宁波平原地面沉降时空分析与防治对策

赵团芝，高峰，侯艳声，胡新锋

(宁波市自然资源生态修复和海洋管理服务中心，宁波 315042)

地面沉降是自然因素和人为因素综合作用下形成的地面标高损失[1]。除了地下水、地下矿产资源不合理开采外，城市建设导致的地面沉降已引起国内大中型城市的重点关注。在地面沉降时空特征研究方面，北京[2]、上海[3]、天津[4-5]、郑州[6]、福州[7]、粤东[8]、海口[9]等城市或地区从时间和空间维度，采用不同理论与方法分析了地面沉降时空演化特征，这些研究成果为城市规划、建设与管理提供基础资料和科学依据。

宁波平原地面沉降的影响因素主要包括地下水超量开采、城市化建设及软土层自然固结等，是自然和人为活动影响下各土层压缩变形的综合反映[10]。早期地面沉降主要是第四系地下水超量开采引起的，深部承压含水层水位巨幅波动导致各土层弹塑性变形；随着城区地下水禁采和城市化建设的快速发展，地下水位大幅回升后，由地下水开采引起的地面沉降得到有效控制，但全市软土平原区依然存在多个沉降带，且与城市化建设基本吻合。现有的地面沉降防治措施成效不甚理想。本文利用地面沉降监测中心长期的观测资料，分析了土层变形量与地下水位的关联度，综合运用地下水开采量、含水层水位、粘性土孔隙水压力与土体分层沉降，精准反演了地面沉降区长时间形变历史过程，揭示了宁波平原地面沉降时空演变特征，为宁波城市地面沉降风险评价和管控提供技术支撑。

1 宁波平原地层结构与分层沉降监测

1.1 地层结构特征

宁波平原在多次海陆变迁中，发育一套复杂的陆相、海陆交互相沉积物。第四系厚度在平原区为85～100 m,市区一带厚度约90 m，向滨海递增至120 m。50 m以浅地层，是海相与陆相粘性土互层，主要是第一软土层、第一硬土层和第二软土层及第二硬土层，构成软硬土相间的地层结构；50 m以下为陆相堆积，以冲积砂、砂砾与冲湖积粘性土互层，主要是第Ⅰ含水组(含第三硬土层)、第四硬土层、第Ⅱ含水组，构成了粗细相间的地层结构。这种海陆交互式沉积环境决定了宁波平原的水文地质、工程地质特征。其中，第一软土层土层组成主要为淤泥、淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土，呈现高天然含水率、高压缩性、低抗剪性、低渗透性等特点，工程性质不良并具有明显流变特性。

1.2 地面沉降监测中心

为研究地下水位变化与各土层的变形关系，查明引起地面沉降的主要压缩层及其空间位置，1984年建立了宁波市地面沉降监测中心，内含分层观测标和地下水监测井。分层沉降观测标组由基岩标、8个分层沉降观测标和地面标组成，以观测各土体的变形特征；为研究含水层水位与各粘性土层中孔隙水位及土层变形关系，在第Ⅰ含水层组以上的粘性土层中埋设6个孔隙水压力测头孔和潜水观测井，配合沉降观测，建立一组(基岩、第Ⅰ1、第Ⅰ2含水层)专门水文地质观测孔(图1)。

图1 宁波市地面沉降监测中心观测标组设置深度示意图

1.3 分层沉降的精准识别

通过统计分析分层沉降观测标组1985～2017年的长序列监测资料，总结不同时期各深度土层的压缩变形情况。1985年宁波城区地下水开采量达到最高时，地面标年度沉降量为35.3 mm，第一软土层沉降量为16.8 mm，第二软土层及第二、三和四硬土层的沉降量为17.5 mm，分别占总沉降量的47.6%、49.6%，上述地层的压缩变形是当时地面沉降的主沉降层。1986～2002年，宁波市采用地下水控制开采与人工回灌等措施，治理城区地面沉降灾害，在这期间地面标累计沉降量199.9 mm，第一软土层累计沉降量为133.8 mm，占总沉降量的66.9%；第二软土层及第二、三和四硬土层的累计沉降量为63.6 mm，占总沉降量的31.8%，第一软土层的压缩变形对地面沉降贡献逐渐提高；2008年宁波城区地下水禁采，2003～2017年，地面标累计沉降量118 mm，第一软土层累计沉降量为116.8 mm，占总沉降量的98.96%，处于塑性压密状态，成为地面沉降的第一主沉降层；第二软土层及第二、三和四硬土层的压缩变形量为2.4 mm，占总沉降量的2%，处于微量压缩状态。多年来宁波城区加强地下水开发利用管控，采取控采、回灌和禁采等措施，地下水开采引起的地面沉降比重逐渐下降。但2002年以来，由于宁波城市化建设快速推进，城市大规模建设引起的地面沉降所占比重显著增大(表1)。

表1 宁波市沉降中心区分层沉降量统计表

2 分层沉降转换重建

2.1 分层沉降的层间转换

通过对比分析1985～2017年第一软土层沉降量所占总沉降量的比重与历时拟合曲线，宁波平原地面沉降发展历程可分为1985～2003年、2003～2008年、2008～2017年3个时期。1985～2003年，宁波城区主要开采第Ⅰ、Ⅱ两个深层承压含水层，用于轻纺工业的空调及化工工业的冷却水源。深层承压含水层水位下降，各粘土层孔隙水向含水层释水造成孔隙水压力下降，引起由第一软土层、第二软土层及第二、三和四硬土层等土层的分层沉降。2003～2008年，城区地下水开采量大幅减少，人工回灌促使地下水位明显回升，地面沉降发生发展已由第一软土层、第二软土层及第二、三和四硬土层等分层沉降叠加逐渐转移到第一软土层的沉降。2008～2017年，宁波城区地下水禁采，城市化建设快速推进，第二软土层及第二、三和四硬土层出现了微量压缩或回弹状态，工程建设活动导致第一软土层的沉降是地面沉降的唯一贡献者(图2、图3)。

