廊坊城區(qū)地面沉降與地下水漏斗響應(yīng)關(guān)系

侯軍亮, 李 輝

(1.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，石家莊 050011；2.河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050011)

廊坊市享有“京津走廊明珠”之稱，也是京津冀一體化中部核心功能區(qū)，但從20世紀(jì)八九十年代起，廊坊市城區(qū)地面沉降問題逐年嚴(yán)重，制約了城市可持續(xù)發(fā)展。因此，開展廊坊市城區(qū)地面沉降發(fā)育特征研究勢在必行。

目前，許多學(xué)者開展了地面沉降相關(guān)研究。陳崇希[1]、薛禹群等[2]就地面沉降問題開展系統(tǒng)探討。Sun等[3]、Ovando-Shelleg等[4]、Tosi等[5]、劉勇等[6]針對抽采地下水引發(fā)的地面沉降進(jìn)行研究。李海君等[7]、劉峰川等[8]、周毅等[9]分析了平原區(qū)地面沉降機(jī)理機(jī)制。胡卸文等[10]、李文運(yùn)等[11]、金瑋澤等[12]、熊小鋒等[13]、周浩等[14]通過建立數(shù)值模型，分析地下水與地面沉降相關(guān)關(guān)系。Carbognin等[15]、張鐵勤等[16]、雷坤超等[17]、杜釗鋒等[18]基于InSAR等監(jiān)測技術(shù)手段，研究多種影響因素與地面沉降之間的關(guān)系。基于上述研究，分析研究區(qū)多年水文地質(zhì)資料，研究地下水漏斗區(qū)長序列地下水位變化數(shù)據(jù)，根據(jù)近年國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)和城市建設(shè)發(fā)展情況，探討地面沉降發(fā)育特征，并分析地下水位變化與地面沉降吻合性。

1 研究區(qū)概況

1.1 氣象水文

研究區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為554.9 mm，降水量年內(nèi)分布不均勻，6—9月降水量占全年總降水量的80%以上。

研究區(qū)地表水屬海河流域系統(tǒng)的永定河水系，主要河流有永定河、龍河、鳳河等，均為季節(jié)性河流。

1.2 地形地貌

研究區(qū)系華北平原的一部分，形成于渤海凹陷，大陸下沉，逐漸為海河河系沖積物填充形成的沖積平原，地貌比較平緩單調(diào)，平均海拔13 m，地面傾斜平緩，地勢自西南向渤海灣傾斜，大部坡降1/6 000～1/10 000。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造及地層

研究區(qū)大地構(gòu)造處于中朝準(zhǔn)地臺華北斷拗的冀中臺陷構(gòu)造單元之上，次一級構(gòu)造單元為武清、廊坊斷凹，大興斷凸、基底地層主要為寒武系、奧陶系、石炭系及二迭系。第三系及第四系覆蓋于基底之上，第四系松散沉積層厚500 m左右。

1.4 水文地質(zhì)條件

1.4.1 含水組劃分

項(xiàng)目區(qū)屬永定河沖洪積平原水文地質(zhì)區(qū)，根據(jù)第四系沉積物巖性及水文地質(zhì)特征，將第四系含水系統(tǒng)從上至下劃分為Ⅰ～Ⅳ含水組，其中Ⅰ、Ⅱ含水組為淺層地下水，Ⅲ、Ⅳ含水組為深層地下水。

Ⅰ+Ⅱ含水組底板埋深140～167 m，含水層厚度為30～50 m，巖性主要為中砂細(xì)砂，單位涌水量以5～10 m3/h·m為主, 水化學(xué)類型為HCO3-NaMg型水。有咸水分布，位于研究區(qū)中東部，咸水體主要賦存于Ⅰ含水組下部，Ⅱ含水組上部，咸水體頂板埋深10～20 m，底板埋深60～110 m。

Ⅲ+Ⅳ含水組為承壓水類型。西部以中細(xì)砂為主，有粗砂卵礫石層，中部以中砂為主，東部以細(xì)砂為主，含水層厚度為42～73 m。單位涌水量以10～15 m3/h·m為主，礦化度一般<0.5 g/L。

