浙江溫州市永強平原地面沉降分析與趨勢預(yù)測

羅美芳，陳遠法，杜麗珂，高博文

（1.溫州市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，浙江溫州 325027；2.浙江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，浙江杭州 310000；3.永嘉縣地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，浙江永嘉 325100）

永強平原地處浙江省溫州市東部，甌江入海口南岸，平原內(nèi)河網(wǎng)密布，人口密集，經(jīng)濟發(fā)達，面積約為100km2（圖1）。據(jù)調(diào)查監(jiān)測資料顯示，地面沉降始于20世紀90年代末期，目前已波及全區(qū)，沉降中心位于永中，累計沉降量超過300mm，平均沉降速率一般在10～30mm/a。永強平原地面沉降水準監(jiān)測始于2004年，每年監(jiān)測一次。本文就2004～2010年度的地下水和地面沉降監(jiān)測資料對地面沉降進行分析，并對2015年的沉降趨勢做出預(yù)測。

1 地質(zhì)環(huán)境背景

溫州市永強平原第四紀地層自中更新世至全新世均有發(fā)育，根據(jù)第四系結(jié)構(gòu)、沉積物特征、成因類型及區(qū)域?qū)Ρ龋谒募o沉積物具有以下特征［1-2］：

第四系沉積物厚度變化大。從山麓溝谷區(qū)厚度3～10m向濱海平原遞增至150m，永強平原最厚達175.37m。

平原區(qū)沉積物成因類型復(fù)雜、巖相變化大。平原區(qū)中上更新統(tǒng)分別由沖積、洪沖積及沖海積地層，全新統(tǒng)則主要由海相淤泥質(zhì)粘性土組成。

第四紀地層具粗細相間的沉積韻律，構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)。深部有河流相-河湖相的砂礫石層-河湖相亞粘土、粘土的變化；淺部有濱海相、海相或河口相的粉細砂層-淤泥質(zhì)亞粘土至頂部的河湖相粉質(zhì)粘土的變化。

自晚更新世以來受到三次海侵的影響。其中晚更新世早期與中晚期的二次海侵，沉積了相應(yīng)的海相沉積層，但海侵較弱，范圍較小；全新世中期的海侵，規(guī)模大影響范圍廣，海侵波及整個平原，所形成的淤泥質(zhì)粘土沉積物構(gòu)成隔水層，改變了地下水的補給條件（圖 2、3）。

圖1 溫州市永強平原位置示意圖Fig.1 Yongqiang plain location map

永強平原含水組包括上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)沖積砂礫石構(gòu)成的較完整的深層承壓水系統(tǒng)。第Ⅰ含水組上覆厚層的具高壓縮性的淤泥質(zhì)粘土，含水層頂板埋深60～70m，第Ⅱ含水組頂板埋深95～132m，與第Ⅰ含水組之間常有1～15m的粉質(zhì)粘土、粘土相隔，該層開采較少，不做統(tǒng)計分析。

圖2 龍灣－永中－機場水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Longwan-Yongzhong-Airport hydrogeology map

圖3 二甲－海濱水文地質(zhì)剖面圖Fig.3 Erjia-Haibin hydrogeology map

2 地下水開發(fā)利用狀況

2.1 地下水開發(fā)利用狀況

永強平原地下水開采始于20世紀80年代，主要作為生活用水水源，隨著城鄉(xiāng)經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，用水量需求不斷增大，以第Ⅰ含水組的開采為主，開采井主要集中于永中、永興、海濱、沙城等街道，過量開采形成以永中為中心的水位降落漏斗，至2005年開采量達到最高峰。據(jù)不完全統(tǒng)計，2004年永強平原地下水開采井約110口，隨著地下水禁限采的實施，至2010年約剩25口井，2010年開采量約為350.35×104m3，比2009年增采5.22×104m3。用水量以工農(nóng)業(yè)用水為主。永強平原地下水開采量2005年達到最大，此后逐年減少［3］。圖4反映出地下水開采量與水位存在正相關(guān)關(guān)系。開采量越小，水位上升程度越大，水位埋深越小。

2.2 地下水水位年動態(tài)特征

從多年監(jiān)測資料得知，永強平原地下水位從20世紀90年代中后期開始以較大幅度下降，漏斗中心位于永中水廠（圖5）。2006年水位最低，2007年起逐步回升。2006年漏斗中心水位-43.33m，比2005年下降1.71m，漏斗范圍略有擴大，2007年漏斗中心水位為-31.60m，比2006年上升11.73m，漏斗范圍大面積縮小。2006年區(qū)域平均水位為-39.55m，比2005年下降1.71m，呈弱下降態(tài)勢，2007年區(qū)域平均水位為-30.22m，比2006年上升9.33m。從圖6得知，2010年地下水位繼續(xù)上升，漏斗中心仍位于永中地區(qū)，但已不存在-25m的等水位閉合圈。

