。因此，減少地下水開(kāi)采量對(duì)控制地面沉降作用明顯。方案3到方案5實(shí)施1～2年后，沉降中心附近的累計(jì)地面沉降量不再增加或者增加量非常小，地面沉降基本得到控制，在3～5年后會(huì)繼續(xù)以較低的沉降速率沉降。綜合以上分析，考慮方案的可行性及其作用效果，認(rèn)為將地下水開(kāi)采量在現(xiàn)狀開(kāi)采量的基礎(chǔ)上減少30%是比較經(jīng)濟(jì)合理的選擇。

1.2.3 德城區(qū)地面沉降防治推薦方案

為控制德城區(qū)地面沉降速率，針對(duì)德城區(qū)地面沉降實(shí)際狀況，建議采用以下措施進(jìn)行治理[4-12]：

(1)減小開(kāi)采量。根據(jù)德城區(qū)的沉降現(xiàn)狀，若只通過(guò)減少開(kāi)采量來(lái)控制沉降，需減少現(xiàn)狀開(kāi)采量的20%以上才會(huì)達(dá)到需要的控制效果。

(2)在沉降中心處定期回灌地下水。地下水的年回灌量需根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乇硭挥嗔縼?lái)確定，回灌的地下水需回灌到承壓層，才會(huì)對(duì)地面沉降的防控起到作用。

(3)調(diào)整開(kāi)采層位。在資源條件允許的情況下，盡量開(kāi)采淺層的地下水。根據(jù)德城區(qū)的地下水存儲(chǔ)狀況，可以將淺層的地下水每年開(kāi)采300～400萬(wàn)m3用于對(duì)水質(zhì)要求不高的綠化、消防和工業(yè)用水等，然后盡量減少深層地下水的開(kāi)采。

(4)調(diào)整開(kāi)采井和開(kāi)采量的平面布局。為使開(kāi)采井和開(kāi)采量的調(diào)整更具有經(jīng)濟(jì)性和可行性，可以在德城區(qū)范圍內(nèi)重點(diǎn)控制沉降中心處的開(kāi)采井井間間距，封停部分開(kāi)采井，使沉降中心處的開(kāi)采井不要過(guò)于密集。同時(shí)，盡量對(duì)開(kāi)采量進(jìn)行調(diào)控，使開(kāi)采量平均分布，減少沉降梯度。

(5)保持沉降中心至2020年年均沉降量不大于30mm，20mm，15mm，10mm，5mm，則在現(xiàn)狀開(kāi)采井分布條件下，德城區(qū)地下水年總開(kāi)采量不能大于2900.7萬(wàn)m3，2270.8萬(wàn)m3，2005.6萬(wàn)m3，1761.9萬(wàn)m3和1535.4萬(wàn)m3。

1.3 地面沉降防治工作進(jìn)展

按照《全國(guó)地面沉降防治規(guī)劃(2011—2020年)》提出的“建立政府主導(dǎo)、部門協(xié)同、區(qū)域聯(lián)動(dòng)、分級(jí)負(fù)責(zé)、齊抓共管的地面沉降防治工作管理體系”工作原則，山東省積極開(kāi)展地面沉降防治管理體系建設(shè)工作。

(1)建立政府主導(dǎo)、分級(jí)負(fù)責(zé)的地面沉降防治責(zé)任制度。2014年3月，《山東省人民政府關(guān)于組織實(shí)施山東省地面沉降防治規(guī)劃(2012—2020年)的通知》，為各級(jí)各部門協(xié)同合作、科學(xué)部署地面沉降防治工作提供了政策支持和實(shí)施依據(jù)。近幾年山東省人民政府下發(fā)的年度《山東省地質(zhì)災(zāi)害防治方案》均對(duì)地面沉降、地裂縫等緩變性地質(zhì)災(zāi)害防治工作進(jìn)行了重點(diǎn)部署，明確了地方人民政府的地面沉降防治主體責(zé)任。

(2)形成部門協(xié)同，齊抓共管的地面沉降防治合作機(jī)制。省發(fā)改委、省財(cái)政廳、省國(guó)土資源廳、省水利廳、省政府法制辦、濟(jì)南鐵路局等多部門會(huì)商研討地面沉降防治工作。

(3)健全區(qū)域聯(lián)動(dòng)、聯(lián)防聯(lián)控的地面沉降防治聯(lián)動(dòng)機(jī)制。山東與北京、天津、河北、河南簽署了《華北平原地面沉降聯(lián)防聯(lián)控工作補(bǔ)充協(xié)議》，華北三省兩市通過(guò)開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、空間銜接、進(jìn)度協(xié)調(diào)的地面沉降調(diào)查、監(jiān)測(cè)和地下水壓采回灌等工作，同步聯(lián)手推進(jìn)地面沉降防治工作。

