江苏常州地区地面沉降变形特征与生命过程研究

刘明遥，张其琪，龚绪龙，许书刚，顾春生，张 岩

（1.自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏·南京 210018，2.江苏省地质调查研究院，江苏·南京 210018）

地面沉降是一种缓变型地质灾害，主要由于地下水、油气等资源的过度开采导致，是目前影响城市安全的主要灾害之一，预计到2040年全球将有近20%的人类受到地面沉降灾害的威胁[1]。为了有效控制地面沉降灾害，诸多学者对地面沉降的发展过程及模拟预测进行了深入研究，如：采用改进的黏弹流模型建立了苏锡常和上海地区的一维土体三维水流的部分耦合地面沉降模型，模拟了不同水文地质单元的地层形变特征与发展趋势[2]；将黏性土蠕变方程引入含水砂层长期变形计算，并利用常州第二承压含水砂层进行了预测验证[3]；采用生物模型原理和灰色控制系统理论对宁波市地面沉降进行了预测，认为宁波市地面沉降寿命为90年[4]；采用灰色模型预测常州市地面沉降过程，认为至2050年沉降停止[5]；基于苏州地面沉降时空演化特征分析，将苏州地面沉降发展过程划分为地面沉降—沉降加速—沉降变缓—沉降不明显4个阶段；进行划分[6]；基于苏州地区第四纪沉积物的变形规律和沉降阶段探究了地面沉降生命过程，提出了土层压缩潜力的评价方法[7]。但目前这些研究多以沉降阶段的监测成果为基础，预测结果与后期的地面沉降实际发展过程偏差较大，对地面沉降发生发展的全过程刻画不全面。

常州地区曾是江苏省地面沉降重灾区，由于地下水过量开采导致，最大沉降量超过1000 mm。自2000年实施地下水禁采后，区域地面沉降逐年趋缓并出现地面回弹，土体变形呈现出新的特征。为了准确掌握地面沉降发生发展过程，基于地质灾害防治全生命周期管理的理念[8]，以常州地区地面沉降监测分层标近40年的监测数据为基础，系统分析土体在地下水禁采前后的变形特征，从生命周期角度划定地面沉降生命过程阶段，识别关键水位，为新形势下的区域地面沉降防控与地下水资源管理提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 水文地质概况

常州市地面沉降主要发生在主城区（不含金坛区、溧阳市），地貌以冲积平原为主，地势平坦，河网密布（图1）。第四纪松散层较厚，约120～240 m，发育有1个潜水含水层和3个承压含水层组（图2）。潜水在区内广泛分布，含水层岩性以砂质粉土为主，厚度一般在1～3 m之间，水位埋深一般在1～4 m，含水层富水性较差，单井涌水量一般3～10 m3/d。第一承压含水层主要由粉砂、细砂、砂质粉土组成，一般有1～2个砂层，平均厚度20～30 m，单井涌水量一般100～500 m3/d，水位埋深普遍小于5 m。第二承压含水层是历史上主要开采层，由粉砂、细砂、中砂和含砾粗砂组成，分布稳定，顶板埋深一般大于45 m，砂层厚度由南至北逐渐增加，最厚达50 m，富水性好，单井涌水量可达5000 m3/d，该层由于超采导致水位埋深超过80 m，在2000年禁采后不断回升，目前水位埋深已回升至40 m以浅，大部分地区在30 m以浅。第三承压含水层由粉砂、中砂、含砾粗砂组成，局部含泥质，分布不稳定，部分地区缺失，含水层最厚超过60 m，该层历史上存在一定的开采。

图1 研究区位置及累计沉降量图（至2020年）Fig.1 Location of the study area and cumulative subsidence map

