（管理科学与工程专业论文）天津市滨海新区地面沉降防治对策研究.pdf

中文摘要 本文介绍了国内外地面沉降的研究状况，并对天津市滨海新区地面沉降的 成因、危害及机理特征进行了详细的分析。阐明了地下水超采是引起地面沉降 的主要原因。文中根据滨海新区已开展的基础地质工作所取得的成果及塘沽、 汉沽、大港地区地下水开采状况，采用灰色系统理论、多元回归、传递函数三 种方法建立地面沉降预测模型，并分别对塘沽、汉沽、大港地区地面沉降趋势 进行了预测分析。其中建立的灰色g m 1 0 15 2 。0 2 5 时间( 心 面积( k m 2 ) 1 9 5 9 1 9 8 08 21 5 1 9 5 9 - 1 9 8 1 1 3 53 0 0 ，3 1 9 5 9 - 1 9 8 24 32 s 1 9 5 9 - 1 9 8 3 4 55 2 1 9 5 9 - 1 9 8 45 81 0 1 9 5 9 - 1 9 8 57 11 7 1 9 5 9 - 1 9 8 6 1 2 0 3 41 0 1 9 5 9 ，1 9 8 71 2 53 62 5 1 9 5 9 1 9 8 8 1 3 3 3 6 7 2 6 1 9 5 9 - 1 9 8 91 3 63 72 6 1 9 5 9 - 1 9 9 0 1 3 63 72 6 1 9 5 9 1 9 9 1 1 3 6 3 7 2 6 1 9 5 9 1 9 9 21 3 63 72 6 1 9 5 9 - 1 9 9 31 3 63 7 2 6 1 9 5 9 - 1 9 9 41 3 63 72 6 1 9 5 9 - 1 9 9 5 3 72 6 1 9 5 9 - 1 9 9 63 72 6 1 9 5 9 - 1 9 9 7 2 9 1 9 5 9 - 1 9 9 8 3 2 1 9 5 9 - 1 9 9 93 2 1 9 5 9 - 2 0 0 032 1 9 5 9 - 2 0 0 15 0 3 2 1 9 5 9 - 2 0 0 2 5 03 2 5 第二章天津市地面沉降历史及现状 2 2 地面沉降现状 2 2 1 地面沉降概况 天津市宝坻城关以南的广大平原区均有不同程度的地面沉降，历年累计地面 沉降量大于1 0 0 毫米面积达9 3 6 9 8 5 平方公里，其中累计沉降量超过1 0 0 0 毫米 的面积达4 0 8 7 7 1 平方公里，分布范围北起武清杨村，南至北大港水库；西起河 北胜芳，东至渤海岸边。南部和滨海地区尤为明显，并且与河北省沉降区连成一 片。在这一大面积的沉降范围内，又形成了市区、塘沽区、汉沽区、大港区及海 河下游工业区等沉降中心( 图2 - 1 ) 。 在形成的五个地面沉降中心中：天津市区沉降区，1 9 5 9 - 2 0 0 2 年最大累计地 面沉降值2 8 8 2 米( 不一3 5 8 点) ；塘沽沉降区最大累计地面沉降值3 1 8 2 米( 不 一4 2 4 点) ：汉沽沉降区1 9 5 7 年至2 0 0 2 年最大沉降值2 9 8 米；大港沉降区1 9 6 4 年以后累计沉降值1 o l 米；海河下游工业区1 9 5 9 - 1 9 9 9 年累计地面沉降值已超 过2 0 1 米( 葛沽) 。此外，西青区石化厂、静海及武清区杨村镇等地，也正在形 成新的地面沉降中心。塘沽、汉沽、大港及海河下游各沉降区接壤处的年沉降量 在1 0 一2 5 毫米；沿海防潮堤的年沉降量在1 2 3 0 毫米。 为治理地面沉降，市政府自1 9 8 6 年始至2 0 0 0 年己实施五期三年控沉计划， 2 0 0 2 年为第六期实旋计划的第二年。市区地下水开采量已由1 9 8 5 年的9 5 4 3 万 立方米年，减至2 0 0 1 年的1 0 6 5 万立方米年，地下水开采强度由2 0 7 4 万立方 米年平方公里减至2 3 2 万立方米年平方公里，地面沉降明显减缓，局部地 区偶有回弹；目前，天津市市区、塘沽区的地面沉降已得到基本控制；2 0 0 2 年 天津市中心城区5 4 0 平方公里地面沉降平均值为2 2 毫米，塘沽区2 0 0 平方公里 地面沉降平均值为2 7 毫米，汉沽区2 7 0 平方公里地面沉降平均值为4 9 毫米( 2 0 0 1 年平均地面沉降值6 1 毫米，属严重地面沉降地区) ，大港及中塘地区2 9 5 平方公 里地面沉降平均值为3 2 毫米，海河下游工业区及官港地区3 3 0 平方公里地面沉 降平均值为4 4 毫米。与2 0 0 1 年相比，天津市中心城区、汉沽区地面沉降有所减 缓；塘沽区、大港及中塘地区、海河下游工业区及官港地区地面沉降有所增加。 近十年来，地面沉降量最大的为汉沽区、西青区、静海县和海河下游地区，且呈 增大趋势( 图2 - 2 、图2 3 ) 。 6 第三章地面沉降成因及危害 图2 - i 天津市累积地面沉降等值线 7 第- 章地面沉降成因及危害 图2 - 2 天津市年均地面沉降等值线图 8 第一章地面沉降成因及危害 图1 - 3各沉降区历年年沉降速率图 2 2 2 天津市区及近郊区地面沉降 1 9 8 5 年以前，属地面沉降的持续发展阶段，地下水开采量1 0 一1 2 亿立方 米年，地下水位持续下降，地面沉降持续发展，沉降范围不断扩大。