秦 壮
(河北省石家庄水文勘测研究中心，河北 石家庄 050000)
地面沉降是由于地下水、石油或天然气等矿产开采引起的土壤材料变形。地下水的过度使用导致地下水位下降，减少孔隙水压力。孔隙水压力的降低导致土层压缩固结，地表逐渐沉降。地下水抽取引起的地面沉降是一个世界性的问题[1]。我国多个平原地区因地下水过度抽取而发生地面沉降，如山东、辽宁、吉林、河北、陕西、北京等，都面临着严重的地面沉降问题[2-3]。本文研究区位于华北平原，是我国遭受严重地面沉降的典型地区之一。刘晓帅等[4]利用DInSAR与SBAS InSAR技术，对山东济南某矿区地面沉降进行监测分析，研究表明，在沉降中心区域，DInSAR与SBAS InSAR的监测结果与矿区地面水准监测结果较吻合，该方法可用广泛于矿区地面沉降监测；
王晓贺[5]等采用PS-InSAR对北京焦化厂矿区地面沉降进行监测，结果表明，该矿区地面沉降的主要原因是工厂对地下水的过量开采，在进行工厂搬迁后，地面沉降速率有所降低；
何理等[6]运用灰色理论方法，对天津地下水开采导致的地面沉降进行危险性评估，研究结果表明，41.57%的研究区处于高度危险状态；
赵超英等[7]采用孔径雷达干涉技术，研究了西安市鱼化寨地区近三十年来地面沉降变化情况，研究结果表明，鱼化寨地区地面沉降区仍在逐步扩大，地下承压水层的地下水开采及工程活动是引起地面沉降的主要原因；
亓协全等[8]通过Visual MODFLOW有限差分法，对济南北部深层地下水开采导致的地面沉降进行模拟，研究结果表明，该数值模拟方法与实际监测数据较为一致，可用于地面沉降预测及危险性评估；
姚博[9]基于Midas GTS软件对上海某基坑降水导致的沉降变形过程进行模拟，研究结果表明，地下水的渗流作用对基坑降水导致的沉降作用有显著影响。本文基于有限元数值模拟软件，对华北平原某地面沉降区进行三维地面沉降数值模拟，并与监测数据对比分析，研究结果对于该地区地面沉降危险性评价具有一定参考意义。
1.1 气象水文
研究区位于华北平原，属暖温带亚湿润季风气候，但受辽东半岛及山东半岛影响，呈现较强的大陆性气候特征。年平均气温5℃～9℃，最高气温在七月，有记录以来的最高温达41.8℃，平均温度29℃；
最低气温在一月，可低至-28℃，平均温度为-9℃。多年平均无霜期约180 d，占全年的一半左右。该地区年平均降水量在560～630 mm，降雨量分布不均匀，全年降水量主要集中在7-9月份，占全年降水量的80%以上，冬季降水量仅占全年降水量的3%～4%。根据该地区气象局发布的资料，研究区年平均降雨量如图1(以调查年份2014年为例)。
图1 研究区2014年逐月降水量与历年同期对比
由图1可以看出，研究区降雨主要集中在7、8、9三个月，降雨量分别为152 mm,141 mm,135 mm， 1、2、12月降雨量较少，分别为13 mm，10 mm，15 mm，降雨量年度分布严重不均。
1.2 地层岩性
地区出露的地层为典型的华北型地层。地层发育较齐全，有太古宙，中、新元古界，古生界，中生界和新生界。
太古宙以片麻花岗岩为主，其中片麻花岗岩中含有斜长角闪岩、二云母片岩等变质岩。中、新元古界包括长城系、蓟县系、青白口系。长城系主要分布于白庙子、韩家沟、寺儿堡一带，包括常州沟组，串岭沟组，团山子组，大红域组，高于庄组。蓟县系包括杨庄组，雾迷山组，洪水庄组，铁岭组。青白口系包括下马岭组，长龙山组，景儿域组。
下古生界仅发育有寒武系和奥陶系地层。寒武系包括昌平组，馒头组，张夏组，崮山组，炒米店组。奥陶系包括冶里组，亮甲山组，马家沟组。上古生界发育有石炭系、二叠系和三叠系。石炭系包括本溪组。石炭二叠系包括太原组。三叠系包括山西组，石河子组，蛤蟆山组。
