鲁北平原地面沉降现状与机理分析

段晓飞，孙晓晓，杨亚宾，刘毅

(山东省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质大队，山东 德州 253015)

0 引言

地面沉降是一种缓变性的地质灾害，有影响范围广、持续时间长、成因机制复杂、防治难度大等特点[1-2]。地面沉降造成的地面标高损失、城市内涝、建筑物受损、大规模市政基础设施破坏，威胁高速铁路、南水北调、西气东输等重大工程安全运营，给国民经济造成了巨大损失[3]。

鲁北平原区自20世纪70年代开始，区内就进行了大规模的地下水资源开采活动，发现地面沉降最早的地区是德州市的德城区(1978年)，但是受技术经济条件的限制，地面沉降监测工作至20世纪90年代才正式开始，之后不断完善，逐步形成德州、东营、滨州、聊城和济南地面沉降监测网。随着研究的深入，各地地面沉降监测、机理、防治措施的研究也陆续取得了一定成果。区内地面沉降区范围包括德州、滨州、聊城、东营市的全部及济南市、淄博市的北部，德州地面沉降中心20年累计沉降量已达1.30m，平均沉降速率65mm/a；东营沉降中心14年累计沉降量达1.605m，平均沉降速率114.6mm/a；地面累计沉降量大于200mm的面积超过14904km2，占鲁北平原区的34%。目前，地面沉降已成为山东省较为突出和重点防治的地质灾害类型之一[4-5]。

1 地质背景条件

1.1 地层

鲁北平原地壳运动以沉降为主，自中生代末期，特别是新生代喜马拉雅运动以来，在太古界—古近系基底之上，接受了巨厚新近系—第四系松散沉积物。第四系以下基底岩层主要有新生界古近—新近系，中生界侏罗—白垩系，上古生界石炭—二叠系，下古生界寒武—奥陶系及太古界地层。区内除无棣的马谷山、东阿的位山、关山、济南的华山、鹊山等残丘有基岩出露外，均为第四系沉积物覆盖。

新近系为河湖相沉积，以泥岩、砂岩、含砾粗砂岩、砂砾粗砂岩及砂砾岩为主，厚度1220～1365m，层底埋深1350～1650m；第四系由一套疏松的河湖相、滨海相、海相及山前冲洪积相物质组成。其岩性上部以粉质粘土、粉土夹粉砂为主，近海边为夹黑色淤泥或淤泥质粘性土。下部为砂质粘土、粘土与粉砂、细砂互层，钙质结核发育，底部见钙质胶结砂岩，厚度100～300m。

1.2 水文地质条件

鲁北平原属于鲁西北冲洪积平原、冲海积平原区，500m以浅的地下水主要赋存并运动于新生界第四系和新近系明化镇组松散岩类孔隙中，含水层为冲积、洪积、海积、湖积粉细砂、中细砂及中粗砂砾石层。垂向上一般由浅、中、深3个含水岩组组成，深度一般为60m以上、60～200m及200m以下。除山前冲洪积平原为地下水全淡水区、黄河三角洲和滨海海积平原为全咸水区外，其他地区一般呈淡—咸、淡—咸—淡的水质分带。受第四纪多期海侵的作用，区内中深层普遍发育有矿化度大于2g/L的咸水体，咸水体界面自南向北由浅变深。深层含水层补给条件差，透水性弱，含水层岩性为粉细砂、细砂，500m深度内可见8～10层，单层厚1～5m，累积厚30～50m，淡水顶界面埋深100～200m，局部地区300m，无棣、利津以东地区300～400m。滨海平原区以粘性土为主，地下径流滞缓，由于地下水强烈蒸发浓缩，在200～500m深度以上，均为矿化度大于5g/L的咸水。

2 地面沉降现状

为了系统查明区内地面沉降现状，将不同起测时间、起测基准点、测量精度的数据统一。该次区域地面沉降速率图绘制，以水准测量数据为基础，以校验后的多年insar解译数据为辅助，选择数据集中且与当前社会经济发展关系密切的2008—2015年数据分析绘制而成(图1)。以此为依据，通过合理地推测绘制地面累积沉降量分区图，作为对区域沉降现状认识的补充。

1—≥50mm；2—30～50mm；3—10～30mm；4—<10mm；5—分区界线；6—研究区边界图1 鲁北平原地面沉降速率图

2.1 地面沉降速率

鲁北平原地面沉降发展迅速，呈现出多个沉降中心快速下沉的总体特征。西部以德城区、临清市、茌平县、齐河县为代表，与河北省衡水地区相连，形成连片沉降区；东部以博兴县东南部、广饶和桓台为中心，形成一个大型沉降区。