1.4.2 地下水補(bǔ)給、徑流排泄條件

淺層地下水埋藏淺，主要接受大氣降水補(bǔ)給，其次為側(cè)向徑流補(bǔ)給、河渠滲流補(bǔ)給、地表水灌溉和井灌回歸補(bǔ)給。以人工開采消耗為主，其次為蒸發(fā)及側(cè)向排泄。

深層地下水主要為側(cè)向徑流補(bǔ)給和少量越流補(bǔ)給，消耗于人工開采。

2 地下水位下降與地面沉降關(guān)系分析

2.1 地下水位變化分析

2.1.1 城區(qū)地下水開采量分析

廊坊市城區(qū)供水來自地下水，供水方式主要是自來水公司集中供水和部分單位自備水源井分散供水，其中自備井自2006年逐步關(guān)停。圖1所示為2001—2015年城區(qū)供水總量曲線，整體呈上升趨勢，供水總量最大增加了約1 766×104m3，有2次供水總量明顯上升時(shí)期，分別是2004—2009年和2009—2014年。供水量的變化與生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，需要具體分析兩個(gè)階段的主要影響因素。

圖1 2001—2015年廊坊市城區(qū)供水總量曲線Fig.1 The curve chart of total water supply in Langfang urban area for 2001—2015

根據(jù)圖2，2004—2009年，家庭用量和生產(chǎn)用量整體呈增加趨勢，是該時(shí)期供水總量的主要影響因素。2004—2009年城區(qū)用水人口數(shù)量增加了約15.4萬人(圖3)，生產(chǎn)用水也不斷增加。其中，2008年金融危機(jī)對工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生巨大影響，2007—2009年生產(chǎn)用水量增速減緩，家庭用量也未因用水人數(shù)增加出現(xiàn)明顯上升趨勢。

圖2 廊坊市城區(qū)生產(chǎn)生活用水情況曲線Fig.2 The production and domestic water consumption curve in Langfang urban area

圖3 城區(qū)用水人數(shù)變化曲線Fig.3 The curve chart of water consumption in urban areas

2009—2015年，生活和生產(chǎn)用水量呈先上升后下降趨勢，公共服務(wù)用水量先是下降再是上升。家庭用量主要受用水人口影響，2009年后用水人口數(shù)量增加緩慢，用水人數(shù)逐步穩(wěn)定，家庭用量開始逐步增加；生產(chǎn)用水供水量在2009年出現(xiàn)明顯增加，但增加速率逐步放緩，主要原因是2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)后工業(yè)逐漸復(fù)蘇，用水需求不斷加大，2012年以后受一系列地下水管控政策的實(shí)施及生產(chǎn)工藝的改進(jìn)等影響工業(yè)用水量逐步降低；京津冀一體化發(fā)展加快了廊坊市第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展，公共服務(wù)水平不斷提升，加大了地下水供水量。

2.1.2 地下水位變化分析

深層地下水是廊坊市城區(qū)的主要水源，地下水開采量不斷增加，導(dǎo)致地下水位逐漸下降。為了研究近年地下水位變化，選取2001、2006、2011和2015年低水位期地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)以及監(jiān)測井長序列動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析城區(qū)深層地下水位變化情況。

2.1.2.1 地下水位漏斗變化分析

由圖4可知，受常年性城市工業(yè)、生活開采深層地下水影響，形成了以廊坊市城區(qū)為中心的地下水位漏斗，漏斗斷面呈上寬下窄的“V”字形。地下水位漏斗影響范圍逐年增加，影響面積約300 km2，主要分布在城區(qū)中東部；漏斗中心水位不斷下降，2001年水位埋深為74.3 m，2015年水位埋深79.25 m，年均下降速率為0.33 m/a，深層地下水位處于超采狀態(tài)。但是近年廊坊市陸續(xù)出臺了地下水限采、禁采管理辦法，并關(guān)停了城區(qū)自備井，深層地下水位開采得到了有效控制，水位下降幅度減緩。

圖4 廊坊漏斗多年地下水位對比斷面圖Fig.4 The contrast sectional map of groundwater level in the Langfang funnel for many years

2.1.2.2 監(jiān)測井地下水位變化分析

廊坊市開展了多年的地下水監(jiān)測工作，尤其是近年逐步建立了國家級自動監(jiān)測井(圖5)，長序列的地下水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為地面沉降研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5 國家自動監(jiān)測井Fig.5 National automatic monitoring well

