天津市地面沉降特征研究

2012-01-28 07:39:14易長榮韋勁松

城市地質 2012年4期

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，是華北地區地面沉降最嚴重的城市之一。近20多年來，天津市地面沉降控制工作已經取得顯著成效。天津市開展了地面沉降預測、災害分區等工作，為控制地面沉降提供了科學依據。

1 地面沉降概況

天津市面積11919.7km2，其中約8000km2的平原區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]。天津市地面沉降經歷了4個階段：(1)上世紀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展階段。天津市中心城區和濱海地區因地下水開采量過大，地面沉降速度達到100mm/a，沉降區進一步擴大。(3)1971—1986年為地面沉降持續發展階段，中心城區和濱海地區地下水開采量達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，使中心城區和濱海新區地面沉降幅緩解，全市平均地面沉降量維持在30mm/a以下。

上世紀90年代末，因郊區（縣）經濟快速發展，地下水開采過量形成了新的地面沉降區。

2 地面沉降監測情況

為查清天津市地面沉降特征和規律，我們搜集了近期全市平面和垂向分層沉降監測資料（見圖1），平面以大地水準測量和GPS監測技術為主，垂向以分層標監測為主。水準測量數據（包括分層標監測數據）處理采用一、二等整體平差，GPS數據則采用高精度基線處理軟件GAMIT計算。

圖1 天津市地面沉降監測網

（1）大地水準測量是監測天津市地面沉降成熟的方法，每年進行一次。2004年水準點監測網覆蓋了大部分地面沉降區，2009年覆蓋天津市全部地面沉降區。重點地區監測點平均間隔2km，其它地區4km，全部采用一、二等水準測量。地面沉降基準為中心城區李七莊基巖點，一、二等水準測量平差權重比為1.3:1，兩期高程之差就是監測點沉降量，平均精度為5mm。然后根據全市監測點位置插值生成地理柵格，分辨率為100m×100m，并以此為基礎統計沉降量。

（2）天津市GPS連續監測網由12個連續監測站構成，站點間平均間隔45km，于2005年底開始運行。GPS監測站全年24小時不間斷采集數據，采樣間隔為30秒。GPS監測方法以高程穩定的薊縣監測站（圖1中JIXN）為基準[4]，每天都可獲得一個高程值，能形成長時間的高程序列，精度約為3mm，可計算任何時間段的沉降量。

（3）截至2011年，天津市共有分層標18組，其中深標10組，主要分布在濱海新區及中心城區的軸線上，最大控制深度1200m。標孔間的高差利用水準測量監測，每月一次。分層標獲取各個層位的沉降量，結合地面標水準監測可以得到監測層以下的沉降量。到目前為止，共有7組深標與全市水準監測網聯測了兩期高程。

3 地面沉降規律

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

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年的大地水準測量監測結果顯示（見圖2），南部大部分地區地面沉降超過10mm，其中超過20mm的沉降區占平原區面積的49%～56%。中心城區和濱海新區部分區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年的監測結果表明（見表1），7組深標中除F11外，其它標組的地面沉降主要發生在監測層以下，所有分層標的地面沉降主要發生在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年分層沉降比例統計表(%)

天津市地區第四系土層深度約為550m，由5個含水組構成。新近系為地熱水開采層，最深可達1500m。地面沉降主要發生在第四含水組。

3.3 時間規律

（1）多年變化

近幾年天津市整體地面沉降呈波動狀態，全市平均沉降速率在24mm/a～30mm/a范圍內。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。這是因為在需水量一定的情況下，降水量越少，地下水開采量就越多，地面沉降越嚴重。且只有農業生產對自然降水依賴程度較大，工業等產業用地下水量與降水多少無關。