山東省地面沉降監測與防治工作進展

張永偉，邵明，肖敏

(1.山東省地質環境監測總站，山東 濟南 250014；2.山東大學，山東 濟南 250061)

0 引言

地面沉降是一種致使地面高程降低的緩變性地質災害[1-3]。山東省地面沉降區域位于華北平原的最南緣，近年來已成為山東省較為突出和重點防治的地質災害類型之一。山東省地面沉降主要分布在魯北和魯西平原的德州、濱州、東營、聊城、濟寧、菏澤等地區。魯北平原在德州市德城區，東營市東營區、廣饒縣城，濱州市濱城區、博興縣城一帶已形成地面沉降漏斗區。魯西平原區地層結構松散，固結程度低，地下水超采現象在區內普遍存在。地下水超采形成區域性的地下水降落漏斗，地面沉降較為突出，目前已產生一定危害。地面沉降的發生過程一般是不可逆的，一旦形成便難以恢復。地面沉降使地面高程降低，造成城市防汛設施的防御能力降低，沿海城市風暴潮加劇；造成江河橋梁凈空減少，內河航運受阻，碼頭受淹；導致深水井井管抬升、傾斜、甚至脫裂報廢。地面不均勻沉降造成建筑物地基下沉，基礎和墻體開裂，房屋等建筑物損壞；引發鐵路路基、橋梁基礎工程不均勻下沉，威脅高鐵列車行駛安全。地面沉降對現有的基礎設施，如輸排水管道、高架道路、燃氣管網、通訊線路等也會造成嚴重的安全隱患，增大維護成本。地面沉降監測是一項需要長期堅持的公益性地質工作，是城市、水利工程、交通發展建設規劃、社會主義新農村建設和地下水開發利用必須考慮的重要因素。

1 山東省地面沉降監測防治情況

1.1 地面沉降監測調查工作進展

1.1.1 地面沉降監測項目實施情況

2013—2017年，山東省累計投入資金10610.3萬元，安排實施了14個地面沉降防治項目，開展1∶5萬比例尺地面沉降調查8407km2，地下水開采量調查3000km2，地下水位動態監測16065點次，建設基巖標5座(濟寧2座、東營2座、德州1座)，分層標5組(德州1組、濟寧2組、東營1組、濱州1組)，增建二等水準路線2092km2；開展二等水準測量8928.18km2，B級GPS測量375點次、收集CORS站點數據超過50點次，基本完成了近期地面沉降調查、監測任務，為構建統一、全面的地面沉降監測網絡打下了堅實基礎(表1)。

表1 山東省地面沉降主要監測設施情況

對全省地面沉降監測設施逐點進行登記、造冊，加大保護力度，委托當地政府、社會團體、企事業單位或個人對地面沉降監測設施進行維護，簽訂保管協議，確保監測設施正常使用。截至目前，山東省全面建立了“四網合一”(水準監測網、GNSS監測網、分層標和基巖標監測、地下水監測)的地面沉降監測體系，INSAR監測實現了山東全省覆蓋。

1.1.2 山東省地面沉降監測調查成果

根據國土資源部辦公廳、水利部辦公廳印發的地面沉降區和海水入侵區地下水壓采方案編制技術要求，結合山東省地面沉降監測實際情況，將年沉降速率作為地面沉降發育程度的主要劃分指標，近五年平均沉降速率大于等于50mm/a為地面沉降強發育區；近五年平均沉降速率在30～50mm/a之間為地面沉降中等發育區；近五年平均沉降速率在10～30mm/a之間為地面沉降弱發育區。據統計，山東省發生地面沉降面積約20239km2，其中：地面沉降強發育區6個，主要分布在德州、聊城、濱州、東營、濰坊等5個市，面積約1216m2，占比6%；地面沉降中等發育區8個，主要分布在德州、聊城、濱州、東營、淄博、濟寧、菏澤等7個市，面積約1698km2，占比8%；地面沉降弱發育區面積約17325km2，占比86%(圖1)。經初步估算，全省地面沉降下降總體量已達2.97億m3。

