紀(jì)洪磊

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州 253015)

濱州市地面沉降成因淺析

紀(jì)洪磊

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州 253015)

截至2016年4月，濱州市地面沉降量超過20mm的面積達(dá)到了2881km2，約占全市面積的30%，地面沉降災(zāi)害日益嚴(yán)重。為查明濱州市地面沉降現(xiàn)狀和沉降成因，采用二等水準(zhǔn)測量、地下水位監(jiān)測、鉆探取樣、測試分析、地下水開采量調(diào)查等方法，對比2005年5月、2008年8月、2012年9月、2014年10月、2015年5月、2016年4月等多期二等水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)，從點(diǎn)、線、面3個(gè)方面進(jìn)行了累計(jì)沉降量和沉降速率的分析，并從山前沖積、洪積平原水文地質(zhì)單元區(qū)和黃河沖積平原水文地質(zhì)單元區(qū)的水文地質(zhì)特征、地層結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)方面進(jìn)行了濱州市地面沉降成因分析，基本查明了濱州市地面沉降現(xiàn)狀及其演變特征，揭示了超量抽取地下水造成地下水位下降和具有較大壓縮性的地層結(jié)構(gòu)是影響該區(qū)地面沉降的2個(gè)主要因素。

地面沉降；二等水準(zhǔn)測量；壓縮系數(shù)；濱州市

1 地質(zhì)背景

1.1 地形地貌

濱州市主要由黃河泛濫沖積平原、濱海平原、山前沖積洪積平原組成，低山地貌僅在鄒平縣南部分布。地形自西南向東北微傾斜*山東省地質(zhì)局第二水文地質(zhì)隊(duì)，山東省惠民地區(qū)農(nóng)田供水水文地質(zhì)勘察報(bào)告，1980年。。

1.2 地層

濱州市400m深度內(nèi)主要為第四紀(jì)平原組地層，該組由一套疏松的河湖相、濱海相、海相及山前沖洪積相沉積物組成，厚度250～400m。其巖性上部為淺黃、灰黃色砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)砂土、粉土夾粉砂；下部為淺灰色、棕紅、灰綠色砂質(zhì)粘土、粘土與粉砂、細(xì)砂互層，鈣質(zhì)結(jié)核發(fā)育，粘性土結(jié)構(gòu)致密。底部見鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖，與下伏新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組不整合接觸①。

1.3 水文地質(zhì)條件

工作區(qū)屬于魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)，分屬于沖積洪積平原淡水水文地質(zhì)亞區(qū)和沖積、海積、沖積平原咸淡水水文地質(zhì)亞區(qū)。

1.3.1 淺層潛水—微承壓水

博興縣小清河以南山前地區(qū)的含水層受沖積扇控制，多呈片狀分布，巖性以粉細(xì)砂、細(xì)砂為主，其次為中細(xì)砂、粉砂，局部地段有中粗砂及小礫石。含水層埋深10～40m，累計(jì)厚度5～20m，單井涌水量900～1200m3/d。

小清河以北的廣大地區(qū)含水層多受古河道制約，呈條帶狀分布，含水層巖性以粉細(xì)砂、細(xì)砂為主，其次為中細(xì)砂、砂質(zhì)粘土。含水層埋深15～40m，累積厚度10～30m，單井涌水量960～1360m3/d(圖1)。

水位埋深在小清河以南多大于8m，博興縣店子鎮(zhèn)、興福鎮(zhèn)及曹王鎮(zhèn)一帶水位埋深在25m以下，小清河以北的水位埋深一般為1～3m，黃河兩側(cè)為1～2m。

1—粉細(xì)砂；2—粉土；3—粉質(zhì)粘土；4—粘土；5—深層地下水埋深線；6—咸水體界線圖1 濱州市水文地質(zhì)剖面圖

1.3.2 中深層承壓水

中深層承壓淡水主要分布在博興地段，中深層淡水含水層巖性以粉細(xì)砂、細(xì)砂為主，其次為中細(xì)砂、中粗砂及小礫石。含水層埋深在180～270m左右，累計(jì)厚度20～50m，單井涌水量960～1440m3/d，水位埋深30～50m。

1.3.3 深層地下水

工作區(qū)深層淡水頂界面埋深200～400m，含水層巖性以細(xì)砂，中細(xì)砂為主，其次是中粗砂、粗砂、礫石及粉細(xì)砂，累計(jì)厚度20～50m，單層厚度3～5m，最厚可達(dá)8m，推降20m，單井涌水量480～1440m3/d，局部可達(dá)1680m3/d，水位埋深50～110m。