河北大街、 北站外、大王庄、大直沽陈塘庄四个沉降中心累计沉降量逐年增加，2 5 年累 计沉降量均已超过2 米，外环线以内的市区累计沉降量除南部以外都已接近1 米( 表2 2 、表2 3 ) 。 l 河北大街沉降中心：位于河北区小王庄、红桥区旱桥及三条石一带， 1 9 5 9 1 9 8 5 年最大累计沉降量不3 5 8 点为2 4 3 米。 2 北站外沉降中心：位于北站外及金钟大街纺织机械厂一带。1 9 5 9 1 9 8 5 年 最大累计沉降量为人民制药厂不一1 9 5 点2 3 3 9 米。 3 河东大王庄沉降中心：位于河东六纬路至十二经路一带，1 9 5 9 1 9 8 5 年最 大累计沉降量为七纬路八纬路一带不一l 0 6 6 点2 3 6 5 米。 4 大直沽陈塘庄沉降中心：位于大直沽地区，1 9 5 9 1 9 8 5 年最大累计沉降 量为棉纺六厂i i 一1 2 0 点2 2 5 米。 1 9 8 6 年以后市政府实施三年为一期的控沉计划。市区地面沉降基本处于逐 年减缓的趋势，以往所形成的地面沉降漏斗基本维持原来形状变化不大。 天津市中心城区4 2 年累计地面沉降值最大的地区为：北运河、子牙河及新 开河交汇地区，1 9 5 9 2 0 0 1 年最大累计地面沉降值己达2 8 7 米，位于河北区小 王庄京津桥，累计沉降大于2 0 米的面积约5 0 平方公里，累计沉降大于2 5 米 第二章地面沉降成因及危害 的面积3 2 平方公里，外环线内3 3 4 平方公里累计沉降己超过1 0 米( 图2 4 ) 。 图2 _ 41 9 5 9 2 0 0 1 年天津市区地面沉降图 2 0 0 1 年市区中环线内7 1 平方公罩平均沉降1 4 毫米；外环线内3 3 4 平方公 里平均沉降1 7 毫米，较2 0 0 0 年增加3 5 毫米。监测区5 4 0 平方公罩年均沉降 2 5 毫米。外环线内最大年沉降值5 4 毫米，位于王兰庄南小倪庄，与大寺、南河 工业区形成年沉降值大于5 0 毫米的沉降区。外环线外西青区杨柳青镇最大年沉 降值为1 0 5 毫米，西青区8 0 平方公里范围内2 0 0 1 年平均沉降值5 5 毫米。 1 0 苎三兰墨竖立些耍堡壁堕皇墨翌鉴 表2 2 天津市区平均地藕沉降值表( 毫米年) 1 9 2 3 焦 1 9 5 8 篮 1 9 6 7 焦 1 9 7 2 年1 9 7 4 短1 9 8 3 芷1 9 8 6 筢1 9 9 9 芷 年代 1 9 5 7 芷1 9 6 6 年1 9 7 1 芷1 9 7 3 矩1 9 8 2 芷1 9 8 5 燕 1 9 9 8 年2 0 0 2 生 平均 沉降 7 1 1 23 0 - 4 64 21 0 98 57 11 51 6 僵 表2 - 3 市区沉降中心累计沉降量表单位：米 、 位置 北站外河东大王庄河北小王庄 大直沽陈塘庄 红桥早桥 宰静 不1 9 5不1 0 6 6不3 5 8不3 2 0 a ( 土城南北大街不4 5 6 ) 1 9 5 9 - 1 9 8 5 2 3 3 92 3 6 52 3 8 5 1 9 5 9 1 9 8 62 4 2 02 4 2 924 6 5 1 9 5 9 1 9 8 72 4 5 02 4 6 025 1 0 1 9 5 9 一1 9 8 82 4 5 92 4 5 22 6 2 8 2 2 7 52 6 2 8 1 9 5 9 1 9 8 9 2 4 6 7 2 4 5 82 6 5 02 2 8 726 4 6 1 9 5 9 1 9 9 02 4 7 72 4 6 826 7 32 2 9 82 6 6 7 1 9 5 9 - 1 9 9 12 4 8 92 4 7 92 7 1 32 3 3 027 0 7 1 9 5 9 1 9 9 22 4 8 92 4 7 9 27 1 3 2 3 2 92 7 0 6 1 9 5 9 - 1 9 9 32 5 0 32 4 9 02 7 3 72 3 2 92 7 2 9 1 9 5 9 1 9 9 4 2 1 9 4 ( 不5 0 6 ) 2 4 9 0 2 7 4 7 2 4 2 8 ( i i 一1 2 0 ) 27 3 3 1 9 5 9 1 9 9 5 2 4 9 0 2 7 7 62 4 3 02 7 6 5 1 9 5 9 1 9 9 62 ，5 0 02 4 5 027 8 0 1 9 5 9 1 9 9 725 2 027 8 72 9 6 02 7 7 4 1 9 5 9 1 9 9 825 3 4 28 1 4 2 4 8 72 8 0 3 1 9 5 9 1 9 9 92 5 4 2 28 2 72 5 1 02 8 1 5 1 9 5 9 2 0 0 02 5 6 8 28 5 02 5 3 028 4 0 1 9 5 9 2 0 0 l2 5 8 02 8 7 02 5 4 02 8 6 0 1 9 5 9 2 0 0 225 9 0 28 8 02 8 7 0 第二章天津市地面沉降历史及现状 2 2 3 滨海新区地面沉降 滨海新区包括塘沽、汉沽、大港及滨海下游工业区。