浙江省沿海平原地下水控采后的地质环境效应

2013-03-01刘思秀沈慧珍赵建康吴孟杰

地质灾害与环境保护 2013年2期

刘思秀，沈慧珍，赵建康，吴孟杰

（浙江省地质环境监测院，杭州 310007）

1 前言

长江三角洲地区是我国三大地面沉降区之一，浙江省位于长江三角洲南侧，沿海平原地区地面沉降较为严重，属于全国“十二五”地面沉降防治规划的重点防治区［1]。浙江省地面沉降主要发生在杭（州）嘉（兴）湖（州）平原、宁（波）奉（化）平原、温（岭）黄（岩）平原、温（州）瑞（安）平原等四大沿海平原地区，地面沉降易发区面积为8 800 k m2，约占沿海平原总面积的60%。自20世纪60年代的嘉兴市、宁波市因开采地下水发生地面沉降后，历经形成、缓慢发展、急剧发展几个阶段后，进入21世纪，浙江省各级政府加大了地面沉降防治工作力度，截止2011年底，全省沿海平原累计地面沉降大于50 mm的面积约5 016 k m2。其中杭嘉湖平原沉降区约4 200 k m2，温黄平原沉降面积638 k m2，宁奉、温瑞平原沉降面积分别为148 k m2和30 k m2。

浙江省沿海平原地面沉降主要由地下水开采引起［2－8]，通过对地下水含水系统结构、地面沉降机理和地下水流与地面沉降耦合模型研究，提出控制地下水开采为主的地面沉降防治与控制措施［9－16]，2006年5月发布《浙江省人民政府关于加强地面沉降防治工作的意见》后，大力推进地下水禁限采、城乡一体化供水，地面沉降逐步得到有效控制。

随着地下水开采大幅减少，浙江省沿海平原呈现地面沉降范围和速率明显减缓、地下水位全面回升格局，区域性地面沉降进入全面控制阶段，地质环境状况向良性发展方向转变。但由于水资源总量不足和地表水的污染，水资源供需矛盾依然突出；沿海软土地区大面积围填、基坑降排水和地下空间的开发利用对地面沉降影响逐步显现，地面沉降防治依然是今后地质环境保护的重要内容。本文通过对地下水禁限采后地下水位与地面沉降变化等环境效应的系统总结，对地面沉降变化特征和发展趋势进行分析，为新形势下地面沉降防治提供决策依据。

2 沿海平原水文地质结构

浙江省沿海平原地区，由于新构造运动及海面升降、气候冷暖变化影响，第四纪地层具有成因类型多、岩性岩相复杂、沉积韵律明显、厚度变化大等特点。杭嘉湖平原第四纪地层厚度200～300 m，其他平原一般厚度100～180 m。中下更新统以冲积、冲湖积陆相地层为主，上更新统成因类型复杂，主要有河、湖、海积及其混合类型，全新统以海积、冲海积和湖沼积为主。

浙江省沿海平原地区埋藏1～3个孔隙承压含水组2～7层含水层（图1）。含水层主要由更新统冲积砂砾石、含砾砂、中细砂组成，上部为海积、冲海积、湖沼相粘性土覆盖，层间为湖沼相及海相粘性土所分隔，形成良好的储水构造。各含水层分布规律、岩性、厚度的变化，受古河道演变和展布方向控制，具有明显的纵向、横向分布规律。一般自上游向下游、自古河道中心向两侧岩性由粗变细，时代由老及新含水层颗粒也由粗变细。各含水层顶板自上游向下游微倾，原始水力坡度约0.1‰，迳流迟缓，排泄不畅，补给甚微，但贮存量丰富，天然动态稳定。富水性受古河道规模及其展布所制约，沿古河道主流线附近，导水性好，单井涌水量1 000～3 000 m3／d，最大可达5 000 m3／d以上，两侧一般小于1 000 m3／d。

