海河平原东部地区地面沉降机理与趋势----

1、海河平原东部地区地而沉降机理与趋势摘要：海河平原东部地区是中国水资源最紧缺的地区z。地下水开采量占该地区供水总水量的 以 。深、浅层地下水超釆量均超过500亿m3。该区也是山前拦蓄地表径流最高的地区，大小水库达!b#s多 座，拦蓄能力320亿m3,控制山区流域面积近90%o在地下水补给源减少与大规模超采地下水的综合 作卅下，造成平原区河流干汹、地下水水位持续卜降、含水层疏干及地面沉降等坏境地质问题。同时 诱发了含水层之间强越流渗透以求动力场平衡问题，第四系松散地层出现乖向压密而导致地层塑性变 形。在滨海平原区，区域性地层垂向压密变形存在缓慢发展趋势。研究表明，地面沉降致灾过程至少 存在&

2、;个阶段，即口然沉降机制阶段、缓变劣变质变阶段以及快速衰变破坏阶段。缓变劣变质变阶段是 采取措施减灾最佳时期。关键词：海河平原东部地区；地面沉降机理；动因与阶段性；趋势1地面沉降发展过程与现状海河平原东部地区的地面沉降形成于20世纪60年代屮期以后，主要发住在天津地区及京津以南的屮 东部平原。据有关部门监测，19651975年期间，研究区地面沉降仅发生在14个地下水降落漏斗屮心 地带，下降速率一般小于lomm/ao 1975-1979年，随着深层地下水的大规模开采，地血沉降的范围得 以扩大，发展到沧州、衡水、任丘、南宫、霸州、大城、曲周、唐海、晋州及濮阳等地下水水位降落 漏斗区。1979198

3、5年，地面沉降范用与下降速率进一步扩人，整个屮东部平原均开始了地面沉降，累 计地面沉降量人于50mm的面积达到数十km2,天津、沧州、任丘、霸州等沉降中心的平均下降速率 7.847.3mm/ao20世纪80年代初期，天津、沧州等沉降中心，沉降速率达到10.886mm/a。19851990年，随著地下 水水位下降速率的加快，地面沉降范围不断扩人，累计地面沉降量人于500mm的面积达到8200km2, 沉降速率增人到23.4-100mm/ao进入20世纪90年代，由于地下水水位下降速率受开采能力的限制而减缓，同时，随着地层的不断压 密，地面沉降的速率随z减小。以天津地区为例，限采后，沉降量随z减小

4、，甚至一些地区出现反弹。 1985年天津地面沉降速率50-100mm/a,到1990年下降为1 l60mm/a。但是,由于深层地下水资源开 采的范围不断扩展，所以，地面沉降的范围也逐步扩大到山前平原地区。至1995年，研究区地面沉降 聚人于200mm的面积达4.94万km2以上，人于3()()mm的面积达2.60万km2以上，人于5(x)mm的面 积达1.37万km2以上，大于1000mm的面积达7810km2o至1998年,仅天津地区累计沉降量大于300mm 的面积达1.82万km2以上,大丁 1000mm的面积为755km2,累计沉降量大于1500mm的面积为133km2, 大于2000m

5、m的面积为37km2。目前，研究区已经形成了犬津、沧州、衡水、任丘、南宫、霸州、大城、illi周、唐海、晋州等12个沉 降中心区的区域性地面沉降趋势(图1)。图i 海河平原深层承压水区地面沆降分布b8图hg. 1 ttic ihiki siil>sicicncc dintrilmitichi in the confinedgnxinciwatcr arcu of ilaihc river plain2典型区地面沉降特征2天津沉降区位于宝坝断裂带以南的平原区，由天津市区沉降区、塘沽沉降区、汉沽沉降区、人港沉 降区及海河下游沉降区等组成，沉降面积在7300km2以上。19581994年期间各

6、区最人累计沉降量分 别2740、3040、2610> 1080和1360mm。该沉降区与河北平原沉降区相连。至1998年天津沉降区累计 沉降量大于1500mm的面积达133km2,大于2000mm的i创积达37km2。2.2廊坊沉降区位于霸州地下水降落漏斗区,至1995年沉降区面积为310km2,中心累计沉降量为 431.1 mm,沉降速率 21.6mm/a。2.3保定沉降区位于保定地下水降落复合漏斗区，至1995年沉降面积约785km2,中心累计沉降虽 466.8mm,沉降速率 23.3 mm/a。2.4衡水沉降区位于冀枣衡地下水降落漏斗区，面积1650s2,中心累计沉降®