地面沉降监测面积约 1 0 9 5 平方公里，自1 9 8 6 年以后采取控沉措施以来，总的来说处于渐缓的趋势， 但相对于市区其沉降仍然是很严重的( 表2 4 、表2 - 5 ) 。 表2 - 4 滨海新区历年平均地面沉降速率表( 毫米年) 趔旗 年份 塘沽汉洁大港海河下游 、 、 1 9 5 7 1 9 6 7 2 1 9 6 8 1 9 7 52 6 1 9 7 6 - 1 9 8 38 0 1 9 8 51 0 08 25 07 3 1 9 8 65 04 24 05 2 1 9 8 74 6 4 6 4 1 4 8 1 9 8 82 95 32 54 5 1 9 8 94 46 85 65 6 1 9 9 01 9 6 61 8 3 2 1 9 9 12 4 3 84 54 2 1 9 9 23 07 23 55 0 1 9 9 31 55 23 4 4 5 1 9 9 42 64 54 8 4 7 1 9 9 58 3 22 02 7 1 9 9 61 3 4 2 3 4 4 2 1 9 9 7 1 33 52 94 1 1 9 9 81 42 03 43 8 1 9 9 9 1 34 52 93 5 2 0 0 02 73 93 54 0 2 0 0 12 56 12 74 0 2 0 0 22 74 93 24 4 表2 - 5 防潮堤年均沉降值变化单位：毫米 、年份 区段 1 9 9 31 9 9 41 9 9 5 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 2 塘沽区段 1 82 271 381 81 21 81 72 1 汉沽区段4 13 82 3 2 72 82 93 33 34 l 4 2 大港区段 2 22 962 0i 92 l1 31 9 t 71 7 第二章天津市地面沉降历史及现状 2 2 3 1 塘洁区 本区1 9 7 7 年一1 9 8 2 年平均沉降值1 3 1 毫米，1 9 8 2 1 9 8 5 年年均沉降值为11 7 毫米。1 9 5 9 2 0 0 2 年4 3 年累计最大沉降值为3 1 8 米，位于上海道与河北路交口 处不4 2 4 点，已低于平均海水面0 8 5 米。上海道一带低于平均海平面的面积已 达8 0 平方公里，近年来平均沉降速率为1 3 1 5 毫米年，也得到基本控制，但 近二年沉降有所加重。海河防潮闸累计下沉1 4 4 米，塘沽段防潮堤沉降值0 2 2 米，年均沉降速率为1 5 一1 7 毫米。天津港码头累计沉降0 6 6 米，地面标高2 5 3 3 米，各泊位仍以年4 1 0 毫米的速率下沉。1 9 8 6 年开始实施三年为一期控沉计划， 1 9 9 5 2 0 0 2 年，年均地面沉降1 6 毫米。 2 0 0 2 年平均沉降值为2 7 毫米，2 0 0 1 年为2 5 毫米，年最大沉降值为7 2 毫米 ( 位于北塘水库南塘沽砖厂) ，经济技术开发区年平均沉降3 0 毫米，保税区年均 沉降2 7 毫米，天津港年沉降为1 6 毫米，塘沽段防潮堤年均沉降值2 1 毫米。塘 沽城区2 0 0 2 年平均沉降值2 4 毫米，较2 0 0 1 年沉降速率略有增加。 2 2 3 2 汉沽区 监测面积2 7 0 平方公里，1 9 5 7 2 0 0 2 年四十五年累计最大地面沉降值达2 9 8 米( 含7 6 年唐山地震区域地面下陷0 4 - - 0 6 米) ，汉沽城区地面已有9 平方公里 低于平均海平面，呈现负标高。1 9 5 7 1 9 8 3 年汉沽中心城区寨上的累计最大沉降 量已达1 6 1 9 米，1 9 8 5 年实施控沉计划后1 9 8 5 - 1 9 9 9 年汉沽城区累计最大沉 降值o 9 2 米，( 东风路不3 2 点) ，天津化工厂为o 7 5 米，后沽乡为0 7 2 米，汉 沽段防潮堤1 9 9 3 - 2 0 0 1 年平均沉降值3 4 毫米。 2 0 0 2 年监测区平均沉降值为4 9 毫米，较2 0 0 1 年减缓1 2 毫米，最大沉降值 为1 0 8 毫米，位于杨家泊镇，形成年沉降值大于7 0 毫米向宁河县芦台镇扩展的 地面沉降区，汉沽段防潮堤年均沉降4 2 毫米。 汉沽监测区地面沉降的发展主要受近几年汉沽及宁河县芦台镇地下水开采 量加大的影响，2 0 0 2 年虽有所缓解，但总的趋势仍十分严峻。 2 2 3 3 大港及中塘区 大港区2 9 5 平方公里监测面积范围内，大港区北部( 独流减河北) 1 9 5 9 - 1 9 9 9 年累计沉降值1 - 2 2 米，大港区中心城区1 9 5 9 1 9 9 9 年累计沉降0 9 0 米，防潮堤 累计沉降值o 7 0 米，中塘镇累计沉降值为1 2 5 米。目前尚未发现负标高地带。 近年来，平均沉降速率为3 0 3 5 毫米年。与1 9 8 5 年前相比，沉降速率已明显减 缓。 大港油田区地面沉降1 9 6 4 1 9 9 9 年3 5 年累计最大沉降值1 1 2 米( 地面沉降 第二章天津市地面沉降历史及现状 中心位于沙井子、钻井四站地区) ，1 9 9 5 年以后减少地下水的开采，减缓了地面 沉降速率( 表2 - 6 ) 。 