冀东平原地面沉降影响因素及易发性评价

汪洋　单强　马丙太　王锦彪　王颖　董明奇

摘要：为了解冀东平原地区地面沉降机理，揭示诱发地面沉降的主要影响因素，以唐山市平原区为研究对象，通过分析研究区地面沉降现状、第四系地层性质及地下水位埋深等因素，系统解释了引起地面沉降的主要因素，并借助综合危险性指数法进行了地面沉降易发性评价。结果表明：① 研究区地面沉降自北向南逐渐增强，沉降严重地区分布于沿海地带；研究区地面沉降高易发区面积1 859.74 km2，占比为22.30%，中易发区面积为2 699.34 km2，占比为32.36%，低易发区面积3 781.92 km2，占比为45.34%。② 影响地面沉降的内部因素为第四系地层厚度、地下水主要开采层黏性土厚度，外部影响因素为浅层、深层地下水位埋深。研究成果可为提高地面沉降灾害的监测与预警能力提供科学依据。

关 键 词：地面沉降； 综合危险性指数法； 易发性评价； 冀东平原； 唐山市平原区

中图法分类号： P694

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.021

0 引 言

冀东平原地处京津冀城市群和环渤海经济圈，区位优势明显，经济发展迅速，随着经济社会的发展，地下水长期过量开采，冀东平原区发生了不同程度的地面沉降，唐山沿海地区尤为典型和突出［1-2］。地面沉降造成地面高程降低、城市堤坝防洪能力降低、建筑基础下沉、城区内涝积水，加剧沿海地区风暴潮灾害；引起河床下沉，南水北调等水利工程输水能力降低；导致井管抬升，甚至影响采油采水井的使用；地面不均匀沉降还造成墙体开裂和市政管道断裂，乃至影响高速铁路、曹妃甸新区等区域重大工程的安全［1-3］。

地面沉降是一种缓变性的地质灾害，具有难恢复性特点［4］。地面沉降的诱发因素主要有构造运动、软土层自重固结、海平面上升、地下液态资源过度开采等［3］。华北平原范围内由于地下水大量开采，至20世纪80年代地面沉降已具相当规模，次生地裂缝灾害凸显［4］。冀东平原地面沉降作为华北平原地面沉降的重要组成部分，其地面沉降主要分布在滨海平原区。陶志刚引入贮水系数概念，结合地面沉降速率数据，建立了唐山沿海地区地面沉降数学模型，并对该区近10 a 的地面沉降发展情况进行了预测［2］。李志明结合地质特征和inSAR技术，系统研究了河北平原地面沉降机理及发育特征，并利用层次分析法进行了易发性区划［4］。郭海朋等发现华北平原地面沉降与大量开采深层地下水密切相关［5］。

冀东平原地面沉降灾害具有形成时间长、影响范围广、发展迅速、防治难度大、难以恢复等特点，已成为影响经济社会可持续发展的重要因素之一［5］。为进一步了解冀东平原地区地面沉降机理，揭示研究区地面沉降的主要影响因素，本文以唐山市平原区地面沉降为例，通过地层性质、地下水位变化和地面沉降数据，系统分析研究区地面沉降成因，并结合ArcGIS空间分析手段，对研究区地面沉降易发性进行区划，研究成果可为地面沉降灾害的监测与预警能力的提高以及政府有关部门有效行使地质环境管理职能、合理制定社会经济发展规划、减灾防灾提供科学依据。

1 研究区概况

唐山市平原区地处渤海湾西北岸，为陡河冲积平原［6］，总面积8 341 km2。研究区属暖温带半湿润滨海大陆性季风气候，陆域年降水量600～700 mm，海域多年平均降水量647 mm，多年平均蒸发量1 400～1 920 mm［6］。区内河流众多，水系纵横，包括滦河、冀东沿海和蓟运河三大水系［6］。唐山市是河北省最大的重工业城市，至2020年，唐山市国民生产总值已达到7 210亿元，常住人口共有796.42万人，其中城镇人口512.26万人。

