王奎峰 姬廣勝

摘 要：黃河三角洲北部河口地區(qū)靠近沿海地帶，是我國成陸時間最短的河口三角洲地區(qū)，第四紀(jì)海陸相地層交互發(fā)育，淤泥質(zhì)軟土大面積分布，地層自固結(jié)普遍存在，地面沉降范圍大、發(fā)育迅速，制約了該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。通過分析該區(qū)域地面沉降監(jiān)測網(wǎng)標(biāo)石的最新水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)，對該區(qū)域的地面沉降特征進行了歸納總結(jié)，整體來說河口地區(qū)東部孤島、仙河鎮(zhèn)地面沉降量比較大，西部沉降量較小，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)背景、自然條件及人類工程經(jīng)濟活動對地面沉降的成因進行了分析。

關(guān)鍵詞：地面沉降;水準(zhǔn)測量;沉降誘因;黃河三角洲北部;河口區(qū)

中圖分類號：TV41;P737 文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.024

Abstract： The north of Yellow River deltais near the coast and the estuary region is the area with the shortest history in our country. The quaternary sea continental strata interactive development in this area， silt soft soil area distribution， formation since the consolidation is widespread， large range of land subsidence and rapid development have restricted the sustainable development of the region. This article through to the area of land subsidence monitoring network in recent years and the latest monument leveling data， analyzed the development status quo and characteristics of ground subsidence， ground settlement characteristics of the region for the induction summary. In summary， the eastern estuary region of Gudao and Xianhe towns land subsidence quantity was larger and the western settlement was smaller. Combining with the study area geology background of natural conditions and human engineering activity， the ground subsidence causes were analyzed and concluded that the urban geological safety protection of the estuary region of the Yellow River was of great significance.

Key words： land subsidence; leveling; subsidence incentives; north of Yellow River delta; Hekou district

地面沉降是在自然與人類工程經(jīng)濟活動的影響下，因地下松散地層固結(jié)壓縮而導(dǎo)致地殼表面標(biāo)高降低的一種局部地面下降運動[1-5]。黃河三角洲地區(qū)地面沉降現(xiàn)象較為顯著，一方面伴隨著黃河三角洲的形成和發(fā)展，巨厚的新近紀(jì)沉積物和海相淤積層的自重固結(jié)過程引起地面沉降;另一方面地下水大規(guī)模的開發(fā)利用和石油開采等人類經(jīng)濟活動引起黃河三角洲地區(qū)出現(xiàn)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害。黃河三角洲北部是地面沉降較為嚴(yán)重的沉降區(qū)之一，多年來大規(guī)模的石油開采及中淺層鹵水開采導(dǎo)致該地區(qū)的沉降速率和范圍顯著增大[6-12]。隨著黃河三角洲高效經(jīng)濟區(qū)及東營港經(jīng)濟區(qū)的規(guī)劃建設(shè)，其發(fā)展將持續(xù)升溫，經(jīng)濟的快速發(fā)展將對城市地質(zhì)安全保障提出更高的要求。因此，本文結(jié)合研究區(qū)內(nèi)最新開展的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對區(qū)內(nèi)地面沉降特征及成因進行分析，以期對該地區(qū)城市建設(shè)及地質(zhì)安全保障提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河三角洲地區(qū)北部沿海地段，處于渤海南部的黃河入?？谘匕兜貐^(qū)，地理位置優(yōu)越、自然資源豐富、生態(tài)系統(tǒng)獨特，在環(huán)渤海地區(qū)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。黃河三角洲是一典型扇形三角洲，由黃河填海造陸而形成，屬河流沖積物覆蓋海相層的二元相結(jié)構(gòu)，為世界上最年輕的陸地之一。該區(qū)域地處海陸交接地帶，成陸時間較短，在海洋、陸地、河流和濕地交互演化的影響下，地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)表現(xiàn)出易變性、不穩(wěn)定性和脆弱性。黃河三角洲新近沉積的地層具有其獨特的工程地質(zhì)特性，鑒于其自重固結(jié)過程尚未完成，三角洲相的黏性土層表現(xiàn)出承載力低、易沉降的特點，再加上人類工程經(jīng)濟活動等因素，使得地面沉降成為黃河三角洲及河口地區(qū)的重要地質(zhì)環(huán)境問題之一。

