張永偉，邵明，肖敏

(1.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟(jì)南 250014；2.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

地面沉降是一種致使地面高程降低的緩變性地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。山東省地面沉降區(qū)域位于華北平原的最南緣，近年來已成為山東省較為突出和重點防治的地質(zhì)災(zāi)害類型之一。山東省地面沉降主要分布在魯北和魯西平原的德州、濱州、東營、聊城、濟(jì)寧、菏澤等地區(qū)。魯北平原在德州市德城區(qū)，東營市東營區(qū)、廣饒縣城，濱州市濱城區(qū)、博興縣城一帶已形成地面沉降漏斗區(qū)。魯西平原區(qū)地層結(jié)構(gòu)松散，固結(jié)程度低，地下水超采現(xiàn)象在區(qū)內(nèi)普遍存在。地下水超采形成區(qū)域性的地下水降落漏斗，地面沉降較為突出，目前已產(chǎn)生一定危害。地面沉降的發(fā)生過程一般是不可逆的，一旦形成便難以恢復(fù)。地面沉降使地面高程降低，造成城市防汛設(shè)施的防御能力降低，沿海城市風(fēng)暴潮加??；造成江河橋梁凈空減少，內(nèi)河航運受阻，碼頭受淹；導(dǎo)致深水井井管抬升、傾斜、甚至脫裂報廢。地面不均勻沉降造成建筑物地基下沉，基礎(chǔ)和墻體開裂，房屋等建筑物損壞；引發(fā)鐵路路基、橋梁基礎(chǔ)工程不均勻下沉，威脅高鐵列車行駛安全。地面沉降對現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，如輸排水管道、高架道路、燃?xì)夤芫W(wǎng)、通訊線路等也會造成嚴(yán)重的安全隱患，增大維護(hù)成本。地面沉降監(jiān)測是一項需要長期堅持的公益性地質(zhì)工作，是城市、水利工程、交通發(fā)展建設(shè)規(guī)劃、社會主義新農(nóng)村建設(shè)和地下水開發(fā)利用必須考慮的重要因素。

1 山東省地面沉降監(jiān)測防治情況

1.1 地面沉降監(jiān)測調(diào)查工作進(jìn)展

1.1.1 地面沉降監(jiān)測項目實施情況

2013—2017年，山東省累計投入資金10610.3萬元，安排實施了14個地面沉降防治項目，開展1∶5萬比例尺地面沉降調(diào)查8407km2，地下水開采量調(diào)查3000km2，地下水位動態(tài)監(jiān)測16065點次，建設(shè)基巖標(biāo)5座(濟(jì)寧2座、東營2座、德州1座)，分層標(biāo)5組(德州1組、濟(jì)寧2組、東營1組、濱州1組)，增建二等水準(zhǔn)路線2092km2；開展二等水準(zhǔn)測量8928.18km2，B級GPS測量375點次、收集CORS站點數(shù)據(jù)超過50點次，基本完成了近期地面沉降調(diào)查、監(jiān)測任務(wù)，為構(gòu)建統(tǒng)一、全面的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)打下了堅實基礎(chǔ)(表1)。

表1 山東省地面沉降主要監(jiān)測設(shè)施情況

對全省地面沉降監(jiān)測設(shè)施逐點進(jìn)行登記、造冊，加大保護(hù)力度，委托當(dāng)?shù)卣⑸鐣F(tuán)體、企事業(yè)單位或個人對地面沉降監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行維護(hù)，簽訂保管協(xié)議，確保監(jiān)測設(shè)施正常使用。截至目前，山東省全面建立了“四網(wǎng)合一”(水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)、GNSS監(jiān)測網(wǎng)、分層標(biāo)和基巖標(biāo)監(jiān)測、地下水監(jiān)測)的地面沉降監(jiān)測體系，INSAR監(jiān)測實現(xiàn)了山東全省覆蓋。

