華北平原某地區(qū)地面沉降數(shù)值模擬研究

秦 壯

(河北省石家莊水文勘測(cè)研究中心，河北 石家莊 050000)

0 引言

地面沉降是由于地下水、石油或天然氣等礦產(chǎn)開采引起的土壤材料變形。地下水的過度使用導(dǎo)致地下水位下降，減少孔隙水壓力?？紫端畨毫Φ慕档蛯?dǎo)致土層壓縮固結(jié)，地表逐漸沉降。地下水抽取引起的地面沉降是一個(gè)世界性的問題[1]。我國(guó)多個(gè)平原地區(qū)因地下水過度抽取而發(fā)生地面沉降，如山東、遼寧、吉林、河北、陜西、北京等，都面臨著嚴(yán)重的地面沉降問題[2-3]。本文研究區(qū)位于華北平原，是我國(guó)遭受嚴(yán)重地面沉降的典型地區(qū)之一。劉曉帥等[4]利用DInSAR與SBAS InSAR技術(shù)，對(duì)山東濟(jì)南某礦區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，研究表明，在沉降中心區(qū)域，DInSAR與SBAS InSAR的監(jiān)測(cè)結(jié)果與礦區(qū)地面水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果較吻合，該方法可用廣泛于礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)；王曉賀[5]等采用PS-InSAR對(duì)北京焦化廠礦區(qū)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，該礦區(qū)地面沉降的主要原因是工廠對(duì)地下水的過量開采，在進(jìn)行工廠搬遷后，地面沉降速率有所降低；何理等[6]運(yùn)用灰色理論方法，對(duì)天津地下水開采導(dǎo)致的地面沉降進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)估，研究結(jié)果表明，41.57%的研究區(qū)處于高度危險(xiǎn)狀態(tài)；趙超英等[7]采用孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)，研究了西安市魚化寨地區(qū)近三十年來地面沉降變化情況，研究結(jié)果表明，魚化寨地區(qū)地面沉降區(qū)仍在逐步擴(kuò)大，地下承壓水層的地下水開采及工程活動(dòng)是引起地面沉降的主要原因；亓協(xié)全等[8]通過Visual MODFLOW有限差分法，對(duì)濟(jì)南北部深層地下水開采導(dǎo)致的地面沉降進(jìn)行模擬，研究結(jié)果表明，該數(shù)值模擬方法與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為一致，可用于地面沉降預(yù)測(cè)及危險(xiǎn)性評(píng)估；姚博[9]基于Midas GTS軟件對(duì)上海某基坑降水導(dǎo)致的沉降變形過程進(jìn)行模擬，研究結(jié)果表明，地下水的滲流作用對(duì)基坑降水導(dǎo)致的沉降作用有顯著影響。本文基于有限元數(shù)值模擬軟件，對(duì)華北平原某地面沉降區(qū)進(jìn)行三維地面沉降數(shù)值模擬，并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，研究結(jié)果對(duì)于該地區(qū)地面沉降危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有一定參考意義。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

1.1 氣象水文

研究區(qū)位于華北平原，屬暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，但受遼東半島及山東半島影響，呈現(xiàn)較強(qiáng)的大陸性氣候特征。年平均氣溫5℃～9℃，最高氣溫在七月，有記錄以來的最高溫達(dá)41.8℃，平均溫度29℃；最低氣溫在一月，可低至-28℃，平均溫度為-9℃。多年平均無霜期約180 d，占全年的一半左右。該地區(qū)年平均降水量在560～630 mm，降雨量分布不均勻，全年降水量主要集中在7-9月份，占全年降水量的80%以上，冬季降水量?jī)H占全年降水量的3%～4%。根據(jù)該地區(qū)氣象局發(fā)布的資料，研究區(qū)年平均降雨量如圖1(以調(diào)查年份2014年為例)。

圖1 研究區(qū)2014年逐月降水量與歷年同期對(duì)比

由圖1可以看出，研究區(qū)降雨主要集中在7、8、9三個(gè)月，降雨量分別為152 mm,141 mm,135 mm， 1、2、12月降雨量較少，分別為13 mm，10 mm，15 mm，降雨量年度分布嚴(yán)重不均。

1.2 地層巖性

地區(qū)出露的地層為典型的華北型地層。地層發(fā)育較齊全，有太古宙，中、新元古界，古生界，中生界和新生界。

太古宙以片麻花崗巖為主，其中片麻花崗巖中含有斜長(zhǎng)角閃巖、二云母片巖等變質(zhì)巖。中、新元古界包括長(zhǎng)城系、薊縣系、青白口系。長(zhǎng)城系主要分布于白廟子、韓家溝、寺兒堡一帶，包括常州溝組，串嶺溝組，團(tuán)山子組，大紅域組，高于莊組。薊縣系包括楊莊組，霧迷山組，洪水莊組，鐵嶺組。青白口系包括下馬嶺組，長(zhǎng)龍山組，景兒域組。

下古生界僅發(fā)育有寒武系和奧陶系地層。寒武系包括昌平組，饅頭組，張夏組，崮山組，炒米店組。奧陶系包括冶里組，亮甲山組，馬家溝組。上古生界發(fā)育有石炭系、二疊系和三疊系。石炭系包括本溪組。石炭二疊系包括太原組。三疊系包括山西組，石河子組，蛤蟆山組。