2 地面沉降現(xiàn)狀

2.1 地面沉降現(xiàn)狀

截至2016年4月，濱州市沉降量超過20mm的區(qū)域面積約2881km2，占全市面積30%。

2005年5月至2016年4月，博興縣全縣、濱城區(qū)全區(qū)累計(jì)沉降量均超過100mm。且以小營街辦、龐家鎮(zhèn)為界，存在2個(gè)沉降中心，2005年5月—2016年4月，濱城區(qū)沉降中心累計(jì)沉降量392mm，沉降速率為35.91mm/a，沉降量超過300mm的區(qū)域面積約101km2；博興縣沉降中心累計(jì)沉降量667mm，沉降速率為61.10mm/a，沉降量超過300mm的區(qū)域面積約705km2(圖2)。

1—大于500mm沉降量區(qū)；2—300～500mm沉降量區(qū)；3—150～300mm沉降量區(qū)；4—20～50mm沉降量區(qū)；5—小于20mm沉降量區(qū)；6—2005年5月—2016年4月沉降量分區(qū)線；7—2014年10月—2016年4月沉降量分區(qū)線圖2 濱州市沉降現(xiàn)狀圖

2014年10月—2016年4月，濱州市存在無棣、沾化、鄒平以及惠民-濱城區(qū)-博興多個(gè)沉降區(qū)，具體數(shù)據(jù)見表1。

無棣縣沉降區(qū)域分布在柳堡—水灣一帶，18個(gè)月累計(jì)沉降量超過20mm的區(qū)域面積約309km2，沉降中心的沉降速率為47.3mm/a。

沾化區(qū)沉降區(qū)域分布在沾化城區(qū)—佘家港鄉(xiāng)一帶，18個(gè)月累計(jì)沉降量超過20mm的區(qū)域面積約240km2，沉降中心的沉降速率為25.3mm/a。

鄒平縣沉降區(qū)域分布在縣城—九戶鎮(zhèn)一帶，18個(gè)月累計(jì)沉降量超過20mm的區(qū)域面積約256km2，沉降中心沉降速率為20.0mm/a。

表1 2014年10月—2016年4月濱州市地面沉降現(xiàn)狀

惠民-濱城區(qū)-博興沉降區(qū)自惠民西部、濱城區(qū)北部及整個(gè)博興縣呈帶狀相連，18個(gè)月累計(jì)沉降量超過20mm的區(qū)域面積約2074km2，北部沉降中心18個(gè)月累計(jì)沉降量為66mm，沉降速率為44mm/a；東部沉降中心18個(gè)月累計(jì)沉降量為39mm，沉降速率為26.0mm/a；博興縣南部沉降中心18個(gè)月累計(jì)沉降量為92mm，沉降速率為61.3mm/a。

2.2 地面沉降演變

根據(jù)濱城區(qū)和博興縣2個(gè)沉降中心歷年變化曲線圖(圖3、圖4)，濱城區(qū)沉降曲線形態(tài)呈內(nèi)凹曲線，博興縣沉降曲線呈外凸曲線，其斜率即為沉降速率，表明濱城區(qū)在逐年減小，博興縣在逐年增加。2005年5月—2012年8月，濱城區(qū)沉降中心月均沉降4mm，2005年5月—2014年10月，月均沉降3.4mm，2005年5月—2016年4月，月均沉降3.0mm，沉降逐漸變緩。2005年5月—2012年8月，博興縣沉降中心月均沉降2.6mm，2005年5月—2014年10月，月均沉降5mm，2005年5月—2016年4月，月均沉降5.1mm，沉降仍呈增大趨勢(表2)。

表2 濱城區(qū)、博興縣沉降中心沉降速率變化

圖3 濱城區(qū)沉降中心標(biāo)高歷年變化曲線圖

圖4 博興縣沉降中心標(biāo)高歷年變化曲線圖

根據(jù)表2中沉降速率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，濱城區(qū)沉降中心B19點(diǎn)沉降速率2005—2014年逐年減小，2014—2016年有增大趨勢。博興縣沉降中心B3點(diǎn)沉降速率2005—2014年呈增長趨勢，2014—2016年略微下降，但仍高于B19點(diǎn)歷年沉降速率。在多期沉降量剖面圖中更為直觀(圖5、圖6)，沿東西、南北剖面，均發(fā)生沉降，但沉降速率不同。以龐家鎮(zhèn)為界，博興縣地面沉降更為嚴(yán)重，濱城區(qū)相對較差，濱城區(qū)西部里則街辦沉降趨緩。

圖5 博興縣-濱城區(qū)地面沉降多期剖面圖(南北向)

