陳元明

(山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心,太原 030024)

山西從北到南依次有大同、忻州、太原、臨汾及運(yùn)城五大盆地,整體呈“S”型串珠展布。五大盆地均有地面沉降發(fā)育,其中太原盆地沉降速率最大,范圍最廣,對區(qū)內(nèi)的城市、重大工程等構(gòu)筑物構(gòu)成了威脅。

1 太原盆地地面沉降研究成果

針對太原盆地地面沉降成因研究成果頗多,主要有:①構(gòu)造成因;②地下水超采成因;③松散層固結(jié)成因;④地面荷載增加成因;⑤綜合成因等。而縱觀整個太原盆地20世紀(jì)50年代地面沉降的時空發(fā)育特征,其活動與地下水超采關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)。對于某個地點(diǎn),沉降隨著第四系松散巖類孔隙水超采的加劇而加劇,減緩而減緩,甚至反彈。因此,科學(xué)合理的開采地下水是控制地面沉降最有效、最經(jīng)濟(jì)的手段[1-3]。

但由于太原盆地第四系松散巖類含水層是本區(qū)最重要的供水水源,社會生產(chǎn)生活均大量采用,而替代水源匱乏,全面施行地下水禁采限采既不可行、也不科學(xué)。因此,劃定地面沉降控制分區(qū),并據(jù)此指導(dǎo)地下水禁采限采工作意義重大。本文從地面沉降速率、發(fā)育程度、危害程度等角度進(jìn)行分析,通過制定相應(yīng)的劃分標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行太原盆地地面沉降控制分區(qū)的劃定。

2 太原盆地地面沉降災(zāi)害概況

太原盆地地面沉降最早發(fā)生于20世紀(jì)50年代的太原市,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,地下水開采不斷加強(qiáng),80年代前后,晉中市榆次區(qū)也出現(xiàn)沉降, 90年代以來,地下水超采加劇,沉降從城區(qū)向外圍擴(kuò)展,盆地區(qū)許多點(diǎn)狀沉降擴(kuò)展成為大范圍沉降。

地面沉降造成了建筑物地基下沉、房屋開裂、地下管道破損、井管抬升、洪澇災(zāi)害等一系列問題,并嚴(yán)重威脅著大西客運(yùn)專線、規(guī)劃建設(shè)的太焦客運(yùn)專線等生命干線工程,給當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟(jì)帶來很大的損失及危害[4]。

3 太原盆地地面沉降評價

3.1 太原盆地地面沉降速率分區(qū)評價

依據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源航空物探遙感中心提供的2016年度INSAR監(jiān)測資料,重點(diǎn)地區(qū)輔以2016年度水準(zhǔn)、GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校核調(diào)整。沉降速率分區(qū)按<10 mm/a、10 mm/a～30 mm/a、30 mm/a～50 mm/a、50 mm/a～70 mm/a、>70 mm/a五個區(qū)段劃分。由于存在碎片化的沉降信息,在平衡信息準(zhǔn)確表達(dá)與圖面美觀時,側(cè)重于信息準(zhǔn)確表達(dá),最大可能的保留基礎(chǔ)數(shù)據(jù),即:面積≥0.5 km2圖斑保留,<0.5 km2圖斑合并。圖斑合并時,遵循優(yōu)先就高一級的原則。據(jù)此,劃定的地面沉降速率評價分區(qū)見圖1。

圖1 太原盆地地面沉降速率分區(qū)圖Fig.1 Partition map of land subsidence rate in Taiyuan Basin

太原盆地存在4個主要地面沉降區(qū):①太原市沉降區(qū),主要分布在太原市晉源區(qū)、小店區(qū),沉降中心(小店經(jīng)濟(jì)區(qū)水準(zhǔn)點(diǎn))年沉降量達(dá)86.1 mm;②太原盆地西側(cè)山前沉降區(qū),位于太原盆地西部邊界、呂梁山前一帶,涉及行政區(qū)域從清徐經(jīng)過交城至文水,分布多個沉降中心,中心沉降速率大多超過70 mm/a;③榆次-清徐-太谷-祁縣沉降區(qū),位于太原盆地中部偏東,分布多個沉降中心,中心沉降速率超過70 mm/a;④介休-孝義沉降區(qū),位于太原盆地南端,沉降中心速率超過50 mm/a。

3.2 太原盆地地面沉降發(fā)育程度分區(qū)評價

根據(jù)太原盆地地面沉降活動速率情況,同時考慮到地下水禁采限采工作實(shí)際執(zhí)行的難度,將地面沉降發(fā)育程度分為強(qiáng)、中、弱三個級別與非沉降區(qū)。沉降速率≥50 mm/a為強(qiáng),30 mm/a～50 mm/a為中等,10 mm/a～30 mm/a為弱,<10 mm/a為非沉降區(qū)。據(jù)此,地面沉降發(fā)育程度評價分區(qū)見圖2。

圖2 太原盆地地面沉降發(fā)育程度分區(qū)圖Fig.2 Partition map of land subsidence development degree in Taiyuan Basin