圖4 永強平原地下水開采量與地下水位相關(guān)圖Fig.4 Relative map of groundwater exploitation quantity and groundwater level in Yongqiang plain

多年地下水監(jiān)測資料表明，地下水水位動態(tài)受開采量控制，以開采第Ⅰ含水組為主的永強平原近年來開采量逐年減少，水位持續(xù)上升，漏斗規(guī)模持續(xù)縮小。

圖5 2005年永強平原地下水位等值線圖Fig.5 Groundwater level isoline in Yongqiang p lain in 2005

3 地面沉降分析與預(yù)測

3.1 地面沉降速率

根據(jù)以往調(diào)查及監(jiān)測資料，永強平原地面沉降始于20世紀90年代末期，地下水開采量在2005年達到最大值，之后逐年減少，地下水位以較大幅度上升，但地面沉降仍在發(fā)展，地面沉降跡象較明顯，多處井管上升8～10cm，個別達20cm以上。永中一帶的年沉降速率基本上代表了因抽取地下水引起的地面沉降速率，在2006年達到最大。

圖6 2010年永強平原地下水位等值線圖Fig.6 Groundwater level isoline in Yongqiang p lain in 2010

表1 2005～2010年溫州永強平原地面沉降特征值表Table 1 Land subsidence eigenvalue from 2005 to 2010

從表1、圖7～8中得知，地面沉降速率在進一步減緩。主要反映在：

2004～2010年期間，沉降速率≥10mm/a的區(qū)域面積，由 2005的 67.15km2，減 至 2010年 的27.65km2，占永強平原面積的 27％；沉降速率≥30mm/a的區(qū)域面積，2005年為22.51km2，2007年開始以點狀分布。

永中中心的地面沉降速率由2005年＞30mm/a基本減緩至2010年的＜10mm/a，防洪堤沿岸的地面沉降速率目前已基本上＜30mm/a。沙城以南地區(qū)首次監(jiān)測始于2008年，部分地區(qū)大于20mm/a。

圖7 2005年永強平原地面沉降等值線圖Fig.7 Land subsidence isoline in Yongqiang plain in 2005

圖8 2010年永強平原地面沉降等值線圖Fig.8 Land subsidence isoline in Yongqiang plain in 2010

3.2 地面沉降范圍和沉降量

永強平原地面沉降主要發(fā)生在永中街道一帶、沙城以南及防洪堤沿岸，通過對2004～2010年的累計沉降量的分析，至2010年度，永強平原累計沉降量≥50mm的面積為34.92km2，占永強平原面積的35％，累計沉降量≥100mm的面積為13.63km2，占永強平原面積的14％，累計沉降量≥200mm的面積為0.56km2，占永強平原面積的0.6％。平均累計沉降量為53.3mm。

3.3 地面沉降與地層結(jié)構(gòu)關(guān)系［4］

永強平原第四系成因復(fù)雜，中更新統(tǒng)以陸相沉積為主，上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)以河、湖、濱海及淺海相沉積為主。其中河流相沖積砂礫石、砂層，結(jié)構(gòu)松散，是區(qū)內(nèi)的主要地下水含水層。上更新世以來受海侵影響，形成的海相地層含水量高，抗壓強度低，成為地面沉降主要壓縮層。

永強平原第四系地層厚度變化大，按工程地質(zhì)性能可分為軟土、硬土層、砂礫卵石層。

軟土層：永強平原內(nèi)軟土廣泛分布，層位穩(wěn)定且厚度大，是構(gòu)成平原區(qū)上部的主要層位，屬海相、河相、湖沼相堆積物，厚度可達40～80m。具有天然含水率高、孔隙比大、滲透性差、壓縮性高、強度低等特點，是地面沉降的主要壓縮層。

硬土層：其成因多為沖湖積、湖海積，“硬化”程度不高，據(jù)土工試驗資料其孔隙比一般較大，以可塑狀為主，屬于中壓縮性土。

砂礫卵石層：以河流沖積相為主，結(jié)構(gòu)較松散，是區(qū)內(nèi)的主要承壓含水層，隨著水位的大幅度下降，有效應(yīng)力增加，使砂層顆粒排列更加緊密，孔隙度降低，砂層受到壓密。砂層因孔隙水壓力下降而壓密，待孔隙水壓力恢復(fù)后，砂層大體上仍能恢復(fù)原狀。砂礫類巖土基本上呈彈性變形。

3.4 地面沉降與地下水動態(tài)關(guān)系［5－7］

地面沉降通常發(fā)生在松散第四紀地層分布區(qū)，在相似的地質(zhì)環(huán)境背景和沒有大面積附加荷載或城鎮(zhèn)工程建設(shè)的情況下，區(qū)域地面沉降的嚴重程度與該區(qū)域的深層孔隙承壓水動態(tài)關(guān)系密切。