图2 水文地质结构概化剖面图（A-A’）Fig.2 Generalized profile of hydrogeological structure

1.2 地面沉降发展历史与现状

苏锡常地面沉降涉及范围广，发生发展过程与地下水开采密切相关。20世纪80年代开始，苏锡常地区由于过度开采深层地下水（第二承压含水层为主），诱发了地面沉降地质灾害[9]，以苏州、无锡、常州三大主城区为中心迅速向外蔓延为区域性沉降漏斗，至2004年累计沉降量超过200 mm的区域达4400 km2，约占苏锡常平原区总面积的1/2，沉降中心累计沉降量超过2 m。为了有效控制灾情，2000年开始实施深层地下水禁采政策，至2005年全面完成禁采工作，封填了近5000眼开采井[10]。禁采后地面沉降不断趋缓，地面沉降得到有效控制，并随着地下水位的持续回升，在常州—无锡形成连片回弹区域，年均回弹速率达5 mm/a。

常州市地面沉降最早发生于20世纪50年代，由于地下水开采井数及开采量增加，主采层二承压水位不断下降形成地下水降落漏斗，至1965年最大水位埋深达20 m，此时地面沉降较轻微。70年代后期水位埋深超过50 m，出现井管相对抬升，地面沉降迹象明显。80年代后，地下水开采井数和开采量进一步增加，开采区域由城区向周围乡镇扩展，地下水位漏斗区不断扩大，至1994年75 m水位埋深等值线已将马杭、戚墅堰、横林包围[11]；地面沉降速率不断增加，最大沉降速率达80 mm/a；沉降区范围不断扩大，形成与无锡、江阴等市相连的区域性地面沉降漏斗，累计沉降量大于800 mm的沉降区面积达50 km2，最大累计沉降量超过了1200 mm。2000年深层地下水禁采后，地面沉降不断趋缓，至2015年，全区沉降速率大于30 mm/a的区域已全部消失，局部地区出现地面回弹；此后地面沉降持续趋缓，无区域性地面沉降。至2020年常州地区累计沉降量超过200 mm的区域面积约796 km2（图1），相比2000年禁采时沉降区范围仅增加约46 km2。

2 禁采前后土体变形特征

常州地面沉降监测分层标建设于1983年，位于常州地面沉降中心区域（图1），累计沉降量超过1000 mm，由1个基岩标、10个分层标、3个地下水位观测孔（第一、二、三承压水位）和1个地面标组成，基岩标成标深度288.09 m，标底岩性为泥岩，1983年开始稳定监测，至2005年12月地面标监测到最大沉降量为704 mm；此后出现地面回弹，至2018年12月累计回弹65 mm。

根据分层标的监测数据得到不同深度土体的压缩量变化情况（表1、图3），其中浅部（0～39.19 m）的第1层、第2层、第3层压缩量很小或基本无压缩，对地面沉降的贡献不大。其他地层均有明显的压缩，压缩量从大到小的顺序依次是第5层、第8层、第4层、第6层、第7层、第9层，其中第5层、第8层、第4层、第6层占总沉降量的93%以上，是主要压缩层。下面结合地下水位对主要压缩层进行分别阐述。

图3 各土层压缩量变化曲线（1983-2020）Fig.3 Variation curve of compression amount of each layer

表1 常州分层标各层形变情况统计（1983-2020年）Table 1 Deformation statistics of each layer of layerwise mark in Changzhou

2.1 第二承压隔水顶板

第二承压隔水顶板地层深度为39.19～92.33 m，由第4层（39.19～71.85 m）与第5层（71.85～92.33 m）两个监测层段组成，其中上部第4层为粉质黏土，可塑—硬塑；下部第5层为淤泥质粉质黏土，软塑。第二承压隔水顶板是该分层标的主要形变层，1983-2005年累计压缩量371.64 mm，占总沉降量的52.8%；2006-2020年累计回弹44.82 mm，占总回弹量的53.5%（图4）。下面对禁采前后第4层和第5层变形特征进行分析。

图4 第二承压隔水顶板变形及水位变化曲线Fig.4 Deformation process of the aquitard above the 2nd confnied aquifer and water level of the 2nd confined aquifer

