沧州市地下水开采引起的地面沉降分析?

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【摘 要】根据沧州市深层地下水动态和地面沉降观测资料，通过对引起地面沉降等环境地质问题的地下水位的临界标识的研究，对未来地下水位变化与地面沉降进行了预测，提出防治措施与建议。

【关键词】地下水开采；地面沉降；地下水降落漏斗；环境地质；临界标识

1 概况

沧州市位于河北省东南部，市区地势平坦，目前可供利用的含水层主要包括第Ⅰ至第Ⅳ含水组。第Ⅰ含水组为无压浅水层；第Ⅱ含水组绝大部分为咸水，仅少量开发；第Ⅲ含水组是主要开采层，是诱发地面沉降的主要层位；第Ⅳ含水组作为后备水源，开采量相对较少。

据有关部门资料显示，沧州地区地面沉降已相当严重，尤以沧州市、任丘、河间、黄骅、青县为最，而沧州市乃是最大的沉降中心。

2 地面沉降现状分析

多年过量开采地下水，导致地下水位常年持续下降，最终导致地面沉降。地下水开采量与水位埋深、地面沉降量关系见图1。沧州市区地面沉降始于1970年，当年沉降量9mm，至1986年沉降中心累计沉降量744mm，此阶段的沉降速率为45.94m/a。至1990年，测得沧州市沉降中心（火车站附近）累计沉降量1131mm，此阶段的沉降速率为96.75mm/a，至2001年沉降中心累计沉降量已近2200mm，从1990～2001年沉降速率达100.45mm/a。

75～00年间，地面沉降量随开采量与水位埋深的增加而增加， 79～86年地面沉降速率较之前明显增加， 79年水位埋深值为地面沉降的一个拐点，约为50m；87～00年随开采量的大幅增加，86年的水位埋深值为地面沉降的另外一个拐点，约75m。可见，沧州市要想避免地面沉降必须将水位埋深控制在50m以上，减缓地面沉降须将水位埋深控制在75m以上。

图1 地下水开采量与地面沉降关系图

3 地面沉降机理分析

（1）主要沉降地层的确定

目前可供开采利用的地下水层主要是第四系松散沉积地层，第Ⅲ含水组多年来是地下水资源的主要开采层，漏斗中心的水位埋深已达到95.17m，约占漏斗区有效弹性水头的五分之四，（漏斗区顶板平均埋深117m），埋深≥50m的面积已达5326 km2，占全区总面积的38%，可见其地层的压力平衡受到严重破坏。地面沉降主要是第Ⅲ含水组地层压密变形引起的。

（2）沉降机理分析

由成井资料统计可知，区内第Ⅲ含水组厚度在150～200m，含水砂层累计厚度约占28%，弱透水粘性土层累计厚度约占72%，当开采地下水时，其含水砂层与粘性土层的压密变形具有不同的特点：a. 含水砂层的压密变形特性，当抽取地下水形成降落漏斗后，原来由孔隙水承担的压力转加给砂层颗粒骨架上而发生弹性压密。b. 粘性土层的压密变形特性，当抽取地下水形成水头差时，粘性土层孔隙水沿垂向向相邻砂层释水，导致粘性土层压密，鉴于粘性土的塑性特点和水平方向无限展延条件，其颗粒间发生相对位移及结构孔隙度遭到破坏，其孔隙度和储容水量均不可复原。这说明第Ⅲ含水组占总厚度72%的粘性土层是造成地面永久沉降的根本原因。

4 地面沉降趋势预测

（1）预测方法一：根据观测资料，绘制了沧州市深层地下水漏斗中心水位埋深与地面累计沉降关系曲线，可看出：

①漏斗中心水位埋深≤50m时，其地面沉降速率为2.7mm/m。

②漏斗中心水位埋深50m

③漏斗中心水位埋深75m

（2）预测方法二：假设现有地下水开采条件、开采层与布局均不变，发展势态继续扩展，根据沧州深层承压水1986～2000年的累计开采量与地面累计沉降量的资料进行统计分析，求得回归方程为：

H=791.057+9.687Q

式中：H―预测年的地面累计沉降量（mm）；Q―预测年的地下水累计开采量（m3）。

预测年的累计开采量以1986年至2000年的累计开采量为基点再加上预测年的地下水开采量即为预测年的累计开采量（开采量每年增长率为7.5%左右），由此预测2005至2020年的地面沉降累计量，预测结果见表1。

表1 沧州市漏斗中心地面沉降预测成果表

年份

项目 2005 2010 2015 2020

累计开采量（108m3） 195 280 403 578

预测地面累计沉降量（mm） 2840 3712 4965 6763

（3）预测方法三：根据有关资料，若按照1990～1997年地面沉降的沉降速率118.65mm/a计算，预计到2010年沧州地面沉降中心累计沉降量将达到3504.05mm，2020年沧州地面沉降中心累计沉降量将达到4690.55mm。

5 结论

（1）深层第Ⅲ含水组是本区主要开采层，必须采取有效的节水措施，依靠科学管理来控制沧州地面沉降的发展。

（2）通过地面沉降现状分析，得到地面沉降的两个临界标识：沧州市为避免地面沉降，必须控制地下水位埋深不能大于50m；为减缓地面沉降，必须控制地下水位埋深不能大于75m。到2020年，沧州地面沉降中心累计沉降量将达到4690～6763mm。当地下水位埋深深达到100m时，地面沉降将达到2500mm。

（3）防治措施与建议：必须加强地下水资源的管理，限制深层地下水的开采量，建立和完善地面沉降监测网，进行水资源科学合理调控与利用，合理规划地下水的开采利用，调整地下水开采层位。

参考文献：

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[2]孙晓明，王卫东，徐建国，邢忠信，王兰化等.环渤海地区地下水资源与环境地质问题[M].海岸带地质环境与城市发展论文集，2005（6）.

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[4]王元行，王吉良，王华敏.华北地区沧县出现的地下水环境问题与对策[J].水资源保护，2003，（4）.