浙江溫州永強(qiáng)平原地面沉降成因初探

羅美芳

(溫州市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，浙江溫州 325027)

永強(qiáng)平原行政區(qū)劃隸屬于溫州市龍灣區(qū)，地處溫州市東部，甌江入?？谀习?，面積約100 km2，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布，地勢(shì)低平，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候。地面沉降開(kāi)始于20世紀(jì)90年代末期，自2004年起每年開(kāi)展水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。目前系統(tǒng)的地面沉降調(diào)查與研究尚處于起步階段，為了進(jìn)一步掌握永強(qiáng)平原的沉降機(jī)理，本文在前人相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)地面沉降的成因進(jìn)行分析，為地面沉降的防治提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

永強(qiáng)平原第四紀(jì)地層自中更新世至全新世均有發(fā)育，成因類型復(fù)雜多樣，區(qū)內(nèi)由于構(gòu)造縱橫交錯(cuò)，氣候差異較大，海進(jìn)海退頻繁，溪、江、湖、海交替或聯(lián)合作用，使得第四紀(jì)地層厚度變化大，成因類型十分復(fù)雜。

主要類型有殘積、洪積、沖積、沖海積、湖積、海積等。第四系沉積物厚度變化大。從山麓溝谷區(qū)厚度3～10 m向?yàn)I海平原遞增至150 m，永強(qiáng)平原最厚達(dá)180 m，一般在120～170 m。相變快、巖性復(fù)雜。山麓溝谷區(qū)多為碎塊石及粘性土層;平原區(qū)有粘土、粉質(zhì)粘土、亞砂土、砂礫卵石等巖性層。平面上自山麓至海濱有沖洪積相、海灣湖沼相、河口-濱岸相與海相的變化。垂向上有海相、沖積相、沖洪積相的變化［1］(表1)。

表1 溫州市永強(qiáng)平原第四紀(jì)綜合地層簡(jiǎn)表Table 1 Quaternary comprehensive stratigraphic profiles in Yongqiang plains Wenzhou city

根據(jù)埋藏條件、地層結(jié)構(gòu)與含水特征的差異分為兩個(gè)含水組，即上更新統(tǒng)沖積砂礫石承壓含水組(Ⅰ組)和中更新統(tǒng)沖積、洪沖積砂礫石承壓含水組(Ⅱ組)。第Ⅰ含水組上覆厚層全新統(tǒng)淤泥質(zhì)粘性土與地表水相隔，含水層頂板埋深60～70 m，第Ⅱ含水組頂板埋深95～32 m，與第Ⅰ含水組之間常有1～15 m的粉質(zhì)粘土、粘土相隔，該層開(kāi)采較少，不做統(tǒng)計(jì)分析。

大氣降水、地表水和孔隙潛水等向深層承壓含水層垂向滲透補(bǔ)給微弱，含水層距離甌江上游補(bǔ)給區(qū)較遠(yuǎn)，在平原西部大羅山山前地帶古河道沉積的砂礫石層大部分都尖滅在基巖斜坡帶之下，從而使沖湖積、湖海積的粘性土層與基巖直接接觸，獲得側(cè)向補(bǔ)給的條件較差。人工開(kāi)采是主要的排泄方式。

2 地下水開(kāi)采與地下水位降落漏斗形成發(fā)展

第Ⅰ含水組分布總面積約100 km2，含水組頂板埋深自北向南、自西向東遞增，總厚度約30～50 m，最大厚度超過(guò)60 m。按含水組的結(jié)構(gòu)特征可分為上下兩個(gè)含水層，上層(Ⅰ1)頂板埋深60～70 m，厚度為11～23 m，分布不連續(xù)，巖相變化大，主要分布于平原區(qū)的寧村所-沙村-五溪沙一線以東地帶，下層(Ⅰ2)遍布于平原區(qū)，頂板埋深73～95 m，厚度6～38 m，是主要開(kāi)采層。永中、濱海、永興等地涌水量超過(guò)3000 m3/d，成為主要供水水源地。地下水開(kāi)采始于20世紀(jì)80年代，主要作為生活用水水源，后隨著城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，用水量需求不斷擴(kuò)大，地下水開(kāi)采量、開(kāi)采井?dāng)?shù)直線上升，形成區(qū)域地下水降落漏斗。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)2005年開(kāi)采量為2341×104m3，隨著地下水禁限采工作的深入，以及加大文成珊溪水庫(kù)水引入的力度，地下水開(kāi)采量大幅減少，2010年開(kāi)采量為350.35×104m3。