圖1 山東省地面沉降發育現狀圖

1.1.3 山東省地面沉降成因初步分析

(1)粘性土厚度對地面沉降的影響。地面沉降的產生是隔水層的壓縮量和含水層的壓縮量之和，研究表明含水砂層的壓縮量很小，且壓縮變形具有彈性變形的特點，是可以恢復的，在水位回升之后，砂層會回彈；粘性土隔水層的壓縮量較大，且壓縮變形具有塑性變形的特點，在水位回升之后，粘性土層的壓縮量無法恢復，地面沉降主要由粘性土隔水層的壓縮引起。因此，粘性土的存在是地面沉降產生發展的必要條件之一，粘性土厚度的大小，在一定程度上決定了地層的最大壓縮量。在山東平原區，第四系地層的粘土層，主要開采層位的粘性土層壓縮推動了地面沉降的發生、發展，加劇深層地下水長期過量開采，水位下降，粘性土層釋水壓縮，從而導致許多地面沉降中心與區域主要開采層位的粘性土厚度中心基本一致。

(2)粘性土的物理力學性質對地面沉降的影響。土體的壓縮主要發生在塑性變形階段，即有效應力克服了結構屈服力，使得土體結構力產生損傷之后一段時期內，該時期單位有效應力增加產生的壓縮量較大。若有效應力不能克服土體結構屈服力，土體基本為彈性變形，壓縮量相對較小，回彈量也相對較大。水位的變化反映了土體所受有效應力的變化，當水位下降到一定程度，有效應力克服了土體結構屈服力后，隨著水位下降，土體的塑性變形量迅速增大，地面沉降進入快速發展期。從土體壓縮性與地面沉降的關系看，土體越容易壓縮，單位水位下降引起的地面沉降越嚴重，土體可壓縮性的差異導致各地區水位下降引起的地面沉降也不同。

(3)地下水對地面沉降的影響。地下水開采引起地下水水位下降，孔隙水壓力降低，地層所受有效垂直應力增大，地層壓縮。在地下水水位下降過程中，由于粘性土的透水性差，粘性土內部會出現超孔隙水壓力，超孔隙水壓力的消散是時間和空間的函數，靠近抽水含水層的粘性土底部首先壓縮，并滯后的向粘性土頂部發展，當地下水水位下降到一定水位并保持穩定后，粘性土的壓縮時間與超孔隙水壓力的消散一致，超孔隙水壓力消散完畢，地下水水位下降引起的粘性土的壓縮完成。由于超孔隙水壓力消散的滯后性，使得地面沉降也表現出滯后特點。原狀粘性土具有一定的結構屈服力，對應的地下水水位也具有臨界水位，當地下水水位超過臨界水位時，有效垂直應力大于土體的結構屈服力，土體才開始產生較大變形，沉降速度加快。此外，水位降幅越大，土體所受到的有效應力就會越大，因此，水位降幅與地面沉降速率基本呈正相關關系。

(4)工程因素對地面沉降的影響。主要指由上部高層建筑附加荷載作用引發的地面沉降。該類沉降主要發生在建筑物持力層和下臥層。工作區內一般工程建筑持力層與下臥層為1.5m以下的地層，高層建筑持力層與下臥層為30m以下的地層。

1.2 重點地區地面沉降研究工作

德州地區建立了三維流固耦合數值模型，對地面沉降的發展趨勢進行了科學預測，對地面沉降的可控性研究進行了深入分析。

1.2.1 德城區地面沉降發展過程

模型對德城區地面沉降發展狀況進行模擬和預測，并在此基礎上進行地面沉降防控措施的研究。根據圖2實驗結果可知，德城區的地面沉降面積不斷擴大，而且沉降中心區沉降量持續加大，沉降中心也有所偏移。從地面沉降擴展的主要方向可以看出，德城區地面沉降向北部發展的速率要大于其他方向。從2008年開始，德城區的地面沉降速率開始降低，可見德城地區采取的控制開采量和改變開采層位的方法對地面沉降的控制起到了一定的作用。

