天津滨海核心区潜水分布及其特性研究

2022-02-21温伟光刘晓磊宋文静

岩土工程技术 2022年1期

温伟光路清刘晓磊，2 王辉，2 宋文静，2

（1.天津市勘察设计院集团有限公司，天津 300191；2.天津泰勘工程技术咨询有限公司，天津 300191）

0 引言

潜水是天津地区普遍存在的地下水类型之一，对生产生活、城市环境和发展影响很大；潜水水位上升会使地基土层含水量增加，降低承载力，造成建筑物沉降加大，局部道路损坏，影响地下建（构）筑物的使用功能和使用年限，潜水水位下降易引起海（咸）水入侵，使水质恶化、地面沉降加大。天津滨海新区位于渤海之滨，地质条件复杂，不良地质现象发育，古河道、沟坑、洼淀众多，地基土层工程性质差。随着城区的快速发展和海绵城市建设的兴起，建设项目对场地地质环境条件提出了更高的要求，规划和建设中，地下潜水水位、水质变化引起的工程问题越来越突出。

天津市勘察院1979年开始建立以天津市区为中心的潜水观测系统，开展潜水观测工作，对潜水水位动态发育分布规律、潜水水质以及腐蚀性等进行重点研究分析，为天津市及滨海新区的总体规划、地下空间规划以及各层次专项规划编制提供了依据[1]。高志鹏等[2]根据地下水位埋深、降雨、蒸发、地下水开采等资料，定量分析了地下水位埋深的趋势性变化、地下水位动态变化特征以及不同影响因素对地下水动态变化的影响；王凯燕等[3]选用了天津地区89 个观测井的月地下水埋深，基于Mann-Kendall 法研究了地下水埋深的变化趋势、探讨了影响地下水埋深的相关因素；徐源等[4]通过对天津滨海新区地下潜水水分析结果及土的易溶盐试验结果对比分析，评价了滨海新区地下潜水及土对建筑材料的腐蚀性，为工程建设中场地勘察及腐蚀性评价提供了参考。

自20世纪90年代，天津地区地下潜水的发育分布规律、水文地质结构、补径排条件、水位动态变化影响因素分析、水质分析以及腐蚀性分析研究从未间断[5-14]，研究成果对天津地区的城市建设和发展起到了重要作用，但多数研究具有显著的时效性和区域性，对指导滨海核心区工程及海绵城市建设意义不明显。滨海核心区为高度开放的现代化港口城市标志区、滨海新区综合服务功能区和新兴产业聚集区，对其开展地下潜水空间分布及其特性研究意义重大。

1 研究区概况

滨海核心区属天津市滨海新区，西起滨海新区与东丽区、津南区交界线，东至渤海湾天津港，北起天津经济开发西区，南至津晋高速（见图1）。地貌形态有海积冲积低平原、海积低平原，地势总体较平坦、起伏不大，坡度1/10000～1/5000，地面标高1.0～3.5 m。根据地下水赋存条件、水动力特征、水质特征及地下水开发利用条件等因素，滨海核心区潜水属于浅层含水系统中第Ⅰ含水岩组，含水介质为冲积、海积的黏性土、粉土、淤泥质黏土和粉砂等，与下部承压水以Q41h 层黏性土及Q41al 层顶部黏性土为相对隔水底板，底板埋深约15～24 m，水质以咸水和盐水为主。

图1 滨海核心区位置示意图

2 潜水的发育分布情况

2.1 潜水含水层的空间分布

潜水一般指地面下第一个稳定隔水层以上饱水带中具有自由水面的地下水；在滨海核心区内潜水含水层一般以第Ⅰ陆相层沼泽相沉积层（第⑦成因层）为隔水边界。潜水水位埋藏深度较浅，多分布在Q43Nal 层、Q41al 层以及Q42m 层粉土等富水层中；其中Q43Nal 粉土富水层属新近沉积层，为古河道洼淀冲积，是滨海地区成陆之后于河漫滩、冲积扇、古河道、洼地等所堆积的土层；Q41al 粉土富水层属第Ⅰ陆相层，属河床-河漫滩相沉积，是全新世晚期河流冲积形成的土层；Q42m 粉土富水层属第Ⅰ海相层，属浅海相沉积，是全新世中期第六次海侵（黄骅海侵）沉积的土层。滨海核心区潜水分布的主要土层见表1。

表1 滨海核心区潜水分布的主要土层

滨海核心区潜水含水层的透水性与富水层的空间发育分布密切相关，且潜水富水层的厚度决定了潜水含水层的调蓄能力。依据天津市海绵城市实践路径相关研究成果，绘制研究区潜水富水层新近沉积粉土③2、上部陆相沉积粉土④2及浅海相沉积粉土⑥3厚度分布图（见图2）。

