鄭州市地面沉降分布特征及機理研究

潘 登,王繼華,汪寶存,郭凌飛,楊巧玉

1.河南省地質環境監測院,河南 鄭州 450016

2.河南省地質環境保護重點實驗室,河南 鄭州 450016

3.河南省地質礦產勘查開發局測繪地理信息院,河南 鄭州 450006

鄭州市位于河南省中部，地勢西南高、東北低，平均海拔高度85～200 m，市區面積1001 km2。由于鄭州市地面沉降的研究起步較晚，2007 年郭新華等[1]，根據鄭州市內澇不斷加劇、自來水管道爆炸以及城市建（構）筑物使用功能降低等現象提出了鄭州市存在地面沉降現象，并建議開展地面沉降監測工作，2013 年汪寶存等[2]利用InSAR 技術揭示了鄭州市2004～2010 年的地面沉降分布特征，認為鄭州市存在5 個較大的地面沉降區域。2014 年席新海等[3]對京廣高鐵鄭州段存在的地面沉降進行分析并提出了相應的保護措施，詹學啟[4]等對鄭徐高鐵鄭州段地面沉降進行了預測分析。相關研究的開展初步揭示了鄭州市地面沉降分布特征，并且對地面沉降原因進行了初步分析，但是鄭州市地面沉降機理研究仍然比較欠缺，有必要進行深入研究，為鄭州市地面沉降防控工作提供理論支撐。

1 鄭州市地面沉降特征

1.1 地面沉降信息提取

聯合采用InSAR和水準測量獲取研究區的地面沉降信息，其中SAR數據為2012 年9月1 日～2013年9 年之間的17 景3 m 分辨率TerraSAR-X 數據，利用短基線干涉測量（SBAS）得到研究區的地面沉降速率圖。分別在2012 年9 月、2013 年9 月對研究區341 個水準進行二等水準測量，水準起算點位于鄭州市南部的梅山基巖水準點。利用水準監測結果對InSAR 解譯精度進行評價，發現InSAR解譯精度優于4 mm，表明InSAR 解譯具有較高的精度。考慮到InSAR 解譯的起算點并不在基巖上，利用水準點和附近InSAR 解譯的地面沉降值進行回歸分析，獲得水準測量和InSAR 解譯之間的偏差，將InSAR 解譯結果統一到基巖起算點上，然后制作研究區地面沉降分布圖[5]。

1.2 地面沉降分布特征

利用獲取的地面沉降分布圖，將地面沉降劃分為10～30 mm/a 為輕微區、30～50 mm/a 為較重區,大于50 mm/a 為嚴重區[6]，制作地面沉降分區圖（圖1），并統計其面積（表1），可以看出研究區普遍存在地面沉降現象，地面沉降大于10 mm/a 的面積為645.6 km2，占研究區總面積的63.9%；地面沉降大于30 mm/a 的較重區和嚴重區面積為105.0 km2，占研究區總面積的10.4%，集中分布在研究區的北部，呈現西北--東南橢圓形分布，總面積為88.4 km2，占總面積的84.2%。

表1 研究區地面沉降分區面積Table 1 Subarea of land subsidence

2 地面沉降機理及成因分析

2.1 地面沉降與地質背景的關系

利用GIS 面面相交功能，根據不同的地貌單元、不同的地層覆蓋以及構造控制條件下地面沉降的分布情況，來分析地面沉降與地貌、地層、構造之間的耦合關系。研究區地勢西南高東部低，大致以老鴉陳斷裂為界，西部是侵蝕堆積類型、東部是堆積類型（圖2）。研究區屬華北地層區-華北平原分區-開封小區。出漏地層以第四系為主，西南山區分布寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系及第三系（圖3）。由于研究區多被第四系地表覆蓋，其構造形跡呈現隱伏狀態，主要的斷裂構造有北西向、近東西向、北東向三組，老鴉陳斷層控制了研究區新近系和第四系的沉降，造成斷層東西兩側第四系厚度差200 m（圖4）。

