河北省獻縣地面沉降易發(fā)性分區(qū)及防治建議

董加強，李 偉，石 婷

（河北省地質礦產勘查開發(fā)局第四水文工程地質大隊，河北 滄州 061000）

0 引言

地面沉降是由土層壓縮而引起地面標高降低的一種常見而緩慢的地質現(xiàn)象［1］，日益嚴峻的地面沉降災害會造成地面高程降低、城市內澇積水、影響南水北調引水工程安全、河道防洪排瀝能力降低、影響油田正常開發(fā)等一系列災害［2-3］，嚴重制約當?shù)刂卮蠊こ探ㄔO和經濟高質量發(fā)展。

地面沉降易發(fā)區(qū)是指地質構造、地層巖性、地下水動態(tài)變化和氣候等條件容易或者可能引發(fā)或加劇地面沉降的區(qū)域［4］。地質災害易發(fā)性評價是以基礎地質環(huán)境條件（內在控制因素）為出發(fā)點，靜態(tài)考察地質災害在相對穩(wěn)定的孕災環(huán)境中發(fā)生的可能性大?。?］。

通過對區(qū)域地質環(huán)境條件和地質災害的分布與發(fā)育特征的分析，利用模型方法實現(xiàn)地質災害空間發(fā)生的可能性大小的區(qū)劃，科學評價地質災害易發(fā)性，可為國土規(guī)劃、地質災害防治和監(jiān)測預警提供基礎依據(jù)［6］，為合理調整防控措施提供決策依據(jù)，為地質災害防治規(guī)劃提供科學依據(jù)?；疑P聯(lián)度分析法來源于灰色理論，是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，作為衡量因素間關聯(lián)程度的一種方法，可以減少人為因素的主觀判斷。筆者針對獻縣地面沉降影響因子，運用灰色關聯(lián)度法建立評價模型，對獻縣地面沉降發(fā)育易發(fā)性進行分區(qū)，并提出防治建議。

1 區(qū)域概況

河北省獻縣地處冀中平原，位于滄州市西部，東部與滄縣相鄰，南部與泊頭市和衡水市武強縣相靠，西部與衡水市饒陽縣和肅寧縣相接，北部與河間市相連，下轄18 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積1174 km2，全縣常住人口56.93 萬，是京津冀都市圈、環(huán)渤海經濟圈縣之一，經濟發(fā)展迅速。

獻縣屬沖積扇平原與沖積平原的交接地區(qū)，地勢平坦，海拔10～15 m，坡降約萬分之一。人類工程活動強烈，對地貌形態(tài)破壞較大。獻縣屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，春季干燥多風，降雨稀少，蒸發(fā)強烈，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季干燥寒冷。年平均氣溫11 ℃，年平均降水量560.7 mm。境內主要有滏陽河、滏陽新河、滹沱河、子牙河、子牙新河等5 大河流?？h境西部滏陽河與滹沱河交匯的三角地帶為滯洪區(qū)，俗稱“四十八村”，是全國重點蓄滯洪區(qū)之一。獻縣全境被第四系覆蓋，沉積厚度360～480 m，巖性多為砂、砂礫、粘性土層交錯的巨厚松散砂粘土互層。

獻縣區(qū)域按地下水埋藏條件及動力特征，將第四系松散巖類孔隙水分為淺層地下水（潛水或微承壓水）與深層地下水（承壓水）2 種類型。

淺層地下水賦存于全新統(tǒng)（Q4）地層，底界深度30～40 m，含水層以粉砂為主，少量細砂，厚度7～15 m，條帶狀分布，單位涌水量＜1 m3/h·m，為潛水-微承壓水，動態(tài)類型為入滲-蒸發(fā)型。深層地下水底界埋深480～550 m，含水層巖性為粉砂、細粉砂等，砂層厚度10～60 m，單位涌水量1～5 m3/h·m。其補給來源主要接受側向徑流補給，其次是上覆含水層的越流補給，其動態(tài)類型為開采-疏干型。

2 地質災害發(fā)育現(xiàn)狀

獻縣地質災害發(fā)育類型主要為地面沉降，具有影響范圍大、持續(xù)時間長、發(fā)展時間緩慢、成因機制復雜及防治難度大等特點［7］。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，獻縣地面沉降發(fā)育普遍，縣域內沉降發(fā)育程度不一，沉降速率不同，商林鎮(zhèn)累計沉降量已超過1600 mm，沉降量較低區(qū)域在1000 mm 左右（圖1）。近5 年獻縣境內沉降速率最大值發(fā)生于2017 年，為81 mm/a，近2年整體有減緩趨勢，縣域內沉降速率發(fā)育不均勻，最大沉降速率為50 mm/a 以上，最小沉降速率為20 mm/a 以下（圖2）。