1.1.2 山東省地面沉降監(jiān)測調(diào)查成果

根據(jù)國土資源部辦公廳、水利部辦公廳印發(fā)的地面沉降區(qū)和海水入侵區(qū)地下水壓采方案編制技術(shù)要求，結(jié)合山東省地面沉降監(jiān)測實際情況，將年沉降速率作為地面沉降發(fā)育程度的主要劃分指標(biāo)，近五年平均沉降速率大于等于50mm/a為地面沉降強(qiáng)發(fā)育區(qū)；近五年平均沉降速率在30～50mm/a之間為地面沉降中等發(fā)育區(qū)；近五年平均沉降速率在10～30mm/a之間為地面沉降弱發(fā)育區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，山東省發(fā)生地面沉降面積約20239km2，其中：地面沉降強(qiáng)發(fā)育區(qū)6個，主要分布在德州、聊城、濱州、東營、濰坊等5個市，面積約1216m2，占比6%；地面沉降中等發(fā)育區(qū)8個，主要分布在德州、聊城、濱州、東營、淄博、濟(jì)寧、菏澤等7個市，面積約1698km2，占比8%；地面沉降弱發(fā)育區(qū)面積約17325km2，占比86%(圖1)。經(jīng)初步估算，全省地面沉降下降總體量已達(dá)2.97億m3。

圖1 山東省地面沉降發(fā)育現(xiàn)狀圖

1.1.3 山東省地面沉降成因初步分析

(1)粘性土厚度對地面沉降的影響。地面沉降的產(chǎn)生是隔水層的壓縮量和含水層的壓縮量之和，研究表明含水砂層的壓縮量很小，且壓縮變形具有彈性變形的特點，是可以恢復(fù)的，在水位回升之后，砂層會回彈；粘性土隔水層的壓縮量較大，且壓縮變形具有塑性變形的特點，在水位回升之后，粘性土層的壓縮量無法恢復(fù)，地面沉降主要由粘性土隔水層的壓縮引起。因此，粘性土的存在是地面沉降產(chǎn)生發(fā)展的必要條件之一，粘性土厚度的大小，在一定程度上決定了地層的最大壓縮量。在山東平原區(qū)，第四系地層的粘土層，主要開采層位的粘性土層壓縮推動了地面沉降的發(fā)生、發(fā)展，加劇深層地下水長期過量開采，水位下降，粘性土層釋水壓縮，從而導(dǎo)致許多地面沉降中心與區(qū)域主要開采層位的粘性土厚度中心基本一致。

(2)粘性土的物理力學(xué)性質(zhì)對地面沉降的影響。土體的壓縮主要發(fā)生在塑性變形階段，即有效應(yīng)力克服了結(jié)構(gòu)屈服力，使得土體結(jié)構(gòu)力產(chǎn)生損傷之后一段時期內(nèi)，該時期單位有效應(yīng)力增加產(chǎn)生的壓縮量較大。若有效應(yīng)力不能克服土體結(jié)構(gòu)屈服力，土體基本為彈性變形，壓縮量相對較小，回彈量也相對較大。水位的變化反映了土體所受有效應(yīng)力的變化，當(dāng)水位下降到一定程度，有效應(yīng)力克服了土體結(jié)構(gòu)屈服力后，隨著水位下降，土體的塑性變形量迅速增大，地面沉降進(jìn)入快速發(fā)展期。從土體壓縮性與地面沉降的關(guān)系看，土體越容易壓縮，單位水位下降引起的地面沉降越嚴(yán)重，土體可壓縮性的差異導(dǎo)致各地區(qū)水位下降引起的地面沉降也不同。