7、456mm,沉降速率22.8 mm/a02.5沧州沉降区位于沧州、青县、人城地下水降落漏斗区，而积约9363km2,至1998年沉降量人于l()()()mm 的面积达到504km2,中心累计沉降速率84mm/a,累计沉降量约2089mmo2.6任丘沉降区位于任丘地下水降落漏斗及任丘油皿区，至1995年沉降区面积1800km2,中心累计沉 降量为498.5mm,沉降速率24.9 mm/a。2.7邯郸沉降区位于邯郸曲周县,沉降区面积1328km2,中心累计沉降量为678.8mm,沉降速率33.9 mm/ao3地面沉降机理地面沉降的发生，取决丁两方面因素：1)是引发地面沉降的动因，即地层系统内的液态

8、动力场的变化;2)是质因，地层系统包含大量塑性粘土层，h频繁与砂层互层。二者综合作用，致使地层中水动力系 统媒介抽空透气，固体介质岩土结构内部在外荷力作用下，发牛:被动性位移变化，粘性土地层厚度变 薄，由此出现地面沉降。3.1地面沉降的动因研究区深层地下水水位降落漏斗，集中分布在地面沉降区，也是中东部城市集中开采区及农业集中开 采区。1995年以0!%&等水位线圈定的而积已经达到3.07万km2,地下水水位埋深人于30m的而积为3.07万 km2o忖前较大的常年性漏斗达到10个以上，冇些漏斗已经复合相连，形成复合漏斗（群），其中与沉 降中心呼应的深层地下水下降漏斗主要有：天津漏斗、廊坊

9、漏斗、冀枣衡（冀县、枣强、衡水）漏斗、 沧州漏斗、邢台巨新漏斗等，漏斗总面积2.14万km2。3.1.1犬津漏斗由不同含水组地下水水位下降漏斗纽成，初始水位埋深3.4m,现今漏斗屮心水位埋深 104.9m,漏斗血积2078km2,中心水位多年平均下降速率2.54m/a；3.1.2廊坊漏斗包括廊坊市区漏斗、霸州漏斗及大城漏斗，初始水位埋深1.5m,现今漏斗中心水位埋深 76.0m,漏斗面积1594km2,中心水位多年平均下降速率1.86 m/a；3.1.3冀枣衡漏斗分布在衡水、邢台及沧州三市辖区部分地区，初始水位埋深1.9m,现今漏斗中心水位 埋深79.6m,漏斗面积1.15万km2,中心水位多

10、年平均f降速率1.95 m/a；3.1.4邢台巨新漏斗分布范i韦i包括南宫市、新河县全境及宁晋、巨鹿、广宗、威县、清河的人部分或部 分地区，该漏斗属于冀枣衡漏斗的一部分，1980年开始形成常年性漏斗。初始水位埋深1.2m,现今漏 斗中心水位埋深78.1m,漏斗面积1576km2,中心水位多年平均下降速率1.97 m/a；3.1.5沧州漏斗包括沧州市区漏斗、青县漏斗与黄骅漏斗，初始水位埋深0.9m,现今漏斗中心水位埋深 93.7m,漏斗面积2729km2,中心水位多年平均下降速率2.38 m/a°3.2典型地面沉降区动因特征321冀枣衡漏斗区冀枣衡漏斗区分布在河北平原屮部，漏斗中心位于

11、衡水市东隆阳，原冀枣衡漏斗与邢台巨新漏斗己合 并为一体，组成纵深复合漏斗，范围涉及衡水、枣强、冀县、南宫、新河、宁晋、巨鹿、广宗、威县、 清河等县市。冃前漏斗面积达1.15万km2,漏斗中心水位埋深79.6m,中心水位多年平均下降速率1.95 m/a。冀枣衡漏斗形成于20世纪70年代初。1958年平均水位埋深1.9m, 1968年（开采初期）漏斗中心水位 埋深3.0m。1975年中心水位埋深32.6m,漏斗面积3260km2,中心水位平均下降速率2.47 m/a。1980 年中心水位埋深50.3m, 1981年漏斗面积6175km2,中心水位平均下降速率3.55 m/ao 1984年中心水位埋