图2 滨海核心区潜水富水层分布及厚度分区图

可以看出滨海核心区潜水富水层分布并不连续，在天津港、街心公园等地区缺失；厚度一般小于6 m，多数地区小于3 m。受缺失区影响，滨海核心区潜水富水层厚度分布无明显规律，天津国际物流中心以及泰达公园以北地区潜水富水层厚度较大，一般大于3 m。

2.2 潜水含水层的透水性

由于潜水含水层具有独特的孔隙储水结构和孔隙支撑架构，且在一地深度范围内饱水带和包气带相互转化，从而具有较强的吸水能力和给水能力，是典型的地下“海绵体”，可以起到补给和涵养地下水资源的作用。潜水含水层的透水性能直接决定了含水层的传输能力；通常表征潜水含水层透水性能的参数主要是渗透系数，可通过渗水试验确定。

2.2.1 双环渗水试验原理

在一定的水文地质边界以内，向地表松散土层进行注水，当渗入水量趋于稳定时，可按式（1）计算渗透系数k。

式中：k为渗透系数，m/d；Q为稳定的渗入水量，m3/d；F为试坑（内环）渗水面积，m2；Z为试坑（内环）中水层厚度，m；HK为毛细压力，m；l为试验结束时水的渗入深度，m。

2.2.2 双环渗水试验结果

为查清滨海地区潜水含水层的透水能力，统计了64 项工程的现场渗水试验资料（见图3）。滨海地区潜水含水层的渗透系数一般为0.1～0.6 m/d，最大为0.74 m/d。

图3 滨海地区潜水含水层渗透系数统计

为更直观地分析滨海核心区潜水含水层的透水性，基于上述现场渗水试验资料，通过Kriging 插值得到滨海核心区潜水渗透系数等值线分区图（见图4）。

图4 滨海核心区潜水含水层透水性分区图

插值结果表明：滨海核心区潜水含水层渗透系数一般在0.1～0.6 m/d，与图4 统计结果基本一致，为弱透水性。研究区潜水含水层透水性差别较大，总体上北部泰达物流园、天津国际物流中心等地潜水含水层透水性相对较大，渗透系数一般大于0.4 m/d；南部大部分地区潜水含水层透水性相对较小，渗透系数一般小于0.2 m/d。

3 潜水水位动态变化规律

选取天津市潜水水位观测系统中位于滨海核心区的15 口潜水观测井，整理2014-2018年实测最高、最低及平均水位数据，剔除异常值，分析研究区潜水水位动态变化规律。

3.1 潜水水位现状

滨海核心区地貌形态主要为海积冲积低平原、海积低平原，地势低平，地面标高一般为1.0～3.5 m，多盐滩、盐水沼泽和湿地。多年来受人为吹填造陆影响，滨海核心区地势总体东高西低，东部天津港附近吹填地面标高多为3.0～4.0 m，对该区的地下潜水发育分布影响较大。一般来说，地形地貌是地下潜水动态变化的基础条件，控制着地下水位的埋深；滨海核心区的地势起伏与地下水位波动正相关，地势高的区域通常地下水位较高，地势低的区域通常地下水位低。图5 为滨海核心区地貌分区与地下潜水平均水位分布图，可以看出，滨海核心区2018年地下潜水地下水平均水位标高一般为0.2～3.0 m，除个别地区受局部地形影响外，其最高水位标高变化趋势总体与地形地貌及地势高低变化趋同。

图5 滨海核心区地貌分区与地下潜水平均水位分布图

此外，滨海核心区2018年地下潜水最高水位标高一般为0.4～3.8 m，受地形地貌及地面标高影响，除核心区东北部泰达物流园区域外，滨海核心区2018年地下水最高水位标高总体上自西向东逐渐增大；最高处位于天津港附近，局部大于3.8 m，最低处位于滨海核心区西南部郝家沽附近，多小于0.4 m。地下水最低水位标高一般为-0.2～2.8 m，除滨海西站东南部、泰达物流园周边地下水最低水位标高变化无明显规律外，总体上自西向东逐渐增大；最低处位于滨海核心区西南部郝家沽附近，多小于-0.2 m。

