华北平原地面沉降机理与特点及防治措施

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 21卷 第 2期 2007年 　4月 资源环境与工程 Resources Environment & Engineering Vol. 21, No. 2 Ap r. , 2007 华北平原地面沉降机理与特点及防治措施 鄂　建 , 孙爱荣 (中国地质大学 环境学院 ,湖北 武汉　430074) 摘 　要 : 华北平原是世界上超采地下水最严重的地区 , 也是地面沉降面积最大的地区。通过分析人为因素对华 北平原地面沉降的影响 , 认为目前防治命题的着眼点在于优化开采和减少沉降灾害。在全面分析华北平原 地面沉降机理与特点的基础上 , 对华北平原地面沉降防治提出了一套工作思路 , 并认为开源节流是解决地面沉 降的最终措施。 关键词 : 华北平原 ; 地面沉降 ; 防治措施 ; 开源节流 中图分类号 : P642. 26 　　　　文献标识码 : A　　　　文章编号 : 1671 - 1211 (2007) 02 - 0156 - 04 1　华北平原地面沉降概况 华北平原地势平坦 ,主要由黄河、海河、淮河、滦河 等自西部和北部高原山地的大量泥沙长期淤积而成 , 冲积过程目前仍在进行中 ,因此第四系土层较为松散。 华北平原地表水资源较为贫乏 ,主要依靠开采地下水 资源。随着近 20年来经济的快速发展、城市化进程的 加快、地表水污染程度的增加、高层建筑的施工以及对 地下水的需求与日俱增 ,华北平原已成为世界上超采 地下水最严重的地区 ,也是地面沉降漏斗最大、沉降覆 盖面积最大的地区 ,且地面沉降呈现加剧的趋势。因 此 ,华北平原是中国发生地面沉降现象最具典型意义 的地区之一 [ 1 ]。 目前 ,华北平原已形成天津、沧州和北京 NE郊 3 个沉降中心。天津的地面沉降问题非常复杂 ,沿海一 带已出现负海拔标高地区近 20 km2 ,淤积突出 ,风暴潮 灾害非常严重。向西与河北平原沉降已连成一体 ,与 华北地下水开采形成的大漏斗相吻合。近些年随着区 县、乡镇经济的发展 ,出现了新的沉降发育中心。河北 平原区地面沉降主要形成于 20世纪 80年代 ,随着地 下水水位的下降和地下水水位降落漏斗的形成 ,河北 平原逐渐形成了沧州、保定、衡水、任丘、南宫、霸州、大 城、曲周、唐海 9个主要地面沉降区。截止 1998年 ,河 北平原地面沉降 > 200 mm的面积达 48 550 km2。沧 州地面沉降累计已达 2 250 mm,出现了 20多条地裂 缝 ,最长达 4 km。北京地区由于第四系沉积物相对致 密 ,地面沉降及其危害轻于天津和河北平原地区。但 是 ,由于高层建筑和其它重大工程对地面变形的要求 很高 ,其潜在威胁不容忽视 [ 2 ]。 2　华北平原地面沉降的机理与特点 华北平原地面沉降的原因可分为自然因素及人为 因素。自然因素包括构造活动、软弱土层的自重压密 固结、海平面上升等 ;人为因素包括过量开采地下水、 地下热水及油气资源 ,大规模工程建设等。本区由于 构造因素引起的地面沉降 ,速率仅为 1～2 mm /年。因 此人为因素 ,尤其是深层地下水超量开采是导致地面 沉降的主要原因 [ 3 ]。 211　开采量大于补给量以及可压缩性土层的存在 华北平原的地下水含水系统主要由第四纪以来的 松散沉积物组成。从产生地面沉降的地质条件来看 , 疏松的多层含水层体系、水量丰富的承压含水层、开采 层范围内正常固结或欠固结可压缩性厚层粘性土层等 的存在 , 是产生地面沉降的前提和物质基础 [ 4 ]。人为 过量开采地下水导致地下水位显著下降是地面沉降迅 速发生发展的主导因素。 在华北平原许多发生地面沉降的地方 ,从区域总体 上来说 ,并不一定都是因为开采量大于补给量 ,而是开 采格局不合理导致的。比如同等开采条件下 ,在粘性土 层大厚度中心区域集中开采地下水就比在小厚度区域 分布开采地下水要造成更加严重的地面沉降。