唐山市地处华北断坳，Ⅱ级构造单元以宁河-昌黎断裂为界，北部为燕山块陷，南部为冀渤块陷［7］。Ⅲ级构造单元有蓟县坳陷、山海关隆起、黄骅坳陷、渤海中部隆起［7］。第四系岩性由砂质黏土、黏质砂土、砂砾卵石组成，根据第四纪沉积环境、水文地质条件，研究区分为冲洪积倾斜平原水文地质区和冲积海积低平原水文地质区［7］（见图1）。根据地质勘察成果资料和地下水赋存条件，可将第四系地层划分为浅层地下水含水组、深层地下水含水组，研究区生活及工农业用水主要以开采深层地下水为主。

2 研究区地面沉降现状

根据InSAR卫星遥感测绘监测数据和水准测量数据，结合GIS软件空间分析技术，绘制了唐山市平原区2020年累计地面沉降量分区图（见图2）和唐山市平原区2020年度地面沉降速率分区图（见图3）。

2.1 地面累计沉降特征

截至2020年，唐山市平原区累计地面沉降量大于1 000 mm的面积达到97.19 km2，占总面积的1.16%，主要分布于丰南区南部黑沿子以北一带；500～1 000 mm的面积达到856.76 km2，占总面积的10.27%，主要分布于丰南区南部、曹妃甸区西部、汉沽管理区南部区域；300～500 mm的面积达到1 119.19 km2，占总面积的13.42%，主要分布于汉沽管理区北部、丰南区中部尖子沽和大新庄一带、曹妃甸区中部及北部军垦农场和曾家湾一带、滦南县柏各庄一带和胡各庄附近、乐亭县西部小部分区域；小于300 mm的面积达到6 267.86 km2，占总面积的75.15%，主要分布于玉田县、丰润区、滦县、滦南县、乐亭等区域（见图2）。总体来看，唐山市平原区累计地面沉降量自北向南逐渐增大，累计沉降量最大的区域位于丰南区黑沿子镇，累计沉降量大于1 400 mm。

2.2 地面沉降速率特征

由图3可以看出，2020年度，唐山市平原区沉降速率≥50 mm/a的面积为122.67 km2，占总面积的1.47%，主要分布于曹妃甸区黑沿子西部区域及柳赞镇附近；沉降速率为30～50 mm/a的沉降面积为400.23 km2，占总面积的4.80%，主要分布于曹妃甸区西部、丰南区南部和北部大齐各庄附近、乐亭县西部及玉田县南部等地；沉降速率为10～30 mm/a的沉降面積为3 576.75 km2，占总面积的42.88%，主要分布于研究区南部及西部地区；沉降速率<10 mm/a 的沉降面积为4 241.35 km2，占总面积的50.85%。总体上看，唐山市平原区地面沉降速率较大区域分布于沿海地区。

综合水文地质条件和地面沉降现状，唐山市平原区地面沉降相对严重区域主要分布在冲积海积低平原区，地面沉降中心及沉降速率高值区均集中于此；冲洪积倾斜平原区地面累计沉降量一般小于400 mm，沉降速率一般在10 mm/a以下。山前冲洪积倾斜平原区具有基岩埋深较浅，松散堆积物较薄的特点，地下水埋深浅，开采层位以第四系浅层含水组地下水为主，地下水补给以降水入渗补给为主，补给速度相对较快。该区浅层含水层组砂层厚度较厚，地层岩性以砂或者砂土为主，黏性土厚度相对较薄，该区不具备地面沉降快速发展的基础条件。此外，由于该区浅层地下水富水性较好，地下水补给相对较快，即使水位下降也会迅速恢复，这就使得该区地面沉降的发展相对缓慢。只有地下水集中开采区地面沉降量较大，沉降较为集中，形成孤立型的沉降漏斗。研究区山前冲洪积倾斜平原区地面沉降量多低于400 mm，年均沉降量多小于10 mm，只有地下煤矿采空塌陷地区年沉降量超过30 mm，但均低于50 mm。滨海冲积海积低平原区以开采深层含水组地下水为主，地下水的补给方式以侧向径流补给为主，地下水补给速度相对较缓，且该区地层多以黏性土为主，砂层厚度相对较薄。因此，深层地下水开采、黏性土厚度较厚等因素使得该区具备了地面沉降发展的外因和基础条件，加之深层地下水超量开采，地下水水位降幅较大，该区成为了唐山市平原区地面沉降发展最严重的地区。