图1 杭嘉湖平原水文地质结构图Fig.1 Hydro－geological structure in Hangjiahu Plain

3 地下水控采历程

浙江省沿海平原自1914年开凿第一眼深井开采孔隙承压水以后，至20世纪60年代地下水开采范围不断扩大，开采量持续增长。1980年开采量0.67×108m3，1990年增加到1.44×108m3。20世纪90年代以来，由于地面沉降等环境地质问题日益明显，引起了政府和社会各方的高度关注，孔隙承压水开采迅速增长趋势得到一定程度遏制，特别是宁波平原地下水开采得到有效控制，但开采总量仍呈增加趋势，增幅明显减缓。2000年沿海平原孔隙承压水开采量1.56×108m3，最高的2003年达到1.7×108m3，2005年为1.68×108m3（表1）。其中杭嘉湖平原开采量占70%左右，温黄平原和温瑞平原分别占10%～15%。

2006年5月发布《浙江省人民政府关于加强地面沉降防治工作的意见》（浙政发［2006]30号），进一步加强地面沉降防治工作，地下水控采力度进一步加大，沿海平原地下水开采逐年下降，特别是2010年以来呈现大幅度减采。全省沿海平原自2005年以来累计封井近1 500眼，沿海平原承压地下水开采量由2005年的16 848×104m3减少到2011年1 830×104m3，减少了89.1%（表1、图2）。其中杭嘉湖平原由2005年的12 179×104m3减少到2011年的500×104m3，减少95.9%，主要城镇自2008年起已全面禁采（图3）；温黄平原2006年开采量达最高值2 195×104m3，2011年下降到815×104m3，下降62.9%；温瑞平原由2005年的2 434×104m3下降到510×104m3，下降79%。

表1 浙江省沿海平原地下水年开采量统计表（单位：×10 4 m3·a－1）Table 1 Statistics of exploitation quantity in the coastal plain of Zhejiang

图2 浙江省沿海平原孔隙承压水历年开采量直方图Fig.2 Histogram of exploitation quantity of pore confined water in the coastal plain of Zhejiang

图3 杭嘉湖平原孔隙承压水历年开采量动态曲线图Fig.3 Dynamic curve of exploitation quantity of pore confined water in Hangjiahu Plain

4 地下水控采后的地质环境效应

地下水的大幅度减采，浙江省沿海平原呈现地下水位整体回升、地面沉降范围和速率快速减缓的趋势，但主要城市和重点工程建设区工程性沉降逐步显现，地面沉降呈现从区域性沉降向局部工程集中建设区转移的特点。

4.1 地下水位整体回升

杭嘉湖平原孔隙承压水原始水位接近地表，1964年前后在嘉兴城区开始形成水位降落漏斗，并逐步发展成为区域水位降落漏斗。2005年杭嘉湖平原漏斗中心水位达－48～－50 m，区域平均水位约－38～－40 m左右，漏斗范围波及整个平原。以路桥为中心的温黄平原孔隙承压水1996年最低水位曾达到－57 m，2000年后因开采量增加，水位下降速率超过2 m／a，2005年为－48.05 m，区域平均水位在－30 m左右（表2～3，图4a和图5a）。

表2 浙江省滨海平原主要地下水位降落漏斗一览表Table 2 Main ground water drawdown f unnels in the coastal plain of Zhejiang

图4 杭嘉湖平原第Ⅱ承压含水层水位等值线图Fig.4 Contour of ground water level for the secondary confined aquifer in Hangjiahu Plain

2005年控采地下水以来，各沿海平原地下水全面回升。至2011年，杭嘉湖、温黄、温瑞平原承压地下水位比2005年上升了10～18 m，区域水位降落漏斗明显收缩，漏斗底部趋于平坦（表2，图4b和图5b、图6）。宁奉平原，1987年起采取了控采措施，开采量大幅度减小，水位回升，漏斗基本消失。

图5 温黄平原第Ⅰ承压含水层水位等值线图Fig.5 Contour of ground water level for the first confined aquifer in Wenhuang Plain

图6 沿海平原地下水区域平均水位动态曲线Fig.6 Dynamic curve of average level for the ground water area in the coastal plains

