天津市地面沉降防治區(qū)劃的研究

王 淼 陸 陽 易長榮

(天津市控制地面沉降工作辦公室，天津 300061)

天津市地面沉降防治區(qū)劃的研究

王 淼 陸 陽 易長榮

(天津市控制地面沉降工作辦公室，天津 300061)

為了制定天津市地面沉降防治區(qū)劃，利用灰色關(guān)聯(lián)度法和效果測度法對影響地面沉降的因素進(jìn)行了定量分析，并根據(jù)定量分析結(jié)果將全市劃為四個類別的防治分區(qū)，針對每一類分區(qū)提出了不同防治重點(diǎn)。

地面沉降，影響因素，定量分析，防治區(qū)劃

根據(jù)2006年國家定位，天津市要逐步建設(shè)成為經(jīng)濟(jì)繁榮、社會文明、科教發(fā)達(dá)、設(shè)施完善、環(huán)境優(yōu)美的國際港口城市、北方經(jīng)濟(jì)中心和生態(tài)城市。同時，天津市也是全國地面沉降最嚴(yán)重的城市之一，20世紀(jì)80年代的最大地面沉降速率曾達(dá)到100 mm/年，地面沉降已從某種程度上制約城市的可持續(xù)發(fā)展。為此，亟需制定出地面沉降防治區(qū)劃，以便實(shí)行統(tǒng)一管理，采取針對性更強(qiáng)的地面沉降防治措施，這對緩解天津市地面沉降具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

天津市除北部薊縣和寶坻區(qū)部分區(qū)域外，南部平原區(qū)8 000多平方千米均存在不同程度的地面沉降現(xiàn)象(見圖1)，并形成了多個圍繞中心城區(qū)和濱海新區(qū)的地面沉降漏斗。全市地面沉降受自然因素和人為因素的影響，人為因素占主導(dǎo)地位，其中地下水開采又是主要原因。自然因素包括地層固結(jié)和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動。人為原因主要包括開采地下(熱)水、油氣和人類工程活動。

2 研究方法

對引起天津市地面沉降的各影響因素進(jìn)行定量分析，根據(jù)各因素所占的比重對全市進(jìn)行防治管理分區(qū)。在進(jìn)行定量分析時，假設(shè)序列中有m年地面沉降監(jiān)測值y(i)，其中i=1,2，…，m，有n個影響因素，第j個影響因素在第i個年度的表征量為xj(i)，其中j=1,2，…，n。采用常見的灰色關(guān)聯(lián)度法[1]和效果測度法[2]，可求解x和y的關(guān)系。關(guān)聯(lián)系數(shù)反映了某個因素對地面沉降的貢獻(xiàn)程度，用關(guān)聯(lián)系數(shù)作為權(quán)重，將總的沉降量按比例分配，就可得到各因素引發(fā)的沉降量。設(shè)n年的平均沉降量為Sn，第j種因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)為rj，則其引發(fā)的沉降量為:

(1)

3 地面沉降因素定量分析

為方便計(jì)算，將影響天津市地面沉降的影響因素分為地質(zhì)構(gòu)造、軟土次固結(jié)、地下水、500 m以下(地?zé)崴⑹?和人類工程活動(以密集高層建筑荷載為主)五類。根據(jù)以前學(xué)者的分析結(jié)果[3,4]，地質(zhì)構(gòu)造和軟土次固結(jié)導(dǎo)致的地面沉降均為已知，將這部分扣除后，剩下的就是需要定量分析的沉降量。

