罗立红，白晋娬，吕潇文，邵 兴

（天津市地质环境监测总站，天津 300191）

基于长期监测的天津市地面沉降影响分析

罗立红，白晋娬，吕潇文，邵 兴

（天津市地质环境监测总站，天津 300191）

根据天津1950年以来的研究成果，结合长期监测资料，首次对天津地面沉降影响因素进行量化分析。通过本次分析发现不同地区地面沉降影响因素组成不同，即使开采同一层位地下水其引起的沉降变形量差异较大，这给地面沉降量化分析增加了难度。本次主要依据地面沉降影响因素分布，对天津市地面沉降影响因素进行分区，根据近5年来沉降速率均值又进一步分了亚区；以D2亚区为例，分析了地面沉降影响因素比例，其中500m以浅地下水及500m以深流体开采比例均较大，因此在控制该区地面沉降发展时可以对500m以浅及500m以深流体开采分别建立监管体系。

地面沉降；影响因素；量化分析；长期监测数据

天津于1959年发现地面沉降，上世纪70年代以来，天津市开始布设地面沉降监测一等水准控制网，到2012年天津地面沉降监测体系已经比较完善，主要包括水准监测网、GPS监测网、分层标组监测、地下水动态监测网，通过这些监测手段得出的成果基本能反映区域地面沉降灾害发展情况、垂向上不同含水组开采对应地层变形特征、沉降中心与地下水开采漏洞对应情况等。近年来天津地面沉降机理研究、控制地面沉降工作措施方法都有的进一步认识与提高，然而对各类因素对地面沉降量化成果较少。国内对地面沉降影响因素定量分析主要应用在没有分层标监测的地区，且主要分析各含水组与地面沉降的对应关系[1]。因此本文考虑各种因素影响程度不同，主要依据长期监测资料进行量化分析。

1 地面沉降量化分区

由于地理位置、构造部位、地层等条件的不同，影响天津地面沉降的各因素分布具有明显差异性。根据以往研究成果及监测资料，结合天津目前地下流体资源开采范围、规模和城市建设发展方向，绘制出天津市平原区近年来地面沉降影响因素分区[2]。

其中各因素分布范围如下：

（1）构造因素：主要分析宝坻断裂以南区域；

（2）软土分布：西青大寺、东丽、大港区的部分区域，津南、塘沽、汉沽所有区县；

（3）地下水开采分布：在宝坻以南的平原区；

（4）地热开采分布：主要集中在中心城区、滨海地区和武清杨村地区；

（5）油气开采：主要集中在大港南部；

（6）人类工程活动：各乡镇中心均有不同程度的人类活动；大规模工程活动集中在武清杨村地区、中心城区和滨海新区。根据上述各影响因素分布情况进行影响因素的叠加分区，综合考虑每个区人类活动强烈程度，将宝坻断裂以南区域主要分为5个不同影响区（图1），各区地面沉降影响因素如表1所示。

图1 天津市地面沉降影响因素分区Fig.1 The zoning of influence factors of land subsidence schematic in Tian jin

表1 地面沉降影响因素分区Table 1 The zoning of influence factors of land subsidence

2 长期监测资料的量化分析

根据天津地区积累的大量实测数据进行分类整理，首先对各类影响因素进行量化分析，然后结合分层标实测资料对各区域地面沉降进行分区量化分析。

2.1 各类因素量化方法

（1）构造活动

首先分析该区域构造单元划分，然后对同一构造单元内各点进行构造引起沉降变形分析。主要分析方法又可分为两大类，一类为历史水准点沉降分析，主要依据1959年以前水准监测点沉降情况；二类为沉积物同位素测龄、考古、垂直形变剖面、断层位移测量等方法，间接反映构造活动对地面沉降影响程度。对同一构造单元内各点的结果取算术平均值可作为本构造单元因构造活动引起的沉降变形量。在前人研究基础上进行总结，将宝坻断裂以南地区由构造活动引起的沉降划分为两个区，沧县隆起、冀中坳陷地区平均沉降为1.5mm/a，黄骅拗陷地区平均沉降为2.0mm/a。

（2）地震

地震是突发性的灾害，它是地球内部地应力逐渐聚集、释放与消散的过程。在这一过程中，地应力的变化对地面沉降的影响是存在的，有时也是严重的。依据唐山地震时，天津监测资料显示临震和震时阶段，将引起地面沉降的明显下降，而在震后，地面沉降则明显减缓。上述资料仅是唐山地震时，对天津地面沉降的影响，是不是普遍规律，尚无其他资料证实。

（3）欠固结软土

滨海地区第一海相地层基本为欠固结的软弱土层，为监测其变形规律，在塘沽、汉沽、开发区、临港工业区等所建设的分层标组中，均有分层标控制该地层的变形规律。

以军粮城第一海相层（监测深度4～18m）分层监测标资料显示自1995年至2009年累计变形量14.55mm，平均0.97mm/a。该分层标坐落于工厂内，周围建筑物较少且未见高层建筑。受工厂改造施工影响，2010年以后该分层标房周边有基坑开挖工程。