對于永中地區(qū)，對比地下水位等值線圖與地面沉降速率圖可知，區(qū)域地面沉降區(qū)與第Ⅰ含水組的分布以及含水組水位降落漏斗基本吻合。永中地區(qū)地面沉降累計量最大，為地下水開采量最大區(qū)域。

隨著地下水位上升，永強平原地面沉降速率逐步減緩，至2010年，永中地區(qū)地下水位已高于-22m，地面沉降速率已基本上低于10mm/a。

以漏斗中心及外圍的監(jiān)測點為例（圖9、10），地面沉降與地下水動態(tài)關(guān)系密切，2006年地下水位達到最低值，地面沉降速率也最大，隨后隨著地下水位的逐步上升，地面沉降速率也逐步減緩，當?shù)叵滤桓哂?25m時，地面沉降速率基本上低于10mm/a。

圖9 漏斗中心C010及外圍C017監(jiān)測點2004～2010年度沉降速率及趨勢圖Fig.9 The monitor point of funnel center and periphery subsidence speed from 2004 to 2010

圖10 漏斗中心監(jiān)60及外圍監(jiān)46水位點2004～2010年水位及趨勢圖Fig.10 The monitor point of funnel center and periphery water table from 2004～2010

3.5 地面沉降趨勢分析

如前所述，永強平原地面沉降與地下水開采密切相關(guān)，“十一五”期間地下水開采量逐年減少，降落漏斗中心水位和平均水位大幅度上升，地面沉降自2007年起逐年減緩（表2）。隨著地下水禁限采的全面開展，預(yù)計地面沉降速率將基本保持穩(wěn)定。

由于永強平原地面沉降監(jiān)測研究工作起步較晚，地面沉降監(jiān)測持續(xù)時間短，因此本文利用地下水年度開采量和地面沉降監(jiān)測的成果數(shù)據(jù)，采用年開采量（Q）和年平均沉降速率（V）進行綜合趨勢分析，以2010年為起始年推測2015年的沉降趨勢。

表2 2005～2010年度開采量與平均速率表Table 2 The exploitation and average speed from 2005 to 2010

相關(guān)模型：V=6.4082ln（Q）-30.313（R2=0.9782）。

隨著替代水源的解決和城鄉(xiāng)供水一體化，地表供水能力不斷增強，地下水開采量將不斷減少。以2007～2010年地下水開采量推測2015年開采量，Q=-106.2ln（t）+490.3（R2=0.8669），t=1、2、3…9，代表2007年、2008年、2009年…2015年。2015年地下水開采量為256.95×104m3，平均地面沉降速率為5.25mm/a。

通過上述趨勢預(yù)測永強平原累計沉降面積，≥50mm面積為65.21km2，較2010年增加30.29km2，≥100mm的面積為 25.78km2，較 2010年增加12.15km2，≥200mm 的面積為1.32km2，較2010年增加0.76km2。

多年地下水和地面沉降監(jiān)測資料表明，地面沉降與地下水開采量大小密切關(guān)系［8］。開采量大小與地面沉降之間存在正相關(guān)關(guān)系，開采量越大，水位下降程度越大，地面沉降量也越大，反之亦然。因此以區(qū)域上總開采量預(yù)測地面沉降量是可行的。

4 結(jié)論

（1）溫州永強平原地下水位大幅度上升，地面沉降速率逐步減緩，至2010年度永中地面沉降速率已基本上低于10mm/a，海堤沿線地面沉降速率基本上在20mm/a左右，根據(jù)歷年地下水和地面沉降監(jiān)測成果，預(yù)測至2015年平均速率為5.25mm/a。

（2）永強平原總體對地面沉降研究程度較低，地面沉降成因復(fù)雜，本次研究采用傳統(tǒng)統(tǒng)計方法，只反映了地下水開采對地面沉降的影響，所建方程較為簡單，無法刻畫地面沉降復(fù)雜的內(nèi)部關(guān)系，需要加強地面沉降模型研究，開展地面沉降風(fēng)險評價及防治管理區(qū)建設(shè)［9］。隨著地下水禁限采的全面實施，永強平原的地面沉降類型逐漸由地下水型轉(zhuǎn)為工程建設(shè)型。應(yīng)逐步開展對工程性沉降的研究工作。

（3）永強平原地面沉降監(jiān)測起步相對較晚，北京、上海、以及浙江省內(nèi)嘉興、寧波都已經(jīng)建立分層監(jiān)測標組，永強平原已在永中地區(qū)開始建設(shè)分層標，建成后將對地面沉降成因機理研究，地面沉降防治、地下水資源合理開發(fā)利用提供基礎(chǔ)資料和決策依據(jù)。

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