3 研究区地面沉降影响因素

国内外学者大量研究成果表示，按影响地面沉降的外界因素类型，引起地面沉降的因素主要包括地质构造作用、软土层压缩固结、地震、海平面上升等自然因素，以及地下资源开发利用、地下空间建设所造成的土体形变等人为因素［8-9］。引起地面沉降的内部因素主要有黏性土的岩性、厚度、固结性和渗透性等［10-11］。结合区域地质、水文地质、工程地质等条件，研究区地面沉降主要受地下水开采、地下煤炭开采、第四系地層厚度及黏性土层厚度影响。

3.1 内部影响因素

基于太沙基有效应力原理，地面沉降是由于地下水的开采引起含水层孔隙水压力的下降，土层骨架间的有效应力增加，导致含水层或土层的压缩［4，10-12］。因此，第四系地层厚度和地下水主要开采层可压缩层（黏性土层）厚度是地面沉降产生的重要内部影响因素。

3.1.1 第四系地层厚度

研究区第四系地层由冲洪积、海积构成，广泛分布于平原及滨海地区，第四系地层由下更新统、中更新统、上更新统和全新统冲洪积、海积形成的砂、碎石类土与黏性土互层组成的巨厚松散沉积物组成，其厚度随基底的起伏而变化［7］。根据研究区钻孔资料，自山前向滨海方向，第四系地层逐渐变厚，厚度一般为50～600 m，至滨海地区的丰南区南部、乐亭南部和曹妃甸区部分区域第四系底板埋深在600 m以上。

通过地面沉降与第四系厚度分布情况进行对比发现，研究区累计地面沉降量与第四系地层厚度大体呈正相关趋势分布，第四系地层厚度小于300 m区域的累计地面沉降量多低于100 mm，厚度大于600 m区域累计地面沉降量相对较大，在丰南区南部沿海一带大于800 mm（见图4）。

3.1.2 地下水主要开采层黏性土厚度

研究区山前冲洪积倾斜平原区以开采第四系浅层地下水为主，滨海冲积海积低平原区以开采深层地下水为主，主要开采层对应地层中黏性土层厚度分布情况：山前倾斜平原黏性土层厚度占比较小，滨海平原黏性土层厚度占比较大。研究区地下水主要开采层中黏性土层厚度一般在40～180 m之间，黏性土厚度大于180 m的区域主要在曹妃甸南部。山前倾斜平原黏性土厚度一般介于40～120 m，平均黏性土厚度约65 m，平均占比44.11%；滨海平原黏性土厚度一般介于120～180 m，平均黏土层厚度约131 m，平均占比57.27%（见图5）。

由图5主要开采层黏性土厚度与地面沉降量对应关系发现，山前冲洪积倾斜平原区累计地面沉降量一般小于300 mm，与第四系浅层地层（Qh、Qp3）中砂层厚度较厚、黏性土层厚度相对较薄的规律大体一致；滨海冲积海积低平原区受深层地下水开采影响，乐亭西南部、滦河入海口沿海地区地面沉降迅速发展，地面沉降发育较强区与第四系深部地层（Qp2、Qp1）中黏性土厚度分布情况对应一致。

3.2 外部影响因素

地下水的大量开采是区域地面沉降的主要诱发因素［13-14］，通过收集2020年研究区浅、深层地下水埋深数据，绘制了浅、深层地下水位埋深等值线图。

3.2.1 浅层地下水

据2020年研究区浅层地下水位埋深分布图（见图6），研究区浅层地下水位埋深由北部的山前地带向南部沿海逐渐变浅，滦县与古冶交接一带及丰润中部至玉田东北部一带地下水位埋深大于20 m，约占全区面积的10.10%左右，受开采影响，丰润城区一带水位埋深最大为48 m；玉田、滦南、乐亭、曹妃甸大部及丰南南部地区地下水位埋深小于7 m，约占全区面积的44.57%左右，主要分布在有咸水区。

由于浅层地下水富水性较好，补给相对较快，水位恢复迅速，研究区浅层地下水位埋深与研究区地面沉降分布趋势一致性较差，仅在丰润区和古冶区附近水位埋深及地面沉降速率值较高。

