濟(jì)南市地面沉降調(diào)查監(jiān)測(cè)與防治工作進(jìn)展

亓協(xié)全,張強(qiáng),袁超,孟祥鑫

(中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 濟(jì)南 250013)

地面沉降是因自然因素和人為活動(dòng)引發(fā)松散地層壓縮所導(dǎo)致的地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象[1]。它是一種緩變性的地質(zhì)災(zāi)害[2]，不易被察覺，一旦釀成嚴(yán)重后果又難以補(bǔ)救，其具有形成時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、防治難度大、難以恢復(fù)等特點(diǎn)。地面沉降現(xiàn)已成為影響我國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。濟(jì)南市北部地處華北平原地面沉降區(qū)的東南邊緣，受區(qū)內(nèi)及區(qū)域地下水的開采影響，局部已產(chǎn)生地下水降落漏斗，引發(fā)了地面沉降現(xiàn)象。

1 地質(zhì)背景條件

1.1 地形地貌

濟(jì)南市北部地區(qū)地處黃河下游沖積平原及山前沖洪積平原區(qū)，地勢(shì)平坦，地勢(shì)南高北低，西高東低，自西南向東北緩傾斜，海拔高度10.7～55.6m，地面坡降5/10000左右。

1.2 地層巖性

濟(jì)南地區(qū)在區(qū)域上屬華北-柴達(dá)木地層大區(qū)華北地層區(qū)，齊廣斷裂以南屬魯西地層分區(qū)，齊廣斷裂以北屬華北平原地層分區(qū)。地層從老至新依次為新太古代泰山巖群、古生代寒武系、奧陶系、二疊系；中生代白堊系；新生代古近系、新近系、第四系。濟(jì)南北部黃河沖積平原區(qū)和山前沖積平原區(qū)是地面沉降工作的重點(diǎn)區(qū)域。

區(qū)內(nèi)均被第四系沉積物覆蓋，自新生代以來，受差異性升降運(yùn)動(dòng)的影響，一直緩慢下沉，沉積了巨厚的新生代地層。區(qū)內(nèi)自上向下依次分布第四紀(jì)黃河組、黑土湖組和平原組；新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組、館陶組；古近紀(jì)東營(yíng)組、沙河街組、孔店組[3]。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

表1 濟(jì)南市北部平原區(qū)大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐?/p>

1.4 水文地質(zhì)條件

1.4.1 水文地質(zhì)概況

工作區(qū)縱跨黃河沖積平原孔隙水水文地質(zhì)區(qū)和山前沖洪積平原孔隙水水文地質(zhì)區(qū)[4]，區(qū)內(nèi)以賦存松散巖類孔隙水為主[5],依孔隙水埋藏深度、承壓性的不同又可分為淺層潛-微承壓水、中層承壓水和深層承壓水，該次研究的重點(diǎn)為深層地下水。

深層地下水頂界面埋深200～300m，含水層巖性上部以粉細(xì)砂為主，下部多以中細(xì)砂及中粗砂為主，單井涌水量一般在500～1000m3/d。含水層單層厚度、水位埋深在黃河以南、以北有所差異：黃河以北含水層單層厚度3～8m，總厚度介于10～60m之間，水位埋深一般介于30～60m之間，水位標(biāo)高總體呈東高西低的特點(diǎn)；黃河以南含水層單層厚度一般2～3m，總厚度一般小于10m，水位埋深一般介于15～25m。受區(qū)域地下水降落漏斗及區(qū)內(nèi)廠礦企業(yè)自備井開采的影響，水位呈下降趨勢(shì)(圖1)，年降幅1～2m之間[注]中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東省濟(jì)南市北跨區(qū)地面沉降調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告，2015年。。

圖1 濟(jì)南北部深層地下水多年動(dòng)態(tài)曲線圖

區(qū)內(nèi)深層地下水與淺層地下水之間水力聯(lián)系弱，不接受大氣降水和地表水補(bǔ)給，其主要補(bǔ)給源是遠(yuǎn)距離的徑流補(bǔ)給，補(bǔ)給途徑長(zhǎng)，水力坡度小，徑流遲緩，屬消耗型水源，以人工開采為主要排泄方式。

1.4.2 地下水開采現(xiàn)狀

目前區(qū)內(nèi)以開采淺層地下水為主，開采深層地下水為輔，主要為農(nóng)業(yè)灌溉和部分城鎮(zhèn)生活用水，其次為工礦企業(yè)和畜牧業(yè)用水。根據(jù)調(diào)查、收集資料統(tǒng)計(jì)：濟(jì)南市黃河北地區(qū)2015年地下水開采量約為9418.17萬m3，其中淺層水開采量為9277.17萬m3，深層水開采量為141.0萬m3。而工作區(qū)西側(cè)鄰區(qū)深層地下水開采量2304.6萬m3(2015年度臨邑縣、平原縣、禹城市總開采量)，遠(yuǎn)大于區(qū)內(nèi)，這也是區(qū)內(nèi)北部深層地下水降落漏斗開口向西，位于區(qū)域降落漏斗東部邊緣的一個(gè)重要原因。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，黃河以南平原區(qū)(章丘北部)2016年中深層孔隙水開采量2382萬m3，其中：化工工業(yè)園工業(yè)用水開采量達(dá)1730萬m3，農(nóng)村自備井開采量427萬m3，水源地開采量225萬m3。區(qū)內(nèi)中深層地下水以工業(yè)開采為主，占總開采量的73%，農(nóng)村自備井開采次之，占總開采量的18%，水源地開采占總開采量的9%。

