濟南市地面沉降調查監測與防治工作進展

亓協全,張強,袁超,孟祥鑫

(中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東 濟南 250013)

地面沉降是因自然因素和人為活動引發松散地層壓縮所導致的地面高程降低的地質現象[1]。它是一種緩變性的地質災害[2]，不易被察覺，一旦釀成嚴重后果又難以補救，其具有形成時間長、影響范圍廣、防治難度大、難以恢復等特點。地面沉降現已成為影響我國區域經濟社會可持續發展的重要因素之一。濟南市北部地處華北平原地面沉降區的東南邊緣，受區內及區域地下水的開采影響，局部已產生地下水降落漏斗，引發了地面沉降現象。

1 地質背景條件

1.1 地形地貌

濟南市北部地區地處黃河下游沖積平原及山前沖洪積平原區，地勢平坦，地勢南高北低，西高東低，自西南向東北緩傾斜，海拔高度10.7～55.6m，地面坡降5/10000左右。

1.2 地層巖性

濟南地區在區域上屬華北-柴達木地層大區華北地層區，齊廣斷裂以南屬魯西地層分區，齊廣斷裂以北屬華北平原地層分區。地層從老至新依次為新太古代泰山巖群、古生代寒武系、奧陶系、二疊系；中生代白堊系；新生代古近系、新近系、第四系。濟南北部黃河沖積平原區和山前沖積平原區是地面沉降工作的重點區域。

區內均被第四系沉積物覆蓋，自新生代以來，受差異性升降運動的影響，一直緩慢下沉，沉積了巨厚的新生代地層。區內自上向下依次分布第四紀黃河組、黑土湖組和平原組；新近紀明化鎮組、館陶組；古近紀東營組、沙河街組、孔店組[3]。

1.3 地質構造

表1 濟南市北部平原區大地構造單元劃分

1.4 水文地質條件

1.4.1 水文地質概況

工作區縱跨黃河沖積平原孔隙水水文地質區和山前沖洪積平原孔隙水水文地質區[4]，區內以賦存松散巖類孔隙水為主[5],依孔隙水埋藏深度、承壓性的不同又可分為淺層潛-微承壓水、中層承壓水和深層承壓水，該次研究的重點為深層地下水。

深層地下水頂界面埋深200～300m，含水層巖性上部以粉細砂為主，下部多以中細砂及中粗砂為主，單井涌水量一般在500～1000m3/d。含水層單層厚度、水位埋深在黃河以南、以北有所差異：黃河以北含水層單層厚度3～8m，總厚度介于10～60m之間，水位埋深一般介于30～60m之間，水位標高總體呈東高西低的特點；黃河以南含水層單層厚度一般2～3m，總厚度一般小于10m，水位埋深一般介于15～25m。受區域地下水降落漏斗及區內廠礦企業自備井開采的影響，水位呈下降趨勢(圖1)，年降幅1～2m之間[注]中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東省濟南市北跨區地面沉降調查評價報告，2015年。。

圖1 濟南北部深層地下水多年動態曲線圖

區內深層地下水與淺層地下水之間水力聯系弱，不接受大氣降水和地表水補給，其主要補給源是遠距離的徑流補給，補給途徑長，水力坡度小，徑流遲緩，屬消耗型水源，以人工開采為主要排泄方式。

1.4.2 地下水開采現狀

目前區內以開采淺層地下水為主，開采深層地下水為輔，主要為農業灌溉和部分城鎮生活用水，其次為工礦企業和畜牧業用水。根據調查、收集資料統計：濟南市黃河北地區2015年地下水開采量約為9418.17萬m3，其中淺層水開采量為9277.17萬m3，深層水開采量為141.0萬m3。而工作區西側鄰區深層地下水開采量2304.6萬m3(2015年度臨邑縣、平原縣、禹城市總開采量)，遠大于區內，這也是區內北部深層地下水降落漏斗開口向西，位于區域降落漏斗東部邊緣的一個重要原因。根據不完全統計，黃河以南平原區(章丘北部)2016年中深層孔隙水開采量2382萬m3，其中：化工工業園工業用水開采量達1730萬m3，農村自備井開采量427萬m3，水源地開采量225萬m3。區內中深層地下水以工業開采為主，占總開采量的73%，農村自備井開采次之，占總開采量的18%，水源地開采占總開采量的9%。

1.4.3 地下水降落漏斗分布及成因分析

根據調查資料，區內中深層地下水降落漏斗主要有3處，分別位于商河城區西南—賈莊鎮一帶(Ⅰ號)、章丘高官寨曹家水廠一帶(Ⅱ號)和章丘水寨—辛寨一帶(Ⅲ號)(圖2)。

圖2 地面沉降條件區深層地下水降落漏斗分布圖

Ⅰ號降落漏斗位于商河縣城的西南部，漏斗中心位于商河縣許商街道東八里村至賈莊鎮姜范村一帶[注]中化地質礦山總局山東地質勘查院，山東省濟南市濟陽-商河地區地面沉降調查評價報告,2016年。，枯水期由-35m標高圈閉的漏斗面積達到119.29km2，漏斗中心水位埋深達到58.94m(2016.05.28)，降落漏斗呈開口向西的簸箕狀，說明該降落漏斗位于區域降落漏斗的東部邊緣。區域深層地下水的超采是造成該降落漏斗的一個重要因素，另外，區內企事業單位自備井開采是造成區內水位下降的另一個因素。

Ⅱ號降落漏斗位于遙墻東北—高官寨西南的曹家水廠一帶[注]中化地質礦山總局山東地質勘查院,山東省濟南市黃河以南黃河沖積平原區地面沉降調查評價報告,2018年。，漏斗中心位于曹家水廠，枯水期由+4m標高圈閉的降落漏斗呈NE-SW向的橢圓狀，漏斗面積33.85km2，漏斗中心水位標高-4.54m(2017.6.11)。該處降落漏斗主要為曹家水廠開采中深層孔隙水所致，曹家水廠目前給濟南遙墻國際機場和17個村莊供水，日供水量550m3左右。