3.2.2 深层地下水

据2020年研究区深层地下水位埋深分布图（见图7），研究区的丰南北部及南部地区、曹妃甸柳赞附近、乐亭西南及东部一带地下水位埋深大于60 m，面积约为856.38 km2，占研究区总面积的10.27%；研究区东侧的滦县东部、滦南县大部、乐亭县北部地区，研究区西侧的玉田大部、丰润西部地区，以及唐山市区北侧地区，深层地下水位埋深小于30 m，面积约为2 821.07 km2，占研究区总面积的33.82%。研究区全淡水区深层地下水平均水位埋深低于浅层水12.62 m，有咸水区深层地下水平均水位埋深低于浅层水48.57 m。与研究区累计沉降量分布情况对比，深层地下水位埋深较大区域与地面沉降高值区分布趋势基本一致，反映了深层地下水位与地面沉降相关性较好，深层地下水开采是引发地面沉降的重要影响因素。

张瑞成通过收集河北东部平原地层的大量测试资料，分析得出第四系地层含氟量随岩性不同而有规律地变化，地层岩性颗粒越细含氟量越高，黏性土总氟含量约是砂性土的两倍［15］。本文分析了唐山市滨海平原区平均累计地面沉降量、沉降中心深层地下水位埋深和深层地下水氟离子平均质量浓度三者随时间变化的关系（见图8）。从图8可以看出，受深层地下水开采影响，地下水位逐年下降，深层含水层水头压力降低，在水头压力差的作用下，其顶底板饱水的高压缩层（黏性土）中的水向含水层释放，释水引起黏土层水头压力降低，发生垂向压缩，导致了该区域地面不断沉降，与此同时，被黏性土所吸附的性质十分活泼的氟离子也随之释放出来，导致深层地下水中氟离子含量增多。由此可知，唐山市滨海地区深层地下水过量开采是导致地面沉降、地下水中氟离子含量增高等环境地质问题的主要原因。

4 易发性评价

地面沉降易发区是指地质构造、地层岩性、地下水动态变化和气候等条件容易或者可能引发或加剧地面沉降的区域［13］。本次地面沉降易发分区采用“综合危险性指数法”评价，综合考虑潜在地面沉降强度和现状地面沉降强度［16］。将研究区进行网络剖分，运用栅格数据处理方法对调查区进行剖分，每个单元面积为3 km×3 km的网络，共分为1 042个单元网络。在分析总结唐山市平原区地面沉降影响因素的基础上，确定地面沉降易发性评价因子。其中，潜在地面沉降强度影响因素包括浅层地下水位埋深因子、深层地下水位埋深因子、第四系厚度因子、地下水主要开采层黏性土厚度因子，现状地面沉降强度影响因素包括地面沉降速率因子、累计地面沉降量因子。

4.1 地面沉降强度指数计算

唐山市平原区地面沉降强度指数的计算主要考虑自然地质环境条件和地面沉降发育现状，选取浅层地下水埋深、深层地下水埋深、第四系厚度、地下水主要開采层黏性土厚度、地面沉降速率、累计地面沉降量6个评价因子，确定各地面沉降强度评价因子强度分级，并进行了评价因子量化指数赋值（见表1）。

通过层次分析法，使用yahhp软件构造“两两比较判断矩阵”，通过专家评分的方法来计算因素权重，并进行判断矩阵一次性检验。通过计算分析，潜在地面沉降易发性评价因子判断矩阵最大特征根λmax=4.000 0，现状地面沉降易发性评价因子判断矩阵最大特征根λmax=2.000 0，二者一致性比例均为CR=0＜0.1，矩阵的一致性较好，可以作为评价地面沉降危险性的判断矩阵。获得各评价单元地面沉降强度指数计算结果，唐山市平原区在地面沉降易发性评价因子判断矩阵见表1。

