河北省献县地面沉降易发性分区及防治建议

董加强，李 伟，石 婷

（河北省地质矿产勘查开发局第四水文工程地质大队，河北 沧州 061000）

0 引言

地面沉降是由土层压缩而引起地面标高降低的一种常见而缓慢的地质现象［1］，日益严峻的地面沉降灾害会造成地面高程降低、城市内涝积水、影响南水北调引水工程安全、河道防洪排沥能力降低、影响油田正常开发等一系列灾害［2-3］，严重制约当地重大工程建设和经济高质量发展。

地面沉降易发区是指地质构造、地层岩性、地下水动态变化和气候等条件容易或者可能引发或加剧地面沉降的区域［4］。地质灾害易发性评价是以基础地质环境条件（内在控制因素）为出发点，静态考察地质灾害在相对稳定的孕灾环境中发生的可能性大小［5］。

通过对区域地质环境条件和地质灾害的分布与发育特征的分析，利用模型方法实现地质灾害空间发生的可能性大小的区划，科学评价地质灾害易发性，可为国土规划、地质灾害防治和监测预警提供基础依据［6］，为合理调整防控措施提供决策依据，为地质灾害防治规划提供科学依据。灰色关联度分析法来源于灰色理论，是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，作为衡量因素间关联程度的一种方法，可以减少人为因素的主观判断。笔者针对献县地面沉降影响因子，运用灰色关联度法建立评价模型，对献县地面沉降发育易发性进行分区，并提出防治建议。

1 区域概况

河北省献县地处冀中平原，位于沧州市西部，东部与沧县相邻，南部与泊头市和衡水市武强县相靠，西部与衡水市饶阳县和肃宁县相接，北部与河间市相连，下辖18 个乡镇，总面积1174 km2，全县常住人口56.93 万，是京津冀都市圈、环渤海经济圈县之一，经济发展迅速。

献县属冲积扇平原与冲积平原的交接地区，地势平坦，海拔10～15 m，坡降约万分之一。人类工程活动强烈，对地貌形态破坏较大。献县属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，春季干燥多风，降雨稀少，蒸发强烈，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季干燥寒冷。年平均气温11 ℃，年平均降水量560.7 mm。境内主要有滏阳河、滏阳新河、滹沱河、子牙河、子牙新河等5 大河流。县境西部滏阳河与滹沱河交汇的三角地带为滞洪区，俗称“四十八村”，是全国重点蓄滞洪区之一。献县全境被第四系覆盖，沉积厚度360～480 m，岩性多为砂、砂砾、粘性土层交错的巨厚松散砂粘土互层。

献县区域按地下水埋藏条件及动力特征，将第四系松散岩类孔隙水分为浅层地下水（潜水或微承压水）与深层地下水（承压水）2 种类型。

浅层地下水赋存于全新统（Q4）地层，底界深度30～40 m，含水层以粉砂为主，少量细砂，厚度7～15 m，条带状分布，单位涌水量＜1 m3/h·m，为潜水-微承压水，动态类型为入渗-蒸发型。深层地下水底界埋深480～550 m，含水层岩性为粉砂、细粉砂等，砂层厚度10～60 m，单位涌水量1～5 m3/h·m。其补给来源主要接受侧向径流补给，其次是上覆含水层的越流补给，其动态类型为开采-疏干型。

2 地质灾害发育现状

献县地质灾害发育类型主要为地面沉降，具有影响范围大、持续时间长、发展时间缓慢、成因机制复杂及防治难度大等特点［7］。根据监测数据，献县地面沉降发育普遍，县域内沉降发育程度不一，沉降速率不同，商林镇累计沉降量已超过1600 mm，沉降量较低区域在1000 mm 左右（图1）。近5 年献县境内沉降速率最大值发生于2017 年，为81 mm/a，近2年整体有减缓趋势，县域内沉降速率发育不均匀，最大沉降速率为50 mm/a 以上，最小沉降速率为20 mm/a 以下（图2）。

