滨州市地面沉降成因浅析

纪洪磊

(山东省鲁北地质工程勘察院，山东 德州 253015)

滨州市地面沉降成因浅析

纪洪磊

(山东省鲁北地质工程勘察院，山东 德州 253015)

截至2016年4月，滨州市地面沉降量超过20mm的面积达到了2881km2，约占全市面积的30%，地面沉降灾害日益严重。为查明滨州市地面沉降现状和沉降成因，采用二等水准测量、地下水位监测、钻探取样、测试分析、地下水开采量调查等方法，对比2005年5月、2008年8月、2012年9月、2014年10月、2015年5月、2016年4月等多期二等水准测量数据和水位数据，从点、线、面3个方面进行了累计沉降量和沉降速率的分析，并从山前冲积、洪积平原水文地质单元区和黄河冲积平原水文地质单元区的水文地质特征、地层结构及其力学性质方面进行了滨州市地面沉降成因分析，基本查明了滨州市地面沉降现状及其演变特征，揭示了超量抽取地下水造成地下水位下降和具有较大压缩性的地层结构是影响该区地面沉降的2个主要因素。

地面沉降；二等水准测量；压缩系数；滨州市

1 地质背景

1.1 地形地貌

滨州市主要由黄河泛滥冲积平原、滨海平原、山前冲积洪积平原组成，低山地貌仅在邹平县南部分布。地形自西南向东北微倾斜*山东省地质局第二水文地质队，山东省惠民地区农田供水水文地质勘察报告，1980年。。

1.2 地层

滨州市400m深度内主要为第四纪平原组地层，该组由一套疏松的河湖相、滨海相、海相及山前冲洪积相沉积物组成，厚度250～400m。其岩性上部为浅黄、灰黄色砂质粘土、粘质砂土、粉土夹粉砂；下部为浅灰色、棕红、灰绿色砂质粘土、粘土与粉砂、细砂互层，钙质结核发育，粘性土结构致密。底部见钙质胶结砂岩，与下伏新近纪明化镇组不整合接触①。

1.3 水文地质条件

工作区属于鲁西北平原松散岩类水文地质区，分属于冲积洪积平原淡水水文地质亚区和冲积、海积、冲积平原咸淡水水文地质亚区。

1.3.1 浅层潜水—微承压水

博兴县小清河以南山前地区的含水层受冲积扇控制，多呈片状分布，岩性以粉细砂、细砂为主，其次为中细砂、粉砂，局部地段有中粗砂及小砾石。含水层埋深10～40m，累计厚度5～20m，单井涌水量900～1200m3/d。

小清河以北的广大地区含水层多受古河道制约，呈条带状分布，含水层岩性以粉细砂、细砂为主，其次为中细砂、砂质粘土。含水层埋深15～40m，累积厚度10～30m，单井涌水量960～1360m3/d(图1)。

水位埋深在小清河以南多大于8m，博兴县店子镇、兴福镇及曹王镇一带水位埋深在25m以下，小清河以北的水位埋深一般为1～3m，黄河两侧为1～2m。

1—粉细砂；2—粉土；3—粉质粘土；4—粘土；5—深层地下水埋深线；6—咸水体界线图1 滨州市水文地质剖面图

1.3.2 中深层承压水

中深层承压淡水主要分布在博兴地段，中深层淡水含水层岩性以粉细砂、细砂为主，其次为中细砂、中粗砂及小砾石。含水层埋深在180～270m左右，累计厚度20～50m，单井涌水量960～1440m3/d，水位埋深30～50m。

1.3.3 深层地下水

工作区深层淡水顶界面埋深200～400m，含水层岩性以细砂，中细砂为主，其次是中粗砂、粗砂、砾石及粉细砂，累计厚度20～50m，单层厚度3～5m，最厚可达8m，推降20m，单井涌水量480～1440m3/d，局部可达1680m3/d，水位埋深50～110m。