（1）禁采前地下水位保持极低状态，土层出现压缩趋缓

在地下水禁采前，第二承压水位长期处于极低状态，其中1983-1994年间以平均1.3 m/a的速度持续下降，至1994年12月达78.87 m；1995-2001年间呈回升，平均回升速率为1.31 m/a，至2000年12月为71.14 m。虽然地下水位出现小幅回升，但结合区域上来看，地下水漏斗区域仍在扩大，地下水超采状态仍较严重[12]。因此本次分析认为在地下水禁采前，区域第二承压含水层一直处于超采阶段，监测孔水位小幅回升主要由于局部开采量降低导致。

首先来看与含水层相邻的第5层，该层压缩速率由1983年的40.15 mm/a持续减小到1994年的14.38 mm/a，至2001年减小至2.2 mm/a，表明在70～80 m的水位埋深状态下土层主固结（塑性变形）已接近完成，进入次固结阶段（蠕变）。而第4层在1983-1991年压缩速率变幅不大，平均压缩速率为7.09 mm/a；1992-1994年平均压缩速率增加到11.42 mm/a，压缩速率较大；1995-2001年压缩速率出现明显减小，基本在3～4 mm/a；与第5层相比，该层压缩趋缓相对滞后超过10年以上。

（2）禁采后地下水快速回升，土层滞后稳定后回弹

2000年地下水禁采开始实施后，第二承压水位自2002年开始大幅回升，平均回升速率约2.5 m/a，至2018年埋深已小于30 m；地下水漏斗区不断缩小[13]，2020年常州地区已无水位埋深超过40 m的漏斗区。

地下水禁采后，第5层压缩基本停止，并在2003年开始回弹，平均回弹速率1.5 mm/a。第4层压缩速率进一步减小，至2006年减小至0.2 mm/a；2007年开始回弹，平均回弹速率1.6 mm/a，相比第5层回弹滞后时间约4年。

对比第5层和第4层两层的形变特征来看，1983-2005年单位厚度压缩比分别为12.04 mm/m、3.83 mm/m，第5层是第4层的3.1倍；2006-2019年单位厚度回弹比分别为1.02 mm/m、0.59 mm/m，第5层是第4层的1.7倍。造成这两层形变特征差异原因主要有三方面：第一是岩性差异，第5层为软塑的淤泥质粉质黏土、夹薄层粉砂，而第4层为可塑的粉质黏土、含铁质和钙质胶结砾块，第5层的可压缩性和渗透性优于第4层；第二是第5层与含水砂层相邻，渗流路径短，孔隙水压力传导快；第三是变形阶段不同，第5层在1983-1994年间主固结阶段已基本完成，而上部粉质黏土层未表现出压缩速率减小，说明主固结仍在继续。

2.2 主采含水砂层

常州分层标第二承压水位与第三承压的水位波动基本一致，在禁采后水位变化基本相同，表明这两个含水砂层之间的隔水层不是连续分布，具有直接的水力联系（图5）。

图5 第二承压含水砂层与第三承压含水砂层压缩量及水位变化曲线Fig.5 The sand deformation and water level change curves of the 2nd and the 3rd confined aquifers

（1）第二承压含水砂层

第6层为第二承压含水砂层，深度为92.33～109.09 m，厚度为16.76 m，岩性为粉砂、细砂。该层在1983-1994年压缩速率基本在5 mm/a以上；1995-2001年压缩明显趋缓，由1995年的2.94 mm/a逐渐降低至2001年的1.02 mm/a；2002-2020年基本稳定，呈轻微回弹。

第二承压含水砂层并未随着地下水位回升而立即出现回弹，大约滞后了6年。表明含水砂层不仅存在塑性变形，还有一定的蠕变变形[14]。

（2）第三承压含水砂层

第8层为第三承压含水砂层，深度为118.5～144.78 m，厚度为26.28 m，岩性为粉细砂、细砂夹粉质黏土、黏土。1989-1994年第三承压地下水位快速下降，平均下降速率1.6 m/a，含水砂层压缩速率由1983年的3.14 mm/a增加至1988年的10.24 mm/a，此后基本保持在10 mm/a以上；1995-2000年地下水位仍下降，但下降速率有所趋缓，至2000年水位埋深超过72 m，含水砂层压缩速率有所减小，基本在6 mm/a以上；2001-2020年地下水位快速回升，平均回升速率2.43 m/a，含水砂层压缩速率在2001-2003年迅速减小至2.7 mm/a，2004-2010年基本稳定，2011年开始回弹。第Ⅲ承压含水砂层压缩滞后约9年，造成其压缩滞后时间较长的主要原因是该层段内有5.4 m厚的粉质黏土、黏土，占该层厚度的20%。