廊坊市城區(qū)淺層地下水質(zhì)量以Ⅳ類水為主，局部為Ⅴ類水，不能滿足飲用和灌溉要求，所以生產(chǎn)生活用水以深層地下水為主。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以后，國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷增加地下水的開采量，深層地下水位不斷下降。

圖6所示為深層地下水監(jiān)測井廊3、廊13和廊59多年長序列水位動態(tài)變化曲線。由6圖可知，地下水位變化趨勢基本一致，廊3位于漏斗邊緣，水位逐漸下降補(bǔ)給漏斗。隨著漏斗中心水位逐漸穩(wěn)定，邊緣地下水位亦逐漸平穩(wěn)。

圖6 深層地下水動態(tài)監(jiān)測曲線Fig.6 Dynamic monitoring curve of deep groundwater

圖7所示為地下水位漏斗邊緣深層地下水監(jiān)測井廊58和廊59動態(tài)水位變化曲線。兩井水位埋深較大，與監(jiān)測井所在位置有關(guān)，監(jiān)測井廊59位于城區(qū)郊區(qū)，人口密集，有生產(chǎn)用水；廊58位于農(nóng)村，地下水主要用水飲用和灌溉。由圖7可以推測，目前地下水位漏斗發(fā)展對該區(qū)影響較小。

圖7 監(jiān)測井廊58和廊59地下水動態(tài)監(jiān)測曲線Fig.7 Groundwater dynamic monitoring curve of the monitoring well Lang 58 and Lang 59

2.2 研究區(qū)地面沉降演變分析

2.2.1 地面沉降監(jiān)測

圖9 城區(qū)深層地下水位漏斗與地面沉降速率關(guān)系Fig.9 The relationship between deep groundwater funnel and ground subsidence rate in urban areas

廊坊城區(qū)地面沉降監(jiān)測工作起步較早，20世紀(jì)70年代就已開始部署工作，目前已形成較為完善的監(jiān)測網(wǎng)，包括孔徑雷達(dá)干涉(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)技術(shù)、水準(zhǔn)測量等。尤其是水準(zhǔn)測量工作，廊坊城區(qū)建設(shè)了4個(gè)分層標(biāo)和4個(gè)對應(yīng)的地下水監(jiān)測井(圖8)，一等水準(zhǔn)點(diǎn)14個(gè)，二等水準(zhǔn)點(diǎn)178個(gè)，為城區(qū)地面沉降監(jiān)測打下夯實(shí)基礎(chǔ)。

圖8 廊坊城區(qū)分層標(biāo)和對應(yīng)的地下水監(jiān)測井Fig.8 Layer monitoring well and corresponding groundwater monitoring wells Langfang urban area

2.2.2 地面沉降演變分析

廊坊市地面沉降災(zāi)害較嚴(yán)重，隨著地下水不斷被開采，地下水位下降逐步成為地面沉降主要影響因素。1984—1988年地面沉降速率為24.6 mm/a，1988—1992年地面沉降速率為31.4 mm/a[19]，沉降速率呈增加趨勢，2015年局部地面沉降速率大于80 mm/a，制約了廊坊城區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。圖9所示為基于InSAR技術(shù)，廊坊市2015年地面沉降速率等值線圖，由圖9可知，廊坊城區(qū)地面沉降速率大于60 mm/a面積約140 km2，主要分布在城區(qū)中部，城區(qū)大部分地區(qū)地面沉降速率大于40 mm/a。

2.3 地下水位漏斗與地面沉降響應(yīng)關(guān)系分析

地殼運(yùn)動和地下水開采是廊坊城區(qū)地面沉降的主要影響因素，隨著人類工程活動增加、生活品質(zhì)的提升以及工業(yè)用水需求量增加，尤其是城區(qū)淺層地下水質(zhì)不能滿足生活和工業(yè)用水需求后，深層地下水不斷被開采，并逐步形成地下水位漏斗(1978年初見漏斗)。