4.2 地面沉降综合危险指数计算

唐山市平原区地层岩性及结构特征是产生地面沉降的重要影响因素［12］，长期过量开采地下水是引起并加剧地面沉降的主要原因［1］。当前地面沉降发育严重的地域，地层已经压缩到一定程度，地面沉降加重发展的可能性较小。相对于现状条件，潜在地质条件因素更有利于地面沉降发展预测，根据区内实际情况，本次在地面沉降易发性分区评价时，潜在地面沉降强度权值取值比现状地面沉降强度权值要高，分别取为0.6，0.4。根据各评价单元潜在地面沉降强度指数和现状地面沉降强度指数计算结果，按照综合危险指数计算公式，利用ArcGIS空间分析功能对其进行换算叠加，获得各评价单元的地面沉降综合危险性指数。

地质灾害综合危险性指数计算公式：

式中：Z为地质灾害综合危险性指数；

Zq为潜在地质灾害强度指数；

r1为潜在地质灾害强度权值；

Zx为现状地质灾害强度指数；

r2为现状地质灾害强度权值；

Ti为潜在评价因子，包括深层地下水埋深（D0）、浅层地下水埋深（S0）、第四系厚度（Q0）、地下水主要开采层黏性土厚度（N0）；

Li为现状评价因子，包括累计地面沉降量（M0）、地面沉降速率（V0）；

Ai，Bi为各评价因子的权重。

4.3 地面沉降易发性分区评价

根据地面沉降综合危险性指数计算结果，利用ArcGIS软件空间分析功能自动生成地质灾害综合危险性指数等值线图，结合地面沉降监测实际情况综合分析，根据定性定量相结合的原则，按照数值自然断点法，划出唐山市平原区地面沉降易发性分区图（见图9、表2）。

ROC曲线（工作特征曲线）是检验评价结果精度的指标，本文选择综合危险性指数从高到低的区域累计栅格与总栅格的百分比作为横轴，选择对应综合危险性指数区间内累计地面沉降量的平均值与累计地面沉降量的总平均值百分比作为纵轴，将综合危险性指数公式所得数值代入，得到过（0，0），（1，1）的曲线（见图10）。AUC值通常被用来评价计算结果的精度，其为ROC曲线下方的面积，综合危险性指数公式的AUC值为0.771，可见本文所采用的评价方法在研究区适用性较好。

唐山市平原区地面沉降高易发区主要分布于唐山市平原区南部的黑沿子-柳赞-新开口一带、乐亭县东部区域，涉及面积1 859.74 km2，占研究区总面积的22.30%；中易发区主要分布于唐山市平原区中部的东田庄-军垦农场-大新庄及滦南县南部、芦台开发区全部、乐亭县和汉沽管理区大部分区域，面积为2 699.34 km2，占总面积的32.36%；低易发区主要分布于唐山市平原区的城市区、丰润区、玉田县的全部、丰南区和滦南县北部、滦州市南部区域，涉及面积3 781.92 km2，占总面积的45.34%。其中高易发区的区域地面沉降速率大于30 mm/a，局部地区超过60 mm/a，累计地面沉降量大于700 mm，靠近黑沿子附近超过1 000 mm。

5 结 论

（1） 唐山市平原区累计地面沉降量自北向南逐渐增大，累计沉降量最大的区域位于丰南区黑沿子镇，地面沉降速率较大区域分布于沿海地区。

（2） 第四系地层厚度和地下水主要开采层可压缩层（黏性土层）厚度是地面沉降产生的重要内部影响因素，地下水的大量开采是地面沉降产生的外部主要因素。其中，地下水主要开采层黏性土厚度和深层地下水埋深分布情况与地面沉降分布规律相关性最高。

（3） 综合考虑潜在地面沉降强度和现状地面沉降强度，通过综合危险性指数法对地面沉降易发性进行评价，唐山市平原区地面沉降高易发区主要分布于唐山市平原区南部的黑沿子-柳赞-新开口一带、乐亭县东部区域，涉及面积1 859.74 km2，占总面积的22.30%；中易发区面积为2 699.34 km2，占总面积的32.36%；低易发区面积3 781.92 km2，占总面积的45.34%。

参考文献：

［1］狄胜同，贾超，张少鹏，等.华北平原鲁北地区地下水超采导致地面沉降区域特征及演化趋势预测［J］.地质学报，2020，94（5）：1638-1654.

［2］陶志刚.唐山沿海地区地面沉降灾害及对策研究［D］.唐山：河北理工大学，2007.