太原盆地強(qiáng)發(fā)育區(qū)占比6.5%,主要分布在4個區(qū)域:①太原市小店區(qū);②太原盆地西側(cè)山前,位于太原盆地西側(cè)呂梁山前一帶,斑狀、片狀的分布在清徐縣城、交城、文水一帶;③榆次-清徐-太谷-祁縣一帶連片分布,是太原盆地最大的一個強(qiáng)發(fā)育區(qū);④介休-孝義沉降區(qū),位于太原盆地南端。發(fā)育程度中等區(qū),則主要位于上述四區(qū)的外圍,占比為17.7%。各發(fā)育程度分區(qū)面積如表1所示。

表1 太原盆地地面沉降發(fā)育程度分區(qū)統(tǒng)計Table 1 Statistics of Land subsidence development degree in Taiyuan Basin

3.3 太原盆地地面沉降危害程度分區(qū)評價

地面沉降造成構(gòu)筑物基礎(chǔ)開裂,房屋破壞,威脅生命干線工程的安全運(yùn)營,損壞輸水管線等。根據(jù)太原盆地土地或規(guī)劃功能類型,地面構(gòu)筑物的分布情況,本文主要選取中心城區(qū)、重要城市規(guī)劃區(qū)、高速鐵路(客運(yùn)專線)、地鐵、大水網(wǎng)、城市用地、飛機(jī)場(包括規(guī)劃機(jī)場)、高速公路、國家級鐵路、建設(shè)用地等作為本次地面沉降危害對象。

綜合考慮構(gòu)筑物對地面沉降敏感度、重要程度進(jìn)行危害程度分級,劃分為大、中、小三個級別。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 地面沉降危害程度分級Table 2 Scale of land subsidence hazard degree

在危害程度評價劃分上,存在許多碎片區(qū),在平衡信息準(zhǔn)確表達(dá)與圖面美觀時,側(cè)重于信息準(zhǔn)確表達(dá),最大可能的保留基礎(chǔ)數(shù)據(jù),即:①危害程度“大”區(qū),圖斑面積絕大部分大于0.5 km2,極個別被盆地邊界切割成小碎片。面積≥0.5 km2圖斑保留,<0.5 km2圖斑合并。合并時,優(yōu)先向高級別區(qū)合并；②危害程度“中等”區(qū),被“大”區(qū)、盆地邊界切割,存在較多碎片區(qū)。合并原則同上；③危害程度“小”區(qū)，被“大”、“中”區(qū)以及盆地邊界切割,存在很多碎片區(qū),碎片區(qū)常被“大”、“中”區(qū)包夾,為兼顧圖面整潔,考慮到地質(zhì)災(zāi)害危害性(從重考慮),所以面積≥1 km2圖斑保留,<1 km2圖斑合并。合并原則同上。據(jù)此,劃定的地面沉降危害程度評價分區(qū)見圖3。

圖3 太原盆地地面沉降危害程度分區(qū)圖Fig.3 Partition map of land subsidence hazard degree of Taiyuan Basin

太原盆地危害程度“大”區(qū):①太原市及晉中市榆次區(qū)的城區(qū)及城市規(guī)劃區(qū)的大部分,呈片狀,位于盆地北部;②大西客運(yùn)專線、太焦客運(yùn)專線,呈帶狀,分布在盆地中部偏東;③機(jī)場(太原武宿國際機(jī)場、陽曲及孝義規(guī)劃機(jī)場),呈斑狀;④山西大水網(wǎng)及其骨干供水工程(包括規(guī)劃工程),盆地縱橫均有分布。太原盆地危害程度“大”區(qū),占比為24.0%,危害程度“中等”區(qū),占比為21.2%,“大”區(qū)超過了 “中等”區(qū),且“大”與 “中等”區(qū)占比接近一半。

可見,太原盆地區(qū)內(nèi)城市及城鎮(zhèn)區(qū)重大工程廣泛分布,易損性高,容易遭受地面沉降災(zāi)害。各危害程度分區(qū)面積如表3所示。

表3 太原盆地地面沉降危害程度分區(qū)統(tǒng)計Table 3 Statistics of Land subsidence hazard degree in Taiyuan Basin

4 太原盆地地面沉降控制分區(qū)評價

綜合地面沉降發(fā)育程度分區(qū)和危害程度分區(qū),考慮從重保護(hù)重大工程項(xiàng)目,考慮受災(zāi)對象的易損性與重要程度,劃分地面沉降控制分區(qū)。地面沉降控制分區(qū)劃分為一級、二級、三級3個級別。具體的劃分標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 地面沉降控制分區(qū)分級Table 4 Scale of land subsidence control partition