圖1 累計地面沉降量Fig.1 Accumulated land subsidence

圖2 沉降速率Fig.2 Rate of land subsidence

3 地面沉降影響因子

地面沉降影響因子較多且關系復雜，大量研究表明，地下水資源不合理開發(fā)利用是誘發(fā)地面沉降的主要因素［8］，第四系厚度是產生地面沉降的內部影響因素，汪洋等［9］提出第四系地層厚度與地面沉降量大體呈正相關趨勢；杜東等［10］在北京市通州區(qū)地面沉降特征與影響因素研究中，提出了路網(wǎng)密度大小與地面沉降嚴重程度呈正相關。路網(wǎng)密度即區(qū)域路網(wǎng)長度與區(qū)域面積的比值，用來代表影響地面沉降的動載荷。

充分考慮研究區(qū)潛在地面沉降強度和現(xiàn)狀地面沉降強度［11］，結合研究區(qū)地質背景、地下水水文地質條件、沉降發(fā)展現(xiàn)狀及現(xiàn)有社會發(fā)展現(xiàn)狀，確定研究區(qū)6 個影響因子，分為潛在地面沉降影響因子與現(xiàn)狀地面沉降影響因子［9］。其中，潛在地面沉降強度影響因子為：淺層地下水水位、深層地下水水位、第四系厚度；現(xiàn)狀地面沉降影響因素為：累計沉降量、沉降速率、路網(wǎng)密度。

4 影響因子權重

本文根據(jù)灰色關聯(lián)度原理建立評價模型，確定研究區(qū)地面沉降各影響因子權重，減少人為因素主觀判斷，使權重更客觀，定量分析各影響因子間關系［12-13］。

首先確定評價單元，本次評價以獻縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位，將評價區(qū)分為18 個評價單元。將影響因子量化賦值，結合文獻資料及獻縣整體地質情況，按相等組距、相等分裂的方法將影響因子分為4 個等級并賦值（見表1）。

表1 地面沉降影響因子及賦值Table 1 Impact factors and assignments of land subsidence

然后對各影響因子根據(jù)2020 年滄州市地面沉降監(jiān)測報告、2020 年地下水統(tǒng)測結果、河北省北京市天津市區(qū)域地質志和中國分層級道路矢量數(shù)據(jù)（OSM），將獻縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（評價單元）評分賦值，形成數(shù)列，Xi=｛X0，X1，X2，X3，X4，X5｝=｛累計沉降量，沉降速率，淺層地下水水位，深層地下水水位，第四系厚度，路網(wǎng)密度｝，Yj=｛Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y8，Y9，Y10，Y11，Y12，Y13，Y14，Y15，Y16，Y17，Y18｝=｛張村鄉(xiāng)，陌南鎮(zhèn)，樂壽鎮(zhèn)，商林鄉(xiāng)，十五級鄉(xiāng)，淮鎮(zhèn)，高官鄉(xiāng)，臨河鄉(xiāng)，韓村鎮(zhèn)，本齋回族鄉(xiāng)，陳莊鎮(zhèn)，段村鄉(xiāng)，郭莊鎮(zhèn)，河城街鎮(zhèn)，壘頭鄉(xiāng)，南河頭鄉(xiāng)，西城鄉(xiāng)，小平王鄉(xiāng)｝，由Xi和Yj形成賦值結果見表2。

表2 地面沉降災害分值數(shù)據(jù)Table 2 Land subsidence disaster score data

鳳尾魚片的最佳優(yōu)化工藝參數(shù)為：100 g魚肉，3 g精鹽，2 g雞精，5 g五香粉，5 g胡椒粉，10 g土豆淀粉，5 g白糖，0.1 g味特鮮，0.1 g蔥粉，0.1 g姜粉，10 g黃酒，5 g白酒：烘干工藝：每10 dm2 120 g，微波功率3 kW，烘干時間12 min。

表3 賦值無量綱化數(shù)據(jù)Table 3 Assignment of dimensionless data table

以數(shù)列X0為參比數(shù)列，對表3 數(shù)據(jù)計算：

得到絕對差數(shù)列（表4）。

表4 絕對差數(shù)列Table 4 Absolute difference sequence

根據(jù)表4 得 到Δmin=0.01411，Δmax=1.60471，計算關聯(lián)度：

其中，ρ為分辨系數(shù)，取值［0，1］，其不影響關聯(lián)序，一般取值0.5。計算得數(shù)列Xj對參考數(shù)列X0的關聯(lián)系數(shù)，見表5。

表5 Xj對X0關聯(lián)系數(shù)Table 5 Xj to X0 correlation coefficient

根據(jù)關聯(lián)度公式：

由表5 計算數(shù)列Xj對參考數(shù)列X0的關聯(lián)度，得到表6。

表6 Xj與X0的關聯(lián)度Table 6 The correlation between Xj and X0

求矩陣R各行平均值)，i=0，1，2，……，5。根據(jù)式（4）計算各影響因子權重（見表7）。

表7 影響因子權重Table 7 Influence factor weight

根據(jù)影響因子權重計算結果，對各因子進行排序，深層地下水位影響權重最大，其次依次為淺層地下水位、第四系厚度、沉降速率、累計沉降量、路網(wǎng)密度。

5 易發(fā)區(qū)劃分

采用綜合指數(shù)法對研究區(qū)進行地面沉降易發(fā)分區(qū)。

（1）單元柵格劃分。將獻縣縣域進行柵格劃分，每個柵格大小1 km×1 km，共分為1130 個單元柵格。

（2）影響因子指數(shù)計算。對各柵格進行影響因子評價賦值，按照綜合易發(fā)性指數(shù)計算公式（5），用加權的方法計算各柵格單元地面沉降易發(fā)性指數(shù)（G值）。

