山西太原盆地地面沉降防控分區劃分評價

陳元明

(山西省地質環境監測中心,太原 030024)

山西從北到南依次有大同、忻州、太原、臨汾及運城五大盆地,整體呈“S”型串珠展布。五大盆地均有地面沉降發育,其中太原盆地沉降速率最大,范圍最廣,對區內的城市、重大工程等構筑物構成了威脅。

1 太原盆地地面沉降研究成果

針對太原盆地地面沉降成因研究成果頗多,主要有:①構造成因;②地下水超采成因;③松散層固結成因;④地面荷載增加成因;⑤綜合成因等。而縱觀整個太原盆地20世紀50年代地面沉降的時空發育特征,其活動與地下水超采關聯性最強。對于某個地點,沉降隨著第四系松散巖類孔隙水超采的加劇而加劇,減緩而減緩,甚至反彈。因此,科學合理的開采地下水是控制地面沉降最有效、最經濟的手段[1-3]。

但由于太原盆地第四系松散巖類含水層是本區最重要的供水水源,社會生產生活均大量采用,而替代水源匱乏,全面施行地下水禁采限采既不可行、也不科學。因此,劃定地面沉降控制分區,并據此指導地下水禁采限采工作意義重大。本文從地面沉降速率、發育程度、危害程度等角度進行分析,通過制定相應的劃分標準,進行太原盆地地面沉降控制分區的劃定。

2 太原盆地地面沉降災害概況

太原盆地地面沉降最早發生于20世紀50年代的太原市,隨著經濟發展,地下水開采不斷加強,80年代前后,晉中市榆次區也出現沉降, 90年代以來,地下水超采加劇,沉降從城區向外圍擴展,盆地區許多點狀沉降擴展成為大范圍沉降。

地面沉降造成了建筑物地基下沉、房屋開裂、地下管道破損、井管抬升、洪澇災害等一系列問題,并嚴重威脅著大西客運專線、規劃建設的太焦客運專線等生命干線工程,給當地的社會經濟帶來很大的損失及危害[4]。

3 太原盆地地面沉降評價

3.1 太原盆地地面沉降速率分區評價

依據中國地質調查局自然資源航空物探遙感中心提供的2016年度INSAR監測資料,重點地區輔以2016年度水準、GPS監測數據進行校核調整。沉降速率分區按<10 mm/a、10 mm/a～30 mm/a、30 mm/a～50 mm/a、50 mm/a～70 mm/a、>70 mm/a五個區段劃分。由于存在碎片化的沉降信息,在平衡信息準確表達與圖面美觀時,側重于信息準確表達,最大可能的保留基礎數據,即:面積≥0.5 km2圖斑保留,<0.5 km2圖斑合并。圖斑合并時,遵循優先就高一級的原則。據此,劃定的地面沉降速率評價分區見圖1。

圖1 太原盆地地面沉降速率分區圖Fig.1 Partition map of land subsidence rate in Taiyuan Basin

太原盆地存在4個主要地面沉降區:①太原市沉降區,主要分布在太原市晉源區、小店區,沉降中心(小店經濟區水準點)年沉降量達86.1 mm;②太原盆地西側山前沉降區,位于太原盆地西部邊界、呂梁山前一帶,涉及行政區域從清徐經過交城至文水,分布多個沉降中心,中心沉降速率大多超過70 mm/a;③榆次-清徐-太谷-祁縣沉降區,位于太原盆地中部偏東,分布多個沉降中心,中心沉降速率超過70 mm/a;④介休-孝義沉降區,位于太原盆地南端,沉降中心速率超過50 mm/a。

3.2 太原盆地地面沉降發育程度分區評價

根據太原盆地地面沉降活動速率情況,同時考慮到地下水禁采限采工作實際執行的難度,將地面沉降發育程度分為強、中、弱三個級別與非沉降區。沉降速率≥50 mm/a為強,30 mm/a～50 mm/a為中等,10 mm/a～30 mm/a為弱,<10 mm/a為非沉降區。據此,地面沉降發育程度評價分區見圖2。