圖1 地面沉降分區圖Fig.1 Subarea of land subsidence

圖2 地貌分布圖Fig.2 Distribution of landform

圖3 地層分布圖Fig.3 Distribution of stratum

根據表2 可以看出，在7 種地貌單位里面，沖積平原的地面沉降最為嚴重，地面沉降嚴重區、較重區、輕微區的面積分別為34.1 km2、56.1 km2、150.3 km2,分別占到分區總面積的97.8%、80.0%、27.8%。根據表3 可以看出，在8 中地層類型里面，全新統中段沖積層地面沉降最為嚴重，地面沉降嚴重區、較重區、輕微區的面積分別為33.7 km2、54.31 km2、151.0 km2,分別占到分區總面積的96.6%、77.4%、27.9%。根據表4 可以看出老鴨陳斷裂以東地面沉降更為嚴重，地面沉降嚴重區、較重區、輕微區的面積分別為34.1 km2、56.1 km2、150.3 km2,分別占到分區總面積的81.7%、63.8%、57.7%。

表2 不同地面類型地面沉降分區面積Table 2 Subarea of land subsidence under different geomorphological types

表3 同地層類型地面沉降分區面積Table 3 Subarea of land subsidence under same stratigraphic type

表4 老鴨陳斷層兩側地面沉降分區面積Table 4 Subarea of land subsidence of Laoyachen fault

2.2 地面沉降與地下水之間的關系

研究區地下水開采包括淺層、中深層、深層及超深層地下水，均屬多層開采。2010～2013 年，鄭州市總供水量2.4～3.1 億m3，地下水開采占總供水比例的29%～37%，中深層地下水是其主要地下水開采層，開采量約占地下水總供水量的45%[7]。鄭州市地下水由于多年的集中、強力開采，目前已形成了淺、中深、深層及超深層水的降落漏斗。從歷年觀測資料看，自七十年代以來，地下水水位基本處于下降狀態，淺層及中深層地下水均形成降落漏斗，并呈逐漸擴大趨勢。2002 年以來，由于逐步實行自備井封井壓采措施，自備井開采量有所減少，但城中村地下水開采量增加，地下水降落漏斗仍在緩慢擴大。據2013 年4 月份資料[8]，淺層地下水降落漏斗面積為117.74 km2，漏斗中心水位埋深32.18 m；中深層地下水漏斗面積達249.20 km2，漏斗中心水位埋深為68.65 m。

2013 年度鄭州市中深層地下水等水壓線圖與鄭州市2012～2013 年地面沉降分布圖對比具體表現：（1）主要地面沉降區與地下水位下降區在空間分布基本相符，均位于鄭州市中北部地區（圖1）。該區位除部分自備井開采外，尚分布有老鴉陳、廟李、陳寨、沙門、柳林等城中村，外來人口30 余萬，地下水開采集中，開采量較大；（2）地面沉降漏斗中心與地下水降落漏斗中心基本相符。（3）地面沉降量與地下水水位變化同步（圖5）。地下水水位漏斗中心位于農業路鐵道警官高等專科學校，2013 年4 月較2011 年4 月水位降達到10.08 m，年下降速率為5.40 m。證明地下水過量開采是研究區地面沉降的主要成因。

圖5 I-I′剖面地面沉降量與地下水水位關系圖Fig.5 Relationship between land subsidence amount of I-I′profile and groundwater level

3 結論

（1）聯合采用InSAR 和水準測量兩種技術獲取了研究區2012～2013 年地面沉降分布圖，發現地面沉降大于30 mm/a 的較重區和嚴重區面積為105.0 km2，集中分布在研究區的北部，呈現西北--東南橢圓形分布，總面積為88.4 km2。

（2）在研究區7 種地貌單位里面，沖積平原的地面沉降最為嚴重，地面沉降嚴重區、較重區、輕微區的面積分別占到分區總面積的97.8%、80.0%、27.8%；在8 中地層類型里面，全新統中段沖積層地面沉降最為嚴重，地面沉降嚴重區、較重區、輕微區的面積分別占到分區總面積的96.6%、77.4%、27.9%；老鴨陳斷裂以東地面沉降更為嚴重，地面沉降嚴重區、較重區、輕微區的面積分別占到分區總面積的81.7%、63.8%、57.7%。

（3）中深層地下水是研究區的主要開采層，2011～2013 年中深層地下水降落漏斗在緩慢擴大，主要地面沉降區與地下水位下降區在空間分布基本相符，地面沉降漏斗中心與地下水降落漏斗中心基本相符，地面沉降量與地下水水位變化同步，地下水過量開采是研究區地面沉降的主要成因。