图1 累计地面沉降量Fig.1 Accumulated land subsidence

图2 沉降速率Fig.2 Rate of land subsidence

3 地面沉降影响因子

地面沉降影响因子较多且关系复杂，大量研究表明，地下水资源不合理开发利用是诱发地面沉降的主要因素［8］，第四系厚度是产生地面沉降的内部影响因素，汪洋等［9］提出第四系地层厚度与地面沉降量大体呈正相关趋势；杜东等［10］在北京市通州区地面沉降特征与影响因素研究中，提出了路网密度大小与地面沉降严重程度呈正相关。路网密度即区域路网长度与区域面积的比值，用来代表影响地面沉降的动载荷。

充分考虑研究区潜在地面沉降强度和现状地面沉降强度［11］，结合研究区地质背景、地下水水文地质条件、沉降发展现状及现有社会发展现状，确定研究区6 个影响因子，分为潜在地面沉降影响因子与现状地面沉降影响因子［9］。其中，潜在地面沉降强度影响因子为：浅层地下水水位、深层地下水水位、第四系厚度；现状地面沉降影响因素为：累计沉降量、沉降速率、路网密度。

4 影响因子权重

本文根据灰色关联度原理建立评价模型，确定研究区地面沉降各影响因子权重，减少人为因素主观判断，使权重更客观，定量分析各影响因子间关系［12-13］。

首先确定评价单元，本次评价以献县各乡镇为单位，将评价区分为18 个评价单元。将影响因子量化赋值，结合文献资料及献县整体地质情况，按相等组距、相等分裂的方法将影响因子分为4 个等级并赋值（见表1）。

表1 地面沉降影响因子及赋值Table 1 Impact factors and assignments of land subsidence

然后对各影响因子根据2020 年沧州市地面沉降监测报告、2020 年地下水统测结果、河北省北京市天津市区域地质志和中国分层级道路矢量数据（OSM），将献县各乡镇（评价单元）评分赋值，形成数列，Xi=｛X0，X1，X2，X3，X4，X5｝=｛累计沉降量，沉降速率，浅层地下水水位，深层地下水水位，第四系厚度，路网密度｝，Yj=｛Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9，Y10，Y11，Y12，Y13，Y14，Y15，Y16，Y17，Y18｝=｛张村乡，陌南镇，乐寿镇，商林乡，十五级乡，淮镇，高官乡，临河乡，韩村镇，本斋回族乡，陈庄镇，段村乡，郭庄镇，河城街镇，垒头乡，南河头乡，西城乡，小平王乡｝，由Xi和Yj形成赋值结果见表2。

表2 地面沉降灾害分值数据Table 2 Land subsidence disaster score data

凤尾鱼片的最佳优化工艺参数为：100 g鱼肉，3 g精盐，2 g鸡精，5 g五香粉，5 g胡椒粉，10 g土豆淀粉，5 g白糖，0.1 g味特鲜，0.1 g葱粉，0.1 g姜粉，10 g黄酒，5 g白酒：烘干工艺：每10 dm2 120 g，微波功率3 kW，烘干时间12 min。