［3］杨建民，纪森林.抽水导致区域性地面沉降中的s-lnr线性关系［J］.岩土工程学报，2016，38（9）：1606-1614.

［4］李志明.河北平原地面沉降特点及成因机理研究［D］.北京：中国地质大学（北京），2012.

［5］郭海朋，白晋斌，张有全，等.华北平原典型地段地面沉降演化特征与机理研究［J］.中国地质，2017，44（6）：1115-1127.

［6］魏风华.河北省唐山市地质灾害风险区划研究［D］.北京：中国地质大学（北京），2006.

［7］龙舟.唐山市区第四纪岩石地层与年代地层划分与对比［D］.北京：中国地质大学（北京），2010.

［8］秦同春，程国明，王海刚.国际地面沉降研究进展的启示［J］.地质通报，2018，37（增1）：503-509.

［9］杜东，刘宏伟，周佳慧，等.北京市通州区地面沉降特征与影响因素研究［J］.地质学报，2022，96（2）：712-725.

［10］ 李莎，成建梅，宫辉力.基于变渗透系数的地下水开采-地面沉降三维模拟研究［J］.水文地质工程地质，2018，45（3）：14-21.

［11］熊小锋，施小清，吴剑锋，等.弹塑性变形条件下抽水引起的地面沉降三维数值模拟［J］.水文地质工程地质，2017，44（2）：151-159.

［12］肖国强.深部粘性土高压固结机理与地面沉降过程研究［D］.武汉：中国地质大学（武汉），2014.

［13］杨勇，郑凡东，刘立才，等.地下水开采引发的地面沉降易发性区划及控制措施［J］.中国地质，2013，40（2）：653-658.

［14］贾超，姚越，杨霄，等.线性工程地下水开采诱发地面沉降风险研究［J］.人民长江，2022，53（12）：104-110，156.

［15］张瑞成.河北东部平原深层地下水中氟增高的一种机制［J］.水文地质工程地质，1991（1）：56-58.

［16］唐佐其，刘凌云，华兴，等.综合危险性指数法在台江县地质灾害易发性区划中的应用［J］.西部探矿工程，2020，32（3）：26-30.

（编辑：刘 媛）

Influencing factors and susceptibility evaluation on land subsidence in eastern Hebei Plain：case of plain area of Tangshan City

WANG Yang1，2，SHAN Qiang1，2，MA Bingtai2，WANG Jinbiao2，WANG Ying2，DONG Mingqi2

（1.Hebei Key Laboratory of Geological Resources and Environment Monitoring and Protection，Shijiazhuang 050021，China； 2.Hebei Geo-Environment Monitoring，Shijiazhuang 050021，China）

Abstract：

In order to understand the mechanism of land subsidence in the plain area of eastern Hebei Province and to reveal the main influencing factors that induced land subsidence，the plain area of Tangshan City was studied as the research object.By analyzing the current land subsidence in the study area，the nature of the Quaternary strata and the depth of groundwater level，the main factors causing land subsidence were systematically explained，and the land subsidence susceptibility was evaluated based on the comprehensive risk index method.The results showed that：① Land subsidence in the study area gradually increased from north to south，and the areas with serious settlement were located along the coast；the area of high susceptibility to land subsidence in the study area was 1 85974 km2，accounting for 2230%；the area of medium susceptibility was 2 69934 km2，accounting for 3236%；the area of low susceptibility was 3 78192 km2，accounting for 4534%.② The internal factors of land subsidence were the thickness of the Quaternary strata，the thickness of clayey soil of main groundwater extraction layer，and the external influencing factors were the burial depth of shallow and deep groundwater level.The research results can provide scientific basis for improving the monitoring and early warning capability of land subsidence disaster.

Key words： land subsidence；comprehensive risk index method；susceptibility evaluation；eastern Hebei Plain；plain area of Tangshan City

收稿日期：2022-02-16

基金項目：河北省地质资源环境监测与保护重点实验室项目（JCYKT202210）

作者简介：汪 洋，男，工程师，硕士，研究方向为水文地质、工程地质。E-mail：wangyang0ts@sina.com

通信作者：马丙太，男，高级工程师，研究方向为水文地质、工程地质。E-mail：46915181@qq.com