浅谈地下水开采对地面沉降影响及防治措施

2012-08-15许青松

河南水利与南水北调 2012年8期

□周洋 □许猛 □许青松 □刘恒

（河南省商丘市水文水资源勘测局）

1.地面沉降概述

地面沉降是在自然条件和人为因素作用下，由于地壳表层土压缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象。地面沉降又是一种缓慢的地基压缩变形过程，这种现象常发生在那些新近沉积的正在发生固结的地方。地面沉降是一种广泛的地质灾害，不仅对地面设施产生很大的破坏作用，而且也会使地下环境发生变化，给工业生产、城市建设和人们生活带来巨大的影响。地面沉降伴随着地下水的开采而产生、伴随着地下水位的变化而变化、伴随着开采量的增加或减少而发展或减缓。地面沉降的漏斗与地下水位下降漏斗基本一致，发生地面沉降的层位与各含水组的开采量相对应，其次新构造运动、地震、工程建筑的施工降水及荷重等对沉降也产生一定的影响，但主要是开采地下水所致。因此如何正确认识地表沉降发生机理，描述地下水渗流，确立地面沉降模型，并以此来预测地下水可开采量及地面沉降量，这对控制地面沉降的发展至关重要。

2.地表沉降损害发生机理

地表沉降损害应该根据地下水所处的地层层位、载体物性、载体厚度、抽排方式和沉陷损害类型进行分析。地下水开采对地表沉陷损害的作用可以归结为地下水开采后地层有效应力增大、含水层浮托力减小以及渗透力的作用。目前，普遍采用地下水开采有效应力的变化原理解释地表沉降的发生机制。含水地层强度土层的预固结应力是指黏性土层在地质历史过程迄今所承受的最大有效应力，这是衡量一个地区某一土层固结情况的尺度。

根据土力学，把土层的预固结应力值与土层现今的自重应力比较，可分出欠固结、正常固结和超固结3种。对于前两种，尤其是欠固结状态有利于地表沉降损害的发生，因为处于这两种状态的土层在地下水开采后，地下水失去了对土空隙的占据，也失去了对上覆土层的支撑，使地层有效应力增大，从而产生渗透固结和荷载固结，尤其是渗透固结对地表沉降所起的作用较大。对于具超固结应力的土层，只有在承压水位下降，并使土层中产生新的孔隙水压力时，才有可能出现地表沉降。对于基岩中的地下水，由于基岩强度相对很大，所以基岩内地下水流失对上覆岩层以及地表的沉陷影响很小。

上述分析得出，引起地表沉陷的地下水一般产生于松散或半固结状态的、强度相对较弱的新生代沉积结构模式环境中，尤其是那些未固结状态的土层。也就是说，深层基岩地下水的开采造成的地表沉陷极小，在未导致浅层新生代地下水大量流失的条件下，一般可不考虑基岩地下水引起的地表沉陷，而浅层新生代地下水的开采对地表沉陷的影响很大，是地表沉陷的主导因素。含水层浮托力减小和渗透力这两个因素对开采地下承压水造成地表沉陷有一定的影响。在抽取地下承压含水层中的地下水时，会使承压水头压力降低，减小含水层浮托力，引起土骨架之间有效应力增加，使骨架孔隙压缩。加之，地下水渗透力的作用，造成含水层周围的地下水运移释水，从而形成地下较大范围的“压缩层”导致地表沉降。但相对地说这两个因素，对于非承压的浅层厚新生代地下水影响不大。因此，浅层非固结的厚新生代地下水的开采是引起地表沉陷损害的主导因素，而地下水强排和特殊构造地层是引发地表沉陷损害的主要原因。

3.地面沉降和地下水开采矛盾的解决

由于超量开采地下水引起的防治不是一朝一夕的事情，必须区分轻重缓急，制定防治规划。开展区域地下水开发利用现状调查，制定地下水资源开发利用规划，加强地下水资源管理，深入研究地下水含水系统结构及地面沉降状况，确定地下水超采区，划定限采区和禁采区，把地下水开采量控制在合理范围之内。加强用水管理，合理用水、优水优用，在地下水集中开采区，进一步控制工业用地下水开采，并把优质地下水仅作为生活饮用水水源;采用经济扛杆，实行优质优价，加大地下水资源管理力度，解决替代水源，改善地面水功能，提高地面水的供水能力。在地面沉降剧烈的情况下，应停止开采地下水;向含水层进行人工回灌，回灌时要严格控制回灌水源的水质标准，以防止地下水污染。并要根据地面沉降规律，制定合理的采灌方案;调整地下水开采层位，进行合理开采。认真做好规划的组织实施，将实施规划作为一件大事列入议事日程；成立规划协调机构，定期检查规划实施情况;加强法制建设，加快制订地质环境保护的法规，保护地下水环境。因此，在总量控制的前提下，要进一步优化地下水的开采布局，把按层位、地区和时间的集中开采调整为按含水系统特征的分散式开采，避免现有地下水降落漏斗的进一步发展。具体措施如下:

3.1 完善地下水动态与地面沉降监测

进一步完善地下水动态监测网络，加强地下水动态监测，改进监测手段，加快地下水动态监测信息网建设，提高监测成果的时效性和服务水平。建立和完善区域地面沉降区域监测网，加快GPS监测网络与分层标相结合的地面沉降监测网络体系建设，实现GPS监测与分层监测标组监测自动化。及时掌握地下水开采与地面沉降动态情况，适时调整地下水开采计划，实现地下水资源的动态管理。