（3）綜合指數(shù)處理。利用ArcGIS 空間分析功能對各影響因素進行疊加分析，得到疊加后研究區(qū)的易發(fā)性指數(shù)和易發(fā)指數(shù)分布圖（圖3），經計算得到最高值為3.8911，最低值為1.1737（圖4），平均值為2.4455，標準差為0.5195。數(shù)值分布較平穩(wěn)，變異系數(shù)較小，說明研究區(qū)地質災害危險性在區(qū)域上有一定遞變性［14］，低易發(fā)區(qū)與高易發(fā)區(qū)之間有一定過渡區(qū)，突變型的區(qū)域較少。評價柵格中數(shù)值越大，表示地面沉降易發(fā)性越大。

圖3 地面沉降易發(fā)指數(shù)柵格圖Fig.3 Grid plot of land subsidence susceptibility index

圖4 柵格賦值計算結果分布Fig.4 Grid assignment calculation result distribution

（4）易發(fā)區(qū)劃分。對易發(fā)性指數(shù)結合頻率和頻數(shù)，采用自然斷點法［15］，對研究區(qū)進行分區(qū)，劃分為3 級，劃分區(qū)域賦值結果為：高易發(fā)區(qū)域（1.1737～2.0869），中易發(fā)區(qū)域（2.0869～2.7230），低易發(fā)區(qū)域（2.7230～3.8911）。得到易發(fā)分區(qū)劃分和易發(fā)分區(qū)圖（圖5）［16］。

圖5 地面沉降易發(fā)性分區(qū)Fig.5 Zoning map of land subsidence susceptibility

根據(jù)分析結果，獻縣地面沉降高易發(fā)區(qū)主要分布于獻縣西部的陌南鎮(zhèn)、臨河鄉(xiāng)、段村鄉(xiāng)、張村鄉(xiāng)、商林鄉(xiāng)、樂壽鎮(zhèn)、小平王鄉(xiāng)區(qū)域，高易發(fā)區(qū)面積449.844 km2，占獻縣總面積的38.40%；中易發(fā)區(qū)主要分布于獻縣中部的西城鄉(xiāng)、本齋回族鄉(xiāng)、十五級鄉(xiāng)、南河頭鄉(xiāng)、陳莊鎮(zhèn)區(qū)域，中易發(fā)區(qū)面積421.557 km2，占獻縣總面積的35.98%；低易發(fā)區(qū)主要分布于獻縣東部的韓村鎮(zhèn)、壘頭鄉(xiāng)、郭莊鎮(zhèn)、河城街鎮(zhèn)、淮鎮(zhèn)和高官鄉(xiāng)區(qū)域，低易發(fā)區(qū)面積300.156 km2，占獻縣總面積的25.62%。

6 防控措施建議

深層地下水位是影響地面沉降的首要因素，因此應重點加強對深層地下水開采的管理；尤其對高、中易發(fā)區(qū)應加強監(jiān)督，嚴格控制地下水超采、防止偷采地下水，加大建設供水工程力度；低易發(fā)區(qū)應加強關注地下水位變化情況，必要時進一步嚴格地下水資源管理措施［17］。

同時加強地下水、地面沉降動態(tài)監(jiān)測，對高易發(fā)區(qū)增加監(jiān)測點密度，增加監(jiān)測頻次。高易發(fā)區(qū)應加強城鎮(zhèn)市政排水系統(tǒng)建設，防止地面沉降發(fā)育帶來的城市內澇災害［18］。

嚴格執(zhí)行地質災害防治巡排查制度，建立群測群防制度，增強監(jiān)測預警預報工作。加強工程建設活動監(jiān)督管理，加強建設項目地質災害危險性評估，嚴格審批程序。

7 結論

（1）通過灰色關聯(lián)度法分析了獻縣地面沉降各影響因子權重，影響因子中深層地下水位所占權重最大，是影響地面沉降的首要因素。其次是淺層地下水、第四系厚度、沉降速率、累計沉降量、道路密度。

（2）采用綜合指數(shù)法進行了地面沉降易發(fā)分區(qū)，將獻縣劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)3個等級。其中，高易發(fā)區(qū)面積449.844 km2，占獻縣總面積的38.40%；中易發(fā)區(qū)面積421.557 km2，占獻縣總面積的35.98%；低易發(fā)區(qū)面積300.156 km2，占獻縣總面積的25.62%。

（3）根據(jù)地面沉降易發(fā)分區(qū)結果，可以指導當?shù)氐孛娉两捣揽仡A案，針對高易發(fā)區(qū)采取重點防控措施。