從圖1與圖2可知，Ⅰ組孔隙承壓水原始靜水位接近地表，從20世紀(jì)90年代末期開(kāi)始以較大幅度下降，并形成區(qū)域降落漏斗，地下水平均水位在2006年達(dá)到最低值-39.5 m，之后開(kāi)始回升。2005年Ⅰ組孔隙承壓水水位較低，-40 m水位閉合圈面積為6.8 km2，從2007年起地下水位逐年上升，至2013年永中地區(qū)已不再是水位降落漏斗中心，且已不存在-25 m的等水位閉合圈。

圖1 2005年永強(qiáng)平原地下水位等值線圖Fig．1 Groundwater level isoline in Yongqiang plain in 2005

圖2 水位點(diǎn)多年水位變化曲線圖Fig．2 Water level point water level variation curve for years

3 地面沉降發(fā)展變化

根據(jù)以往調(diào)查及監(jiān)測(cè)資料，永強(qiáng)平原地面沉降始于20世紀(jì)90年代末期，地下水開(kāi)采量在2005年達(dá)到最大值，之后逐年減少，地下水位以較大幅度上升，但地面沉降仍在發(fā)展，存在滯后性。地面沉降跡象較明顯，多處井管上升8～10 cm，個(gè)別達(dá)20 cm以上。永強(qiáng)平原地面沉降監(jiān)測(cè)控制面積100 km2。2004年11月開(kāi)始首次二等水準(zhǔn)測(cè)量，此后每年監(jiān)測(cè)一次。2009年起平原南部天河一帶開(kāi)始有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.1 地面沉降速率

由圖3～圖4、表2可知，2013年度永中地區(qū)地面沉降速率已基本上小于10 mm/a，永中中心、天河以及海堤沿線地面沉降速率大于20 mm/a，永中最大沉降量28.6 mm，比上年度增加1.6 mm。沉降速率大于10mm/a的面積為51.5 km2，大于20 mm/a的面積為19.3 km2，分別比上年增長(zhǎng) 11.6 km2和4.1 km2。

圖3 2005年永強(qiáng)平原地面沉降等值線圖Fig．3 Land subsidence isoline in Yongqiang plain in 2005

圖4 2013年永強(qiáng)平原地面沉降等值線圖Fig．4 Land subsidence isoline in Yongqiang plain in 2013

3.2 地面沉降范圍和沉降量

據(jù)統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)90年代初至2011年，永強(qiáng)平原地面沉降中心累計(jì)沉降量已超過(guò)300 mm，累計(jì)沉降量最大的地段位于永中和海堤沿線。2004-2011年累計(jì)沉降大于50 mm的面積約為31.2 km2，占永強(qiáng)平原面積的31%。

2013年永中地面沉降中心累計(jì)沉降量為351.1 mm，比2011年增加55.2 mm，累計(jì)沉降量最大的地段位于永中和海堤沿線。2004-2013年累計(jì)沉降大于50 mm的面積為52.7 km2，比2011年增長(zhǎng)21.5 km2，占永強(qiáng)平原面積的53%。

表2 2011－2013年溫州永強(qiáng)平原地面沉降特征值表Table 2 Land subsidence eigenvalue from 2011 to 2013

