魯北平原地面沉降現狀與機理分析

段曉飛，孫曉曉，楊亞賓，劉毅

(山東省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質大隊，山東 德州 253015)

0 引言

地面沉降是一種緩變性的地質災害，有影響范圍廣、持續時間長、成因機制復雜、防治難度大等特點[1-2]。地面沉降造成的地面標高損失、城市內澇、建筑物受損、大規模市政基礎設施破壞，威脅高速鐵路、南水北調、西氣東輸等重大工程安全運營，給國民經濟造成了巨大損失[3]。

魯北平原區自20世紀70年代開始，區內就進行了大規模的地下水資源開采活動，發現地面沉降最早的地區是德州市的德城區(1978年)，但是受技術經濟條件的限制，地面沉降監測工作至20世紀90年代才正式開始，之后不斷完善，逐步形成德州、東營、濱州、聊城和濟南地面沉降監測網。隨著研究的深入，各地地面沉降監測、機理、防治措施的研究也陸續取得了一定成果。區內地面沉降區范圍包括德州、濱州、聊城、東營市的全部及濟南市、淄博市的北部，德州地面沉降中心20年累計沉降量已達1.30m，平均沉降速率65mm/a；東營沉降中心14年累計沉降量達1.605m，平均沉降速率114.6mm/a；地面累計沉降量大于200mm的面積超過14904km2，占魯北平原區的34%。目前，地面沉降已成為山東省較為突出和重點防治的地質災害類型之一[4-5]。

1 地質背景條件

1.1 地層

魯北平原地殼運動以沉降為主，自中生代末期，特別是新生代喜馬拉雅運動以來，在太古界—古近系基底之上，接受了巨厚新近系—第四系松散沉積物。第四系以下基底巖層主要有新生界古近—新近系，中生界侏羅—白堊系，上古生界石炭—二疊系，下古生界寒武—奧陶系及太古界地層。區內除無棣的馬谷山、東阿的位山、關山、濟南的華山、鵲山等殘丘有基巖出露外，均為第四系沉積物覆蓋。

新近系為河湖相沉積，以泥巖、砂巖、含礫粗砂巖、砂礫粗砂巖及砂礫巖為主，厚度1220～1365m，層底埋深1350～1650m；第四系由一套疏松的河湖相、濱海相、海相及山前沖洪積相物質組成。其巖性上部以粉質粘土、粉土夾粉砂為主，近海邊為夾黑色淤泥或淤泥質粘性土。下部為砂質粘土、粘土與粉砂、細砂互層，鈣質結核發育，底部見鈣質膠結砂巖，厚度100～300m。

1.2 水文地質條件

魯北平原屬于魯西北沖洪積平原、沖海積平原區，500m以淺的地下水主要賦存并運動于新生界第四系和新近系明化鎮組松散巖類孔隙中，含水層為沖積、洪積、海積、湖積粉細砂、中細砂及中粗砂礫石層。垂向上一般由淺、中、深3個含水巖組組成，深度一般為60m以上、60～200m及200m以下。除山前沖洪積平原為地下水全淡水區、黃河三角洲和濱海海積平原為全咸水區外，其他地區一般呈淡—咸、淡—咸—淡的水質分帶。受第四紀多期海侵的作用，區內中深層普遍發育有礦化度大于2g/L的咸水體，咸水體界面自南向北由淺變深。深層含水層補給條件差，透水性弱，含水層巖性為粉細砂、細砂，500m深度內可見8～10層，單層厚1～5m，累積厚30～50m，淡水頂界面埋深100～200m，局部地區300m，無棣、利津以東地區300～400m。濱海平原區以粘性土為主，地下徑流滯緩，由于地下水強烈蒸發濃縮，在200～500m深度以上，均為礦化度大于5g/L的咸水。

2 地面沉降現狀

為了系統查明區內地面沉降現狀，將不同起測時間、起測基準點、測量精度的數據統一。該次區域地面沉降速率圖繪制，以水準測量數據為基礎，以校驗后的多年insar解譯數據為輔助，選擇數據集中且與當前社會經濟發展關系密切的2008—2015年數據分析繪制而成(圖1)。以此為依據，通過合理地推測繪制地面累積沉降量分區圖，作為對區域沉降現狀認識的補充。

1—≥50mm；2—30～50mm；3—10～30mm；4—<10mm；5—分區界線；6—研究區邊界圖1 魯北平原地面沉降速率圖

2.1 地面沉降速率

魯北平原地面沉降發展迅速，呈現出多個沉降中心快速下沉的總體特征。西部以德城區、臨清市、茌平縣、齊河縣為代表，與河北省衡水地區相連，形成連片沉降區；東部以博興縣東南部、廣饒和桓臺為中心，形成一個大型沉降區。