表2 - 6 大港油田地面沉降速率表( 毫米年) 年份1 9 9 4 1 9 9 51 9 9 6 1 9 9 71 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 02 0 0 12 。2 平均 2 9 | 沉降速率 5 51 93 02 63 02 63 82 4 2 0 0 2 年平均沉降值为3 2 毫米，较2 0 0 1 年增大5 毫米，最大沉降值8 5 毫米， 位于独流减河闸南。中塘地区2 0 0 2 年平均沉降5 1 毫米，较2 0 0 1 年增大7 毫米。 大港段防潮堤年均沉降1 7 毫米。 2 2 3 4 海河下游工业区和官港地区 海河下游工业区( 含葛沽、咸水沽、官港) 位于市区与塘沽区之间，北起杨北 公路，南到官港、小站和咸水沽，面积约3 3 0 平方公里，1 9 5 9 1 9 9 9 年四十年地 面沉降情况为：咸水沽镇累计沉降为1 - 9 米，无缝钢管公司累计沉降值1 8 米， 葛沽镇累计沉降值为2 1 米，小东庄累计沉降值1 6 米。1 9 9 3 1 9 9 9 年地面沉降 发展表明，无缝钢管公司年沉降速率5 0 毫米，葛沽镇沉降速率5 5 毫米，咸水沽 沉降速率7 3 毫米，累计沉降值大于0 5 米的等值线已包含了无缝钢管公司、咸 水沽、葛沽、小东庄、泥沽等海河两岸的广大地区，是沉降速率较大的区域，近 几年未现减缓趋势。 2 0 0 2 年平均沉降4 4 毫米，最大沉降值为7 7 毫米，位于滓南区葛沽镇西。 咸水沽年均沉降6 1 毫米，葛沽镇年均沉降6 l 毫米，军粮城镇年均沉降值5 3 毫 米，无缝钢管厂年均沉降值6 0 毫米，小站镇年沉降值5 3 毫米，地面沉降趋势与 2 0 0 1 年相似。武清、宁河、杨柳青等地区的地面沉降也相当严重，应引起注意。 如武清城关等水准点近年来沉降速率超过1 0 0 毫米年，宁河县芦台镇沉降速率 达4 0 6 0 毫米年，杨柳青镇沉降速率达6 0 一7 0 毫米年。如不采取措施控制沉降 的发展，势必对城镇的持续发展造成严重的影响。 2 2 4 引起地面沉降的层位分析 根据大直沽、北宁公园历年分层标资料的分析，天津市市区1 9 8 5 年未采取 控沉措施前引起的地面沉降层位，主要为第1 i 含水组地层，约占总沉降量的 4 0 - 5 0 ，这与当时第1 i 含水组开采量占总开采量的4 0 一5 0 是相对应的( 表2 7 、 表2 8 ) 。 第二章天津市地面沉降历史及现状 表2 - 7天津市区大直洁分层标各含水组沉降量表 、年份 1 9 8 51 9 8 71 9 8 91 9 9 11 9 9 31 9 9 41 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1 含水组 一 抗降量( m m ， l99 60 4i20 942 组192 7 27 3 8 0 922 022 2 o 一 一 沉降量( m m )1 58+ 1 52十1 1 1 002 + l32 3 + 26 + 17+ o8 姐1 6 2 + 4 3 1+ 2 0 l8 0 2 o + 1 38 s 3+ 2 77+ 1 25+ 4 2 一 二 沉降量( m m ) 1 9 01 4 0 633 8 2 7475 33o 4 3 2 8 组 1 94 3 9 71 1 4 5 2 532 76s 00 i 争2 3 】93 16 1 47 一 二 沉降量( t a r a ) 6 102 699 91 0 06o4 12 009 o1 1 01 29 组 6 2 47 6 21 8 00 6 67 6 124 3 67 2 59 578 。，6 75 t 台 沉降i ( m m ) 9 773 535 51 509 89 42 769 41 361 9 1 计 1 0 01 0 01 0 0 1 0 01 0 0 1 0 0 1 0 01 0 0 1 0 0 1 0 0 表2 - 8 北宁分层标各含水组历年沉降量表 年份 1 9 8 11 9 8 31 9 8 51 9 8 61 9 8 71 9 8 81 9 8 91 9 9 01 9 9 1 含水痘 沉降量 】1 2 6 535 14 27 】21 2n 5i3o8 ( m m ) 组 83 95 9 54 b1 0 15 72 221 3 工2 361 29 沉砗量 5 4 1 43 7 4 43 2 0 2 43+ 2 d+ 23 ”3 十0 4l4 ( m m ) 组 4 24 s酊5 13 63 3 45+ 94 十4 26+ 8 68+ 732 2 6 沉降量 7 4 2 i 1 8 05 2 03 9 02 2 06 56 64 64 0 ( m m ) 组t 4 9 1 53 0 5 35 895 5 4l 8 1 2 0 4 1 7 378 36 6 4s 沉降量 台计 1 5 l 田 5 9 9 5 8 s 上7 0 02 i 25 43 85 5 62 ( r a m 1 0 0】0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 1 0 0 1 9 8 5 年以后，随着控沉措施的实施，市区开采地下水的层位已发生了相当 大的变化，特别是第1 i 含水组地下水开采量逐年减少，以2 0 0 0 年为例( 表2 9 ) ， 主要开采层为v 组及v 组以下的新近系地下水，组及以下开采量占总量的 7 0 5 s ，而同期组及以下沉降量占了总量的8 0 9 j 6 ，明显反映了沉降量、开采 量和开采层位的关系。