咸阳市地下水位动态及其与地裂缝发展的对应关系研究

蒋臻蔚， 董文静， 张焱森， 王晓海

(1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054；2.广州市市政工程试验检测有限公司，广州 510520；3.中国有色金属工业西安勘查设计研究院有限公司，西安 710000)

地下水资源的过量开采是造成局部地面沉降、地裂缝发育的重要因素，调查研究发现，在地下水位沉降区域内易形成新的地裂缝或导致固有地裂缝活动加剧[1- 4]。咸阳市地处关中平原中部，市区建在渭河北岸一、二级阶地上，地下水资源较为丰富。在“引石过渭”工程实施前，市区工农业生产和城乡生活用水主要依赖于地下水。由于长期过量开采地下水，在咸阳市城区已形成多处地下水降落漏斗[5]，伴随而来的是地面沉降、地裂缝、建筑物开裂等灾害的发生，对城市经济发展和居民生活环境造成了严重负面影响[6- 8]。

目前中外对于抽水作用下地裂缝成因机理的理论研究已经相当成熟[9-12]。但是，由于咸阳市的地裂缝大都沿渭河活动断裂发育，部分专家把地裂缝的出现归为断裂活动所致。为了明确咸阳市城区地裂缝与地下水开采的关系，根据咸阳市城区多年的地下水位动态观测资料，结合咸阳市地下水开采历史和现状分析了多年来地下水位的动态变化特征，通过实地考察和资料收集了解咸阳市地裂缝的发育特征，分别从时间和空间两个层面综合分析了地下水开采和地裂缝的定性关系，研究对于掌握咸阳地裂缝的成因机理，预测其今后的发展趋势，开展地裂缝地面沉降灾害的防治工作具有指导意义。

1 咸阳市地下水开采情况概述

1.1 咸阳城区地下水开采层位

按照水动力性质及埋藏条件，咸阳地下水开采层位大致可划分为三个层位，即潜水、浅层承压水和深层承压水。

1.1.1 潜水层

潜水层是指埋深50～80 m以上的潜水含水系统，潜水水位埋深在一、二级阶地为5～20 m，三级阶地水位可达30 m以上，含水层由湿陷性强的黄土、砂、砾层组成，厚度可达19.82～54.40 m。

1.1.2 浅层承压水

浅层承压水是指埋深50～200 m左右的承压含水系统，水位埋深13～25 m，三级阶地可达30～60 m，含水层由冲积、湖积砂层、砂砾石层及不等厚黄土互层组成，是城市居民生活和工矿企业的主要开采层位。

1.1.3 深层承压水

深层承压水指埋深200～400 m以内的承压含水系统，其水动力条件与浅层承压水相似，也是咸阳市生活和工业生产的主要开采层位。

1.2 咸阳城区地下水开采历史和现状

咸阳市是陕西省第三大城市，在“引石过渭”工程实施之前，咸阳市是陕西省唯一工业、生活全部依赖地下水资源的城市。随着经济社会的发展，人民生活质量的不断提高，对水的需求不断增大，根据陕西省的统计资料[13-14]，咸阳市的年供水量从1989年起逐年稳定增长，1989年的总供水量为 8 929×104m3，2016年供水量增加到12 976×104m3(图1)。

图1 咸阳市年供水量变化Fig.1 Annual water supply of Xianyang City

地下抽水量也逐年大幅增加，1987年咸阳日地下水开采量为36.3×104m3，到2007年增加到最大值60.6×104m3，20 a间咸阳的日地下水开采量增加了24.3×104m3，平均每年增加1.215×104m3。地下水的过量开采造成地面沉降和地裂缝等灾害问题，咸阳市政府加强了对城市规划区自备井的管理[14]。随着自备井的逐渐关停，地下水的日开采量开始下降，到2011年由于“引石过渭”工程开始供水，地下水的开采大幅降低到目前的日开采40×104m3左右(图2)。

图2 咸阳市地表水、地下水生产能力变化Fig.2 Changes of surface water and groundwater production capacity in Xianyang City

2 咸阳市地下水多年动态变化特征

地下水位动态变化，是反映含水层中地下水资源量变化的一个指征，地下水位的上升或下降，直接反映了地下水补给与消耗量的变化。虽然咸阳城区所在的渭北一、二级及三级阶地，地下水资源相对较为丰富，但过量的开采地下水，必然会引起地下水位的下降。由于长期开采地下水，在渭北市区已形成城区复合漏斗和西橡厂地下水降落漏斗，在渭河南岸也形成了沣东地下水降落漏斗[15]。陕西省人民政府据此划定了相应的超采区[陕政发(2006)69号]。水位降落漏斗从1985年形成，1986年开始连续观测，已积累了多年的地下水水位观测资料。

根据陕西省地质环境总站的水位监测资料，咸阳渭北地下水严重超采区的水位多年动态变化特征情况如下。

2.1 城区中心严重超采区水位动态

该超采区根据形成的复合型地下水降落漏斗而划定，以人民路为中心，在其两侧形成东西向长轴基本平行于渭河的不规则形状。深层承压漏斗中心位于市自来水公司H58监测井附近，其水位动态变化如图3所示。

图3 城区中心严重超采区承压水水位动态变化Fig.3 Dynamic variation of artesian water level in seriously overworked area of downtown area

