甘肅省地下水超采區(qū)地面沉降控制區(qū)判定方法和結(jié)果探討

李 平 平

(甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，甘肅省地下水工程及地?zé)豳Y源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省環(huán)境地質(zhì)與災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,蘭州 730050)

地面沉降現(xiàn)象在世界范圍內(nèi)普遍存在，作為一種“緩變地質(zhì)災(zāi)害”，具有成災(zāi)慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣等特點(diǎn)[1,2]。眾多研究結(jié)果表明：地下水資源的超量開(kāi)采是誘發(fā)區(qū)域地面沉降的主要原因[3-5]。甘肅省水資源短缺，地下水作為地表水的補(bǔ)充，由于水量穩(wěn)定，水質(zhì)好，是河西地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、工礦和城市的重要水源之一，近年來(lái)，地下水開(kāi)發(fā)利用比重呈不斷上升態(tài)勢(shì)。受經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地質(zhì)條件的制約，甘肅省地下水超采區(qū)多處于人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，人口相對(duì)集中，經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)地區(qū)，具體多為城市集中供水水源地和以地下水為主要灌溉水源的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，具有規(guī)模小而分散的特點(diǎn)。

甘肅省共有規(guī)模以上機(jī)電井51 845 眼，取水量32.54 億m3，占總供水量129.12 億m3的25.65%。地下水用水結(jié)構(gòu)中，居民生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水分別占全省地下水用水總量的7.19%、4.85%、84.94%，其他用水占3.02%。全省204個(gè)集中式供水水源地中地下水水源地占80個(gè)，占總數(shù)的39.2%。

在甘肅省已公布地下水超采區(qū)中，淺層地下水和深層承壓水全省共劃分出地下水超采區(qū)47個(gè)，主要分布在河西走廊平原區(qū)綠洲、黃河流域河谷川地及黃土臺(tái)塬區(qū)，超采面積16 395.21 km2；嚴(yán)重超采區(qū)4個(gè)，分別位于民勤縣、榆中縣、定西市安定區(qū)和白銀市平川區(qū)，在嚴(yán)重超采區(qū)中劃定禁采區(qū)1個(gè)，位于民勤縣湖區(qū)灌區(qū)，面積301.40 km2；一般超采區(qū)43個(gè)，其中河西內(nèi)陸河流域27個(gè)，黃河流域16個(gè)；全省地下水超采區(qū)可開(kāi)采量11.29 億m3，實(shí)際開(kāi)采17.88 億m3，超采 6.58 億m3[6]。

1 開(kāi)采區(qū)地下水類型及補(bǔ)給、徑流、排泄條件

地貌上甘肅省地處內(nèi)蒙古高原、黃土高原和青藏高原的交匯地帶，甘肅省地形復(fù)雜，地貌形態(tài)多樣，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁齊全，交錯(cuò)分布，地勢(shì)自西南向東北傾斜。受區(qū)域氣候、水文、地質(zhì)、地貌等控制，研究區(qū)水文地質(zhì)條件表現(xiàn)出地區(qū)性差異，按含水介質(zhì)性質(zhì)劃分，開(kāi)采區(qū)地下水類型均為第四系松散巖類孔隙水。

河西走廊開(kāi)采區(qū)地下水類型主要為中下游盆地內(nèi)的第四系松散巖類潛水-承壓水[7,8]。在南部祁連山區(qū)，地下水接受大氣降水(降雨、冰雪融水)的入滲補(bǔ)給，出山前絕大部分排泄于河(溝)谷而轉(zhuǎn)化為河水；進(jìn)入走廊平原的南部盆地，河水在洪積扇群帶大量滲漏轉(zhuǎn)化為地下水，至扇緣及細(xì)土平原地下水又呈泉水溢出地表而轉(zhuǎn)化為河水；河水通過(guò)連接南、北盆地間的溝谷進(jìn)入北部盆地，在洪積扇形地再度滲漏轉(zhuǎn)化為地下水，至北部湖積平原水位淺埋區(qū)全部蒸發(fā)殆盡，從而形成一個(gè)完整的水循環(huán)過(guò)程(圖1)。