中国以 前受“影响半径”的错误认识影响很深 ,在华北平原广泛 采用高密度布井方法开采地下水资源 ,这使得区域地下 水位显著下降 ,成为地面沉降的一个重要因素。 收稿日期 : 2007 - 02 - 02; 改回日期 : 2007 - 03 - 02 基金项目 : 中国地质调查局 《华北平原地面沉降调查与监测》 (水 [ 2004 ] 016 - 04)。 作者简介 : 鄂建 (1982 - ) , 男 , 在读硕士生 , 研究方向为水工环地质。E - mail: ekincug@1631com © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 212　深层含水层开采程度较浅层含水层高 ,导致的沉 降量也大于浅层含水层 中国以前在决定地下水开采层位上有一些误区 , 一是误将含水层导水系数 ( T = KM )大 , 当作富水性 好 [ 5 ]。由于深层含水层渗透系数 ( K)和厚度 (M )均较 浅层含水层大 ,在作抽水试验的时候 ,其涌水量较浅层 含水层高 ,因此认为主要开采深层地下水 ,这在华北平 原的中、东部广泛推广。二是由于深层土固结历史较 浅层土长 ,且由于上部自重应力较浅层大 ,因此压缩性 较小 ,不易沉降 [ 6 ]。实际上 ,深层承压水不容易受到补 给 ,其侧向补给有限 ,含水层弹性释水后不易受到补 充 ,虽然其初期有较为可观的释水量 ,但是其水头却下 降很快 ,释水固结很明显 ,而且必然导致多层的越流补 给 ,加剧了粘性土的固结沉降 ,导致严重的地面沉降灾 害 (图 1)。 图 1　深层承压水开采示意图 Fig11　Schematic diagram of exp loitation in confined aquifer 213　地面沉降是一个较为缓慢的地质灾害 ,初期不易 察觉且很难逆转 华北平原地下水开采经历了少量开采、大量开采 和超量开采三个阶段 ,对应于地面沉降的缓慢、显著、 急剧三个阶段 ,而且地面沉降一旦发生 ,很难逆转 ,即 使限采甚至禁采 ,在较长时间内仍然将持续沉降。这 是由于粘性土渗透固结过程非常缓慢 ,具有蠕变性 ,因 此即使水头回升 ,固结沉降过程仍然会继续。而且粘 性土变形主要以塑性变形为主 ,一旦固结 ,大部分沉降 量无法通过回弹恢复。 214　华北平原的许多地下水漏斗已经连成一片 ,形成 了区域性地面沉降 近年来 ,对地下水与日俱增的需求导致了华北平 原部分地区持续、严重的水资源缺乏。地下水位以平 均 1 m /年的速率下降 ,大约有 70 000 km2的地下水水 位低于海平面。河北平原深层地下水下降漏斗总计面 积为 43 915 km2 ,其中冀枣衡漏斗面积最大 ,为 6 363 km2。随着深层地下水进一步开采 ,地下水位下降范围 持续扩大 ,各漏斗范围也不断扩大 ,形成了覆盖整个平 原中东部、天津市和冀东平原部分地区的巨型复合漏 斗。山东省西北地区与河北平原中东部地区类似 ,由 于深层淡水的大规模开采 ,形成以德州和滨州为中心 的降落漏斗 ,其中德州地下水降落漏斗与沧州地下水 降落漏斗连成一片 ,形成世界上最大的华北平原地下 水降落复合漏斗。在这种情况下 ,华北平原已经形成 了以多个城市为沉降中心的区域大范围地面沉降。 215　地裂缝的出现表明差异性沉降的存在 作为一种差异性沉降的地质灾害 ,地裂缝对各类建 筑造成的破坏可能比地面沉降更大。地裂缝的成因较 为复杂 ,主要有两个方面的内在因素 ,一是由于基底断 块差异升降形成的潜山构造 ,使得不同的地方沉积物厚 度相差较大 ;二是由于沉积物的结构差异 ,不同的地方 粘性土层、砂层的厚度都不一样 ,水文地质工程地质性 质也不一样 ,粘性土厚度大的地方沉降量可能偏大 ,而 松散沉积物的沉降量一般也比密实土的沉降量大。 3　华北平原地面沉降防治措施探讨 地面沉降与经济社会发展本来就是一对相互制约 的矛盾。华北平原除了地下水资源较为丰富以外 ,没 有多少地表水资源 ,不能像长三角平原用禁采的办法 来防治。