其中大于60mm/a的有东营市广饶县，聊城市茌平县，德州市齐河县，滨州市博兴县等4个县市，构成了目前鲁北平原最新的沉降速率中心群。沉降速率大于50mm/a的地区主要在德州市德城区北部、西北部，齐河县晏城、晏北街道办事处，茌平县县城区及西部温陈、博平镇，博兴县城区及东南部湖滨镇、店子镇，广饶县城区及西部稻庄镇、大王镇等地区及桓台县的马桥镇、唐山镇，总面积502.73km2。沉降速率在30～50mm/a的地区主要分布在德州市德城区宋官屯镇、抬头寺镇，陵城区城区及西北部边临镇；高唐县城区，滨州市滨城区北部，东营市东营区史口镇等地区及茌平县、齐河县、博兴县、广饶县、桓台县沉降速率大于50mm/a的外围部分地区。沉降速率在10～30mm/a的地区主要分布在禹城市城区及十里望镇等地区，临邑县城区及临盘街道等地区，临清市市区及东部大辛庄镇、老赵庄镇地区，无棣县小泊头镇、埕口镇地区及沉降速率在30～50mm/a地区的外围地区及个别深层地下水开发利用量较大的县市区如惠民县、阳信县等。其余大部分地区沉降速率小于10mm/a。

2.2 累计地面沉降量

从累积沉降量上分析(图2)，区内存在2个明显的沉降中心，一个是位于德州市城区西北部张庄(原国棉厂位置)，地面累积沉降量超过1.3m。另一个累积沉降中心位于广饶县县城东北部YD10水准点(山泰集团商务会馆附近)[6-9]，根据2002—2016年水准测量数据，其多年地面累积沉降量达1.605m。其中800mm沉降等值线圈闭面积322.36km2，主要分布在德州市德城区及东营市广饶县，占鲁北平原面积的0.74%；200mm沉降等值线圈闭面积14904km2，占鲁北平原区面积的34.34%。

2.3 分层沉降特征

根据德城区地面沉降监测分层标相对高程监测数据(图3)，该点多年平均沉降速率为41mm/a，其中0～60m地层相对沉降量约2mm/a，占总沉降量的4%；60～300m地层多年平均沉降速率为20mm/a，占总沉降量的50%，是该区地面沉降主要层位之一；300～500m地层多年平均沉降速率为19mm/a，占总沉降量的46%，是该区另一主要沉降层。

明木和等[10]通过衡水市3000余个测井曲线的统计分析，得出剖面上咸淡水界面多年平均下移速率为0.12m/a，王兰化[11]在天津深层地下水咸水下移问题的讨论中也指出由于几十年深层地下水的超量开采，水动力条件改变，垂向越流有所增强，深层淡水已受到上部咸水下移的影响。

据水文地质钻孔资料，分层标所在地埋深50～260m为中层咸水含水层，未有地下水开采。但根据分层标测量结果60～300m地层多年平均沉降速率为20mm/a，占当地总沉降量的50%。这充分表明在德州地区由于下部深层地下淡水超量开采，水位不断下降，已在中层咸水和深层淡水含水层之间产生了较大的水位差，使中层咸水含水层越流补给深层淡水含水层，产生了一定程度水位下降，使有效应力增加，产生地面沉降。

3 讨论

任何事情的发生，都有其必然的原因，鲁北平原区地面沉降的大面积产生亦不例外。国内外许多地面沉降研究实例表明，大范围地面沉降的产生都离不开以下两点因素：人为因素造成的地下水超量开采；地层中存在大量的具有较大可压缩性的土层。

3.1 地下水的超量开采

区内深层地下水开采始于20世纪60年代中期。1965年以来，德州市和滨州市开始开采深层地下水,为城市生活和工业供水；到20世纪70年代末至80年代初,开始大规模地开发利用深层地下水。2005年以后，各地开始限制深层地下水的开采，封填、封停部分生活自备井，但深层地下水的开采量仍居高不下，一直处于超采状态，地下水位埋深不断下降。根据地下水位及地面沉降监测结果表明，深层地下水降落漏斗中心与地面沉降中心位置基本一致，漏斗中心即沉降中心，且漏斗形状和扩展范围与地面沉降范围也基本相似，地下水水位标高与地面标高随时间变化所表现出的趋势也基本一致，两者之间存在高度的相关性(表1)。