市区大直沽、陈塘庄分层标组中，也埋设了控制第一海相地层的分层标，但长期监测资料显示，几十年来没有明显的压缩变形，这是因为市区的第一海相层属于正常固结地层。

（4）过量开采地下水

过量开采地下水是引起地面沉降的主要原因，这是众所周知的，地下水具有流动性，其水位随开采量的变化而变化，潜水还会随季节变化，天津地区深部承压水也存在高水位期、低水位期，且水位漏斗也处于一种动态平衡中。因此本次主要分析近5年内的地下水与分层标监测资料。天津地区截至2012年已建成分层标12组。依据分层标的监测资料，结合与分层标对应的长观孔水位情况，计算各含水组不同的水位动态下地层的单位变形量（即各含水组地层每米每年的变形量），从而区分同一层位不同区域沉降变形。

根据天津地区分层标组监测资料分析各含水组不同地区其单位变形量均不相同。以第Ⅱ含水组单位变形计算为例（表2），充分考虑了近年来二组、三组水位变化情况，表2显示的地层单位变形量差异较大，同一层位开采单位变形量最大的西青区为0.12mm/m·a，市区大直沽为0.0038 mm/m·a，同样地层厚度西青区第二含水组地层变形量为市区的31.6倍；两分层标位置相距20多公里，单位变形量差异较大的原因主要为地下水现状开采情况及开采历史差异性，天津市区在1985年以前经历了大规模超采期地层固结已基本完成因此变形量小，而西青区一直处于超采状态。通过分层标资料依次可以计算出第三含水组、第四含水组、第五含水组地层单位变形量，为地下水开采引起沉降计算提供关键数据。

依据所计算地区各含水组的地下水位埋深变化趋势及相邻含水组的动态特征，就可选取相应条件下的单位变形量。有了单位变形量的数据，结合所计算地区各含水组地层的厚度，两者相乘既为该含水组地下水开采所引起的地面沉降量。

（5）地热、油气资源开发

地热、油气资源开采引起地面沉降问题，主要指开采孔隙型资源引起的地面沉降。对于基岩地热储层开采对地面沉降影响很小可以忽略不计。开采孔隙型地下热水开采量与地面沉降量耦合关系，目前研究还较少且有些问题有待于进一步证实。目前研究认为，在短期内开采量与地面沉降有一个线形对应关系[3]；对长期开采条件下，还没证实开采量与沉降量线形对应关系的可靠性，有待深入研究。开采石油引起的沉降监测资料较少，目前研究程度有限，其量化分析仍需大量实物工作量。

（6）人类工程活动

近年来天津地区新增大量基础建设项目，如：新建高层建筑深基坑开挖、地铁车站和区间段盾构隧道施工、南水北调引水隧道工程和合流污水管道的施工等。工程建设具有时限性、影响范围限定性，且随工程建设不同阶段对地面沉降影响逐渐减小。因此，对人类工程活动量化随工程规模、建设阶段、施工工艺等的不同量化值差异较大。目前主要依据水准监测方法，将建设前高程值作为基础值，建设期间高程变化值为建筑物建设引起的沉降量化值。

2.2 分层标监测资料的分区量化分析

上述叙述了各类因素的量化分析，如果应用到某一区域还需要进一细化。以2006～2010年平均沉降量为基础，将其按影响因素剖分，剖分依据：前一节自然因素构造、欠固结软土在天津地区基本为稳定值；人为因素中地下水开采、人类工程活动主要依据分层标监测资料进行定量化。

表2 第二含水组地层单位变形量Table 2 The second aquifer stratum unit deformation scale

以地质条件为背景的地面沉降影响分区为基础，对其中D类区进行量化分析，根据近5年平均沉降集中程度D类区又可分为三个亚区D1、D2、D3（图2），其平均沉降速率约50mm/a，30mm/a，20mm/a。以D2区为例其各影响因素对地面沉降贡献率如表3，其计算过程中构造因素、欠固结软土前面已经介绍；人类活动主要计算分层标监测的浅层（50m以内）沉降减去欠固结软土引起的沉降量，当然这个值代表整个D2区偏小，但也能说明分层标所在区域一定范围内的实际情况；地下水开采主要利用了D2区内的塘沽碱厂分层标的监测成果，其监测深度295.2m，295.2～500m内变形量计算主要依据与此区开采情况类似的大港区分层标监测成果，采用单位变形量计算，最终计算500m以浅地下水开采引起的沉降变形量为12.19mm/a，所占比例为41.5%；水准点监测的总沉降量减去构造因素、欠固结软土、人类工程活动、地下水开采引起地面变形量，其余归结为500m以深流体开采引起的沉降变形量。