(3)地下水對地面沉降的影響。地下水開采引起地下水水位下降，孔隙水壓力降低，地層所受有效垂直應(yīng)力增大，地層壓縮。在地下水水位下降過程中，由于粘性土的透水性差，粘性土內(nèi)部會出現(xiàn)超孔隙水壓力，超孔隙水壓力的消散是時間和空間的函數(shù)，靠近抽水含水層的粘性土底部首先壓縮，并滯后的向粘性土頂部發(fā)展，當(dāng)?shù)叵滤幌陆档揭欢ㄋ徊⒈３址€(wěn)定后，粘性土的壓縮時間與超孔隙水壓力的消散一致，超孔隙水壓力消散完畢，地下水水位下降引起的粘性土的壓縮完成。由于超孔隙水壓力消散的滯后性，使得地面沉降也表現(xiàn)出滯后特點。原狀粘性土具有一定的結(jié)構(gòu)屈服力，對應(yīng)的地下水水位也具有臨界水位，當(dāng)?shù)叵滤怀^臨界水位時，有效垂直應(yīng)力大于土體的結(jié)構(gòu)屈服力，土體才開始產(chǎn)生較大變形，沉降速度加快。此外，水位降幅越大，土體所受到的有效應(yīng)力就會越大，因此，水位降幅與地面沉降速率基本呈正相關(guān)關(guān)系。

(4)工程因素對地面沉降的影響。主要指由上部高層建筑附加荷載作用引發(fā)的地面沉降。該類沉降主要發(fā)生在建筑物持力層和下臥層。工作區(qū)內(nèi)一般工程建筑持力層與下臥層為1.5m以下的地層，高層建筑持力層與下臥層為30m以下的地層。

1.2 重點地區(qū)地面沉降研究工作

德州地區(qū)建立了三維流固耦合數(shù)值模型，對地面沉降的發(fā)展趨勢進(jìn)行了科學(xué)預(yù)測，對地面沉降的可控性研究進(jìn)行了深入分析。

1.2.1 德城區(qū)地面沉降發(fā)展過程

模型對德城區(qū)地面沉降發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行模擬和預(yù)測，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地面沉降防控措施的研究。根據(jù)圖2實驗結(jié)果可知，德城區(qū)的地面沉降面積不斷擴(kuò)大，而且沉降中心區(qū)沉降量持續(xù)加大，沉降中心也有所偏移。從地面沉降擴(kuò)展的主要方向可以看出，德城區(qū)地面沉降向北部發(fā)展的速率要大于其他方向。從2008年開始，德城區(qū)的地面沉降速率開始降低，可見德城地區(qū)采取的控制開采量和改變開采層位的方法對地面沉降的控制起到了一定的作用。

1.2.2 德城區(qū)地面沉降可控性研究

根據(jù)南水北調(diào)配套工程進(jìn)度確定地下水壓采工作布局，實現(xiàn)長江水、黃河水等外調(diào)水逐步替代本地地下水。劃定地下水禁采區(qū)和限采區(qū)，先期壓縮城市規(guī)劃區(qū)地下水開采規(guī)模，優(yōu)先實行深層承壓水禁采和限采。利用研究建立的地面沉降流固耦合三維模型，從2015年起減少德城區(qū)地下水開采量，預(yù)測未來20年地面沉降的變化情況。制定了5種方案，分別為在現(xiàn)狀開采量下減少10%，20%，30%，40%，50%，模型和邊界條件不變，預(yù)測出未來20年累計地面沉降等值線(圖2)。

圖2 減少開采量方案下2035年德城區(qū)地面沉降等值線圖

由于地下水開采量的減小，20年后，原有的地下水降落漏斗已經(jīng)基本消失，但在德城區(qū)與河北省的交界處仍有漏斗形態(tài)顯示。隨著開采量的減少，地面沉降速率明顯降低，當(dāng)開采量減少30%～50%時，部分沉降監(jiān)測點在最初幾年出現(xiàn)了地面沉降趨于停止或少量回彈的現(xiàn)象，但是隨著時間推移，回彈量減少，地面沉降繼續(xù)發(fā)展，沉降速率較未減少開采量前明顯降低。當(dāng)?shù)叵滤_采量減少50%時，接近地面沉降中心處的沉降監(jiān)測點沉降速率減少量大于50%。因此，減少地下水開采量對控制地面沉降作用明顯。方案3到方案5實施1～2年后，沉降中心附近的累計地面沉降量不再增加或者增加量非常小，地面沉降基本得到控制，在3～5年后會繼續(xù)以較低的沉降速率沉降。綜合以上分析，考慮方案的可行性及其作用效果，認(rèn)為將地下水開采量在現(xiàn)狀開采量的基礎(chǔ)上減少30%是比較經(jīng)濟(jì)合理的選擇。

