于 军，束龙仓，温忠辉，武健强，王晓梅，陈 宇，张 于

(1.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018;2.河海大学，江苏 南京 210098)

锡西—澄南典型地面沉降区地面沉降风险评价

于 军1，束龙仓2，温忠辉2，武健强1，王晓梅1，陈 宇2，张 于1

(1.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018;2.河海大学，江苏 南京 210098)

选择长三角苏锡常地面沉降最为典型地段——无锡西部至江阴南部地区，系统分析了地面沉降现状及成因机理，建立了地面沉降风险评价指标体系。结合该区实际对体系中的评价指标进行了优选，依据地面沉降分层标监测数据、各评价指标要素对地面沉降灾害的贡献率分别对地面沉降易发性和易损性指标权重进行了修正。在地面沉降易发性、易损性评价基础上，利用GIS进行了地面沉降风险评价，根据评价结果提出了地面沉降风险控制规划建议。

地面沉降;易发性;易损性;指标体系;风险评价;江苏无锡

0 引言

长江三角洲苏锡常地区因长期过量开采地下水引发了非常严重的地面沉降地质灾害，而锡西—澄南地区则最为典型。该地区位于苏锡常地下水位降落漏斗、地面沉降漏斗中心地带，也是地裂缝灾害多发区，沪宁高速公(铁)路、沪宁城际铁路、西气东输管线等一些国家重要干线工程均通过此处。地面沉降、地裂缝灾害对沿线工程长期安全运行构成威胁，也严重制约了当地经济建设的可持续发展。在该地区开展地面沉降风险评价，旨在通过深入分析地面沉降地质条件、防控过程中的地下水与地面沉降动态关系，评价不同地段的地面沉降风险度，确定地面沉降风险控制的有效方法，为城市规划及防灾减灾提供科学依据，为苏锡常全区地面沉降防控管理积累经验。

1 地质环境概况

1.1 自然地理

锡西—澄南地区位于无锡城市规划区北部和江阴市南部，由10个乡镇组成，行政区划上分属惠山区(玉祁、洛社、前洲、堰桥)，统称为锡西地区;锡山区(锡北、东港)和江阴市(青阳、霞客、祝塘、长泾)统称为澄南地区，面积约690 km2(图1)。研究区内人口密集，经济、交通发达，河道纵横;属亚热带海洋性气候，多年平均降水量1 100 mm。

图1 研究区地理位置

1.2 地貌地质

研究区属华夏系构造体系，地貌以平原为主，地面高程为2～5 m，区内基岩地层发育较齐全，老自震旦系、新至渐新统都有钻孔揭示，但地表出露极少。本区地质构造基本格局主要形成于印支和燕山运动，并控制了第四纪地层的空间分布。从总体上看，区内第四系厚度在80～170 m之间，为一套多层状结构组成的松散沉积物，根据含水砂层的成因时代、埋藏分布、水力联系及水化学特征等，自上而下可依次划分为潜水含水层(组)和第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ承压含水层(组)。

1.3 水文地质条件

研究区第Ⅱ承压含水层是本区主要的地下水开采层位，水质良好，岩性由中更新统冲积相中细砂、中粗砂及含砾中粗砂构成，含水层顶板埋深一般小于80 m，富水性受古河道分布的影响，在古河床部位，富水性好，水量丰富，单井用水量一般100～1 000 m3/d。地下水禁采前水位埋深普遍大于50 m，洛社、玉祁等镇水位埋深超过80 m，致使含水层处于疏干开采状态。2000年地下水禁采后，水位有所恢复，但大部分地区水位埋深仍超过45 m。

2 地面沉降现状与成因分析

锡西—澄南地区地面沉降始于20世纪70年代，到2000年成为苏锡常地面沉降最严重的地区，累计沉降量均超过1 000 mm，不均匀地面沉降引发的地裂缝等地质灾害多达16处。自2000年地下水限、禁采实施后，地面沉降速率明显减缓，但受滞后效应影响，地面沉降仍在继续。截至2006年，从监测资料反映，锡西—澄南地区地面沉降速率已控制在10～20 mm/a之间(图2)。

图2 地面累计沉降量及地裂缝分布图

锡西—澄南地区发生地面沉降主要是因为长期大量开采地下水所致(薛禹群等，2006;于军等，2006a)，砂层中的孔隙水压力由于地下水被抽取后未能及时得到补给或补给量不足而减小，表现为含水层水头降低，即出现“失衡层”。据太沙基有效应力原理，砂粒之间的有效应力也随之增加，砂层中由承压水头承担的一部分应力的逐渐减小，使得含水砂层颗粒重新排序，这种重新排序表现为砂粒水平间的位移及垂直间的压密，砂层产生压缩变形。多年的分层标监测数据显示，含水砂层的压缩变形在总沉降量中占有相当大的比重(于军等，2004，2006a)。