图2 D类影响因素亚区分布Fig.2 The distribution of D type sub-region

D2区为滨海新区核心区，近年来地下水限采禁采的主要行政区，1986年以来平均沉降由100mm/a将至30mm/a，主要措施为限采地下水，水源转换。该区2015年较2005年常住人口增长1倍，多数外来务工人员集中居住在塘沽周边乡镇平方，饮用水源多为地下水。同时，乡镇企业多为地下水开采，因此，多年水位漏斗集中在塘沽区与东丽区、咸水沽交接地带。地下水开采影响比例较大，与周边地下水开采影响有一定相关性。

表3 D2类近年来各影响因素占总沉降比例Table 3 The influence factors in total settlement of ratioin of D2 type in recent years

3 长期监测资料的量化成果分析

3.1 量化分析可靠性

对多种因素单独分析，利用大量实测数据成果，分析不同因素对地面沉降影响时期、影响大小、影响范围；根据各因素分布情况进行分区，并通过历年分层标数据、地下水位埋深数据、开采井分布资料分析各区域地面沉降量化比例。然而，对于一些影响因素还没有充分的依据无法明确其影响量化值。总结上述分析方法的主要优缺点如下：

（1）优点

数据来源比较准确，引用成果比较可靠；分析因素全面；采用了天津地区已有分层标的历年资料，主要针对现阶段实际情况给出现阶段地面沉降的影响因素比例。

（2）缺点

人类工程活动的影响因素仅分析了分层标点附近情况，分析的不够全面；具体量化值说服力差，且适用范围有限。

在没有分层标资料的武清杨村镇、静海、津南区主要依靠类比推测各因素量化值，得到的量化比例准确性有待考证。

3.2 地面沉降影响因素量化分析成果主要应用

（1）通过本次量化分析，提高了对天津市地面沉降影响因素的认识，同时为地面沉降防治奠定了良好基础。

（2）利用长期监测资料对地面沉降影响因素进行量化分析，其技术方法值得推广。

（3）通过计算对500m以浅地下水及500m以深流体开采比例有了新的认识，因此在控制该区地面沉降发展时可以对500m以浅及500m以深流体开采分别建立监管体系。在合理控制地下水开采方面，可以建立两个层段不同控制地下水开采方案；在有外来水源补给时，可以根据不同层段影响程度给出合理水源分配方案。

4 结束语

天津地面沉降问题由来已久，地面沉降现象非常复杂，不同行政区内沉降差异也较大，要分清各影响因素对总沉降贡献率是非常困难得。本次提供了一种量化分析方法，通过本次量化计算使得我们对地面沉降组成有了新的认识，从而为地面沉降防治指明了方向，其应用前景广泛。

（References）

[1] 宋印胜. 地面沉降影响因素定量分析法比较[J]. 山东地质, 1999,(3):46-51. Song Y S. Land subsidence, influencing factors, quantitative analysis, comparison[J]. Geology of Shandong, 1999,(3):46-51.

[2] 白晋娬. 天津市地面沉降预警系统研究[R]. 天津市地质调查研究院,2009. Bai J W. Study on land subsidence warning system in Tianjin[R]. Tianjin Institute of Geological Survey,2009.

[3] 林黎,赵苏民. 开采孔隙型资源对地面沉降的影响//全国控制地面沉降学术研讨会论文集[C].2005. Lin L, Zhao S M. Effects of exploiting porous resources on land subsidence // Proceedings of the National Symposium on land subsidence control[C].2005.

Tianjin land subsidence influence factor quantization analysis based on long-term monitoring data

LUO Li-Hong, BAI Jin-Wu, LÜ Xiao-Wen, SHAO Xing
(Tianjin Monitoring Central Station of Geological Enviroment, Tianjin 300191, China)

According to the results of research on the Tianjin area conducted since 1950 and the large amount of long-term monitoring data, a quantitative analysis of the land subsidence influence factor in Tianjin was administered for the first time. The analysis found that the land subsidence influence factor is different for different regions, even if the same stratum of groundwater mining caused the deformation of settlement to be larger. The quantitative analysis to increase the difficulty of ground settlement. Through the consideration of the main factors affecting the distribution of the ground settlement, including the Tianjin city land subsidence influence factor, and based on the nearly five years of sedimentation rate data, the region is further divided by subregion. Using subregion D1 as an example, analyzes the factors of ground settlement ratio, which is in 500 meters and deep 500 meters of the groundwater and fluid mining ratio is larger, therefore in the control of the ground subsidence development to in 500 meters and deep 500 meters to fluid a supervision system of mining was set up.

land subsidence; influence factors; quantitative analysis; long-term monitoring data

P642.26

：A

：2095-1329(2017)02-0018-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.02.005

2017-04-01

修回日期: 2017-05-26

罗立红(1982-),女,硕士,高级工程师,主要从事地面沉降监测研究.

电子邮箱: 44534829@qq.com

联系电话: 022-23682576

中国地质调查局地质调查项目(水[2014]02-031-011);天津市国土资源和房屋管理局科研项目“天津市低海拔地区地面沉降灾害调查及防治对策研究科研”(国土房任[2015]1号)