圖1 河西走廊地下水與河水相互轉(zhuǎn)化示意圖 [9]Fig.1 Shows the schematic diagram of groundwater and river water in hexi corridor

隴中地區(qū)大部分地段降水量為300～500 mm/a，賦存于現(xiàn)代河(溝)谷第四系沖積層中的潛水是城市可供利用的最主要的地下水類型。大氣降水和河流地表水的徑流入滲是地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，且地表水與地下水水利聯(lián)系密切，表現(xiàn)為在山間溝谷地帶地表水補(bǔ)給地下水，而經(jīng)過(guò)峽谷時(shí)地下水補(bǔ)給河水；地下水大致沿河流流向自上游向下游徑流；主要以人工開(kāi)采、蒸發(fā)及側(cè)向徑流的方式排泄。

隴東黃土塬開(kāi)采區(qū)地下水類型主要為黃土孔隙裂隙潛水。董志塬以南的黃土塬區(qū)含水層為中更新統(tǒng)離石黃土[10]，以北的黃土塬區(qū)含水層為中下更新統(tǒng)離石黃土和午城黃土；含水層巖性為粉質(zhì)黏土和礫石層，厚度由塬中心大于60～70 m漸變至塬邊緣的小于10～20 m。地下水唯一補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水入滲；地下水自黃土塬中心向塬四周深切的溝谷徑流；主要以泉水溢出、人工開(kāi)采的方式排泄(圖2)。

1-馬蘭黃土；2-離石黃土；3-午城黃土；4-三趾馬紅土；5-砂巖；6-砂礫巖；7-亞砂土；8-潛水面；9-泉圖2 董志塬黃土潛水補(bǔ)給、徑流、排泄條件示意圖 [11]Fig.2 Schematic diagram of water supply, runoff and drainage conditions of dong zhi-yuan

2 地面沉降控制區(qū)范圍劃定方法

地面沉降控制區(qū)范圍劃定是在地下水超采區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地面沉降專項(xiàng)調(diào)查和訪問(wèn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)調(diào)查訪問(wèn)結(jié)果，推算歷史累計(jì)沉降量，對(duì)照地面沉降區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)，將中心區(qū)累計(jì)沉降量小于50 mm區(qū)域劃定為非地面沉降區(qū)；將累計(jì)沉降量大于等于50 mm的區(qū)域劃定為地面沉降區(qū)。在未調(diào)查到地面累計(jì)沉降量的情況下，首先采用了水文地質(zhì)比擬法來(lái)確定地面沉降區(qū)，而后根據(jù)含水層厚度、層數(shù)、巖性對(duì)地面沉降易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，含水層巖性為礫卵石的劃分為非地面沉降區(qū)，含水層巖性為砂的劃分為地面沉降區(qū)；最后根據(jù)地面沉降發(fā)育程度和危害程度及國(guó)家有關(guān)部門地面沉降區(qū)地下水壓采方案編制技術(shù)要求[12]綜合確定地面沉降控制級(jí)別。地面沉降區(qū)的命名采用縣級(jí)或以上行政區(qū)+沉降中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)+發(fā)育程度的方式命名。地下水地面沉降區(qū)及地面沉降控制區(qū)劃分技術(shù)路線見(jiàn)圖3。

表1 地面沉降易發(fā)性評(píng)價(jià)表Tab.1 Surface settlement vulnerability evaluation table

圖3 地下水地面沉降區(qū)及地面沉降控制區(qū)劃分技術(shù)路線圖Fig.3 The technical road map of ground subsidence area and ground settlement control area

3 地面沉降區(qū)范圍劃定

地下水超采區(qū)可分為河西內(nèi)陸河沖積平原區(qū)、隴西黃土高原河谷盆地區(qū)和隴東黃土塬區(qū)3種類型。

3.1 地下水超采區(qū)地面沉降易發(fā)性評(píng)價(jià)