杭嘉湖平原第Ⅱ含水层自2005年开始回升，2010年来大幅上升，区域平均水位至2011年升至－21.66 m，比2005年上升了15.04 m，漏斗中心年平均水位由2005年－47.39 m上升到2011年32.38 m，上升了15.01 m（图7）；2011年－30 m和－20 m水位等值线闭合圈面积分别160 k m2和2 840 k m2，分别比2005年缩减3 297 k m2和1 338 k m2，缩减95.4%和32.0%，－40 m水位等值线包含面积2005年为2 447 k m2，到2011年已消失。第Ⅲ承压含水组在2009年前区域平均水位基本稳定在－40 m左右，2010～2011年水位急速上升至－24.74 m，漏斗中心平均水位2005年－52.42 m，2008年约－56.98 m，2011年上升到－36.35 m，两者分别比2005年上升了17.65 m和16.07 m；－40 m等水位等值线闭合圈面积从2005年的1 586 k m2，到2011年已消失，－30 m等值线闭合圈面积由2005年的2 403 k m2，缩减到2011年的1 597 k m2，减少806 k m2，缩减33.5%。

温黄平原水位降落漏斗形成于20世纪80年代初，第Ⅰ孔隙承压含水组2011年区域平均－25.38 m，比2005年上升5.73 m；2011年漏斗中心水位－36.58 m，比2005年上升11.47 m，水位降落漏斗趋于平坦，且明显收缩。温瑞平原永强降落漏斗2011年中心水位－26.45 m，比2005年上升13.67 m，区域平均水位－17.97 m，比2005年上升13.07 m；漏斗面积不断缩小，－30 m等水位闭合圈已消失，－20 m等水位闭合圈面积比2005年缩减58.4%。

4.2 地面沉降范围和速率快速减小

控采地下水后，浙江省沿海平原各年地面沉降范围和速率快速减小。到2011年，全省沿海平原年度地面沉降量大于10 mm的面积为298 k m2，比2005年的3 155 k m2减少了90.5%；沉降量大于30 mm的面积由2005年的656 k m2缩减至2011年的零。全省地面沉降区平均沉降速率由2005年的15 mm／a下降到2012年的6 mm／a，下降约60%。各年度测点中最大点沉降量由历史最高的100多mm下降到2011年的30 mm以下，杭嘉湖和温黄平原局部地区甚至出现地面回弹，2011年回弹量2～8 mm（表3）。

表3 浙江省沿海平原地面沉降状况Table 3 Ground subsidence in the coastal plains of Zhejiang

杭嘉湖平原面积6 490 k m2，是浙江省地面沉降范围最大的地区。地面沉降始于1964年前后，历经缓慢、显著、急剧沉降等几个阶段，地面沉降波及平原大部分地区，沉降中心由嘉兴城区转移海盐县城武原镇一带，另在平湖城关、袁花、屠甸、乌镇、崇福等地形成次一级的地面沉降漏斗。至2005年，地面累计沉降量大于50 mm的沉降面积约4 200 k m2，占杭嘉湖平原面积的65%，海盐武原沉降中心最大累计沉降量为1 094 mm，平湖城关镇、海盐武原－欤城－百步镇、桐乡屠甸镇等地下水集中开采城镇沉降速率较大，局部地区超过50 mm／a（图8a）。

2006年以来，随着地下水禁限采措施的推进，杭嘉湖地区地面沉降逐渐减缓，发展态势得到有效遏制。大于30 mm的等值线区域于2010年消失，大于10 mm的面积快速缩小，由2005年的2 430 k m2缩减至2011年128 k m2，较2005年减少2 302 k m2，减少94.7%（图8b、图9）；2010年后多处地段出现地面回弹现象（图10），2011年海盐武原沉降中心最大累计沉降量为1 192 mm，比2009年的1 212 mm，回升了20 mm。

图8 杭嘉湖平原地面沉降量等值线图Fig.8 Contour of settlement for Hangjiahu Plain

图9 杭嘉湖平原大于30 mm·a－1和大于10 mm·a－1沉降面积变化图Fig.9 Ground subsidence area change chart between the area more than 30 mm·a－1 and the area more than 10 mm·a－1

