山西太原盆地地面沉降防控分区划分评价

陈元明

(山西省地质环境监测中心,太原 030024)

山西从北到南依次有大同、忻州、太原、临汾及运城五大盆地,整体呈“S”型串珠展布。五大盆地均有地面沉降发育,其中太原盆地沉降速率最大,范围最广,对区内的城市、重大工程等构筑物构成了威胁。

1 太原盆地地面沉降研究成果

针对太原盆地地面沉降成因研究成果颇多,主要有:①构造成因;②地下水超采成因;③松散层固结成因;④地面荷载增加成因;⑤综合成因等。而纵观整个太原盆地20世纪50年代地面沉降的时空发育特征,其活动与地下水超采关联性最强。对于某个地点,沉降随着第四系松散岩类孔隙水超采的加剧而加剧,减缓而减缓,甚至反弹。因此,科学合理的开采地下水是控制地面沉降最有效、最经济的手段[1-3]。

但由于太原盆地第四系松散岩类含水层是本区最重要的供水水源,社会生产生活均大量采用,而替代水源匮乏,全面施行地下水禁采限采既不可行、也不科学。因此,划定地面沉降控制分区,并据此指导地下水禁采限采工作意义重大。本文从地面沉降速率、发育程度、危害程度等角度进行分析,通过制定相应的划分标准,进行太原盆地地面沉降控制分区的划定。

2 太原盆地地面沉降灾害概况

太原盆地地面沉降最早发生于20世纪50年代的太原市,随着经济发展,地下水开采不断加强,80年代前后,晋中市榆次区也出现沉降, 90年代以来,地下水超采加剧,沉降从城区向外围扩展,盆地区许多点状沉降扩展成为大范围沉降。

地面沉降造成了建筑物地基下沉、房屋开裂、地下管道破损、井管抬升、洪涝灾害等一系列问题,并严重威胁着大西客运专线、规划建设的太焦客运专线等生命干线工程,给当地的社会经济带来很大的损失及危害[4]。

3 太原盆地地面沉降评价

3.1 太原盆地地面沉降速率分区评价

依据中国地质调查局自然资源航空物探遥感中心提供的2016年度INSAR监测资料,重点地区辅以2016年度水准、GPS监测数据进行校核调整。沉降速率分区按<10 mm/a、10 mm/a～30 mm/a、30 mm/a～50 mm/a、50 mm/a～70 mm/a、>70 mm/a五个区段划分。由于存在碎片化的沉降信息,在平衡信息准确表达与图面美观时,侧重于信息准确表达,最大可能的保留基础数据,即:面积≥0.5 km2图斑保留,<0.5 km2图斑合并。图斑合并时,遵循优先就高一级的原则。据此,划定的地面沉降速率评价分区见图1。

图1 太原盆地地面沉降速率分区图Fig.1 Partition map of land subsidence rate in Taiyuan Basin

太原盆地存在4个主要地面沉降区:①太原市沉降区,主要分布在太原市晋源区、小店区,沉降中心(小店经济区水准点)年沉降量达86.1 mm;②太原盆地西侧山前沉降区,位于太原盆地西部边界、吕梁山前一带,涉及行政区域从清徐经过交城至文水,分布多个沉降中心,中心沉降速率大多超过70 mm/a;③榆次-清徐-太谷-祁县沉降区,位于太原盆地中部偏东,分布多个沉降中心,中心沉降速率超过70 mm/a;④介休-孝义沉降区,位于太原盆地南端,沉降中心速率超过50 mm/a。

3.2 太原盆地地面沉降发育程度分区评价

根据太原盆地地面沉降活动速率情况,同时考虑到地下水禁采限采工作实际执行的难度,将地面沉降发育程度分为强、中、弱三个级别与非沉降区。沉降速率≥50 mm/a为强,30 mm/a～50 mm/a为中等,10 mm/a～30 mm/a为弱,<10 mm/a为非沉降区。据此,地面沉降发育程度评价分区见图2。

图2 太原盆地地面沉降发育程度分区图Fig.2 Partition map of land subsidence development degree in Taiyuan Basin

太原盆地强发育区占比6.5%,主要分布在4个区域:①太原市小店区;②太原盆地西侧山前,位于太原盆地西侧吕梁山前一带,斑状、片状的分布在清徐县城、交城、文水一带;③榆次-清徐-太谷-祁县一带连片分布,是太原盆地最大的一个强发育区;④介休-孝义沉降区,位于太原盆地南端。发育程度中等区,则主要位于上述四区的外围,占比为17.7%。各发育程度分区面积如表1所示。

表1 太原盆地地面沉降发育程度分区统计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区评价

地面沉降造成构筑物基础开裂,房屋破坏,威胁生命干线工程的安全运营,损坏输水管线等。根据太原盆地土地或规划功能类型,地面构筑物的分布情况,本文主要选取中心城区、重要城市规划区、高速铁路(客运专线)、地铁、大水网、城市用地、飞机场(包括规划机场)、高速公路、国家级铁路、建设用地等作为本次地面沉降危害对象。

