山西省地质勘查局二一七地质队 山西省大同市 037008
摘要：大同市平原区长期处于超采状态，导致区域地下水位逐年下降、形成以水源地为中心的降落漏斗，引发并加剧地面沉降和地裂缝地质灾害。本文结合多年地下水动态监测和地面沉降、地裂缝监测资料，分析地下水超采与地面沉降、地裂缝地质灾害的关系，从合理开采利用地下水角度为地质灾害防治提出对策。
1 大同市平原区水文地质条件
大同地处黄土高原西北部，丘陵及山地多，平原少，全市平均海拔在1000-1500m之间。地貌形态复杂多样，北西、北东、南东为山区，中部及南西为平原区。整体形态为走向北东的三山夹一川的凹形盆地，大同市平原区面积（包括城区、南郊区）约为612km?。
大同市平原区地下水主要为第四系全新统、上中更新统松散岩类孔隙水，分别位于山前倾斜平原区、冲洪积平原区和冲湖积平原区三类地貌单元上。
①山前倾斜平原区：在山前呈带状分，宽约5km，是盆地最富水地段，为孔隙承压水，岩性一般为第四系全新统和中、上更新统的砂卵砾石层，单位涌水量在4-8m?/h?m。靠近出山口，洪积扇发育，含水层以砂砾石层为主，为富水地段，单位涌水量达10-60m?/h?m。水位埋深变化较大。
②冲洪积平原区：分布于山前倾斜平原的下部，宽约10-20km。潜水水位埋藏浅，水量较丰富。一般单位涌水量2-7m3/h?m，含水层为第四系中、上更新统的中粗砂和砾石。
③冲湖积平原：一般无好的含水层，颗粒细、厚度小。主要取水层位50-200m。岩性一般为第四系中更新统的中砂和粉细砂，主要为民井开采。
大同市平原区地下水补给来源主要为大气降水入渗，西、北边山侧向补给及边山峪口地表水入渗补给。盆地内地下水自边山向盆地中心径流，沿御河由西北向东南径流。排泄方式主要是沿御河向下游径流、人工开采和地面蒸发。
2 地下水开采现状
自20世纪80年代以来，随着城市建设、工农业生产的飞速发展，对水资源的需求不断增加，大同市1984年地下水实际开采量为12269.7万m?，2001年15180.2万m?，2011年增加到20598.5万m?，之后，随着引黄工程的实施和政策性限采，地下水开采量有所减少，2015年地下水开采量为12790.6万m?。
地下水处于长期超采状态，地下水位逐年下降，造成浅井干枯，地下水由浅井开采不断更新为中深层开采；原口泉河、十里河、御河洪积扇溢出带已无泉水溢出，河流干枯。由于地下水的大量超采，形成了以城北、城南和城西水源地为中心大范围的地下水降落漏斗。1981-2010年城北、城南、城西水源地水位分别下降32.00m、22.03m、14.31m，漏斗面积分别达32.79km2、70.86km2、44.51km2（见图2-1）。
随着地下水降落漏斗范围的不断扩大，引发和加剧的地面沉降、地裂缝地质灾害越来越严重。
图2-1 2010年地下水降落漏斗分布图
3 大同市平原区地质灾害发育特征
大同市平原区的地形、地貌条件和地质条件决定了发生滑坡、崩塌、泥石流、采空区的可能性很小，发生地质灾害的种类主要为地面沉降和地裂缝。
3.1地面沉降
大同市地面沉降水准监测工作始于上世纪50年代，将历年来的监测资料进行综合分析对比，将大同市地面沉降划分为3个阶段：
（1）20世纪50年代-1984年，为地面沉降缓慢发展阶段：表现为整体均匀缓慢沉降；沉降速度一直稳定在6-9mm/a。没有明显地面沉降区，无沉降漏斗形成。
（2）1984年-2011年，为地面沉降快速发展阶段：特别是二电厂等大型用水企业开始运营，以及工农业用水量的不断增大，地面沉降开始加速发展。截至2011年，大同市出现了3个沉降漏斗（见图3-1）：
以陈庄-古城村为中心的城北沉降漏斗，中心沉降速率为23.8mm/a，以10mm/a等值线为闭合线圈定沉降面积为1.5km2；以沙岭村-东马营为中心的城南沉降漏斗，中心沉降速率为14.7mm/a，以10mm/a等值线为闭合线圈定沉降面积为12.9km2；以十里河灌溉管理处为中心的城西沉降漏斗，中心沉降速率达36.8mm/a，也是大同市地面沉降速率最大的地区，以10mm/a等值线为闭合线圈定沉降面积为8.9km2。
