浙江温州永强平原地面沉降成因初探

罗美芳

(温州市地质环境监测站，浙江温州 325027)

永强平原行政区划隶属于温州市龙湾区，地处温州市东部，瓯江入海口南岸，面积约100 km2，经济发达，区内河网密布，地势低平，属中亚热带季风气候。地面沉降开始于20世纪90年代末期，自2004年起每年开展水准监测。目前系统的地面沉降调查与研究尚处于起步阶段，为了进一步掌握永强平原的沉降机理，本文在前人相关研究的基础上，对地面沉降的成因进行分析，为地面沉降的防治提供理论依据。

1 地质环境条件

永强平原第四纪地层自中更新世至全新世均有发育，成因类型复杂多样，区内由于构造纵横交错，气候差异较大，海进海退频繁，溪、江、湖、海交替或联合作用，使得第四纪地层厚度变化大，成因类型十分复杂。

主要类型有残积、洪积、冲积、冲海积、湖积、海积等。第四系沉积物厚度变化大。从山麓沟谷区厚度3～10 m向滨海平原递增至150 m，永强平原最厚达180 m，一般在120～170 m。相变快、岩性复杂。山麓沟谷区多为碎块石及粘性土层;平原区有粘土、粉质粘土、亚砂土、砂砾卵石等岩性层。平面上自山麓至海滨有冲洪积相、海湾湖沼相、河口-滨岸相与海相的变化。垂向上有海相、冲积相、冲洪积相的变化［1］(表1)。

表1 温州市永强平原第四纪综合地层简表Table 1 Quaternary comprehensive stratigraphic profiles in Yongqiang plains Wenzhou city

根据埋藏条件、地层结构与含水特征的差异分为两个含水组，即上更新统冲积砂砾石承压含水组(Ⅰ组)和中更新统冲积、洪冲积砂砾石承压含水组(Ⅱ组)。第Ⅰ含水组上覆厚层全新统淤泥质粘性土与地表水相隔，含水层顶板埋深60～70 m，第Ⅱ含水组顶板埋深95～32 m，与第Ⅰ含水组之间常有1～15 m的粉质粘土、粘土相隔，该层开采较少，不做统计分析。

大气降水、地表水和孔隙潜水等向深层承压含水层垂向渗透补给微弱，含水层距离瓯江上游补给区较远，在平原西部大罗山山前地带古河道沉积的砂砾石层大部分都尖灭在基岩斜坡带之下，从而使冲湖积、湖海积的粘性土层与基岩直接接触，获得侧向补给的条件较差。人工开采是主要的排泄方式。

2 地下水开采与地下水位降落漏斗形成发展

第Ⅰ含水组分布总面积约100 km2，含水组顶板埋深自北向南、自西向东递增，总厚度约30～50 m，最大厚度超过60 m。按含水组的结构特征可分为上下两个含水层，上层(Ⅰ1)顶板埋深60～70 m，厚度为11～23 m，分布不连续，岩相变化大，主要分布于平原区的宁村所-沙村-五溪沙一线以东地带，下层(Ⅰ2)遍布于平原区，顶板埋深73～95 m，厚度6～38 m，是主要开采层。永中、滨海、永兴等地涌水量超过3000 m3/d，成为主要供水水源地。地下水开采始于20世纪80年代，主要作为生活用水水源，后随着城乡经济建设的发展，用水量需求不断扩大，地下水开采量、开采井数直线上升，形成区域地下水降落漏斗。据不完全统计2005年开采量为2341×104m3，随着地下水禁限采工作的深入，以及加大文成珊溪水库水引入的力度，地下水开采量大幅减少，2010年开采量为350.35×104m3。

从图1与图2可知，Ⅰ组孔隙承压水原始静水位接近地表，从20世纪90年代末期开始以较大幅度下降，并形成区域降落漏斗，地下水平均水位在2006年达到最低值-39.5 m，之后开始回升。2005年Ⅰ组孔隙承压水水位较低，-40 m水位闭合圈面积为6.8 km2，从2007年起地下水位逐年上升，至2013年永中地区已不再是水位降落漏斗中心，且已不存在-25 m的等水位闭合圈。