4 地面沉降成因探討

永強(qiáng)平原地面沉降主要是由開(kāi)采深層孔隙承壓水引起，地下水大量開(kāi)采，補(bǔ)給不夠及時(shí)、有效，造成了地下水位不斷下降，含水砂層中的地下水迅速排向抽水井孔，使含水層孔隙壓力減少，有效應(yīng)力增加，產(chǎn)生壓縮。粘性土在外力作用下，形狀改變，外力停止后，仍保持改變后的形態(tài)。地層巖性和結(jié)構(gòu)特征是產(chǎn)生地面沉降的重要地質(zhì)基礎(chǔ)，尤其是第四系粘性土厚度，山麓溝谷區(qū)粘性土底板埋深小于20 m，雖然部分地區(qū)也有開(kāi)采地下水，但是由于可壓縮地層厚度相對(duì)較小，因此地面沉降速率小于10 mm/a［2-4］。根據(jù)歷年監(jiān)測(cè)資料，永強(qiáng)平原地面沉降除具有塑性變形的特點(diǎn)外，也存在彈性變形，反映了砂礫層的彈性壓密。受地下水位回升的影響，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同程度的標(biāo)高回升現(xiàn)象。

4.1 地面沉降與地層結(jié)構(gòu)關(guān)系

永強(qiáng)平原區(qū)中上更新統(tǒng)由沖積、洪沖積及沖海積地層組成。中更新統(tǒng)以陸相沉積為主，上更新統(tǒng)以河、湖、濱海及淺海相沉積為主。其中河流相沖積砂礫石、砂層，結(jié)構(gòu)松散，是區(qū)內(nèi)的主要地下水含水層。隨著水位的大幅度下降，有效應(yīng)力增加，使砂層顆粒排列更加緊密，孔隙度降低，砂層受到壓密。砂層因孔隙水壓力下降而壓密，待孔隙水壓力恢復(fù)后，砂層大體上仍能恢復(fù)原狀。砂礫類巖土基本上呈彈性變形。全新統(tǒng)主要由海相淤泥質(zhì)粘性土組成。上更新世以來(lái)受海侵影響，形成的海相地層含水量高，抗壓強(qiáng)度低，成為地面沉降主要壓縮層。

永強(qiáng)平原內(nèi)粘性土廣泛分布，層位穩(wěn)定且厚度大，是構(gòu)成平原區(qū)上部的主要層位，屬海相、河口相、湖沼相堆積物，厚度可達(dá)40～80 m。具有天然含水率高、孔隙比大、滲透性差、壓縮性高、強(qiáng)度低等特點(diǎn)。

本次研究選取位于永強(qiáng)平原永中地區(qū)的工程地質(zhì)孔，該孔深165.90 m，揭穿了整個(gè)第四系地層，采取原狀土樣40組，取樣深度范圍為1.5～78.3 m，第Ⅰ含水層頂板埋深78.4 m，與第Ⅱ含水層有1.4 m的粉質(zhì)粘土相隔。根據(jù)土工試驗(yàn)成果，測(cè)試土樣壓縮系數(shù)0.23～1.64 MPa-1，天然含水量25.2% ～62.8%，孔隙比0.72～1.74，液性指數(shù)0.03～1.51，天然含水量、孔隙比與壓縮系數(shù)基本成正相關(guān)性，天然含水量、孔隙比越大，粘性土越容易被壓縮。土層厚度小于20 m時(shí)，壓縮系數(shù)、含水量、孔隙比、液性指數(shù)基本上呈現(xiàn)隨土層厚度增加而遞增的趨勢(shì)，大于20 m時(shí)則隨土層厚度增加而遞減(圖5)。說(shuō)明全新統(tǒng)上段、中段最易產(chǎn)生沉降［5-8］。

不同埋深、不同巖性的土的滲透系數(shù)也各不相同，粘性土滲透系數(shù)與地層埋深之間無(wú)明顯關(guān)系，基本上為10-7cm/s數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相鄰含水層的滲透系數(shù)，造成沉降的滯后性，粘性土層滲透系數(shù)的大小，直接影響排水速率的快慢，與固結(jié)的滯后性成反比(表3)。

4.2 地面沉降與地下水動(dòng)態(tài)關(guān)系

地面沉降通常發(fā)生在松散第四紀(jì)地層分布區(qū)，在相似的地質(zhì)環(huán)境背景和沒(méi)有大面積附加荷載或城鎮(zhèn)工程建設(shè)的情況下，區(qū)域地面沉降的嚴(yán)重程度與該區(qū)域的深層孔隙承壓水動(dòng)態(tài)關(guān)系密切。