3.2 潜水水位年内动态变化情况

为查清滨海核心区潜水水位年内动态变化规律，统计2014-2018年5年间滨海核心区地下潜水最高、最低及平均水位值，并记录出现月份（见表2）。

表2 滨海核心区2014-2018年潜水水位统计表

据表2 可知滨海核心区地下潜水水位随季节变化呈现一定的动态变化规律，近5年最高水位均出现在丰水期的8月；最低水位多出现在2-3月。为直观显示该地区地下潜水水位的动态变化，查清大气降水对潜水水位变化的影响，统计滨海核心区2014年大气降雨量，并结合该区2014年15 口观测井月平均观测水位，绘制该区大气降雨量与潜水水位动态变化关系图（见图6）。可知滨海核心区地下潜水受大气降水影响明显，水位动态基本与气象周期一致，最高水位（2.01 m）出现在夏季丰水期的8月，最低水位（1.54 m）出现在2月；2014年年内最大变幅0.47 m。

图6 大气降雨量与潜水水位动态变化关系图（2014年）

3.3 潜水水位年际变化情况

3.3.1 近5年（2014-2018年）滨海核心区潜水水位总体情况

滨海核心区近5年地下水最高水位标高一般为0.8～4.4 m，受地形地貌及地面标高影响，总体上自西向东逐渐增大；最高处位于天津港东部地区，多大于4.4 m，最低处位于滨海核心区西南角郝家沽附近，多小于0.8 m。最低水位标高一般为-0.6～2.2 m，除滨海西站东南部、泰达物流园西部地区地下水最低水位标高变化无明显规律外，总体上自西向东逐渐增大；最高处位于天津港东部紧邻渤海湾地区，多大于2.2 m，局部大于2.4 m，最低处位于滨海核心区西南郝家沽及其以西地区，多小于-0.6 m。地下水平均水位标高一般为0.2～3.2 m。

3.3.2 近5年（2014-2018年）滨海核心区潜水水位变化情况

对15 口潜水观测井实测资料进行整理分析，统计了滨海核心区2014-2018年地下水水位年变幅以及近5年地下水水位最大变幅（见表3）。选取滨海核心区2014-2018年各年度最高水位标高、最低水位标高和平均水位标高，绘制滨海核心区2014-2018年潜水年际动态变化图（见图7）。

图7 2014-2018年滨海核心区潜水年际动态变化图

表3 2014-2018年滨海核心区潜水水位年变幅情况

通过表3 可以看出，2014-2018年滨海核心区潜水最高水位年际变幅一般为0.02～0.25 m，最低水位年际变幅一般为0.01～0.23 m，平均水位年际变幅一般为0.03～0.09 m，地下水位整体年际变化较小；最高水位、最低水位及平均水位的近5年最大变幅分别为0.36 m、0.24 m、0.17 m，整体变化不大，且无明显变化规律。结合图7 可以看出，近5年滨海核心区地下潜水水位年内变幅较大，自2015年以来滨海核心区地下潜水水位年内变幅一般均大于0.20 m，且地下水水位年内变幅有逐渐变大的趋势。

此外，依据图7 可以看出，除个别年份略有波动外，2014-2018年滨海核心区潜水最高水位整体有上涨趋势，涨幅在0.3 m 左右；近5年最低水位及平均水位变化趋势基本一致，整体上2013-2016年地下潜水水位略有上升，2017-2018年地下潜水水位逐渐下降；至2018年滨海核心区潜水最低水位及平均水位与2014年基本持平，分别为1.63 m 和1.87 m。

潜水水位动态变化是气象、水文、地质、地形以及人类活动综合影响的结果，主要受大气降水、人工开采、地形地貌、区域岩性、气象等因素的综合影响。有研究表明[1]，天津地区潜水水位年动态变化与大气降水量呈明显的正相关，一般平均年潜水水位相对稳定，丰水年水位上升，枯水年水位下降，即近5年滨海核心区降水量的多少直接造成了本区域地下潜水水位的波动；据图7，滨海核心区平均水位自2016年开始逐渐降低，这多与天津滨海地区浅层地下水开采量增加有关。此外，该区东部天津港、东疆港等地区的吹填造陆，直接提升了该区域的地面标高，可能是导致近5年最高水位标高逐渐增高的原因。

4 潜水水质情况

4.1 滨海核心区潜水水质

据2014-2018年滨海核心区各年实测水质简分析资料，6 种离子（K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-）浓度以及总硬度、总碱度、总酸度、游离CO2、总矿化度和pH 指标的最大、最小及平均值见表4。

据表4 可知，有9 项指标含量（除HCO3-、总碱度、pH 值）的最小值出现在2016年，5 项指标含量（K++Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、总矿化度）的最大值出现在2017-2018年，4 项指标含量（Ca2+、总硬度、总酸度、游离CO2）的最大值出现在2014-2015年，表明滨海核心区潜水水质以2016年为分界线，近5年简分析主要指标整体上先减小后增大，水质状况总体仍较差。造成滨海核心区水质较差的原因较多，其中大气蒸发量和工业废弃物的排放对其影响较大。