图1 2005年永强平原地下水位等值线图Fig．1 Groundwater level isoline in Yongqiang plain in 2005

图2 水位点多年水位变化曲线图Fig．2 Water level point water level variation curve for years

3 地面沉降发展变化

根据以往调查及监测资料，永强平原地面沉降始于20世纪90年代末期，地下水开采量在2005年达到最大值，之后逐年减少，地下水位以较大幅度上升，但地面沉降仍在发展，存在滞后性。地面沉降迹象较明显，多处井管上升8～10 cm，个别达20 cm以上。永强平原地面沉降监测控制面积100 km2。2004年11月开始首次二等水准测量，此后每年监测一次。2009年起平原南部天河一带开始有监测数据。

3.1 地面沉降速率

由图3～图4、表2可知，2013年度永中地区地面沉降速率已基本上小于10 mm/a，永中中心、天河以及海堤沿线地面沉降速率大于20 mm/a，永中最大沉降量28.6 mm，比上年度增加1.6 mm。沉降速率大于10mm/a的面积为51.5 km2，大于20 mm/a的面积为19.3 km2，分别比上年增长 11.6 km2和4.1 km2。

图3 2005年永强平原地面沉降等值线图Fig．3 Land subsidence isoline in Yongqiang plain in 2005

图4 2013年永强平原地面沉降等值线图Fig．4 Land subsidence isoline in Yongqiang plain in 2013

3.2 地面沉降范围和沉降量

据统计，自20世纪90年代初至2011年，永强平原地面沉降中心累计沉降量已超过300 mm，累计沉降量最大的地段位于永中和海堤沿线。2004-2011年累计沉降大于50 mm的面积约为31.2 km2，占永强平原面积的31%。

2013年永中地面沉降中心累计沉降量为351.1 mm，比2011年增加55.2 mm，累计沉降量最大的地段位于永中和海堤沿线。2004-2013年累计沉降大于50 mm的面积为52.7 km2，比2011年增长21.5 km2，占永强平原面积的53%。

表2 2011－2013年温州永强平原地面沉降特征值表Table 2 Land subsidence eigenvalue from 2011 to 2013

4 地面沉降成因探讨

永强平原地面沉降主要是由开采深层孔隙承压水引起，地下水大量开采，补给不够及时、有效，造成了地下水位不断下降，含水砂层中的地下水迅速排向抽水井孔，使含水层孔隙压力减少，有效应力增加，产生压缩。粘性土在外力作用下，形状改变，外力停止后，仍保持改变后的形态。地层岩性和结构特征是产生地面沉降的重要地质基础，尤其是第四系粘性土厚度，山麓沟谷区粘性土底板埋深小于20 m，虽然部分地区也有开采地下水，但是由于可压缩地层厚度相对较小，因此地面沉降速率小于10 mm/a［2-4］。根据历年监测资料，永强平原地面沉降除具有塑性变形的特点外，也存在弹性变形，反映了砂砾层的弹性压密。受地下水位回升的影响，部分监测点监测数据出现不同程度的标高回升现象。

4.1 地面沉降与地层结构关系

永强平原区中上更新统由冲积、洪冲积及冲海积地层组成。中更新统以陆相沉积为主，上更新统以河、湖、滨海及浅海相沉积为主。其中河流相冲积砂砾石、砂层，结构松散，是区内的主要地下水含水层。随着水位的大幅度下降，有效应力增加，使砂层颗粒排列更加紧密，孔隙度降低，砂层受到压密。砂层因孔隙水压力下降而压密，待孔隙水压力恢复后，砂层大体上仍能恢复原状。砂砾类岩土基本上呈弹性变形。全新统主要由海相淤泥质粘性土组成。上更新世以来受海侵影响，形成的海相地层含水量高，抗压强度低，成为地面沉降主要压缩层。

永强平原内粘性土广泛分布，层位稳定且厚度大，是构成平原区上部的主要层位，属海相、河口相、湖沼相堆积物，厚度可达40～80 m。具有天然含水率高、孔隙比大、渗透性差、压缩性高、强度低等特点。