1.2.2 德城區地面沉降可控性研究

根據南水北調配套工程進度確定地下水壓采工作布局，實現長江水、黃河水等外調水逐步替代本地地下水。劃定地下水禁采區和限采區，先期壓縮城市規劃區地下水開采規模，優先實行深層承壓水禁采和限采。利用研究建立的地面沉降流固耦合三維模型，從2015年起減少德城區地下水開采量，預測未來20年地面沉降的變化情況。制定了5種方案，分別為在現狀開采量下減少10%，20%，30%，40%，50%，模型和邊界條件不變，預測出未來20年累計地面沉降等值線(圖2)。

圖2 減少開采量方案下2035年德城區地面沉降等值線圖

由于地下水開采量的減小，20年后，原有的地下水降落漏斗已經基本消失，但在德城區與河北省的交界處仍有漏斗形態顯示。隨著開采量的減少，地面沉降速率明顯降低，當開采量減少30%～50%時，部分沉降監測點在最初幾年出現了地面沉降趨于停止或少量回彈的現象，但是隨著時間推移，回彈量減少，地面沉降繼續發展，沉降速率較未減少開采量前明顯降低。當地下水開采量減少50%時，接近地面沉降中心處的沉降監測點沉降速率減少量大于50%。因此，減少地下水開采量對控制地面沉降作用明顯。方案3到方案5實施1～2年后，沉降中心附近的累計地面沉降量不再增加或者增加量非常小，地面沉降基本得到控制，在3～5年后會繼續以較低的沉降速率沉降。綜合以上分析，考慮方案的可行性及其作用效果，認為將地下水開采量在現狀開采量的基礎上減少30%是比較經濟合理的選擇。

1.2.3 德城區地面沉降防治推薦方案

為控制德城區地面沉降速率，針對德城區地面沉降實際狀況，建議采用以下措施進行治理[4-12]：

(1)減小開采量。根據德城區的沉降現狀，若只通過減少開采量來控制沉降，需減少現狀開采量的20%以上才會達到需要的控制效果。

(2)在沉降中心處定期回灌地下水。地下水的年回灌量需根據當地的地表水富余量來確定，回灌的地下水需回灌到承壓層，才會對地面沉降的防控起到作用。

(3)調整開采層位。在資源條件允許的情況下，盡量開采淺層的地下水。根據德城區的地下水存儲狀況，可以將淺層的地下水每年開采300～400萬m3用于對水質要求不高的綠化、消防和工業用水等，然后盡量減少深層地下水的開采。

(4)調整開采井和開采量的平面布局。為使開采井和開采量的調整更具有經濟性和可行性，可以在德城區范圍內重點控制沉降中心處的開采井井間間距，封停部分開采井，使沉降中心處的開采井不要過于密集。同時，盡量對開采量進行調控，使開采量平均分布，減少沉降梯度。

(5)保持沉降中心至2020年年均沉降量不大于30mm，20mm，15mm，10mm，5mm，則在現狀開采井分布條件下，德城區地下水年總開采量不能大于2900.7萬m3，2270.8萬m3，2005.6萬m3，1761.9萬m3和1535.4萬m3。

1.3 地面沉降防治工作進展

按照《全國地面沉降防治規劃(2011—2020年)》提出的“建立政府主導、部門協同、區域聯動、分級負責、齊抓共管的地面沉降防治工作管理體系”工作原則，山東省積極開展地面沉降防治管理體系建設工作。

(1)建立政府主導、分級負責的地面沉降防治責任制度。2014年3月，《山東省人民政府關于組織實施山東省地面沉降防治規劃(2012—2020年)的通知》，為各級各部門協同合作、科學部署地面沉降防治工作提供了政策支持和實施依據。近幾年山東省人民政府下發的年度《山東省地質災害防治方案》均對地面沉降、地裂縫等緩變性地質災害防治工作進行了重點部署，明確了地方人民政府的地面沉降防治主體責任。