其中大于60mm/a的有東營市廣饒縣，聊城市茌平縣，德州市齊河縣，濱州市博興縣等4個縣市，構成了目前魯北平原最新的沉降速率中心群。沉降速率大于50mm/a的地區主要在德州市德城區北部、西北部，齊河縣晏城、晏北街道辦事處，茌平縣縣城區及西部溫陳、博平鎮，博興縣城區及東南部湖濱鎮、店子鎮，廣饒縣城區及西部稻莊鎮、大王鎮等地區及桓臺縣的馬橋鎮、唐山鎮，總面積502.73km2。沉降速率在30～50mm/a的地區主要分布在德州市德城區宋官屯鎮、抬頭寺鎮，陵城區城區及西北部邊臨鎮；高唐縣城區，濱州市濱城區北部，東營市東營區史口鎮等地區及茌平縣、齊河縣、博興縣、廣饒縣、桓臺縣沉降速率大于50mm/a的外圍部分地區。沉降速率在10～30mm/a的地區主要分布在禹城市城區及十里望鎮等地區，臨邑縣城區及臨盤街道等地區，臨清市市區及東部大辛莊鎮、老趙莊鎮地區，無棣縣小泊頭鎮、埕口鎮地區及沉降速率在30～50mm/a地區的外圍地區及個別深層地下水開發利用量較大的縣市區如惠民縣、陽信縣等。其余大部分地區沉降速率小于10mm/a。

2.2 累計地面沉降量

從累積沉降量上分析(圖2)，區內存在2個明顯的沉降中心，一個是位于德州市城區西北部張莊(原國棉廠位置)，地面累積沉降量超過1.3m。另一個累積沉降中心位于廣饒縣縣城東北部YD10水準點(山泰集團商務會館附近)[6-9]，根據2002—2016年水準測量數據，其多年地面累積沉降量達1.605m。其中800mm沉降等值線圈閉面積322.36km2，主要分布在德州市德城區及東營市廣饒縣，占魯北平原面積的0.74%；200mm沉降等值線圈閉面積14904km2，占魯北平原區面積的34.34%。

2.3 分層沉降特征

根據德城區地面沉降監測分層標相對高程監測數據(圖3)，該點多年平均沉降速率為41mm/a，其中0～60m地層相對沉降量約2mm/a，占總沉降量的4%；60～300m地層多年平均沉降速率為20mm/a，占總沉降量的50%，是該區地面沉降主要層位之一；300～500m地層多年平均沉降速率為19mm/a，占總沉降量的46%，是該區另一主要沉降層。

明木和等[10]通過衡水市3000余個測井曲線的統計分析，得出剖面上咸淡水界面多年平均下移速率為0.12m/a，王蘭化[11]在天津深層地下水咸水下移問題的討論中也指出由于幾十年深層地下水的超量開采，水動力條件改變，垂向越流有所增強，深層淡水已受到上部咸水下移的影響。

據水文地質鉆孔資料，分層標所在地埋深50～260m為中層咸水含水層，未有地下水開采。但根據分層標測量結果60～300m地層多年平均沉降速率為20mm/a，占當地總沉降量的50%。這充分表明在德州地區由于下部深層地下淡水超量開采，水位不斷下降，已在中層咸水和深層淡水含水層之間產生了較大的水位差，使中層咸水含水層越流補給深層淡水含水層，產生了一定程度水位下降，使有效應力增加，產生地面沉降。

3 討論

任何事情的發生，都有其必然的原因，魯北平原區地面沉降的大面積產生亦不例外。國內外許多地面沉降研究實例表明，大范圍地面沉降的產生都離不開以下兩點因素：人為因素造成的地下水超量開采；地層中存在大量的具有較大可壓縮性的土層。

3.1 地下水的超量開采

區內深層地下水開采始于20世紀60年代中期。1965年以來，德州市和濱州市開始開采深層地下水,為城市生活和工業供水；到20世紀70年代末至80年代初,開始大規模地開發利用深層地下水。2005年以后，各地開始限制深層地下水的開采，封填、封停部分生活自備井，但深層地下水的開采量仍居高不下，一直處于超采狀態，地下水位埋深不斷下降。根據地下水位及地面沉降監測結果表明，深層地下水降落漏斗中心與地面沉降中心位置基本一致，漏斗中心即沉降中心，且漏斗形狀和擴展范圍與地面沉降范圍也基本相似，地下水水位標高與地面標高隨時間變化所表現出的趨勢也基本一致，兩者之間存在高度的相關性(表1)。