圖2 太原盆地地面沉降發育程度分區圖Fig.2 Partition map of land subsidence development degree in Taiyuan Basin

太原盆地強發育區占比6.5%,主要分布在4個區域:①太原市小店區;②太原盆地西側山前,位于太原盆地西側呂梁山前一帶,斑狀、片狀的分布在清徐縣城、交城、文水一帶;③榆次-清徐-太谷-祁縣一帶連片分布,是太原盆地最大的一個強發育區;④介休-孝義沉降區,位于太原盆地南端。發育程度中等區,則主要位于上述四區的外圍,占比為17.7%。各發育程度分區面積如表1所示。

表1 太原盆地地面沉降發育程度分區統計Table 1 Statistics of Land subsidence development degree in Taiyuan Basin

3.3 太原盆地地面沉降危害程度分區評價

地面沉降造成構筑物基礎開裂,房屋破壞,威脅生命干線工程的安全運營,損壞輸水管線等。根據太原盆地土地或規劃功能類型,地面構筑物的分布情況,本文主要選取中心城區、重要城市規劃區、高速鐵路(客運專線)、地鐵、大水網、城市用地、飛機場(包括規劃機場)、高速公路、國家級鐵路、建設用地等作為本次地面沉降危害對象。

綜合考慮構筑物對地面沉降敏感度、重要程度進行危害程度分級,劃分為大、中、小三個級別。具體劃分標準如表2所示。

表2 地面沉降危害程度分級Table 2 Scale of land subsidence hazard degree

在危害程度評價劃分上,存在許多碎片區,在平衡信息準確表達與圖面美觀時,側重于信息準確表達,最大可能的保留基礎數據,即:①危害程度“大”區,圖斑面積絕大部分大于0.5 km2,極個別被盆地邊界切割成小碎片。面積≥0.5 km2圖斑保留,<0.5 km2圖斑合并。合并時,優先向高級別區合并；②危害程度“中等”區,被“大”區、盆地邊界切割,存在較多碎片區。合并原則同上；③危害程度“小”區，被“大”、“中”區以及盆地邊界切割,存在很多碎片區,碎片區常被“大”、“中”區包夾,為兼顧圖面整潔,考慮到地質災害危害性(從重考慮),所以面積≥1 km2圖斑保留,<1 km2圖斑合并。合并原則同上。據此,劃定的地面沉降危害程度評價分區見圖3。

圖3 太原盆地地面沉降危害程度分區圖Fig.3 Partition map of land subsidence hazard degree of Taiyuan Basin

太原盆地危害程度“大”區:①太原市及晉中市榆次區的城區及城市規劃區的大部分,呈片狀,位于盆地北部;②大西客運專線、太焦客運專線,呈帶狀,分布在盆地中部偏東;③機場(太原武宿國際機場、陽曲及孝義規劃機場),呈斑狀;④山西大水網及其骨干供水工程(包括規劃工程),盆地縱橫均有分布。太原盆地危害程度“大”區,占比為24.0%,危害程度“中等”區,占比為21.2%,“大”區超過了 “中等”區,且“大”與 “中等”區占比接近一半。

可見,太原盆地區內城市及城鎮區重大工程廣泛分布,易損性高,容易遭受地面沉降災害。各危害程度分區面積如表3所示。

表3 太原盆地地面沉降危害程度分區統計Table 3 Statistics of Land subsidence hazard degree in Taiyuan Basin

4 太原盆地地面沉降控制分區評價

綜合地面沉降發育程度分區和危害程度分區,考慮從重保護重大工程項目,考慮受災對象的易損性與重要程度,劃分地面沉降控制分區。地面沉降控制分區劃分為一級、二級、三級3個級別。具體的劃分標準如表4所示。

