德州市800 m以浅地层较松散, 是其地面沉降发生的基本条件^{[5, 6]}。其中, 300 m以浅地层主要为第四系平原组, 该层上部为浅黄色、浅灰色砂质粉土、黏土及粉砂, 下部为浅灰色、浅灰绿色砂质黏土、粉砂、细砂及中砂互层, 厚度为160~300 m; 300~800 m深度处地层主要为新近系明化镇组, 该层以土黄色、棕红色、棕黄色泥岩和灰白色、浅灰色砂岩为主, 局部夹灰绿色泥岩及钙质结核层, 压性结构面发育, 厚度为870~890 m。

1.2.1 水文地质概况

(1)地下水系统划分。德州市位于鲁西北平原松散岩类水文地质区, 地下水主要赋存于第四系与新近系明化镇组松散沉积物孔隙中, 含水层岩性主要为粉细砂和细砂。地下水在垂向上具有明显的分带性, 根据地下水水质结构、含水层组划分以及地下水赋存条件等, 将60 m以浅的地下水划为浅层地下水, 60~250 m深的地下水划为中层(咸水)地下水, 250~800 m深的地下水划分为深层地下水。浅层地下水系统为开放型地下水系统, 直接接受大气降水、灌溉回渗和河渠侧渗等垂直入渗补给, 通过蒸发、人工开采等向外排泄, 与外部环境关系密切, 环境条件的改变直接影响着系统功能的变化, 且反应迅速; 中层(咸水)地下水系统为半封闭型地下水系统, 分布于除全淡水区外的广大区域, 基本未被开发利用; 深层地下水系统(图1)为半封闭型地下水系统, 在天然状态下, 仅有微量侧向径流输入, 并通过越流输出, 在开采条件下, 则以消耗不同形式的储变量为主, 以侧向径流与来自相邻含水层组的微弱越流补给为辅, 人工开采是唯一的消耗方式。深层地下水的超量开采为地面沉降的主要外在原因, 因此, 本文对该层进行了详细论述。

图1

Fig.1

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	图1 德州市深层地下水水文地质图Fig.1 Hydrogeological map of deep groundwater in Dezhou

(2)深层地下水特征。深层地下水丰富区主要分布在德城区一带, 砂层累计厚度为40~60 m, 岩性以粉砂、细砂和中砂、中细砂为主, 单位涌水量为50~200 m³/(d· m); 深层地下水较丰富区主要分布在庆云、乐陵两县(市)的东北角和齐河仁里— 安头一带, 砂层累计厚度为20~40 m, 岩性为细砂、中砂夹砂岩, 单位涌水量< 50 m³/(d· m); 深层地下水贫乏区主要分布在齐河— 广饶大断裂南侧的齐河沿黄河一带, 呈NE向条带状展布, 含水砂层很薄, 累计厚度< 20 m, 岩性为中砂和中细砂, 由于其中多含泥质砂或形成半胶结状砂岩, 富水性较差, 单位涌水量< 50 m³/(d· m)(图1)。

1.2.2 深层地下水开采历史及现状

德州市德城区深层地下水开采始于1965年, 成井深度为350 m左右; 1980— 1985年, 成井深度增加至400~500 m; 目前, 开采深度已达到800 m。自1985年以来, 区内深层地下水开采量远远超过可开采资源量, 一直处于超采状态, 深层地下水降落漏斗持续向纵深发展。德城区地下水开采量统计资料显示: 2010年, 区内共有深层地下水开采井226眼, 其开采总量为2 669.4万 m³; 2015年, 区内共有深层地下水开采井376眼, 其开采总量为484万 m³(表1)。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 2015年德州市深层地下水开采量统计 Tab.1 Statistics of deep groundwater exploitation in Dezhou in 2015 县(市、区) 深井数量/眼 开采量/(万m3· a-1) 德城区 376 484 陵城区 16 269 乐陵市 91 176 禹城市 49 807 宁津县 157 799 齐河县 108 1 078 临邑县 75 123 武城县 297 171 夏津县 188 122 平原县 55 1 328 庆云县 30 428 合计 1 442 5 785

表1 2015年德州市深层地下水开采量统计 Tab.1 Statistics of deep groundwater exploitation in Dezhou in 2015