图2 1985～2017年第一软土层沉降量占地面沉降量百分比

图3 2003～2017年第一软土层沉降与地面沉降历时曲线

2.2 分层沉降过程重建

随着地下水开发利用和城市化建设在不同年代的开采层次、开采深度、开采量与城市建设规模等不断变化，分层沉降叠加和沉降层位及其比重也在不断变化。精准识别这一变化过程，确定不同阶段的主沉降层位，是进行地面沉降防治的前提。结合多年来地下水开采量、地下水位和分层标长时期观测资料，重建了不同年代不同层位地面沉降的沉降过程。

宁波平原深层地下水开采大约始于20世纪30年代，随着轻纺工业的发展，20世纪60年代进入大量开发阶段，年度开采总量逐年递增，1985年达到890×104m3，导致Ⅰ1含水层水位降至-17.74 m，原江东和丰纱厂附近年沉降速率达到35.3 mm/a。1986年起，宁波城区加强地下水资源管控，逐年压缩开采总量，开展人工回灌。2003年地下水开采量降至46×104m3，1985～2003年地下水回灌量累计达1 233×104m3，Ⅰ1含水层水位大幅回升-0.88 m，地面沉降速率下降至4.6 mm/a。自2008年宁波城区实现地下水零开采，Ⅰ1含水层水位在-2.08～-0.11 m小幅波动，但是地面沉降速率变幅较大，尤其是2012年沉降速率达到21.3 mm/a，地面沉降发展出现了新动态(图4)。

图4 开采量、水位、地面沉降量对比图

根据宁波市地质环境监测站以往研究成果，Ⅰ1含水层水位对上覆各粘性土层孔隙水位的影响是随着垂向渗透距离的增大而强度减弱。Ⅰ1与测1、测2、测3、测4 均存在一定相关关系，而Ⅰ1与测5、测6在不考虑滞后的时间内无相关关系的存在，其原因为第一硬土层中上部结构密实，渗透性极差，该土层的存在使得第一软土层孔隙水压力消散速度及程度显著减弱，对控制第一软土层压缩变形起着一定屏蔽作用。因此，在研究第一软土层孔隙水位与沉降量的相关关系，主要考虑测5的水位变幅。1985～2017年，地面标沉降量与测5孔隙水位在整体变化趋势上呈反比关系(2012年测头孔迁建除外)；2000～2008年，测5孔隙水位持续上升并达到最大，而地面标沉降量持续下降至最小。2009年和2012年，分层标组周边接连有深大基坑施工，造成测5孔隙水位下降幅度较大，地面标沉降量大幅增大，2014年工程建设完工后，测5孔隙水位逐渐回升，地面标沉降量逐渐下降，并在2017年恢复至2008年的沉降速率。工程建设活动与地面沉降发生发展在时间和空间上具有高度的一致性(图5)。

图5 地面沉降量与软土层孔隙水位对比图

3 地面沉降防治对策

不同阶段地面沉降的影响因素不同，引发地面沉降的层位及其贡献也不同，地面沉降防治对策也要有针对性。

(1) 1985～2008年地下水开发利用期间，由于地下水超量开采引发大范围的地面沉降，且沉降中心速率很快，但通过地下水控采、禁采和回灌等治理措施，就能有效控制地面沉降的增大和扩展。如今宁波城区地下水开采引起的地面沉降已经很小，外加经过几十年的沉降压缩，粘性土压缩性已有所减小，因此在控制地下水水位高于临界水位的前提下，适当开发利用地下水资源，或者在保障采灌平衡的前提下，建立地下水应急供水水源地，以保障城市供水安全。

(2) 2002年以来，随着地下水位逐渐回升，地面沉降得到有效缓解，地下水开采引起的地面沉降逐渐减小，此时继续加大地下水禁限采力度，对地面沉降防治的效果不甚明显。随着宁波进入城市化建设的快速发展期，大规模工程建设成为地面沉降发生发展的主要因素。工程建设期对周边地面沉降影响较显著，但由此引发的地面沉降衰减过程较快，据实测资料显示在工程建设完成后的5 a左右就可以恢复至施工前的状态。因此，工程建设期和建成后5 a内，作为城市化建设引发地面沉降的重点防控期，从城市规划、建设和运行期对地面沉降进行全周期管控，统筹安排城市功能区的空间布局，采取工程措施降低基坑降排水对红线外第一软土层孔隙水位的影响，加强地面沉降综合监测，防控地面沉降对周边地质环境影响。

4 结论

通过地面沉降监测中心长时期观测资料对第四系地层分层沉降的精准识别，宁波平原2003～2008年地下水开采引起的地面沉降已经很小。随着地下水禁采和城市化建设快速推进，城市建设引发第一软土层的沉降占总沉降量的90%以上，是当前宁波平原第一主沉降层。综上所述，宁波平原地面沉降发育过程中主沉降层经历了从第一、二软土层及第二、三和四硬土层向第一软土层的层位转换。因此，宁波平原地面沉降防控应根据分层沉降贡献大小的不断变化，不同时期采取不同的防治对策，不同层位采取不同的防治措施，才能既取得较好的防治效果，又能适当开发利用地下水资源。