图10 杭嘉湖平原主要沉降区代表性监测点沉降速率动态曲线图Fig.10 Dynamic curve of settlement rate at the representative monitoring points in the main subsidence areas of Hangjiahu Plain

温黄平原地面沉降形成于20世纪80年代初期台州市的路桥城区，到2011年温黄平原累计沉降量超过50 mm的面积约638 k m2，占平原区的56.2%。累计沉降量最大的地段位于温岭市横峰街道东南，最大累计沉降量在1 000 mm以上。2011年度沉降大于10 mm的面积为65 k m2，比2005年减少456 k m2，减少87.6%，大于30 mm·a－1沉降的范围已消失（图11）。宁波市地面沉降始于20世纪60年代，截止2011年累计沉降量大于50 mm的面积约148 k m2，2011年沉降大于10 mm·a－1的面积约77 k m2，比2005年减少79 k m2，减少50.6%，大于30 mm的面积已基本消失。

图11 温黄平原地面沉降速率等值线图Fig.11 Contour of ground settlement rate for Wenhuang Plain

4.3 地面沉降变化与地下水开采动态基本同步

4.3.1 沉降漏斗中心累计沉降量与地下水累计开采增幅同步

杭嘉湖平原自20世纪60年代发生地面沉降以来，地面沉降累计沉降量一直持续增大，形成了以城镇为中心的多个沉降漏斗。通过对嘉兴城区沉降中心累计沉降量分析，嘉兴城区沉降漏斗中心累计沉降量和地下水累计开采量之间关系密切，随着地下水累计开采量的增加，沉降中心累计沉降量同步增大（图12），两者增幅基本相同，经统计分析，相关系数为0.99。

4.3.2 沉降速率与地下水开采强度和水位变化同步

图12 嘉兴城区累计开采量与累计沉降量关系图Fig.12 Relation of cumulative exploitation quantity to cumulative settlement for Jiaxing city

杭嘉湖平原监测结果显示，地面沉降速率与地下水开采强度同步增减，与水位同步变化。随着地下水的减采，水位恢复，地面沉降很快显著减缓，甚至出现回弹，迟后现象不明显（图13、图14）。同时说明地下水开采量控制到一定程度后，地面沉降可以得到有效控制，并且可以看出地下水减采初期沉降速率减少程度明显大于后期，原因主要是含水砂层弹性变形在减采初期得到较快恢复。

图13 杭嘉湖平原地面沉降速率与地下水开采量关系图Fig.13 Relation of subsidence rate to exploitation quantity for Hangjiahu Plain

图14 杭嘉湖平原地面沉降速率与地下水位关系图Fig.14 Relation of subsidence rate to ground water level for Hangjiahu Plain

4.4 地面沉降控制成效显著

地面沉降给浙江沿海平原区城乡建设、交通、农田水利及防洪工程产生直接影响，造成很大的经济损失。据研究［17]，杭嘉湖平原至2004年地面沉降造成的经济总损失约564.4亿元，平均每年约14.1亿元，同期杭嘉湖平原平均沉降量约150 mm，相当于地面每沉降1 mm造成的经济损失为3.7亿元多。2006年开采地下水以来，如果未采取地面沉降防治措施，按2005年沉降速率发展估算，2006～2011年累计沉降量将比现在平均多沉降50余mm，即因采取地面沉降控制措施后减少经济损失约180亿元，每年减少经济损失约30亿元。

4.5 地面沉降由区域沉降为主逐步向工程性沉降为主转变

随着地下水控制开采，地下水开采对地面沉降影响程度逐步减弱，地面沉降从区域性面状沉降向重点建设区局部点状或小范围沉降发展，显示出工程性地面沉降影响在加剧。高层建筑等基坑工程开挖及排水、地下空间开发利用等大规模工程活动引发的地面沉降日益显现。如宁波市在区域性地面沉降漏斗范围内，出现了鄞州中心区、布政－石碶、儿童公园－科技公园、环城北路中段、庄桥－庄市、梅墟等诸多工程性地面沉降小漏斗（图15）。杭州市、宁波市杭州湾新城等地也发现有地面沉降迹象。工程性地面沉降防治逐步成为今后防治工作的重点。