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      天津地下水長期開發(fā)地區(qū)地面沉降特征

      2019-04-03 03:59:06張姣姣牛文明呂瀟文柳玉潔李兆楠
      上海國土資源 2019年1期
      關鍵詞:西青區(qū)口鎮(zhèn)層位

      張姣姣,牛文明,呂瀟文,柳玉潔,李兆楠

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

      地面沉降是天津平原區(qū)最主要的地質災害,地面沉降災害具有形成時間長、影響范圍廣、防治難度大、難以恢復等特點,威脅著城市安全以及軌道交通、水利工程等,已成為影響天津市可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

      引起地面沉降的因素可分為自然因素和人為因素,其中人為因素中地下水超采對地面沉降貢獻最大[1-5]。天津平原區(qū)地下水基本上都處于超采狀態(tài),水位普遍下降。西青區(qū)位于天津中心城區(qū)西南部,多年來地下水開采量較大,已引起嚴重的地面沉降。本文將對分層標多年監(jiān)測數(shù)據以及水位長觀數(shù)據進行分析,闡述西青區(qū)地面沉降特征。

      1 地質條件概況

      天津市屬華北地層大區(qū)冀魯豫地層區(qū)的華北平原分區(qū)。地層由老到新主要有中新元古界長城系、薊縣系和青白口系,下古生界寒武系、奧陶系,上古生界石炭系、二疊系,中生界侏羅系、白堊系,新生界的古近、新近系和第四系。本文涉及的地層有新近系上新統(tǒng)和第四系,地層特征見表1。

      2 區(qū)域地面沉降背景

      天津市地面沉降現(xiàn)象最早發(fā)現(xiàn)于1923年,到1985年,天津平原區(qū)地面沉降災害已十分嚴重。從1986年開始,天津市開始集中治理地面沉降,逐漸壓縮中心城區(qū)和濱海新區(qū)各城區(qū)地下水開采量,地面沉降逐漸減小。中心城區(qū)平均地面沉降由86 mm/a減至2016年的18 mm/a;塘沽平均沉降量由100 mm/a減至2016年的16 mm/a。隨著區(qū)縣經濟的發(fā)展,城市建設區(qū)逐漸擴大,中心城區(qū)周邊地下水開采量逐漸增大,沉降中心向東麗區(qū)、津南區(qū)、西青區(qū)、北辰區(qū)轉移。西青辛口鎮(zhèn)地區(qū)1985年至今累計沉降量已超過1600 mm(圖1)。

      表1 地層及含水組劃分Table 1 Divided of stratigraphic and aquifer

      2017年天津市平均沉降量24 mm,西青區(qū)平均沉降量30 mm,比2016年減少5 mm,區(qū)內西北部、中部、東南部地區(qū)沉降量較大。

      3 地下水開采與水位降落漏斗

      2016年西青區(qū)地下水開采量1 584萬m3,其中農業(yè)灌溉用水1 095.94萬m3,占總開采量的69.2%;城鎮(zhèn)生活用水32.92萬m3,占總開采量的2.1%;工業(yè)用水205.5萬m3,占總開采量的12.9%;林牧漁副業(yè)用水和生態(tài)用水分別為161.05萬m3和89.28萬m3,占總開采量的10.2%和5.6%。其中農業(yè)灌溉用水占較大比重,其次為工業(yè)用水[6]。

      圖1 1985-2015年辛口鎮(zhèn)地區(qū)累計沉降量等值線圖Fig.1 Accumulated settlement equivalent chart of Xinkou in 1985-2015

      地下水位降落漏斗是指過量開采地下水引起水位下降,形成區(qū)域性漏斗狀凹面。本次研究用等水位線來圈定漏斗分布,第Ⅱ含水組地下水位降落漏斗按水位埋深大于50 m計算,第Ⅲ含水組按水位埋深大于60 m計算,第Ⅳ含水組按水位埋深大于70 m計算。地下水持續(xù)開發(fā)利用,地下水位已呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域下降,第Ⅲ含水組與第Ⅳ含水組水位下降漏斗已在天津西南部地區(qū)連片分布,基本覆蓋西青區(qū)全部范圍[6]。