对比第6层与第8层形变特征来看，随着地下水位的回升，含水砂层均表现为压缩速率逐渐减小后回弹，存在一定的滞后效应，表现为一定塑性变形和蠕变。

2.3 其他层段

第7层为第二与第三承压之间隔水层，深度为109.09～118.50 m，厚度为9.41 m，岩性为粉质黏土，局部含砾石。由于其厚度不大，能够产生的形变量较小，最大压缩速率仅3.37 mm/a。其形变过程与第Ⅱ承压含水砂层较一致，随着水位回升，地层也出现回弹。

第9层为第三承压下段地层，深度144.78～288.09 m，但在185.6 m以下基本为泥岩，因此其主要监测层段为144.78～185.6 m，厚度为40.82 m，岩性为粉质黏土、粉细砂、泥岩、泥质砂砾层。该层形变量较小，年变化量在3 mm/a以内。由于岩性组成较为复杂，且缺少水位监测数据，这里不进行分析。

3 地面沉降生命过程的阶段划分

相比突发地质灾害，地面沉降的生命周期具有多次性，即第一次沉降结束后，随着水位的变化，会进入第二次沉降，但由于地层形变不可完全恢复，第二次形变幅度会小于上一次。因此，通过建立一个完整的地面沉降生命周期，可以判定地层所处的生命过程阶段，这对于地下水位管控与地面沉降防治具有一定的实际价值和指导意义。

3.1 沉降生命过程

本次以常州分层标主要形变层（第二承压含水砂层及其顶板）变形特征与主采层水位（第二承压）的响应关系为依据，结合区域地面沉降发展历史，探索建立常州地区地面沉降生命周期，划分五个地面沉降生命过程阶段（图6）。

（1）地下水位初步下降，主采含水砂层压缩阶段（A）

对应时间为20世纪50年代至70年代初。此时期地下水开采量少，主采层第二承压水位下降速度较慢，沉降量主要来自第二承压含水砂层压缩，以弹性形变为主，压缩量较小。地下水位下降速率和含水砂层压缩速率均呈平缓并有加速趋势。

（2）地下水位快速下降，隔水层快速压缩阶段（B）对应时间为20世纪70年代初至1995年。此时期地下水开采量剧增，第二承压水位迅速下降，漏斗区面积不断扩大，当第二承压水位下降至30～40 m时，地面沉降进入快速压缩阶段[12]。常州分层标在1983-1995年总沉降速率基本在40～50 mm/a之间波动，地面沉降速率平稳，表现为线性沉降。其中第二承压隔水顶板累计压缩327.74 mm（占比58.3%）、第二承压含水砂层累计压缩68.34 mm（占比12.2%）、第二与第三承压之间的隔水层累计压缩34.6 mm（占比6.2%）、第三承压含水砂层累计压缩97.86 mm（占比17.4%）、其他层段累计压缩33.17 mm（占比5.9%），可见此阶段沉降贡献量主要为第二承压含水砂层及上部隔水层，其中弱透水层压缩比重超过含水砂层。含水砂层仍以弹性形变为主，并伴有塑性形变；隔水层以塑性形变为主，伴有弹性形变。

（3）地下水位保持最低状态，地层压缩速率趋缓阶段（C）

时间对应为1995-2001年，此时期虽然分层标第二承压水位有所回升，但区域上地下水位降落漏斗仍在扩展。由于地下水位长期处于在一个极低状态（埋深在70～80 m），第二承压含水砂层固结接近完成，压缩速率由1995年的2.94mm/a逐渐降低至2001年的1.02 mm/a。第二承压隔水顶板也由主固结（塑性变形）阶段进入次固结（蠕变）阶段，压缩速率由1995年的18.33 mm/a逐渐降低至2001年的5.84 mm/a。