组开采量大幅度减少，由控沉措施实施前的4 0 0 0 5 0 0 0 万立方米年，减少到2 0 0 2 年2 3 7 6 3 万立方米年，地下水位逐年回升，第1 i 含 水组地层多年呈现为回弹。 第二章天律市地面沉降历史及现状 总之，自采取控沉措施以来，引起地面沉降的层位已发生了明显变化，由第 1 i 含水组地层转移到v 组及以下地层，即开采深层水，己成为产生市区微量沉降 的主要原因。 表r - 9 市区开采量统计表 冬型 i 组i i 组i u 组组v 组v 组f合计 年劈 开采量( 万d 】 + 8 1 6 1 ( 回灌) 2 5 1 6 5 3 8 1 0 6 4 0 1 8 l 1 0 7 8 8 32 5 8 8 3 8 54 8 5 7 6 1 31 2 1 2 6 2 7 6 2 0 0 0 + 0 0 72 0 7 587 79 1 42 l 拈 4 0 0 61 0 0 开粟( 万j5 3 3 5 2 3 2 8 3 0 0 1 7 7 6 0 0 0 1 5 9 9 0 0 02 3 7 2 7 0 02 4 8 1 6 0 01 0 5 6 2 9 3 5 2 0 0 1 o 0 52 2 0 41 68 i1 5 1 42 2 4 62 3 4 91 0 0 2 0 0 2开采量( 万一) 2 3 7 6 3 0 0 2 1 8 4 0 0 02 1 0 7 9 0 0 1 7 8 4 4 0 0 2 2 7 2 4 0 01 0 7 2 5 0 0 0 2 2 1 62 0 3 61 96 51 6 6 42 1 1 91 0 0 表2 1 0 是根据塘沽、汉沽、海河下游及大港分层标长期监测资料统计的各 含水组地层变形量，滨海地区的塘沽、海河下游、大港，主要沉降部位是深部 组及以下( 3 0 0 m ) 地层，而汉沽地区则是i i 组和组以下地层为主要沉降层位， 这与相应地区地下水的开采现状是密切相关的。值得注意的是，塘沽区近年来 组地层沉降量较大，开采新近系和古近系地下热水引起的地面沉降近年来每年己 达5 - - 1 0 r a m ，应引起关注。 第二章天津市地面沉降历史及现状 表2 1 0 滨海新区分层标各组地层变形量 年毋 地点 沉降量( 二沁 1 9 8 91 9 9 11 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1 沉薄量3 5 + n 3l2n 3 0 4 7 207 2 8 i 组 9 2+ o 672o 9l42 732 i89 沉砗量661 18301 1o35427 l l i 组 1 732 4 l1 8 l3 41 1+ 191 232 27 塘沽 沉辟量 1 331 044 44 03 80 7+ l01 92 珊组 3 492 132 651 24 1 3 3 27十296 13 沉碑量1 472 7 08 02 6 92 401 903 0 22 2 m 组， 3 8 6 5 5 24 8 28 3 38 42 208 8 67 0 合计沉降量 3 8 i 4 8 91 6 6 3 2 3 2 8 5 2 6 43 4 13 13 沉降t45301 69 9 1 23 8o691 30 1 组 65 5 4 2 0 8 1 5 9 1 5 3 3 9 592 沉降量5 353 2 43 4 62 6 20 22 102 941 3 9 i i 组 7 585 8 24 2 正4 581 332 4 93 9 i 汉沽 沉辟量 84737 89 5+ 】0】2 27 636 i 组 l l l 91 3 19 61 6 6+ 6 6 61 451 0 1 沉降量4o1 302 2 01 2 3 0 4 3 03 l2 组， 5 82 3 32 7 0 2 l7 o 5 l l4 】5 合计沉降量7 0 4 5 5 78 135 7 21s8 4 2 5 1 沉降量 483 8343 1432 1 o7 03 l 组 7 4655 6545 842i8o6 i l 组沉阵量 l54 44 71 238 t o81l 24 24757 82 15 1+ 1 6 28 4 g 海河下游组沉降量 1 731 52l l31 0 61 3 7b4+ 2 l十2 1 2 682 6 11 8 71 8 51 8 61 69 + 53+ 42 i 组，沉降t4 lo 3 5 04 1 d4 235 2 口们o4 0 l4 9 2 6 345 9 96 79 7 4 0 7 05 8 0 51 0 089 88 合计沉降量6 465 8 46 0 45 7 27 384 9 7 3 984 98 抗薛量i3 243 33 i l 蛆 56 1 1 81 9 0 沉降量90 249 297 + 组 大港 3 8 61 1 8 5 2 9 沉降量 1 301 55 4 9 i 组t 5 5 8 7 6 42 8 2 台计沉降重2 33 2 031 74 1 7 第三章地面沉降成园及危害 第三章地面沉降成因及危害 3 1 滨海地区社会经济状况 1 9 9 4 年国务院批准滨海新区建设方案之后，翌年市政府确定了“工业东移， 重点开发建设海河下游工业区和滨海区”的方针。