      4 地面沉降特征

      4.1 分層標監(jiān)測

      分層標是埋設在不同深度松散土層中的地面水準觀測標志。分層標監(jiān)測是天津市地面沉降監(jiān)測網的重要組成部分,用來監(jiān)測不同深度土層的變形情況,監(jiān)測精度可達0.01 mm。西青分層標組位于辛口鎮(zhèn),始建于2003年,最大監(jiān)測深度566 m(表2)。標組包括地面標1個、分層標7個、水位長觀孔4個,目前此分層標組已納入天津市地面沉降水準監(jiān)測控制網,進行聯(lián)測。

      表2 西青分層標分層情況Table 2 Layering of layerwise mark in Xiqing

      4.2 沉降監(jiān)測數(shù)據分析

      圖2是2011年至2018年西青分層標監(jiān)測深度范圍內(0-566 m)的沉降數(shù)據,雖然在2017年沉降量稍有增加,但地面沉降總體上呈減小趨勢,在2013年沉降量最大,為42.98 mm,逐漸減小到2018年的21.6 mm。從圖3的2018年分層沉降數(shù)據來看,C0-3第Ⅱ含水組以上地層沉降量較小,各層沉降量均小于2mm,C1-2第Ⅰ含水組地層出現(xiàn)了回彈;C3-5第Ⅲ含水組地層沉降6.19 mm,占總沉降量的29%;C5-6第Ⅳ含水組地層沉降10.67 mm,占總沉降量的49%;C6-7第Ⅴ含水組地層沉降2.36 mm,占總沉降量的11%??梢姷冖蟆ⅱ艉M地層是影響西青區(qū)地面沉降的主要層位。

      圖2 2011~2018年分層標沉降量Fig.2 Subsidence of layerwise mark in 2011~2018

      圖3 2018年分層沉降情況Fig.3 Subsidence of different layers in 2018

      4.3 水位監(jiān)測數(shù)據分析

      G1、G2水位長觀孔監(jiān)測第Ⅰ含水組與第Ⅱ含水組水位動態(tài)變化特征,多年監(jiān)測情況來看,第Ⅰ含水組水位在波動中基本處于平穩(wěn)狀態(tài),第Ⅱ含水組水位有所下降,在40 m左右基本保持平穩(wěn)。對應分層標監(jiān)測層C1-3,地層壓縮很小,反映出水位的變化對地面沉降影響較?。▓D4)。

      圖4 第I II含水組水位動態(tài)曲線Fig.4 Dynamic curve of groundwater level of No.1 and No.2 aquifer

      G3孔監(jiān)測第Ⅲ含水組水位動態(tài)變化特征,對應分層標監(jiān)測層位為C3-5。2011年1月至2014年10月,第Ⅲ含水組持續(xù)保持低水位,水位埋深為98 m左右,相應地層持續(xù)壓縮,累計沉降量46 mm,月平均沉降量1 mm;2015年以后水位有所回升,上升幅度約10 m,但截止2016年10月,地層仍呈持續(xù)壓縮趨勢,期間累計沉降量為15 mm;2017年水位明顯回升,水位埋深為50 m左右,2017年至2018年C3-5地層累計沉降量為15.62 mm,月平均沉降量0.65 mm(圖5)。

      圖5 第Ⅲ含水組沉降量與水位變化曲線Fig.5 Subsidence value and groundwater level of No.3 aquifer

      G5孔對應第Ⅴ含水組水位監(jiān)測情況,2011年至2018年水位在波動中基本保持平穩(wěn),有小幅回升趨勢(圖6),對應C6-7層位壓縮情況也相對比較平穩(wěn),由2011年5 mm下降至2018年2.36 mm。

      圖6 第V含水組水位動態(tài)曲線Fig.6 Dynamic curve of groundwater level of No.5 aquifer

      5 分層沉降原因討論

      隨著地下水的開采,地下水位下降,地層由于附加應力增加而壓縮,表現(xiàn)為地面沉降。以往對西青區(qū)C6孔黏性土做了前期固結壓力試驗,地層埋深180 m以淺,前期固結壓力Pc值基本在自重應力線P0兩側擺動,表現(xiàn)為地層正常固結,此類地層中如果存在地下水開采,地下水位下降便會引起地面沉降;地層埋深180~400 m,前期固結壓力Pc值普遍大于自重應力P0值,表現(xiàn)為超固結,埋深400 m以下超固結程度更加明顯[7-9](圖7),此類地層附加荷載超過Pc-P0時才會發(fā)生地面沉降。

