甘肅省地下水超采區地面沉降控制區判定方法和結果探討

李 平 平

(甘肅省地質環境監測院，甘肅省地下水工程及地熱資源重點實驗室，甘肅省環境地質與災害防治工程技術研究中心,蘭州 730050)

地面沉降現象在世界范圍內普遍存在，作為一種“緩變地質災害”，具有成災慢、持續時間長、影響范圍廣等特點[1,2]。眾多研究結果表明：地下水資源的超量開采是誘發區域地面沉降的主要原因[3-5]。甘肅省水資源短缺，地下水作為地表水的補充，由于水量穩定，水質好，是河西地區農業灌溉、工礦和城市的重要水源之一，近年來，地下水開發利用比重呈不斷上升態勢。受經濟發展和地質條件的制約，甘肅省地下水超采區多處于人類工程活動強烈，人口相對集中，經濟相對發達地區，具體多為城市集中供水水源地和以地下水為主要灌溉水源的農業灌溉區，具有規模小而分散的特點。

甘肅省共有規模以上機電井51 845 眼，取水量32.54 億m3，占總供水量129.12 億m3的25.65%。地下水用水結構中，居民生活用水、工業用水、農業灌溉用水分別占全省地下水用水總量的7.19%、4.85%、84.94%，其他用水占3.02%。全省204個集中式供水水源地中地下水水源地占80個，占總數的39.2%。

在甘肅省已公布地下水超采區中，淺層地下水和深層承壓水全省共劃分出地下水超采區47個，主要分布在河西走廊平原區綠洲、黃河流域河谷川地及黃土臺塬區，超采面積16 395.21 km2；嚴重超采區4個，分別位于民勤縣、榆中縣、定西市安定區和白銀市平川區，在嚴重超采區中劃定禁采區1個，位于民勤縣湖區灌區，面積301.40 km2；一般超采區43個，其中河西內陸河流域27個，黃河流域16個；全省地下水超采區可開采量11.29 億m3，實際開采17.88 億m3，超采 6.58 億m3[6]。

1 開采區地下水類型及補給、徑流、排泄條件

地貌上甘肅省地處內蒙古高原、黃土高原和青藏高原的交匯地帶，甘肅省地形復雜，地貌形態多樣，山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁齊全，交錯分布，地勢自西南向東北傾斜。受區域氣候、水文、地質、地貌等控制，研究區水文地質條件表現出地區性差異，按含水介質性質劃分，開采區地下水類型均為第四系松散巖類孔隙水。

河西走廊開采區地下水類型主要為中下游盆地內的第四系松散巖類潛水-承壓水[7,8]。在南部祁連山區，地下水接受大氣降水(降雨、冰雪融水)的入滲補給，出山前絕大部分排泄于河(溝)谷而轉化為河水；進入走廊平原的南部盆地，河水在洪積扇群帶大量滲漏轉化為地下水，至扇緣及細土平原地下水又呈泉水溢出地表而轉化為河水；河水通過連接南、北盆地間的溝谷進入北部盆地，在洪積扇形地再度滲漏轉化為地下水，至北部湖積平原水位淺埋區全部蒸發殆盡，從而形成一個完整的水循環過程(圖1)。

圖1 河西走廊地下水與河水相互轉化示意圖 [9]Fig.1 Shows the schematic diagram of groundwater and river water in hexi corridor

隴中地區大部分地段降水量為300～500 mm/a，賦存于現代河(溝)谷第四系沖積層中的潛水是城市可供利用的最主要的地下水類型。大氣降水和河流地表水的徑流入滲是地下水的主要補給來源，且地表水與地下水水利聯系密切，表現為在山間溝谷地帶地表水補給地下水，而經過峽谷時地下水補給河水；地下水大致沿河流流向自上游向下游徑流；主要以人工開采、蒸發及側向徑流的方式排泄。