1.2.3 德城區(qū)地面沉降防治推薦方案

為控制德城區(qū)地面沉降速率，針對德城區(qū)地面沉降實際狀況，建議采用以下措施進(jìn)行治理[4-12]：

(1)減小開采量。根據(jù)德城區(qū)的沉降現(xiàn)狀，若只通過減少開采量來控制沉降，需減少現(xiàn)狀開采量的20%以上才會達(dá)到需要的控制效果。

(2)在沉降中心處定期回灌地下水。地下水的年回灌量需根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乇硭挥嗔縼泶_定，回灌的地下水需回灌到承壓層，才會對地面沉降的防控起到作用。

(3)調(diào)整開采層位。在資源條件允許的情況下，盡量開采淺層的地下水。根據(jù)德城區(qū)的地下水存儲狀況，可以將淺層的地下水每年開采300～400萬m3用于對水質(zhì)要求不高的綠化、消防和工業(yè)用水等，然后盡量減少深層地下水的開采。

(4)調(diào)整開采井和開采量的平面布局。為使開采井和開采量的調(diào)整更具有經(jīng)濟(jì)性和可行性，可以在德城區(qū)范圍內(nèi)重點控制沉降中心處的開采井井間間距，封停部分開采井，使沉降中心處的開采井不要過于密集。同時，盡量對開采量進(jìn)行調(diào)控，使開采量平均分布，減少沉降梯度。

(5)保持沉降中心至2020年年均沉降量不大于30mm，20mm，15mm，10mm，5mm，則在現(xiàn)狀開采井分布條件下，德城區(qū)地下水年總開采量不能大于2900.7萬m3，2270.8萬m3，2005.6萬m3，1761.9萬m3和1535.4萬m3。

1.3 地面沉降防治工作進(jìn)展

按照《全國地面沉降防治規(guī)劃(2011—2020年)》提出的“建立政府主導(dǎo)、部門協(xié)同、區(qū)域聯(lián)動、分級負(fù)責(zé)、齊抓共管的地面沉降防治工作管理體系”工作原則，山東省積極開展地面沉降防治管理體系建設(shè)工作。

(1)建立政府主導(dǎo)、分級負(fù)責(zé)的地面沉降防治責(zé)任制度。2014年3月，《山東省人民政府關(guān)于組織實施山東省地面沉降防治規(guī)劃(2012—2020年)的通知》，為各級各部門協(xié)同合作、科學(xué)部署地面沉降防治工作提供了政策支持和實施依據(jù)。近幾年山東省人民政府下發(fā)的年度《山東省地質(zhì)災(zāi)害防治方案》均對地面沉降、地裂縫等緩變性地質(zhì)災(zāi)害防治工作進(jìn)行了重點部署，明確了地方人民政府的地面沉降防治主體責(zé)任。

(2)形成部門協(xié)同，齊抓共管的地面沉降防治合作機(jī)制。省發(fā)改委、省財政廳、省國土資源廳、省水利廳、省政府法制辦、濟(jì)南鐵路局等多部門會商研討地面沉降防治工作。

(3)健全區(qū)域聯(lián)動、聯(lián)防聯(lián)控的地面沉降防治聯(lián)動機(jī)制。山東與北京、天津、河北、河南簽署了《華北平原地面沉降聯(lián)防聯(lián)控工作補(bǔ)充協(xié)議》，華北三省兩市通過開展標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、空間銜接、進(jìn)度協(xié)調(diào)的地面沉降調(diào)查、監(jiān)測和地下水壓采回灌等工作，同步聯(lián)手推進(jìn)地面沉降防治工作。