（3）2011年至今，为地面沉降趋缓阶段。2011年开始，引黄北干线开始向大同市供水，市区大规模关井压采，地下水超采局面逐步得到扭转。地面沉降整体速率逐步减缓，局部地区甚至出现了反弹。
图4-1 大同市2010-2016年地面沉降等值线图
3.2地裂缝
大同市最早发现地裂缝的时间是1983年，当时共3条，总长不足5km。其后地裂缝数量日益增多，累计长度越来越大，至1990年共发现7条总长23.9km，至1995年共发现10条总长30.2km，至2000年共发现11条总长33.3km。
从平面分布上看，地裂缝主要集中在大同市城区和南郊区。按地裂缝规模划分，其中1条巨型、8条大型、2条中型。地裂缝走向均为北东向，大部分介于30-65之间。南郊区凿井队地裂缝最长为5.5km，大同柴油机厂地裂缝最短为0.8km，平均长度3.03km（见表3-1）。
4 超采地下水引发加剧地面沉降地质灾害
地面沉降是在人类工程经济活动影响下，地下松散地层固结压缩，引发的幅度较大、速率较大的地面标高降低的一种区域的或局部的下降运动，而引起城市局部地面沉降的主要原因与大量开采地下水密切相关。因地下水超采而引起的地面沉降，是发育最普遍、危害最严重的一类地质灾害。
4.1地面沉降的范围与地下水超采范围相关
据山西省地质环境监测中心二○○九年四月《大同市地面沉降地裂缝调查与监测报告》，大同市区局部地段的地面形变量远远超过了区域地壳形变量，反映出主导因素为非构造性的，地面沉降范围与地下水漏斗分布范围有较好的对应关系，且地下水降落漏斗中心在地理位置上与地面沉降中心基本吻合（见图4-1），表明大同市地面沉降与该区大量开采地下水密切相关。
4.2超采地下水引发地面沉降
对大同市的地下水开采历史进行分析，可以发现该区的地下水开采历史与地面沉降演变历史非常相似。在1970年代以前，地下水开采量较少，地面沉降变形微弱。自1980年代以来，平原区地下水长期处于超采状态，区内地下水位逐年下降，地面沉降变形加快，先后形成了城西水源地、城北水源地、城南水源地降落漏斗区。与此相对应，以城西、城北、城南水源地漏斗区为中心的地面沉降区也亦形成，并随着地下水降落漏斗范围的扩大而增大。说明超采地下水可以引发地面沉降地质灾害。
4.3超采地下水加剧地面沉降活动
据多年来的水准测量资料，1950至1970年代末期，地下水开采量小，区内大地水准点控制的地面变形反映为区域性的相对均匀下沉，沉降速率一直稳定在6-9mm/a之间，该值可作为区域构造应力场引起地面沉降的背景值。
1980年以来，大同市地下水超采量越来越大，地面沉降的速率明显加快。据1988-1993年连续监测资料，在超采区形成3个沉降中心，沉降速率逐年加大，年均沉降量达到了25mm。1994-2004年，由于种种原因，大同市监测水准点受到破坏，监测工作中断，因此该时段的监测资料缺失。2005年恢复监测，2005-2009年，地面沉降的范围持续向南部扩展，沉降速率10-20mm/a。
2012年开始，由于引黄工程的实施和政策性限采，地下水开采量有所减少，地面沉降的速率也明显减慢。据山西省地质环境监测中心编制的“大同市2010-2016地面沉降等值线图”，大同市西北部年均沉降量2.97mm，东北部年均沉降量2.32mm，明显小于地面沉降背景值；东南部年均沉降量8.0mm，西南部年均沉降量9.3mm，接近地面沉降背景值；老城区大部分地段为反弹区，最大反弹量为12.5mm，年均反弹量1.78mm。事实证明，地下水开采量增多，地面沉降速率加快，反之，地面沉降速率减慢。
4.4地面沉降形成机理简析
地面沉降是一种缓变的地质灾害。地面沉降的原因，包括自然和人为原因。就大同盆地而言，由于第四系松散层在漫长的地质历史时期已完成了天然状态下的自重固结过程，所以该地区在近几十年来的大幅度地面沉降应与土体天然状态下的自重固结关系不大。由于连年超采地下水，地下水位持续下降，使得超采范围内的岩土体孔隙水压力下降，土体骨架颗粒所承担的有效自重应力增加，土层被压密，产生压缩变形，岩土体向下移动；由于超采范围边缘与中心沉降速率不同，岩土体产生弯曲变形，一直发展到地表，引起地面变形，使建筑物倾斜，墙体开裂，造成的经济损失巨大。与岩土工程中的基坑开挖降水相比，超采地下水造成的地面沉降影响范围非常大。