Ⅲ號降落漏斗位于章丘水寨—辛寨一帶，漏斗中心位于水寨苑李水廠—化工工業園—新寨一帶，枯水期由-4m圈閉的降落漏斗呈近EW向橢圓狀，面積72.92km2，漏斗中心位于苑李水廠，水位標高為-20.56m(2017.6.11)。該降落漏斗產生的原因主要為苑李水廠、化工工業園自備井機及刁鎮—辛寨水廠開采引起。

1.5 工程地質概況

濟南北部廣泛分布黃河沖積物，巖性以粉土、粉質粘土及粉細砂等，上部地層松散、欠固結，物理力學性質差，承載力較低。區內500m以上的地層共劃分為24個工程地質層，其中11個壓縮層、13個含水層。200m以淺壓縮層多具中壓縮性，局部分布高壓縮性土層，200～500m壓縮層具低壓縮性。

2 地面沉降調查與防治工作進展

2014—2018年濟南市累計投入1700余萬元，先后安排實施了濟南市北跨區地面沉降調查評價、濟南-商河地區地面沉降調查評價、濟南市黃河以南黃河沖積平原區地面沉降調查評價、濟南市黃河北地區地面沉降分層標建設、濟南市地面沉降防治規劃和濟南市黃河北地區地面沉降監測等6個地面沉降調查評價及規劃防治項目，累計開展1∶5萬專項調查6962km2、基巖點建設1組、地面沉降監測標石建設211個、GPS監測墩建設2個、GPS監測點建設6個、分層標建設1組、水文工程地質鉆探3227.74m、地下水動態監測孔建設5組、二等水準測量4588.38km、地下水動態監測2848點次、水位統測281點次、土工試驗410件、鉆孔編錄3227.74m、水質全分析20件(表2)。通過以上一系列工作，建立了濟南市地面沉降監測網絡(圖3)，取得了地面沉降監測基礎數據，填補了濟南市地面沉降工作的空白，為今后濟南市地面沉降監測預警體系的建設奠定了基礎。

表2 濟南市地面沉降調查與防治工作量

1—水準測量起算點位置及編號；2—沉降監測標石位置；3—二等水準測量線路位置；4—鉆孔位置及編號；5—地下水動態監測孔位置；6—GPS監測墩位置及編號；7—GPS監測點位置及編號；8—分層標建設位置圖3 濟南市地面沉降監測監測網絡分布圖

3 地面沉降概況

濟南市北部地區位于華北平原地面沉降區的東南邊緣，根據山東省北部平原區InSAR監測地面沉降速率圖(2008年1月—2010年10月)和魯北地面累積沉降量圖(2015—2017年)可知：在濟南市商河縣城南部及以西地區、章丘區水寨鎮東側化工工業園附近和天橋區桑梓店鎮西側濟南新材料產業園附近已經出現了地面沉降現象。

根據2016年5月對 2005年5月建設的商河縣城南部的國家GPS點的復測，該點建設11年累計下降113mm，年平均沉降速率為10.27mm/a；2017年3月對2005年建設的水寨鎮GPS點測量發現：該點時隔12年高程下降223.2mm，年平均沉降速率達18.6mm/a；2017年11月通過對2015年6月建設的位于濟南新材料化工工業園區周邊的4個監測點進行測量，發現4個監測點時隔2年5個月均有不同程度下降，下降值分別為17.0mm、72.8mm、41.7mm和39.4mm，年均沉降速率6.8～29.12mm。以上數據證實，濟南市商河縣城南部及以西地區、章丘區化工工業園區附近和天橋區濟南新材料化工工業園附近已經產生地面沉降。

4 地面沉降影響因素

影響濟南市地面沉降的因素有2種：自然因素和人為因素[6]。自然因素包括構造運動和地震；人為因素包括：地下水、地熱、油氣開采、城市建設[7-8]等。

根據資料研究顯示：區內由構造運動引起的地面下沉速率在2～3mm/a之間(圖4)，構造運動對地面沉降影響較輕；自1620年以來濟南市及周邊未發生過大的地震，僅發生過幾次3.0級左右地震，震級較低，對地面沉降影響較輕。由此說明，自然因素不是引起區內地面沉降的主要因素。

1—正速率曲線；2—負速率曲線；3—速率單位；圖4 華北地區垂直形變速率圖(1951—1987)[9]

根據前期調查研究，區域及區內深層地下水的超量開采是引發商河地區地面沉降的主要因素，地熱和油氣開采[10]是次要因素；水源地開采和工業園區自備井開采是引發章丘區化工工業園區附近和天橋區濟南新材料化工工業園附近地面沉降主要因素。區內地面沉降范圍與深層地下水降落漏斗分布范圍具有一致性[11-12]。

另外，城鎮建筑群等工程大面積地面荷載對地面沉降也存在一定影響，該影響主要集中在城鎮分布區。

5 結論

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、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。濟南市雖建立了以地面沉降監測標石為主的地面沉降監測網絡，并取得了地面沉降基礎數據，為今后地面沉降的監測奠定了基礎。但由于監測時間較短、尚未形成行之有效的地面沉降監測預警體系。今后應加強該地區地面沉降機理研究，建立健全地面沉降監測預警體系和地面沉降綜合防治長效機制，為濟南市和新舊動能轉換先行區的進一步規劃、總體建設提供科學、準確的地面沉降基礎資料，對濟南市構建國家開放型經濟新體制示范城市，提高省會城市首位度具有重要意義。