综合考虑构筑物对地面沉降敏感度、重要程度进行危害程度分级,划分为大、中、小三个级别。具体划分标准如表2所示。

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

在危害程度评价划分上,存在许多碎片区,在平衡信息准确表达与图面美观时,侧重于信息准确表达,最大可能的保留基础数据,即:①危害程度“大”区,图斑面积绝大部分大于0.5 km2,极个别被盆地边界切割成小碎片。面积≥0.5 km2图斑保留,<0.5 km2图斑合并。合并时,优先向高级别区合并；②危害程度“中等”区,被“大”区、盆地边界切割,存在较多碎片区。合并原则同上；③危害程度“小”区，被“大”、“中”区以及盆地边界切割,存在很多碎片区,碎片区常被“大”、“中”区包夹,为兼顾图面整洁,考虑到地质灾害危害性(从重考虑),所以面积≥1 km2图斑保留,<1 km2图斑合并。合并原则同上。据此,划定的地面沉降危害程度评价分区见图3。

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

太原盆地危害程度“大”区:①太原市及晋中市榆次区的城区及城市规划区的大部分,呈片状,位于盆地北部;②大西客运专线、太焦客运专线,呈带状,分布在盆地中部偏东;③机场(太原武宿国际机场、阳曲及孝义规划机场),呈斑状;④山西大水网及其骨干供水工程(包括规划工程),盆地纵横均有分布。太原盆地危害程度“大”区,占比为24.0%,危害程度“中等”区,占比为21.2%,“大”区超过了 “中等”区,且“大”与 “中等”区占比接近一半。

可见,太原盆地区内城市及城镇区重大工程广泛分布,易损性高,容易遭受地面沉降灾害。各危害程度分区面积如表3所示。

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

4 太原盆地地面沉降控制分区评价

综合地面沉降发育程度分区和危害程度分区,考虑从重保护重大工程项目,考虑受灾对象的易损性与重要程度,划分地面沉降控制分区。地面沉降控制分区划分为一级、二级、三级3个级别。具体的划分标准如表4所示。

表4 地面沉降控制分区分级Table 4 Scale of land subsidence control partition

在具体评价过程中,考虑以下因素:①太原盆地地面沉降活动主要是由地下水开采主导,沉降多是较大范围的,而极小范围且短时间发生较大沉降主要是由于工程建设影响(地面荷载增加、基坑排水);②地面沉降控制分区要与地下水资源开采现状、地下水资源开采规划相衔接;③降速率小于10 mm/a的地区,地下水也有处于过度开发状态,或接近零界状态,地下水资源仍需合理开发、科学规划,在地面沉降控制分区评价中,将<10 mm/a的地区,等同于地面沉降“弱”区来处理。

综合上述因素,在控制区的划分上,平衡信息准确表达与图面美观时,侧重于图面美观。①一级控制分区:图斑面积大多≥1.0 km2,少数介于0.5 km2～1.0 km2,个别被盆地边界切割成小碎片<0.5 km2。≥1.0 km2图斑保留,<1.0 km2图斑合并,合并时,优先向高级别区合并;②二级控制分区:由于被一级控制分区、盆地边界切割,存在较多碎片区，合并原则同上;③三级控制分区:由于被一级、二级区边界以及盆地边界切割,存在较多碎片区，合并原则同上。据此,地面沉降控制分区评价结果见图4。

太原盆地地面沉降一级控制分区主要分布在:①太原市晋源区、小店区;②榆次-清徐-太谷-祁县-平遥段大西客运专线、榆祁高速、规划太焦客运专线沿线;③介休规划机场及机场附近一带的大水网。另外,在清徐、交城也有成斑点状的分布。

太原盆地地面沉降二级控制分区主要分布在:①太原市、榆次区除一级控制分区剩余区域;②山西大水网,盆地区纵横分布;③京昆高速、榆祁高速及大西客运专线除一级控制区的剩余区域。另外,在盆地区也有呈斑点状的分布。各危害程度分区面积如表5所示。

一级控制分区占太原盆地面积6.0%,二级控制分区占比24.2%,三级控制分区占比69.8%。一级控制分区覆盖了大西客运专线、规划太焦客运专线、大水网、飞机场等重大工程,区域重要城市太原市、榆次区等中小城市位于沉降速率超过30 mm/a的区域,分区结果合理。

图4 太原盆地地面沉降控制分区图Fig.4 Partition map of land subsidence control in Taiyuan Basin

危害程度分区面积/km2百分比/% 大3756.0 中等1 50024.2 小4 32869.8 合计6 203100.0

一级控制分区面积占比较小,只要合理的利用地表、地下水资源,尤其是山西大水网工程调配的水资源,就有条件防控城市、重大工程等地面沉降敏感区的地面沉降灾害,快速减轻甚至避免地面沉降地质灾害[5]。

5 结论

1)太原盆地地面沉降活动速率与地下水超采关联性强,对于某个地点,沉降随着第四系松散岩类孔隙水超采的加剧而加剧,减缓而逐步减缓,甚至反弹。

2)本文通过制定相应的划分标准,开展地面沉降发育程度分区评价、地面沉降危害程度分区评价,在此基础上开展地面沉降控制分区评价。评价结果显示,太原盆地一级控制分区占比6.0%,覆盖了大西客运专线、规划太焦客运专线、大水网、飞机场等重大工程以及区域重要城市太原市、榆次区等中小城市，位于沉降速率超过30 mm/a的区域,分区结果合理。

3)一级控制分区面积占比较小,只要合理的利用水资源,是有条件对地面沉降一级控制分区施行地下水禁采限采的。太原盆地地面沉降活动速率受控于地下水超采强度,严格执行地下水禁采限采措施,能快速减轻甚至避免主要城市、重大工程遭受地面沉降地质灾害。

4)对于大西客运专线、规划太焦客运专线等对地面沉降极为敏感的工程,是否与其他重要构筑物采用同一个评价标准,需要进一步开展灾害调查、研究。