2 地面沉降现状

2.1 地面沉降现状

截至2016年4月，滨州市沉降量超过20mm的区域面积约2881km2，占全市面积30%。

2005年5月至2016年4月，博兴县全县、滨城区全区累计沉降量均超过100mm。且以小营街办、庞家镇为界，存在2个沉降中心，2005年5月—2016年4月，滨城区沉降中心累计沉降量392mm，沉降速率为35.91mm/a，沉降量超过300mm的区域面积约101km2；博兴县沉降中心累计沉降量667mm，沉降速率为61.10mm/a，沉降量超过300mm的区域面积约705km2(图2)。

1—大于500mm沉降量区；2—300～500mm沉降量区；3—150～300mm沉降量区；4—20～50mm沉降量区；5—小于20mm沉降量区；6—2005年5月—2016年4月沉降量分区线；7—2014年10月—2016年4月沉降量分区线图2 滨州市沉降现状图

2014年10月—2016年4月，滨州市存在无棣、沾化、邹平以及惠民-滨城区-博兴多个沉降区，具体数据见表1。

无棣县沉降区域分布在柳堡—水湾一带，18个月累计沉降量超过20mm的区域面积约309km2，沉降中心的沉降速率为47.3mm/a。

沾化区沉降区域分布在沾化城区—佘家港乡一带，18个月累计沉降量超过20mm的区域面积约240km2，沉降中心的沉降速率为25.3mm/a。

邹平县沉降区域分布在县城—九户镇一带，18个月累计沉降量超过20mm的区域面积约256km2，沉降中心沉降速率为20.0mm/a。

表1 2014年10月—2016年4月滨州市地面沉降现状

惠民-滨城区-博兴沉降区自惠民西部、滨城区北部及整个博兴县呈带状相连，18个月累计沉降量超过20mm的区域面积约2074km2，北部沉降中心18个月累计沉降量为66mm，沉降速率为44mm/a；东部沉降中心18个月累计沉降量为39mm，沉降速率为26.0mm/a；博兴县南部沉降中心18个月累计沉降量为92mm，沉降速率为61.3mm/a。

2.2 地面沉降演变

根据滨城区和博兴县2个沉降中心历年变化曲线图(图3、图4)，滨城区沉降曲线形态呈内凹曲线，博兴县沉降曲线呈外凸曲线，其斜率即为沉降速率，表明滨城区在逐年减小，博兴县在逐年增加。2005年5月—2012年8月，滨城区沉降中心月均沉降4mm，2005年5月—2014年10月，月均沉降3.4mm，2005年5月—2016年4月，月均沉降3.0mm，沉降逐渐变缓。2005年5月—2012年8月，博兴县沉降中心月均沉降2.6mm，2005年5月—2014年10月，月均沉降5mm，2005年5月—2016年4月，月均沉降5.1mm，沉降仍呈增大趋势(表2)。

表2 滨城区、博兴县沉降中心沉降速率变化

图3 滨城区沉降中心标高历年变化曲线图

图4 博兴县沉降中心标高历年变化曲线图

根据表2中沉降速率统计数据，滨城区沉降中心B19点沉降速率2005—2014年逐年减小，2014—2016年有增大趋势。博兴县沉降中心B3点沉降速率2005—2014年呈增长趋势，2014—2016年略微下降，但仍高于B19点历年沉降速率。在多期沉降量剖面图中更为直观(图5、图6)，沿东西、南北剖面，均发生沉降，但沉降速率不同。以庞家镇为界，博兴县地面沉降更为严重，滨城区相对较差，滨城区西部里则街办沉降趋缓。

图5 博兴县-滨城区地面沉降多期剖面图(南北向)

图6 滨城区地面沉降多期剖面图(东西向)

多期沉降剖面上同一点位的沉降线间距即为该时间段的沉降量，线间距越宽，表征沉降量越大，线间距越紧密，表征沉降量越小。滨城区沉降点沉降速率明显小于博兴县沉降点的沉降速率。对应平面图上，博兴县庞家镇以南沉降区面积扩展较快，2012—2016年，300mm沉降量等值线从湖滨镇—吕艺镇一线往北推进到博兴县城北—陈户镇—乔庄镇一线。滨城区沉降范围相对扩展较小，300mm沉降量等值线推进到杜店街办—小营街办—梁才街办一线(图7)。