随着《德州市地下水超采区综合整治实施方案》^[7](简称《实施方案》)的实施, 2016年和2017年, 各县(市、区)每月都会进行深层地下水开采井的封存工作, 对封存进度以月报形式进行总结汇报(表2)。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 德州市深层地下水开采井封存情况统计 Tab.2 Sealing condition of deep groundwater exploitation wells in Dezhou 县(市、区) 《实施方案》 规划期预计 封存井数/眼 2016年封存 井数/眼 2017年封存 井数/眼 德城区 153 26 167 陵城区 66 20 29 乐陵市 133 21 21 禹城市 64 6 9 宁津市 193 17 19 齐河县 150 18 18 临邑县 122 29 16 武城县 412 48 40 夏津县 197 1 8 平原县 111 19 37 庆云县 39 4 4 合计 1 640 209 368

表2 德州市深层地下水开采井封存情况统计 Tab.2 Sealing condition of deep groundwater exploitation wells in Dezhou

1.2.3 深层地下水降落漏斗现状

德州市深层地下水降落漏斗是一个以德城区为中心的区域性地下水降落漏斗^[8]。根据2017年水位资料分析圈定, 德州市深层地下水降落漏斗范围包括德州市德城区、武城县、平原县、陵城区、临邑县、宁津县和河北省吴桥县、景县、故城县的部分地区。西部和北部以衡水漏斗和沧州漏斗分水岭为界。在德州市范围内, -40 m等水位线圈定的漏斗范围涵盖整个德城区、陵城区、武城县、平原县、临邑县大部分地区以及夏津县部分地区(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 德州市2017年深层地下水降落漏斗图Fig.2 Depression cone of deep groundwater in Dezhou in 2017

德城区深层地下水开采量自2012年以后大幅下降^[9], 但因其历史开采程度较大, 且深层地下水补给较差, 因此开采量虽有大幅下降, 但是深层地下水漏斗仍继续发展。目前, 最大水位埋深已达120 m左右。

德州市地面沉降监测以二等水准监测资料为基础, 结合GPS及InSAR监测等资料进行校正, 以2012— 2017年近5 a的监测数据^{[10, 11]}进行地面沉降速率等值线(图3)的绘制。

图3

Fig.3

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	图3 德州市2012— 2017年地面沉降速率Fig.3 Land subsidence rate in Dezhou from 2012 to 2017

德州市地面沉降速率> 30 mm/a的区域主要分布在德城区运河街道— 广川街道— 长河街道— 袁桥镇— 赵虎镇— 宁津县大曹镇一线以北, 面积约297 km², 该区沉降中心点位于德城区袁桥镇附近, 多年平均沉降速率为44.33 mm/a; 沉降速率为10~30 mm/a的区域主要分布在齐河县潘店镇— 禹城市李屯乡— 安仁镇— 市中街道— 十里望回族镇— 张店镇— 平原县前曹镇— 禹城市辛店镇— 临邑县临盘街道— 陵城区郑家寨镇— 临齐街道— 神头镇— 糜镇— 临邑县德平镇一线以西, 面积约6 755 km², 该区沉降中心点位于德城区袁桥镇后赵村附近, 多年平均沉降速率为27.67 mm/a; 地面沉降速率< 10 mm/a的区域主要分布在陵城区— 临邑县— 禹城市— 齐河县一带, 面积约3 304 km²。

根据《山东省地面沉降防治规划(2012— 2020年)》^[12](简称《省规划》)防治区划分原则, 将地面沉降较为明显、经济发达且人口密集的中心城区、城市规划区、京沪高铁沿线、石济高铁沿线及南水北调沿线等重要工程建设区划定为重点防治区。根据《市规划》^[4], 将现状中心城区及未来城市规划区划定为重点防治区, 同时将高速铁路、南水北调工程(城市规划区段)向两侧各外扩1 km作为重点防治区。本文综合以上文件资料, 基于德州市地面沉降发育形势及区位优势, 根据地面沉降现状和趋势分析, 结合城市建设及经济发展方向, 本着把防治工作重点放到经济发达、人口稠密、交通干线分布集中、地面沉降发育程度高的地区的原则, 综合考虑地质环境和人为工程两方面因素, 对重点防治区与一般防治区进行划分。同时, 遵循加强重点地区并兼顾一般地区的原则, 部署地面沉降监测、评价和防治工作^[13]。

