天津地下水长期开发地区地面沉降特征

张姣姣，牛文明，吕潇文，柳玉洁，李兆楠

（天津市地质环境监测总站，天津 300191）

地面沉降是天津平原区最主要的地质灾害，地面沉降灾害具有形成时间长、影响范围广、防治难度大、难以恢复等特点，威胁着城市安全以及轨道交通、水利工程等，已成为影响天津市可持续发展的重要因素之一。

引起地面沉降的因素可分为自然因素和人为因素，其中人为因素中地下水超采对地面沉降贡献最大[1-5]。天津平原区地下水基本上都处于超采状态，水位普遍下降。西青区位于天津中心城区西南部，多年来地下水开采量较大，已引起严重的地面沉降。本文将对分层标多年监测数据以及水位长观数据进行分析，阐述西青区地面沉降特征。

1 地质条件概况

天津市属华北地层大区冀鲁豫地层区的华北平原分区。地层由老到新主要有中新元古界长城系、蓟县系和青白口系，下古生界寒武系、奥陶系，上古生界石炭系、二叠系，中生界侏罗系、白垩系，新生界的古近、新近系和第四系。本文涉及的地层有新近系上新统和第四系，地层特征见表1。

2 区域地面沉降背景

天津市地面沉降现象最早发现于1923年，到1985年，天津平原区地面沉降灾害已十分严重。从1986年开始，天津市开始集中治理地面沉降，逐渐压缩中心城区和滨海新区各城区地下水开采量，地面沉降逐渐减小。中心城区平均地面沉降由86 mm/a减至2016年的18 mm/a；塘沽平均沉降量由100 mm/a减至2016年的16 mm/a。随着区县经济的发展，城市建设区逐渐扩大，中心城区周边地下水开采量逐渐增大，沉降中心向东丽区、津南区、西青区、北辰区转移。西青辛口镇地区1985年至今累计沉降量已超过1600 mm（图1）。

表1 地层及含水组划分Table 1 Divided of stratigraphic and aquifer

2017年天津市平均沉降量24 mm，西青区平均沉降量30 mm，比2016年减少5 mm，区内西北部、中部、东南部地区沉降量较大。

3 地下水开采与水位降落漏斗

2016年西青区地下水开采量1 584万m3，其中农业灌溉用水1 095.94万m3，占总开采量的69.2%；城镇生活用水32.92万m3，占总开采量的2.1%；工业用水205.5万m3，占总开采量的12.9%；林牧渔副业用水和生态用水分别为161.05万m3和89.28万m3，占总开采量的10.2%和5.6%。其中农业灌溉用水占较大比重，其次为工业用水[6]。

图1 1985-2015年辛口镇地区累计沉降量等值线图Fig.1 Accumulated settlement equivalent chart of Xinkou in 1985-2015

地下水位降落漏斗是指过量开采地下水引起水位下降，形成区域性漏斗状凹面。本次研究用等水位线来圈定漏斗分布，第Ⅱ含水组地下水位降落漏斗按水位埋深大于50 m计算，第Ⅲ含水组按水位埋深大于60 m计算，第Ⅳ含水组按水位埋深大于70 m计算。地下水持续开发利用，地下水位已呈现出明显的区域下降，第Ⅲ含水组与第Ⅳ含水组水位下降漏斗已在天津西南部地区连片分布，基本覆盖西青区全部范围[6]。

4 地面沉降特征

4.1 分层标监测

分层标是埋设在不同深度松散土层中的地面水准观测标志。分层标监测是天津市地面沉降监测网的重要组成部分，用来监测不同深度土层的变形情况，监测精度可达0.01 mm。西青分层标组位于辛口镇，始建于2003年，最大监测深度566 m（表2）。标组包括地面标1个、分层标7个、水位长观孔4个，目前此分层标组已纳入天津市地面沉降水准监测控制网，进行联测。

表2 西青分层标分层情况Table 2 Layering of layerwise mark in Xiqing

4.2 沉降监测数据分析

图2是2011年至2018年西青分层标监测深度范围内（0-566 m）的沉降数据，虽然在2017年沉降量稍有增加，但地面沉降总体上呈减小趋势，在2013年沉降量最大，为42.98 mm，逐渐减小到2018年的21.6 mm。从图3的2018年分层沉降数据来看，C0-3第Ⅱ含水组以上地层沉降量较小，各层沉降量均小于2mm，C1-2第Ⅰ含水组地层出现了回弹；C3-5第Ⅲ含水组地层沉降6.19 mm，占总沉降量的29%；C5-6第Ⅳ含水组地层沉降10.67 mm，占总沉降量的49%；C6-7第Ⅴ含水组地层沉降2.36 mm，占总沉降量的11%。可见第Ⅲ、Ⅳ含水组地层是影响西青区地面沉降的主要层位。

图2 2011～2018年分层标沉降量Fig.2 Subsidence of layerwise mark in 2011～2018

图3 2018年分层沉降情况Fig.3 Subsidence of different layers in 2018

4.3 水位监测数据分析

G1、G2水位长观孔监测第Ⅰ含水组与第Ⅱ含水组水位动态变化特征，多年监测情况来看，第Ⅰ含水组水位在波动中基本处于平稳状态，第Ⅱ含水组水位有所下降，在40 m左右基本保持平稳。对应分层标监测层C1-3，地层压缩很小，反映出水位的变化对地面沉降影响较小（图4）。