1—100mm沉降量等值线；2—300mm沉降量等值线；3—500mm沉降量等值线图7 滨城区-博兴县地面沉降多期平面图

3 地面沉降成因分析

3.1 水文地质特征对地面沉降的影响

地面沉降实质是松散地层的压缩固结或压密。粘性土的压缩变形量较砂性土大的多，且粘性土的压缩变形一般不可恢复，即多属于塑性(永久)变形，且在时间上存在滞后性，即压力消失后长时间内压缩变形仍继续发生[1-2]。

诸多研究表明[2-5]，地下水开采是引起华北平原地面沉降的主要因素。对于抽取地下水引起的地面沉降，根据太沙基有效应力原理，土层总压力等于土颗粒间压力与孔隙压力之和。承压水头降低时，水头压力随之减小，原土层中的压力平衡被破坏，原本由固体颗粒和液体共同承担的压力，因含水层与粘性土层中的孔隙水外流，土体有效应力增大，土体颗粒骨架中的孔隙被压缩，造成粘性土层固结，砂层被压密，从而引起地面沉降[6-9]。

华北平原地面沉降均分布于地下水集中开采区，北京、天津、廊坊、沧州及德州地面沉降的产生和发展过程与地下水水位变化过程基本同步或略为滞后，虽然各区沉降与水位降深相应敏感程度不同，但总体呈正相关关系[10-11]。

目前滨州深层地下水降落漏斗有5个，分别为以滨城区、博兴县城、惠民县城、无棣县埕口镇、邹平县城九户镇为中心的地下水降落漏斗(图8)。博兴县地下水漏斗中心水位埋深112.21m(2016年5月)，滨城区地下水漏斗中心水位埋深114.65m(2016年5月)。小清河以北地面沉降漏斗与地下水降落漏斗基本吻合，小清河以南该规律不明显。

1—2005年5月—2016年4月沉降量等值线(mm)；2—2014年10月—2016年4月沉降量等值线(mm)；3—2016年4月深层地下水等水压线(m)图8 地面沉降与水位埋深关系图(2005年5月—2016年4月)

这与水文地质单元有关，小清河以南为山前冲积、洪积平原水文地质单元区，以北为黄河冲积平原水文地质单元区。山前冲积、洪积平原水文地质区含水层受冲洪积扇制约，呈扇状或片状分布，自南向北和自轴部向两侧的扇间地带，含水层颗粒由粗变细，层次逐渐增多，而单层厚度则渐次变薄，随着地质历史演化，地壳不断下沉，冲洪积扇裙亦随之向南退缩，上新世-下更新世的冲洪积扇裙一直延伸到滨北镇—利津县一线，而上更新世-全新世仅局限在小清河以南地区*山东省地质局第二水文地质队，山东省惠民地区农田供水水文地质勘察报告，1980年。。地下水的径流方向由南而北，与冲积、洪积扇根到扇缘轴线方向一致，南北向地下水水力联系更为密切。而中深层咸水体呈楔状由北而南插入淡水含水层，在博兴县城北渐灭，故小清河以南浅、中、深层地下水均为淡水，且地势稍高，引黄条件较差，工农业生产多数依靠抽取地下水。滨城区引黄条件较好，2010年后，深层地下水开采量锐减，且开采层位埋藏深，一般在400m以下，属于微超固结或超固结地层，开采地下水，地层受有效应力作用下地面沉降压缩量相对较小。而小清河南部地区地下水含水层埋深较浅，沉积时间短，尚处于正常固结或欠固结状态，开采浅、中、深层地下水，地层受有效应力作用时，地面沉降压缩量表现更为明显。因此超量开采中深层地下水造成承压含水层水位大幅度下降是滨州市产生地面沉降的一个重要原因[11-17]。