2 數(shù)據(jù)來源及方法

為了分析黃河三角洲北部（河口區(qū)）地面沉降的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，在該區(qū)域開展了二等水準(zhǔn)測量，共完成二等水準(zhǔn)觀測650.6 km。測量路線利用該區(qū)域內(nèi)原山東省地礦局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊于2002年8月建立的東營市城區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)。原點組由3點組成，埋設(shè)在臨淄區(qū)齊都鎮(zhèn)，為巖層水準(zhǔn)標(biāo)石。共利用原有水準(zhǔn)點、GPS點、水準(zhǔn)點等各類控制點83個，其中北部仙河鎮(zhèn)、孤島鎮(zhèn)監(jiān)測點為2015年新埋設(shè)標(biāo)石，歷史上的地面沉降對比資料相對較少，本次測量數(shù)據(jù)較新，是東營市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。監(jiān)測周期為2016年2月至2017年4月，共計14個月。觀測儀器使用DINI03數(shù)字水準(zhǔn)儀（號碼為No.739496，儀器標(biāo)稱精度為0.3 mm）和條碼式2 m銦鋼水準(zhǔn)標(biāo)尺（號碼為No.11113、No.11108），觀測數(shù)據(jù)自動記錄于儀器內(nèi)存中，采用隨機軟件將數(shù)據(jù)傳至微機。對水準(zhǔn)測量所有路線數(shù)據(jù)進行整體平差計算。

3 研究區(qū)地面沉降現(xiàn)狀

3.1 地面沉降分析

從黃河三角洲北部河口區(qū)地面沉降（2016-02—2017-04）觀測點統(tǒng)計圖（見圖1）看出，河口區(qū)統(tǒng)計沉降觀測點37點，其中：沉降大于100 mm的有2點，在50～100 mm范圍的有6點，在50 mm以下的有29點。整個研究區(qū)普遍存在地面沉降，河口區(qū)地面平均沉降量為37.0 mm。

研究區(qū)形成一個大沉降區(qū)，其沉降量20 mm等值線所圍面積為1 084 km2（見圖2）。河口區(qū)沉降量最小的觀測點是DCJ02，位于義和鎮(zhèn)西，沉降量為7 mm。從圖3、圖4地面沉降剖面圖可以看出：研究區(qū)東西向地面沉降量差異比較大，東部尤其是孤島鎮(zhèn)東北部DCJ18、DY015點沉降量比較大，為90 mm左右;西部（新戶鎮(zhèn)、義和鎮(zhèn)、河口街道范圍）的沉降量比較小，普遍小于20 mm;南北向沉降量差異較小，沉降曲線起伏不大，縱貫北部的刁口鄉(xiāng)至南部的陳莊鎮(zhèn)，沉降量基本小于20 mm。

研究區(qū)存在1個沉降中心，為仙河鎮(zhèn)北沉降中心DCJ11，沉降量為246 mm。通過現(xiàn)場多次調(diào)研分析其原因，DCJ11點監(jiān)測標(biāo)石位于樁西五號樁南采油管理一區(qū)廠房西南路旁，距離該點西北約4 m處的一坑塘內(nèi)有不少積水，經(jīng)與采油廠技術(shù)人員交流調(diào)研得知，坑塘積水經(jīng)常有大型車輛過來抽水，由于坑塘距離測點監(jiān)測標(biāo)石很近，頻繁抽取坑塘積水使得DCJ11點土層產(chǎn)生較大的沉降壓縮，同時更為重要的是該點四周有大面積鹽田池及鹵水井分布，抽取150 m以內(nèi)的中淺層鹵水層位也會使該監(jiān)測點產(chǎn)生較大沉降。另外，DCJ11及DCJ10點是2015年下半年新埋設(shè)的標(biāo)石點，2016年2月進行了一次測量，而本次測量在2017年4月，第1次沉降觀測與埋石時間間隔較短，未經(jīng)過雨季沉降，標(biāo)石自身穩(wěn)定性欠佳，其自身亦有一個自沉降。多重原因?qū)е略擖c（包括附近DCJ10點監(jiān)測沉降量為141 mm）的沉降量較大。

具體各點的地面沉降量統(tǒng)計結(jié)果見表1。

3.2 地面沉降速率（年均沉降）分析

從地面沉降量統(tǒng)計表（表1）及年沉降等值線圖可以看出，研究區(qū)存在1個沉降中心，為仙河鎮(zhèn)北沉降中心DCJ11，年均沉降量為210.9 mm;區(qū)內(nèi)沉降觀測點年均沉降量小于10 mm的只有8點，其中7點分布于研究區(qū)西部、1點分布于刁口鄉(xiāng)最北部;沉降量最小的是義和鎮(zhèn)的DCJ02點，年均沉降量僅6 mm;孤島東部、仙河鎮(zhèn)北部沉降量都接近或超過80 mm，沉降量比較大，推算將演變成環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，對城市防洪、高層建筑造成潛在威脅。