3.1 單元劃分與數(shù)據(jù)來源

由于獲取各人為因素的統(tǒng)計(jì)資料和制定防治措施都是面向區(qū)(縣)為行政單元的，因此本文分析過程中也是以每個區(qū)(縣)的行政邊界來劃分計(jì)算單元。需要強(qiáng)調(diào)的是，市內(nèi)六區(qū)中各區(qū)面積均較小，可合起來作為一個計(jì)算單元；另外，現(xiàn)在的濱海新區(qū)包括了以前的塘沽區(qū)、漢沽區(qū)和大港區(qū)，南北地理跨度較大，某些影響因素一直有較大差別，這里仍按三個獨(dú)立的計(jì)算單元劃分，最終全市共分為11個計(jì)算單元(參考圖1，薊縣和寶坻區(qū)因無明顯沉降除外)。開采地下水和地?zé)崴畬Φ孛娉两档挠绊懛謩e用開采強(qiáng)度來量化，人類工程活動對地面沉降的影響用平均建設(shè)用地強(qiáng)度來量化。

3.2 計(jì)算分析

將各影響因素指標(biāo)無量綱化，對每個單元分別用灰色關(guān)聯(lián)度法和效果測度法計(jì)算得到各因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)。將各區(qū)縣沉降量扣除自然因素的沉降值后，用式(1)即可計(jì)算得到各因素引發(fā)的沉降量。灰色關(guān)聯(lián)度法和效果測度法兩種方法計(jì)算同一種因素引發(fā)的沉降量存在差異，在5年的分析結(jié)果中，同一因素沉降量的平均差異為3 mm。由于每種因素引發(fā)的沉降量大小不一，3 mm的差異并不能說明問題，可按相對誤差來統(tǒng)計(jì)，它可以反映每個因素中較差相對于地面沉降量的比例。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，相對誤差最小為3%，最大為10%。這個相對誤差范圍說明兩種方法得到的結(jié)論基本一致，得到的各因素引發(fā)的地面沉降量值比較可靠。綜合兩種方法的結(jié)果，取其平均值，得到近5年來人為因素引起的沉降量占各區(qū)縣沉降量的比例如表1所示。

表1 人為因素引發(fā)地面沉降比例 %

結(jié)果表明，在影響全市地面沉降的各因素中，地下水開采引起的地面沉降量占全市沉降量的57%，各單元內(nèi)地下水開采的影響比例存在較大波動，為26.7%～96.7%。500 m以下的地層對地面沉降影響相對較小，在14.7%～46.7%范圍內(nèi)波動。人類工程活動對地面沉降的影響為12.4%～27.8%，波動范圍較小。

各影響因素呈現(xiàn)明顯分群的現(xiàn)象，其中津南區(qū)、西青區(qū)、北辰區(qū)、靜海縣、武清區(qū)、濱海新區(qū)漢沽和寧河縣等7個區(qū)(縣)的地下水開采引起地面沉降量超過區(qū)縣總沉降量的50%。濱海新區(qū)塘沽、濱海新區(qū)大港、西青區(qū)、東麗區(qū)等4個區(qū)縣500 m以下的地面沉降量超過區(qū)縣總沉降量的30%，而市內(nèi)六區(qū)和濱海新區(qū)塘沽人類工程活動引發(fā)的地面沉降量超過區(qū)縣總沉降量的20%。

4 地面沉降防治分區(qū)