1.4 地面沉降控制區(qū)劃定工作進(jìn)展

根據(jù)《山東省人民政府關(guān)于印發(fā)山東省落實(shí)<水污染防治行動(dòng)計(jì)劃>實(shí)施方案的通知》(魯政字〔2015〕31號(hào))，山東省國(guó)土資源廳安排山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站開(kāi)展了地面沉降控制區(qū)劃定工作。根據(jù)地面沉降發(fā)育程度、危害程度，將地面沉降發(fā)育程度分區(qū)和危害程度分區(qū)疊加，結(jié)合地面沉降控沉目標(biāo)、行政管理和決策需求，考慮人口密度、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r及災(zāi)害防御能力，按照突出重點(diǎn)，全面治理的原則，將全省地面沉降劃分為一級(jí)控制區(qū)、二級(jí)控制區(qū)和三級(jí)控制區(qū)，總面積約68169.6km2，其中一級(jí)控制區(qū)面積約2709.8km2，二級(jí)控制區(qū)面積約3313.6km2，三級(jí)控制區(qū)面積約62146.2km2。

2 存在的問(wèn)題

2.1 地面沉降監(jiān)測(cè)工作相對(duì)薄弱

前期的地面沉降調(diào)查、監(jiān)測(cè)網(wǎng)覆蓋區(qū)域小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)全省地面沉降區(qū)的全面有效監(jiān)控。尚未建成深層基巖標(biāo)和自動(dòng)化分層標(biāo)監(jiān)測(cè)體系，影響地面沉降重點(diǎn)區(qū)的微細(xì)觀研究。區(qū)域深層地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)密度不足，難以準(zhǔn)確掌握地面沉降區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)變化。

2.2 地面沉降監(jiān)測(cè)設(shè)施閑置

根據(jù)調(diào)查，山東省東營(yíng)、濱州、德州、濟(jì)寧已建設(shè)基巖標(biāo)5座，分層標(biāo)5組20個(gè)，除濟(jì)寧、東營(yíng)配備了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備外，其他市受限于資金制約基巖標(biāo)分層標(biāo)均處于閑置狀態(tài)，造成了極大浪費(fèi)。

2.3 地面沉降危害性認(rèn)識(shí)不到位

地面沉降、地裂縫等緩變性地質(zhì)災(zāi)害具有生成緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、現(xiàn)象不明顯等特點(diǎn)，因其造成的經(jīng)濟(jì)損失不明顯，地面沉降地區(qū)的政府和百姓對(duì)其危害性認(rèn)識(shí)不足，防控的責(zé)任心、重要性、緊迫性的認(rèn)識(shí)還有待提高[13-19]。

3 下一步工作計(jì)劃

3.1 全面實(shí)施控制區(qū)劃定方案

控制區(qū)劃定方案已由省政府批復(fù)并發(fā)布實(shí)施，部分地市編制了本級(jí)地面沉降控制區(qū)劃定方案，并由市政府批復(fù)實(shí)施。各級(jí)政府落實(shí)地質(zhì)災(zāi)害防治的主體責(zé)任，各級(jí)國(guó)土資源部門切實(shí)落實(shí)地質(zhì)災(zāi)害防治的部門職責(zé)，組織、協(xié)調(diào)、指導(dǎo)和監(jiān)督地面沉降監(jiān)測(cè)防治工作。依據(jù)控制區(qū)范圍劃定成果，水利部門編制了地面沉降區(qū)地下水壓采方案，制定地面沉降沉降區(qū)內(nèi)地下水的壓采目標(biāo)和壓采任務(wù)。

3.2 加快地面沉降監(jiān)測(cè)體系建設(shè)

山東省將繼續(xù)認(rèn)真落實(shí)《全國(guó)地面沉降防治規(guī)劃(2011—2020年)》，積極爭(zhēng)取資金支持，完善地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，加快基巖標(biāo)、分層標(biāo)監(jiān)測(cè)體系建設(shè)，建立山東省全方位、全天候、多維度和多網(wǎng)合一(雙全兩多)的地面沉降監(jiān)測(cè)體系，以滿足地面沉降微觀機(jī)理研究和控沉工作需求；加強(qiáng)地面沉降成生機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)管理和防控體系建設(shè)。做好地面沉降監(jiān)測(cè)成果的分析研究和推廣應(yīng)用工作。

3.3 制定山東省地面沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系

目前，山東省地面沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)滯后，影響了山東省地面沉降監(jiān)測(cè)工作的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，今后應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)山東省地面沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。