5 超采地下水引发加剧地裂缝地质灾害
地裂缝是指地表岩层、土体在自然因素（地壳活动、水的作用等）或人为因素（抽水、灌溉、开挖等）作用下产生开裂，并在地面形成一定长度和宽度的裂缝，是一种宏观地表破坏形象。当这种现象对人类生产生活产生危害时，称为地裂缝地质灾害。
大同市有二百多座建筑物及公共设施建在地裂缝上，地裂缝所经之处，地面及地下各类建筑物开裂，路面破坏，地下供水、输气管道错断，一些著名文物古迹的安全受到危及，如在大同市区的铁路分局、文化里、振华街等10多处居民住宅区，地表裂缝最宽处达到了0.1m。由于地表不均匀下沉，不少新建房屋地基破坏，墙体开裂，变成了危房。不但造成了较大经济损失和不良社会影响，也给居民生活带来不便。
5.1地裂缝的分布与地下水超采范围有关
从地裂缝与降落漏斗的平面位置来看，大同市地裂缝多数分布在地下水降落漏斗边缘地带，如f1、f2地裂缝西段、f11地裂缝位于城西降落漏斗的东边缘；f1、f10地裂缝东段、f3地裂缝西段位于城南降落漏西北边缘；f3、f4、f5地裂缝东段和f4、f9地裂缝位于城北降落漏斗南部边缘。这些地段，也就是剪应力最大的位置。说明地裂缝产生与活动和地下水降落漏斗的形成具有相关性（见图5-1）。
5.2超采地下水引发地裂缝灾害的发生
从空间展布上看，大同市地裂缝斜贯大同市区的中西部，优势方位呈北东-南西向，与现今区域主构造线方向一致，说明地裂缝与区域构造应力场、断裂活动、地震活动有一定相关性。
从时间序列上看，80年代开始，地下水开采量逐年增多，从1984年的12269.7万m3至2011年达最高年开采量20598.5万m3，从2012年开始，地下水开采量逐年减少，至2016年开采量下降到12790.6万m3。
超采地下水引起地下水位急剧下降。从城西水源地D5观测井1981-2015年水位历时曲线图（见图5-2）可以看出：1981-2000年为地下水位急剧下降期，2001-2015年，为地下水位趋于稳定期，这期间地下水位只是小幅度波动。
图5-1地下水降落漏斗与地裂缝分布图
图5-2 城西水源地D5观测井水位历时曲线
从大同市平原区地裂缝的发生时间来看，11条地裂缝全部发生在1981-2000年间，其中1981-1985年3条（f1、f3、f7），1986-1990年4条（f4、f5、f6、f8），1991-1995年3条（f2、f9、f11）；1996-2000年1条（f10）。地裂缝发生时段与地下水位急剧下降的时段高度一致。
5.3超采地下水加剧地裂缝活动
从跨地裂缝短水准剖面监测资料来看：f1地裂缝（同兴街剖面）：两盘累计相对沉降量从2005.12开始逐年增大（未搜集到之前资料），至2013.10达到最大值后，至2016.10两盘相对累计沉降量略有减小并趋于稳定，活动速率趋缓。f2地裂缝（文化街剖面）：两盘累计相对沉降量从2005.12开始逐年增大，至2014.4达到最大值后，至2016.10两盘相对累计沉降量趋于稳定，活动速率趋缓（见图5-3）。
大同市地下水开采量峰值出现在2011年，之后开采量逐年减少。而f1地裂缝差异沉降量峰值出现在2013年10月，f2地裂缝差异沉降量峰值出现在2014年4月，达到峰值后，差异沉降量趋于稳定。说明地下水开采量增加与地裂缝活动速率呈正相关，但地裂缝差异沉降量的峰值与地下水开采量峰值出现的时间滞后2年左右。
图5-3 f1、f2地裂缝对应水准点累计相对差异沉降量曲线
5.4地裂缝形成机理简析
大同市平原区地裂缝是内动力和外动力相互促进、综合作用的结果，其形成演化主要受地质构造、新构造运动、地层岩性、地下水超采等因素的影响。其中地层岩性是地裂缝形成的物质基础，基底断裂构造、新构造运动是地裂缝形成的主导因素，属内动力；地下水的超采是诱发地裂缝活动的关键因素，属外动力。