本次研究选取位于永强平原永中地区的工程地质孔，该孔深165.90 m，揭穿了整个第四系地层，采取原状土样40组，取样深度范围为1.5～78.3 m，第Ⅰ含水层顶板埋深78.4 m，与第Ⅱ含水层有1.4 m的粉质粘土相隔。根据土工试验成果，测试土样压缩系数0.23～1.64 MPa-1，天然含水量25.2% ～62.8%，孔隙比0.72～1.74，液性指数0.03～1.51，天然含水量、孔隙比与压缩系数基本成正相关性，天然含水量、孔隙比越大，粘性土越容易被压缩。土层厚度小于20 m时，压缩系数、含水量、孔隙比、液性指数基本上呈现随土层厚度增加而递增的趋势，大于20 m时则随土层厚度增加而递减(图5)。说明全新统上段、中段最易产生沉降［5-8］。

不同埋深、不同岩性的土的渗透系数也各不相同，粘性土渗透系数与地层埋深之间无明显关系，基本上为10-7cm/s数量级，远远小于相邻含水层的渗透系数，造成沉降的滞后性，粘性土层渗透系数的大小，直接影响排水速率的快慢，与固结的滞后性成反比(表3)。

4.2 地面沉降与地下水动态关系

地面沉降通常发生在松散第四纪地层分布区，在相似的地质环境背景和没有大面积附加荷载或城镇工程建设的情况下，区域地面沉降的严重程度与该区域的深层孔隙承压水动态关系密切。

永中地区，区域地面沉降区与第Ⅰ含水组的分布以及含水组水位降落漏斗基本吻合一致。永中、天河以东、海堤沿线地面沉降量较大，随着地下水位的上升，永强平原地面沉降速率逐步放缓。从图6可知，地面沉降的发展过程与地下水水位变化过程基本保持一致，总体成正相关性。根据永强平原地面沉降和地下水的监测资料，采用多项式拟合，得出两者之间的关系为:V=0.0422X2+1.9296X+29.68(R2=0.9583)，地面沉降速率与地下水位总体呈正相关关系。从图6～7分析可知，水位标高低于-20 m时出现地面沉降，水位标高低于-30 m时，地面沉降速率变化较快［9-13］。

图5 永强平原工程地质孔粘性土物理参数随深度变化图Fig．5 Relationship between soil depth and its physical parameters in Yongqiang plain

表3 土层室内渗透试验结果统计表Table 3 Statistic chart of permeability coefficient

至2010年永强平原已基本关停深层地下水开采井，天河镇以东地面沉降速率超过20 mm/a，推测是滨海园区许多企业采取更加隐蔽的方式开采地下水，但由于该区域没有地下水位监测井，因此无法验证。对照2005-2010年度地下水开采量与地面沉降平均速率关系V=6.4082ln(Q)-30.313(R2=0.9782)［14］，推测2011-2013年度开采量分别为354×104m3、602 ×104m3、875 ×104m3。

图6 永中地区C010监测点与监60水位点历年变化关系图Fig．6 The trend of C010 monitor point and Jian 60 water level point in Yongzhong area

图7 永强平原地面沉降平均速率与水位标高关系图Fig．7 Curve showing the relationship between land subsidence and groundwater level decline in Yongqiang plain

5 结语

(1)永强平原地面沉降易发程度受地层结构影响，上更新统冲积砂层是主要的开采层，以弹性变形为主，上更新世以来形成的海相地层含水量高是主要的压缩层，以塑性变形为主。

(2)根据土工试验成果，天然含水量、孔隙比与压缩系数基本成正相关性，全新统上段、中段最易产生沉降，粘性土渗透系数与土层深度无明显关系，基本上为10-7cm/s数量级，远远小于含水砂层渗透系数，造成沉降的滞后性。

(3)地面沉降的严重程度与地下水动态密切相关，对Ⅰ层孔隙承压水的过量开采是造成永强平原地面沉降的主要外因，地面沉降速率与地下水位总体呈正相关性，当水位低于-20 m时将出现地面沉降，水位低于-30 m时沉降速率超过10 mm/a。

永强平原地面沉降监测起步较晚，对沉降机理研究还有待进一步深入。目前永中地区正在开展地面沉降分层监测标组建设，建成后可对地面机理研究、防治以及地下水资源合理利用提供基础资料和决策依据。

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