少开采或不开采则经济社会发展受限 ,多开 采则多沉降 ,造成巨额经济损失 ,反过来又制约经济社 会发展。但是我们的目的是双赢 ,即一方面水资源开 采量要保证经济社会的正常发展 ,另一方面尽可能的 减小和遏制地面沉降灾害。在这种情况下 ,唯一的办 法是一方面优化开采方案 ,减弱抽水对地面沉降的影 响 ,另一方面则要通过有效的措施来减少地面沉降灾 害的经济损失。根据以上机理与特点的分析 ,华北平 原地面沉降的防治措施主要有以下几个方面 : 311　调整地下水开采布局 不应集中开采地下水资源 ,避免局部地区地下水 位下降过大 ,更不应在软土层大厚度中心集中开采地 下水。分布式开采格局有利于争取更大范围的水资 源 ,有助于减小区域地面沉降。 312　进一步调整地下水开采层次 开采深层承压水导致的地面沉降大于浅层 ,而采 用合理的开采工艺开发利用浅层地下水不会诱发严重 的地面沉降 [ 7 ] ,因此应考虑在浅部含水层取水 ,包括潜 水含水层和二元结构 (上细下粗 )的微承压水。 其主要理由在于 :浅层含水层易于得到补给 ,恢复 很快。降低潜水位有利于减少地下水蒸发量 ,增强地表 751第 2期 鄂 　建等 :华北平原地面沉降机理与特点及防治措施 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 水入渗 ,减少地下水向地表水的排泄 ,增大可开采量。 浅层含水层特别是潜水含水层其重力给水度比深层承 压水的弹性释水系数可能要大几个数量级 ,在同等抽水 量下 ,其水头下降比深层含水层要小很多。开采浅层水 加速了浅层水循环 ,有利于受污染含水层的修复。 浅层水开采有一个需要注意的问题是浅层水容易受 到污染。事实上 ,二元结构中的下部微承压水因为上部粘 性土层的保护 ,其受到的污染可能很轻 ,有开采条件。 对于华北平原这种主要依靠开采地下水的地区 ,尽 量争取大气降水和地表水 ,开源节流是非常有必要的。 313　加速大口径开采井、子母井、连通井和水平井的试验 论证以便推广 浅层凿井大量取水比较困难。浅层含水层厚度相比 深层小 ,过水断面较小 ,且因为砾径较小 ,容易导致水井淤 塞。因此必须采用新的成井技术。 大口径开采井和子母井都有利于增大过水断面 , 连通井有利于增强越流补给。而水平放置的开采井更 是可以不受含水层的厚度限制。上个世纪 30年代以 来 ,水平井在油气开采中已经有了广泛的应用 ,研究也 已较为成熟 ,钻井工艺方面已经取得了突破。在低渗 透油田开发中 ,水平井开采较垂直井高出 3～6倍 ,乃 至 10倍、20倍的产量 ! 浅部水平井开采地下水 ,其剖面漏斗主要在浅部 发展 ,不会大幅度向深部扩展 [ 8 ] ,且容易得到地表水和 大气降水的补给 ,还能有效防治洪涝灾害 (图 2)。 图 2　浅部水平井开采示意图 [ 8 ] Fig12　Schematic diagram of shallow horizontal well 314　进一步评价论证、规划开发和保护水源地 　 规划的水源地必须多且分散 ,按照各个水源地的 具体情况可以适当的进行轮流开采。应把合理地控制 水位作为评价可开采资源的约束条件。 傍湖傍河的水源地和露天的砂层应引起足够的重 视 ,应考虑在主要的湖泊、河流附近进行水源地的评价 论证和规划开发。 此外 ,由于地表水和浅层水源地容易受到污染 ,应 做好地表水和浅层水源地的保护工作 ,这在地表水资 源较为贫乏的华北平原显得尤其重要。 315　加强区域地下水和地面沉降动态监测 地面沉降一般滞后于水头的下降 ,初期缓慢不易察 觉 ,一旦发生很难恢复 ,且华北平原地面沉降已经成为了 一个遍及河北、山东、北京和天津四地的区域性地面沉降。 地面沉降是一个区域性的复杂问题 ,因此对区域地面沉降 必须进行统一的管理与规划。目前各个地区各自独立的 开展地面沉降防治工作已经不现实了。 必须密切关注地下水和地面沉降动态 ,完善华北 平原区域地面沉降监测网络。地下水观测井和基岩 标 ,分层沉降标必须进行系统的规划布局与有效运作 , 以便最大限度地获取地下水和地面沉降的动态资料。 