1—累計沉降量等值線；2—研究區邊界圖2 魯北平原地面累積沉降量圖

圖3 德州城區分層沉降特征

表1 德州地區深層地下水水位與地面沉降相關性分析

為探討地面沉降的形成機理，對水位、沉降兩部分資料進行研究，特別是通過對地面沉降明顯地區地面沉降量與其深層地下水水位數據的分析對比，可以清楚地看到，沉降量的大小變化與水位的變化存在較大相關性。分析德州深層地下水水位和累計地面沉降量數據，篩選得到位于地面沉降中心地區及附近的14個監測點水位和沉降量，采用多項式擬合建立德州深層地下水水位標高-地面累計沉降量相關關系式如下(圖4)。

y=0.1513x2+9.3925x+495.26

式中：y—沉降中心地面累計沉降量(mm)；x—沉降中心深層地下水位標高(m)。兩者之間高度相關，沉降量隨水位標高的變化而變化，且水位標高越小，地面沉降量越大。

圖4 德州漏斗中心深層地下水位標高與地面累計沉降量關系曲線圖

在研究天津的地面沉降時，牛修俊根據含水層系統中的弱透水層存在超固結應力的現象提出了臨界水位的概念。他指出臨界水位是指不引起或不明顯引起地面沉降的極限水位，超固結地層中地下水臨界水位值是客觀存在的，地下水臨界水位值可以根據超固結地層超固結值的大小來確定[12-14]。由圖4可以看出，德州漏斗中心深層地下水水位已在臨界水位以下。在水位標高-40m～-60m時，曲線斜率較小，單位水位降深引起地面沉降量較??；在水位標高-80m～-100m時，曲線斜率增大，單位水位降深引起地面沉降量明顯增大。

3.2 地面沉降機理

大量開采深層地下水是魯北平原產生地面沉降的主要原因，該文將從滲流計算理論[15]方面來論述魯北平原地面沉降機理。在滲流計算中粗粒含水層(砂性土)和細粒弱透水層(粘性土)均屬于多孔介質。對于一個處于平衡狀態的飽和含水介質，根據太沙基有效應力原理，含水層上覆巖土體、地表建筑物和大氣壓力等荷載形成的總壓力σ由有效應力ε和孔隙水應力p與之平衡，即σ=ε+p。大量開采深層地下水導致飽和多孔介質(包括含水層與含水層之間的弱透水層)測壓水頭的減小。壓強的降低，即地下水對上覆巖土體浮力的降低，為了維持平衡，這部分力將轉嫁到多孔介質固體骨架上，即增大有效應力ε，從而壓縮多孔介質，其結果是含水介質的厚度變薄和空隙率n變小，產生地面沉降。若忽略水的膨脹和壓縮造成的水的密度的變化，水頭變化dh引起的有效應力變化用下式表示：

dε=-dp=-ρwgdh

(1)

式中：ρw—水的密度，g—重力加速度，dh—水頭。

多孔介質的壓縮性由壓縮系數α來度量，壓縮系數的物理意義為骨架顆粒有效應力變化一個單位所引起的多孔介質體積相對大小。則有：

(2)

式中:Ub是多孔介質的體積，當ε有效應力增大時，Ub減小，多孔介質體積減小。

當假設多孔介質骨架體積不可壓縮時，多孔介質骨架體積Us是孔隙率n的常數，即Us=(1-n)Ub，因而有：

(3)

(4)

將(4)式帶入(2)式并注意到(1)式，則有：

(5)

地下水水位降低，水的孔隙壓力減小，多孔介質的孔隙率減小，含水層壓縮。把式(5)和式(1)聯立，則有：

(6)

dn即孔隙率的變化，假定水和多孔介質骨架顆粒不可壓縮條件下，若只考慮垂向上的壓縮，則有：

(7)

式中：b—多孔介質的厚度；db—厚度的變化量，Ssk=(1-n)ρwgα—多孔介質骨架儲水率，dh—水頭的變化。

在地下水流方程中，彈性儲水率是一個非常重要的參數，表示當水頭下降一個單位時，從單位體積空隙介質中釋放的水量(體積)[16]：

Ss=ρwg[nβ+α(1-n)]

(8)

β為水的體積壓縮系數。它由兩部分組成，即多孔介質骨架儲水率Ssk和孔隙水彈性儲水率ρwgnβ組成。骨架彈性儲水率的物理意義是當水頭下降1個單位時，由于孔隙介質受壓縮(厚度變薄，孔隙率變小)從單位體積孔隙介質中所釋放的水量。在高壓縮性的多孔介質中(粘性土)，與多孔介質壓縮系數α相比，水的體積壓縮系數β要小很多，水的彈性儲水率可以忽略不計。

多孔介質的骨架儲水率是有效應力的函數，在有些地層中，彈性壓縮量與有效應力呈對數關系[17]，大多數情況下有效應力增加量很小，多孔介質的壓縮量也較小，方程(6)可以被線性化為：

△b=Sskb△h

(9)