3.3 地面沉降趨勢分析

分析地面沉降趨勢可知，河口區(qū)東部沉降量明顯大于西部沉降量，孤島東部DCJ18沉降量最大，為98 mm;義和鎮(zhèn)西部沉降量最小，DCJ02沉降量為7 mm;陳莊鎮(zhèn)向北沉降量逐漸增大，DYD009沉降量最大，為23 mm;北部沉降量大于南部沉降量，沉降量最小的是HKJ1S點，為1 mm。

4 研究區(qū)地面沉降原因分析

地面沉降成因主要包括自然因素和人為因素，自然因素主要包括構(gòu)造因素、土的自然固結(jié)等，人為因素包括過量開采地下水、工程建設(shè)等[13-17]。分析研究區(qū)目前地面沉降的監(jiān)測研究現(xiàn)狀與東營市河口區(qū)地面沉降的時空資料，得到其地面沉降的影響因素（見圖5），可見控制黃河三角洲北部地面沉降發(fā)展的主要影響因素是地層條件及地下鹵水開采。

圖5 研究區(qū)地面沉降影響因素

4.1 地面沉降的自然因素

（1）構(gòu)造運動-地面垂直形變測量。東營市河口區(qū)以及黃河三角洲位于自古近紀(jì)以來的地殼長期下沉地區(qū)。1955—1988年的地面垂直形變圖表明，在30多a內(nèi)，黃河三角洲仍以下降為主，東營河口地區(qū)地面沉降速率為3～4 mm/a。20世紀(jì)80年代以前，地下水和油氣資源的開采程度低，地面沉降不受人類活動的影響，應(yīng)是地殼運動的結(jié)果，因此區(qū)域地殼沉降是目前地面沉降的原因之一。

（2）構(gòu)造運動-斷裂活動性。①義南斷裂。根據(jù)勝利油田勘探資料，在義南斷層上沾3塊的各井對比中發(fā)現(xiàn)，沾3井明化鎮(zhèn)組斷缺65 m，說明義南斷層的活動至少延續(xù)到明化鎮(zhèn)組，另由兩盤第四系厚度看，上盤均厚于下盤，說明上盤仍有下降趨勢，斷層活動已延續(xù)到第四紀(jì)。②孤島地區(qū)斷裂。孤島地區(qū)位于孤南凹陷、三合村凹陷、渤南凹陷之間，該區(qū)位于多種斷裂體系的交匯部位，斷層構(gòu)造非常發(fā)育，由幾十條斷層將區(qū)域切割成若干含油斷塊，構(gòu)造破碎，主要含油層系為館陶組。在其他地區(qū)，如墾利縣永安鎮(zhèn)油田區(qū)，也可以看到斷層切割明化鎮(zhèn)組地層的現(xiàn)象，且位于基底斜坡帶、構(gòu)造切割強烈、斷層傾向與基地坡向一致，是非常有利于斷塊走滑的地質(zhì)條件。

（3）土的自然固結(jié)。河口區(qū)地處黃河三角洲，全新世的地層沉積較晚，大部分沉積時間小于150 a，河口-孤島一帶沉積時間為40多a，其沉積環(huán)境受黃河和海洋交互或共同影響，新近沉積物主要為1855年以來形成的淺層松散沉積物（厚度一般不超過20 m），形成了以細(xì)顆粒為主的地層。所表現(xiàn)出的巖性以粉土最為廣泛，其次為粉質(zhì)黏土、粉砂、黏土，局部含淤泥質(zhì)。土的先期固結(jié)壓力較小，超固結(jié)比為0.5左右，為欠固結(jié)土。在自重壓力下，仍要固結(jié)壓密，必然會自然沉降。杜廷芹[15]利用一維固結(jié)理論，按有效重度對淺地層沉積物進行分層，采用分層總和法研究了黃河三角洲淺層砂土、軟體及黏性土在理想狀態(tài)下的沉降特征。結(jié)果表明，沉積物沉降主要來自軟土層的固結(jié)沉降，三角洲平原黏性土層和軟土層的固結(jié)壓實過程較為緩慢，達到90%固結(jié)度大都需要10 a左右的時間（見圖6）。