在开展传统测量的基础上 ,高精度的 GPS - InSAR地 面沉降监测网络也应进一步完善。 316　建立健全基于 GIS的区域三维可视化地面沉降信息 管理和决策支持系统 ,实现地面沉降灾害的预测预报 地面沉降是一个非常复杂的问题 ,在地面沉降机 理预测和控制研究中 ,都需要对地层的空间展布形态、 结构特点、物理化学性质、工程地质性质、地下水分布 与开采状况进行综合研究。因此必须建立基于 GIS的 三维可视化信息系统 ,实现地面沉降各项数据信息的 实时融合处理 ,有效地管理地面沉降各项数据信息 ,进 行系统的地面沉降治理规划 ,为决策提供支持。华北 平原地面沉降信息管理系统框架如图 3所示。 图 3　华北平原地面沉降信息系统框架 [ 9 ] Fig13　Flow chart of information system for land subsidence in North China Plain 华北平原地面沉降的决策支持系统主要在信息管 理系统和沉降模拟模型的基础上 ,依靠 GIS技术进行 851 资源环境与工程 　　 2007年　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 地面沉降和地裂缝的灾害性分区和发生发展规律分 析 ,制定地面沉降的防控分区、水源地规划范围、开采 层次、允许开采量和防控水位方案等等。 这方面值得注意的问题有 : (1) 信息系统必须对各项监测数据实时相应。确 保信息管理系统数据库的各项数据能够实时更新 ,实 时录入包括地面沉降值、地裂缝发展情况、水位和水质 等新的数据。 (2) 信息管理系统必须和地面沉降模拟系统耦合 起来。根据监测数据的变化 ,实现地面沉降的实时模 拟 ,一方面有利于提高模型识别和模拟的精度 ,另一方 面有利于紧跟地面沉降动态 ,对地面沉降进行预警预 报 ,必要时作出科学决策。 (3) 地面沉降模拟系统要根据土层实际特点分别 建立相应的模型。数值模拟模型应注意研究几个方面 的问题 :一是地裂缝的出现说明地面沉降是一个三维 土体固结问题 ,应建立三维土体应力应变模型 ,这有助 于认识地裂缝的发生发展规律。二是粘性土孔隙水渗 流模型是否应采用达西定律 ,还有待进一步研究。三 是如何实现水流模型和沉降模型的真正耦合。耦合模 型比传统的“两步走 ”模型能更好地反映实际情况 [ 10 ]。 4　结语 人为过量开采地下水是导致华北平原地面沉降发 生发展的主要原因 ,而根本原因则是经济社会与水资 源之间的矛盾。解决这个矛盾的最终措施是开源节 流 ,一方面尽力争取其它水资源 ,另一方面要努力提高 水资源利用效率。南水北调工程给华北平原地面沉降 防治带来了新的契机 ,黄河等主要河流上游合理的水 利规划也能增加华北平原的泥沙沉积量 ,有利于地面 高程的补偿。而优化水资源配置 ,实行分质供水 ,加强 水资源的循环利用等措施有利于提高水资源的利用效 率。调整产业结构、建设节约型经济、加强立法等措施 有助于从政策方面人类活动。 地面沉降防治是一项系统工程 ,需要综合考虑多 方面的因素 ,更需要有关单位多方面的合作。 参考文献 : [ 1 ]　何庆成 ,刘文波 ,李志明. 华北平原地面沉降调查与监测 [ J ]. 高 校地质学报 , 2006, 12 (2) : 195 - 209. [ 2 ]　殷跃平 ,张作辰 ,张开军. 我国地面沉降现状及防治对策研究 [ J ]. 中国地质灾害与防治学报 , 2005, 16 (2) : 1 - 8. 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Key words: north China Plain; land subsidence; measures for p revention and control; broden sources of income reduce expenditure 951第 2期 鄂 　建等 :华北平原地面沉降机理与特点及防治措施