圖6 濱城區(qū)地面沉降多期剖面圖(東西向)

多期沉降剖面上同一點(diǎn)位的沉降線間距即為該時(shí)間段的沉降量，線間距越寬，表征沉降量越大，線間距越緊密，表征沉降量越小。濱城區(qū)沉降點(diǎn)沉降速率明顯小于博興縣沉降點(diǎn)的沉降速率。對應(yīng)平面圖上，博興縣龐家鎮(zhèn)以南沉降區(qū)面積擴(kuò)展較快，2012—2016年，300mm沉降量等值線從湖濱鎮(zhèn)—呂藝鎮(zhèn)一線往北推進(jìn)到博興縣城北—陳戶鎮(zhèn)—喬莊鎮(zhèn)一線。濱城區(qū)沉降范圍相對擴(kuò)展較小，300mm沉降量等值線推進(jìn)到杜店街辦—小營街辦—梁才街辦一線(圖7)。

1—100mm沉降量等值線；2—300mm沉降量等值線；3—500mm沉降量等值線圖7 濱城區(qū)-博興縣地面沉降多期平面圖

3 地面沉降成因分析

3.1 水文地質(zhì)特征對地面沉降的影響

地面沉降實(shí)質(zhì)是松散地層的壓縮固結(jié)或壓密。粘性土的壓縮變形量較砂性土大的多，且粘性土的壓縮變形一般不可恢復(fù)，即多屬于塑性(永久)變形，且在時(shí)間上存在滯后性，即壓力消失后長時(shí)間內(nèi)壓縮變形仍繼續(xù)發(fā)生[1-2]。

諸多研究表明[2-5]，地下水開采是引起華北平原地面沉降的主要因素。對于抽取地下水引起的地面沉降，根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理，土層總壓力等于土顆粒間壓力與孔隙壓力之和。承壓水頭降低時(shí)，水頭壓力隨之減小，原土層中的壓力平衡被破壞，原本由固體顆粒和液體共同承擔(dān)的壓力，因含水層與粘性土層中的孔隙水外流，土體有效應(yīng)力增大，土體顆粒骨架中的孔隙被壓縮，造成粘性土層固結(jié)，砂層被壓密，從而引起地面沉降[6-9]。

華北平原地面沉降均分布于地下水集中開采區(qū)，北京、天津、廊坊、滄州及德州地面沉降的產(chǎn)生和發(fā)展過程與地下水水位變化過程基本同步或略為滯后，雖然各區(qū)沉降與水位降深相應(yīng)敏感程度不同，但總體呈正相關(guān)關(guān)系[10-11]。

目前濱州深層地下水降落漏斗有5個(gè)，分別為以濱城區(qū)、博興縣城、惠民縣城、無棣縣埕口鎮(zhèn)、鄒平縣城九戶鎮(zhèn)為中心的地下水降落漏斗(圖8)。博興縣地下水漏斗中心水位埋深112.21m(2016年5月)，濱城區(qū)地下水漏斗中心水位埋深114.65m(2016年5月)。小清河以北地面沉降漏斗與地下水降落漏斗基本吻合，小清河以南該規(guī)律不明顯。

1—2005年5月—2016年4月沉降量等值線(mm)；2—2014年10月—2016年4月沉降量等值線(mm)；3—2016年4月深層地下水等水壓線(m)圖8 地面沉降與水位埋深關(guān)系圖(2005年5月—2016年4月)

這與水文地質(zhì)單元有關(guān)，小清河以南為山前沖積、洪積平原水文地質(zhì)單元區(qū)，以北為黃河沖積平原水文地質(zhì)單元區(qū)。山前沖積、洪積平原水文地質(zhì)區(qū)含水層受沖洪積扇制約，呈扇狀或片狀分布，自南向北和自軸部向兩側(cè)的扇間地帶，含水層顆粒由粗變細(xì)，層次逐漸增多，而單層厚度則漸次變薄，隨著地質(zhì)歷史演化，地殼不斷下沉，沖洪積扇裙亦隨之向南退縮，上新世-下更新世的沖洪積扇裙一直延伸到濱北鎮(zhèn)—利津縣一線，而上更新世-全新世僅局限在小清河以南地區(qū)*山東省地質(zhì)局第二水文地質(zhì)隊(duì)，山東省惠民地區(qū)農(nóng)田供水水文地質(zhì)勘察報(bào)告，1980年。。地下水的徑流方向由南而北，與沖積、洪積扇根到扇緣軸線方向一致，南北向地下水水力聯(lián)系更為密切。而中深層咸水體呈楔狀由北而南插入淡水含水層，在博興縣城北漸滅，故小清河以南淺、中、深層地下水均為淡水，且地勢稍高，引黃條件較差，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多數(shù)依靠抽取地下水。濱城區(qū)引黃條件較好，2010年后，深層地下水開采量銳減，且開采層位埋藏深，一般在400m以下，屬于微超固結(jié)或超固結(jié)地層，開采地下水，地層受有效應(yīng)力作用下地面沉降壓縮量相對較小。而小清河南部地區(qū)地下水含水層埋深較淺，沉積時(shí)間短，尚處于正常固結(jié)或欠固結(jié)狀態(tài)，開采淺、中、深層地下水，地層受有效應(yīng)力作用時(shí)，地面沉降壓縮量表現(xiàn)更為明顯。因此超量開采中深層地下水造成承壓含水層水位大幅度下降是濱州市產(chǎn)生地面沉降的一個(gè)重要原因[11-17]。