4.2 地面沉降的人為因素

（1）地下水（鹵水）開采。河口區(qū)地處沿海地帶，河口區(qū)東部地區(qū)埋藏有豐富的鹵水資源，區(qū)內(nèi)有大面積的鹽田及地下鹵水開采區(qū)，鹵水資源開發(fā)主要在五號樁地區(qū)、仙河鎮(zhèn)東部地區(qū)以及黃河故道附近地區(qū)。根據(jù)調(diào)查及現(xiàn)有資料分析，平面上鹵水分布于整個研究區(qū)，垂向上在100～200 m深度范圍內(nèi)形成了多個鹵水層。據(jù)本次調(diào)查，在北部五號樁一帶，鹵水資源尚未開發(fā)利用時，地下鹵水埋深一般為0.90～4.67 m，經(jīng)多年開采后，該區(qū)地下鹵水埋深已達65 m。大量地下鹵水資源的開采是該地區(qū)產(chǎn)生地面沉降的一個重要因素。

（2）地?zé)豳Y源開采。目前，河口區(qū)現(xiàn)有各類深層地?zé)峋?1口，分布于河口城區(qū)、孤島鎮(zhèn)、仙河鎮(zhèn)、東營港、新戶北部沿海地區(qū)。東營市河口區(qū)地?zé)峋饕_采館陶組、東營組熱水，年開采量約240萬m3，因過量開采，目前區(qū)內(nèi)地?zé)崴灰汛蠓陆?，局部地區(qū)地?zé)崴裆钜殉^60 m。河口區(qū)開采熱儲層巖性為砂巖及砂礫巖，并且地?zé)崴a給途徑遠(yuǎn)，補給極其微弱，所開采的地?zé)崴Y源量基本來自熱儲層的彈性釋放量，地?zé)崴膹椥葬尫疟厝粚?dǎo)致熱儲層的壓密，地?zé)豳Y源的大規(guī)模開采對地面沉降可能會產(chǎn)生一定影響。

（3）油氣資源開采。壓力是油氣成藏過程中最積極、活躍的因素，地下流體異常壓力的形成、演化與油氣的生成、運移、聚集有著密切的關(guān)系。油氣總是從高勢區(qū)往低勢區(qū)運移，地質(zhì)條件的不斷變化可以引起壓力的轉(zhuǎn)移和重新分配，因此壓力的演化是研究油氣運移的重要內(nèi)容之一，同時也是研究地面沉降應(yīng)該關(guān)注的因素。

（4）堤壩建設(shè)。堤壩主要用于保護岸線不受或少受風(fēng)暴潮、波浪、潮汐等海水作用的侵襲，因此堤壩往往建于海洋、河流等沉積物較為松散的沿岸地區(qū)。在堤壩的建設(shè)過程及重力壓實下，各沉積地層均發(fā)生不同程度的固結(jié)壓實下沉，其作用過程與城市建筑物重力壓實基本一致。

5 結(jié) 論

采用最新的黃河三角洲北部地面沉降水準(zhǔn)測量監(jiān)測數(shù)據(jù)，對該地區(qū)的地面沉降現(xiàn)狀和特征進行了分析，得出以下主要結(jié)論。

（1）整個研究區(qū)普遍存在地面沉降，地面平均沉降量為37.0 mm，存在1個沉降中心，為仙河鎮(zhèn)北沉降中心DCJ11，東部地面沉降量普遍大于西部，孤島鎮(zhèn)及仙河鎮(zhèn)東北部沉降量比較大，西部（新戶鎮(zhèn)、義和鎮(zhèn)、河口街道范圍）沉降量比較小，普遍小于20 mm。

（2）研究區(qū)東部的孤島鎮(zhèn)東部、仙河鎮(zhèn)北部沉降量都接近或超過80 mm，沉降量比較大，推算將演變成環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，對城市防洪、高層建筑造成潛在的威脅，應(yīng)加強該區(qū)域的地面沉降后續(xù)監(jiān)測及防治對策研究。

（3）該區(qū)第四系地層沉積年代較晚，且分布有大范圍的較不穩(wěn)定軟土，地面沉降成因以欠固結(jié)軟土自然壓實及構(gòu)造沉降為主，人為因素方面地下鹵水的過量開采、地?zé)豳Y源開采也是導(dǎo)致該區(qū)域地面沉降的重要因素。

（4）建議在已有地面沉降監(jiān)測網(wǎng)基礎(chǔ)上，對嚴(yán)重的地面沉降區(qū)域，加大監(jiān)測設(shè)施的投入，提高監(jiān)測的頻率，并加大對地下鹵水及地?zé)崴_采管理的力度，減少地下水的開采量，盡量減緩地下水位下降速率，從而實現(xiàn)減緩地面沉降的目的。

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