2.3.1 重点防治区

重点防治区总面积约993 km², 主要包括沉降发育区、人口密集且经济发达的中心城区、城市规划区、高速铁路沿线和南水北调沿线(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 德州市地面沉降防治分区Fig.4 Division of land subsidence prevention and control areas in Dezhou

(1)沉降发育区。该区地面沉降发育程度高, 多年平均年沉降速率≥ 30 mm/a, 人口密度大, 人类活动频繁, 面积约297 km²。

(2)中心城区。该区人口密度大, 地面沉降发育程度高, 重大工程集中, 人类活动频繁, 面积约170 km²。

(3)城市规划区。该区经济较发达, 地面沉降发育程度较高, 人口密度较大, 地下水开采集中, 面积约789 km²。

(4)高速铁路沿线。以区内已经建成的高速铁路干线为轴, 分别向两侧延扩1 km作为重点防治区, 面积约219 km²。区内已建成高速铁路主要包括京沪高铁和石济客运专线。

(5)南水北调沿线城市规划区段。根据《德州市城市总体规划(2011— 2020)年》^[14]中《德州市现代水网规划调水工程布置图》, 以南水北调工程为轴线, 向两侧分别外扩500 m作为重点防治区。结合地面沉降发育程度及人类活动频繁程度等情况, 将南水北调沿线城市规划区段划为重点防治区, 面积约9 km²。

2.3.2 一般防治区

主要为人口密度较低的平原地区, 目前开发强度相对较低, 地面沉降相对较轻, 面积约9 363 km²。

《市规划》^[4]根据区域地质环境条件、地面沉降现状及发展趋势, 结合当地经济、社会发展水平及替代水源条件, 综合确定了各防治区地面沉降防治目标, 具体包括2项控沉技术指标: 区域地面沉降速率(即区域地面沉降年均沉降量, 用区域范围内每年发生的地面沉降总体积与区域面积的比值表示)和沉降中心地面沉降速率(即沉降中心每年沉降量, 用区域内每年最大沉降数据表示)^{[15, 16, 17]}。

(1)重点防治区目标。2020年, 区域地面沉降速率控制在35 mm/a以内, 沉降中心沉降速率控制在40 mm/a以内; 2025年, 区域地面沉降速率控制在25 mm/a以内, 沉降中心沉降速率控制在35 mm/a以内。

(2)一般防治区目标。2020年, 区域地面沉降速率控制在20 mm/a以内; 2025年, 区域地面沉降速率控制在10 mm/a以内。

3.2.1 区域地面沉降速率计算方法

根据《省规划》^[12], 区域地面沉降速率的计算公式为

va=∑k=1nVk∑k=1nSk=∑k=1nvakSk∑k=1nSk, (1)

式中: v_a为年沉降速率(年均沉降量), mm/a; V_k为第k个地面沉降分区的沉降体积, 10⁶ m³; v_ak为第k个地面沉降分区的年沉降速率, mm/a; S_k为第k个地面沉降分区的面积, km²。

在实际工作中, 将每一地面沉降分区内发生的沉降视为均匀的, 并选取各分区沉降量的中值进行计算。

3.2.2 区域地面沉降速率控沉目标可行性分析

按照上述计算方法, 以10 mm/a为间隔线进行沉降速率计算分区(图5), 计算德州市地面沉降速率。

图5

Fig.5

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	图5 德州市2012— 2017年地面沉降速率计算分区Fig.5 Zoning of land subsidence rate calculation in Dezhou from 2012 to 2017