3.2 地層結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)對地面沉降的影響

地面沉降量除了與地下水開采量的因素外，還與地層本身結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)有關(guān)[18-21]。抽取地下水是導(dǎo)致松散地層壓縮固結(jié)的外因，地層本身結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)則是引起壓縮固結(jié)的內(nèi)因。博興縣和濱城區(qū)兩地相同水位埋深的沉降量最大相差31mm，最小相差4mm，造成這一現(xiàn)象的主要原因就是兩地地層結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì)不同而引起的。

地面沉降一般發(fā)生在濱海、河流沖積平原以及三角洲平原地區(qū)，這些地區(qū)的特點(diǎn)是松散沉積層較厚，顆粒較細(xì)，具有多層承壓含水層和中—高壓縮性的粘性土層或淤泥質(zhì)粘性土層。通過對博興縣和濱城區(qū)區(qū)內(nèi)鉆孔取樣測試對比，發(fā)現(xiàn)博興縣城地段含水層厚度小、層數(shù)少，可壓縮的粘性土平均厚度超過80m，而濱城區(qū)含水層厚度大、層數(shù)多，可壓縮的粘性土平均厚度相對偏小，約42m左右。博興縣粘性土平均壓縮系數(shù)為0.13MPa-1，孔隙比為0.76，濱城區(qū)粘性土的平均壓縮系數(shù)為0.11MPa-1，孔隙比為0.60[15-17]。粘性土的壓縮系數(shù)與孔隙比均比博興縣小，因此，粘土層壓縮性較大的博興縣沉降量大于濱城區(qū)(圖9)。具有較大壓縮性的地層結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生地面沉降的另一個(gè)重要因素[18]。

圖9 濱城區(qū)B1孔-博興縣B7孔壓縮系數(shù)與深度變化圖

4 結(jié)論

(1)濱州市5處地面沉降區(qū)，濱城區(qū)和博興縣沉降較為嚴(yán)重，以博興縣龐家鎮(zhèn)為界，南部沉降仍逐年增大，北部沉降有減緩趨勢。

(2)超量抽取中深層地下水造成地下水位下降和具有較大壓縮性的地層結(jié)構(gòu)是影響該區(qū)地面沉降的2個(gè)主要因素。

(3)濱州市應(yīng)在已建立的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，加強(qiáng)地下水動態(tài)和地面沉降監(jiān)測工作；調(diào)整地下水開采布局、控制地下水開采量；對地下水開采層位進(jìn)行人工回灌；實(shí)行地下水開采總量控制、計(jì)劃開采和目標(biāo)管理控制措施。

[1] 王勝嶺，宋波，王德生，等．德州市臨盤采油區(qū)地面沉降監(jiān)測[J]．山東國土資源，2009，25(1)：26-29．

[2] 孟慶峰，戴魯旗．德州市地面沉降現(xiàn)狀及防治對策[J].山東國土資源，2008，24(11)：9-10．

[3] 胡惠民，沈永堅(jiān)．華北地區(qū)及其主要城市地面沉降的演變和發(fā)展[J]．中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1991，12(2)：23-25．

[4] 何國榮，馮在敏，馮克印，等．水準(zhǔn)測量網(wǎng)監(jiān)測在德州市地面沉降中的應(yīng)用[J]．山東國土資源，2012，28(6)：28-30．

[5] 王仕昌，繩懷海，毛福仁，等．平陰縣環(huán)境地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害防治探析[J]．山東國土資源，2012，28(11)：17-20．

[6] 盧德生，繆俊發(fā)，茹以群，等．地下水現(xiàn)場彌散試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算[J]．巖土工程技術(shù)，1999，3(3)：60-62．