新区地处渤海湾西部，海岸线 南起歧口北至涧河口，全长1 5 3 3 公里。子牙新河、独流减河、海河、永定新河、 潮白新河、蓟运河以及涧河，在这里入海。新区虽然地处上述河流的尾问，却是 严重缺少淡水资源的经济发达地区。新区规划面积2 2 7 0 平方公里，规划城镇常 住人口1 0 7 万人，国民生产总值将占全市总值的一半。改革、开放以来，我市的 经济持续快速健康发展，国内生产总值从1 9 7 9 年的8 2 7 亿元增加到2 0 0 3 年的 2 4 4 4 4 亿元，增长2 9 6 倍多。滨海新区是我市的“黄金海岸”，成为我市跨世纪 腾飞的最大启动点和走向新世纪的标志性地区。2 0 0 3 年新区的国内生产总值为 9 9 9 7 5 亿元，占全市比重已达4 0 9 ，充分显示出全市经济最大增长点的地位。 开发，建设滨海新区，是关系到天津发展前途的“命脉”，“医治”好地面沉降这 个“慢性病”，使之成为我国北方经济发展的“龙头”，对具有自由港功能的高度 开放的现代经济新区至关重要。 3 2 成因分析 地面沉降是指由于各种因素的影响，地面标高发生明显的降低，对人类生存 和生产活动构成危害的环境地质现象，这是一种缓变型地质灾害。这里所说的各 种影响因素，总起来说可以归纳为自然和人为因素两大类，自然因素及人为因素。 自然因素中，包括构造活动引起的沉降、软弱土层形成的沉降、以及地震活动、 海平面上升等；人为因素中，过量开采地下水、地下热水及开采油气资源均可引 起地面沉降。 3 2 1 自然因素形成的沉降 3 2 1 1 构造活动 天津市位于九河下梢，渤海湾西岸。整个天津和邻近地区处于华北断块翁地 的东北部，从构造分区上看西部为沧东隆起的一部分，东部则包括了黄骅凹陷的 第三章地面沉降成园及危害 一大部分，由古近纪以前的沉积岩层和古老的结晶基底，组成了本区的地质构造 基础，长期以来缓慢下降，沉积了巨厚的松散沉积物。其沉积速率大致确定如下。 1 、第四纪全新世构造沉降分析 根据地层厚度和沉积年代的关系可以推算相应年代该地区的沉积速率。例如 使用第四纪的地层厚度可以研究近2 6 0 万年以来构造沉降规律；利用全新世以来 沉积物的厚度可以推算近一万年的沉积速率。利用天津市和邻近地区钻孑l 资料， 得到第一海相层底板的实际埋深和海拔标高，从而计算出全新世的沉降速率。总 的来看全区沉降整体速率有从北向南、从西向东逐渐加大的趋势，从西侧的武清 地区1 2 毫米年左右，市区西部沉降速率最低为1 4 7 毫米年，市区东部沉积速 率一般超过1 7 毫米年，逐步发展到宁河、汉沽沿海一带超过2 0 毫米年。 2 、历史水准点沉降资料 市区调查了历史水准点2 6 个，其中1 6 个与地下水开采关系密切。如台儿庄 2 8 号水准点1 9 1 9 1 9 4 1 年年平均沉降速率1 2 3 毫米；而远离地下水开采区的9 个水准点1 9 3 0 1 9 5 3 年的年平均沉降速率仅为1 7 毫米。 3 、华北地区地形变资料 国家地震局测量大队黄立人等在天津及其周围地区的现今地壳垂直运动 论文中，据1 9 5 7 1 9 8 6 年的几期精密水准复测资料，研究了天滓市及周围地区现 今地壳垂直运动。指出本区的长趋势变化是山区继续上升，平原区继续下降的继 承性运动。天津市处于华北沉降区，其构造沉降背景值每年约1 o - 1 5 毫米。 综上所述，天津市因构造活动造成的地面沉降的基本年速率应为1 3 - 2 o 毫米左右。 3 2 1 2 软弱土层某些物理力学特性形成的沉降 滨海地区广泛分布有软弱土层，其成因类型主要有：浅海相、滨海相、泻湖 相。空间上，主要赋存子第1 海相层、第1 i 海相层及第海相层。其中，第1 海 相层为较典型的软弱土层。其特殊的物理力学特性，将对地面沉降产生一定的影 响，特别是到微量沉降阶段，这些影响不可忽视。 天津经济技术开发区是在盐滩上建起的，在原来的盐滩上填土约有o 一2 5 米厚。其下有广泛分布的海相沉积的软弱土层( 埋深在2 4 1 7 0 米，以淤泥和 淤泥质粘土为主，呈流塑状态) ，即通称为第1 海相层，为典型的软土层( 图3 一1 ) ， 它的特点是含水量高( 图3 2 ) ，压缩性高，孔隙比大，天然容重低，强度低，属 于欠固结的地层( 图3 3 、图3 - 4 ) ，不仅会自然压密，而且在荷载的长期作用下 容易产生次固结变形。据十余年的观测结果，该软土层的压缩所引起的沉降占了 总沉降量的5 0 - - 6 0 ，其值有1 0 - - 2 0 毫米年，这是由软土层继续压密及土层在 荷载的长期作用下产生的次固结变形共同作用的结果。