将各分区地面沉降速率计算结果(表3)与《市规划》^[4]控沉目标要求进行对照分析, 其中分区面积依据德州市2012— 2017年地面沉降速率计算分区图(图5)计算得出, 重点防治区和一般防治区区域沉降速率由公式(1)求得。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 德州市2012— 2017年各分区地面沉降速率计算结果 Tab.3 Calculation results of regional land subsidence rate in Dezhou from 2012 to 2017 防治分区 分区 编号 分区面积 Sk/km2 分区沉降速率 vak/(mm· a-1) 分区沉降体积 Vk/(106 m3) 重点防治区 Sz1 296.55 35 10 379.25 Sz2 244.90 25 6 122.50 Sz3 315.28 15 4 729.20 Sz4 28.90 15 433.50 Sz5 108.53 5 542.65 一般防治区 Sy1 7.45 25 186.25 Sy2 0.63 25 15.75 Sy3 3.14 25 78.50 Sy4 214.74 25 5 368.50 Sy5 2 696.41 15 40 446.15 Sy6 2.45 15 36.75 Sy7 3 075.64 15 46 134.60 Sy8 1 597.93 5 7 989.65 Sy9 0.34 5 1.70 Sy10 1 763.11 5 8 815.55

表3 德州市2012— 2017年各分区地面沉降速率计算结果 Tab.3 Calculation results of regional land subsidence rate in Dezhou from 2012 to 2017

2012— 2017年重点防治区地面沉降速率计算结果为22.34 mm/a(由分区沉降体积总和/分区面积总和所得), 该区域地面沉降速率已满足《市规划》^[4]2025年控沉目标要求。故在规划期内, 在实行最严格的水资源管理制度条件下, 可确保地面沉降速率不增长, 重点防治区控沉目标可实现。

2012— 2017年一般防治区地面沉降速率计算结果为11.65 mm/a(由分区沉降体积总和/分区面积总和所得), 近期(2020年)目标已实现, 距中远期(2025年)目标相差1.65 mm/a。《实施方案》^[7]要求, 至2025年, 对深层地下水实现全部压采, 按照压采方案及压采量, 中远期目标也可实现。

3.2.3 沉降中心地面沉降速率控沉目标可行性分析

2012— 2017年监测资料^{[10, 11]}显示, 德州市沉降中心点位于德城区袁桥镇附近, 多年平均沉降速率为44.33 mm/a。基于此, 对该点地面累计沉降量进行预测。

(1)水位预测。利用距沉降中心点较近的跃华中学水位标高和多年开采量数据(表4), 进行水位预测。《实施方案》^[7]要求, 至2025年, 对深层地下水实现全部压采。根据调查, 漏斗中心水位点所在德城区开采地下水的主要用途是生活饮水和企业生产用水, 在压采过程中可能会出现开采井漏封现象, 故对压采方案预计压采量进行漏封折算, 折算系数为5%(表5)。

表4

Tab.4

表4(Tab.4)

表4 沉降中心2006— 2018年水位标高和开采量统计 Tab.4 Water level and mining scale in the subsidence center from 2006 to 2018 监测年份 水位标高/m 年开采量/(万m3· a-1) 2006 -70.69 3 397.00 2007 -75.56 3 367.00 2008 -78.08 3 360.00 2009 -85.57 2 060.00 2010 -83.64 2 010.00 2011 -84.31 2 780.00 2012 -84.93 425.00 2013 -85.98 408.00 2014 -86.09 574.00 2015 -87.57 345.60 2016 -87.02 347.10 2017 -87.58 484.12 2018 -87.29 426.62

表4 沉降中心2006— 2018年水位标高和开采量统计 Tab.4 Water level and mining scale in the subsidence center from 2006 to 2018

表5

Tab.5

表5(Tab.5)

表5 沉降中心2019— 2025年开采量预测 Tab.5 Mining scale forecast in the subsidence center from 2019 to 2025 年份 规划开采量/(万m3· a-1) 折算开采量/(万m3· a-1) 2019 363.090 369.12 2020 302.575 311.62 2021 242.060 254.12 2022 181.545 196.62 2023 121.030 139.12 2024 60.515 81.62 2025 0.000 24.12

表5 沉降中心2019— 2025年开采量预测 Tab.5 Mining scale forecast in the subsidence center from 2019 to 2025

利用Lumpfit软件, 采用折算开采量对2020年(第168个月)和2025年(第228个月)地下水水位进行预测(图6)。根据数据分析, 2020年地下水水位为-87.6 m, 2025年地下水水位为-88.8 m。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 沉降中心水位及开采量预测 (注: 1万m3/a=0.317 kg/s)Fig.6 Prediction of water level and mining scale in the subsidence center