（4）地下水位回升初期，地层压缩滞后阶段（D）

时间对应为2001-2006年，此时期地下水禁采工作全面实施（2005年底完成全面禁采），地下水位快速回升。第二承压含水砂层2001年停止压缩，压缩滞后约6年，并在2003年出现回弹，回弹时水位埋深约65 m。第二承压隔水顶板呈轻微压缩，至2006年停止压缩，相比含水砂层滞后5年。此阶段含水砂层为弹性形变，隔水层为蠕变。

（5）地下水位大幅回升，地层回弹阶段（E）

时间对应为2006年以后，随着地下水位不断回升，第Ⅱ承压含水砂层继续回弹，但回弹量较小，2007-2020年累计回弹仅7 mm；同时第二承压隔水顶板也出现回弹，2007-2020年累计回弹44.7 mm，是回弹主要贡献层。此阶段各地层均为弹性形变，含水砂层回弹潜力小，隔水层回弹潜力较大。

3.2 临界地下水位

通过地面沉降生命过程阶段划分可以看出，不同阶段的过渡均对应一个地下水位埋深值，在这里我们称之为临界水位，并识别出三个临界地下水位（图6）。

首先是阶段A向阶段B过渡的快速压缩临界水位，标志地面沉降进入快速发展期，该水位埋深为30～40 m。

第二个是阶段B向阶段C过渡的历史最低临界水位，该水位为本次地面沉降生命周期中保持的历史最低水位，该水位埋深为70～80 m。根据先期固结压力理论，当地下水位不再低于历史最低水位时，黏性土层不会产生较大压缩。

第三个是阶段C向阶段D过渡的压缩转回弹的临界水位（压缩—回弹临界水位），是地层经历过一次压缩后，随着地下水位回升，经滞后效应后首次出现回弹时的水位。该水位的意义在于当地下水位再次下降时，只要水位不低于压缩—回弹水位，地层只会出现少量的弹性变形。第二承压含水砂层压缩—回弹临界水位约65 m，第二承压隔水顶板压缩—回弹临界水位约57 m。

4 主要回弹层趋势预测

为了掌握禁采背景下地层回弹的趋势，通过建立地面沉降相关分析模型，对常州分层标主要回弹地层进行预测，进一步完善地面沉降生命过程。

4.1 相关因子分析及模型建立

常州地区地面沉降是深层地下水过量开采导致，其累计沉降量与主采层地下水位之间大致呈S形线关系[15]，随着禁采后水位回升，主采含水砂层及相邻隔水层均出现回弹，各层回弹过程与地下水位之间同样具有很好的相关性。因此本次对分层标监测的地层回弹过程与地下水位进行相关分析，并结合地层回弹特征，采用S形线中的Boltzmann模型进行拟合。模型一般式为：

式中：y为形变量，是地层累计回弹量，单位为mm；x为地下水位变幅，是地层开始回弹时的地下水位累计回升量，单位为m；dx为常数，是地下水位与地层回弹之间的传导系数，单位为m-1；x0为常数，是地层由快速回弹转向趋缓时的水位变幅，此时拟合曲线斜率为1，对应回弹量为（A1+A2）/2，单位为m；A1为常数，其拟合结果为负数，以表征地层回弹的滞后性，单位为mm；A2为常数，是地层最大回弹量，单位为mm。

4.2 模型拟合与预测

以2006-2020年累计回弹量来看，第二承压隔水顶板（第4层和第5层）累计回弹44.82 mm，占总回弹量的53.5%；第二承压含水砂层（第6层）累计回弹7.94 mm，占总回弹量的9.5%；第二三承压隔水层（第7层）累计回弹5.96 mm，占总回弹量的7.1%；第三承压含水砂层（第8层）累计回弹7.42 mm，占总回弹量的8.9%；第三承压下段地层（第9层）累计回弹17.56 mm，占总回弹量的21.0%。可见常州分层标主要回弹层为第二承压隔水顶板，其他层段虽有回弹，但回弹量极小，因此对第二承压隔水顶板进行预测。拟合时间起段为2005年6月至2017年12月，通过拟合得到曲线和参数（表2、图7）。