1—累计沉降量等值线；2—研究区边界图2 鲁北平原地面累积沉降量图

图3 德州城区分层沉降特征

表1 德州地区深层地下水水位与地面沉降相关性分析

为探讨地面沉降的形成机理，对水位、沉降两部分资料进行研究，特别是通过对地面沉降明显地区地面沉降量与其深层地下水水位数据的分析对比，可以清楚地看到，沉降量的大小变化与水位的变化存在较大相关性。分析德州深层地下水水位和累计地面沉降量数据，筛选得到位于地面沉降中心地区及附近的14个监测点水位和沉降量，采用多项式拟合建立德州深层地下水水位标高-地面累计沉降量相关关系式如下(图4)。

y=0.1513x2+9.3925x+495.26

式中：y—沉降中心地面累计沉降量(mm)；x—沉降中心深层地下水位标高(m)。两者之间高度相关，沉降量随水位标高的变化而变化，且水位标高越小，地面沉降量越大。

图4 德州漏斗中心深层地下水位标高与地面累计沉降量关系曲线图

在研究天津的地面沉降时，牛修俊根据含水层系统中的弱透水层存在超固结应力的现象提出了临界水位的概念。他指出临界水位是指不引起或不明显引起地面沉降的极限水位，超固结地层中地下水临界水位值是客观存在的，地下水临界水位值可以根据超固结地层超固结值的大小来确定[12-14]。由图4可以看出，德州漏斗中心深层地下水水位已在临界水位以下。在水位标高-40m～-60m时，曲线斜率较小，单位水位降深引起地面沉降量较小；在水位标高-80m～-100m时，曲线斜率增大，单位水位降深引起地面沉降量明显增大。

3.2 地面沉降机理

大量开采深层地下水是鲁北平原产生地面沉降的主要原因，该文将从渗流计算理论[15]方面来论述鲁北平原地面沉降机理。在渗流计算中粗粒含水层(砂性土)和细粒弱透水层(粘性土)均属于多孔介质。对于一个处于平衡状态的饱和含水介质，根据太沙基有效应力原理，含水层上覆岩土体、地表建筑物和大气压力等荷载形成的总压力σ由有效应力ε和孔隙水应力p与之平衡，即σ=ε+p。大量开采深层地下水导致饱和多孔介质(包括含水层与含水层之间的弱透水层)测压水头的减小。压强的降低，即地下水对上覆岩土体浮力的降低，为了维持平衡，这部分力将转嫁到多孔介质固体骨架上，即增大有效应力ε，从而压缩多孔介质，其结果是含水介质的厚度变薄和空隙率n变小，产生地面沉降。若忽略水的膨胀和压缩造成的水的密度的变化，水头变化dh引起的有效应力变化用下式表示：

dε=-dp=-ρwgdh

(1)

式中：ρw—水的密度，g—重力加速度，dh—水头。

多孔介质的压缩性由压缩系数α来度量，压缩系数的物理意义为骨架颗粒有效应力变化一个单位所引起的多孔介质体积相对大小。则有：

(2)

式中:Ub是多孔介质的体积，当ε有效应力增大时，Ub减小，多孔介质体积减小。

当假设多孔介质骨架体积不可压缩时，多孔介质骨架体积Us是孔隙率n的常数，即Us=(1-n)Ub，因而有：

(3)

(4)

将(4)式带入(2)式并注意到(1)式，则有：

(5)

地下水水位降低，水的孔隙压力减小，多孔介质的孔隙率减小，含水层压缩。把式(5)和式(1)联立，则有：

(6)

dn即孔隙率的变化，假定水和多孔介质骨架颗粒不可压缩条件下，若只考虑垂向上的压缩，则有：

(7)

式中：b—多孔介质的厚度；db—厚度的变化量，Ssk=(1-n)ρwgα—多孔介质骨架储水率，dh—水头的变化。

在地下水流方程中，弹性储水率是一个非常重要的参数，表示当水头下降一个单位时，从单位体积空隙介质中释放的水量(体积)[16]：

Ss=ρwg[nβ+α(1-n)]

(8)

β为水的体积压缩系数。它由两部分组成，即多孔介质骨架储水率Ssk和孔隙水弹性储水率ρwgnβ组成。骨架弹性储水率的物理意义是当水头下降1个单位时，由于孔隙介质受压缩(厚度变薄，孔隙率变小)从单位体积孔隙介质中所释放的水量。在高压缩性的多孔介质中(粘性土)，与多孔介质压缩系数α相比，水的体积压缩系数β要小很多，水的弹性储水率可以忽略不计。

多孔介质的骨架储水率是有效应力的函数，在有些地层中，弹性压缩量与有效应力呈对数关系[17]，大多数情况下有效应力增加量很小，多孔介质的压缩量也较小，方程(6)可以被线性化为：

△b=Sskb△h

(9)