(2)相关关系分析及沉降量预测。利用水位标高、多年开采量及多年累计沉降量数据做图, 利用Excel的数据分析功能进行回归分析, 其拟合度判断系数R²为0.965 235 120 545 57, 拟合程度较高。地面累计沉降量预测公式为

S=-721.28-20.50H-0.18Q 。 (2)

式中: S为地面累计沉降量, mm; Q为沉降发生期间的累计开采量, 万m³; H为对应的水位标高, m。

将2020年及2025年累计开采量及水位标高数值(表5、图6)代入, 得出地面累计沉降量分别为1 018.4 mm和1 094.8 mm。根据德州市多年水准监测数据, 计算2012— 2017年沉降中心累计沉降量约为913 mm。在沉降中心位置不变的条件下, 根据累计沉降量, 计算2017— 2020年年均沉降速率为35.13 mm/a, 2020— 2025年年均沉降速率为15.28 mm/a, 其沉降中心沉降速率均低于《市规划》^[4]的要求, 控沉目标可以实现。

(1)地面沉降联防联控机制有待健全。地面沉降防治工作具有区域性, 同时涉及国土、水利、交通、住建、气象等多个部门, 要求各区政府间、各部门间、各相关单位间做到联防联控。目前, 地面沉降数据的分享率低, 监测设施共享率低, 造成监测数据利用率不高, 测量工作重复进行。因此, 应合理提高沉降监测数据的共享率, 进一步健全地面沉降联防联控机制。

(2)地面沉降监测手段及监测频率有待提高, 防治经费缺乏保障。目前, 地面沉降监测周期不固定, 省内各地监测时间及周期不统一, 无法形成系统、长效的测量数据供地面沉降机理研究。地面沉降防治尚未形成稳定的资金投入渠道, 没有资金保障, 地面沉降监测网络建设、地面沉降定期监测、地面沉降机理研究等工作都相对滞后, 影响了地面沉降防治工作的进度。

(3)地面沉降成因机理及危害研究尚不深入。由于资料及技术支撑所限, 目前对地面沉降机理的研究只是定性分析, 即明确了造成地面沉降的原因, 但各成因的影响因子大小尚无较准确的定量分析。地面沉降危害尚不明确, 因而未能引起大众的重视, 应进一步对地面沉降的长远危害进行预测, 明确其不可逆特性, 推动对地面沉降的深入研究。

(4)地面沉降治理欠缺。在地面沉降防治中, 重“ 防” 轻“ 治” 。地下水压采方案的实施, 对预防地面沉降进一步恶化起到了很大的推动作用, 但对已形成的区域不均匀沉降未能采取有效的治理措施。目前, 沉降治理方式单一, 治理技术尚不成熟。尽早开展对地面沉降治理的研究, 可为地面沉降问题突显时提供应急方案。

(1)健全监测网络, 确保常态化监测。地面沉降机理研究和防治措施研究都离不开基础监测数据的支撑, 系统、连续、真实可靠的地面监测数据可为地面沉降宏观及微观机理研究提供支撑。地面沉降监测网络的完善及地面沉降常态化监测是地面沉降防治的基础性工作, 只有掌握大量系统、有效的第一手数据, 才能为地面沉降防治工作提供支撑。

(2)地下水限采、控采到位。深层地下水超量开采是地面沉降主要原因。对地下水超采进行综合整治, 改善地下水生态环境, 增加地下水源的储备总量, 不仅对地面沉降治理具有重要意义, 同时对实现地下水资源可持续利用, 保障德州市非常时期用水和应急供水, 也具有重要的现实意义和长远的战略意义。确保地下水限采、控采到位, 改善深层地下水超量开采情况, 可有效遏制地面沉降的发展。

(3)加大地面沉降知识宣传。鼓励并支持有关地面沉降防治科学技术的研究, 推广先进的地面沉降防治技术, 普及地面沉降危害及防治科学知识。利用多种媒体, 通过各种形式, 加强有关地面沉降灾害防治和地下水资源保护的政策、法规和科普知识的宣传教育, 普及地面沉降长期潜在、难以逆转的危害性, 加强公众对地面沉降防治工作的重要性、必要性和迫切性的认识, 进一步增强防治地面沉降的意识^{[18, 19, 20, 21, 22]}。