隴東黃土塬開采區地下水類型主要為黃土孔隙裂隙潛水。董志塬以南的黃土塬區含水層為中更新統離石黃土[10]，以北的黃土塬區含水層為中下更新統離石黃土和午城黃土；含水層巖性為粉質黏土和礫石層，厚度由塬中心大于60～70 m漸變至塬邊緣的小于10～20 m。地下水唯一補給來源是大氣降水入滲；地下水自黃土塬中心向塬四周深切的溝谷徑流；主要以泉水溢出、人工開采的方式排泄(圖2)。

1-馬蘭黃土；2-離石黃土；3-午城黃土；4-三趾馬紅土；5-砂巖；6-砂礫巖；7-亞砂土；8-潛水面；9-泉圖2 董志塬黃土潛水補給、徑流、排泄條件示意圖 [11]Fig.2 Schematic diagram of water supply, runoff and drainage conditions of dong zhi-yuan

2 地面沉降控制區范圍劃定方法

地面沉降控制區范圍劃定是在地下水超采區進行現場地面沉降專項調查和訪問的基礎上，依據調查訪問結果，推算歷史累計沉降量，對照地面沉降區劃分標準(表1)，將中心區累計沉降量小于50 mm區域劃定為非地面沉降區；將累計沉降量大于等于50 mm的區域劃定為地面沉降區。在未調查到地面累計沉降量的情況下，首先采用了水文地質比擬法來確定地面沉降區，而后根據含水層厚度、層數、巖性對地面沉降易發性進行評價，含水層巖性為礫卵石的劃分為非地面沉降區，含水層巖性為砂的劃分為地面沉降區；最后根據地面沉降發育程度和危害程度及國家有關部門地面沉降區地下水壓采方案編制技術要求[12]綜合確定地面沉降控制級別。地面沉降區的命名采用縣級或以上行政區+沉降中心鄉鎮+發育程度的方式命名。地下水地面沉降區及地面沉降控制區劃分技術路線見圖3。

表1 地面沉降易發性評價表Tab.1 Surface settlement vulnerability evaluation table

圖3 地下水地面沉降區及地面沉降控制區劃分技術路線圖Fig.3 The technical road map of ground subsidence area and ground settlement control area

3 地面沉降區范圍劃定

地下水超采區可分為河西內陸河沖積平原區、隴西黃土高原河谷盆地區和隴東黃土塬區3種類型。

3.1 地下水超采區地面沉降易發性評價

地面沉降易發性由含水層厚度來評價，含水層為軟土層厚度大于10 m判定為易發區，含水層為松散層厚度大于50 m判定為易發區，其余都判定為不易發區。

河西內陸河沖積平原區的地下水超采區可分為兩類，一類地處戈壁區的地下水超采區，其含水層主要為卵礫石層，且厚度比較大，評價結果除嘉峪關市淺層小型一般超采區地面沉降易發性為低易發外，其余均為高易發；另一類地處細土平原區的地下水超采區，其含水層主要為粉細砂-中砂等細粒物質，含水層厚度大，評價結果均為地面沉降高易發區。

隴中黃土高原河谷盆地區的地下水超采區，其地下水含水層主要為卵礫石層，且含水層厚度都不大，除在涇河河谷松散層厚度局部達到40 m外，其余均在3～30 m之間，由于各河谷盆地松散層厚度均小于50 m，地面沉降易發性評價結果均為不易發。

隴東黃土塬區即指慶陽董志塬區，包括慶陽西峰董志塬和寧縣和盛和慶城縣3個地下水超采區，其含水層為黃土，且黃土厚度較大，均在100～150 m之間，評價結果均為中易發。

3.2 地下水超采區地面沉降區劃定

地下水超采區是否劃為地面沉降區，采用各地下水超采區地面沉降易發性和地下水儲存介質類型綜合判定。

河西內陸河沖積戈壁區的地下水超采區，其含水層主要為礫石層，地面沉降易發性評價結果為高易發，綜合水文地質條件，該類地下水超采區均不劃入地面沉降區；地處細土平原區的地下水超采區，其含水層主要為粉細砂-中砂等細粒物質，地面沉降易發性評價結果為地面沉降高易發區，綜合水文地質條件，該類地下水超采區劃定為地面沉降區。