表3 赋值无量纲化数据Table 3 Assignment of dimensionless data table

以数列X0为参比数列，对表3 数据计算：

得到绝对差数列（表4）。

表4 绝对差数列Table 4 Absolute difference sequence

根据表4 得 到Δmin=0.01411，Δmax=1.60471，计算关联度：

其中，ρ为分辨系数，取值［0，1］，其不影响关联序，一般取值0.5。计算得数列Xj对参考数列X0的关联系数，见表5。

表5 Xj对X0关联系数Table 5 Xj to X0 correlation coefficient

根据关联度公式：

由表5 计算数列Xj对参考数列X0的关联度，得到表6。

表6 Xj与X0的关联度Table 6 The correlation between Xj and X0

求矩阵R各行平均值)，i=0，1，2，……，5。根据式（4）计算各影响因子权重（见表7）。

表7 影响因子权重Table 7 Influence factor weight

根据影响因子权重计算结果，对各因子进行排序，深层地下水位影响权重最大，其次依次为浅层地下水位、第四系厚度、沉降速率、累计沉降量、路网密度。

5 易发区划分

采用综合指数法对研究区进行地面沉降易发分区。

（1）单元栅格划分。将献县县域进行栅格划分，每个栅格大小1 km×1 km，共分为1130 个单元栅格。

（2）影响因子指数计算。对各栅格进行影响因子评价赋值，按照综合易发性指数计算公式（5），用加权的方法计算各栅格单元地面沉降易发性指数（G值）。

（3）综合指数处理。利用ArcGIS 空间分析功能对各影响因素进行叠加分析，得到叠加后研究区的易发性指数和易发指数分布图（图3），经计算得到最高值为3.8911，最低值为1.1737（图4），平均值为2.4455，标准差为0.5195。数值分布较平稳，变异系数较小，说明研究区地质灾害危险性在区域上有一定递变性［14］，低易发区与高易发区之间有一定过渡区，突变型的区域较少。评价栅格中数值越大，表示地面沉降易发性越大。

图3 地面沉降易发指数栅格图Fig.3 Grid plot of land subsidence susceptibility index

图4 栅格赋值计算结果分布Fig.4 Grid assignment calculation result distribution

（4）易发区划分。对易发性指数结合频率和频数，采用自然断点法［15］，对研究区进行分区，划分为3 级，划分区域赋值结果为：高易发区域（1.1737～2.0869），中易发区域（2.0869～2.7230），低易发区域（2.7230～3.8911）。得到易发分区划分和易发分区图（图5）［16］。

图5 地面沉降易发性分区Fig.5 Zoning map of land subsidence susceptibility

根据分析结果，献县地面沉降高易发区主要分布于献县西部的陌南镇、临河乡、段村乡、张村乡、商林乡、乐寿镇、小平王乡区域，高易发区面积449.844 km2，占献县总面积的38.40%；中易发区主要分布于献县中部的西城乡、本斋回族乡、十五级乡、南河头乡、陈庄镇区域，中易发区面积421.557 km2，占献县总面积的35.98%；低易发区主要分布于献县东部的韩村镇、垒头乡、郭庄镇、河城街镇、淮镇和高官乡区域，低易发区面积300.156 km2，占献县总面积的25.62%。

6 防控措施建议

深层地下水位是影响地面沉降的首要因素，因此应重点加强对深层地下水开采的管理；尤其对高、中易发区应加强监督，严格控制地下水超采、防止偷采地下水，加大建设供水工程力度；低易发区应加强关注地下水位变化情况，必要时进一步严格地下水资源管理措施［17］。

同时加强地下水、地面沉降动态监测，对高易发区增加监测点密度，增加监测频次。高易发区应加强城镇市政排水系统建设，防止地面沉降发育带来的城市内涝灾害［18］。

严格执行地质灾害防治巡排查制度，建立群测群防制度，增强监测预警预报工作。加强工程建设活动监督管理，加强建设项目地质灾害危险性评估，严格审批程序。

7 结论

（1）通过灰色关联度法分析了献县地面沉降各影响因子权重，影响因子中深层地下水位所占权重最大，是影响地面沉降的首要因素。其次是浅层地下水、第四系厚度、沉降速率、累计沉降量、道路密度。

（2）采用综合指数法进行了地面沉降易发分区，将献县划分为高易发区、中易发区、低易发区3个等级。其中，高易发区面积449.844 km2，占献县总面积的38.40%；中易发区面积421.557 km2，占献县总面积的35.98%；低易发区面积300.156 km2，占献县总面积的25.62%。

（3）根据地面沉降易发分区结果，可以指导当地地面沉降防控预案，针对高易发区采取重点防控措施。