咸陽市地下水位動態及其與地裂縫發展的對應關系研究

蔣臻蔚， 董文靜， 張焱森， 王曉海

(1.長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054；2.廣州市市政工程試驗檢測有限公司，廣州 510520；3.中國有色金屬工業西安勘查設計研究院有限公司，西安 710000)

地下水資源的過量開采是造成局部地面沉降、地裂縫發育的重要因素，調查研究發現，在地下水位沉降區域內易形成新的地裂縫或導致固有地裂縫活動加劇[1- 4]。咸陽市地處關中平原中部，市區建在渭河北岸一、二級階地上，地下水資源較為豐富。在“引石過渭”工程實施前，市區工農業生產和城鄉生活用水主要依賴于地下水。由于長期過量開采地下水，在咸陽市城區已形成多處地下水降落漏斗[5]，伴隨而來的是地面沉降、地裂縫、建筑物開裂等災害的發生，對城市經濟發展和居民生活環境造成了嚴重負面影響[6- 8]。

目前中外對于抽水作用下地裂縫成因機理的理論研究已經相當成熟[9-12]。但是，由于咸陽市的地裂縫大都沿渭河活動斷裂發育，部分專家把地裂縫的出現歸為斷裂活動所致。為了明確咸陽市城區地裂縫與地下水開采的關系，根據咸陽市城區多年的地下水位動態觀測資料，結合咸陽市地下水開采歷史和現狀分析了多年來地下水位的動態變化特征，通過實地考察和資料收集了解咸陽市地裂縫的發育特征，分別從時間和空間兩個層面綜合分析了地下水開采和地裂縫的定性關系，研究對于掌握咸陽地裂縫的成因機理，預測其今后的發展趨勢，開展地裂縫地面沉降災害的防治工作具有指導意義。

1 咸陽市地下水開采情況概述

1.1 咸陽城區地下水開采層位

按照水動力性質及埋藏條件，咸陽地下水開采層位大致可劃分為三個層位，即潛水、淺層承壓水和深層承壓水。

1.1.1 潛水層

潛水層是指埋深50～80 m以上的潛水含水系統，潛水水位埋深在一、二級階地為5～20 m，三級階地水位可達30 m以上，含水層由濕陷性強的黃土、砂、礫層組成，厚度可達19.82～54.40 m。

1.1.2 淺層承壓水

淺層承壓水是指埋深50～200 m左右的承壓含水系統，水位埋深13～25 m，三級階地可達30～60 m，含水層由沖積、湖積砂層、砂礫石層及不等厚黃土互層組成，是城市居民生活和工礦企業的主要開采層位。

1.1.3 深層承壓水

深層承壓水指埋深200～400 m以內的承壓含水系統，其水動力條件與淺層承壓水相似，也是咸陽市生活和工業生產的主要開采層位。

1.2 咸陽城區地下水開采歷史和現狀

咸陽市是陜西省第三大城市，在“引石過渭”工程實施之前，咸陽市是陜西省唯一工業、生活全部依賴地下水資源的城市。隨著經濟社會的發展，人民生活質量的不斷提高，對水的需求不斷增大，根據陜西省的統計資料[13-14]，咸陽市的年供水量從1989年起逐年穩定增長，1989年的總供水量為 8 929×104m3，2016年供水量增加到12 976×104m3(圖1)。

圖1 咸陽市年供水量變化Fig.1 Annual water supply of Xianyang City

地下抽水量也逐年大幅增加，1987年咸陽日地下水開采量為36.3×104m3，到2007年增加到最大值60.6×104m3，20 a間咸陽的日地下水開采量增加了24.3×104m3，平均每年增加1.215×104m3。地下水的過量開采造成地面沉降和地裂縫等災害問題，咸陽市政府加強了對城市規劃區自備井的管理[14]。隨著自備井的逐漸關停，地下水的日開采量開始下降，到2011年由于“引石過渭”工程開始供水，地下水的開采大幅降低到目前的日開采40×104m3左右(圖2)。

圖2 咸陽市地表水、地下水生產能力變化Fig.2 Changes of surface water and groundwater production capacity in Xianyang City

2 咸陽市地下水多年動態變化特征

地下水位動態變化，是反映含水層中地下水資源量變化的一個指征，地下水位的上升或下降，直接反映了地下水補給與消耗量的變化。雖然咸陽城區所在的渭北一、二級及三級階地，地下水資源相對較為豐富，但過量的開采地下水，必然會引起地下水位的下降。由于長期開采地下水，在渭北市區已形成城區復合漏斗和西橡廠地下水降落漏斗，在渭河南岸也形成了灃東地下水降落漏斗[15]。陜西省人民政府據此劃定了相應的超采區[陜政發(2006)69號]。水位降落漏斗從1985年形成，1986年開始連續觀測，已積累了多年的地下水水位觀測資料。

根據陜西省地質環境總站的水位監測資料，咸陽渭北地下水嚴重超采區的水位多年動態變化特征情況如下。

2.1 城區中心嚴重超采區水位動態

該超采區根據形成的復合型地下水降落漏斗而劃定，以人民路為中心，在其兩側形成東西向長軸基本平行于渭河的不規則形狀。深層承壓漏斗中心位于市自來水公司H58監測井附近，其水位動態變化如圖3所示。

圖3 城區中心嚴重超采區承壓水水位動態變化Fig.3 Dynamic variation of artesian water level in seriously overworked area of downtown area