图4 第I II含水组水位动态曲线Fig.4 Dynamic curve of groundwater level of No.1 and No.2 aquifer

G3孔监测第Ⅲ含水组水位动态变化特征，对应分层标监测层位为C3-5。2011年1月至2014年10月，第Ⅲ含水组持续保持低水位，水位埋深为98 m左右，相应地层持续压缩，累计沉降量46 mm，月平均沉降量1 mm；2015年以后水位有所回升，上升幅度约10 m，但截止2016年10月，地层仍呈持续压缩趋势，期间累计沉降量为15 mm；2017年水位明显回升，水位埋深为50 m左右，2017年至2018年C3-5地层累计沉降量为15.62 mm，月平均沉降量0.65 mm（图5）。

图5 第Ⅲ含水组沉降量与水位变化曲线Fig.5 Subsidence value and groundwater level of No.3 aquifer

G5孔对应第Ⅴ含水组水位监测情况，2011年至2018年水位在波动中基本保持平稳，有小幅回升趋势（图6），对应C6-7层位压缩情况也相对比较平稳，由2011年5 mm下降至2018年2.36 mm。

图6 第V含水组水位动态曲线Fig.6 Dynamic curve of groundwater level of No.5 aquifer

5 分层沉降原因讨论

随着地下水的开采，地下水位下降，地层由于附加应力增加而压缩，表现为地面沉降。以往对西青区C6孔黏性土做了前期固结压力试验，地层埋深180 m以浅，前期固结压力Pc值基本在自重应力线P0两侧摆动，表现为地层正常固结，此类地层中如果存在地下水开采，地下水位下降便会引起地面沉降；地层埋深180～400 m，前期固结压力Pc值普遍大于自重应力P0值，表现为超固结，埋深400 m以下超固结程度更加明显[7-9]（图7），此类地层附加荷载超过Pc-P0时才会发生地面沉降。

西青区埋深180 m以浅地层对应为第I含水组与第Ⅱ含水组，此二含水组鲜被开发利用，地层基本上保持了原有应力状态，地面沉降程度相对较轻，不是主要的沉降层位；埋深180 m以下为深部第Ⅲ ⅣV含水组，第ⅢⅣ含水组已经过多年开发利用，第Ⅲ含水组2016年水位埋深已达约90 m，对应地层沉降量相对较大。

第Ⅲ、Ⅳ含水组地层持续压缩可以用临界水位来解释，临界水位是指不引起或不明显引起地面沉降的极限水位。开采地下水，存在超固结的层位，水位埋深超过临界水位便会引起地面沉降[10]。以往根据地层固结特征计算得出西青辛口镇地区第Ⅲ含水组临界水位为50-60 m[11]，而多年长观水位监测该组水位在2011年已接近100 m，到2015年水位回升后仍在90 m左右，远远深于该组临界水位，期间地层持续压缩，引发地面沉降；2017年长观地下水位回升至临界水位，但地层压缩未立即停止，只是速率有所减缓，这是由于本层黏性土厚度较大，而黏性土变形有一定的滞后效应[12-14]，地面沉降将持续较长一段时间。

图7 西青Pc随深度变化图Fig.7 The relationship between Pc and depth in Xiqing

图8 辛口镇地区第Ⅲ含水组水位埋深图Fig.8 Depth of groundwater level of No.3 aquifer in Xinkou

第Ⅳ含水组在本组分层标无长观水位监测，但从区域水位埋深情况来看，辛口镇地区水位埋深90-100 m，而第Ⅳ含水组临界水位为40-50 m，并且结合黏性土物理力学性质，如埋深346 m的黏土含水量为35.5%，孔隙比0.989[15]，在持续超采地下水的条件下，此类土层较其他低含水量、低孔隙比的层位更易压缩，产生地面沉降。

图9 辛口镇地区第Ⅳ含水组水位埋深图Fig.9 Depth of groundwater level of No.4 aquifer in Xinkou

6 结论及建议

（1）根据2011年至2018年分层标监测资料得出西青区地面沉降形势逐渐减缓，第Ⅲ、Ⅳ含水组地层是影响西青区地面沉降的主要层位。

（2）第Ⅰ、Ⅱ含水组在西青区基本未开发利用，水位基本保持平稳，地层处于原始应力状态，沉降量相对较小；第Ⅲ含水组近2011-2016年持续开发利用，水位埋深接近100 m，远远超过该层临界水位，对应地层持续压缩沉降；2017年水位回升至临界水位以上时，由于黏性土变形的滞后效应，地面沉降速率减缓，部分时间段地面沉降基本停止；第Ⅳ含水组地下水持续开发，水位埋深低于该层临界水位，且此层黏性土具有较高的含水量和孔隙比，地下水持续超采产生的沉降量较大；第Ⅴ含水组水位基本平稳，有小幅回升，对应地层匀速小幅沉降。

（3）辛口镇地区地面沉降受地下水开采影响大，应对本地区和周边地区深层地下水开采进行严格控制，利用临界水位合理开发地下水；加快建立地面沉降监测预警系统，提升地面沉降监测长效监管水平。