而差异性地面沉降则是地裂缝灾害发生的直接原因，根据以往的研究成果，本区地裂缝成因主要有5种模式，而基岩潜山型、基岩陡崖型则是最主要的成因类型(于军等，2004，2006b)。研究区内，基岩表面形态及埋深的明显差异造成固结土层厚度的不均匀分布，地裂缝正是在这种特定的地质环境条件下，受强烈开采地下水作用，土层产生较大的差异变形，局部拉张应力集中程度超过土层的抗拉强度，导致土层的开裂变形。上述情形在本区地面沉降水准测量和锡山、江阴 GPS监测资料中反映得尤为明显。

3 地面沉降风险评价

地面沉降风险是指地面沉降灾害对人类社会及其生存环境所造成危害或不利影响的可能性及不确定性。开展地面沉降风险评价，可以有效管理地面沉降风险，减小损失造成的影响(图3)。其核心研究内容主要包括在地面沉降风险分析的基础上构建风险评价指标体系、进行地面沉降易发性、易损性评价、开展地面沉降风险综合评估、提出地面沉降风险防控规划建议等(刘会平等，2006;于军等，2008a，2008b)。

图3 地面沉降风险系统要素构成关系示意图

3.1 地面沉降风险评价指标体系

地面沉降灾害风险来源于自然和人为因素两方面，自然风险源包括构造及地震活动、海平面上升等;人为风险源包括过量开采地下水(石油、天然气)以及大规模的工程建设等(王国良，2006)。受体即风险承受者，包括人、生物和区域环境等。图3表示了地面沉降风险系统内各子系统之间的相互关联性及其作用关系。显然，风险源的易发性、受体的易损性两者共同决定了系统的状态，它们在一定的条件下形成地面沉降风险。

基于地面沉降风险系统由风险源的易发性、受体的易损性所决定的特点，本次研究依据系统性、科学性、定量化、可操作性原则构建了风险源易发性指数和受体的易损性指数，其中各指数分别包含若干与地面沉降风险密切相关的社会、经济、管理等指标(表1)。

表1 地面沉降风险评价指标

表1列出了较为完整的体系要素，显然指标过于繁多，可操作性差，评价效果不一定好。因此，本次研究考虑到地区实际，结合前人工作经验，借助地质经验法对评价指标进行了筛选，最终确定软土层厚度、第Ⅱ承压含水层厚度、地下水位变化速率作为易发性评价的3项指标，确定建筑密度、地面高程降低速率、单位面积GDP、人口密度、耕地密度作为易损性评价5项指标。

3.2 地面沉降易发性评价

3.2.1 指标量化评分 通过界定各指标对地面沉降发生产生影响的作用方式、范围以及作用强度的空间分布特征，确定各指标对地面沉降易发性的贡献大小，为各指标进行量化打分，并进行标准化处理，得到各评价指标的量化评分(表2)。

表2 易发性评价指标量化评分

3.2.2 权重处理 评价指标的权重常采用层次分析法、灰色系统分析法等方法确定。本次研究则利用区内前洲分层标自动监测站多年监测数据，分别计算软土层、含水层的沉降量(发现两者几乎呈线性关系，其斜率接近2)，再结合地下水位年变幅，最终确定软土层厚度、含水层厚度和地下水位年变动速率指标对地面沉降的贡献权重分别为0.167、0.333、0.500。

3.2.3 线性叠加评价 本次研究采用多因素权重

借助GIS空间分析功能进行易发性指数的权重线性叠加计算，得到范围为1～3的易发性指数，其中高易发区指数2.3～3.0(面积占28.5%)，主要分布在青阳、霞客等乡镇;中易发区1.7～2.3(面积占41.8%)，分布于祝塘、长泾等乡镇;低易发区1～1.7(面积占25.8%)，分布于堰桥、东港等乡镇;稳定区面积占3.9%。数值越大，对地面沉降产生的贡献就越大，地面沉降就越易发生。图4为最终得到的地面沉降易发性评价结果。线性叠加模型进行地面沉降易发性评价，设软土层厚度F1、含水层厚度 F2、地下水位年变动速率F3，对应的权值分别为 W1、W2、W3，将第 k个单元格参加分级的因子权重全部加起来，即得到该单元格的综合易发性指数：

图4 地面沉降易发性评价图

3.3 地面沉降易损性评价

3.3.1 指标量化评分 易损性评价指标中除地面高程降低速率，均用密度表达，它与研究区大小及位置无关，是空间数据类型，有利于其区域化，采用归一化处理后的无量纲易损性评价指标见表3。

3.3.2 权重处理 采用贡献权重法确定各指标权重，即按照3级划分方法将各因子分为高、中、低3个级别，然后进行贡献率的均值化处理，得到互权重分配结果(表4)。

3.3.3 区划模型叠加评价 利用GIS空间分析对地面沉降易损性进行区划，采用区划模型(式2)对各指标重分类栅格图形赋以权重进行叠加运算，得到地面沉降易损性区划(图5)。