图7 第二承压隔水顶板拟合曲线Fig.7 Fitting curvee of the upper aquitard of the 2nd confined aquifer

表2 拟合与预测结果Table 2 Fitting and prediction results

以线性差值估算2025年地下水位埋深，并带入相关模型得到2025年地层累计回弹量。至2025年水位埋深回升至17.75 m时，第二承压隔水顶板累计回弹47.04 mm，2018-2025年平均回弹速率为2.13 mm/a，是2005-2017年平均回弹速率的37%，回弹速率大幅减小，回弹将逐渐趋于停止。

5 结论

以常州地面沉降监测分层标近40年的沉降和水位监测数据为基础，系统分析了禁采前后地层变形特征与地下水位的响应关系，划分了地面沉降生命过程阶段，得出以下结论：

（1）1983-2005年，常州分层标第二承压隔水顶板累计压缩327.74 mm（占比58.3%）、第二承压含水砂层累计压缩68.34 mm（占比12.2%）、第二与第三承压之间隔水层累计压缩34.6 mm（占比6.2%）、第三承压含水砂层累计压缩97.86 mm（占比17.4%），其他层段累计压缩33.17 mm（占比5.9%），地面沉降主要贡献层为主采含水砂层及其相邻隔水层，其中第二承压含水砂层及其隔水顶板占比最大。

（2）1995-2001年，当地下水位埋深长期处于70～80 m时，第二承压含水砂层与隔水顶板压缩速率开始逐年减小，其中含水砂层压缩速率由1995年的2.94 mm/a逐渐降低至2001年的1.02 mm/a，表明在该水位状态下含水砂层固结接近完成；第二承压隔水顶板压缩速率由1995年的18.33 mm/a逐渐降低至2001年的5.84 mm/a，表明在该水位状态下隔水顶板由主固结（塑性变形）阶段进入次固结（蠕变）阶段。

（3）2005年地下水全面禁采后，地下水位持续回升，含水砂层与隔水层均出现回弹，均表现为弹性形变。2006-2020年第二承压隔水顶板累计回弹44.82 mm（占比53.5%）、第二承压含水砂层累计回弹7.94 mm（占比9.5%）、第二三承压隔水层累计回弹5.96 mm（占比7.1%）、第三承压含水砂层累计回弹7.42 mm（占比8.9%）、第三承压下段地层累计回弹17.56 mm（占比21.0%），地面回弹主要贡献层为第二承压隔水顶板。

（4）将常州地区地面沉降生命过程划分为五个阶段，识别出三个临界水位，分别为快速压缩临界水位（水位埋深为30～40 m）、历史最低临界水位（水位埋深为70～80m）、压缩—回弹临界水位（第二承压含水砂层约65 m，第二承压隔水顶板约57 m），这三个临界水位对于地面沉降防控措施制定以及地下水位控制红线优化具有重要实际意义。目前常州地区地下水位控制红线为（禁采水位埋深）50 m[16]，因此可根据地面沉降生命周期理论与临界水位，建立精细化的地下水位分区管控模式，将地面沉降控制在土体的弹性变形范围内，实现地质环境保护与地下水资源科学利用并举，充分发挥地下水的优质资源属性。

（5）目前常州分层标处地面一直处于回弹，各段地层均进入到地面沉降生命过程第五阶段，但回弹不会持续下去。根据主要回弹层预测结果显示，2018-2025年第二承压隔水顶板累计回弹量为14.95 mm，年均回弹速率为2.13 mm/a，是2005-2017年平均回弹速率的37%，回弹速率大幅减小；同时随着地下水位回升趋于停止，地层回弹也会不断减小并进入稳定期。地层累计回弹总量有限，不会产生次生环境地质问题。