郑州市地面沉降分布特征及机理研究

潘 登,王继华,汪宝存,郭凌飞,杨巧玉

1.河南省地质环境监测院,河南 郑州 450016

2.河南省地质环境保护重点实验室,河南 郑州 450016

3.河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院,河南 郑州 450006

郑州市位于河南省中部，地势西南高、东北低，平均海拔高度85～200 m，市区面积1001 km2。由于郑州市地面沉降的研究起步较晚，2007 年郭新华等[1]，根据郑州市内涝不断加剧、自来水管道爆炸以及城市建（构）筑物使用功能降低等现象提出了郑州市存在地面沉降现象，并建议开展地面沉降监测工作，2013 年汪宝存等[2]利用InSAR 技术揭示了郑州市2004～2010 年的地面沉降分布特征，认为郑州市存在5 个较大的地面沉降区域。2014 年席新海等[3]对京广高铁郑州段存在的地面沉降进行分析并提出了相应的保护措施，詹学启[4]等对郑徐高铁郑州段地面沉降进行了预测分析。相关研究的开展初步揭示了郑州市地面沉降分布特征，并且对地面沉降原因进行了初步分析，但是郑州市地面沉降机理研究仍然比较欠缺，有必要进行深入研究，为郑州市地面沉降防控工作提供理论支撑。

1 郑州市地面沉降特征

1.1 地面沉降信息提取

联合采用InSAR和水准测量获取研究区的地面沉降信息，其中SAR数据为2012 年9月1 日～2013年9 年之间的17 景3 m 分辨率TerraSAR-X 数据，利用短基线干涉测量（SBAS）得到研究区的地面沉降速率图。分别在2012 年9 月、2013 年9 月对研究区341 个水准进行二等水准测量，水准起算点位于郑州市南部的梅山基岩水准点。利用水准监测结果对InSAR 解译精度进行评价，发现InSAR解译精度优于4 mm，表明InSAR 解译具有较高的精度。考虑到InSAR 解译的起算点并不在基岩上，利用水准点和附近InSAR 解译的地面沉降值进行回归分析，获得水准测量和InSAR 解译之间的偏差，将InSAR 解译结果统一到基岩起算点上，然后制作研究区地面沉降分布图[5]。

1.2 地面沉降分布特征

利用获取的地面沉降分布图，将地面沉降划分为10～30 mm/a 为轻微区、30～50 mm/a 为较重区,大于50 mm/a 为严重区[6]，制作地面沉降分区图（图1），并统计其面积（表1），可以看出研究区普遍存在地面沉降现象，地面沉降大于10 mm/a 的面积为645.6 km2，占研究区总面积的63.9%；地面沉降大于30 mm/a 的较重区和严重区面积为105.0 km2，占研究区总面积的10.4%，集中分布在研究区的北部，呈现西北--东南椭圆形分布，总面积为88.4 km2，占总面积的84.2%。

表1 研究区地面沉降分区面积Table 1 Subarea of land subsidence

2 地面沉降机理及成因分析

2.1 地面沉降与地质背景的关系

利用GIS 面面相交功能，根据不同的地貌单元、不同的地层覆盖以及构造控制条件下地面沉降的分布情况，来分析地面沉降与地貌、地层、构造之间的耦合关系。研究区地势西南高东部低，大致以老鸦陈断裂为界，西部是侵蚀堆积类型、东部是堆积类型（图2）。研究区属华北地层区-华北平原分区-开封小区。出漏地层以第四系为主，西南山区分布寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系及第三系（图3）。由于研究区多被第四系地表覆盖，其构造形迹呈现隐伏状态，主要的断裂构造有北西向、近东西向、北东向三组，老鸦陈断层控制了研究区新近系和第四系的沉降，造成断层东西两侧第四系厚度差200 m（图4）。