从图3可见，该区承压水的变化可分为两个阶段：1986—2006年的快速下降阶段，该时间段承压水水位从1986年的27.24 m下降到了2006年水位埋深38.64 m，下降了11.4 m，年均下降0.57 m；2006年至今的回升阶段，该阶段地下水位从2006年的38.64 m上升到了2016年的32.10 m，上升了6.54 m，年平均回升0.65 m，已经回到了1997年的水位。水位降落漏斗面积相应地也经历了扩展和收缩，目前降落漏斗面积已经从最大时的18.13 km2降到6.63 km2，如图4所示。由图4可见，咸阳城区地下水水位的回升相对较快。

图4 城区中心水位降落漏斗面积变化Fig.4 Area variation of water level funnel in urban center

从浅层承压水(H26井)和潜水(H74井)的变化来看也具有同样的规律，浅层承压水漏斗中心位于陕西彩色显像管总厂水源井附近， H26井水位从1986年的16.89 m下降到了2006年水位埋深36.02 m，下降了19.13 m，年均下降0.96 m；潜水漏斗中心位于西北国棉一厂附近，H74井水位从1986年的11.88 m下降到了2006年水位埋深37.88 m，下降了26 m，年均下降1.3 m。可见，在水位的降落阶段，潜水的下降速度>浅层承压水的下降速度>深层承压水的下降速度。

2.2 西北橡胶厂水源地严重超采区地下水水位动态

西北橡胶厂地下水超采区位于咸阳市西郊，也是浅层承压水和深层承压水形成的复合型漏斗区，呈椭圆形，长轴开始近南北向，后来也发展为近东西向。深层承压水漏斗区面积0.77 km2，年均降幅0.69 m，漏斗中心位于西北橡胶厂以南西里村水源地附近，该降落漏斗中心的H11监测井，2006年水位埋深28.24 m，比1986年的14.37 m下降了13.87 m，年均降幅0.69 m。浅层承压水降落漏斗区面积1.09 km2，年均降幅0.64 m，其漏斗中心位于西北橡胶厂南香柏里村水源地附近，该地的H209监测井，2006年水位埋深26.93 m，比1986年的 14.4 m 下降了12.53 m，统计期内年均降幅0.62 m。

3 地下水开采与地裂缝关系

咸阳市城区自1986年开始有系统的水位监测，但是缺乏系统的地裂缝地面沉降变形监测资料。基于此，通过调查访问和资料收集[16-17]，统计分析后大致可以得到咸阳城区地下水开采与地裂缝地面沉降的定性关系。总体而言，抽水与地裂缝地面沉降发展过程具有良好的对应关系，具体表现如下。

3.1 时间关系

根据对西安等地进行调查研究，发现地面沉降和地裂缝的发育都可分为发生、发展、趋于稳定三个阶段，如表1所示，咸阳地面沉降和地裂缝也具有这样的特征。

据调查，咸阳城区的地裂缝最早大致于20世纪70—80年代(例如毕塬西路医药化玻公司)出现，然后在1991—2006年高发，2006年之后活动减弱。地裂缝活动的阶段性与抽水引起的地下水水位变动具有很好的一致性，如图5所示。

表1 地下水、地面沉降和地裂缝发育阶段对应Table 1 Correspondence of groundwater, ground subsidence and ground fracture development stages

图6 咸阳地裂缝与水位降落漏斗关系Fig.6 The relationship between ground fissure and water level descending funnel in Xianyang City

3.2 空间关系

咸阳渭河断裂地裂缝首先肯定是受到渭河断裂的控制，沿断裂带附近发育，但事实上地裂缝并不是在渭河断裂全线发育， 而是主要发育在城区两个主要的抽水沉降漏斗区，如图6所示。由图6可知，城区往东和往西的非沉降漏斗区没有地裂缝发育。从水位降落漏斗来看，漏斗从主城区往西郊发展较快，导致地裂缝活动性总体上在城区西强东弱。另外，从断裂的位置与漏斗中心的距离来看，中心城区处断裂处于沉降漏斗中部而西郊断裂处于橡胶厂沉降漏斗的边缘，根据前人的研究位于漏斗边缘的断裂更容易引发地裂缝的发生。

图5 咸阳渭北阶地潜水平均埋深变化与地裂缝发展时间对应图Fig.5 Correspondence graph of the change of phreatic average buried depth and ground fissure development time of Weibei terrace in Xianyang

4 结论

(1)由于多年过量的开采地下水，在咸阳市区形成了多个地下水水位降落漏斗，地下水的变化可分为两个阶段：1986—2006年的快速下降阶段和2006年至今的缓慢回升阶段。

(2)咸阳市地下水开采与地裂缝总体发展过程具有良好的对应关系，即时间上地裂缝活动与地下水水位变动具有很好的一致性，空间上地裂缝主要发育在城区两个主要的抽水沉降漏斗区，且以漏斗边缘裂缝更为明显，而不是沿渭河断裂全线发育。

(3)根据咸阳地下水水位动态与地裂缝关系的研究，鉴于目前地下水水位已经处于回升和相对稳定的阶段，可以判断今后只要没有地质环境条件的剧烈改变，咸阳地裂缝不会有大的发展变化。