中生界发育有三叠系，侏罗系，白垩系。三叠系包括红砬组，后富隆山组。侏罗系包括羊草沟组，兴隆沟组，北票族，海房沟组，髫髻山组，土城子组。白垩系包括义县组，九佛堂组，冰沟组。新生界整体处于上升剥蚀阶段，大部分地区未有沉积，仅局部地区发育有第四系更新统红色粉砂质黏土和淡黄色土。
1.3 地下水变化特征
研究区内河流众多，大气降水是水资源的主要来源，根据水资源分布区域可分为地表水资源和地下水资源。据统计，自2002年以来全市地表水资源总量约在3.5～3.7亿 m3左右，折合年径流深34 mm左右，远低于多年平均值。地表水资源的减少也影响到了地下水。2014年全市地下水资源总量约3亿 m3，较往年有不同程度的降低。此外，地下水过量开采也导致该地区地下水水位下降的重要原因。
根据监测结果，研究区地下水位变化数据如图2所示。
由图2可知，从1985年到2008年期间，1#监测区和2#监测区均发生了较大程度的水位下降，其中1#区地下水水位从65 m下降到50 m，降低了15 m；
2#区地下水深水位从64 m下降到48.5 m，降低了15.5 m，其中1987年到1996年地下水沉降速率较低，从1996年后沉降速率明显加快，可能是由于地下水开采速度加快所致。
图2 监测区地下水水位变化情况
根据对研究区控制点位范围内地面沉降监测数据分析，得到图3所示结果。
图3 研究区地面沉降监测数据
由图3可知，1#监测区中，在距离监测点基准位置15 km、35 km、70～110 km处均发生了较大的地面沉降，地面沉降分别为0.05 m、0.2 m、0.1～0.5 m，最大沉降值为0.55 m；
2#监测区地面沉降发生在距离基准点16 km、30 km、85～105 km处，最大沉降量为0.23 m。
图4 三维地层数值模拟模型
图5 数值模拟结果与实际监测结果对比
利用ANASYS软件，选取研究区范围内的高程数据建立三维地层模型，如图4所示。
由图4可知，地面沉降值从中心点(C点)向周围扩展，呈漏斗状分布。地面沉降范围0.1～1.2 m之间,地面沉降最大处发生在图4中C点，沉降值为0.90 m，由C点向沉降区边缘，沉降值逐渐变小，B点沉降值约0.32 m，A点沉降值约为0.07 m。数值模拟结果和实地监测结果对比如图5所示。
从图5中可以看出，1#范围内地面沉降在基准点处最大，沉降值为0.2 m，并随着离基准点距离增大，沉降值不断降低，在离基准点18 km处沉降值降到0.05 m以内，可认为此处已无地面沉降发生。在离基准点4～6 km范围内，沉降值下降较大，表明该处地下水开采严重，实地调查表明，该范围内有一化工厂，长期过量开采地下水，从而导致地面沉降异常。
2#范围内基准点处监测沉降值为0.48 m，与1#范围内沉降结果一样，随着离基准点距离增大，沉降值不断降低，在离基准点18 km处沉降值降到0.1 m以内，表明该处地面沉降已趋于稳定。地面沉降在距基准点4～6 km范围内出现显著增加。
结合数据监测结果和数值模拟结果可知,两者吻合较好,表明该数值模拟模型具有一定的可靠性,可用于该地区地面沉降的预测。
本文在基于现场地面沉降监测的基础上，通过数值模拟软件对华北平原某地面沉降区地面沉降进行分析，主要结论如下：
(1)现场调查和地下水水位监测数据表明，从1985-2008年期间，研究区地下水水位从约60～65 m处下降到45～50 m处，下降值约10～15 m，主要是由于地下水过度开采导致的。
(2)现场地面沉降监测数据表明，1984-2004年间，研究区地面沉降范围在0.1～0.5 m之间，沉降范围半径约18 km；
在距监测基准点月4～6 km范围内，化工厂过量开采地下水是导致该范围内地面沉降较严重的原因。
(3)根据现场监测和数值模拟结果对比可知，两者吻合较好，数值模拟模型可用于地面沉降范围预测。
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