濟南市地面沉降調(diào)查監(jiān)測與防治工作進展

亓協(xié)全,張強,袁超,孟祥鑫

(中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 濟南 250013)

地面沉降是因自然因素和人為活動引發(fā)松散地層壓縮所導(dǎo)致的地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象[1]。它是一種緩變性的地質(zhì)災(zāi)害[2]，不易被察覺，一旦釀成嚴重后果又難以補救，其具有形成時間長、影響范圍廣、防治難度大、難以恢復(fù)等特點。地面沉降現(xiàn)已成為影響我國區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。濟南市北部地處華北平原地面沉降區(qū)的東南邊緣，受區(qū)內(nèi)及區(qū)域地下水的開采影響，局部已產(chǎn)生地下水降落漏斗，引發(fā)了地面沉降現(xiàn)象。

1 地質(zhì)背景條件

1.1 地形地貌

濟南市北部地區(qū)地處黃河下游沖積平原及山前沖洪積平原區(qū)，地勢平坦，地勢南高北低，西高東低，自西南向東北緩傾斜，海拔高度10.7～55.6m，地面坡降5/10000左右。

1.2 地層巖性

濟南地區(qū)在區(qū)域上屬華北-柴達木地層大區(qū)華北地層區(qū)，齊廣斷裂以南屬魯西地層分區(qū)，齊廣斷裂以北屬華北平原地層分區(qū)。地層從老至新依次為新太古代泰山巖群、古生代寒武系、奧陶系、二疊系；中生代白堊系；新生代古近系、新近系、第四系。濟南北部黃河沖積平原區(qū)和山前沖積平原區(qū)是地面沉降工作的重點區(qū)域。

區(qū)內(nèi)均被第四系沉積物覆蓋，自新生代以來，受差異性升降運動的影響，一直緩慢下沉，沉積了巨厚的新生代地層。區(qū)內(nèi)自上向下依次分布第四紀黃河組、黑土湖組和平原組；新近紀明化鎮(zhèn)組、館陶組；古近紀東營組、沙河街組、孔店組[3]。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

表1 濟南市北部平原區(qū)大地構(gòu)造單元劃分

1.4 水文地質(zhì)條件

1.4.1 水文地質(zhì)概況

工作區(qū)縱跨黃河沖積平原孔隙水水文地質(zhì)區(qū)和山前沖洪積平原孔隙水水文地質(zhì)區(qū)[4]，區(qū)內(nèi)以賦存松散巖類孔隙水為主[5],依孔隙水埋藏深度、承壓性的不同又可分為淺層潛-微承壓水、中層承壓水和深層承壓水，該次研究的重點為深層地下水。

深層地下水頂界面埋深200～300m，含水層巖性上部以粉細砂為主，下部多以中細砂及中粗砂為主，單井涌水量一般在500～1000m3/d。含水層單層厚度、水位埋深在黃河以南、以北有所差異：黃河以北含水層單層厚度3～8m，總厚度介于10～60m之間，水位埋深一般介于30～60m之間，水位標高總體呈東高西低的特點；黃河以南含水層單層厚度一般2～3m，總厚度一般小于10m，水位埋深一般介于15～25m。受區(qū)域地下水降落漏斗及區(qū)內(nèi)廠礦企業(yè)自備井開采的影響，水位呈下降趨勢(圖1)，年降幅1～2m之間[注]中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東省濟南市北跨區(qū)地面沉降調(diào)查評價報告，2015年。。

圖1 濟南北部深層地下水多年動態(tài)曲線圖

區(qū)內(nèi)深層地下水與淺層地下水之間水力聯(lián)系弱，不接受大氣降水和地表水補給，其主要補給源是遠距離的徑流補給，補給途徑長，水力坡度小，徑流遲緩，屬消耗型水源，以人工開采為主要排泄方式。

1.4.2 地下水開采現(xiàn)狀

目前區(qū)內(nèi)以開采淺層地下水為主，開采深層地下水為輔，主要為農(nóng)業(yè)灌溉和部分城鎮(zhèn)生活用水，其次為工礦企業(yè)和畜牧業(yè)用水。根據(jù)調(diào)查、收集資料統(tǒng)計：濟南市黃河北地區(qū)2015年地下水開采量約為9418.17萬m3，其中淺層水開采量為9277.17萬m3，深層水開采量為141.0萬m3。而工作區(qū)西側(cè)鄰區(qū)深層地下水開采量2304.6萬m3(2015年度臨邑縣、平原縣、禹城市總開采量)，遠大于區(qū)內(nèi)，這也是區(qū)內(nèi)北部深層地下水降落漏斗開口向西，位于區(qū)域降落漏斗東部邊緣的一個重要原因。根據(jù)不完全統(tǒng)計，黃河以南平原區(qū)(章丘北部)2016年中深層孔隙水開采量2382萬m3，其中：化工工業(yè)園工業(yè)用水開采量達1730萬m3，農(nóng)村自備井開采量427萬m3，水源地開采量225萬m3。區(qū)內(nèi)中深層地下水以工業(yè)開采為主，占總開采量的73%，農(nóng)村自備井開采次之，占總開采量的18%，水源地開采占總開采量的9%。