1.4.3 地下水降落漏斗分布及成因分析

根據(jù)調(diào)查資料，區(qū)內(nèi)中深層地下水降落漏斗主要有3處，分別位于商河城區(qū)西南—賈莊鎮(zhèn)一帶(Ⅰ號(hào))、章丘高官寨曹家水廠一帶(Ⅱ號(hào))和章丘水寨—辛寨一帶(Ⅲ號(hào))(圖2)。

圖2 地面沉降條件區(qū)深層地下水降落漏斗分布圖

Ⅰ號(hào)降落漏斗位于商河縣城的西南部，漏斗中心位于商河縣許商街道東八里村至賈莊鎮(zhèn)姜范村一帶[注]中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東省濟(jì)南市濟(jì)陽-商河地區(qū)地面沉降調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告,2016年。，枯水期由-35m標(biāo)高圈閉的漏斗面積達(dá)到119.29km2，漏斗中心水位埋深達(dá)到58.94m(2016.05.28)，降落漏斗呈開口向西的簸箕狀，說明該降落漏斗位于區(qū)域降落漏斗的東部邊緣。區(qū)域深層地下水的超采是造成該降落漏斗的一個(gè)重要因素，另外，區(qū)內(nèi)企事業(yè)單位自備井開采是造成區(qū)內(nèi)水位下降的另一個(gè)因素。

Ⅱ號(hào)降落漏斗位于遙墻東北—高官寨西南的曹家水廠一帶[注]中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院,山東省濟(jì)南市黃河以南黃河沖積平原區(qū)地面沉降調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告,2018年。，漏斗中心位于曹家水廠，枯水期由+4m標(biāo)高圈閉的降落漏斗呈NE-SW向的橢圓狀，漏斗面積33.85km2，漏斗中心水位標(biāo)高-4.54m(2017.6.11)。該處降落漏斗主要為曹家水廠開采中深層孔隙水所致，曹家水廠目前給濟(jì)南遙墻國(guó)際機(jī)場(chǎng)和17個(gè)村莊供水，日供水量550m3左右。

Ⅲ號(hào)降落漏斗位于章丘水寨—辛寨一帶，漏斗中心位于水寨苑李水廠—化工工業(yè)園—新寨一帶，枯水期由-4m圈閉的降落漏斗呈近EW向橢圓狀，面積72.92km2，漏斗中心位于苑李水廠，水位標(biāo)高為-20.56m(2017.6.11)。該降落漏斗產(chǎn)生的原因主要為苑李水廠、化工工業(yè)園自備井機(jī)及刁鎮(zhèn)—辛寨水廠開采引起。

1.5 工程地質(zhì)概況

濟(jì)南北部廣泛分布黃河沖積物，巖性以粉土、粉質(zhì)粘土及粉細(xì)砂等，上部地層松散、欠固結(jié)，物理力學(xué)性質(zhì)差，承載力較低。區(qū)內(nèi)500m以上的地層共劃分為24個(gè)工程地質(zhì)層，其中11個(gè)壓縮層、13個(gè)含水層。200m以淺壓縮層多具中壓縮性，局部分布高壓縮性土層，200～500m壓縮層具低壓縮性。

2 地面沉降調(diào)查與防治工作進(jìn)展

2014—2018年濟(jì)南市累計(jì)投入1700余萬元，先后安排實(shí)施了濟(jì)南市北跨區(qū)地面沉降調(diào)查評(píng)價(jià)、濟(jì)南-商河地區(qū)地面沉降調(diào)查評(píng)價(jià)、濟(jì)南市黃河以南黃河沖積平原區(qū)地面沉降調(diào)查評(píng)價(jià)、濟(jì)南市黃河北地區(qū)地面沉降分層標(biāo)建設(shè)、濟(jì)南市地面沉降防治規(guī)劃和濟(jì)南市黃河北地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)等6個(gè)地面沉降調(diào)查評(píng)價(jià)及規(guī)劃防治項(xiàng)目，累計(jì)開展1∶5萬專項(xiàng)調(diào)查6962km2、基巖點(diǎn)建設(shè)1組、地面沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)石建設(shè)211個(gè)、GPS監(jiān)測(cè)墩建設(shè)2個(gè)、GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)建設(shè)6個(gè)、分層標(biāo)建設(shè)1組、水文工程地質(zhì)鉆探3227.74m、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)孔建設(shè)5組、二等水準(zhǔn)測(cè)量4588.38km、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)2848點(diǎn)次、水位統(tǒng)測(cè)281點(diǎn)次、土工試驗(yàn)410件、鉆孔編錄3227.74m、水質(zhì)全分析20件(表2)。通過以上一系列工作，建立了濟(jì)南市地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(圖3)，取得了地面沉降監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了濟(jì)南市地面沉降工作的空白，為今后濟(jì)南市地面沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警體系的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