從圖3可見，該區承壓水的變化可分為兩個階段：1986—2006年的快速下降階段，該時間段承壓水水位從1986年的27.24 m下降到了2006年水位埋深38.64 m，下降了11.4 m，年均下降0.57 m；2006年至今的回升階段，該階段地下水位從2006年的38.64 m上升到了2016年的32.10 m，上升了6.54 m，年平均回升0.65 m，已經回到了1997年的水位。水位降落漏斗面積相應地也經歷了擴展和收縮，目前降落漏斗面積已經從最大時的18.13 km2降到6.63 km2，如圖4所示。由圖4可見，咸陽城區地下水水位的回升相對較快。

圖4 城區中心水位降落漏斗面積變化Fig.4 Area variation of water level funnel in urban center

從淺層承壓水(H26井)和潛水(H74井)的變化來看也具有同樣的規律，淺層承壓水漏斗中心位于陜西彩色顯像管總廠水源井附近， H26井水位從1986年的16.89 m下降到了2006年水位埋深36.02 m，下降了19.13 m，年均下降0.96 m；潛水漏斗中心位于西北國棉一廠附近，H74井水位從1986年的11.88 m下降到了2006年水位埋深37.88 m，下降了26 m，年均下降1.3 m。可見，在水位的降落階段，潛水的下降速度>淺層承壓水的下降速度>深層承壓水的下降速度。

2.2 西北橡膠廠水源地嚴重超采區地下水水位動態

西北橡膠廠地下水超采區位于咸陽市西郊，也是淺層承壓水和深層承壓水形成的復合型漏斗區，呈橢圓形，長軸開始近南北向，后來也發展為近東西向。深層承壓水漏斗區面積0.77 km2，年均降幅0.69 m，漏斗中心位于西北橡膠廠以南西里村水源地附近，該降落漏斗中心的H11監測井，2006年水位埋深28.24 m，比1986年的14.37 m下降了13.87 m，年均降幅0.69 m。淺層承壓水降落漏斗區面積1.09 km2，年均降幅0.64 m，其漏斗中心位于西北橡膠廠南香柏里村水源地附近，該地的H209監測井，2006年水位埋深26.93 m，比1986年的 14.4 m 下降了12.53 m，統計期內年均降幅0.62 m。

3 地下水開采與地裂縫關系

咸陽市城區自1986年開始有系統的水位監測，但是缺乏系統的地裂縫地面沉降變形監測資料。基于此，通過調查訪問和資料收集[16-17]，統計分析后大致可以得到咸陽城區地下水開采與地裂縫地面沉降的定性關系。總體而言，抽水與地裂縫地面沉降發展過程具有良好的對應關系，具體表現如下。

3.1 時間關系

根據對西安等地進行調查研究，發現地面沉降和地裂縫的發育都可分為發生、發展、趨于穩定三個階段，如表1所示，咸陽地面沉降和地裂縫也具有這樣的特征。

據調查，咸陽城區的地裂縫最早大致于20世紀70—80年代(例如畢塬西路醫藥化玻公司)出現，然后在1991—2006年高發，2006年之后活動減弱。地裂縫活動的階段性與抽水引起的地下水水位變動具有很好的一致性，如圖5所示。

表1 地下水、地面沉降和地裂縫發育階段對應Table 1 Correspondence of groundwater, ground subsidence and ground fracture development stages

圖6 咸陽地裂縫與水位降落漏斗關系Fig.6 The relationship between ground fissure and water level descending funnel in Xianyang City

3.2 空間關系

咸陽渭河斷裂地裂縫首先肯定是受到渭河斷裂的控制，沿斷裂帶附近發育，但事實上地裂縫并不是在渭河斷裂全線發育， 而是主要發育在城區兩個主要的抽水沉降漏斗區，如圖6所示。由圖6可知，城區往東和往西的非沉降漏斗區沒有地裂縫發育。從水位降落漏斗來看，漏斗從主城區往西郊發展較快，導致地裂縫活動性總體上在城區西強東弱。另外，從斷裂的位置與漏斗中心的距離來看，中心城區處斷裂處于沉降漏斗中部而西郊斷裂處于橡膠廠沉降漏斗的邊緣，根據前人的研究位于漏斗邊緣的斷裂更容易引發地裂縫的發生。

圖5 咸陽渭北階地潛水平均埋深變化與地裂縫發展時間對應圖Fig.5 Correspondence graph of the change of phreatic average buried depth and ground fissure development time of Weibei terrace in Xianyang

4 結論

(1)由于多年過量的開采地下水，在咸陽市區形成了多個地下水水位降落漏斗，地下水的變化可分為兩個階段：1986—2006年的快速下降階段和2006年至今的緩慢回升階段。

(2)咸陽市地下水開采與地裂縫總體發展過程具有良好的對應關系，即時間上地裂縫活動與地下水水位變動具有很好的一致性，空間上地裂縫主要發育在城區兩個主要的抽水沉降漏斗區，且以漏斗邊緣裂縫更為明顯，而不是沿渭河斷裂全線發育。

(3)根據咸陽地下水水位動態與地裂縫關系的研究，鑒于目前地下水水位已經處于回升和相對穩定的階段，可以判斷今后只要沒有地質環境條件的劇烈改變，咸陽地裂縫不會有大的發展變化。