(2)形成部門協同，齊抓共管的地面沉降防治合作機制。省發改委、省財政廳、省國土資源廳、省水利廳、省政府法制辦、濟南鐵路局等多部門會商研討地面沉降防治工作。

(3)健全區域聯動、聯防聯控的地面沉降防治聯動機制。山東與北京、天津、河北、河南簽署了《華北平原地面沉降聯防聯控工作補充協議》，華北三省兩市通過開展標準統一、空間銜接、進度協調的地面沉降調查、監測和地下水壓采回灌等工作，同步聯手推進地面沉降防治工作。

1.4 地面沉降控制區劃定工作進展

根據《山東省人民政府關于印發山東省落實<水污染防治行動計劃>實施方案的通知》(魯政字〔2015〕31號)，山東省國土資源廳安排山東省地質環境監測總站開展了地面沉降控制區劃定工作。根據地面沉降發育程度、危害程度，將地面沉降發育程度分區和危害程度分區疊加，結合地面沉降控沉目標、行政管理和決策需求，考慮人口密度、社會經濟發展狀況及災害防御能力，按照突出重點，全面治理的原則，將全省地面沉降劃分為一級控制區、二級控制區和三級控制區，總面積約68169.6km2，其中一級控制區面積約2709.8km2，二級控制區面積約3313.6km2，三級控制區面積約62146.2km2。

2 存在的問題

2.1 地面沉降監測工作相對薄弱

前期的地面沉降調查、監測網覆蓋區域小，無法實現對全省地面沉降區的全面有效監控。尚未建成深層基巖標和自動化分層標監測體系，影響地面沉降重點區的微細觀研究。區域深層地下水監測站網密度不足，難以準確掌握地面沉降區的地下水動態變化。

2.2 地面沉降監測設施閑置

根據調查，山東省東營、濱州、德州、濟寧已建設基巖標5座，分層標5組20個，除濟寧、東營配備了自動化監測設備外，其他市受限于資金制約基巖標分層標均處于閑置狀態，造成了極大浪費。

2.3 地面沉降危害性認識不到位

地面沉降、地裂縫等緩變性地質災害具有生成緩慢、持續時間長、影響范圍廣、現象不明顯等特點，因其造成的經濟損失不明顯，地面沉降地區的政府和百姓對其危害性認識不足，防控的責任心、重要性、緊迫性的認識還有待提高[13-19]。

3 下一步工作計劃

3.1 全面實施控制區劃定方案

控制區劃定方案已由省政府批復并發布實施，部分地市編制了本級地面沉降控制區劃定方案，并由市政府批復實施。各級政府落實地質災害防治的主體責任，各級國土資源部門切實落實地質災害防治的部門職責，組織、協調、指導和監督地面沉降監測防治工作。依據控制區范圍劃定成果，水利部門編制了地面沉降區地下水壓采方案，制定地面沉降沉降區內地下水的壓采目標和壓采任務。

3.2 加快地面沉降監測體系建設

山東省將繼續認真落實《全國地面沉降防治規劃(2011—2020年)》，積極爭取資金支持，完善地面沉降監測網絡，加快基巖標、分層標監測體系建設，建立山東省全方位、全天候、多維度和多網合一(雙全兩多)的地面沉降監測體系，以滿足地面沉降微觀機理研究和控沉工作需求；加強地面沉降成生機理、監測預警、風險管理和防控體系建設。做好地面沉降監測成果的分析研究和推廣應用工作。

3.3 制定山東省地面沉降監測標準體系

目前，山東省地面沉降監測標準體系建設滯后，影響了山東省地面沉降監測工作的標準化、規范化，今后應當加強山東省地面沉降監測標準體系建設。