12、深57.3m,漏斗面积7555km2,中心水位平均下降速 率1.74 m/ao 1995年中心水位埋深由1985年的49.4m下降为76.2m,漏斗面积11681km2,中心水位平 均下降速率3.32 m/a。至1998年水位埋深79.6m,漏斗而积1.15万km2,中心水位平均下降速率1.15 m/a。 3.2.2沧州漏斗区该区是沧州市区漏斗、青县漏斗及黄骅漏斗等组成的复合漏斗，形成于1967年。1958年平均水位埋深 0.9m, 1975年漏斗中心水位埋深50.363.3m,漏斗而积918km2,中心水位多年平均下降速率3.73 m/a。 1980年漏斗屮心水位埋深70.0m,-10m等水

13、位线封闭面积为7386km2,'|«心水位多年平均下降速率3.46 m/ao 1985年漏斗中心水位埋深75.7m, -40m等水位线封闭面积为456km2,中心水位多年平均下降速 率2.99 m/a。1990年漏斗中心水位埋深82.1m, -40m等水位线封闭面积为1416km2,中心水位多年平 均下降速率2.71 m/ao 1995年漏斗中心水位埋深90.4m, -50m等水位线封闭面积为1483km2,中心水 位多年平均下降速率2.56 m/a。现今漏斗中心水位埋深93.7m,漏斗而积为2729km2,中心水位多年平 均下降速率2.38 m/a。3.3地面沉降的质因笫四

14、纪以來海河流域东部平原区广泛形成河流湖泊相沉积，大致以衡水至景县为界，形成南北两 大湖盆。在古河道高地上，多为粉砂、亚砂土堆积。在古河床低地和古河间低地，多为亚粘土、粘土 堆积。在扇缘洼地、河间洼地，多为粘土和淤泥堆积。在滨海三角洲区，多为亚砂土、亚粘十堆积。 在泻湖洼地和滨海平原，多为亚粘土、粘土、淤泥堆积。第四系广泛发育粉细砂与粘性土交互或互层 组合地层，单层砂层厚度有限，而粘性地层厚度较大。在地下水开采过程，上述粘性土地层易发生压 密释水导致地层塑性变形，累计岀现严重地面沉降。3.4成因分析人类活动造成的地下水补给人棗减少及长期超采，必然打破地下水系统的水量均衡、水盐均衡以及岩 土力学平

15、衡，地下水系统为了与外部环境z间建立新的平衡，势必导致地下水水位、水量、水质和含 水介质发牛一系列响应变化，有些变化对于人类生存和社会经济发展來讲，是灾害性环境地质问题，甚至是灾害（图2）。|jx旭0空 卜a 站is xbd 2 超垠坨下水创衣环览地庚冋jtfiummi图2超采地下水引发环境地质问题研究区地面沉降，正是随着平原区河流长期干涸及地下水长期超采，在集中开采的地段形成了地卜-水 水位降落漏斗，导致地层岩土力学平衡被破坏，粘性土层开始压密样水，造成地面沉降、地裂，其至 在一些地区发牛地面塌陷等环境地质灾害（图2）。在海河平原，地下水开釆量占总供水量的60%以上，其中河北平原超过80%；

16、拦蓄山区地表径流来水 的大小型水库达1820多座，拦蓄能力320亿m3,已控制山区流域血积近90%。截止2003年仅深层承压水累计开采量达600亿m3,由1980年开米量15.4亿m3/a增加至约35亿m3/a,多年平均24.7亿 m3/ao在天津、沧州和衡水等地区，深层承压水开釆量分别占当地总开采量的83.6%、52.8%及47.7%。 地下水补给源减少与大规模超采地下水的综合作用下，造成平原区河流干涸、地下水水位持续下降、 含水层疏干以及地面沉降等环境地质问题，同时诱发了含水层z间强越流渗透，笫四系松散地层不断 进行动力场平衡调整，塑性地层发主变形、压密，导致地面向下位移，特别是在衡水、沧