表2 濟(jì)南市地面沉降調(diào)查與防治工作量

1—水準(zhǔn)測(cè)量起算點(diǎn)位置及編號(hào)；2—沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)石位置；3—二等水準(zhǔn)測(cè)量線路位置；4—鉆孔位置及編號(hào)；5—地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)孔位置；6—GPS監(jiān)測(cè)墩位置及編號(hào)；7—GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及編號(hào)；8—分層標(biāo)建設(shè)位置圖3 濟(jì)南市地面沉降監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)分布圖

3 地面沉降概況

濟(jì)南市北部地區(qū)位于華北平原地面沉降區(qū)的東南邊緣，根據(jù)山東省北部平原區(qū)InSAR監(jiān)測(cè)地面沉降速率圖(2008年1月—2010年10月)和魯北地面累積沉降量圖(2015—2017年)可知：在濟(jì)南市商河縣城南部及以西地區(qū)、章丘區(qū)水寨鎮(zhèn)東側(cè)化工工業(yè)園附近和天橋區(qū)桑梓店鎮(zhèn)西側(cè)濟(jì)南新材料產(chǎn)業(yè)園附近已經(jīng)出現(xiàn)了地面沉降現(xiàn)象。

根據(jù)2016年5月對(duì) 2005年5月建設(shè)的商河縣城南部的國(guó)家GPS點(diǎn)的復(fù)測(cè)，該點(diǎn)建設(shè)11年累計(jì)下降113mm，年平均沉降速率為10.27mm/a；2017年3月對(duì)2005年建設(shè)的水寨鎮(zhèn)GPS點(diǎn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)：該點(diǎn)時(shí)隔12年高程下降223.2mm，年平均沉降速率達(dá)18.6mm/a；2017年11月通過對(duì)2015年6月建設(shè)的位于濟(jì)南新材料化工工業(yè)園區(qū)周邊的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)隔2年5個(gè)月均有不同程度下降，下降值分別為17.0mm、72.8mm、41.7mm和39.4mm，年均沉降速率6.8～29.12mm。以上數(shù)據(jù)證實(shí)，濟(jì)南市商河縣城南部及以西地區(qū)、章丘區(qū)化工工業(yè)園區(qū)附近和天橋區(qū)濟(jì)南新材料化工工業(yè)園附近已經(jīng)產(chǎn)生地面沉降。

4 地面沉降影響因素

影響濟(jì)南市地面沉降的因素有2種：自然因素和人為因素[6]。自然因素包括構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地震；人為因素包括：地下水、地?zé)帷⒂蜌忾_采、城市建設(shè)[7-8]等。

根據(jù)資料研究顯示：區(qū)內(nèi)由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的地面下沉速率在2～3mm/a之間(圖4)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地面沉降影響較輕；自1620年以來濟(jì)南市及周邊未發(fā)生過大的地震，僅發(fā)生過幾次3.0級(jí)左右地震，震級(jí)較低，對(duì)地面沉降影響較輕。由此說明，自然因素不是引起區(qū)內(nèi)地面沉降的主要因素。

1—正速率曲線；2—負(fù)速率曲線；3—速率單位；圖4 華北地區(qū)垂直形變速率圖(1951—1987)[9]

根據(jù)前期調(diào)查研究，區(qū)域及區(qū)內(nèi)深層地下水的超量開采是引發(fā)商河地區(qū)地面沉降的主要因素，地?zé)岷陀蜌忾_采[10]是次要因素；水源地開采和工業(yè)園區(qū)自備井開采是引發(fā)章丘區(qū)化工工業(yè)園區(qū)附近和天橋區(qū)濟(jì)南新材料化工工業(yè)園附近地面沉降主要因素。區(qū)內(nèi)地面沉降范圍與深層地下水降落漏斗分布范圍具有一致性[11-12]。

另外，城鎮(zhèn)建筑群等工程大面積地面荷載對(duì)地面沉降也存在一定影響，該影響主要集中在城鎮(zhèn)分布區(qū)。

5 結(jié)論

地面沉降監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期堅(jiān)持的公益性地質(zhì)工作，是城市、水利、交通發(fā)展建設(shè)規(guī)劃、社會(huì)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。濟(jì)南市雖建立了以地面沉降監(jiān)測(cè)標(biāo)石為主的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并取得了地面沉降基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為今后地面沉降的監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。但由于監(jiān)測(cè)時(shí)間較短、尚未形成行之有效的地面沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。今后應(yīng)加強(qiáng)該地區(qū)地面沉降機(jī)理研究，建立健全地面沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警體系和地面沉降綜合防治長(zhǎng)效機(jī)制，為濟(jì)南市和新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換先行區(qū)的進(jìn)一步規(guī)劃、總體建設(shè)提供科學(xué)、準(zhǔn)確的地面沉降基礎(chǔ)資料，對(duì)濟(jì)南市構(gòu)建國(guó)家開放型經(jīng)濟(jì)新體制示范城市，提高省會(huì)城市首位度具有重要意義。