图1 地面沉降分区图Fig.1 Subarea of land subsidence

图2 地貌分布图Fig.2 Distribution of landform

图3 地层分布图Fig.3 Distribution of stratum

根据表2 可以看出，在7 种地貌单位里面，冲积平原的地面沉降最为严重，地面沉降严重区、较重区、轻微区的面积分别为34.1 km2、56.1 km2、150.3 km2,分别占到分区总面积的97.8%、80.0%、27.8%。根据表3 可以看出，在8 中地层类型里面，全新统中段冲积层地面沉降最为严重，地面沉降严重区、较重区、轻微区的面积分别为33.7 km2、54.31 km2、151.0 km2,分别占到分区总面积的96.6%、77.4%、27.9%。根据表4 可以看出老鸭陈断裂以东地面沉降更为严重，地面沉降严重区、较重区、轻微区的面积分别为34.1 km2、56.1 km2、150.3 km2,分别占到分区总面积的81.7%、63.8%、57.7%。

表2 不同地面类型地面沉降分区面积Table 2 Subarea of land subsidence under different geomorphological types

表3 同地层类型地面沉降分区面积Table 3 Subarea of land subsidence under same stratigraphic type

表4 老鸭陈断层两侧地面沉降分区面积Table 4 Subarea of land subsidence of Laoyachen fault

2.2 地面沉降与地下水之间的关系

研究区地下水开采包括浅层、中深层、深层及超深层地下水，均属多层开采。2010～2013 年，郑州市总供水量2.4～3.1 亿m3，地下水开采占总供水比例的29%～37%，中深层地下水是其主要地下水开采层，开采量约占地下水总供水量的45%[7]。郑州市地下水由于多年的集中、强力开采，目前已形成了浅、中深、深层及超深层水的降落漏斗。从历年观测资料看，自七十年代以来，地下水水位基本处于下降状态，浅层及中深层地下水均形成降落漏斗，并呈逐渐扩大趋势。2002 年以来，由于逐步实行自备井封井压采措施，自备井开采量有所减少，但城中村地下水开采量增加，地下水降落漏斗仍在缓慢扩大。据2013 年4 月份资料[8]，浅层地下水降落漏斗面积为117.74 km2，漏斗中心水位埋深32.18 m；中深层地下水漏斗面积达249.20 km2，漏斗中心水位埋深为68.65 m。

2013 年度郑州市中深层地下水等水压线图与郑州市2012～2013 年地面沉降分布图对比具体表现：（1）主要地面沉降区与地下水位下降区在空间分布基本相符，均位于郑州市中北部地区（图1）。该区位除部分自备井开采外，尚分布有老鸦陈、庙李、陈寨、沙门、柳林等城中村，外来人口30 余万，地下水开采集中，开采量较大；（2）地面沉降漏斗中心与地下水降落漏斗中心基本相符。（3）地面沉降量与地下水水位变化同步（图5）。地下水水位漏斗中心位于农业路铁道警官高等专科学校，2013 年4 月较2011 年4 月水位降达到10.08 m，年下降速率为5.40 m。证明地下水过量开采是研究区地面沉降的主要成因。

图5 I-I′剖面地面沉降量与地下水水位关系图Fig.5 Relationship between land subsidence amount of I-I′profile and groundwater level

3 结论

（1）联合采用InSAR 和水准测量两种技术获取了研究区2012～2013 年地面沉降分布图，发现地面沉降大于30 mm/a 的较重区和严重区面积为105.0 km2，集中分布在研究区的北部，呈现西北--东南椭圆形分布，总面积为88.4 km2。

（2）在研究区7 种地貌单位里面，冲积平原的地面沉降最为严重，地面沉降严重区、较重区、轻微区的面积分别占到分区总面积的97.8%、80.0%、27.8%；在8 中地层类型里面，全新统中段冲积层地面沉降最为严重，地面沉降严重区、较重区、轻微区的面积分别占到分区总面积的96.6%、77.4%、27.9%；老鸭陈断裂以东地面沉降更为严重，地面沉降严重区、较重区、轻微区的面积分别占到分区总面积的81.7%、63.8%、57.7%。

（3）中深层地下水是研究区的主要开采层，2011～2013 年中深层地下水降落漏斗在缓慢扩大，主要地面沉降区与地下水位下降区在空间分布基本相符，地面沉降漏斗中心与地下水降落漏斗中心基本相符，地面沉降量与地下水水位变化同步，地下水过量开采是研究区地面沉降的主要成因。