根據(jù)各區(qū)縣地面沉降影響因素比例，參考各區(qū)縣地面沉降分布情況(見圖1)，將各區(qū)縣地面沉降災(zāi)害防治方向進(jìn)行區(qū)劃分類。劃分時遵循“全面治理、突出重點(diǎn)”的原則，即哪個因素影響突出，就優(yōu)先治理這個因素，確保控制地面沉降工作取得實(shí)效。可將11個計(jì)算單元劃為四個類別的防治區(qū)，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)和防治對策如下：1)第一類防治區(qū)：市內(nèi)六區(qū)和塘沽區(qū)，地下水開采、500 m以下流體開采引起沉降比例均在30%～40%左右，人類工程活動影響比例也較大，因此地下水開采、地?zé)衢_采和人類工程活動等三個方面因素需要同時采取適當(dāng)措施。地下水開采引起沉降的防治措施主要是制定地下水壓采計(jì)劃，提供可替代水源。特別是在南水北調(diào)通水前，要充分利用好引灤入津水源，在南水北調(diào)全面通水后實(shí)現(xiàn)水源轉(zhuǎn)換；地?zé)衢_采引起沉降的防治措施是盡量避免在一段時間或者一片區(qū)域集中開采，并加大回灌力度；人類工程活動引起沉降的防治措施是加強(qiáng)工程施工規(guī)范管理，加強(qiáng)工程建設(shè)期間地面沉降監(jiān)測工作。2)第二類防治區(qū)：北辰區(qū)、西青區(qū)、津南區(qū)和靜海縣，地下水開采引起沉降比例在90%以上，地面沉降主要防治措施需要從全區(qū)(縣)角度出發(fā)，目前以壓采地下水為重點(diǎn)，調(diào)整農(nóng)業(yè)開采井布局，在南水北調(diào)后積極實(shí)施水源轉(zhuǎn)換工程。3)第三類防治區(qū)：東麗區(qū)、漢沽區(qū)、武清區(qū)和寧河區(qū)，與第二類防治區(qū)相似，本區(qū)地下水開采引起的沉降比例相對于其他因素比較大，但沉降集中在小范圍的局部區(qū)域(見圖1)，只需要局部壓采地下水即可。4)第四類防治區(qū)：大港區(qū)，除地下水開采影響外，本區(qū)地?zé)峒坝蜌忾_采歷史也較長。目前，天津地區(qū)油氣資源對區(qū)域地面沉降影響研究資料較少，因此本區(qū)除控制地下水開采外，還要加強(qiáng)對開采油氣資源引發(fā)地面沉降的防治研究。

5 結(jié)語

綜合考慮天津市地面沉降的自然因素和人為因素，研究了各影響因素在地面沉降中所占比重；然后根據(jù)定量分析結(jié)果將全市劃分為四類不同的防治分區(qū)，不同分區(qū)沉降形勢不同，防治重點(diǎn)不同。本研究將為控制地面沉降管理機(jī)構(gòu)制定防治措施提供科學(xué)的參考依據(jù)。

分區(qū)結(jié)果表明，第一類防治區(qū)需要采取全面的防治措施，嚴(yán)控地下水和地?zé)崴拈_采，嚴(yán)控工程建設(shè)引發(fā)的地面沉降。而第二類防治區(qū)和第三類防治區(qū)目前的防治重點(diǎn)是壓采地下水和水源轉(zhuǎn)換，唯一區(qū)別是在全區(qū)(縣)或局部實(shí)行。第四類防治區(qū)也要求全區(qū)壓采地下水，但如何防治油氣開采引起的地面沉降，需要做進(jìn)一步研究。

[1] 葛慶寶，張金榮.利用灰色系統(tǒng)理論關(guān)聯(lián)度分析方法確定某市地面沉降的主要影響因素[J].勘察科學(xué)技術(shù)，1993(6):15-17.

[2] 鄭永勝，王 瑩.地面沉降影響因素的效果測度分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，1998,9(2):104-107.

[3] 王若柏.天津和臨近地區(qū)構(gòu)造沉降及控沉遠(yuǎn)景問題的研究[R].天津:天津市控制地面沉降工作辦公室,2002.

[4] 牛修俊.天津?yàn)I海地區(qū)軟土特性及其對地面沉降影響的研究[R].天津:天津市環(huán)境地質(zhì)研究所,2003.

Study on land subsidence preventing zonation in Tianjin

Wang Miao Lu Yang Yi Changrong

(TianjinLandSubsidenceControllingOffice,Tianjin300061,China)

In order to enact the ground settlement prevention planning in Tianjin city, both methods with effect conjecture and grey correlated analysis were carried out to evaluate value of land subsidence caused by different factors, based on the above analysis, it was divided into four zones throughout the city, and different measures were proposed.

land subsidence, impact factor, quantitative analysis, preventing zonation

2015-02-05

王 淼(1982- )，女，碩士，工程師； 陸 陽(1983- )，女，工程師； 易長榮(1982- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)11-0056-02

TU478

A