隴中黃土高原河谷盆地區的地下水超采區，其地下水含水層主要為卵礫石層，地面沉降易發性評價結果均為不易發，綜合判定后認為，該類地下水超采區均不劃入地面沉降區。

隴東黃土塬區的3個地下水超采區，其含水層為黃土，含水層厚度較大，地面沉降易發性評價結果均為中易發，綜合水文地質條件，該類地下水超采區劃定為地面沉降區。

綜合以上地下水超采區，采用地面沉降易發性結合水文地質比擬法劃定的地下水沉降區結果見表2。

4 地面沉降控制區劃分

4.1 地面沉降區發育程度分區

地面沉降發育程度分區按照地面沉降監測資料，按近5年累計沉降量大小或者平均沉降速率大小進行分區。在甘肅省沒有地面沉降監測資料的情況下，采用地面沉降專項調查資料，結合水文地質條件，并參考河北省相關成果，采用水文地質比擬法劃分。

河北省是我國地面沉降災害最為發育的省份，在1985年就已開始進行地面沉降監測工作，積累了豐富的地面沉降監測資料，根據收集的地面沉降控制區劃定資料，其嚴重超采區形成的降落漏斗中心區，30年來地下水位累計下降達到100 m，累計沉降量達到甚至超過3.0 m，在累計地下水位下降超過60 m的地方，其累計地面沉降量也已達到或超過2.0 m，據此推算出其地下水位每下降10 m，每年的地面沉降速率為1.0～1.1 cm/a，類比后認為大厚度細顆粒含水層地下水位下降10 m，近30年來的累計地面沉降量達到0.30～0.33 m，則平均沉降速率為10～11 mm/a,剛達到地面沉降控制區劃定的界限值。甘肅省地下水位累計下降均小于20 m，意味著本次劃定的地面沉降區平均沉降速率均小于22 mm/a，則甘肅省地下水超采區地面沉降發育程度均為弱。

表2 地面沉降區范圍劃定成果表Tab.2 The scope of land subsidence area shall be demarcated

4.2 地面沉降區危害程度分區

甘肅省地面沉降區多為農業灌溉區，僅個別沉降區包含城區或其規劃區，地面沉降危害程度按照地面沉降區土地使用和規劃功能進行劃分，均為危害程度中等或小。

4.3 地面沉降控制區分級

將地面沉降發育程度分區和危害程度分區進行疊加，按照地面沉降控制分區分級表進行分級(表3)，則甘肅省地面沉降控制區分級結果均為三級。

表3 地面沉降控制區分級表Tab.3 Classification table of ground subsidence control area

4.4 地面沉降區控制區命名

前已述及，由于甘肅省劃定的地面沉降控制區其地面沉降發育程度均為弱，依據地面沉降區名稱命名規則，對甘肅省地下水超采區地面沉降控制區進行命名(表4)。

表4 地面沉降控制區一覽表Tab.4 List of ground settlement control area

5 結 語

在甘肅省已公布地下水超采區中，淺層地下水和深層承壓水全省共劃分出地下水超采區47個，其中嚴重超采區4個和一般超采區43個，在嚴重超采區中劃定禁采區1個。

由于甘肅省已公布的47個地下水超采區中沒有開展地下水超采區地面沉降監測工作，缺乏地面沉降監測數據，也未發現地面沉降現象。故本次工作主要依據甘肅省30多年來地下水位監測數據，結合地下水超采區地下水含水層厚度、巖性和地面沉降易發性評價表，采用水文地質條件比擬法劃定了酒泉市玉門花海、酒泉市瓜州縣等16個地下水地面沉降控制區，并進行了地面沉降控制區分級和命名，結果均為三級控制區。可初步作為甘肅省地面沉降控制區范圍，以便為制定地面沉降控制區地下水壓采方案提供依據。

沒有地下水超采區地面沉降監測資料支撐的情況下，采用水文地質比擬法劃定，結果比較粗略，建議有關部門盡快在地下水超采區劃定的地面沉降區開展地面沉降監測工作。