為了研究廊坊市城區(qū)地下水與地面沉降關(guān)系，曾在研究區(qū)南部30 km開展勘查工作，采用鉆探、物探、測量、野外調(diào)查等多種技術(shù)手段收集地層、地下水等資料，研究發(fā)現(xiàn)地下水是該區(qū)地面沉降影響的主要因素[20]，地下水位下降引發(fā)黏性土地層的不可逆沉降，并引發(fā)了地面不均勻沉降，為本文的研究提供了夯實(shí)的理論依據(jù)。從圖9亦可看出，地下水位漏斗與地面沉降發(fā)展情況基本吻合，中心分布在城區(qū)中部，是人類活動集中區(qū)，這說明近年來地下水位下降已成為該區(qū)地面沉降的主要因素。因此，深層地下水位變化直接影響了地面沉降的發(fā)展，分析兩者間的關(guān)系勢在必行。

廊坊城區(qū)第四系厚度大于500 m，根據(jù)土的有效應(yīng)力原理，深層地下水位下降，黏性土失水后孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增大，土層壓縮量增加，該壓縮呈不可逆過程。因此，自地下水位下降漏斗形成后，城區(qū)地面沉降快速發(fā)展，隨著水位不斷下降，沉降速率亦增加。進(jìn)入21世紀(jì)后，廊坊市已陸續(xù)關(guān)停了市區(qū)的自備水源井，增加周邊水源地供水量，及采取了諸多限采、禁采措施減少工業(yè)用水等，減緩地下水位下降幅度，但是地面沉降仍繼續(xù)發(fā)展，除了其具有延續(xù)性，地面荷載的不斷增加，亦迫使沉降速率進(jìn)一步增大。

隨著廊坊市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，舊小區(qū)改造，新區(qū)樓房拔地而起，尤其是城市中心建起多棟高層樓房和住宅樓。據(jù)廊坊市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，建筑竣工面積逐年增大(圖10)，形成多個(gè)建筑群，建筑密度增大，樓層增高，地面荷載增加，對地面沉降的影響也愈大[21]。

圖10 廊坊市建筑竣工面積曲線Fig.10 The completed area curve of Langfang City

綜上所述，廊坊城區(qū)地面沉降速率與地下水位漏斗關(guān)系緊密，二者影響范圍基本吻合，地下水位下降也成為該區(qū)地面沉降主要影響因素，其深層地下水開采量越大，地下水位下降越迅速，地下水位降落漏斗范圍越大，地面沉降量、沉降速率和范圍亦越大。盡管近年采取多種措施控制地下水位下降，但是由于地面沉降具有延續(xù)性和不可逆性，且在地面建筑群等荷載作用下，綜合導(dǎo)致研究區(qū)地面沉降繼續(xù)發(fā)展，直到黏性土層內(nèi)總應(yīng)力達(dá)到新的平衡停止壓縮變形，才能減緩地面沉降。因此，地面沉降目前仍是廊坊市重點(diǎn)防治的地質(zhì)災(zāi)害之一。

3 結(jié)論

通過收集研究區(qū)水文地質(zhì)條件、地面沉降監(jiān)測等資料，分析了廊坊城區(qū)地下水位漏斗演化與地面沉降響應(yīng)關(guān)系，為政府地面沉降防治和國土空間規(guī)劃提供理論依據(jù)。

(1)廊坊市城區(qū)水源以深層地下水為主，供水量呈上升趨勢，生產(chǎn)用水和家庭用水占主要部分。長期開采地下水形成地下水位下降漏斗，漏斗剖面呈“V”字形，2001—2015年，漏斗中心水位下降了4.95 m，平均下降速率為0.33 m/a。

(2)基于InSAR技術(shù)，廊坊市城區(qū)中部沉降速率>60 mm/a，較20世紀(jì)比，沉降速率增大，局部沉降速率>80 mm/a。

(3)通過對地下水位漏斗和地面沉降響應(yīng)關(guān)系分析，地下水位下降漏斗與地面沉降中心基本吻合，地下水位開采量增加，造成深層水位下降，導(dǎo)致地面沉降速率不斷變大，影響范圍亦增大，地下水位下降依然成為該區(qū)地面沉降的主要影響因素。同時(shí)，城區(qū)的快速發(fā)展，建筑物的拔地而起，地面建筑群荷載增加，亦對地面沉降產(chǎn)生不利影響。因此，限制或禁止深層地下水開采，做好城市整體規(guī)劃，以緩解地面沉降發(fā)展并降低其帶來的不良影響，是該區(qū)討論和解決的重要問題之一。