17、州、青县和 天津南部等地区地而沉降明显。研究表明，地面沉降致灾过程至少存在3个阶段，即自然沉降机制阶段、缓（变）劣（变）质变阶段 （简称缓劣质变阶段）以及快速衰变破坏阶段。缓变劣变质变阶段是釆取措施减灾最佳吋期。4地面沉降发展趋势据研究表明，在维持现状条件卜-，地卜水水位埋深将不断增大，水位降落漏斗而积、严重超釆区面积 及含水纟r疏干面积将加剧向纵深扩展（表1）,与其相伴的地而沉降、地裂缝和地而塌陷等环境地质问 题将日趋严重（表2）。表1典型区地下水水位漏斗面积与中心水位浬深之间关系talik 1 rchli<xis>ii|)lurtwccn the area and the cu

18、ntcr kvcldepth(>f thu gn)un(hvater drawdown funnel in typical areas漏斗分布区名漏斗层位现状水位 2005年水位2010年水位埋;*e）埋深5）埋眾:m）老lu漏斗天津涵斗廊坊汨斗球枣衡漏斗即令巨獅漏斗沧州潟斗水水水水水水 层层层层层层濒深深深深深76.2697.08110.6iiu.88113.05121.1675.99101.10120.3079.6296.12109.9078.12104.85122.5593.73114.95127.28研究区关系式'相关系数svl沧州沉歸区刘h) = 7.0577xlo-,

19、2h7hb0.9554大港沉强区助5加=175.863严从0.9w天澤沉降篋帥soi533.241呷0.906表2典型沉隆区累计沉降吊与漏斗中心水位理深之间关系 tawc 2 rchtionsliip l)etwccn the oimulativc(曲1 land subsidence and the kvd depth at the funnel center of ghhuidwater dmwdown in typical arr：isx式中呵为累计沉phu为漏斗中心水位埋沐俳为开采显.表1典型区地下水水位漏斗面积与中心水位埋深z间关系12000547599115122130500/&g

20、t; 星 i35006 mx)生痂/493870 m 1o11159500图3 海河平原东部开采条件下累计沉降塑与地下水位埋深关系fi>-.3 kclatkrtvjiip t）e<mccii accuiinilative totui iuimi sul>sadcflicv ai>d 共rouimlu“trr level depth uixicr万力 数（be cxpl<>ili<ni in tl>c cwsl lliiitw river pudu.例如沧州漏斗区现状年漏斗屮心水位埋深为93.7m,漏斗而积为2729km2o若维持现状开采及补给条件

21、 下继续开采，漏斗中心水位埋深如表2所示;当漏斗中心水位埋深下降到95、97、102、111、117和 127时,漏斗面积将扩展为2889、3361、4903、9676> 15224和。冀枣衡漏斗区目前年漏斗中心水位埋深为79.6m,漏斗血枳为l15万km2,含水层疏干血积1710km2o 若继续维持现状开采及在补给条件下，漏斗中心水位埋深如表3所示；当漏斗中心水位埋深下降到81、 92、101> 110 和 127 时,漏斗面积将扩展为 12122、12915、14331、16201 和 18125km2。大量资料证实，累计沉降量打沉降区水位埋深及开采屋z间存在表2所示相关关系，

22、基于表1结果， 冇表3的后果。例如，沧州沉降区现今水位埋深93.73m,累计沉降量2098mm （起始年1975年；2005年及2010年水 位埋深分别为115m和127m,累计沉降量将分别为3072mm和3645mm（图3a）。天津沉降区，现状年水位埋深104.88m,最大累计沉降量3040mm （起始年1959第；2005年和2010 年水位埋深分别为113m和121m,累计沉降量将分别为3255mm和3597mm （图3b）。卿坊沉降区、保定沉降区和衡水沉降区的未來变化如表3所示。未來10a中随着地下水资源不断超采, 人量消耗储量，将加速沉降区地面沉降。例如沧州沉降区在维持现状开采及补给条件卜，2000年沉降 速率为95mm/a, 2005年增人至103-458 mm/a, 201（）年将增至为105729 mm/仏表 3典型代表区顼获衣l 2imi5.2o1o 帘预浏累说沉隧塑table 3 tt>e «>ecvunuittive totxd ixand suljsadetice pr<»ent > 2o0s luid 2010 in typkrxd sirea