3.2 地层结构及其力学性质对地面沉降的影响

地面沉降量除了与地下水开采量的因素外，还与地层本身结构及其力学性质有关[18-21]。抽取地下水是导致松散地层压缩固结的外因，地层本身结构及其力学性质则是引起压缩固结的内因。博兴县和滨城区两地相同水位埋深的沉降量最大相差31mm，最小相差4mm，造成这一现象的主要原因就是两地地层结构及其力学性质不同而引起的。

地面沉降一般发生在滨海、河流冲积平原以及三角洲平原地区，这些地区的特点是松散沉积层较厚，颗粒较细，具有多层承压含水层和中—高压缩性的粘性土层或淤泥质粘性土层。通过对博兴县和滨城区区内钻孔取样测试对比，发现博兴县城地段含水层厚度小、层数少，可压缩的粘性土平均厚度超过80m，而滨城区含水层厚度大、层数多，可压缩的粘性土平均厚度相对偏小，约42m左右。博兴县粘性土平均压缩系数为0.13MPa-1，孔隙比为0.76，滨城区粘性土的平均压缩系数为0.11MPa-1，孔隙比为0.60[15-17]。粘性土的压缩系数与孔隙比均比博兴县小，因此，粘土层压缩性较大的博兴县沉降量大于滨城区(图9)。具有较大压缩性的地层结构是产生地面沉降的另一个重要因素[18]。

图9 滨城区B1孔-博兴县B7孔压缩系数与深度变化图

4 结论

(1)滨州市5处地面沉降区，滨城区和博兴县沉降较为严重，以博兴县庞家镇为界，南部沉降仍逐年增大，北部沉降有减缓趋势。

(2)超量抽取中深层地下水造成地下水位下降和具有较大压缩性的地层结构是影响该区地面沉降的2个主要因素。

(3)滨州市应在已建立的地面沉降监测网络基础上，加强地下水动态和地面沉降监测工作；调整地下水开采布局、控制地下水开采量；对地下水开采层位进行人工回灌；实行地下水开采总量控制、计划开采和目标管理控制措施。

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AnalysisonLandSubsidenceinBinzhouCity

JI Honglei

(Lubei Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Dezhou 253015, China)

By April 2016, over 20mm area of the land subsidence in Binzhou reached 2881km2, which is about 30% of the total. From May 2005 to April 2016, the cumulative subsidence of whole Boxing, Bincheng are more than 100mm. The subsidence center of Bincheng has reached 392mm, while it is 667mm in Boxing. The land subsidence in Binzhou city is becoming more and more serious. In order to find out the current situation and the causes of land subsidence, through land subsidence measurement, groundwater level monitoring, drilling sampling, testing and analysis, groundwater survey and other methods, comparing second-class leveling data and water level data in May 2005, August 2008, September 2012, October 2014, May 2015 and April 2016, from the aspects of points, lines and surfaces, accumulating settlement amount and settlement rate have been analyzed. From the aspects of geological characteristics, the formation structures and the mechanical properties of hydrogeological units, including the piedmont alluvial plain, the flood plain hydrogeological unit area, and the the Yellow River hydrogeological unit, the current situation and evolution characteristics of land subsidence in Binzhou city have been found. The conclusion reveals that the excessive extraction of groundwater and larger compressibility of strata structure are the two major factors which will affect land subsidence in this area.

Land subsidence; second-class leveling; compression coefficient; Binzhou city

2017-02-17；

2017-03-28；

曹丽丽

滨州市地质环境监测预警工程，编号：BZGC-2013-123；滨州市地质环境监测预警工程(二期)，编号：BZGC-2015-130

纪洪磊(1984—)，男，山东滨州人，工程师，主要从事水工环地质工作；E-mail:jhl0543@163.com

P642.26

B

纪洪磊.滨州市地面沉降成因浅析[J].山东国土资源，2017,33(12)：37-42.JI Honglei.Analysis on Land Subsidence in Binzhou City[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(12)：37-42.