永中地區(qū)，區(qū)域地面沉降區(qū)與第Ⅰ含水組的分布以及含水組水位降落漏斗基本吻合一致。永中、天河以東、海堤沿線地面沉降量較大，隨著地下水位的上升，永強(qiáng)平原地面沉降速率逐步放緩。從圖6可知，地面沉降的發(fā)展過(guò)程與地下水水位變化過(guò)程基本保持一致，總體成正相關(guān)性。根據(jù)永強(qiáng)平原地面沉降和地下水的監(jiān)測(cè)資料，采用多項(xiàng)式擬合，得出兩者之間的關(guān)系為:V=0.0422X2+1.9296X+29.68(R2=0.9583)，地面沉降速率與地下水位總體呈正相關(guān)關(guān)系。從圖6～7分析可知，水位標(biāo)高低于-20 m時(shí)出現(xiàn)地面沉降，水位標(biāo)高低于-30 m時(shí)，地面沉降速率變化較快［9-13］。

圖5 永強(qiáng)平原工程地質(zhì)孔粘性土物理參數(shù)隨深度變化圖Fig．5 Relationship between soil depth and its physical parameters in Yongqiang plain

表3 土層室內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistic chart of permeability coefficient

至2010年永強(qiáng)平原已基本關(guān)停深層地下水開(kāi)采井，天河鎮(zhèn)以東地面沉降速率超過(guò)20 mm/a，推測(cè)是濱海園區(qū)許多企業(yè)采取更加隱蔽的方式開(kāi)采地下水，但由于該區(qū)域沒(méi)有地下水位監(jiān)測(cè)井，因此無(wú)法驗(yàn)證。對(duì)照2005-2010年度地下水開(kāi)采量與地面沉降平均速率關(guān)系V=6.4082ln(Q)-30.313(R2=0.9782)［14］，推測(cè)2011-2013年度開(kāi)采量分別為354×104m3、602 ×104m3、875 ×104m3。

圖6 永中地區(qū)C010監(jiān)測(cè)點(diǎn)與監(jiān)60水位點(diǎn)歷年變化關(guān)系圖Fig．6 The trend of C010 monitor point and Jian 60 water level point in Yongzhong area

圖7 永強(qiáng)平原地面沉降平均速率與水位標(biāo)高關(guān)系圖Fig．7 Curve showing the relationship between land subsidence and groundwater level decline in Yongqiang plain

5 結(jié)語(yǔ)

(1)永強(qiáng)平原地面沉降易發(fā)程度受地層結(jié)構(gòu)影響，上更新統(tǒng)沖積砂層是主要的開(kāi)采層，以彈性變形為主，上更新世以來(lái)形成的海相地層含水量高是主要的壓縮層，以塑性變形為主。

(2)根據(jù)土工試驗(yàn)成果，天然含水量、孔隙比與壓縮系數(shù)基本成正相關(guān)性，全新統(tǒng)上段、中段最易產(chǎn)生沉降，粘性土滲透系數(shù)與土層深度無(wú)明顯關(guān)系，基本上為10-7cm/s數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含水砂層滲透系數(shù)，造成沉降的滯后性。

(3)地面沉降的嚴(yán)重程度與地下水動(dòng)態(tài)密切相關(guān)，對(duì)Ⅰ層孔隙承壓水的過(guò)量開(kāi)采是造成永強(qiáng)平原地面沉降的主要外因，地面沉降速率與地下水位總體呈正相關(guān)性，當(dāng)水位低于-20 m時(shí)將出現(xiàn)地面沉降，水位低于-30 m時(shí)沉降速率超過(guò)10 mm/a。

永強(qiáng)平原地面沉降監(jiān)測(cè)起步較晚，對(duì)沉降機(jī)理研究還有待進(jìn)一步深入。目前永中地區(qū)正在開(kāi)展地面沉降分層監(jiān)測(cè)標(biāo)組建設(shè)，建成后可對(duì)地面機(jī)理研究、防治以及地下水資源合理利用提供基礎(chǔ)資料和決策依據(jù)。

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