表3 易损性评价指标无量纲化结果

表4 易损性指标互权重分配结果

式(2)中，WVD为易损性计算结果;Wi为互权重;Ui为各指标权重分类值。

图5 地面沉降易损性评价分区图

从图5可以看出，地面沉降高易损性区主要集中在东港镇的北部、祝塘镇和霞客镇的中部、洛社镇的西南部，面积约71 km2，占全区面积10.2%;中易损性区分布在洛社镇、玉祁镇、镇前洲、东港镇的大部分地区，面积357 km2，占51.3%;低易损性区包括堰桥、锡北、青阳等地区，面积 268 km2，占38.5%。

3.4 地面沉降风险综合评估

利用GIS空间叠加分析功能进行地面沉降易发性和易损性叠代运算(李伟等，2006)，将地面沉降风险级别划分为4个等级。1为高风险区，面积占21.6%;2为中风险区，面积占41.2%;3为低风险区，面积占33.3%;4为稳定区，面积占3.9%。最终得到图6所示的地面沉降风险评价结果。

图6 地面沉降风险评价图

图6显示出地面沉降高风险区集中在霞客镇中南部、祝塘中部、青阳中部、洛社东北部、以及玉祁南部地区，总面积约 150 km2，占研究区面积的21.6%;中风险区相对较大，分布在玉祁北部、洛社西南部、前洲全部等地区，面积287 km2，占研究区面积的41.2%;低风险区主要集中在堰桥、锡北、东港南部等地区，面积 231 km2，占研究区面积的33.3%。

4 地面沉降风险控制规划

地面沉降风险控制规划是地面沉降风险评价之后的一项重要内容，是进行风险决策和管理的基础，具有一定的复杂性和难度，本次研究从规划控制措施、工程预防措施、监测预警措施3个方面对研究区地面沉降风险控制规划进行了初步探索(图7)。

图7 地面沉降风险控制规划图

4.1 规划控制措施

在地面沉降高风险区，可考虑改变原有不合理的土地开发利用项目或者转而发展其他项目;在存在现实风险或潜在风险的区域应限制或调控新的建设项目;在不适合任何工程建设的地区，则还要考虑搬迁现有居民和财产，将之辟为城市花草绿地、公园或林地等。

4.2 工程预防措施

对于降低地面沉降风险区，工程措施是一种最直接的方法，既可降低地面沉降发生的概率，又可防止地面沉降发生造成的危害，主要采取地下水人工回灌，压缩开采量等措施。

4.3 监测预警措施

应进一步健全地面沉降监测网络，优化专业监测与群测群防相结合的地面沉降监测预警体系，及时掌握地下水、地面沉降发展变化动态，完善地面沉降预警模型，定期开展地面沉降预测预报，为政府相关部门的科学决策与管理提供基础数据。

5 结论

(1)本次研究系统分析了地面沉降现状及成因，在此基础上建立了地面沉降风险评价指标体系，通过对体系中的评价指标进行优选，使其更加适合研究区实际。

(2)选择软土层厚度、第Ⅱ承压含水层厚度、地下水位变化速率作为易发性评价的3项指标，建筑密度、地面高程降低速率、单位面积 GDP、人口密度、耕地密度作为易损性评价的5项指标，具有一定的典型性、代表性和可操作性。

(3)通过利用地面沉降分层标实际监测数据以及各评价指标要素对地面沉降灾害的贡献率对地面沉降易发性和易损性指标权重进行修正，评价结果更具科学性。

(4)在地面沉降易发性和易损性评价基础上利用GIS开展的地面沉降风险评价，从规划控制、工程预防、监测预警3个方面对研究区地面沉降风险规划提出了相应控制措施，为今后地面沉降防治工作的进一步深化打下了良好的基础。

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Risk evaluation of ground subsidence in typical ground subsidence zones of western Wuxi and southern Jiangyin areas

YU Jun1，SHU Long-cang2，WEN Zhong-hui2，WU Jian-qiang1，WANG Xiao-mei1，CHEN Yu2，ZHANG Yu1

(1.Geological Survey of Jiangsu Province，Nanjing 210018，China;2.Hohai University，Nanjing 210098，China)

As the most typical zones of ground subsidence in Su-Xi-Chang of Yangtze River Delta，their actuality and formation mechanism of ground subsidence were analyzed.Through selective preference for the evaluating indicators in the system，an indicator system of risk evaluation on ground subsidence was established according to the practical situation in the areas along western Wuxi City to southern Jinagyin City.The weights of susceptibility and vulnerability of ground subsidence were revised respectively on the basis of monitoring data of layer wise mark of ground subsidence and influence of various evaluating index for the ground subsidence disaster.The suggestions of ground subsidence risk control were offered based on the evaluation of susceptibility and vulnerability of ground subsidence using GIS method to evaluate ground subsidence risk.

Ground subsidence;Susceptibility;Vulnerability;Index system;Risk evaluation;Wuxi，Jiangsu

P642.26

A

1674-3636(2012)01-0074-06

2011-09-29;编辑：詹庚申

国土资源大调查项目“苏锡常地区地面沉降监测与风险管理”(水［2006］012-02;1212010641203)

于军(1968— )，男，研究员级高级工程师，博士，主要从事水文地质、环境地质研究，E-mail：njhzmyj@163.com

10.3969/j.issn.1674-3636.2012.01.74