在具體評價過程中,考慮以下因素:①太原盆地地面沉降活動主要是由地下水開采主導(dǎo),沉降多是較大范圍的,而極小范圍且短時間發(fā)生較大沉降主要是由于工程建設(shè)影響(地面荷載增加、基坑排水);②地面沉降控制分區(qū)要與地下水資源開采現(xiàn)狀、地下水資源開采規(guī)劃相銜接;③降速率小于10 mm/a的地區(qū),地下水也有處于過度開發(fā)狀態(tài),或接近零界狀態(tài),地下水資源仍需合理開發(fā)、科學(xué)規(guī)劃,在地面沉降控制分區(qū)評價中,將<10 mm/a的地區(qū),等同于地面沉降“弱”區(qū)來處理。

綜合上述因素,在控制區(qū)的劃分上,平衡信息準(zhǔn)確表達(dá)與圖面美觀時,側(cè)重于圖面美觀。①一級控制分區(qū):圖斑面積大多≥1.0 km2,少數(shù)介于0.5 km2～1.0 km2,個別被盆地邊界切割成小碎片<0.5 km2?！?.0 km2圖斑保留,<1.0 km2圖斑合并,合并時,優(yōu)先向高級別區(qū)合并;②二級控制分區(qū):由于被一級控制分區(qū)、盆地邊界切割,存在較多碎片區(qū)，合并原則同上;③三級控制分區(qū):由于被一級、二級區(qū)邊界以及盆地邊界切割,存在較多碎片區(qū)，合并原則同上。據(jù)此,地面沉降控制分區(qū)評價結(jié)果見圖4。

太原盆地地面沉降一級控制分區(qū)主要分布在:①太原市晉源區(qū)、小店區(qū);②榆次-清徐-太谷-祁縣-平遙段大西客運(yùn)專線、榆祁高速、規(guī)劃太焦客運(yùn)專線沿線;③介休規(guī)劃機(jī)場及機(jī)場附近一帶的大水網(wǎng)。另外,在清徐、交城也有成斑點(diǎn)狀的分布。

太原盆地地面沉降二級控制分區(qū)主要分布在:①太原市、榆次區(qū)除一級控制分區(qū)剩余區(qū)域;②山西大水網(wǎng),盆地區(qū)縱橫分布;③京昆高速、榆祁高速及大西客運(yùn)專線除一級控制區(qū)的剩余區(qū)域。另外,在盆地區(qū)也有呈斑點(diǎn)狀的分布。各危害程度分區(qū)面積如表5所示。

一級控制分區(qū)占太原盆地面積6.0%,二級控制分區(qū)占比24.2%,三級控制分區(qū)占比69.8%。一級控制分區(qū)覆蓋了大西客運(yùn)專線、規(guī)劃太焦客運(yùn)專線、大水網(wǎng)、飛機(jī)場等重大工程,區(qū)域重要城市太原市、榆次區(qū)等中小城市位于沉降速率超過30 mm/a的區(qū)域,分區(qū)結(jié)果合理。

圖4 太原盆地地面沉降控制分區(qū)圖Fig.4 Partition map of land subsidence control in Taiyuan Basin

危害程度分區(qū)面積/km2百分比/% 大3756.0 中等1 50024.2 小4 32869.8 合計6 203100.0

一級控制分區(qū)面積占比較小,只要合理的利用地表、地下水資源,尤其是山西大水網(wǎng)工程調(diào)配的水資源,就有條件防控城市、重大工程等地面沉降敏感區(qū)的地面沉降災(zāi)害,快速減輕甚至避免地面沉降地質(zhì)災(zāi)害[5]。

5 結(jié)論

1)太原盆地地面沉降活動速率與地下水超采關(guān)聯(lián)性強(qiáng),對于某個地點(diǎn),沉降隨著第四系松散巖類孔隙水超采的加劇而加劇,減緩而逐步減緩,甚至反彈。

2)本文通過制定相應(yīng)的劃分標(biāo)準(zhǔn),開展地面沉降發(fā)育程度分區(qū)評價、地面沉降危害程度分區(qū)評價,在此基礎(chǔ)上開展地面沉降控制分區(qū)評價。評價結(jié)果顯示,太原盆地一級控制分區(qū)占比6.0%,覆蓋了大西客運(yùn)專線、規(guī)劃太焦客運(yùn)專線、大水網(wǎng)、飛機(jī)場等重大工程以及區(qū)域重要城市太原市、榆次區(qū)等中小城市，位于沉降速率超過30 mm/a的區(qū)域,分區(qū)結(jié)果合理。

3)一級控制分區(qū)面積占比較小,只要合理的利用水資源,是有條件對地面沉降一級控制分區(qū)施行地下水禁采限采的。太原盆地地面沉降活動速率受控于地下水超采強(qiáng)度,嚴(yán)格執(zhí)行地下水禁采限采措施,能快速減輕甚至避免主要城市、重大工程遭受地面沉降地質(zhì)災(zāi)害。

4)對于大西客運(yùn)專線、規(guī)劃太焦客運(yùn)專線等對地面沉降極為敏感的工程,是否與其他重要構(gòu)筑物采用同一個評價標(biāo)準(zhǔn),需要進(jìn)一步開展災(zāi)害調(diào)查、研究。