地面沉降易發(fā)性由含水層厚度來(lái)評(píng)價(jià)，含水層為軟土層厚度大于10 m判定為易發(fā)區(qū)，含水層為松散層厚度大于50 m判定為易發(fā)區(qū)，其余都判定為不易發(fā)區(qū)。

河西內(nèi)陸河沖積平原區(qū)的地下水超采區(qū)可分為兩類，一類地處戈壁區(qū)的地下水超采區(qū)，其含水層主要為卵礫石層，且厚度比較大，評(píng)價(jià)結(jié)果除嘉峪關(guān)市淺層小型一般超采區(qū)地面沉降易發(fā)性為低易發(fā)外，其余均為高易發(fā)；另一類地處細(xì)土平原區(qū)的地下水超采區(qū)，其含水層主要為粉細(xì)砂-中砂等細(xì)粒物質(zhì)，含水層厚度大，評(píng)價(jià)結(jié)果均為地面沉降高易發(fā)區(qū)。

隴中黃土高原河谷盆地區(qū)的地下水超采區(qū)，其地下水含水層主要為卵礫石層，且含水層厚度都不大，除在涇河河谷松散層厚度局部達(dá)到40 m外，其余均在3～30 m之間，由于各河谷盆地松散層厚度均小于50 m，地面沉降易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果均為不易發(fā)。

隴東黃土塬區(qū)即指慶陽(yáng)董志塬區(qū)，包括慶陽(yáng)西峰董志塬和寧縣和盛和慶城縣3個(gè)地下水超采區(qū)，其含水層為黃土，且黃土厚度較大，均在100～150 m之間，評(píng)價(jià)結(jié)果均為中易發(fā)。

3.2 地下水超采區(qū)地面沉降區(qū)劃定

地下水超采區(qū)是否劃為地面沉降區(qū)，采用各地下水超采區(qū)地面沉降易發(fā)性和地下水儲(chǔ)存介質(zhì)類型綜合判定。

河西內(nèi)陸河沖積戈壁區(qū)的地下水超采區(qū)，其含水層主要為礫石層，地面沉降易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果為高易發(fā)，綜合水文地質(zhì)條件，該類地下水超采區(qū)均不劃入地面沉降區(qū)；地處細(xì)土平原區(qū)的地下水超采區(qū)，其含水層主要為粉細(xì)砂-中砂等細(xì)粒物質(zhì)，地面沉降易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果為地面沉降高易發(fā)區(qū)，綜合水文地質(zhì)條件，該類地下水超采區(qū)劃定為地面沉降區(qū)。

隴中黃土高原河谷盆地區(qū)的地下水超采區(qū)，其地下水含水層主要為卵礫石層，地面沉降易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果均為不易發(fā)，綜合判定后認(rèn)為，該類地下水超采區(qū)均不劃入地面沉降區(qū)。

隴東黃土塬區(qū)的3個(gè)地下水超采區(qū)，其含水層為黃土，含水層厚度較大，地面沉降易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果均為中易發(fā)，綜合水文地質(zhì)條件，該類地下水超采區(qū)劃定為地面沉降區(qū)。

綜合以上地下水超采區(qū)，采用地面沉降易發(fā)性結(jié)合水文地質(zhì)比擬法劃定的地下水沉降區(qū)結(jié)果見(jiàn)表2。

4 地面沉降控制區(qū)劃分

4.1 地面沉降區(qū)發(fā)育程度分區(qū)

地面沉降發(fā)育程度分區(qū)按照地面沉降監(jiān)測(cè)資料，按近5年累計(jì)沉降量大小或者平均沉降速率大小進(jìn)行分區(qū)。在甘肅省沒(méi)有地面沉降監(jiān)測(cè)資料的情況下，采用地面沉降專項(xiàng)調(diào)查資料，結(jié)合水文地質(zhì)條件，并參考河北省相關(guān)成果，采用水文地質(zhì)比擬法劃分。