Δb為多孔介質垂向變化量，反應到整個地層中即為地面沉降量。

天然土層在歷史上受過最大固結壓力(指土體在固結過程中所受的最大豎向有效應力)稱為前期固結壓力。前人通過對鉆孔巖芯的室內固結試驗發現，多孔介質骨架的儲水率在有效應力沒有超過前期固結應力和超過前期固結應力時的差別很大。有效應力小于前期固結應力時，若有效應力進一步增大，則在粗顆粒和細顆粒的孔隙介質中都會導致一個小的彈性壓縮，在有效應力恢復到初始值時，壓縮是可以恢復的。在彈性壓縮范圍內，相同的有效應力變化下，細顆粒壓縮系數比粗顆粒的大，導致最終粗顆粒壓縮量大。如果有效應力超過了前期固結應力，細顆粒的沉積層將發生非彈性壓縮。通常在非彈性壓縮范圍內，相同有效應力變化下，粗顆?？紫督橘|的非彈性壓縮量和細顆?？紫督橘|相比，通?？梢院雎?，且在相同有效應力變化下，非彈性壓縮遠遠大于彈性壓縮，前者可以是后者的一個到兩個數量級大。

在施加壓力等同的情況下，粘性土的壓縮變形量較砂性土大的多，且粘性土的壓縮變形一般不具有可恢復性，即多屬于塑性(永久)變形。根據區內4個水文地質單元內300余眼水文地質鉆孔的巖性資料，將土體劃分為粘性土和砂性土兩大類，依據水文地質單元沉積環境的不同，統計整理了不同水文地質單元內的土體粘性土所占含量百分比，結果見表2。

表2 不同水文地質單元粘性土含量百分比

區內粘性土累計平均含量在64%～81%之間，平均含量73%，地層結構以粘性土為主。在地面沉降發生嚴重的德州市沉降中心主要開采段220～500m的粘性土累計厚度達180.45m。區內具有較大可壓縮性的土層為地面沉降提供了物質基礎，多年來由于大量開采深層地下水而引發的地面沉降主要是由于深層飽和粘性土的釋水變形產生的。

超量開采地下水造成承壓含水層水位大幅度下降是魯北平原產生地面沉降的外因，具有較大可壓縮性的土層則為地面沉降的發生提供了基礎條件，尤其是以砂性土、粘性土交互出現的復雜地質結構成為魯北地區沉降的典型特征。

3.3 地面沉降防治措施

地面沉降與地下水過量開采緊密相關，只要地下水位以下存在可壓縮地層就會因過量開采地下水而出現地面沉降，而地面沉降一旦出現則很難治理，因此地面沉降主要在于預防，在魯北平原區可以從以下幾個方面開展防治工作。

(1)加強地下水科學開采與科學管理

控制地下水開采量，調整開采井開采時間和開采布局，合理開采地下水。在德城區、濱城區、博興縣、茌平縣、廣饒縣等地段深層地下水資源嚴重超采地區，應嚴格控制開采量，關停城區內的開采機井，以恢復城區地下水位，減少地面沉降，通過加強地下水資源的統一管理，做到全面規劃，合理開采利用，減少地下水開采量。

(2)開展深層地下水人工回灌

地下水回灌是地面沉降控制中的一種重要方法。區內由于長年過量開采深層地下水，在德城區、濱城區已形成了水位埋深大于100m的降落漏斗，建議在豐水年充分利用引黃河水的便利條件積極攔蓄地表水，采用人工回灌技術將優質的地表水回灌入地下。一是補充地下水資源；二是遏制深層地下水降落漏斗和地面沉降等一系列環境地質問題的發展。

(3)加強地面沉降監測和地下水監測頻率，建立健全地面沉降監測網絡，加強對地下水水位、開采量及地面沉降監測數據的整合與積累，進一步完善地面沉降監測網絡體系、建立地面沉降監測信息系統。

4 結論

(1)魯北平原新生代以來沉積了巨厚的新近紀—第四紀松散沉積物，地層結構以粘性土為主，存在巨厚的壓縮層，是沉降發生的內在因素，深層地下水大量開采，地下水水位持續下降是沉降發生的外在因素。

(2)沉降速率大于50mm/a的地區總面積502.73km2，其中大于60mm/a的有東營市廣饒縣、聊城市茌平縣、德州市齊河縣、濱州市博興縣4個縣市。

(3)自地面沉降監測以來，區內存在2個顯著的沉降中心：德州市城區西北部張莊、東營市廣饒縣縣城東北部，累計沉降量均大于1m。其中800mm沉降等值線圈閉面積322.36km2，主要分布在沉降中心；200mm沉降等值線圈閉面積14904km2，占魯北平原區面積的34.34%。

(4)大量開采深層地下水是魯北平原產生地面沉降的主要原因。地面沉降主要在于預防，控制地下水開采量，調整開采井布局和開采時間，合理開采地下水，開展地下水人工回灌，減緩地下水水位下降速率是控制地面沉降有效的預防措施。