Δb为多孔介质垂向变化量，反应到整个地层中即为地面沉降量。

天然土层在历史上受过最大固结压力(指土体在固结过程中所受的最大竖向有效应力)称为前期固结压力。前人通过对钻孔岩芯的室内固结试验发现，多孔介质骨架的储水率在有效应力没有超过前期固结应力和超过前期固结应力时的差别很大。有效应力小于前期固结应力时，若有效应力进一步增大，则在粗颗粒和细颗粒的孔隙介质中都会导致一个小的弹性压缩，在有效应力恢复到初始值时，压缩是可以恢复的。在弹性压缩范围内，相同的有效应力变化下，细颗粒压缩系数比粗颗粒的大，导致最终粗颗粒压缩量大。如果有效应力超过了前期固结应力，细颗粒的沉积层将发生非弹性压缩。通常在非弹性压缩范围内，相同有效应力变化下，粗颗粒孔隙介质的非弹性压缩量和细颗粒孔隙介质相比，通常可以忽略，且在相同有效应力变化下，非弹性压缩远远大于弹性压缩，前者可以是后者的一个到两个数量级大。

在施加压力等同的情况下，粘性土的压缩变形量较砂性土大的多，且粘性土的压缩变形一般不具有可恢复性，即多属于塑性(永久)变形。根据区内4个水文地质单元内300余眼水文地质钻孔的岩性资料，将土体划分为粘性土和砂性土两大类，依据水文地质单元沉积环境的不同，统计整理了不同水文地质单元内的土体粘性土所占含量百分比，结果见表2。

表2 不同水文地质单元粘性土含量百分比

区内粘性土累计平均含量在64%～81%之间，平均含量73%，地层结构以粘性土为主。在地面沉降发生严重的德州市沉降中心主要开采段220～500m的粘性土累计厚度达180.45m。区内具有较大可压缩性的土层为地面沉降提供了物质基础，多年来由于大量开采深层地下水而引发的地面沉降主要是由于深层饱和粘性土的释水变形产生的。

超量开采地下水造成承压含水层水位大幅度下降是鲁北平原产生地面沉降的外因，具有较大可压缩性的土层则为地面沉降的发生提供了基础条件，尤其是以砂性土、粘性土交互出现的复杂地质结构成为鲁北地区沉降的典型特征。

3.3 地面沉降防治措施

地面沉降与地下水过量开采紧密相关，只要地下水位以下存在可压缩地层就会因过量开采地下水而出现地面沉降，而地面沉降一旦出现则很难治理，因此地面沉降主要在于预防，在鲁北平原区可以从以下几个方面开展防治工作。

(1)加强地下水科学开采与科学管理

控制地下水开采量，调整开采井开采时间和开采布局，合理开采地下水。在德城区、滨城区、博兴县、茌平县、广饶县等地段深层地下水资源严重超采地区，应严格控制开采量，关停城区内的开采机井，以恢复城区地下水位，减少地面沉降，通过加强地下水资源的统一管理，做到全面规划，合理开采利用，减少地下水开采量。

(2)开展深层地下水人工回灌

地下水回灌是地面沉降控制中的一种重要方法。区内由于长年过量开采深层地下水，在德城区、滨城区已形成了水位埋深大于100m的降落漏斗，建议在丰水年充分利用引黄河水的便利条件积极拦蓄地表水，采用人工回灌技术将优质的地表水回灌入地下。一是补充地下水资源；二是遏制深层地下水降落漏斗和地面沉降等一系列环境地质问题的发展。

(3)加强地面沉降监测和地下水监测频率，建立健全地面沉降监测网络，加强对地下水水位、开采量及地面沉降监测数据的整合与积累，进一步完善地面沉降监测网络体系、建立地面沉降监测信息系统。

4 结论

(1)鲁北平原新生代以来沉积了巨厚的新近纪—第四纪松散沉积物，地层结构以粘性土为主，存在巨厚的压缩层，是沉降发生的内在因素，深层地下水大量开采，地下水水位持续下降是沉降发生的外在因素。

(2)沉降速率大于50mm/a的地区总面积502.73km2，其中大于60mm/a的有东营市广饶县、聊城市茌平县、德州市齐河县、滨州市博兴县4个县市。

(3)自地面沉降监测以来，区内存在2个显著的沉降中心：德州市城区西北部张庄、东营市广饶县县城东北部，累计沉降量均大于1m。其中800mm沉降等值线圈闭面积322.36km2，主要分布在沉降中心；200mm沉降等值线圈闭面积14904km2，占鲁北平原区面积的34.34%。

(4)大量开采深层地下水是鲁北平原产生地面沉降的主要原因。地面沉降主要在于预防，控制地下水开采量，调整开采井布局和开采时间，合理开采地下水，开展地下水人工回灌，减缓地下水水位下降速率是控制地面沉降有效的预防措施。