中生界發(fā)育有三疊系，侏羅系，白堊系。三疊系包括紅砬組，后富隆山組。侏羅系包括羊草溝組，興隆溝組，北票族，海房溝組，髫髻山組，土城子組。白堊系包括義縣組，九佛堂組，冰溝組。新生界整體處于上升剝蝕階段，大部分地區(qū)未有沉積，僅局部地區(qū)發(fā)育有第四系更新統(tǒng)紅色粉砂質(zhì)黏土和淡黃色土。

1.3 地下水變化特征

研究區(qū)內(nèi)河流眾多，大氣降水是水資源的主要來源，根據(jù)水資源分布區(qū)域可分為地表水資源和地下水資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2002年以來全市地表水資源總量約在3.5～3.7億 m3左右，折合年徑流深34 mm左右，遠(yuǎn)低于多年平均值。地表水資源的減少也影響到了地下水。2014年全市地下水資源總量約3億 m3，較往年有不同程度的降低。此外，地下水過量開采也導(dǎo)致該地區(qū)地下水水位下降的重要原因。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，研究區(qū)地下水位變化數(shù)據(jù)如圖2所示。

由圖2可知，從1985年到2008年期間，1#監(jiān)測(cè)區(qū)和2#監(jiān)測(cè)區(qū)均發(fā)生了較大程度的水位下降，其中1#區(qū)地下水水位從65 m下降到50 m，降低了15 m；2#區(qū)地下水深水位從64 m下降到48.5 m，降低了15.5 m，其中1987年到1996年地下水沉降速率較低，從1996年后沉降速率明顯加快，可能是由于地下水開采速度加快所致。

圖2 監(jiān)測(cè)區(qū)地下水水位變化情況

2 地面沉降數(shù)值模擬

根據(jù)對(duì)研究區(qū)控制點(diǎn)位范圍內(nèi)地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到圖3所示結(jié)果。

圖3 研究區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由圖3可知，1#監(jiān)測(cè)區(qū)中，在距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)位置15 km、35 km、70～110 km處均發(fā)生了較大的地面沉降，地面沉降分別為0.05 m、0.2 m、0.1～0.5 m，最大沉降值為0.55 m；2#監(jiān)測(cè)區(qū)地面沉降發(fā)生在距離基準(zhǔn)點(diǎn)16 km、30 km、85～105 km處，最大沉降量為0.23 m。

圖4 三維地層數(shù)值模擬模型

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

利用ANASYS軟件，選取研究區(qū)范圍內(nèi)的高程數(shù)據(jù)建立三維地層模型，如圖4所示。

由圖4可知，地面沉降值從中心點(diǎn)(C點(diǎn))向周圍擴(kuò)展，呈漏斗狀分布。地面沉降范圍0.1～1.2 m之間,地面沉降最大處發(fā)生在圖4中C點(diǎn)，沉降值為0.90 m，由C點(diǎn)向沉降區(qū)邊緣，沉降值逐漸變小，B點(diǎn)沉降值約0.32 m，A點(diǎn)沉降值約為0.07 m。數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)地監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

從圖5中可以看出，1#范圍內(nèi)地面沉降在基準(zhǔn)點(diǎn)處最大，沉降值為0.2 m，并隨著離基準(zhǔn)點(diǎn)距離增大，沉降值不斷降低，在離基準(zhǔn)點(diǎn)18 km處沉降值降到0.05 m以內(nèi)，可認(rèn)為此處已無地面沉降發(fā)生。在離基準(zhǔn)點(diǎn)4～6 km范圍內(nèi)，沉降值下降較大，表明該處地下水開采嚴(yán)重，實(shí)地調(diào)查表明，該范圍內(nèi)有一化工廠，長(zhǎng)期過量開采地下水，從而導(dǎo)致地面沉降異常。

2#范圍內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)處監(jiān)測(cè)沉降值為0.48 m，與1#范圍內(nèi)沉降結(jié)果一樣，隨著離基準(zhǔn)點(diǎn)距離增大，沉降值不斷降低，在離基準(zhǔn)點(diǎn)18 km處沉降值降到0.1 m以內(nèi)，表明該處地面沉降已趨于穩(wěn)定。地面沉降在距基準(zhǔn)點(diǎn)4～6 km范圍內(nèi)出現(xiàn)顯著增加。

結(jié)合數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果可知,兩者吻合較好,表明該數(shù)值模擬模型具有一定的可靠性,可用于該地區(qū)地面沉降的預(yù)測(cè)。

3 結(jié)語

本文在基于現(xiàn)場(chǎng)地面沉降監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬軟件對(duì)華北平原某地面沉降區(qū)地面沉降進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

(1)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和地下水水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，從1985-2008年期間，研究區(qū)地下水水位從約60～65 m處下降到45～50 m處，下降值約10～15 m，主要是由于地下水過度開采導(dǎo)致的。

(2)現(xiàn)場(chǎng)地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，1984-2004年間，研究區(qū)地面沉降范圍在0.1～0.5 m之間，沉降范圍半徑約18 km；在距監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)月4～6 km范圍內(nèi)，化工廠過量開采地下水是導(dǎo)致該范圍內(nèi)地面沉降較嚴(yán)重的原因。

(3)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比可知，兩者吻合較好，數(shù)值模擬模型可用于地面沉降范圍預(yù)測(cè)。