天津市地面沉降特征研究

易長榮，韋勁松，陸 陽

（天津市控制地面沉降工作辦公室，天津 300061）

天津市地處華北平原，東臨渤海，是華北地區(qū)地面沉降最嚴(yán)重的城市之一。近20多年來，天津市地面沉降控制工作已經(jīng)取得顯著成效。天津市開展了地面沉降預(yù)測、災(zāi)害分區(qū)等工作，為控制地面沉降提供了科學(xué)依據(jù)。

1 地面沉降概況

天津市面積11919.7km2，其中約8000km2的平原區(qū)存在不同程度的地面沉降。超量開采地下水是引起天津市地面沉降主要原因[1]。天津市地面沉降經(jīng)歷了4個(gè)階段：(1)上世紀(jì)60年代前為初始形成階段，60年代中期地面沉降速率30mm/a。(2)1959年—1971年為地面沉降急劇發(fā)展階段。天津市中心城區(qū)和濱海地區(qū)因地下水開采量過大，地面沉降速度達(dá)到100mm/a，沉降區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大。(3)1971—1986年為地面沉降持續(xù)發(fā)展階段，中心城區(qū)和濱海地區(qū)地下水開采量達(dá)1億m3/a，沉降速率100mm/a。（4）1986年至今為地面沉降治理階段。引灤入津工程通水后，大批封停地下水開采井，使中心城區(qū)和濱海新區(qū)地面沉降幅緩解，全市平均地面沉降量維持在30mm/a以下。

上世紀(jì)90年代末，因郊區(qū)（縣）經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，地下水開采過量形成了新的地面沉降區(qū)。

2 地面沉降監(jiān)測情況

為查清天津市地面沉降特征和規(guī)律，我們搜集了近期全市平面和垂向分層沉降監(jiān)測資料（見圖1），平面以大地水準(zhǔn)測量和GPS監(jiān)測技術(shù)為主，垂向以分層標(biāo)監(jiān)測為主。水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)（包括分層標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)）處理采用一、二等整體平差，GPS數(shù)據(jù)則采用高精度基線處理軟件GAMIT計(jì)算。

圖1 天津市地面沉降監(jiān)測網(wǎng)

（1）大地水準(zhǔn)測量是監(jiān)測天津市地面沉降成熟的方法，每年進(jìn)行一次。2004年水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測網(wǎng)覆蓋了大部分地面沉降區(qū)，2009年覆蓋天津市全部地面沉降區(qū)。重點(diǎn)地區(qū)監(jiān)測點(diǎn)平均間隔2km，其它地區(qū)4km，全部采用一、二等水準(zhǔn)測量。地面沉降基準(zhǔn)為中心城區(qū)李七莊基巖點(diǎn)，一、二等水準(zhǔn)測量平差權(quán)重比為1.3:1，兩期高程之差就是監(jiān)測點(diǎn)沉降量，平均精度為5mm。然后根據(jù)全市監(jiān)測點(diǎn)位置插值生成地理柵格，分辨率為100m×100m，并以此為基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)沉降量。

（2）天津市GPS連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)由12個(gè)連續(xù)監(jiān)測站構(gòu)成，站點(diǎn)間平均間隔45km，于2005年底開始運(yùn)行。GPS監(jiān)測站全年24小時(shí)不間斷采集數(shù)據(jù)，采樣間隔為30秒。GPS監(jiān)測方法以高程穩(wěn)定的薊縣監(jiān)測站（圖1中JIXN）為基準(zhǔn)[4]，每天都可獲得一個(gè)高程值，能形成長時(shí)間的高程序列，精度約為3mm，可計(jì)算任何時(shí)間段的沉降量。

（3）截至2011年，天津市共有分層標(biāo)18組，其中深標(biāo)10組，主要分布在濱海新區(qū)及中心城區(qū)的軸線上，最大控制深度1200m。標(biāo)孔間的高差利用水準(zhǔn)測量監(jiān)測，每月一次。分層標(biāo)獲取各個(gè)層位的沉降量，結(jié)合地面標(biāo)水準(zhǔn)監(jiān)測可以得到監(jiān)測層以下的沉降量。到目前為止，共有7組深標(biāo)與全市水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)聯(lián)測了兩期高程。

3 地面沉降規(guī)律

天津市按空間分布和時(shí)間變化分析地面沉降特征和規(guī)律，查明其平面分布和分層沉降情況，查明多年和年度內(nèi)的變化規(guī)律。

3.1 平面沉降分布

天津市地面沉降總體上由北到南呈逐漸加重。2004年至2011年的大地水準(zhǔn)測量監(jiān)測結(jié)果顯示（見圖2），南部大部分地區(qū)地面沉降超過10mm，其中超過20mm的沉降區(qū)占平原區(qū)面積的49%～56%。中心城區(qū)和濱海新區(qū)部分區(qū)域地面沉降量則相對較小。

圖2 2004—2011年天津市地面沉降范圍示意圖

3.2 分層沉降

2011年的監(jiān)測結(jié)果表明（見表1），7組深標(biāo)中除F11外，其它標(biāo)組的地面沉降主要發(fā)生在監(jiān)測層以下，所有分層標(biāo)的地面沉降主要發(fā)生在300m以下的第四含水組及以下地層，其沉降比重一般在69%以上。

表1 天津市2011年分層沉降比例統(tǒng)計(jì)表(%)

天津市地區(qū)第四系土層深度約為550m，由5個(gè)含水組構(gòu)成。新近系為地?zé)崴_采層，最深可達(dá)1500m。地面沉降主要發(fā)生在第四含水組。

3.3 時(shí)間規(guī)律

（1）多年變化

近幾年天津市整體地面沉降呈波動狀態(tài)，全市平均沉降速率在24mm/a～30mm/a范圍內(nèi)。地面沉降和全市平均降水量的變化一致（見下圖3）。全市平均地面沉降量的波動受降水量的支配較大。這是因?yàn)樵谛杷恳欢ǖ那闆r下，降水量越少，地下水開采量就越多，地面沉降越嚴(yán)重。且只有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然降水依賴程度較大，工業(yè)等產(chǎn)業(yè)用地下水量與降水多少無關(guān)。

圖3 天津市平均沉降量與平均降水量的關(guān)系

（2）年度內(nèi)變化

圖4是2011年度的GPS高程變化曲線，受圖幅限制，將各GPS連續(xù)監(jiān)測站的高程平移到同一縱坐標(biāo)上。實(shí)質(zhì)上，單個(gè)GPS監(jiān)測站在近幾年的高程變化趨勢完全一致。10個(gè)GPS監(jiān)測站的地面高程在年度內(nèi)沉降趨勢各異，共同的規(guī)律是高程曲線分別在3月初和6月初出現(xiàn)拐點(diǎn)。

圖4 GPS監(jiān)測到的2011年年度內(nèi)高程變化

4 結(jié)論與建議

全市地面沉降的平面分布與產(chǎn)業(yè)布局有關(guān)，大部分地面沉降發(fā)生在第四含水組及其深度300m以下地層。全市地面沉降量與平均降水量變化一致，年度內(nèi)的地面沉降速度隨季節(jié)變化。在制訂地面沉降防治措施時(shí)，提出以下建議：

（1）充分利用南水北調(diào)水源，減少地下水開采；

（2）調(diào)整地面沉降嚴(yán)重區(qū)域的地下（熱）水開采層位。

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