表4 地面沉降控制分區分級Table 4 Scale of land subsidence control partition

在具體評價過程中,考慮以下因素:①太原盆地地面沉降活動主要是由地下水開采主導,沉降多是較大范圍的,而極小范圍且短時間發生較大沉降主要是由于工程建設影響(地面荷載增加、基坑排水);②地面沉降控制分區要與地下水資源開采現狀、地下水資源開采規劃相銜接;③降速率小于10 mm/a的地區,地下水也有處于過度開發狀態,或接近零界狀態,地下水資源仍需合理開發、科學規劃,在地面沉降控制分區評價中,將<10 mm/a的地區,等同于地面沉降“弱”區來處理。

綜合上述因素,在控制區的劃分上,平衡信息準確表達與圖面美觀時,側重于圖面美觀。①一級控制分區:圖斑面積大多≥1.0 km2,少數介于0.5 km2～1.0 km2,個別被盆地邊界切割成小碎片<0.5 km2。≥1.0 km2圖斑保留,<1.0 km2圖斑合并,合并時,優先向高級別區合并;②二級控制分區:由于被一級控制分區、盆地邊界切割,存在較多碎片區，合并原則同上;③三級控制分區:由于被一級、二級區邊界以及盆地邊界切割,存在較多碎片區，合并原則同上。據此,地面沉降控制分區評價結果見圖4。

太原盆地地面沉降一級控制分區主要分布在:①太原市晉源區、小店區;②榆次-清徐-太谷-祁縣-平遙段大西客運專線、榆祁高速、規劃太焦客運專線沿線;③介休規劃機場及機場附近一帶的大水網。另外,在清徐、交城也有成斑點狀的分布。

太原盆地地面沉降二級控制分區主要分布在:①太原市、榆次區除一級控制分區剩余區域;②山西大水網,盆地區縱橫分布;③京昆高速、榆祁高速及大西客運專線除一級控制區的剩余區域。另外,在盆地區也有呈斑點狀的分布。各危害程度分區面積如表5所示。

一級控制分區占太原盆地面積6.0%,二級控制分區占比24.2%,三級控制分區占比69.8%。一級控制分區覆蓋了大西客運專線、規劃太焦客運專線、大水網、飛機場等重大工程,區域重要城市太原市、榆次區等中小城市位于沉降速率超過30 mm/a的區域,分區結果合理。

圖4 太原盆地地面沉降控制分區圖Fig.4 Partition map of land subsidence control in Taiyuan Basin

危害程度分區面積/km2百分比/% 大3756.0 中等1 50024.2 小4 32869.8 合計6 203100.0

一級控制分區面積占比較小,只要合理的利用地表、地下水資源,尤其是山西大水網工程調配的水資源,就有條件防控城市、重大工程等地面沉降敏感區的地面沉降災害,快速減輕甚至避免地面沉降地質災害[5]。

5 結論

1)太原盆地地面沉降活動速率與地下水超采關聯性強,對于某個地點,沉降隨著第四系松散巖類孔隙水超采的加劇而加劇,減緩而逐步減緩,甚至反彈。

2)本文通過制定相應的劃分標準,開展地面沉降發育程度分區評價、地面沉降危害程度分區評價,在此基礎上開展地面沉降控制分區評價。評價結果顯示,太原盆地一級控制分區占比6.0%,覆蓋了大西客運專線、規劃太焦客運專線、大水網、飛機場等重大工程以及區域重要城市太原市、榆次區等中小城市，位于沉降速率超過30 mm/a的區域,分區結果合理。

3)一級控制分區面積占比較小,只要合理的利用水資源,是有條件對地面沉降一級控制分區施行地下水禁采限采的。太原盆地地面沉降活動速率受控于地下水超采強度,嚴格執行地下水禁采限采措施,能快速減輕甚至避免主要城市、重大工程遭受地面沉降地質災害。

4)對于大西客運專線、規劃太焦客運專線等對地面沉降極為敏感的工程,是否與其他重要構筑物采用同一個評價標準,需要進一步開展災害調查、研究。