1.4.3 地下水降落漏斗分布及成因分析

根據(jù)調(diào)查資料，區(qū)內(nèi)中深層地下水降落漏斗主要有3處，分別位于商河城區(qū)西南—賈莊鎮(zhèn)一帶(Ⅰ號)、章丘高官寨曹家水廠一帶(Ⅱ號)和章丘水寨—辛寨一帶(Ⅲ號)(圖2)。

圖2 地面沉降條件區(qū)深層地下水降落漏斗分布圖

Ⅰ號降落漏斗位于商河縣城的西南部，漏斗中心位于商河縣許商街道東八里村至賈莊鎮(zhèn)姜范村一帶[注]中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東省濟南市濟陽-商河地區(qū)地面沉降調(diào)查評價報告,2016年。，枯水期由-35m標高圈閉的漏斗面積達到119.29km2，漏斗中心水位埋深達到58.94m(2016.05.28)，降落漏斗呈開口向西的簸箕狀，說明該降落漏斗位于區(qū)域降落漏斗的東部邊緣。區(qū)域深層地下水的超采是造成該降落漏斗的一個重要因素，另外，區(qū)內(nèi)企事業(yè)單位自備井開采是造成區(qū)內(nèi)水位下降的另一個因素。

Ⅱ號降落漏斗位于遙墻東北—高官寨西南的曹家水廠一帶[注]中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院,山東省濟南市黃河以南黃河沖積平原區(qū)地面沉降調(diào)查評價報告,2018年。，漏斗中心位于曹家水廠，枯水期由+4m標高圈閉的降落漏斗呈NE-SW向的橢圓狀，漏斗面積33.85km2，漏斗中心水位標高-4.54m(2017.6.11)。該處降落漏斗主要為曹家水廠開采中深層孔隙水所致，曹家水廠目前給濟南遙墻國際機場和17個村莊供水，日供水量550m3左右。

Ⅲ號降落漏斗位于章丘水寨—辛寨一帶，漏斗中心位于水寨苑李水廠—化工工業(yè)園—新寨一帶，枯水期由-4m圈閉的降落漏斗呈近EW向橢圓狀，面積72.92km2，漏斗中心位于苑李水廠，水位標高為-20.56m(2017.6.11)。該降落漏斗產(chǎn)生的原因主要為苑李水廠、化工工業(yè)園自備井機及刁鎮(zhèn)—辛寨水廠開采引起。

1.5 工程地質(zhì)概況

濟南北部廣泛分布黃河沖積物，巖性以粉土、粉質(zhì)粘土及粉細砂等，上部地層松散、欠固結(jié)，物理力學(xué)性質(zhì)差，承載力較低。區(qū)內(nèi)500m以上的地層共劃分為24個工程地質(zhì)層，其中11個壓縮層、13個含水層。200m以淺壓縮層多具中壓縮性，局部分布高壓縮性土層，200～500m壓縮層具低壓縮性。

2 地面沉降調(diào)查與防治工作進展

2014—2018年濟南市累計投入1700余萬元，先后安排實施了濟南市北跨區(qū)地面沉降調(diào)查評價、濟南-商河地區(qū)地面沉降調(diào)查評價、濟南市黃河以南黃河沖積平原區(qū)地面沉降調(diào)查評價、濟南市黃河北地區(qū)地面沉降分層標建設(shè)、濟南市地面沉降防治規(guī)劃和濟南市黃河北地區(qū)地面沉降監(jiān)測等6個地面沉降調(diào)查評價及規(guī)劃防治項目，累計開展1∶5萬專項調(diào)查6962km2、基巖點建設(shè)1組、地面沉降監(jiān)測標石建設(shè)211個、GPS監(jiān)測墩建設(shè)2個、GPS監(jiān)測點建設(shè)6個、分層標建設(shè)1組、水文工程地質(zhì)鉆探3227.74m、地下水動態(tài)監(jiān)測孔建設(shè)5組、二等水準測量4588.38km、地下水動態(tài)監(jiān)測2848點次、水位統(tǒng)測281點次、土工試驗410件、鉆孔編錄3227.74m、水質(zhì)全分析20件(表2)。通過以上一系列工作，建立了濟南市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(圖3)，取得了地面沉降監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，填補了濟南市地面沉降工作的空白，為今后濟南市地面沉降監(jiān)測預(yù)警體系的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

