河北平原地下水的开采大致可分为4个时期^[1]:20世纪60年代以前(浅层地下水开采阶段)、60年代至70年代(以浅层地下水开发为主, 深层地下水开发起步阶段)、70年代至90年代中期(浅深层地下水大量开发阶段)、90年代中期至今(地下水开发利用管理阶段)。伴随着地下水的大量开采, 地下水水位相应呈持续大幅度下降趋势。

1975— 2005年, 浅层地下水水位总体呈下降趋势, 水位降幅从山前倾斜平原到滨海平原逐步变小。其中宁柏隆漏斗中心水位降幅最大, 中心水位降幅57.72 m, 石家庄漏斗、辛集漏斗、霸州漏斗、肥乡漏斗中心水位降幅大于40 m。中东部平原地区浅层地下水降幅一般小于10 m, 滨海平原地区浅层地下水水位降幅小于2 m。

1975— 2005年, 深层地下水水位变化基本呈下降趋势, 地下水下降重点区在两个大型漏斗区, 其一为冀枣衡漏斗、巨新漏斗复合漏斗, 其二为沧州漏斗、青县漏斗、任丘漏斗、大城漏斗、黄骅漏斗巨型复合漏斗, 以廊坊、霸县、任丘、河间、饶阳、深州东、新河、巨鹿、威县一线为界, 该线以西山前平原区深层地下水水位埋深从小于8 m发展到目前的小于40 m, 水位降幅在32 m左右。该线以东地区为巨型漏斗区影响范围, 深层地下水降幅大于50 m, 衡水市中心水位降幅达到90 m以上^[2]。

通过本项目建立了2座基岩标、3组分层标、2座GPS基准站、角反射器(航遥中心)及91座GPS观测墩, 结合已有水准点、地下水位监测点, 共同组成河北平原地面沉降监测网(图1)。其具有以下特点:

图1

Fig.1

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	图1 河北平原地面沉降监测网分布图Fig.1 Distribution of land subsidence monitoring network in Hebei Plain

(1)控制区域广, 持续监测将改变地面沉降数据缺乏的状况。

河北平原地面沉降监测网络是目前河北省最大的地面沉降专业监测网, 以往地面沉降监测范围小, 时间周期不固定, 而新建的地面沉降监测网, 将定期开展测量工作, 监测数据系列化, 从而改变河北平原地面沉降数值主要依靠推测的状况。

(2)在建设过程中, 监测网采用了多种新技术、新方法, 一些监测设施在河北省尚属首次。

沧州兴济基岩标埋深811.83 m, 是河北省最深的基岩标; 唐山王官屯基岩标位于唐山断裂带东侧的冀东平原, 标深113.21 m。新建的基岩标解决了测量工作需引测外省市基岩标的问题, 作为测量的起始点, 为地面沉降监测工作提供了测量基准, 大大减少了工作量, 提高了地面沉降监测效率。

2005年完成的沧州兴济GPS基准站为河北平原第一座GPS基准站, 2007年完成唐海GPS基准站, GPS基准站的建立将大大提高今后该区域GPS测量的速度与精度, 作为连续运行的虚拟参考站, 为动态GPS测量开展提供了便利。

本项目共建立了3组分层标, 唐海分层标为河北省第一组分层标, 完成于2005年12月; 另外两座为沧州、衡水分层标, 在唐海、衡水均安装了自动化监测传输系统, 实现了监测数据的无人值守实时监测传输。沧州分层标组的孔隙水压力孔施工采用了一孔多个传感测头的技术, 唐海、衡水分层标组分层标孔与地下水位观测孔共用一孔, 在全国尚属首次。

构造活动和浅层地下水强烈开采导致河北平原出现了大量地裂缝, 其主要分布于京津以南山前和中部平原区, 至2007年, 共发现地裂缝547条, 其中本项目新发现90条。本区因构造活动产生的地裂缝占75%, 其中, 1996年之前为79.3%, 1997— 2007年间下降为58%, 表明浅层地下水开采引发的地裂缝显著增多。

地裂缝的危害主要体现在对农田、建筑物的破坏和对该区域交通干线建设与运营的影响。

河北平原地面沉降形成于20世纪50年代中期以后, 1965— 1975年期间, 地面沉降仅发生在沧州市深层地下水漏斗的中心地带, 下降速率一般小于10 mm/a; 1975— 1985年随着深层地下水的大规模开采, 地面沉降的范围不断扩展, 分别出现了以沧州、任丘、衡水、河间、南宫、威县、平乡为代表的中东部平原地面沉降中心和以保定、邯郸为代表的山前平原地面沉降中心。

至2005年底, 河北平原大于2 m的沉降面积为7.41 km², 仅分布在沧州市; 1~2 m的沉降面积达1 519.65 km², 分布在沧州、邢台、廊坊、保定、衡水、唐山等地; 0.5~1 m的沉降面积达20 600.47 km², 广泛分布于沧州、衡水、邢台、廊坊、邯郸、保定、唐山等广大地区; 0.3~0.5 m的沉降面积达15 497.04 km², 除秦皇岛外均有分布(图2)。河北平原不同区域的沉降中心仍在不断发展, 并且有连成一片的趋势。

图2

Fig.2

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	图2 河北平原地面沉降现状分布图Fig.2 Distribution of current land subsidence situation in Hebei Plain

地下水位的持续下降导致地面沉降的产生与加剧, 其发生过程具有不可逆性, 一旦形成难以恢复。地面沉降造成地面高程降低、城市堤坝防洪能力降低、建筑基础下沉、城区内涝积水, 加剧沿海地区风暴潮灾害; 引起河床下沉, 南水北调等水利工程输水能力降低; 导致井管抬升, 甚至影响采油采水井的使用; 地面不均匀沉降还造成墙体开裂和市政管道断裂, 乃至影响京沪高速铁路、京广高速铁路和曹妃甸等重大工程的安全运营。