因此，在开发区软土层的 第三章地面沉降成因及危害 压缩变形对地面沉降的影响已成为一个绝对不能忽视的重要因素，甚至上升为第 一主要因素。保税区、天津港等也有类似的情况。另外，天津市沿海1 5 0 多公里 的海防堤为保障沿海少受潮灾的威胁具有重要意义，现在的沉降速率也在1 5 3 0 毫米年，除地下水的影响因素外，软土层压密对其影响是非常值得研究的课 题。 3 2 1 3 强烈地震对地面沉降的影响 地震对地面沉降的影响主要表现在两个方面，一为地应力的变化对地面沉降 的影响；二是地震造成的震陷、液化也对地面沉降产生一定的影响。地应力的变 化对地面沉降的影响是很显著的，可分为四个阶段；即震前阶段临震阶段震时阶 段及震后阶段。各个阶段对地形变的影响随着距离震中的远近、所处构造部位不 同其影响也不同。一般呈现下列规律：震前地面缓慢下降、临震阶段明显下降、 震时大幅度下降、震后明显回升。震前可影响4 - 5 年，震后可影响2 3 年。根据 有关资料，唐山地震震前阶段，天津市区1 9 7 5 年在半年时间内，因地应力的变 化使地面沉降增加2 2 2 6 毫米。震时阶段，造成宁河下沉量最大达1 5 5 1 毫米， 汉沽地区下沉量达5 3 0 7 1 毫米。震后阶段，天津市塘沽区年平均沉降量仅1 2 毫米，大大低于正常年份。 滨海地区广泛分布有淤泥或淤泥质软土，据震后观测资料，由地震震陷造成 的地形变震陷值在塘沽新港地区约为1 0 o 一2 9 4 厘米；市区震陷值较小，约占总 沉降量的7 7 - 1 0 ，震陷值为0 8 6 3 8 厘米。 致谢 天津市开发区( 南部) 综合地质柱状图 m t * 位l孔瞻矗舟但位置五，( ) 年耙土曲，楂鲁追 量 始 妯 。， 嵌i 嚣盅 “1 姑0 0 0 8 h m )( 00 8 d 0 0 2um )( d 1 5 0) 1 0 03 i i1 0 0 1 5 0l 1 0o 1 o3 i 5 0 1 0 00 5 1 00 0 5 - 0 1 1 0 - 5 00 1 - 0 5( o 0 5 v 1 1 0 ) ( 4 2 ) m = l x ? = 伍m ) ，z ? ( 2 l ，z ? 0 ) ) i = 1 、2 、n ( 4 3 ) 可建立白化形式的微分方程 譬+ 斛邓班岷x 妒 ( 4 4 ) 这是一个阶n 个变量的微分方程模型，记为g m ( 1 ，n ) 。记上述方程的参 数列为a 数列西可由下式求得 a = k b6 ：b 。r a = ( b 7 b ) 。b 7 k ( 4 5 ) ( 4 6 ) 第四章滨海新区地面沉降数学模型与趋势预测 b = 一圭1 ( 1 ) + f 1 1 ( 2 ) l x ? ( 2 ) ，彳o ，( 2 ) 一昙愀1 ( 2 ) + 爿p ( 3 ) l x i t ( 3 ) ，x 2 ( 3 ) 一三愀1 o 一1 ) + 耐1 ( ”) l z 1 ) ( n ) ，y 。0 ，( ) ( 4 7 ) 珞= 陋。( 2 ) ，x f 。( 3 ) ，研。( 一) 】r ( 4 8 ) 当墨”，i = 2 ，3 ， n ， i 1 呈现出缓变，可以用区间不变值进行计算时， 则x ；的时间( 离散) 近似关系式为 n 1 1 z l 1 ( 世+ 1 ) = ( m ( 1 ) 一= 6 ，- l 置1 1 ( 世+ 1 ) ) p 一“+ = 6 卜d z 1 ( 七十1 ) ( 4 9 ) “扭2“f z 2 根据( 4 9 ) 式可以用第2 至第n 个数列来求得一个数列的近似值，这就是灰 色预测。 2 、地面沉降灰色模型的建立和预测 数列的选取 在模拟地面沉降的灰色模型中，历年的地面沉降量将作为第一数列x 。o ( k ) ， 其它影响因素列为第2 至第n 个数列。已往的研究成果表明影响地面沉降的因素 很多，既有外部因素，也有被压缩土体自身的因素，前者包括构造活动、地震、 开采深部油气，但主要是开采地下水所致，因此将地下水开采量作为第2 数列 x 。o ( k ) 。近年来随着研究工作的不断深入，发现降水量对地面水准测量的结果存 在着一定的影响，如塘洁区1 9 9 0 年和1 9 9 5 年降水量分别为7 3 5 6 毫米和7 5 7 2 毫米，而当年水准测量显示相应的沉降值仅为1 9 毫米和8 毫米，降水量的增加 可能会减少一部分农业采水，另初步分析在降水过程中，浅表层的粘性土层中所 含的粘土质矿物( 伊利石、蒙脱石) 吸水后表现出一定的膨胀性，这种变形虽不属 地面沉降的范畴，但其对水准测量值存在着一定的影响，因此将历年降雨量也作 为一个数列加以研究。由土体自身特性对沉降产生的影响主要取决于自身的水 文、工程地质特性，包括压缩性、渗透性，压缩性主要反映在土体的最终变形量 方面，而渗透性则影响着变形的速度，即沉降随时间的变化，在灰色理论中把这 一影响因素用固结因子来表示，将其做为一个数列。其物理意义类似于欠固结度， 因为它被包含在灰色系统中，因而不必深究它确切的物理含义，固结因子的引入 可以较好地解决沉降滞后的问题。 