地下水的超采对地裂缝的影响主要表现在：当抽取地下水时，土体中的孔隙水被疏干，孔隙水压力减小，土颗粒承受的有效自重压力相对增大，地下水位以上的被疏干土层被压缩，体积缩小，其结果是引起地面下沉。疏干的土层重新完成固结需要一定的时间，这就是地裂缝差异沉降量峰值比地下水开采量峰值出现时间滞后2年左右的主要原因。当地面沉降不均匀，使地应力增大到一定程度，就会引起土体剪切破坏，形成新的地裂缝，这一现象在沉降漏斗边缘地带尤其明显。地面沉降若通过已有裂缝时，使原有的地裂缝活动加剧，也可促使隐伏地裂缝向地表进一步延伸。
6合理开采利用地下水及地质灾害防治
地下水是大同市平原区工农业生产和人民生活的主要用水来源，全面禁止开采地下水是不现实的。为保障大同市社会经济的可持续发展，本文就合理开采地下水，减少因地下水超采引发和加剧地质灾害提出如下对策。
6.1加强地下水开采管理
在行政管理方面，建立地下水资源管理机构，实行规划开发，统一调度，如在市区内逐步停止自采井，统一调度使用城市供水。在资金支持上，完善投入补偿机制，加大对饮水水源保护区的投入。法制管理方面，认真贯彻国家有关地下水资源管理的方针、政策、法规，制定符合地方实际情况的地下水管理条例，加强地下水资源环境保护与节约用水的宣传教育。
6.2分区控制开采地下水
对地下水超采造成的危害程度进行评估，并考虑地下水资源的恢复、补给能力，从管理上将地下水开采区划分为禁采区、限采区和控采区，进行分区开采。如市区内和长期农业灌溉的深层地下水严重超采区实行禁采政策；浅层地下水和一般超采区、已引发地质灾害地区和受污染地区，并具有一定的补给及恢复能力的地区实行限采政策；轻微超采区实行控制开采政策，实现采补平衡。
6.3加强地下水和地面沉降、地裂缝动态监测
进一步完善地下水动态监测网络和地面沉降地裂缝的监测，及时掌握地下水开采与地面沉降地裂缝动态变化情况，适时调整开采计划，实现地下水资源的动态管理。
6.4充分利用雨水资源、加强水循环利用
充分利用雨水灌溉，开展人工增雨作业，灌溉季节增加有效降雨。工业生产和居民生活中尽量利用中水，减少地下水开采量，以恢复和养蓄地下水，改善水文地质环境。此外，还可以加强生态治理和地下水污染治理，通过拦蓄工程、湿地工程等，提升水体自我降解和生物降解能力。
6.5因地制宜开展地下水人工回灌恢复养蓄地下水
人工回灌是防治地面沉降的有效手段之一，且方法简单，并能起到蓄水储能的综合效果，但需水量大。应积极创造条件，在保证水质的前提下进行回灌。各含水层组之间水力联系较好的地区，具有接受大气降雨入渗与河水补给的特点，适宜建设回灌工程，利用雨洪资源渗漏回补地下水。
6.6适时开辟新水源
引黄工程运行以来，大同市地下水开采量大大减少，地下水位下降趋缓，个别地方地下水位有所回升，地面沉降地裂缝活动明显趋缓。另外可在大同市周边县区开辟新的水源地，减少市区地下水的开采，使地下水达到采补平衡的良性循环。
7 结语
大同市平原区地面沉降、地裂缝地质灾害与地下水超采紧密相关。
地面沉降与地下水降落漏斗的分布范围基本一致，地下水开采量增大，地面沉降速率加快；反之，地面沉降速率减慢。
地裂缝集中分布在地下水降落漏斗区边缘，这里的剪应力最大。地下水开采量增大，地裂缝两盘相对位移量增大，活动速率加快；反之，两盘相对位移量减少，活动速率减慢或趋于稳定。地裂缝两盘差异沉降量峰值与地下水开采量峰值出现时间滞后2年左右，主要原因是地下水位下降后被疏干土层重新完成固结需要一定的时间。
大同市应从政策法规和地下水开采管理方面采取综合措施，合理开采利用地下水，减少因超采引发和加剧地面沉降地裂缝地质灾害的发生，保障大同市社会经济的可持续发展。
参考文献
[1]李军等.山西盆地地面沉降地裂缝调查报告.2015（10）
[2]王润福.大同市地面沉降地裂缝调查与检测报告.2009（1）
[3]郭清海、王焰新.地下水开采与土层压缩性对地面沉降的联合控制.2012：908-913
论文作者:苗广林,马俊红
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第9期
论文发表时间:2018/8/23
标签：地下水论文; 裂缝论文; 大同市论文; 地面论文; 漏斗论文; 速率论文; 平原论文; 《建筑学研究前沿》2018年第9期论文;