      西青區(qū)埋深180 m以淺地層對應為第I含水組與第Ⅱ含水組,此二含水組鮮被開發(fā)利用,地層基本上保持了原有應力狀態(tài),地面沉降程度相對較輕,不是主要的沉降層位;埋深180 m以下為深部第Ⅲ ⅣV含水組,第ⅢⅣ含水組已經過多年開發(fā)利用,第Ⅲ含水組2016年水位埋深已達約90 m,對應地層沉降量相對較大。

      第Ⅲ、Ⅳ含水組地層持續(xù)壓縮可以用臨界水位來解釋,臨界水位是指不引起或不明顯引起地面沉降的極限水位。開采地下水,存在超固結的層位,水位埋深超過臨界水位便會引起地面沉降[10]。以往根據地層固結特征計算得出西青辛口鎮(zhèn)地區(qū)第Ⅲ含水組臨界水位為50-60 m[11],而多年長觀水位監(jiān)測該組水位在2011年已接近100 m,到2015年水位回升后仍在90 m左右,遠遠深于該組臨界水位,期間地層持續(xù)壓縮,引發(fā)地面沉降;2017年長觀地下水位回升至臨界水位,但地層壓縮未立即停止,只是速率有所減緩,這是由于本層黏性土厚度較大,而黏性土變形有一定的滯后效應[12-14],地面沉降將持續(xù)較長一段時間。

      圖7 西青Pc隨深度變化圖Fig.7 The relationship between Pc and depth in Xiqing

      圖8 辛口鎮(zhèn)地區(qū)第Ⅲ含水組水位埋深圖Fig.8 Depth of groundwater level of No.3 aquifer in Xinkou

      第Ⅳ含水組在本組分層標無長觀水位監(jiān)測,但從區(qū)域水位埋深情況來看,辛口鎮(zhèn)地區(qū)水位埋深90-100 m,而第Ⅳ含水組臨界水位為40-50 m,并且結合黏性土物理力學性質,如埋深346 m的黏土含水量為35.5%,孔隙比0.989[15],在持續(xù)超采地下水的條件下,此類土層較其他低含水量、低孔隙比的層位更易壓縮,產生地面沉降。

      圖9 辛口鎮(zhèn)地區(qū)第Ⅳ含水組水位埋深圖Fig.9 Depth of groundwater level of No.4 aquifer in Xinkou

      6 結論及建議

      (1)根據2011年至2018年分層標監(jiān)測資料得出西青區(qū)地面沉降形勢逐漸減緩,第Ⅲ、Ⅳ含水組地層是影響西青區(qū)地面沉降的主要層位。

      (2)第Ⅰ、Ⅱ含水組在西青區(qū)基本未開發(fā)利用,水位基本保持平穩(wěn),地層處于原始應力狀態(tài),沉降量相對較??;第Ⅲ含水組近2011-2016年持續(xù)開發(fā)利用,水位埋深接近100 m,遠遠超過該層臨界水位,對應地層持續(xù)壓縮沉降;2017年水位回升至臨界水位以上時,由于黏性土變形的滯后效應,地面沉降速率減緩,部分時間段地面沉降基本停止;第Ⅳ含水組地下水持續(xù)開發(fā),水位埋深低于該層臨界水位,且此層黏性土具有較高的含水量和孔隙比,地下水持續(xù)超采產生的沉降量較大;第Ⅴ含水組水位基本平穩(wěn),有小幅回升,對應地層勻速小幅沉降。

      (3)辛口鎮(zhèn)地區(qū)地面沉降受地下水開采影響大,應對本地區(qū)和周邊地區(qū)深層地下水開采進行嚴格控制,利用臨界水位合理開發(fā)地下水;加快建立地面沉降監(jiān)測預警系統(tǒng),提升地面沉降監(jiān)測長效監(jiān)管水平。

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