2.5.1 地面沉降在不同地形地貌区的分布特点

山前冲洪积平原处于太行山抬升、河北平原地面下沉过渡地带, 基岩埋深较浅, 松散堆积物较薄, 地面沉降的特点是地面沉降量小, 形成孤立型的沉降漏斗。

中部冲积湖积平原位于山前平原与滨海平原之间, 地面沉降的发生晚于滨海平原主要沉降区, 但目前其整体沉降速率高于山前平原与滨海平原, 地面沉降漏斗多集中于此, 中心沉降量多超过1 m。

滨海冲积海积平原区大体分布在沿渤海湾西岸和北岸, 地面沉降严重地区主要集中在中部平原与滨海平原交界区域, 地面沉降的发生时间较早, 中心沉降量较大, 靠近渤海的区域沉降量变化较小。

2.5.2 地面沉降与地下水开采的关系

河北平原地面沉降中心位置与深层地下水降落漏斗中心位置大致对应, 但又具有不同特点。水位降深小于50 m, 地面沉降滞后于水位降深约3年, 水位降深超过50 m, 随着地层压密增加, 延迟时间延长, 特别是当水位降深大于70 m, 地面沉降进入快速发展时期, 其与水位降深的变化延迟约4年。地面沉降是由不同层位的地层压缩共同导致的, 主压缩层位发生于主要开采层组。

2.5.3 地面沉降中心与黏性土和砂分布的关系

地面沉降量由砂、黏性土压缩量构成, 与主要开采层位的黏性土厚度呈正相关关系, 与砂层厚度呈负相关关系。在地面沉降量构成中, 黏性土压缩量占主要部分。在地下水变化相似的条件下, 地层中砂、黏性土的厚度比及其在垂直方向上的分布对地面沉降的形成起到主要的控制作用。黏性土与砂相间的多层结构更易产生地面沉降。

引起地面沉降的因素可分为自然因素及人为因素。自然因素包括构造活动、软弱土层的自重压密固结, 海平面上升等; 人为因素包括过量开采地下水、地下热水及油气资源等^[3]。

2.6.1 自然因素影响

构造活动影响:本区因区域构造活动导致的地面变形年沉降速率为1~3 mm。

断层蠕动:部分区域地面沉降带与区域构造线的延伸方向一致, 分布位置上也与第四纪断层出现部位大体相同, 其地面沉降形成受断裂构造位置及其活动所控制。

土层的自重压密固结:河北平原分布有巨厚的第四系松散沉积层, 固结程度较低, 尤其在沧州沿海和唐山沿海, 地层形成时间较短, 在自身重力作用下会产生自然压缩变形, 从而形成地面沉降^[4]。

地震活动影响:强烈地震是新构造运动的一种突发事件, 在短期内可以引起变幅较大的区域性地面垂直变形, 可使软土地基震陷和古河道新近沉积液化, 导致地面相对下降。

2.6.2 人为活动影响

地下水超采:长期大量超采地下水是形成地面沉降的主要原因。开采地下水会引起松散地层大量释水, 使地层压缩、固结而产生沉降。地面沉降的产生和发展过程与地下水的开采过程基本保持一致且滞后一个时段, 与地下水降幅正相关, 其分布范围与地下水漏斗基本一致。

液体类矿产资源开采:本区地热、矿泉水分布较为广泛, 开采规模逐年加大, 开采层位以上新近系为主, 底界埋深1 350~2 080 m, 下古近系是本区石油、天然气的主要聚集层, 底界埋深1 480~3 300 m。液体类矿产资源的大量开采势必引起地下水水位下降, 地层内孔隙水压力减少, 导致地层进一步压实, 加重地面沉降。

地表载荷增加:城市规模扩展和重大工程的建设, 使得地表荷载加重, 工程建设的地面沉降效应逐渐凸显, 成为近年来新的沉降制约因素之一。

预测结果表明, 在维持现状开采量情况下, 2010年沧州市累计地面沉降量达到2 598 mm, 2020年将达到2 830 mm; 在削减深层地下水开采量情况下, 2010年累计地面沉降量达到2 584 mm, 2020年将达到2 767 mm。沧州市区深层地下水开采量的控制方式除压缩用水量之外, 一部分是引入替代水源, 一部分是将市区的原有开采量转移至市区外围, 因此, 在市区地面沉降得到一定控制的同时, 市区外围尤其是南部水源地将进入快速沉降期。

地面沉降是整个社会系统的变化在地质环境中的反映, 其防治决非是单一的技术问题, 河北平原的地面沉降防治应在政府主导和支持下, 以监测研究为技术支撑、区域经济社会发展和产业政策调整为指导、市场调节为直接手段、控制地下水超量开采为突破方能取得应有的效果。具体防治对策如下:

(1)成立地面沉降综合治理领导机构, 研究制定地面沉降综合防治总体规划, 分步分区实施治理工作。

(2)加强地面沉降防治相关的地方法规建设, 加大宣传力度, 使地面沉降防治工作得到全社会的认知和响应。

(3)加强省级地面沉降监测网络的建设, 使之基本覆盖河北平原所有的重点地面沉降区域, 并达到一定控制精度; 继续推进地面沉降的研究, 为地面沉降的防治提供技术支持。

(4)全面强化水资源的有效利用与管理, 以产生地面沉降的临界水位为指标, 严格控制地下水开采量。

(5)调整开采层位, 开发利用微咸水、半咸水、海水, 增加水源, 加快外流域调水。

(6)通过政策鼓励引导和政府推动, 选择典型地区开展地下水人工回灌, 增加地下水补给, 提高水位, 控制地面沉降的快速发展。