第四章滨海新区地面沉降数学模型与趋势预测 在实际应用中，各因子的单独作用是十分显着的，但将其中某几个或全部因 素组合在一起，其最终结果应该看作是各因素的整体表现，在所接触到的绝大多 数灰色模型中，都使用的是g m ( 1 ，1 ) 型模型，极其个别的使用了g m ( 1 ，2 ) 模型， 而在本文中，使用了g m ( 1 ，3 ) 、g m ( 1 ，4 ) 模型，从某种意义上来说带有一种探 索的性质。 建模方法 下面以塘沽地沉灰色模型g m ( 1 ，4 ) 的建立为例说明建模的具体步骤。 a 原始数列的预累加：在每个数列中，各变量的取值既有必然性，又存在着 一定的偶然性，丽一旦存在着这种偶然性，就会影响灰色模型的精度。为了减少 原始数据的零散程度，突出规律性，先对所有变量作预累加，生成( 一次累加) 。 预累加生成后的各数列用x ，o ( i ) ，x 2 0 ( i ) ，x 。o ( i ) ，x 。o ( i ) ，i = l ，2 ，3 ，4 1 2 。x o ( i ) 数列代表自1 9 8 5 1 9 9 6 年历年平均沉降量，x ：o ( i ) 数列代表历年地下水开采量， 其中包括塘沽城区及邓善沽、河头、新河三个乡的开采量，x 3 0 ( i ) 数列为根据一 维固结理论确定的固结因子，x , o ( i ) 数列为历年降雨量( 表4 - 1 ) 。 b 累加生成：由( 4 2 ) 式置o ( _ j ) = f x ，( o ( m ) 作x 。的累加生成， k = l ，2 ，”1 2 ，i = 1 ，2 ，3 ，4 。 “ c 建立系数矩阵b 和y 。：根据( 4 7 ) 式和( 4 8 ) 式建立矩阵b 和y 。 b = 一1 7 51 2 4 3 72 6 71 8 3 1 2 3 4 82 3 7 _ 3 95 2 83 8 1 7 2 5 5 8 53 7 3 9 58 7 6 4 7 0 4 8 0 5 55 3 4 8 81 2 99 4 2 3 6 1 0 8 47 1 6 2 81 7 8 51 3 1 1 2 4 1 3 8 49 1 5 0 62 3 5 21 7 2 9 4 1 7 111 1 3 0 9 22 9 8 82 1 9 6 0 2 0 6 0 51 3 6 3 8 13 6 92 7 0 5 0 4 2 4 3 0 51 6 1 3 5 84 4 5 53 2 7 2 4 2 8 1 7 51 8 8 0 7 05 2 83 9 1 5 4 8 3 2 1 52 1 6 3 5 26 1 6 14 6 1 3 6 1 巧= 0 5 0 ，1 9 6 ，2 2 5 ，2 6 9 ，2 8 8 ，3 1 2 ，3 4 2 ，3 5 7 ，3 8 3 ，3 9 1 ，4 0 4 ) 第四章滨海新区地面沉降数学模型与趋势预测 表4 1 塘沽地沉灰色模型原始数据 1 9 8 51 9 8 61 9 8 71 9 8 81 9 8 9】9 9 01 9 9 l1 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 5】9 9 6 年沉降量 1 0 0 5 4 4 62 9 1 92 43 01 52 68】， 沉降量 景计1 0 。1 5 42 0 02 2 92 7 32 9 23 1 63 4 6 3 6 l3 8 7 3 9 5 4 0 8 ( 毫米) 沉降量 地下水开地下水 4 3 2 8 3 783 19 2 35 2 43 2 0 4 1 731 701701 681 731 57 1 采量( 百年开采量 0348697 4 74 万立方 地下水累4 32 88 lo1 1 31 3 61 6 0l8 11 9 82 1 52 亚2 4 92 6 7 2 8 28 1 i 米) 计开采量80 l5 59 33 97 88 58 97 61 同结固结因子 0 917 726 i34 24249 556 76 3 670 276 582 5b b i 因子 固结因子0 917 726 l34 24 249 556 76 3 67 0 2 76 5 82 58 8 l 累计值 降水量年降承量 7 0 24 2 7 8 5 66 6 73 0 07 3 64 9 34 8 34 2 45 8 3 7 5 75 5 05 ( 毫米) 282o626822 累计 7 0 21 1 2 91 9 8 62 6 5 32 9 船3 6 8 84 1 8 24 6 6 55 0 9 05 6 7 36 4 3 06 9 8 l3 降水量2 2286468 d 计算参数列a ：由( 4 6 ) 式a = 仁7 口) - 1 8 7 l 求得a = 0 ，b 1 ，b 2b 3 ) = ( 3 8 4 6 9 5 1 ，8 0 5 3 0 4 1 ，3 8 9 3 4 0 7 ，一0 1 5 2 6 8 3 1 ) e 建立模型：由( 4 4 ) 式得 d x o ) + 3 8 4 7 x l ( n ：8 0 5 3 石i 1 ) + 3 8 9 3 4 x ”一