地面沉降臨界水位研究

■褚立峰 郝志林 曹頤 李曉明

（1河北省環境地質勘查院河北石家莊050021；2河北省地礦局第一地質大隊河北邯鄲056001）

地面沉降臨界水位研究

■褚立峰1郝志林2曹頤1李曉明1

（1河北省環境地質勘查院河北石家莊050021；2河北省地礦局第一地質大隊河北邯鄲056001）

地面沉降不等同于地面沉降災害，實際上輕微的地面沉降不會引起災害或不會引起明顯的災害。只有地面沉降快速下降才會引起地面沉降災害。地面沉降快速下降期間必然對應一個確定的地下水位，這個水位稱為地面沉降的臨界水位。通過對地面沉降臨界水位的研究可以對那些尚未發生地面沉降災害的地區起到預警作用。此外可以為政府部門提供科學的決策依據，使之充分合理地利用地下水資源，達到控制地面沉降成災的目的。

地面沉降 臨界水位 危害

地面沉降是指由于自然因素或人類工程活動引發的地下松散巖層固結壓縮并導致一定區域范圍內地面高程降低的地質現象，是一種緩變性地質災害。地面沉降一直是困擾我國中、東部許多城市建設和發展的地質災害，由于極端干旱天氣和城市規模的迅速擴大，許多地區長期過量開采地下水，導致地面沉降的范圍不斷擴大。地面沉降造成地基下沉、房屋開裂、路基加厚，井臺抬升、管道變形，供水供氣設施受到影響，河床下沉，防洪排澇能力降低，城市內澇積水，加劇了地裂縫、風暴潮災害，地面高程資料大范圍失效。此外，地面沉降對于高層建筑、高速鐵路、南水北調等國家重要建設工程威脅尤其嚴重。給國民經濟造成巨大的損失，已成為影響我國區域經濟社會可持續發展的重要因素。

1 地面沉降臨界水位的研究意義

地面沉降不等同于地面沉降災害，實際上輕微的地面沉降不會引起災害或不會引起明顯的災害。只有地面沉降快速下降才會引起地面沉降災害。地面沉降快速下降期間必然對應一個確定的地下水位，這個水位稱為地面沉降的臨界水位，也可稱為地面沉降致災水位。即地下水開采不超過該水位，地面沉降不會引起明顯下沉，如果超過該臨界水位將引起地面沉降快速下沉。所以對地面沉降臨界水位的研究對地面沉降的防治起到重要的指導意義。

2 研究區地面沉降現狀

滄州市研究區位于河北省東部，東臨渤海、南與山東省及衡水市交界，北依天津，西與保定市相連。地理座標為北緯37°28′～38°57′，東經115°42′～117°51′，東西長187km，南北寬165km，總面積14056km2。滄州市開采深層地下水始于上世紀六十年代，1971年開始發生地面沉降，當時本市城區地面沉降量只有9mm。其后隨著深層地下水開采量的不斷增大，地面沉降速率也隨之加快。1997年之前，地面沉降速率總體上呈現螺旋式增長，之后，隨著滄州市地下水限采措施的逐步實施，地面沉降速率開始逐步降低。

目前在滄州區域已形成滄州市區、任丘、河間、獻縣、肅寧、東光共6個地面沉降中心。滄州市區沉降中心年平均地面沉降量已由2001年的69mm降至2014年的14mm。滄州市沉降中心2005年中心沉降量為2457mm；至2009年沉降量達2580mm，累計沉降量大于2000mm的區域9.31km2，累計沉降量1000～2000mm的面積約為1130.4km2，市區及滄縣區域內西北部累計沉降量大，沉降范圍廣，東南部累計沉降量小，沉降量變化較大，由東南往西北，沉降范圍呈扇狀分布。2010年累計沉降量達2602mm，沉降速率22mm/a。2014年累計沉降量達2690mm，沉降速率14mm/a，其中累計沉降量大于2000mm的區域83.28km2，累計沉降量1000～2000mm的面積約為 3066.56km2，累計沉降量小于 1000mm的區域10906.16km2。在地面沉降中心沉降速率減小的同時，滄州市周圍地區地面沉降速率仍然較大，滄州南部泊頭、南皮、東光一些區域地面沉降速率超過了100mm/a，地面沉降嚴重區域在逐步轉移。

3 地面沉降與地下水位的關系

經過對滄州市歷年地面沉降監測數據和水位數據分析，并對沉降速率、累計沉降量與水位變幅、水位埋深的關系對比研究發現，地面沉降速率基本隨著地下水水位的變化而變化，水位下降地面沉降速率增加，水位回彈地面沉降速率減小，但地面沉降速率的變化要滯后于水位的變化；滄州市1980年以前地面沉降速率相對較小，這一階段水位埋深在70m以淺，1980年第三含水組承壓水水位埋深達到了70m，地面沉降出現快速發展，這說明地面沉降主要受水位變化的制約，水位下降越快地面沉降速率越大，反之，地面沉降速率越小。

4 地面沉降與臨界水位的關系研究

臨界水位系指不引起或不明顯引起地面沉降的極限水位。開采地下水引起的水位下降超過這一極根值，就要引起地面沉降，超值越大沉降越嚴重；否則，將不引起或不明顯引起地面沉降。不同地區由于地層巖性、分布及厚度的不同，各地的地面沉降臨界水位有所不同，現以滄州市為例闡述地面沉降臨界水位的問題。以水位埋深（m）為縱坐標，以沉降量（mm）為橫坐標繪出滄州市地下水埋深與地面沉降量關系曲線（圖略），根據曲線上各點及曲線的變化態勢分析，曲線可分為三個變化時段：

（1）當水位降深<50m時，地面沉降速率處于緩慢變化階段，即隨著地下水位降深增加，沉降量緩慢增加，水位每下降1m，地面相應沉降2.30mm，說明水位降深<50m時，超靜孔隙水壓力減少量、土層厚度及上覆壓力變化均較小，土層應力變化后的壓縮量較小。

（2）水位降深在50m～70m時地面沉降呈現明顯增加趨勢，隨地下水位下降地面沉降變化量明顯大于前一階段，水位每下降1m，地面相應沉降9.28mm，說明50m水位降深應是一個警戒水位降深值，超過這一值，隨降深的不斷增加累計沉降量將加速增大；

（3）當水位降深大于70m時，地面沉降呈快速增加趨勢。水位埋深達到70m時，水位每下降1m，地面相應沉降17.56mm，之后隨著水位持續下降，地面沉降日趨嚴重，地面沉降呈指數趨勢增加，直到后期水位出現一定恢復，地面沉降快速發展的趨勢才能得以減緩，通過曲線分析，70m降深應該是一個限制降深(止采)值，是臨界水位值，超過它將產生嚴重的沉降后果。

（4）在地面沉降量與地下水水位埋深曲線變化的后期，由于外部條件的變化，地下水開采量減小，水位不再延續下降的趨勢，出現恢復，而粘性土地層壓縮具有塑性變形的特征，具有一定的滯后效應，加之受區域地質環境背景條件的影響，沉降仍在發展，但發展速率快速減小。

5 結束語

地面沉降是一種累進性地質災害，一旦形成就很難逆轉。因此對于地面沉降的治理應以預防為主。通過對地面沉降臨界水位的研究可以對那些尚未發生地面沉降災害的地區起到預警作用。此外可以為政府部門提供科學的決策依據，使之充分合理地利用地下水資源，達到控制地面沉降成災的目的。

[1]河北省環境地質勘查院，河北省地面沉降調查報告，2015年3月.

P642.26[文獻碼]B

1000-405X（2016）-5-59-1