1.4 地面沉降控制區(qū)劃定工作進(jìn)展

根據(jù)《山東省人民政府關(guān)于印發(fā)山東省落實<水污染防治行動計劃>實施方案的通知》(魯政字〔2015〕31號)，山東省國土資源廳安排山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站開展了地面沉降控制區(qū)劃定工作。根據(jù)地面沉降發(fā)育程度、危害程度，將地面沉降發(fā)育程度分區(qū)和危害程度分區(qū)疊加，結(jié)合地面沉降控沉目標(biāo)、行政管理和決策需求，考慮人口密度、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r及災(zāi)害防御能力，按照突出重點，全面治理的原則，將全省地面沉降劃分為一級控制區(qū)、二級控制區(qū)和三級控制區(qū)，總面積約68169.6km2，其中一級控制區(qū)面積約2709.8km2，二級控制區(qū)面積約3313.6km2，三級控制區(qū)面積約62146.2km2。

2 存在的問題

2.1 地面沉降監(jiān)測工作相對薄弱

前期的地面沉降調(diào)查、監(jiān)測網(wǎng)覆蓋區(qū)域小，無法實現(xiàn)對全省地面沉降區(qū)的全面有效監(jiān)控。尚未建成深層基巖標(biāo)和自動化分層標(biāo)監(jiān)測體系，影響地面沉降重點區(qū)的微細(xì)觀研究。區(qū)域深層地下水監(jiān)測站網(wǎng)密度不足，難以準(zhǔn)確掌握地面沉降區(qū)的地下水動態(tài)變化。

2.2 地面沉降監(jiān)測設(shè)施閑置

根據(jù)調(diào)查，山東省東營、濱州、德州、濟(jì)寧已建設(shè)基巖標(biāo)5座，分層標(biāo)5組20個，除濟(jì)寧、東營配備了自動化監(jiān)測設(shè)備外，其他市受限于資金制約基巖標(biāo)分層標(biāo)均處于閑置狀態(tài)，造成了極大浪費。

2.3 地面沉降危害性認(rèn)識不到位

地面沉降、地裂縫等緩變性地質(zhì)災(zāi)害具有生成緩慢、持續(xù)時間長、影響范圍廣、現(xiàn)象不明顯等特點，因其造成的經(jīng)濟(jì)損失不明顯，地面沉降地區(qū)的政府和百姓對其危害性認(rèn)識不足，防控的責(zé)任心、重要性、緊迫性的認(rèn)識還有待提高[13-19]。

3 下一步工作計劃

3.1 全面實施控制區(qū)劃定方案

控制區(qū)劃定方案已由省政府批復(fù)并發(fā)布實施，部分地市編制了本級地面沉降控制區(qū)劃定方案，并由市政府批復(fù)實施。各級政府落實地質(zhì)災(zāi)害防治的主體責(zé)任，各級國土資源部門切實落實地質(zhì)災(zāi)害防治的部門職責(zé)，組織、協(xié)調(diào)、指導(dǎo)和監(jiān)督地面沉降監(jiān)測防治工作。依據(jù)控制區(qū)范圍劃定成果，水利部門編制了地面沉降區(qū)地下水壓采方案，制定地面沉降沉降區(qū)內(nèi)地下水的壓采目標(biāo)和壓采任務(wù)。

3.2 加快地面沉降監(jiān)測體系建設(shè)

山東省將繼續(xù)認(rèn)真落實《全國地面沉降防治規(guī)劃(2011—2020年)》，積極爭取資金支持，完善地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，加快基巖標(biāo)、分層標(biāo)監(jiān)測體系建設(shè)，建立山東省全方位、全天候、多維度和多網(wǎng)合一(雙全兩多)的地面沉降監(jiān)測體系，以滿足地面沉降微觀機(jī)理研究和控沉工作需求；加強(qiáng)地面沉降成生機(jī)理、監(jiān)測預(yù)警、風(fēng)險管理和防控體系建設(shè)。做好地面沉降監(jiān)測成果的分析研究和推廣應(yīng)用工作。

3.3 制定山東省地面沉降監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)體系

目前，山東省地面沉降監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)滯后，影響了山東省地面沉降監(jiān)測工作的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，今后應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)山東省地面沉降監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。