表2 濟南市地面沉降調(diào)查與防治工作量

1—水準測量起算點位置及編號；2—沉降監(jiān)測標石位置；3—二等水準測量線路位置；4—鉆孔位置及編號；5—地下水動態(tài)監(jiān)測孔位置；6—GPS監(jiān)測墩位置及編號；7—GPS監(jiān)測點位置及編號；8—分層標建設(shè)位置圖3 濟南市地面沉降監(jiān)測監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分布圖

3 地面沉降概況

濟南市北部地區(qū)位于華北平原地面沉降區(qū)的東南邊緣，根據(jù)山東省北部平原區(qū)InSAR監(jiān)測地面沉降速率圖(2008年1月—2010年10月)和魯北地面累積沉降量圖(2015—2017年)可知：在濟南市商河縣城南部及以西地區(qū)、章丘區(qū)水寨鎮(zhèn)東側(cè)化工工業(yè)園附近和天橋區(qū)桑梓店鎮(zhèn)西側(cè)濟南新材料產(chǎn)業(yè)園附近已經(jīng)出現(xiàn)了地面沉降現(xiàn)象。

根據(jù)2016年5月對 2005年5月建設(shè)的商河縣城南部的國家GPS點的復(fù)測，該點建設(shè)11年累計下降113mm，年平均沉降速率為10.27mm/a；2017年3月對2005年建設(shè)的水寨鎮(zhèn)GPS點測量發(fā)現(xiàn)：該點時隔12年高程下降223.2mm，年平均沉降速率達18.6mm/a；2017年11月通過對2015年6月建設(shè)的位于濟南新材料化工工業(yè)園區(qū)周邊的4個監(jiān)測點進行測量，發(fā)現(xiàn)4個監(jiān)測點時隔2年5個月均有不同程度下降，下降值分別為17.0mm、72.8mm、41.7mm和39.4mm，年均沉降速率6.8～29.12mm。以上數(shù)據(jù)證實，濟南市商河縣城南部及以西地區(qū)、章丘區(qū)化工工業(yè)園區(qū)附近和天橋區(qū)濟南新材料化工工業(yè)園附近已經(jīng)產(chǎn)生地面沉降。

4 地面沉降影響因素

影響濟南市地面沉降的因素有2種：自然因素和人為因素[6]。自然因素包括構(gòu)造運動和地震；人為因素包括：地下水、地?zé)?、油氣開采、城市建設(shè)[7-8]等。

根據(jù)資料研究顯示：區(qū)內(nèi)由構(gòu)造運動引起的地面下沉速率在2～3mm/a之間(圖4)，構(gòu)造運動對地面沉降影響較輕；自1620年以來濟南市及周邊未發(fā)生過大的地震，僅發(fā)生過幾次3.0級左右地震，震級較低，對地面沉降影響較輕。由此說明，自然因素不是引起區(qū)內(nèi)地面沉降的主要因素。

1—正速率曲線；2—負速率曲線；3—速率單位；圖4 華北地區(qū)垂直形變速率圖(1951—1987)[9]

根據(jù)前期調(diào)查研究，區(qū)域及區(qū)內(nèi)深層地下水的超量開采是引發(fā)商河地區(qū)地面沉降的主要因素，地?zé)岷陀蜌忾_采[10]是次要因素；水源地開采和工業(yè)園區(qū)自備井開采是引發(fā)章丘區(qū)化工工業(yè)園區(qū)附近和天橋區(qū)濟南新材料化工工業(yè)園附近地面沉降主要因素。區(qū)內(nèi)地面沉降范圍與深層地下水降落漏斗分布范圍具有一致性[11-12]。

另外，城鎮(zhèn)建筑群等工程大面積地面荷載對地面沉降也存在一定影響，該影響主要集中在城鎮(zhèn)分布區(qū)。

5 結(jié)論

地面沉降監(jiān)測是一項需要長期堅持的公益性地質(zhì)工作，是城市、水利、交通發(fā)展建設(shè)規(guī)劃、社會主義新農(nóng)村建設(shè)和地下水開發(fā)利用必須考慮的重要因素。濟南市雖建立了以地面沉降監(jiān)測標石為主的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并取得了地面沉降基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為今后地面沉降的監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。但由于監(jiān)測時間較短、尚未形成行之有效的地面沉降監(jiān)測預(yù)警體系。今后應(yīng)加強該地區(qū)地面沉降機理研究，建立健全地面沉降監(jiān)測預(yù)警體系和地面沉降綜合防治長效機制，為濟南市和新舊動能轉(zhuǎn)換先行區(qū)的進一步規(guī)劃、總體建設(shè)提供科學(xué)、準確的地面沉降基礎(chǔ)資料，對濟南市構(gòu)建國家開放型經(jīng)濟新體制示范城市，提高省會城市首位度具有重要意義。