济南市地面沉降调查监测与防治工作进展

亓协全,张强,袁超,孟祥鑫

(中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013)

地面沉降是因自然因素和人为活动引发松散地层压缩所导致的地面高程降低的地质现象[1]。它是一种缓变性的地质灾害[2]，不易被察觉，一旦酿成严重后果又难以补救，其具有形成时间长、影响范围广、防治难度大、难以恢复等特点。地面沉降现已成为影响我国区域经济社会可持续发展的重要因素之一。济南市北部地处华北平原地面沉降区的东南边缘，受区内及区域地下水的开采影响，局部已产生地下水降落漏斗，引发了地面沉降现象。

1 地质背景条件

1.1 地形地貌

济南市北部地区地处黄河下游冲积平原及山前冲洪积平原区，地势平坦，地势南高北低，西高东低，自西南向东北缓倾斜，海拔高度10.7～55.6m，地面坡降5/10000左右。

1.2 地层岩性

济南地区在区域上属华北-柴达木地层大区华北地层区，齐广断裂以南属鲁西地层分区，齐广断裂以北属华北平原地层分区。地层从老至新依次为新太古代泰山岩群、古生代寒武系、奥陶系、二叠系；中生代白垩系；新生代古近系、新近系、第四系。济南北部黄河冲积平原区和山前冲积平原区是地面沉降工作的重点区域。

区内均被第四系沉积物覆盖，自新生代以来，受差异性升降运动的影响，一直缓慢下沉，沉积了巨厚的新生代地层。区内自上向下依次分布第四纪黄河组、黑土湖组和平原组；新近纪明化镇组、馆陶组；古近纪东营组、沙河街组、孔店组[3]。

1.3 地质构造

表1 济南市北部平原区大地构造单元划分

1.4 水文地质条件

1.4.1 水文地质概况

工作区纵跨黄河冲积平原孔隙水水文地质区和山前冲洪积平原孔隙水水文地质区[4]，区内以赋存松散岩类孔隙水为主[5],依孔隙水埋藏深度、承压性的不同又可分为浅层潜-微承压水、中层承压水和深层承压水，该次研究的重点为深层地下水。

深层地下水顶界面埋深200～300m，含水层岩性上部以粉细砂为主，下部多以中细砂及中粗砂为主，单井涌水量一般在500～1000m3/d。含水层单层厚度、水位埋深在黄河以南、以北有所差异：黄河以北含水层单层厚度3～8m，总厚度介于10～60m之间，水位埋深一般介于30～60m之间，水位标高总体呈东高西低的特点；黄河以南含水层单层厚度一般2～3m，总厚度一般小于10m，水位埋深一般介于15～25m。受区域地下水降落漏斗及区内厂矿企业自备井开采的影响，水位呈下降趋势(图1)，年降幅1～2m之间[注]中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东省济南市北跨区地面沉降调查评价报告，2015年。。

图1 济南北部深层地下水多年动态曲线图

区内深层地下水与浅层地下水之间水力联系弱，不接受大气降水和地表水补给，其主要补给源是远距离的径流补给，补给途径长，水力坡度小，径流迟缓，属消耗型水源，以人工开采为主要排泄方式。

1.4.2 地下水开采现状

目前区内以开采浅层地下水为主，开采深层地下水为辅，主要为农业灌溉和部分城镇生活用水，其次为工矿企业和畜牧业用水。根据调查、收集资料统计：济南市黄河北地区2015年地下水开采量约为9418.17万m3，其中浅层水开采量为9277.17万m3，深层水开采量为141.0万m3。而工作区西侧邻区深层地下水开采量2304.6万m3(2015年度临邑县、平原县、禹城市总开采量)，远大于区内，这也是区内北部深层地下水降落漏斗开口向西，位于区域降落漏斗东部边缘的一个重要原因。根据不完全统计，黄河以南平原区(章丘北部)2016年中深层孔隙水开采量2382万m3，其中：化工工业园工业用水开采量达1730万m3，农村自备井开采量427万m3，水源地开采量225万m3。区内中深层地下水以工业开采为主，占总开采量的73%，农村自备井开采次之，占总开采量的18%，水源地开采占总开采量的9%。

1.4.3 地下水降落漏斗分布及成因分析

根据调查资料，区内中深层地下水降落漏斗主要有3处，分别位于商河城区西南—贾庄镇一带(Ⅰ号)、章丘高官寨曹家水厂一带(Ⅱ号)和章丘水寨—辛寨一带(Ⅲ号)(图2)。

图2 地面沉降条件区深层地下水降落漏斗分布图

Ⅰ号降落漏斗位于商河县城的西南部，漏斗中心位于商河县许商街道东八里村至贾庄镇姜范村一带[注]中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东省济南市济阳-商河地区地面沉降调查评价报告,2016年。，枯水期由-35m标高圈闭的漏斗面积达到119.29km2，漏斗中心水位埋深达到58.94m(2016.05.28)，降落漏斗呈开口向西的簸箕状，说明该降落漏斗位于区域降落漏斗的东部边缘。区域深层地下水的超采是造成该降落漏斗的一个重要因素，另外，区内企事业单位自备井开采是造成区内水位下降的另一个因素。

Ⅱ号降落漏斗位于遥墙东北—高官寨西南的曹家水厂一带[注]中化地质矿山总局山东地质勘查院,山东省济南市黄河以南黄河冲积平原区地面沉降调查评价报告,2018年。，漏斗中心位于曹家水厂，枯水期由+4m标高圈闭的降落漏斗呈NE-SW向的椭圆状，漏斗面积33.85km2，漏斗中心水位标高-4.54m(2017.6.11)。该处降落漏斗主要为曹家水厂开采中深层孔隙水所致，曹家水厂目前给济南遥墙国际机场和17个村庄供水，日供水量550m3左右。