[7] 王小剛，鄒祖光，王秀芹，等．東營市城區(qū)地面沉降影響因素[J]．山東國土資源，2006，22(5)：50-53．

[8] 宋印勝．地面沉降影響因素定量分析法比較[J]．山東地質(zhì)，1999，15(1)：46-50．

[9] 胡彩萍，張景燕，郝夢圓，等．黃河三角洲生態(tài)區(qū)孔隙熱儲地?zé)衢_發(fā)對地面沉降的影響分析[J]．山東國土資源，2017，33(2)：39-42．

[10] 張永偉，李紅霞，商婷婷，等．基于層次分析法的德州地面沉降易發(fā)區(qū)的可拓學(xué)劃分應(yīng)用[J]．山東國土資源，2016，32(7)：59-65．

[11] 李國和，荊志東，許再良．京滬高速鐵路沿線地面沉降與地下水位變化關(guān)系探討[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008，35(6)：90-94．

[12] 林良俊，孫曉明，柳富田．新時(shí)期沿海地區(qū)國土開發(fā)面臨的形勢和主要環(huán)境地質(zhì)問題及對策研究[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010,37(3)：1-3．

[13] 張永偉．華北平原德州地面沉降成生機(jī)理、監(jiān)測預(yù)警與可控性研究[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)，2014：1-100．

[14] 蔡文．物元模型及應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1994：50-60．

[15] 賈超,肖樹芳,劉寧.可拓學(xué)理論在洞室?guī)r體質(zhì)量評價(jià)中的應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，(5)：751-756．

[16] 賈德旺，岳躍華，葉進(jìn)霞，等．濟(jì)寧城區(qū)地面沉降演變規(guī)律及經(jīng)濟(jì)損失估算方法[J]．山東國土資源，2006，22(11)：38-41．

[17] 陳杰，朱國榮，顧阿明，等．biot固結(jié)理論在地面沉降計(jì)算中的應(yīng)用[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003，30(2)：28-31．

[18] 郭小萌，宮輝力，朱峰，等．基于矩陣的GMS模型預(yù)測地面沉降——以北京市平原區(qū)為例[J]．水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40(6)：101-105．

[19] 鄭銑鑫,武強(qiáng),侯艷聲,等.關(guān)于城市地面沉降研究的幾個(gè)前沿問題[J].地球?qū)W報(bào)，2002，23(3)：279-282.

[20] 孫斌,武顯倉,林廣奇,張樂.東營市地面沉降模型的構(gòu)建與應(yīng)用[J].山東國土資源,2017,33(4)：63-67.

[21] 李日云,王利,張雙成.灰色預(yù)測模型在高層建筑物沉降預(yù)測中的應(yīng)用研究[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2005,2(7)：84-87.

AnalysisonLandSubsidenceinBinzhouCity

JI Honglei

(Lubei Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Dezhou 253015, China)

By April 2016, over 20mm area of the land subsidence in Binzhou reached 2881km2, which is about 30% of the total. From May 2005 to April 2016, the cumulative subsidence of whole Boxing, Bincheng are more than 100mm. The subsidence center of Bincheng has reached 392mm, while it is 667mm in Boxing. The land subsidence in Binzhou city is becoming more and more serious. In order to find out the current situation and the causes of land subsidence, through land subsidence measurement, groundwater level monitoring, drilling sampling, testing and analysis, groundwater survey and other methods, comparing second-class leveling data and water level data in May 2005, August 2008, September 2012, October 2014, May 2015 and April 2016, from the aspects of points, lines and surfaces, accumulating settlement amount and settlement rate have been analyzed. From the aspects of geological characteristics, the formation structures and the mechanical properties of hydrogeological units, including the piedmont alluvial plain, the flood plain hydrogeological unit area, and the the Yellow River hydrogeological unit, the current situation and evolution characteristics of land subsidence in Binzhou city have been found. The conclusion reveals that the excessive extraction of groundwater and larger compressibility of strata structure are the two major factors which will affect land subsidence in this area.

Land subsidence; second-class leveling; compression coefficient; Binzhou city

2017-02-17；

2017-03-28；

曹麗麗

濱州市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警工程，編號：BZGC-2013-123；濱州市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警工程(二期)，編號：BZGC-2015-130

紀(jì)洪磊(1984—)，男，山東濱州人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；E-mail:jhl0543@163.com

P642.26

B

紀(jì)洪磊.濱州市地面沉降成因淺析[J].山東國土資源，2017,33(12)：37-42.JI Honglei.Analysis on Land Subsidence in Binzhou City[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(12)：37-42.