河北省是我國(guó)地面沉降災(zāi)害最為發(fā)育的省份，在1985年就已開(kāi)始進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)工作，積累了豐富的地面沉降監(jiān)測(cè)資料，根據(jù)收集的地面沉降控制區(qū)劃定資料，其嚴(yán)重超采區(qū)形成的降落漏斗中心區(qū)，30年來(lái)地下水位累計(jì)下降達(dá)到100 m，累計(jì)沉降量達(dá)到甚至超過(guò)3.0 m，在累計(jì)地下水位下降超過(guò)60 m的地方，其累計(jì)地面沉降量也已達(dá)到或超過(guò)2.0 m，據(jù)此推算出其地下水位每下降10 m，每年的地面沉降速率為1.0～1.1 cm/a，類比后認(rèn)為大厚度細(xì)顆粒含水層地下水位下降10 m，近30年來(lái)的累計(jì)地面沉降量達(dá)到0.30～0.33 m，則平均沉降速率為10～11 mm/a,剛達(dá)到地面沉降控制區(qū)劃定的界限值。甘肅省地下水位累計(jì)下降均小于20 m，意味著本次劃定的地面沉降區(qū)平均沉降速率均小于22 mm/a，則甘肅省地下水超采區(qū)地面沉降發(fā)育程度均為弱。

表2 地面沉降區(qū)范圍劃定成果表Tab.2 The scope of land subsidence area shall be demarcated

4.2 地面沉降區(qū)危害程度分區(qū)

甘肅省地面沉降區(qū)多為農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)，僅個(gè)別沉降區(qū)包含城區(qū)或其規(guī)劃區(qū)，地面沉降危害程度按照地面沉降區(qū)土地使用和規(guī)劃功能進(jìn)行劃分，均為危害程度中等或小。

4.3 地面沉降控制區(qū)分級(jí)

將地面沉降發(fā)育程度分區(qū)和危害程度分區(qū)進(jìn)行疊加，按照地面沉降控制分區(qū)分級(jí)表進(jìn)行分級(jí)(表3)，則甘肅省地面沉降控制區(qū)分級(jí)結(jié)果均為三級(jí)。

表3 地面沉降控制區(qū)分級(jí)表Tab.3 Classification table of ground subsidence control area

4.4 地面沉降區(qū)控制區(qū)命名

前已述及，由于甘肅省劃定的地面沉降控制區(qū)其地面沉降發(fā)育程度均為弱，依據(jù)地面沉降區(qū)名稱命名規(guī)則，對(duì)甘肅省地下水超采區(qū)地面沉降控制區(qū)進(jìn)行命名(表4)。

表4 地面沉降控制區(qū)一覽表Tab.4 List of ground settlement control area

5 結(jié) 語(yǔ)

在甘肅省已公布地下水超采區(qū)中，淺層地下水和深層承壓水全省共劃分出地下水超采區(qū)47個(gè)，其中嚴(yán)重超采區(qū)4個(gè)和一般超采區(qū)43個(gè)，在嚴(yán)重超采區(qū)中劃定禁采區(qū)1個(gè)。

由于甘肅省已公布的47個(gè)地下水超采區(qū)中沒(méi)有開(kāi)展地下水超采區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)工作，缺乏地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，也未發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象。故本次工作主要依據(jù)甘肅省30多年來(lái)地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合地下水超采區(qū)地下水含水層厚度、巖性和地面沉降易發(fā)性評(píng)價(jià)表，采用水文地質(zhì)條件比擬法劃定了酒泉市玉門花海、酒泉市瓜州縣等16個(gè)地下水地面沉降控制區(qū)，并進(jìn)行了地面沉降控制區(qū)分級(jí)和命名，結(jié)果均為三級(jí)控制區(qū)。可初步作為甘肅省地面沉降控制區(qū)范圍，以便為制定地面沉降控制區(qū)地下水壓采方案提供依據(jù)。

沒(méi)有地下水超采區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)資料支撐的情況下，采用水文地質(zhì)比擬法劃定，結(jié)果比較粗略，建議有關(guān)部門盡快在地下水超采區(qū)劃定的地面沉降區(qū)開(kāi)展地面沉降監(jiān)測(cè)工作。