Ⅲ号降落漏斗位于章丘水寨—辛寨一带，漏斗中心位于水寨苑李水厂—化工工业园—新寨一带，枯水期由-4m圈闭的降落漏斗呈近EW向椭圆状，面积72.92km2，漏斗中心位于苑李水厂，水位标高为-20.56m(2017.6.11)。该降落漏斗产生的原因主要为苑李水厂、化工工业园自备井机及刁镇—辛寨水厂开采引起。

1.5 工程地质概况

济南北部广泛分布黄河冲积物，岩性以粉土、粉质粘土及粉细砂等，上部地层松散、欠固结，物理力学性质差，承载力较低。区内500m以上的地层共划分为24个工程地质层，其中11个压缩层、13个含水层。200m以浅压缩层多具中压缩性，局部分布高压缩性土层，200～500m压缩层具低压缩性。

2 地面沉降调查与防治工作进展

2014—2018年济南市累计投入1700余万元，先后安排实施了济南市北跨区地面沉降调查评价、济南-商河地区地面沉降调查评价、济南市黄河以南黄河冲积平原区地面沉降调查评价、济南市黄河北地区地面沉降分层标建设、济南市地面沉降防治规划和济南市黄河北地区地面沉降监测等6个地面沉降调查评价及规划防治项目，累计开展1∶5万专项调查6962km2、基岩点建设1组、地面沉降监测标石建设211个、GPS监测墩建设2个、GPS监测点建设6个、分层标建设1组、水文工程地质钻探3227.74m、地下水动态监测孔建设5组、二等水准测量4588.38km、地下水动态监测2848点次、水位统测281点次、土工试验410件、钻孔编录3227.74m、水质全分析20件(表2)。通过以上一系列工作，建立了济南市地面沉降监测网络(图3)，取得了地面沉降监测基础数据，填补了济南市地面沉降工作的空白，为今后济南市地面沉降监测预警体系的建设奠定了基础。

表2 济南市地面沉降调查与防治工作量

1—水准测量起算点位置及编号；2—沉降监测标石位置；3—二等水准测量线路位置；4—钻孔位置及编号；5—地下水动态监测孔位置；6—GPS监测墩位置及编号；7—GPS监测点位置及编号；8—分层标建设位置图3 济南市地面沉降监测监测网络分布图

3 地面沉降概况

济南市北部地区位于华北平原地面沉降区的东南边缘，根据山东省北部平原区InSAR监测地面沉降速率图(2008年1月—2010年10月)和鲁北地面累积沉降量图(2015—2017年)可知：在济南市商河县城南部及以西地区、章丘区水寨镇东侧化工工业园附近和天桥区桑梓店镇西侧济南新材料产业园附近已经出现了地面沉降现象。

根据2016年5月对 2005年5月建设的商河县城南部的国家GPS点的复测，该点建设11年累计下降113mm，年平均沉降速率为10.27mm/a；2017年3月对2005年建设的水寨镇GPS点测量发现：该点时隔12年高程下降223.2mm，年平均沉降速率达18.6mm/a；2017年11月通过对2015年6月建设的位于济南新材料化工工业园区周边的4个监测点进行测量，发现4个监测点时隔2年5个月均有不同程度下降，下降值分别为17.0mm、72.8mm、41.7mm和39.4mm，年均沉降速率6.8～29.12mm。以上数据证实，济南市商河县城南部及以西地区、章丘区化工工业园区附近和天桥区济南新材料化工工业园附近已经产生地面沉降。

4 地面沉降影响因素

影响济南市地面沉降的因素有2种：自然因素和人为因素[6]。自然因素包括构造运动和地震；人为因素包括：地下水、地热、油气开采、城市建设[7-8]等。

根据资料研究显示：区内由构造运动引起的地面下沉速率在2～3mm/a之间(图4)，构造运动对地面沉降影响较轻；自1620年以来济南市及周边未发生过大的地震，仅发生过几次3.0级左右地震，震级较低，对地面沉降影响较轻。由此说明，自然因素不是引起区内地面沉降的主要因素。

1—正速率曲线；2—负速率曲线；3—速率单位；图4 华北地区垂直形变速率图(1951—1987)[9]

根据前期调查研究，区域及区内深层地下水的超量开采是引发商河地区地面沉降的主要因素，地热和油气开采[10]是次要因素；水源地开采和工业园区自备井开采是引发章丘区化工工业园区附近和天桥区济南新材料化工工业园附近地面沉降主要因素。区内地面沉降范围与深层地下水降落漏斗分布范围具有一致性[11-12]。

另外，城镇建筑群等工程大面积地面荷载对地面沉降也存在一定影响，该影响主要集中在城镇分布区。

5 结论

地面沉降监测是一项需要长期坚持的公益性地质工作，是城市、水利、交通发展建设规划、社会主义新农村建设和地下水开发利用必须考虑的重要因素。济南市虽建立了以地面沉降监测标石为主的地面沉降监测网络，并取得了地面沉降基础数据，为今后地面沉降的监测奠定了基础。但由于监测时间较短、尚未形成行之有效的地面沉降监测预警体系。今后应加强该地区地面沉降机理研究，建立健全地面沉降监测预警体系和地面沉降综合防治长效机制，为济南市和新旧动能转换先行区的进一步规划、总体建设提供科学、准确的地面沉降基础资料，对济南市构建国家开放型经济新体制示范城市，提高省会城市首位度具有重要意义。